生物反应器的设计

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1、生物反应器的设计生物反应器的设计资源与环境工程学院资源与环境工程学院1第一章第一章 生物反应器的结构和类型生物反应器的结构和类型一一. . 生物反应器的基本工程概念生物反应器的基本工程概念( (一一) ) 生物反应器类型生物反应器类型 生物反应器生物反应器：利用生物催化剂进行生物技术产品生产：利用生物催化剂进行生物技术产品生产 的反应装置。的反应装置。 分类方法分类方法： 1. 按按操作方式操作方式：间歇式（分批式），连续式，半连续式：间歇式（分批式），连续式，半连续式 2. 按几何构型及按几何构型及结构特征结构特征： 罐式罐式( (高径比高径比13) )， 管式管式( (长径比长径比30)

2、， 塔式塔式( (竖立高径比竖立高径比10)， 膜式（内有膜件）膜式（内有膜件）. . 3. 按反应器所需按反应器所需能量的输入方式能量的输入方式： 机械搅拌式，气升式，环流式。机械搅拌式，气升式，环流式。2 4. 按生物催化剂在反应器中的按生物催化剂在反应器中的分布方式分布方式： 生物团块反应器，生物膜反应器。生物团块反应器，生物膜反应器。 5. 按固相催化剂的按固相催化剂的运动状态运动状态： 填充床，流化床，生物转盘等填充床，流化床，生物转盘等 6. 按反应体系的按反应体系的相态相态： 均相，非均相均相，非均相( (固定床固定床, , 流化床流化床) ) 7. 按流体按流体流动状态流动状态

3、： 理想反应器，非理想反应器理想反应器，非理想反应器 8. 按按催化剂类型催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器微生物反应器（发酵罐），酶反应器 9. 按按培养对象培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器34间歇操作间歇操作 特征特征： 反应物料一次加入一次卸出；反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个因此它是一个非稳态过程非稳态过程。 适合于适合于：多

4、品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。56连续反应器连续反应器 特点特点： 原料连续输入反应器，产物则连续从反应器中流出。原料连续输入反应器，产物则连续从反应器中流出。 反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变。反应器内任何部位的物系组成均不随时间而变。 因而属于因而属于稳态操作稳态操作。 优点优点：产品质量稳定，生产效率高，适合大批量生产。：产品质量稳定，生产效率高，适合大批量生产。 缺点缺点：易发生杂菌污染；操作时间过长；细胞易退化变异。：易发生杂菌污染；操作时间过长；细胞易退化变异。 7半连续反应器半连续反应器 特点特点：原料与产物只有其中一种是

5、连续输入或输出，原料与产物只有其中一种是连续输入或输出，而其余则是分批加入或输出。而其余则是分批加入或输出。 优点优点： 可减缓底物对细胞生长的抑制作用；可减缓底物对细胞生长的抑制作用； 实现细胞的高密度培养；实现细胞的高密度培养； 既可以提高反应器的生产能力，也有利于下游加工过程。既可以提高反应器的生产能力，也有利于下游加工过程。 （对细胞反应，又称分批补料培养或流加操作技术。）（对细胞反应，又称分批补料培养或流加操作技术。）8(二) 生物反应器设计内容生物反应器设计内容 反应器设计的基本准则反应器设计的基本准则： 操作状态最佳化操作状态最佳化。反应器设计的主要内容反应器设计的主要内容： 1

6、. 反应器选型反应器选型： 操作方式，结构类型，能量传递和流体流动方式等。操作方式，结构类型，能量传递和流体流动方式等。 2. 设计反应器的结构，计算所需反应器体积，确定各种结构设计反应器的结构，计算所需反应器体积，确定各种结构 参数：反应器的内部结构及几何尺寸，搅拌器形式、参数：反应器的内部结构及几何尺寸，搅拌器形式、 大小及转速，换热方式及换热面积等。大小及转速，换热方式及换热面积等。 3. 确定最佳操作条件及其控制方式确定最佳操作条件及其控制方式： 温度，压力，温度，压力，pH值，通气量，底物浓度，物料流量等。值，通气量，底物浓度，物料流量等。9 与一般化学反应器的不同之处与一般化学反应

7、器的不同之处： 1. 防止反应器的堵塞防止反应器的堵塞 2. 控制搅拌器的转速控制搅拌器的转速 3. 避免染菌避免染菌 10( (三三) ) 生物反应器的开发趋势生物反应器的开发趋势 1. 开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂；开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂； 2. 建立描述生化反应过程的各种数学模型；建立描述生化反应过程的各种数学模型； 3. 大型化生物反应器的开发研究；大型化生物反应器的开发研究； 4. 特殊要求的新型生物反应器的研制开发。特殊要求的新型生物反应器的研制开发。 11( (四四) ) 研究生物反应器的目的研究生物反应器的目的 1. 确定该生物产品达到一定的产量需

