生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì).ppt

1,生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,2,第一章 生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和類型,一. 生物反應(yīng)器的基本工程概念 (一) 生物反應(yīng)器類型 生物反應(yīng)器：利用生物催化劑進(jìn)行生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn) 的反應(yīng)裝置。 分類方法： 1. 按操作方式：間歇式（分批式），連續(xù)式，半連續(xù)式 2. 按幾何構(gòu)型及結(jié)構(gòu)特征： 罐式(高徑比13)， 管式(長(zhǎng)徑比30) ， 塔式(豎立高徑比10)， 膜式（內(nèi)有膜件）. 3. 按反應(yīng)器所需能量的輸入方式： 機(jī)械攪拌式，氣升式，環(huán)流式。,3,4. 按生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式： 生物團(tuán)塊反應(yīng)器，生物膜反應(yīng)器。 5. 按固相催化劑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)： 填充床，流化床，生物轉(zhuǎn)盤等 6. 按反應(yīng)體系的相態(tài)： 均相，非均相(固定床, 流化床) 7. 按流體流動(dòng)狀態(tài)： 理想反應(yīng)器，非理想反應(yīng)器 8. 按催化劑類型： 微生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐），酶反應(yīng)器 9. 按培養(yǎng)對(duì)象： 微生物細(xì)胞反應(yīng)器，植物細(xì)胞反應(yīng)器，動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器,4,5,間歇操作 特征： 反應(yīng)物料一次加入一次卸出； 反應(yīng)器物系的組成僅隨時(shí)間而變化，即底物濃度和產(chǎn) 物濃度及細(xì)胞濃度只隨反應(yīng)時(shí)間而變化。 因此它是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程。 適合于：多品種，小批量，反應(yīng)速率較慢的反應(yīng)過程。,6,7,連續(xù)反應(yīng)器 特點(diǎn)： 原料連續(xù)輸入反應(yīng)器，產(chǎn)物則連續(xù)從反應(yīng)器中流出。 反應(yīng)器內(nèi)任何部位的物系組成均不隨時(shí)間而變。 因而屬于穩(wěn)態(tài)操作。 優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：易發(fā)生雜菌污染；操作時(shí)間過長(zhǎng)；細(xì)胞易退化變異。,8,半連續(xù)反應(yīng)器 特點(diǎn)： 原料與產(chǎn)物只有其中一種是連續(xù)輸入或輸出， 而其余則是分批加入或輸出。 優(yōu)點(diǎn)： 可減緩底物對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用； 實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高密度培養(yǎng)； 既可以提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，也有利于下游加工過程。 （對(duì)細(xì)胞反應(yīng)，又稱分批補(bǔ)料培養(yǎng)或流加操作技術(shù)。）,9,(二) 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)內(nèi)容 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則： 操作狀態(tài)最佳化。 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： 1. 反應(yīng)器選型： 操作方式，結(jié)構(gòu)類型，能量傳遞和流體流動(dòng)方式等。 2. 設(shè)計(jì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，計(jì)算所需反應(yīng)器體積，確定各種結(jié)構(gòu) 參數(shù)：反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及幾何尺寸，攪拌器形式、 大小及轉(zhuǎn)速，換熱方式及換熱面積等。 3. 確定最佳操作條件及其控制方式： 溫度，壓力，pH值，通氣量，底物濃度，物料流量等。,10, 與一般化學(xué)反應(yīng)器的不同之處： 1. 防止反應(yīng)器的堵塞 2. 控制攪拌器的轉(zhuǎn)速 3. 避免染菌,11,(三) 生物反應(yīng)器的開發(fā)趨勢(shì) 1. 開發(fā)活性高、選擇性好及壽命長(zhǎng)的生物催化劑； 2. 建立描述生化反應(yīng)過程的各種數(shù)學(xué)模型； 3. 大型化生物反應(yīng)器的開發(fā)研究； 4. 特殊要求的新型生物反應(yīng)器的研制開發(fā)。,12,(四) 研究生物反應(yīng)器的目的 1. 確定該生物產(chǎn)品達(dá)到一定的產(chǎn)量需要多大的生物反應(yīng)器， 什么結(jié)構(gòu)更好。 2. 結(jié)合細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過程動(dòng)力學(xué)對(duì)生物反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化， 為生物加工過程提供最佳環(huán)境條件，并解決放大技術(shù)。,13,二. 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的計(jì)算基礎(chǔ) (一)生物反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程 反應(yīng)物系的組成及操作參數(shù)反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化速率 反應(yīng)器體積 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程有三類： 物料衡算式：描述濃度變化（依據(jù)質(zhì)量守恒定律） 能量衡算式：描述溫度變化（依據(jù)能量守恒定律） 動(dòng)量衡算式：描述壓力變化（依據(jù)動(dòng)量守恒定律）,14,變量： 因變量： 反應(yīng)組分的濃度或轉(zhuǎn)化率；反應(yīng)物系的壓力或溫度。 自變量：時(shí)間或空間自變量。定態(tài)過程只需考慮空間自 變量，而非定態(tài)過程則兩種自變量都要考慮。 控制體積： 是指建立衡算式的空間范圍，其選擇原則是以能把 反應(yīng)速率視作定值的最大空間范圍作為控制體積。 可取整個(gè)反應(yīng)區(qū)體積作為控制體積，也可取一微元體 作為控制體積。 微元體： 指一微分體積，它可以反映出可能發(fā)生的全部過程和 現(xiàn)象。它的體積最大應(yīng)以在微元體內(nèi)各處參數(shù)均勻?yàn)橄蕖?15,1. 