深挖「生物反應(yīng)器」，從根本了解它
時(shí)間：2024.01.12
生物反應(yīng)器是生物工程領(lǐng)域中一種非常重要的設(shè)備，它能夠利用生物體內(nèi)的生化反應(yīng)來生產(chǎn)化學(xué)品、藥物、酶和其他生物制品。作為生物技術(shù)的重要工具，生物反應(yīng)器的組成部件及結(jié)構(gòu)對于其性能和效率起著至關(guān)重要的作用。下面我們將深入了解生物反應(yīng)器的組成結(jié)構(gòu)、工作原理以及參數(shù)的控制方法。
一、生物反應(yīng)器的組成結(jié)構(gòu)
一般常見的機(jī)械攪拌式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)為容器、擋板、攪拌器、空氣分布裝置、軸封、傳動(dòng)裝置、換熱裝置、消泡裝置等。
其中，容器是生物反應(yīng)器的主體，用于容納生物體、培養(yǎng)基和反應(yīng)所需的條件。攪拌器則用于保持培養(yǎng)基的均勻懸浮狀態(tài)，促進(jìn)生物體和培養(yǎng)基之間的充分接觸。
溫度控制裝置能夠確保反應(yīng)器內(nèi)部的溫度始終保持在適宜范圍內(nèi)，以滿足生物體的生長和反應(yīng)的需要。進(jìn)料口和出料口用于添加培養(yǎng)基和收集反應(yīng)產(chǎn)物，而氣體進(jìn)出口則用于控制反應(yīng)器內(nèi)的氧氣和二氧化碳濃度。傳感器和控制系統(tǒng)則能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)部的參數(shù)，保證反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行。
溫度控制裝置能夠確保反應(yīng)器內(nèi)部的溫度始終保持在適宜范圍內(nèi)，以滿足生物體的生長和反應(yīng)的需要。進(jìn)料口和出料口用于添加培養(yǎng)基和收集反應(yīng)產(chǎn)物，而氣體進(jìn)出口則用于控制反應(yīng)器內(nèi)的氧氣和二氧化碳濃度。傳感器和控制系統(tǒng)則能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)部的參數(shù)，保證反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行。
二、生物反應(yīng)器的原理
而接下來要談的就是生物反應(yīng)器的原理了，這涉及反應(yīng)、傳質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換等多個(gè)方面。
1.生物反應(yīng)器的反應(yīng)主要基于提供一個(gè)適宜的生物體外環(huán)境，以促進(jìn)生物體系的生長、代謝和產(chǎn)物的生成。在反應(yīng)器中，生物體系通常包括微生物、細(xì)胞培養(yǎng)物或酶等，它們在適宜的培養(yǎng)基中進(jìn)行代謝活動(dòng)，通過攪拌裝置保持充分的氧氣傳遞和養(yǎng)分的均勻分布。同時(shí)，通過溫控裝置和pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)，維持反應(yīng)器內(nèi)部的恒定溫度和酸堿度，為生物體系提供一個(gè)穩(wěn)定的生長環(huán)境。
2.傳質(zhì)是指底物與產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)傳輸?shù)倪^程，包括傳質(zhì)阻力與速率。傳質(zhì)阻力會(huì)影響到反應(yīng)速率、底物利用率和產(chǎn)物濃度，這種阻力一般來自于底物和產(chǎn)物在反應(yīng)中的擴(kuò)散阻力、溶解性及質(zhì)量轉(zhuǎn)移阻力。傳質(zhì)速率則會(huì)受攪拌速度、溫度、底物濃度等各種因素的影響。
1.生物反應(yīng)器的反應(yīng)主要基于提供一個(gè)適宜的生物體外環(huán)境，以促進(jìn)生物體系的生長、代謝和產(chǎn)物的生成。在反應(yīng)器中，生物體系通常包括微生物、細(xì)胞培養(yǎng)物或酶等，它們在適宜的培養(yǎng)基中進(jìn)行代謝活動(dòng)，通過攪拌裝置保持充分的氧氣傳遞和養(yǎng)分的均勻分布。同時(shí)，通過溫控裝置和pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)，維持反應(yīng)器內(nèi)部的恒定溫度和酸堿度，為生物體系提供一個(gè)穩(wěn)定的生長環(huán)境。
2.傳質(zhì)是指底物與產(chǎn)物在反應(yīng)器內(nèi)傳輸?shù)倪^程，包括傳質(zhì)阻力與速率。傳質(zhì)阻力會(huì)影響到反應(yīng)速率、底物利用率和產(chǎn)物濃度，這種阻力一般來自于底物和產(chǎn)物在反應(yīng)中的擴(kuò)散阻力、溶解性及質(zhì)量轉(zhuǎn)移阻力。傳質(zhì)速率則會(huì)受攪拌速度、溫度、底物濃度等各種因素的影響。
3.能量轉(zhuǎn)換涉及反應(yīng)時(shí)的吸熱和放熱反應(yīng)。吸熱反應(yīng)會(huì)讓生物體通過吸收外界熱能來提供代謝所需能量，促進(jìn)生長和代謝。放熱反應(yīng)時(shí)反應(yīng)物在代謝中釋放熱能，這些熱能作為反應(yīng)中的熱能需求。
那么該如何控制反應(yīng)器的正常反應(yīng)呢？
1.提供適當(dāng)?shù)牡孜?/strong>：生物反應(yīng)器通過提供適當(dāng)?shù)牡孜铮Ｕ仙矬w生長與代謝。這些底物可以是有機(jī)物、無機(jī)鹽等，具體根據(jù)生物體的需求進(jìn)行選擇。
2.控制環(huán)境條件：生物反應(yīng)器通過控制環(huán)境條件，使其形成適宜生物體生長和代謝的環(huán)境。通過調(diào)節(jié)溫度、pH、氧氣濃度和營養(yǎng)物質(zhì)濃度等手段，來滿足生物體的需要。
3.保持混合與氧傳遞：生物反應(yīng)器采用攪拌通氣等方法，讓反應(yīng)物和生物體均勻混合，從而增強(qiáng)傳質(zhì)效率。對于需氧生物體，還要提供充足的氧氣，來滿足生物呼吸的需要。
4.控制產(chǎn)出和副產(chǎn)物：生物反應(yīng)器通過控制反應(yīng)過程中的參數(shù)（如溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)濃度等），來控制產(chǎn)出物的生成和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。優(yōu)化這些參數(shù)可有效提高產(chǎn)物的產(chǎn)率和選擇性。
5.監(jiān)測和調(diào)控：生物反應(yīng)器一般配有傳感器裝置，用以監(jiān)測反應(yīng)中的溫度、pH值、氧氣濃度及生物體密度等重要參數(shù)。根據(jù)傳感器的反饋信號進(jìn)行調(diào)控，使其保持在最佳工況。
總之，生物反應(yīng)器通過對培養(yǎng)基、實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件等精準(zhǔn)控制，可以實(shí)現(xiàn)生物體系的高效生長和產(chǎn)物的大規(guī)模生產(chǎn)，為生物工程和生物制藥領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要支持。
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