8、要多大的生物反应器，确定该生物产品达到一定的产量需要多大的生物反应器， 什么结构更好。什么结构更好。 2. 结合细胞生长及代谢过程动力学对生物反应器进行优化，结合细胞生长及代谢过程动力学对生物反应器进行优化， 为生物加工过程提供最佳环境条件，并解决放大技术。为生物加工过程提供最佳环境条件，并解决放大技术。12 二二. . 生物反应器设计的计算基础生物反应器设计的计算基础 ( (一一) )生物反应器的基本设计方程生物反应器的基本设计方程 反应物系的组成及操作参数反应物系的组成及操作参数反应组分的转化速率反应组分的转化速率 反应器体积反应器体积 反应器设计的基本方程有三类反应器设计的基本方程有三类

9、： 物料衡算式物料衡算式：描述浓度变化（依据：描述浓度变化（依据质量守恒定质量守恒定律）律） 能量衡算式能量衡算式：描述温度变化（依据：描述温度变化（依据能量守恒定律能量守恒定律） 动量衡算式动量衡算式：描述压力变化（依据：描述压力变化（依据动量守恒定律动量守恒定律）13变量变量： 因变量因变量： 反应组分的浓度或转化率；反应物系的压力或温度。反应组分的浓度或转化率；反应物系的压力或温度。 自变量自变量：时间或空间自变量。定态过程只需考虑空间自：时间或空间自变量。定态过程只需考虑空间自 变量，而非定态过程则两种自变量都要考虑。变量，而非定态过程则两种自变量都要考虑。控制体积控制体积： 是指建立

10、衡算式的空间范围，其选择原则是以能把是指建立衡算式的空间范围，其选择原则是以能把 反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。 可取整个反应区体积作为控制体积，也可取一微元体可取整个反应区体积作为控制体积，也可取一微元体 作为控制体积。作为控制体积。 微元体微元体： 指一微分体积，它可以反映出可能发生的全部过程和指一微分体积，它可以反映出可能发生的全部过程和 现象。它的体积最大应以在微元体内各处参数均匀为限。现象。它的体积最大应以在微元体内各处参数均匀为限。14 1. 物料衡算式物料衡算式 衡算的组分衡算的组分：可选底物，产物，或细胞做衡算；：可选底

11、物，产物，或细胞做衡算； 衡算的时间基准衡算的时间基准：可取某一段时间或取某一瞬时的微分时间；：可取某一段时间或取某一瞬时的微分时间； 衡算的空间范围衡算的空间范围：可对一微元体积或对整个反应系统进行衡算。：可对一微元体积或对整个反应系统进行衡算。 对反应物做物料衡算对反应物做物料衡算： 组分进入该体积单元的量组分进入该体积单元的量 = =组分流出该体积单元的量组分流出该体积单元的量 + +体积单元内组分转化的量体积单元内组分转化的量 + +体积单元内组分累积量体积单元内组分累积量 15 对产物做物料衡算对产物做物料衡算： 组分进入该体积单元的量组分进入该体积单元的量 = =组分流出该体积单元

12、的量组分流出该体积单元的量 体积单元内组分体积单元内组分生成量生成量 + +体积单元内组分累积量体积单元内组分累积量 对细胞做物料衡算对细胞做物料衡算： 细胞进入该体积单元的量细胞进入该体积单元的量 = =细胞流出该体积单元的量细胞流出该体积单元的量+体积单元内细胞生长量体积单元内细胞生长量 + + 体积单元内细胞死亡量体积单元内细胞死亡量+体积单元内细胞累积量体积单元内细胞累积量 16 2. 能量衡算式能量衡算式 一般只作热量衡算，在一定的时间范围内：一般只作热量衡算，在一定的时间范围内： 单位时间内输入的热量单位时间内输入的热量=单位时间内输出的热量单位时间内输出的热量 + +单位时间内的

