生物反應器——設計與型別

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引言

生物反應器是生物技術中用於生產一系列產品（包括疫苗、抗生素、生物燃料、酶和蛋白質）的重要裝置。生物反應器是封閉系統，可為微生物或細胞的生長提供受控環境。

生物反應器的設計取決於產品的型別、微生物的型別和生產規模。

生物反應器的型別

根據生物反應器的設計、操作方式和應用，可以將其分為不同的型別。以下是主要的生物反應器型別：

攪拌式生物反應器

攪拌式生物反應器是工業應用中最常見的生物反應器型別。它們是配備有電機驅動葉輪的圓柱形容器，該葉輪為培養物提供攪拌作用。葉輪確保營養物質、氧氣和微生物的均勻混合，從而確保最佳生長和生產。

氣升式生物反應器

氣升式生物反應器是另一種用於工業應用的生物反應器。它們是高大的圓柱形容器，依靠上升的氣泡為培養物提供攪拌作用。氣泡產生流化床，確保營養物質、氧氣和微生物的均勻混合。

填充床生物反應器

填充床生物反應器用於生產酶和蛋白質。它們由填充有固體顆粒（例如樹脂或玻璃珠）的填充床組成，這些固體顆粒為細胞附著提供表面積。細胞在固體顆粒表面生長併產生所需產品。

膜生物反應器

膜生物反應器使用膜將培養物與營養液分離。膜充當屏障，只允許營養物質和氧氣透過到培養物中。膜還可以防止汙染物的生長，並允許更好地控制生產過程。

光生物反應器

光生物反應器利用光作為微生物或細胞生長的能源。反應器的設計旨在最佳化培養物接收到的光量。光生物反應器用於生產生物燃料和其他需要光合作用的產品。

流化床生物反應器

流化床生物反應器使用固體顆粒的流化床為培養物提供攪拌作用。透過氣流使顆粒流化，從而產生流化床。流化床為微生物或細胞的生長提供了很大的表面積。

氣升式生物反應器

氣升式生物反應器使用空氣和液體的柱狀物為培養物提供攪拌作用。生物反應器由兩個區域組成：上升管和下降管。上升管是培養物進行曝氣的區域，而下降管是液體和微生物由於重力向下流動的區域。

影響生物反應器效能的因素

幾個因素會影響生物反應器的效能，包括：

供氧

微生物需要氧氣進行呼吸和生長。生物反應器必須提供足夠的氧氣以支援最佳生長和生產。

營養供應

微生物需要碳、氮和磷等營養物質才能生長和生產。生物反應器必須提供足夠的營養物質以支援最佳生長和生產。

溫度

微生物具有最佳的生長和生產溫度範圍。生物反應器必須將溫度保持在最佳範圍內。

pH 值

微生物具有最佳的生長和生產 pH 值範圍。生物反應器必須將 pH 值保持在最佳範圍內。

攪拌

攪拌為培養物提供混合和曝氣。生物反應器必須提供足夠的攪拌作用，以防止沉降並保持最佳的氧氣轉移。

無菌性

汙染會對生物反應器的效能產生負面影響。必須在無菌環境中維護生物反應器，以防止汙染。

產物毒性

某些產品對微生物可能有毒。生物反應器的設計必須能夠處理有毒產品並防止其積累。

生物反應器的設計考慮因素

設計生物反應器時必須考慮幾個設計因素，包括：

生物反應器型別

必須根據生產過程的具體要求選擇生物反應器型別。需要考慮的因素包括微生物或細胞培養物的型別、正在生產的產品以及生產規模。

生物反應器尺寸

必須根據生產規模選擇生物反應器尺寸。需要考慮的因素包括所需的培養物體積、微生物的氧氣和營養需求以及所需的攪拌型別。

結構材料

必須根據生產過程的具體要求選擇結構材料。需要考慮的因素包括材料與培養基的相容性、維持無菌性的能力以及材料的成本。

攪拌系統

攪拌系統的設計必須能夠為培養物提供足夠的混合和曝氣。需要考慮的因素包括攪拌型別、所需功率以及維持無菌性的能力。

氧氣轉移系統

氧氣轉移系統的設計必須能夠為培養物提供足夠的氧氣。需要考慮的因素包括氧氣轉移型別、氧氣轉移效率以及維持無菌性的能力。

溫度控制系統

溫度控制系統的設計必須能夠將溫度保持在最佳生長和生產範圍內。需要考慮的因素包括加熱或冷卻系統的型別、溫度控制效率以及維持無菌性的能力。

pH 控制系統

pH 控制系統的設計必須能夠將 pH 值保持在最佳生長和生產範圍內。需要考慮的因素包括pH控制系統的型別、pH控制的精度以及維持無菌性的能力。

結論

生物反應器是生產各種產品（包括生物燃料、藥品和生物塑膠）的重要工具。必須仔細考慮生物反應器的設計和操作，以確保最佳效能和產品質量。

必須考慮幾個因素，包括生物反應器的型別、生產規模以及生產過程的具體要求。

合適的生物反應器型別的選擇和系統的設計將取決於生產過程的具體需求。透過正確的設計和操作，生物反應器可以提供一種可持續且高效的方式來生產各種有價值的產品。