物料衡算式 衡算的組分：可選底物，產(chǎn)物，或細(xì)胞做衡算； 衡算的時(shí)間基準(zhǔn)：可取某一段時(shí)間或取某一瞬時(shí)的微分時(shí)間； 衡算的空間范圍：可對(duì)一微元體積或?qū)φ麄€(gè)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行衡算。 對(duì)反應(yīng)物做物料衡算： 組分進(jìn)入該體積單元的量 =組分流出該體積單元的量 +體積單元內(nèi)組分轉(zhuǎn)化的量 +體積單元內(nèi)組分累積量,16, 對(duì)產(chǎn)物做物料衡算： 組分進(jìn)入該體積單元的量 =組分流出該體積單元的量 體積單元內(nèi)組分生成量 +體積單元內(nèi)組分累積量 對(duì)細(xì)胞做物料衡算： 細(xì)胞進(jìn)入該體積單元的量 =細(xì)胞流出該體積單元的量+體積單元內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)量 +體積單元內(nèi)細(xì)胞死亡量+體積單元內(nèi)細(xì)胞累積量,17,2. 能量衡算式 一般只作熱量衡算，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)： 單位時(shí)間內(nèi)輸入的熱量=單位時(shí)間內(nèi)輸出的熱量 +單位時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)熱 +單位時(shí)間內(nèi)累積的熱量 若為放熱反應(yīng)，則等號(hào)右邊的第二項(xiàng)取負(fù)號(hào)； 若為吸熱反應(yīng)則取正號(hào)。,18,3. 動(dòng)量衡算式 生物反應(yīng)器一般可做恒壓處理，因此動(dòng)量衡算式可略去。 總之，上述基本衡算式均符合下列模式： 輸入 = 輸出 + 消耗 + 累積 在定態(tài)下，即所有狀態(tài)參數(shù)均不隨時(shí)間變化上時(shí)，累 積項(xiàng)均為零。,19,(二) 生物反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)與混合 1. 基本概念： 粒子的年齡： 物料粒子(分子或其凝聚體)進(jìn)入反應(yīng)器后所經(jīng)歷的時(shí)間。 停留時(shí)間：粒子離開反應(yīng)器時(shí)的年齡。 返混：反應(yīng)器內(nèi)不同年齡的粒子間的混合(對(duì)連續(xù)流而言)。 產(chǎn)生返混的原因： 反應(yīng)器內(nèi)的死角區(qū)， 溝流或短路， 流體在管內(nèi)速度分布不均（管式反應(yīng)器）， 劇烈攪動(dòng)（釜式反應(yīng)器）等。,20,2. 流動(dòng)狀況： 理想流動(dòng)模型：平推流模型無返混 全混流模型全返混 非理想流動(dòng)模型： 軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型等， 介于無返混和全返混之間。,21,(三) 平推流管式反應(yīng)器的計(jì)算 1. 基本概念： 平推流：又稱活塞流，是指在與流體流動(dòng)方向垂直的截 面上，各粒子的流速和流向完全相同。 平推流反應(yīng)器：反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)形式為平推流，如 均相管式反應(yīng)器，長(zhǎng)徑比大且流速高的 固定床反應(yīng)器。Plug Flow Reactor, 簡(jiǎn)寫為PFR) 特征： 所有物料粒子在反應(yīng)器中的停留時(shí)間完全相同，不存 在返混。 在同一截面上物料組成不隨時(shí)間變化，但隨物料流動(dòng) 方向而改變。,22,2. 計(jì)算： 取反應(yīng)器中某一微元體積dV作物料衡算： 進(jìn)入量 排出量 = 反應(yīng)量 + 積累量 F csF (cs +dcs) = v dV + 0 即： -F dcs = v dV 對(duì)整個(gè)反應(yīng)器而言： (平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程) v：反應(yīng)速度，mol/(L . min)； cs：底物濃度, mol/L； V：反應(yīng)器有效體積，L； F：物料流量, L/min； ：物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間，min.,23,24,(四) 全混流罐式反應(yīng)器的計(jì)算 1. 全混流模型的特征： 進(jìn)入反應(yīng)器的新物料與反應(yīng)器內(nèi)原有物料能夠在瞬間 達(dá)到完全混合，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度均勻一致，并與出口濃 度相同；物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間各不相同，達(dá)最大返混。 與之相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)器稱為全混流反應(yīng)器： 連續(xù)罐式反應(yīng)器。 (Continuous Stirred Tank Reactor, 簡(jiǎn)寫為 CSTR),25,2. 計(jì)算： 對(duì)穩(wěn)態(tài)下的全混流反應(yīng)器作物料衡算： 進(jìn)入量 排出量 = 反應(yīng)量 + 積累量 Fcs0 Fcs = vV+0 即： （全混流反應(yīng)器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程式） 對(duì)于酶催化反應(yīng)：將米氏方程代入 對(duì)微生物反應(yīng)器：將Monod方程代入,26,三. 微生物細(xì)胞反應(yīng)器 微生物細(xì)胞反應(yīng)器： 為微生物提供一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，使之快速繁殖并 且產(chǎn)生有用的物質(zhì)或?qū)δ撤N物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以達(dá)到提供某 種產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的目的。 微生物反應(yīng)器應(yīng)具備的必要條件： 盡量避免雜菌污染； 反應(yīng)器內(nèi)盡量減少死角； 所有的閥件和配管部分應(yīng)能夠進(jìn)行蒸汽殺菌； 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易清掃； 罐體各部件要有一定的強(qiáng)度，以承受一定的壓力。,27,發(fā)酵過程中的幾個(gè)特殊問題： 要為系統(tǒng)供應(yīng)充足的氧氣； 剪應(yīng)力的敏感性； 發(fā)酵液的流變特性； 絮凝作用； 雜菌污染； 發(fā)酵過程的參數(shù)檢測(cè)與控制，與其他化學(xué)過程相比， 要困難得多。,28,發(fā)酵設(shè)備的分類： 按對(duì)氧的要求分類： 好氧發(fā)酵罐， 厭氧發(fā)酵罐 按產(chǎn)生攪拌的動(dòng)力分類： 機(jī)械攪拌式， 氣流攪拌式,29,罐 式 發(fā) 酵 器 (一) 機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐 工業(yè)上最常用的一種微生物反應(yīng)器，既有機(jī)械攪拌 又有壓縮空氣分布裝置。 