深挖「生物反應器」，從根本了解它
時間：2024.01.12
生物反應器是生物工程領域中一種非常重要的設備，它能夠利用生物體內的生化反應來生產化學品、藥物、酶和其他生物制品。作為生物技術的重要工具，生物反應器的組成部件及結構對于其性能和效率起著至關重要的作用。下面我們將深入了解生物反應器的組成結構、工作原理以及參數的控制方法。
一、生物反應器的組成結構
一般常見的機械攪拌式反應器的結構為容器、擋板、攪拌器、空氣分布裝置、軸封、傳動裝置、換熱裝置、消泡裝置等。
其中，容器是生物反應器的主體，用于容納生物體、培養基和反應所需的條件。攪拌器則用于保持培養基的均勻懸浮狀態，促進生物體和培養基之間的充分接觸。
溫度控制裝置能夠確保反應器內部的溫度始終保持在適宜范圍內，以滿足生物體的生長和反應的需要。進料口和出料口用于添加培養基和收集反應產物，而氣體進出口則用于控制反應器內的氧氣和二氧化碳濃度。傳感器和控制系統則能夠實時監測和調節反應器內部的參數，保證反應的穩定進行。
溫度控制裝置能夠確保反應器內部的溫度始終保持在適宜范圍內，以滿足生物體的生長和反應的需要。進料口和出料口用于添加培養基和收集反應產物，而氣體進出口則用于控制反應器內的氧氣和二氧化碳濃度。傳感器和控制系統則能夠實時監測和調節反應器內部的參數，保證反應的穩定進行。
二、生物反應器的原理
而接下來要談的就是生物反應器的原理了，這涉及反應、傳質、能量轉換等多個方面。
1.生物反應器的反應主要基于提供一個適宜的生物體外環境，以促進生物體系的生長、代謝和產物的生成。在反應器中，生物體系通常包括微生物、細胞培養物或酶等，它們在適宜的培養基中進行代謝活動，通過攪拌裝置保持充分的氧氣傳遞和養分的均勻分布。同時，通過溫控裝置和pH調節系統，維持反應器內部的恒定溫度和酸堿度，為生物體系提供一個穩定的生長環境。
2.傳質是指底物與產物在反應器內傳輸的過程，包括傳質阻力與速率。傳質阻力會影響到反應速率、底物利用率和產物濃度，這種阻力一般來自于底物和產物在反應中的擴散阻力、溶解性及質量轉移阻力。傳質速率則會受攪拌速度、溫度、底物濃度等各種因素的影響。
1.生物反應器的反應主要基于提供一個適宜的生物體外環境，以促進生物體系的生長、代謝和產物的生成。在反應器中，生物體系通常包括微生物、細胞培養物或酶等，它們在適宜的培養基中進行代謝活動，通過攪拌裝置保持充分的氧氣傳遞和養分的均勻分布。同時，通過溫控裝置和pH調節系統，維持反應器內部的恒定溫度和酸堿度，為生物體系提供一個穩定的生長環境。
2.傳質是指底物與產物在反應器內傳輸的過程，包括傳質阻力與速率。傳質阻力會影響到反應速率、底物利用率和產物濃度，這種阻力一般來自于底物和產物在反應中的擴散阻力、溶解性及質量轉移阻力。傳質速率則會受攪拌速度、溫度、底物濃度等各種因素的影響。
3.能量轉換涉及反應時的吸熱和放熱反應。吸熱反應會讓生物體通過吸收外界熱能來提供代謝所需能量，促進生長和代謝。放熱反應時反應物在代謝中釋放熱能，這些熱能作為反應中的熱能需求。
那么該如何控制反應器的正常反應呢？
1.提供適當的底物：生物反應器通過提供適當的底物，保障生物體生長與代謝。這些底物可以是有機物、無機鹽等，具體根據生物體的需求進行選擇。
2.控制環境條件：生物反應器通過控制環境條件，使其形成適宜生物體生長和代謝的環境。通過調節溫度、pH、氧氣濃度和營養物質濃度等手段，來滿足生物體的需要。
3.保持混合與氧傳遞：生物反應器采用攪拌通氣等方法，讓反應物和生物體均勻混合，從而增強傳質效率。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.控制產出和副產物：生物反應器通過控制反應過程中的參數（如溫度、pH值、營養物質濃度等），來控制產出物的生成和副產物的產生。優化這些參數可有效提高產物的產率和選擇性。
5.監測和調控：生物反應器一般配有傳感器裝置，用以監測反應中的溫度、pH值、氧氣濃度及生物體密度等重要參數。根據傳感器的反饋信號進行調控，使其保持在最佳工況。
總之，生物反應器通過對培養基、實驗環境條件等精準控制，可以實現生物體系的高效生長和產物的大規模生產，為生物工程和生物制藥領域的發展提供了重要支持。