13、反应热单位时间内的反应热 + +单位时间内累积的热量单位时间内累积的热量 若为放热反应，则等号右边的第二项取负号；若为放热反应，则等号右边的第二项取负号； 若为吸热反应则取正号。若为吸热反应则取正号。173. 动量衡算式动量衡算式 生物反应器一般可做恒压处理，因此动量衡算式可略去。生物反应器一般可做恒压处理，因此动量衡算式可略去。总之，上述基本衡算式均符合下列模式：总之，上述基本衡算式均符合下列模式： 输入输入 = = 输出输出 + + 消耗消耗 + + 累积累积 在定态下，即所有状态参数均不随时间变化上时，累在定态下，即所有状态参数均不随时间变化上时，累 积项均为零。积项均为零。18( (二

14、二) ) 生物反应器内流体的流动与混合生物反应器内流体的流动与混合 1. 基本概念：基本概念： 粒子的年龄粒子的年龄： 物料粒子物料粒子( (分子或其凝聚体分子或其凝聚体) )进入反应器后所经历的时间。进入反应器后所经历的时间。 停留时间停留时间：粒子离开反应器时的年龄。：粒子离开反应器时的年龄。 返混返混：反应器内不同年龄的粒子间的混合：反应器内不同年龄的粒子间的混合( (对对连续流连续流而言而言) )。 产生返混的原因产生返混的原因： 反应器内的死角区，反应器内的死角区， 沟流或短路，沟流或短路， 流体在管内速度分布不均（管式反应器），流体在管内速度分布不均（管式反应器）， 剧烈搅动（釜式

15、反应器）等。剧烈搅动（釜式反应器）等。19 2. 流动状况：流动状况： 理想流动模型理想流动模型：平推流模型平推流模型无返混无返混 全混流模型全混流模型全返混全返混 非理想流动模型非理想流动模型： 轴向扩散模型和多釜串联模型等，轴向扩散模型和多釜串联模型等， 介于无返混和全返混之间。介于无返混和全返混之间。20 ( (三三) ) 平推流管式反应器的计算平推流管式反应器的计算 1. 基本概念：基本概念： 平推流平推流：又称活塞流，是指在与流体流动方向垂直的截：又称活塞流，是指在与流体流动方向垂直的截 面上，各粒子的流速和流向完全相同。面上，各粒子的流速和流向完全相同。 平推流反应器平推流反应器：

16、反应器内流体的流动形式为平推流，如：反应器内流体的流动形式为平推流，如 均相管式反应器，长径比大且流速高的均相管式反应器，长径比大且流速高的 固定床反应器。固定床反应器。Plug Flow Reactor, 简写为简写为PFR) 特征特征： 所有物料粒子在反应器中的停留时间完全相同，不存所有物料粒子在反应器中的停留时间完全相同，不存 在返混。在返混。 在同一截面上物料组成不随时间变化，但随物料流动在同一截面上物料组成不随时间变化，但随物料流动 方向而改变。方向而改变。21 2. 计算：计算： 取反应器中某一微元体积取反应器中某一微元体积dVdV作物料衡算：作物料衡算： 进入量进入量 排出量排出

17、量 = = 反应量反应量 + + 积累量积累量 F csF (cs +dcs) = v dV + 0 即即： -F dcs = v dV 对整个反应器而言对整个反应器而言： (平推流反应器的设计方程平推流反应器的设计方程) v：反应速度反应速度，mol/(L . min)； cs：底物浓度底物浓度, mol/L； V：反应器有效体积，反应器有效体积，L； F：物料流量物料流量, L/min；：物料在反应器中的停留时间物料在反应器中的停留时间，min.2223 ( (四四) ) 全混流罐式反应器的计算全混流罐式反应器的计算 1. 全混流模型的特征全混流模型的特征： 进入反应器的新物料与反应器内原

18、有物料能够在瞬间进入反应器的新物料与反应器内原有物料能够在瞬间 达到完全混合，反应器内物料浓度均匀一致，并与出口浓达到完全混合，反应器内物料浓度均匀一致，并与出口浓 度相同；物料在反应器内停留时间各不相同，达最大返混。度相同；物料在反应器内停留时间各不相同，达最大返混。 与之相对应的反应器称为全混流反应器：与之相对应的反应器称为全混流反应器： 连续罐式反应器连续罐式反应器。 ( (Continuous Stirred Tank Reactor, , 简写为简写为 CSTR) )24 2. 计算：计算： 对稳态下的全混流反应器作物料衡算：对稳态下的全混流反应器作物料衡算： 进入量进入量 排出量排