1. 攪拌器 主要功能： 打碎空氣氣泡，增加氣液接觸面積，以提高氣液間的 傳質(zhì)速率； 使發(fā)酵液充分混合； 使液體中的固形物料保持懸浮狀態(tài)； 促進(jìn)發(fā)酵熱的散失。,30, 類型：渦輪式，螺旋漿式和平漿式。 大多采用渦輪式攪拌器，宜用不銹鋼制成。 在相同是攪拌功率 下粉碎氣泡的能力： 平葉式彎葉式 箭葉式,31, 尺寸： 攪拌器直徑與罐徑之比可在1/3-1/2之間。 可根據(jù)發(fā)酵罐的容積，在同一個(gè)攪拌軸上配置多 個(gè)攪拌器。 葉片數(shù)目：4葉，6葉，8葉，以6葉居多。 在H/D不大時(shí)，攪拌器通常使用單漿； 若H/D較大，需采用多漿裝置。 各漿間距為(1-2.5)d（d:漿葉外徑）， 最底部漿與罐底間距為(0.8-1)D（D: 罐內(nèi)徑）。 位置： 上伸軸，下伸軸,32,33,34,2. 擋板 主要功能： 使沿壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的液體折向軸心， 消除攪拌時(shí)形成的旋渦。 尺寸： 擋板的寬度通常為罐內(nèi)徑的1/8-1/12。 位置： 在器壁設(shè)有幾塊垂直擋板。一般安裝4-6塊。,35,36,3. 換熱裝置 主要功能： 將發(fā)酵過程中生物氧化產(chǎn)生的熱量和機(jī)械攪拌產(chǎn)生 的熱量及時(shí)移去，以保證發(fā)酵的正常進(jìn)行。 Q發(fā)酵 = Q生物 + Q攪拌 Q空氣 - Q輻射 Q生物：生物氧化產(chǎn)生的熱量； Q攪拌 ：攪拌器攪動(dòng)液體時(shí)產(chǎn)生的熱量； Q空氣：通入發(fā)酵罐內(nèi)的空氣由于發(fā)酵液中水分蒸發(fā)及空氣 溫升所帶走的熱量； Q輻射：由于罐外壁壁溫與大氣溫差而引起的熱量傳遞 。,37, 類型： 夾套換熱器：一般小型發(fā)酵罐多采用（容積為5 m3以下）； 蛇管換熱器：大中型發(fā)酵罐多采用（容積為5 m3以上 ）。,38,4. 消沫裝置 主要功能：將發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫破碎。 類型： 耙式消泡漿，裝于攪拌軸上，齒面略高于液面。 也可加消泡劑。 機(jī)械攪拌通氣式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)： 操作彈性大，pH值和溫度易于控制； 有較規(guī)范的工業(yè)放大方法； 適合連續(xù)培養(yǎng)。 對(duì)黏度高，需氧量大且呈非牛頓流動(dòng)特性的培養(yǎng)液發(fā) 酵過程更為適用。,39,缺點(diǎn)： 驅(qū)動(dòng)功率大； 內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于徹底清洗，易造成污染； 在絲狀菌的培養(yǎng)中由于攪拌器的剪切作用， 細(xì)胞易受損傷。,40,(二) 自吸式發(fā)酵罐 特點(diǎn)：不需要空氣壓縮機(jī)供應(yīng)壓縮空氣，而是利用攪拌器 旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。 攪拌器：空心葉輪，其快速旋轉(zhuǎn)時(shí)液體被甩出，在葉輪中 心形成負(fù)壓，從而將罐外空氣吸到罐內(nèi)。,41,優(yōu)點(diǎn)： 利用機(jī)械攪拌的抽吸作用將空氣自吸入反應(yīng)器內(nèi)，達(dá) 到既通風(fēng)又?jǐn)嚢璧哪康模瑥亩∪チ藟嚎s機(jī)。 缺點(diǎn)： 進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，增加了染菌機(jī)會(huì)，對(duì)大多數(shù)無菌要 求較高的發(fā)酵生產(chǎn)是不適宜的； 攪拌轉(zhuǎn)速很高，有可能使菌絲被攪拌器切斷，影響其正 常生長(zhǎng)。,42,43,塔 式 反 應(yīng) 器 （一種高徑比較大的非機(jī)械式的生物反應(yīng)器） 主要優(yōu)點(diǎn)： 省去了軸封，從根本上排除了因軸封而造成的染菌； 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 功率消耗??； 減少了剪切作用對(duì)細(xì)胞的損害； 溶氧速率高。,44,結(jié)構(gòu)原理： 塔身為圓柱形，空氣在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)數(shù)次分裂與聚集， 一方面延長(zhǎng)了空氣與培養(yǎng)液的接觸時(shí)間，另一方面不斷 形成新的氣液界面，減小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 類型： 最有代表性的是鼓泡式發(fā)酵罐和氣升式反應(yīng)器。,45,(三) 鼓泡式發(fā)酵罐 又稱空氣攪拌高位反應(yīng)器，通常有多層篩板。 原理：無須機(jī)械攪拌裝置，利用通入培養(yǎng)液的空氣泡上升 時(shí)的動(dòng)力帶動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)，達(dá)到混合效果。 特點(diǎn)：高徑比較大，一般在6:1-10:1之間，空氣進(jìn)入培養(yǎng)液 后有較長(zhǎng)的停留時(shí)間。 多孔篩板的作用：阻截氣泡，既延長(zhǎng)氣體的停留時(shí)間，又 使空氣在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)多次聚并與分散。,46,47,優(yōu)點(diǎn)： 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 造價(jià)較低， 動(dòng)力消耗少， 操作成本低且噪聲小， 避免了機(jī)械攪拌反應(yīng)器中軸封不嚴(yán)密造成的雜菌污染。 缺點(diǎn)： 塔體高度大，需要在室外安裝； 需要壓力較高的壓縮空氣以克服罐內(nèi)液體靜壓力。 較適于培養(yǎng)液黏度低、含固量少、需氧量較低的發(fā)酵 過程。,48,(四) 環(huán)流式發(fā)酵罐 1. 氣升環(huán)流式發(fā)酵罐 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：不設(shè)機(jī)械攪拌裝置，但在罐外設(shè)體外循環(huán)管， 或在罐內(nèi)設(shè)導(dǎo)流筒或垂直隔板。 原理：通入空氣的一側(cè)，液體因其平均密度下降而上升， 不通氣的一側(cè)則因液體密度較大而下降，因而在 反應(yīng)器內(nèi)形成液體的環(huán)流，大大強(qiáng)化了氧的傳遞。 優(yōu)點(diǎn)：液體中剪切力低，能耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了機(jī) 械攪拌反應(yīng)器中軸封不嚴(yán)所帶來的雜菌污染問題。 不適用于：高黏度或含大量固體的培養(yǎng)液。,49,50,2. 噴射環(huán)流式發(fā)酵罐 原理：用機(jī)械泵噴嘴引射壓縮空氣，在噴嘴出口處形成強(qiáng) 的剪切力場(chǎng)，將射入的空氣在液相中分散為小氣泡。 在反應(yīng)器內(nèi)重新聚并起來的大氣泡，通過環(huán)流得以 再度分散，從而加快傳質(zhì)速率。 