生物反应器与生物反应工程-生物工程与技术导论.ppt

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and machines perform functions in a factory.,There are parts of a cell that also perform different functions.,Cell as Bioreactor,All factories produce a product.,CELL PRODUCT=PROTEINS,Cells DNA codes for,proteins!,All cells in an organism have the same DNA,but different cell types produce different proteins.,What is needed to build a protein?,Cell as Bioreactor,乳腺和血液生物反应器，前者研究更多,外源目的基因转入动物胚胎，定位于乳腺分泌表达,转基因动物养殖,直接使用或分离纯化,Animal as Bioreactor,抗凝血酶,乳铁蛋白,肺气肿,冠状动脉手术,牛乳腺炎,溶葡球菌酶,囊肿性纤维化,Animal as Bioreactor,血友病,Animal as Bioreactor,目的基因转入植物,大规模养殖转基因植物,目的产物分离纯化,Plant as Bioreactor,2,人工生物反应器,人工模拟自然生态的细胞或组织生长系统，由生命系统与环境系统组成。,在工业规模，细胞水平，为生物加工提供原料与产品。,生物反应器的概念,Process control and monitoring,Sugar consumption,pH,Temperature,Fermentation time(h),Agitation,Cell Dry Weight,Product,Computer softwares have been developed to monitor and change the process on line,结构特征分类,STR,固定床,喷射环流式,JLR,鼓泡塔,BC,气升式,ALR,管式反应器,不考虑具体结构，理想流动。,通用式机械搅拌槽式反应器示意图,通用式机械搅拌槽式反应器几何尺寸比例,机械搅拌式生物反应器,1,泡沫电极,2,加热或冷却器,3,温度探头,4 PH,电极,5 DO,电极,6,控制柜顶盒,7,搅拌速度控制器,8 DO,控制器,9,温度控制器,10PH,控制器,11,泡沫控制器,12,蠕动泵,（酸碱、营养、,消泡剂等）,反应器检测控制系统,机械搅拌式生物反应器,直叶涡轮,(,径,),(b),弯叶桨,(,径,),(c),螺旋桨,(,轴,),(d),斜叶桨,(,轴,),典型机械搅拌罐的搅拌器,(a),径向流,;(b),轴向流,机械搅拌反应器中流动形态,小型机械搅拌反应器,(a),外循环式,(b),内循环式,气升式生物反应器,气升式反应器具有较好的混合和低剪切应力的特性,其设备简单,操作方便,功率消耗少。,在工业应用上,气升式生物反应器已有不少成功的例子,如单细胞蛋白、柠檬酸等。,气升式生物反应器在优化工艺条件下高密度、高效培养被孢霉生产高纯度的花生四烯酸。,气升式生物反应器进行红霉素的发酵研究,对影响红霉素产量的主要因素如流加速率、碳氮比和氧摄取速率等进行优,气升式生物反应器,膜生物反应器,膜生物反应器,(4),根据膜反应器的结构形式,可分为平板膜、螺旋卷绕膜、管状膜及中空纤维膜等膜反应器。其差别在于结构的复杂性、装填密度、膜的更换、抗污染能力、清洗和成本等方面有所不同。,(5),根据反应和分离的耦合方式不同,可分为分置式和一体式膜反应器,:,分置式指膜组件与生物反应器分开设置,;,一体式指膜组件安置在生物反应器内部。,(6),根据反应器内流体与生物催化剂的接触形式,可将膜反应器分为直接接触式、扩散式和异相反应式,3,类。,膜生物反应器,膜反应器构成,膜生物反应器,优点,:,把细胞或酶保留在反应器中。,反应器连续灌流,在常规连续反应器中的洗出现象不会发生。膜也可同时将产品和细胞或酶分离,简化下游分离步骤,机械应力对菌丝体微生物、植物细胞尤其是动物细胞,(,缺乏坚硬的细胞壁,),的活性有很大的影响。膜反应器酶或细胞处于相对静止的环境,免受机械伤害,而且一般不与空气直接接触。,膜反应器的应用,类型,:,好氧发酵、兼性好氧与厌氧固态发酵,特点：水分活度低,基质水不溶性,产酶活,力高、酶系丰富,固态发酵反应器,.