19、出量 = = 反应量反应量 + + 积累量积累量 Fcs0 Fcs = vV+0 即：即： （全混流反应器的基础设计方程式）（全混流反应器的基础设计方程式） 对于酶催化反应：将米氏方程代入对于酶催化反应：将米氏方程代入 对微生物反应器：将对微生物反应器：将Monod方程代入方程代入 25三三. . 微生物细胞反应器微生物细胞反应器 微生物细胞反应器微生物细胞反应器： 为微生物提供一个适宜的生长环境，使之快速繁殖并为微生物提供一个适宜的生长环境，使之快速繁殖并 且产生有用的物质或对某种物质进行转化，以达到提供某且产生有用的物质或对某种物质进行转化，以达到提供某 种产品或为社会服务的目的。种产品或

20、为社会服务的目的。 微生物反应器应具备的必要条件微生物反应器应具备的必要条件： 尽量避免杂菌污染；尽量避免杂菌污染； 反应器内尽量减少死角；反应器内尽量减少死角； 所有的阀件和配管部分应能够进行蒸汽杀菌；所有的阀件和配管部分应能够进行蒸汽杀菌； 反应器结构简单，容易清扫；反应器结构简单，容易清扫； 罐体各部件要有一定的强度，以承受一定的压力。罐体各部件要有一定的强度，以承受一定的压力。26 发酵过程中的几个特殊问题发酵过程中的几个特殊问题： 要为系统供应充足的氧气；要为系统供应充足的氧气； 剪应力的敏感性；剪应力的敏感性； 发酵液的流变特性；发酵液的流变特性； 絮凝作用；絮凝作用； 杂菌污染；

21、杂菌污染； 发酵过程的参数检测与控制，与其他化学过程相比，发酵过程的参数检测与控制，与其他化学过程相比， 要困难得多。要困难得多。27发酵设备的分类发酵设备的分类： 按对氧的要求按对氧的要求分类：分类： 好氧发酵罐，好氧发酵罐， 厌氧发酵罐厌氧发酵罐 按按产生搅拌的动力产生搅拌的动力分类：分类： 机械搅拌式，机械搅拌式， 气流搅拌式气流搅拌式28罐罐 式式 发发 酵酵 器器( (一一) ) 机械搅拌通气式发酵罐机械搅拌通气式发酵罐 工业上最常用的一种微生物反应器，既有机械搅拌工业上最常用的一种微生物反应器，既有机械搅拌 又有压缩空气分布装置。又有压缩空气分布装置。 1. 搅拌器搅拌器 主要功能

22、主要功能： 打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高气液间的打碎空气气泡，增加气液接触面积，以提高气液间的 传质速率；传质速率； 使发酵液充分混合；使发酵液充分混合； 使液体中的固形物料保持悬浮状态；使液体中的固形物料保持悬浮状态； 促进发酵热的散失。促进发酵热的散失。29 类型类型：涡轮式，螺旋浆式和平浆式。：涡轮式，螺旋浆式和平浆式。 大多采用涡轮式搅拌器，宜用不锈钢制成。大多采用涡轮式搅拌器，宜用不锈钢制成。 在相同是搅拌功率在相同是搅拌功率 下粉碎气泡的能力：下粉碎气泡的能力： 平叶式平叶式弯叶式弯叶式 箭叶式箭叶式30 尺寸尺寸： 搅拌器直径与罐径之比可在搅拌器直径与罐径之比可在1/3

23、-1/2之间。之间。 可根据发酵罐的容积，在同一个搅拌轴上配置多可根据发酵罐的容积，在同一个搅拌轴上配置多 个搅拌器。个搅拌器。 叶片数目叶片数目：4叶，叶，6叶，叶，8叶，以叶，以6叶叶居多。居多。 在在H/D不大时，搅拌器通常使用单浆；不大时，搅拌器通常使用单浆； 若若H/D较大，需采用多浆装置。较大，需采用多浆装置。 各浆间距为各浆间距为(1-2.5)d（d: :浆叶外径），浆叶外径）， 最底部浆与罐底间距为最底部浆与罐底间距为(0.8-1)D（D:D: 罐内径）。罐内径）。 位置位置： 上伸轴，下伸轴上伸轴，下伸轴313233 2. 挡板挡板 主要功能主要功能： 使沿壁旋转流动的液体折

24、向轴心，使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。消除搅拌时形成的旋涡。 尺寸尺寸： 挡板的宽度通常为罐内径的挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。 位置位置： 在器壁设有几块垂直挡板。一般安装在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块块。3435 3. 换热装置换热装置 主要功能主要功能： 将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生 的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。 Q发酵发酵 = Q生物生物 + Q搅拌搅拌 Q空气空气 - Q辐射辐射 Q生物生物：生物氧化产生的热量；：生物氧化产生的热量