優(yōu)點(diǎn)：與機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐相比，在同樣的能耗下，噴射 環(huán)流式發(fā)酵罐的氧傳遞速率要高得多。 (五) 連續(xù)管道發(fā)酵器 所用管道可以是直管也可以是蛇管。 主要用于厭氧發(fā)酵。,51,52,(六) 基因工程菌發(fā)酵罐 1. 基因工程菌：通過基因操作得到的DNA重組微生物。 2. 需特別注意的問題：發(fā)酵罐內(nèi)微生物的泄漏。 3. 造成泄漏的原因： 排氣：需經(jīng)加熱滅菌或經(jīng)微孔過濾器除菌后才能排放。 軸封泄漏：90升以下的發(fā)酵罐，可采用磁力攪拌；較大 的發(fā)酵罐應(yīng)采用雙端面密封。 取樣：取樣后用蒸汽將有關(guān)管道滅菌，沖出的污物經(jīng)專 門的管道收集到污物貯罐，最后統(tǒng)一滅菌處理。 接種和放料：,53,54,四. 酶反應(yīng)器 以酶為催化劑進(jìn)行生物催化反應(yīng)的裝置稱為酶反應(yīng)器， 催化劑可以是溶液酶，也可以是固定化酶。,55,56, 游離酶： 反應(yīng)結(jié)束后催化劑很難回收，但可獲得較高的產(chǎn)物收率。 固定化酶： 酶易于回收重復(fù)使用。 （一）間歇式酶反應(yīng)器 通常為帶有攪拌器的罐式反應(yīng)器， 設(shè)置有夾套或盤管以便加熱或冷卻罐 內(nèi)物料，控制反應(yīng)溫度。 主要用于游離酶反應(yīng)，一般并不回收游離酶。固定化 酶很少使用在間歇反應(yīng)器中。,57,（二）連續(xù)攪拌罐式酶反應(yīng)器（CSTR） 結(jié)構(gòu)：與間歇罐式反應(yīng)器基本相同。 特點(diǎn)： 連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)出料； 罐內(nèi)各點(diǎn)濃度均勻一致， 且等于流出液濃度； 易于控制溫度和pH值； 能處理膠態(tài)和不溶性底物。 優(yōu)點(diǎn)： 造價(jià)低，裝置比較簡(jiǎn)單； 反應(yīng)能迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)； 傳質(zhì)的阻力也可降到最低限度。,58,缺點(diǎn)： 攪拌漿產(chǎn)生的剪切力較大，常會(huì)引起固定化酶的破壞。 改良措施： 將固定化酶固定在攪拌軸上，或放置在與攪拌軸一起 轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬網(wǎng)筐內(nèi)，既不損壞固定化酶，又使酶不致流失。 為使反應(yīng)器內(nèi)酶濃度一定，可采取以下措施： 溶液中連續(xù)流加酶； 使用多孔膜使酶滯留于溶液中； 出口處用篩網(wǎng)罩??； 酶被固定在攪拌軸上的容器內(nèi)； 溶液快速循環(huán)通過固定化酶柱。,59,60,（三）固定床酶反應(yīng)器 特點(diǎn)： 當(dāng)原料通過固體催化劑床層時(shí)，催化劑顆粒靜止不動(dòng)。 固定化酶的形狀： 球形，碟形，薄片，小珠等。 流動(dòng)形態(tài)： 接近于平推流，可近似認(rèn)為是平推流反應(yīng)器。 沿柱的方向底物及產(chǎn)物的濃度是逐漸變化的， 但在同一橫切面上濃度是一致的。,61,62,優(yōu)點(diǎn)： 單位反應(yīng)器容積的催化劑顆粒裝填密度高； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建造費(fèi)用低； 適于容易磨損的固定化酶； 當(dāng)有產(chǎn)物抑制時(shí)，采用這種反應(yīng)器可獲得較高的產(chǎn)率。 但如果有底物抑制時(shí)，就不十分適合了。 缺點(diǎn)： 傳熱傳質(zhì)系數(shù)相對(duì)較低； 固定化酶顆粒大小會(huì)影響壓力降和內(nèi)擴(kuò)散阻力； 當(dāng)反應(yīng)液內(nèi)含有固體物料時(shí)不宜采用此反應(yīng)器，固體物 質(zhì)會(huì)引起床層堵塞。,63,（四）流化床酶反應(yīng)器 特點(diǎn)： 通過流體自下而上的流動(dòng)使反應(yīng)器內(nèi)裝填的固定化酶 顆粒在流體中保持懸浮狀態(tài)，即以流態(tài)化狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)： 流體與固體充分接觸， 混合程度高，傳熱傳質(zhì)性能良好； 可用于處理粘性大和含有固體顆 粒的底物，不易堵塞。 缺點(diǎn)： 不適合于有產(chǎn)物抑制的反應(yīng)。,64,（五）膜式酶反應(yīng)器 原理： 利用膜將分子量較大的酶及底物截留在酶反應(yīng) 器內(nèi)，從而達(dá)到酶的反復(fù)使用及與產(chǎn)物分離的目的。 膜的作用： 可使酶重復(fù)使用以使反應(yīng)體系維持較高的酶濃度； 可把產(chǎn)物不斷地從反應(yīng)體系中分離出去以減少產(chǎn)物對(duì)反 應(yīng)的抑制作用，從而提高反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。,65, 膜的種類： 按孔徑從小到大依次分為： 反滲透膜(RO) 超濾膜(UF) 微濾膜(MF) 普通濾膜 根據(jù)膜的性質(zhì)不同分為： 固體膜反應(yīng)器 液體膜反應(yīng)器,66,1. 固體膜反應(yīng)器 適合于： 大分子或小分子底物轉(zhuǎn)化為小分子產(chǎn)物的酶反應(yīng)； 尤其適合于水解酶類的酶反應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)： 底物可按需要定量地進(jìn)入反應(yīng)器，操作比較方便； 酶可以游離的方式起作用，消除了因固定化而帶來的 酶活損失； 反應(yīng)器本身易于清潔和消毒，反應(yīng)條件易于控制； 膜的價(jià)格不太高。,67,68,全混攪拌釜超濾膜反應(yīng)器： 酶處于水溶液狀態(tài)。利用超濾膜分離器使小分子的生 成物透過超濾膜的微孔而排出，而像酶這樣的大分子則被 截留在超濾膜表面上，同時(shí)利用泵的壓強(qiáng)將截留在膜表面 的大分子化合物壓回?cái)嚢韪匦率褂谩?69,適用于：產(chǎn)物為小分子化合物的酶促反應(yīng)， 也可用于水不溶性底物和膠體狀底物。 優(yōu)點(diǎn)：效率高，可以在反應(yīng)的同時(shí)把生成的產(chǎn)物分離出來。 缺點(diǎn)：不容易得到能長(zhǎng)期穩(wěn)定操作的酶； 膜上吸附的酶容易形成濃差極化，影響透過液的通量。,70,2. 中空纖維膜反應(yīng)器 原理： 把酶結(jié)合于半透性的中空纖維上，這種半透膜只允 許底物和產(chǎn)物等小分子量物質(zhì)通過，而分子量較大的酶 則不能。 結(jié)構(gòu)： 內(nèi)層緊密光滑，并有一定的分子截留值，可截留大分 子物質(zhì)而允許不同的小分子物質(zhì)通過。 外層是多孔的海綿狀的支持層。 膜材料：纖維素衍生物，如：硝化纖維，醋酸纖維素； 聚酰胺，聚砜等。,71,72,優(yōu)點(diǎn)： 纖維膜的比表面積較大，管徑很小，并能能承受較大 的壓力； 傳質(zhì)阻力較??； 對(duì)海綿層進(jìn)行沖洗即可除去或更換酶； 含酶溶液被固封在海綿狀結(jié)構(gòu)層的孔隙中，酶在溶液 中是自由的，消除了固定化酶技術(shù)中存在的對(duì)酶的位 阻現(xiàn)象和減活作用。,73,74,3. 循環(huán)式膜反應(yīng)器 特點(diǎn)：反應(yīng)器與分離裝置是分開的。 