(a)Different tray chambers,including tray rooms and incubators,in which the trays are arranged on shelves.,(b)Different basic tray designs.The tray on the left could be made of wood,plastic,bamboo,or wire.The plastic bag on the right could be made entirely of a,gas-permeable plastic,or could contain a filter insert that allows gas exchange,Basic design features of tray-type bioreactors and possible design variations,固态发酵反应器,Basic design and operating features of,(a)traditional packed beds and,(b)the Zymotis packed-bed with internal heat transfer plates of Roussos et al.(1993),固态发酵反应器,Design and operating variables that are available with rotating-drum and stirred drum,bioreactors.,(a)Design and operating variables that are the same for both types.,(b)Design and operating variables that are specific for the bioreactor type,固态发酵反应器,固态发酵反应器,微藻光合反应器,微藻光合反应器,培养瓶，,100200ml,，磁力低速搅拌，表面曝气供氧，细胞密度,510,6,个,/ml,容器,440 L,，船帆型搅拌桨，磁力驱动，转速为,20,50r/min,动物细胞或组织培养生物反应器,动物细胞或组织培养生物反应器,动物器官灌流培养生物反应器,1,进气口,2,空气过滤器,3,乳胶管,4,针头,5 3,号胶塞,6,储液瓶,7,培养液,8,注射器外套,9,器官植体,10,琼脂,11,输液管,12,输液管的膨大部,13,恒流泵,14,驱动管,15,样品收集口,16,培养箱,混合问题,生物反应,传质问题,热量传递,适宜的,营养物浓度,适宜的,温度,适宜的场,反应器的大小,反应器的,高径比,培养液,细胞,营养物,产物,生物反应器结构设计,生物反应器的放大（,Scale-up,）,From tube,shake flasklab fermentor,Pilot plant fermentor,Production fermentor,几何相似放大,单位体积液体中搅拌功率相同放大,单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大,以空气线速度相同的原则进行放大,以,Kla,相同的原则进行放大,生物反应器的放大（,Scale-up,）,S,c,a,le,-,u,p,Keep productivity the same at scale up.,1.Similar geometry,2.Constant oxygen transfer rate at all scales.,3.Constant power absorbed per unit volume.,4.Equal tip-speed at all scales.,生物反应器的放大（,Scale-up,）,生物反应器与废水生物处理,生物反应器的应用,背景,死去的河蟹,活性污泥的,概念与特点：,以好氧性细菌为主体的微生物和水中的悬浮物质、胶体物质混杂在一起形成的肉眼可见的絮状颗粒。,通过以活性污泥或生物膜形式存在的微生物旺盛的代谢活动，氧化分解有机污染物，使污水净化。,微生物的代谢，无论合成或分解，都是一系列极为复杂的生物化学变化，有分解、合成、氧化、还原、转移、异构等各种反应，绝大多数是在特定的酶促作用中进行的。,好氧活性污泥法废水处理技术与反应器,好氧活性污泥法废水处理,好氧活性污泥法废水处理,活性污泥法处理的类型,初级曝气池,SECONDARY CLARIFIER,生物滤池,生物滤池分,普通生物滤,池,(conventional biological filter),和,高负荷生物滤池,(high rate biological filter),。,长方形或圆形池子,(,钢筋混凝土或砖石结构,),，池内装有滤料,(,石子、炉渣或塑料滤料等,),，滤料层上有布水装置，下有排水系统。,生物膜法废水处理技术与反应器,生物滤池的优缺点：,优点：耗能少、维持费用低、运转管理方便，抗毒物冲击能力强，污泥量少。,缺点：规模较小，占地多,如果建立生物滤池污水处理厂的处理能力超过,5,万人污水的规模，占地太多，不适于城市和土地紧缺地区使用,生物膜法废水处理技术与反应器,生物滤池法的流程,生物膜法废水处理技术与反应器,生物膜法废水处理技术与反应器,建设中的生物滤池,生物膜法废水处理技术与反应器,生物膜法废水处理技术与反应器,生物膜法废水处理技术与反应器,结构图,典型的生物滤池的构造,滤 床,布水设备,排水系统,污水流过成熟滤床时，污水中的有机污染物被生物膜中的微生物吸附、降解，从而得到净化。