生物催化劑在分離裝置中與反應(yīng)混合物分離，然 后再循環(huán)至反應(yīng)器中應(yīng)用。 類型：超濾膜酶反應(yīng)器，透析膜酶反應(yīng)器等。 應(yīng)用： 酶催化橄欖油水解， 葡萄糖發(fā)酵制乙醇， 發(fā)酵法制取丙酮和丁醇等。,75,綜合評(píng)述： 通常選擇反應(yīng)器時(shí)應(yīng)考慮如下因素： （1）固定化酶的形狀：顆粒，纖維，管或膜。 （2）底物性質(zhì)：可溶性的，顆粒的或膠態(tài)的。 （3）反應(yīng)過程：是否要求控制pH或供給氧氣和防止雜菌 污染等。 （4）酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征。 （5）載體負(fù)荷能力，即偶聯(lián)酶量。 （6）固定化酶的穩(wěn)定性、更換及再生的難易。,76,（7）固定化酶表面積/反應(yīng)器體積的比值。 （8）物質(zhì)傳遞特性：內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散的影響。 （9）反應(yīng)器制造的難易。 （10）操作要求及反應(yīng)器的成本：包括制造和運(yùn)轉(zhuǎn)成本。 （11）反應(yīng)器的管理難易。 （12）固定化酶的大小，機(jī)械強(qiáng)度和密度。 （13）生產(chǎn)的產(chǎn)量大小。,77,五. 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的意義： 可以生產(chǎn)許多重要的，原先難以生產(chǎn)或無法生產(chǎn)的 生物產(chǎn)品。 動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)貴重藥物和特殊的酶； 植物細(xì)胞的培養(yǎng)有效的生物轉(zhuǎn)化，而獲得許多重要 的產(chǎn)品促進(jìn)植物遺傳工程的發(fā)展。,78,動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)與微生物培養(yǎng)的區(qū)別： 動(dòng)物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，對(duì)攪拌引起的流體剪切力十分敏感； 大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞需要貼壁生長(zhǎng)； 對(duì)培養(yǎng)基要求高，要求含有多種氨基酸，血清，維生素， 無機(jī)鹽等； 培養(yǎng)條件苛刻，對(duì)于溶氧濃度，pH值及溫度等都要求嚴(yán)格； 生長(zhǎng)比微生物慢得多，培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)； 易染菌，要嚴(yán)格防污染。,79,(一) 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器 1.動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過程的特征 生長(zhǎng)速率慢，易為微生物等污染，采取加入抗生素等措施； 細(xì)胞個(gè)體大且無壁，對(duì)環(huán)境敏感，應(yīng)解決供氧（攪拌與通 風(fēng)）與細(xì)胞脆弱的矛盾； 設(shè)備放大不能完全照搬微生物反應(yīng)過程的經(jīng)驗(yàn)； 反應(yīng)過程成本高，但產(chǎn)物的價(jià)格更昂貴。 目前利用大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)方法生產(chǎn)的產(chǎn)品主要有四大類： 疫苗，干擾素，單克隆抗體，遺傳重組產(chǎn)品,80,2. 反應(yīng)器類型 動(dòng)物細(xì)胞按培養(yǎng)特性不同分為兩類： （1）非錨地依賴性細(xì)胞： 可采用懸浮培養(yǎng)法，反應(yīng)器與培養(yǎng)微生物者相類似。(主要是血液細(xì)胞，淋巴組織細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞) （2）錨地依賴性細(xì)胞： 必須貼附于固體或半固體物體表面才能培養(yǎng)，該類反 應(yīng)器必須提供巨大的表面積。(多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞),81,動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器的主要類型： 多層平板式，多層圓盤式，螺旋轉(zhuǎn)膜式，多層托盤式， 卷帶式，中空纖維管，流化床式，微載體攪拌式， 通氣攪拌式。,82,3. 培養(yǎng)條件 一般地，溫度為370.02 ，pH為70.05，通氣中 氧與二 氧化 碳的含量比為95:5； 動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢，倍增時(shí)間為15100 h； 培養(yǎng)基及其復(fù)雜且昂貴。,83,4. 培養(yǎng)方法 按其加料或出料方式可分為5種： （1）分批式操作： 將細(xì)胞和培養(yǎng)液一次性加入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，細(xì) 胞生長(zhǎng)，產(chǎn)物形成，最后取出整個(gè)反應(yīng)系。 （2）流加式操作：新的營(yíng)養(yǎng)成分不斷補(bǔ)充加入。,84,（3）半連續(xù)式操作： 分批操作中取出部分反應(yīng)系，補(bǔ)充新的營(yíng)養(yǎng)成分， 但反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的總體積保持不變。 （4）連續(xù)式操作： 細(xì)胞種子和培養(yǎng)液一起加入， 反應(yīng)液不斷取出而新鮮培養(yǎng)液不斷加入。 （5）灌注式培養(yǎng)： 細(xì)胞接種后進(jìn)行培養(yǎng)，連續(xù)注入新鮮培養(yǎng)基的同時(shí)， 連續(xù)等量排出用過的培養(yǎng)基，但細(xì)胞留在反應(yīng)器內(nèi)。,85,灌注式培養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)： 其產(chǎn)量為一般懸浮法的幾倍； 獲得的都是活細(xì)胞，通常懸浮法培養(yǎng)收獲的細(xì)胞有30% 是死細(xì)胞。 缺點(diǎn)： 培養(yǎng)基消耗量比一般懸浮培養(yǎng)高幾倍， 工作過程較復(fù)雜， 培養(yǎng)物易受污染和培養(yǎng)細(xì)胞不穩(wěn)定。,86,對(duì)非錨地依賴性細(xì)胞： 其懸浮培養(yǎng)多采用分批式操作方法， 也可采用灌流培養(yǎng)法。 對(duì)錨地依賴性細(xì)胞： 可采用分批，半連續(xù)和連續(xù)等多種方法。 目前主要采用中空纖維培養(yǎng)系統(tǒng)和微載體培養(yǎng)系統(tǒng)。 常采用的培養(yǎng)方式有： 懸浮培養(yǎng)， 微載體培養(yǎng)， 貼壁培養(yǎng)， 包埋培養(yǎng)等。,87, 貼壁反應(yīng)器： 傳統(tǒng)的培養(yǎng)裝置采用的是滾瓶。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，技術(shù)成熟， 放大只是簡(jiǎn)單地增加滾瓶數(shù)。 缺點(diǎn)： 勞動(dòng)強(qiáng)度大； 單位體積所能提供的細(xì)胞生長(zhǎng)的表面積??