,生物膜表层生长的是好氧和兼性微生物，其厚度约,2mm,。在这里，有机污染物经微生物好氧代谢而降解，终点产物是,H,2,O,、,CO,2,、,NH,3,等。,由于氧在生物膜表层已耗尽,生物膜内层的微生物处于厌氧状态。在这里,进行的是有机物的厌氧代谢,终点产物是有机酸,乙醇、醛和,H,2,S,等。,由于微生物的不断繁殖，生物膜不断加厚，超过一定厚度后，吸附有机物在传递到生物膜内层的微生物以前，已被代谢掉。此时，内层微生物因得不到充分的营养而进入内源代谢，失去其黏附在滤料上的性质，脱落下来随水流出滤池，滤料表面再重新长出新的生物膜。,生物滤池的工作情况,生物滤池,机理,塔式生物滤池,(biological tower),塔高,724m,，采用塑料滤料,(,聚氯乙烯和聚丙烯,),，内部通风良好，水流紊动剧烈，水力冲刷较强。,生物膜法废水处理技术与反应器,塔式生物滤池,生物膜法废水处理技术与反应器,生物转盘,(biological disc),1960,年德国斯图加特工业大学设计的一种方法，在废水池子中安装转盘，像水车一样旋转，转盘浸入水中吸附有机物获得营养，转盘离开水后获得氧气。,生物膜法废水处理技术与反应器,生物转盘的主要组成部分,生物转盘的构造,转动轴,盘片,废水处理槽,驱动装置,生物膜法废水处理技术与反应器,生物膜法废水处理技术与反应器,生物流化床,(biological fluidized bed),以砂、焦炭或活性炭等细小惰性材料作为生物膜载体，废水,(,先经充氧或床内充氧,),自下向上,流过滤床使载体层呈流动状态，加大了生物膜表面积与废水和氧的接触，提高了处理效率。,MLSS,为,840mg/L,，有机负荷,16 BODkg/(m,3,d),。停留时间,1545min,，,BOD,和氮去除率,90,。,生物膜法废水处理技术与反应器,生物流化床,生物流化床,(biological fluidized bed),The biological fluidized bed reactor is an important part of breaking down perchlorate(,高氯酸盐,)contamination.(Photo courtesy of Tulsa District),卫生填埋,(sanitary landfill),始于,20,世纪,60,年代，是在传统堆制的基础上，避免环境免受二次污染而发展起来的一种较好的固体废物处理法；,优点：投资少，容量大，见效快。,固体废弃物处理技术与反应器,主要有,厌氧、好氧和半好氧,三种。,填埋类型,特点及应用情况,厌氧填埋,操作简单，施工费用低，可回收甲烷气体，目前广泛采用。,好氧和半好氧填埋,分解速度快，垃圾稳定化时间短，但工艺要求较复杂，费用较高，尚处于研究阶段。,固体废弃物处理技术与反应器,Anaerobic Bioreactor,Liquids,Storage,Gas Collection to Generate Energy,GroundwaterMonitoring,Bioreactor Program,Aerobic Bioreactor,Liquids,Storage,Air Injection,GroundwaterMonitoring,Bioreactor Program,Facultative Bioreactor,Liquids,Storage,Gas Collection to Generate Energy,GroundwaterMonitoring,Bioreactor Program,填埋场地的建设与运行,根据,地形、地貌和土壤条件、水文地质、气候、运输距离、出入道路,条件等进行选择，使填埋处理不影响当地居民的生活和健康。,场地底部要构筑不漏水的,防水层、集水管和集水井,等设施，四周要,防止水流冲刷,、,防止地下水和地面水受污染,，避免一般填埋出现的卫生条件差，二次污染频繁的问题出现。,场地的建设,固体废弃物处理技术与反应器,Concept illustration of a Typical Sanitary Landfill Site,固体废弃物处理技术与反应器,固体废弃物处理技术与反应器,固体废弃物处理技术与反应器,The Stevens County Sanitary Landfill,opened on July 5,1979,is a facility that was designed to serve the waste needs of the citizens of Stevens County.,为什么溶氧浓度在生物反应器放大时需要重点考虑？,细胞与组织反应器在设计时需要考虑最关键的问题是什么？,废水与废弃物处理时涉及的反应器是哪些种类？结合微生物学说明为什么采用这些反应器？,作业：,