； 占用空間大，按體積計(jì)算細(xì)胞產(chǎn)率低； 監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境條件受到限制。 因此限制了動(dòng)物細(xì)胞 的大量培養(yǎng)。,88, 中空纖維反應(yīng)器：由上千根中空纖維管組成。 材料：硅膠，聚砜，聚丙烯等。 結(jié)構(gòu)：具有海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，細(xì)胞能附著其壁上生長(zhǎng)； 管壁是半透性多孔膜，大分子有機(jī)物不能透過， 能透過水分子，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧及二氧化碳。 尺寸：一般內(nèi)徑為200m，壁厚為50-75 m。 優(yōu)點(diǎn)：生長(zhǎng)面積與容積之比可達(dá)40多倍，溶氧傳質(zhì)速率 可達(dá)0.6 mmol/(L.h)。為大規(guī)模動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)創(chuàng) 造了條件。,89,90,91, 微載體懸浮反應(yīng)器： 微載體的材料： 交聯(lián)葡聚糖，纖維素，聚丙烯酰胺，硅橡膠，明膠等。 大?。?球徑約40-120 m，溶脹后的直徑約60-280 m， 使用時(shí)要求球徑較均勻，密度在1.03-1.05g/ml。 優(yōu)點(diǎn)： 單位體積具有的表面積大，1g微載體可提供5000- 6000cm2的表面積，故單位體積培養(yǎng)基的細(xì)胞產(chǎn)率高； 氧傳遞能力可達(dá)30mg/(L.h)； 放大容易。,92,(二) 植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器 1. 植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn) 生長(zhǎng)速率慢； 細(xì)胞個(gè)大，并且細(xì)胞壁以纖維素為主要成分，抗剪切能 力低； 為防止染菌，需加抗生素； 細(xì)胞培養(yǎng)需氧，而培養(yǎng)液黏度大，不能強(qiáng)力通風(fēng)攪拌； 有堅(jiān)固的細(xì)胞壁，代謝產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)且產(chǎn)量低，必須高 密度培養(yǎng)； 培養(yǎng)的植物細(xì)胞常生成各種大小的團(tuán)塊，增加了懸浮培 養(yǎng)的難度。,93,2. 反應(yīng)器類型 通氣攪拌罐，鼓泡塔，氣升式及振動(dòng)混合式反應(yīng)器。 此外：恒化反應(yīng)器，平板反應(yīng)器，中空纖維反應(yīng)器。 在各類反應(yīng)器中，攪拌罐剪切力較大， 鼓泡塔混合性能較差， 氣升式反應(yīng)器性能較佳。 3. 培養(yǎng)基 除水以外，有九大類： 無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物，維生素，碳源，植物激素，氨基酸類， 核酸及其水解物，天然物，氯化膽堿，瓊脂。,94,4. 培養(yǎng)方法 根據(jù)植物細(xì)胞所處的狀態(tài)不同 懸浮培養(yǎng)法， 固定化植物細(xì)胞培養(yǎng)法 根據(jù)操作方式的不同：分批式， 反復(fù)分批式， 連續(xù)式培養(yǎng)法， 固定化培養(yǎng)法。 植物細(xì)胞的培養(yǎng)多采用通氣式攪拌罐和氣升式發(fā)酵罐， 從使用效果看，氣升式發(fā)酵罐最佳。 植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器可模仿微生物培養(yǎng)用反應(yīng)器的 放大方法進(jìn)行。,95,(1) 分批培養(yǎng)： 操作簡(jiǎn)單，培養(yǎng)時(shí)間一般一個(gè)周期要6天以上。 (2) 反復(fù)分批式：又稱半連續(xù)培養(yǎng)法 將分批培養(yǎng)的培養(yǎng)液取出部分又加入等量的新鮮培養(yǎng) 基，可提高生產(chǎn)速率。 (3) 連續(xù)培養(yǎng)： 以一定速度連續(xù)取出細(xì)胞與培養(yǎng)液，并以同樣速度輸 入新鮮培養(yǎng)基，可使細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定。 (4) 固定化培養(yǎng)： 采用固定化反應(yīng)器，將細(xì)胞固定于網(wǎng)狀多孔板上或固 定于中空纖維的膜表面，易于得到高密度細(xì)胞群體。,96,六. 生化反應(yīng)分離耦合過程 1. 原理：又稱原位產(chǎn)物分離過程，簡(jiǎn)稱ISPR。 即在生化反應(yīng)的同時(shí)，選擇一種合適的分離方法及時(shí) 地將對(duì)生化反應(yīng)有抑制或毒害作用的產(chǎn)物或副產(chǎn)物選擇性 原位移走，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物從其細(xì)胞周圍的即時(shí)分離。 2. 類型： 采用分離劑： 簡(jiǎn)單，在原生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行； 分離劑與細(xì)胞直接接觸，使反應(yīng)產(chǎn)物部分地通過分配 轉(zhuǎn)移到分離劑中。(分離劑必須是生物兼容的）,97, 采用外部分離循環(huán)： 復(fù)雜，在反應(yīng)器和分離器兩個(gè)裝置中進(jìn)行； 分離劑不與細(xì)胞直接接觸，有利于產(chǎn)物的進(jìn)一步分離 和提純。,98,3. 耦合過程的類型 （1）通過氣體汽提和減壓進(jìn)行分離： 主要應(yīng)用于乙醇發(fā)酵和丙酮-丁醇發(fā)酵， 因?yàn)檫@些物質(zhì)沸點(diǎn)較低，易揮發(fā)。 （2）通過吸附或離子交換進(jìn)行分離： 對(duì)某些可逆的酶催化反應(yīng)，可通過吸附的方法及時(shí)地 從反應(yīng)體系中移走產(chǎn)物，則可提高該酶催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。 例如：高果糖的生產(chǎn)。 還可以通過分離產(chǎn)物以控制發(fā)酵過程的適宜的pH值， 如乳酸發(fā)酵生產(chǎn)。,99,（3）通過溶劑萃取進(jìn)行分離： 如：有機(jī)溶劑萃取和雙水相萃取。 （4）膜式生物反應(yīng)器： 一方面可使酶或細(xì)胞重復(fù)使用以使反應(yīng)體系維持較高 的酶濃度和細(xì)胞濃度； 另一方面又可把產(chǎn)物不斷地從反應(yīng)體系中分離出去以 減少產(chǎn)物對(duì)反應(yīng)的抑制作用，提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力。,100,根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)酶的狀態(tài)，可分為游離態(tài)和固定化酶膜反應(yīng)器： 游離態(tài)酶：溶于反應(yīng)物內(nèi)； 固定化酶：結(jié)合在膜的表面形成酶膜。其優(yōu)點(diǎn)是酶的密度大； 缺點(diǎn)是底物和產(chǎn)物通過膜的速率很慢，往往成為 反應(yīng)過程的控制因素。,101,七、生物膜及其形成 （一）生物膜的定義及分類 1. 定義 生物膜主要由微生物細(xì)胞和它們所產(chǎn)生的胞外多聚 物組成，通常具有孔狀結(jié)構(gòu)，含有大量被吸附的溶質(zhì)和 無機(jī)顆粒。 生物膜的組成與特性，以及在載體表面的厚度、分 布均勻性，均與營(yíng)養(yǎng)底物、生長(zhǎng)條件和細(xì)胞分泌的胞外 多聚物量等環(huán)境因素有關(guān)。 2. 分類 靜止生物膜：一般存在于滴濾池中。 顆粒生物膜：通常應(yīng)用于各種流化床生物膜反應(yīng)器、 升流式厭氧污泥床等。,102,（二）生物膜載體 1. 載體的種類 載體：通常是指細(xì)胞及酶固定化過程中所需要的介質(zhì)。 無機(jī)載體：砂子、碳酸鹽類、各種玻璃材料、沸石類、 陶瓷材料、碳纖維、礦渣、活性炭及金屬等。 有機(jī)載體：各種樹脂、塑料、纖維等。 從 強(qiáng)度、密度和加工成形等方面的性能來說，有機(jī) 載體比無機(jī)載體更好。,103,2. 載體的選擇 載體的物理形態(tài)及機(jī)械強(qiáng)度良好，載體間的碰撞幾率較 小，所制備的反應(yīng)器不易堵塞，便于反沖洗。 載體的表面粗糙，孔隙率及密度大小應(yīng)有利于生物膜的 形成、發(fā)展及穩(wěn)定。 載體的生物、化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性要好，不參與生物膜 的反應(yīng)，其本身不會(huì)被生物降解，應(yīng)能抗生物膜微生物 的腐蝕。,104, 載體所能提供的表面積應(yīng)盡可能大，對(duì)已附著微生物有 較好的保護(hù)作用，且不顯著影響微生物的生物活性，傳 質(zhì)特性較好。 載體的可再用性和價(jià)格等。,105,106,（三）微生物的附著固定 通過改變載體表面的親疏水性及電性來促進(jìn)微生物 在載體表面的附著固定。 親水性微生物易于在親水性載體表面附著固定，而 疏水性載體有利于疏水性微生物在其表面的附著固定。 根據(jù)微生物的特性和附著機(jī)制的不同，微生物在載 體上的附著可劃分為五種方法：表面吸附，鍵聯(lián)，細(xì)胞 間自交聯(lián)，多聚體包埋和孔網(wǎng)狀載體截陷固定。 每種方法都有其特定的適用范圍。,107,表面吸附固定法：微生物和載體間作用。 例如：動(dòng)物細(xì)胞在離子交換樹脂上的繁殖。 鍵聯(lián)固定法：微生物與載體表面的活性基團(tuán)形成共價(jià)鍵。 例如：硝化細(xì)菌在含F(xiàn)e3+聚合物上進(jìn)行硝化反應(yīng)。 細(xì)胞間自交聯(lián)固定法：通過細(xì)胞間的自交聯(lián)實(shí)現(xiàn)，或者 人為加入交聯(lián)劑。 例如：乳桿菌屬通過聚氨基葡糖交聯(lián)。,108,多聚體包埋法：通過某些多聚體化合物包裹微生物。 例如：用藻朊酸鹽包埋黑曲霉等細(xì)胞。 孔網(wǎng)狀載體截陷固定法： 利用孔網(wǎng)狀載體的特殊結(jié)構(gòu)截陷微生物。 例如：在中空纖維上固定黑曲霉細(xì)胞。,109,（四）生物膜的形成 生物膜的累積形成是有機(jī)分子、微生物細(xì)胞及載體表 面通過物理、化學(xué)和生物過程綜合作用的結(jié)果。 1. 形成步驟： 有機(jī)物分子從水中向生物膜載體表面運(yùn)送，其中某些被 載體吸附，形成被微生物改良的載體表面。 水中一些浮游的微生物細(xì)胞被傳送到改良的載體表面， 其中碰撞到載體表面的細(xì)胞被吸附。,110, 被表面吸附變成不可解吸的細(xì)胞，攝取并消耗水中的底 物與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，數(shù)目不斷增多；同時(shí)，細(xì)胞可能產(chǎn)生大 量產(chǎn)物，其中部分將排出體外。這些產(chǎn)物中有一些就是 胞外多聚物，可以將生物膜緊緊地結(jié)合在一起。 進(jìn)入水中，或者細(xì)胞 在增殖時(shí)亦可向水中 釋放出游離的細(xì)胞。,111,2. 生物膜上的微生物 細(xì)菌、真菌、藻類，以及某些原生動(dòng)物，甚至有后生 動(dòng)物，組成相當(dāng)復(fù)雜。 某些微生物在生物膜上是否存在及優(yōu)先生長(zhǎng)等情況， 常與被處理污水的水質(zhì)和生物膜所處的環(huán)境條件有關(guān)。 微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用，從而 可以檢查、判斷生物膜反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及水處理效果。,112,污水濃度適當(dāng)時(shí)，出現(xiàn)：獨(dú)縮蟲屬、聚縮蟲屬、累枝蟲屬、 集蓋蟲屬和鐘蟲等。 污水濃度過高時(shí)，真菌類增加，纖毛蟲類基本消失，出現(xiàn)： 屋滴蟲屬、波豆蟲屬、尾波蟲屬等鞭毛類。 負(fù)荷較低時(shí)，出現(xiàn)：盾纖蟲屬、尖毛蟲屬、表殼蟲屬和鱗 殼蟲屬。 后生動(dòng)物如輪蟲和線蟲等大量出現(xiàn)時(shí)，表明生物膜中的厭 氧層減少，因此不會(huì)引起生物膜肥厚，生物膜脫落量也少。 如果扭頭蟲屬、新態(tài)蟲屬和貝日阿托氏菌屬等出現(xiàn)時(shí)，表 明生物膜中的厭氧層增厚。,113,（五）生物膜的廢水凈化作用 厭氧層 生物膜層 好氧層 附著水層 廢水層 流動(dòng)水層 附著水中的有機(jī)物大多會(huì)被 生物膜氧化，使有機(jī)物濃度降低。 同時(shí)空氣中的氧隨廢水流經(jīng)生物 膜時(shí)被微生物所利用，有機(jī)物氧 化分解產(chǎn)生的CO2等透過附著水， 進(jìn)入流動(dòng)水并隨空氣流流出。,114,八、生物膜反應(yīng)器 運(yùn)行穩(wěn)定， 生物膜法的產(chǎn)生 抗沖擊負(fù)荷， 更為經(jīng)濟(jì)節(jié)能， 生物膜法的優(yōu)點(diǎn) 無污泥膨脹， 具有一定的硝化與反硝化功能， 可實(shí)現(xiàn)封閉運(yùn)轉(zhuǎn)、防止臭味等。 （一）生物膜反應(yīng)器分類 凡是在污水生物處理的各種工藝中引入微生物附著 生長(zhǎng)載體(或稱之為濾料、填料等)的反應(yīng)器，都將其定 義為生物膜反應(yīng)器，包括以生物膜為主體的生物膜反應(yīng) 器，以及引入生物膜的復(fù)合式生物膜反應(yīng)器。,115,116,生物膜反應(yīng)器的研究趨勢(shì)： 進(jìn)一步探討微生物在載體表面的固定機(jī)理，開發(fā)工程 實(shí)際中普遍使用的微生物固定技術(shù)，優(yōu)化生物膜結(jié)構(gòu) 及各種反應(yīng)器工藝系統(tǒng)； 進(jìn)一步使各種生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)的凈化功能更為廣譜 和高效； 深入研究生物膜微生物的增長(zhǎng)及底物去除動(dòng)力學(xué)和生 物膜微生物的能量代謝； 生物膜反應(yīng)器朝著節(jié)能和自動(dòng)化控制方向發(fā)展。,117,（二）生物濾池 1. 原理及特征 原理 以土壤自凈原理為依據(jù)。 作用過程 污水長(zhǎng)期以滴狀灑布在塊狀濾料的表面，在污水流 經(jīng)的表面上就會(huì)形成生物膜，生物膜成熟后，棲息在生 物膜上的微生物即攝取污水中的有機(jī)污染物作為營(yíng)養(yǎng)， 從而使污水得到凈化。,118, 特征 細(xì)菌以生物膜的方式附著在固體表面上。 濾池表層：主要由好氧化能異養(yǎng)細(xì)菌和真菌組成。 濾池低層：以自養(yǎng)硝化細(xì)菌為主。 此外：還存在大量的原生動(dòng)物和草食動(dòng)物。,119,2. 分類 普通生物濾池 高負(fù)荷生物濾池： 大幅度地提高了濾池的負(fù)荷率，通常BOD容積負(fù) 荷率比普通濾池高68倍。 塔式生物濾池： 解決了普通生物濾池占地面積大的問題，其水力 負(fù)荷比一般的高負(fù)荷生物濾池還要高210倍。 厭氧生物濾池： 是一種裝填濾料的厭氧生物膜反應(yīng)器。 活性生物濾池： 采用了復(fù)合的生物膜活性污泥工藝。,120,3. 結(jié)構(gòu) 池體：在平面上多呈方形、矩形或圓形。 濾料：是生物膜的載體。 對(duì)濾料的要求： 合適的粒徑； 足夠的機(jī)械強(qiáng)度； 容重應(yīng)??； 既能抵抗廢水、空氣和微生物的侵蝕，又不應(yīng)是影 響微生物生命活動(dòng)的雜質(zhì)； 應(yīng)能就地取材，價(jià)格便宜，加工容易。,121,常用濾料： 碎石、卵石、爐渣和焦炭等實(shí)心拳狀無機(jī)濾料； 由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的呈波形板狀、 多孔篩狀和蜂窩狀的人工有機(jī)濾料，具有更大的比表 面積(100200m2/m3)和高空隙率(80%95%)。,122, 排水系統(tǒng) 位置：濾池底部。 包括：滲水裝置、匯水溝和總排水溝。 作用：排除處理后的污水并保證濾池的良好通風(fēng)。 布水系統(tǒng) 類型：間歇噴灑布水系統(tǒng)， 旋轉(zhuǎn)式布水器。 小型的塔式生物濾池， 多采用固定式噴嘴布水系統(tǒng)； 大中型塔式生物濾池， 多采用旋轉(zhuǎn)式布水器。,123,124,（三）生物轉(zhuǎn)盤 1. 結(jié)構(gòu) 與生物濾池的原理類似，主要區(qū)別是它以一系列轉(zhuǎn) 動(dòng)的盤片代替固定的濾料。 盤片的材料： 聚氯乙烯，聚乙烯，泡沫聚苯乙烯，玻璃鋼，鋁合金等。 盤片的形狀： 平板，波紋板，或兩者的組合。 盤片的安裝： 有近一半的面積浸沒在半圓形、矩形或梯形的氧化槽內(nèi)。,125,2. 工作原理 廢水處于半靜止?fàn)顟B(tài)，微生物生長(zhǎng)在轉(zhuǎn)盤的盤面上， 轉(zhuǎn)盤在廢水中不斷緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，使其互相接觸。 盤體與廢水和空氣交替接觸，微生物從空氣中攝取必 要的氧，并對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行生物氧化分解。 活性衰退的生物膜在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)剪切力的作用下脫落。,126,3. 生物轉(zhuǎn)盤法的特征 節(jié)能。接觸槽中不需要曝氣，也不需要回流污泥，故 運(yùn)行的動(dòng)力費(fèi)用為活性污泥法的1/21/3。 生物量多，凈化率高，適應(yīng)性強(qiáng)。 環(huán)境條件以及生物膜厚度比較容易控制。 生物膜微生物的食物鏈長(zhǎng)，污泥產(chǎn)量少，為活性污泥 法的1/2。 維護(hù)簡(jiǎn)單，功能穩(wěn)定可靠，沒有噪聲。,127,4. 不足之處： 轉(zhuǎn)盤頂上需要覆蓋，以防暴雨時(shí)沖刷生物膜； 寒冷地區(qū)宜建在室內(nèi)； 一般所需的場(chǎng)地面積比活性污泥法大，建設(shè)投資也高 于活性污泥法。,128,（四）生物接觸氧化池 是介于活性污泥與生物濾池之間的生物膜法。 1. 原理 在池內(nèi)設(shè)置填料，經(jīng)過充氧的污水以一定的速度流 經(jīng)填料，使填料上長(zhǎng)滿生物膜，污水和生物膜相接觸， 在膜上生物的作用下，污水得到凈化。 2. 構(gòu)造 直流式接觸氧化池，又稱全面曝氣接觸式氧化池。 優(yōu)點(diǎn)：填料不易堵塞，耗氧量小，充氧效率高。,129,130,3. 填料的選擇 要求：比表面積大、空隙率大、水力阻力小、性能穩(wěn)定。 種類： 蜂窩型硬性填料： 比表面積較大，但各蜂窩管間互不相通，當(dāng)負(fù)荷 增大或布水均勻性較差時(shí)，易出現(xiàn)堵塞。 塑料規(guī)整網(wǎng)狀填料： 水流四通八達(dá)，可預(yù)防由于水氣分布不均勻而形 成的堵塞。但不足的是，填料表面較光滑，掛膜緩慢， 稍有沖擊，就易于脫落。,131, 纖維型軟性填料： 耐腐蝕、耐生物降解，不堵塞，造價(jià)低，體積小， 質(zhì)量輕，易于組裝，適應(yīng)性強(qiáng)，處理效果好。 但當(dāng)接觸氧化池停止工作時(shí)，會(huì)形成纖維束結(jié)塊， 清洗較困難。,132,4. 運(yùn)行優(yōu)點(diǎn) 對(duì)沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)能力； 污泥生成量少，不產(chǎn)生污泥膨脹的危害，能夠保證出 水水質(zhì)； 無需污泥回流，易于維護(hù)管理； 不產(chǎn)生濾池蠅，也不散發(fā)臭氣； 具有多種凈化功能，還能夠用以脫氮除磷。,133,（五）生物流化床 1. 原理 流化床中的生物膜呈顆粒狀，即生物膜是附著在一些 又小又硬的支撐物上生長(zhǎng)，如砂。 在砂床底部通入上升氣流，使之流化。 由于比表面積大，對(duì)廢水污染物的吸附能力強(qiáng)，廢水 中的有機(jī)物和微生物、酶都將在流化的生物膜表面富集， 使表面形成微生物生長(zhǎng)的良好場(chǎng)所。,134,2. 流化介質(zhì) 流化介質(zhì)：支撐生物膜的固相物，又稱載體。 應(yīng)具有的性能：常用載體： 較高的比表面積； 砂粒、無煙煤、 較小的顆粒直徑； 焦炭、活性碳、 相對(duì)密度略大于1； 陶粒及聚苯乙烯顆粒。 表面比較粗糙； (0.61.0mm) 對(duì)微生物無毒性； 不與廢水中的物質(zhì)起反應(yīng)； 價(jià)廉易得等。,135,3. 基本流程 兩相生物流化床工藝 基本特點(diǎn)： 在生物流化床外設(shè) 充氧設(shè)備和脫膜設(shè)備， 在流化床內(nèi)只有液固 兩相。,136, 三相生物流化床工藝 基本特點(diǎn)： 反應(yīng)器內(nèi)有氣、液、固三相共存，即向流化床直接充 氧而不設(shè)體外充氧裝置。 由于氣體激烈攪動(dòng) 造成的紊流，生物顆粒 之間摩擦劇烈，可使表 層的生物膜自動(dòng)脫落， 因此一般可不設(shè)體外脫 膜裝置。,137,4. 優(yōu)點(diǎn) 流化介質(zhì)所提供的表面積十分大，因此流化床能維持 相當(dāng)高的微生物濃度，從而使得廢水中有機(jī)污染物的 降解速度很快，停留時(shí)間很短，廢水負(fù)荷相當(dāng)高。 兼有活性污泥法的高效率和生物膜法能承受負(fù)荷變動(dòng) 沖擊的優(yōu)點(diǎn)。 不存在活性污泥法中常發(fā)生的污泥膨脹問題和其它生 物膜法中存在的污泥堵塞現(xiàn)象。 能適應(yīng)不同濃度范圍的廢水及較大的沖擊負(fù)荷。 由于容積負(fù)荷和床體高度大，占地面積可大大縮小。,138,139,作業(yè)： 1. 活性污泥法的反應(yīng)機(jī)理、基本流程、工藝類型(運(yùn)行方式) 及其進(jìn)展。應(yīng)用舉例。 2. 廢水厭氧生物處理的原理、處理工藝、反應(yīng)器類型及其新 發(fā)展。應(yīng)用舉例。 3. 膜生物反應(yīng)器的基本特征、種類，典型的膜反應(yīng)器組合工 藝。應(yīng)用舉例。 4. 廢水的生物脫氮除磷，包括脫氮除磷的原理、工藝及其應(yīng) 用。 wujuanustc.edu,