25、； Q搅拌搅拌 ：搅拌器搅动液体时产生的热量；：搅拌器搅动液体时产生的热量； Q空气空气：通入发酵罐内的空气由于发酵液中水分蒸发及空气：通入发酵罐内的空气由于发酵液中水分蒸发及空气 温升所带走的热量；温升所带走的热量； Q辐射辐射：由于罐外壁壁温与大气温差而引起的热量传递：由于罐外壁壁温与大气温差而引起的热量传递 。 36 类型类型： 夹套换热器夹套换热器：一般小型发酵罐多采用（容积为：一般小型发酵罐多采用（容积为5 m3以下）；以下）； 蛇管换热器蛇管换热器：大中型发酵罐多采用（容积为：大中型发酵罐多采用（容积为5 m3以上以上 ）。）。37 4. 消沫装置消沫装置 主要功能主要功能：将发酵

26、过程中产生的泡沫破碎。：将发酵过程中产生的泡沫破碎。 类型类型： 耙式消泡浆，装于搅拌轴上，齿面略高于液面。耙式消泡浆，装于搅拌轴上，齿面略高于液面。 也可加消泡剂。也可加消泡剂。 机械搅拌通气式发酵罐的优点：机械搅拌通气式发酵罐的优点： 操作弹性大，操作弹性大，pHpH值和温度易于控制；值和温度易于控制； 有较规范的工业放大方法；有较规范的工业放大方法； 适合连续培养。适合连续培养。 对黏度高，需氧量大且呈非牛顿流动特性的培养液发对黏度高，需氧量大且呈非牛顿流动特性的培养液发 酵过程更为适用。酵过程更为适用。38 缺点：缺点： 驱动功率大；驱动功率大； 内部结构复杂，难于彻底清洗，易造成污染

27、；内部结构复杂，难于彻底清洗，易造成污染； 在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用，在丝状菌的培养中由于搅拌器的剪切作用， 细胞易受损伤。细胞易受损伤。39( (二二) ) 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 特点特点：不需要空气压缩机供应压缩空气，而是利用搅拌器：不需要空气压缩机供应压缩空气，而是利用搅拌器 旋转时产生的抽吸力吸入空气。旋转时产生的抽吸力吸入空气。 搅拌器搅拌器：空心叶轮，其快速旋转时液体被甩出，在叶轮中：空心叶轮，其快速旋转时液体被甩出，在叶轮中 心形成负压，从而将罐外空气吸到罐内。心形成负压，从而将罐外空气吸到罐内。 40优点优点： 利用机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内，达利用

28、机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内，达 到到既通风又搅拌既通风又搅拌的目的，从而省去了压缩机。的目的，从而省去了压缩机。缺点缺点： 进罐空气处于负压，增加了染菌机会，对大多数无菌要进罐空气处于负压，增加了染菌机会，对大多数无菌要 求较高的发酵生产是不适宜的；求较高的发酵生产是不适宜的； 搅拌转速很高，有可能使菌丝被搅拌器切断，影响其正搅拌转速很高，有可能使菌丝被搅拌器切断，影响其正 常生长。常生长。 4142塔塔 式式 反反 应应 器器 （一种高径比较大的非机械式的生物反应器）（一种高径比较大的非机械式的生物反应器） 主要优点主要优点： 省去了轴封，从根本上排除了因轴封而造成的染菌；省去了

29、轴封，从根本上排除了因轴封而造成的染菌； 反应器结构简单；反应器结构简单； 功率消耗小；功率消耗小； 减少了剪切作用对细胞的损害；减少了剪切作用对细胞的损害； 溶氧速率高。溶氧速率高。43 结构原理结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集， 一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断 形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 类型类型： 最有代表性的是最有代表性的是鼓泡式发酵罐鼓泡式发酵罐和和气升式反应器。气升式反应器。

30、44( (三三) ) 鼓泡式发酵罐鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板多层筛板。 原理原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升 时的动力带动液体运动，达到混合效果。时的动力带动液体运动，达到混合效果。 特点特点：高径比较大，一般在：高径比较大，一般在6:1-10:1之间，空气进入培养液之间，空气进入培养液 后有较长的停留时间。后有较长的停留时间。 多孔筛板的作用多孔筛板的作用：阻截气泡，既延长气体的停留时间，又：阻截气泡，既延长气体的停留时间，又 使空气在反应器内经多次聚并与分散。使空气在反应

31、器内经多次聚并与分散。4546 优点优点： 发酵罐结构简单，发酵罐结构简单， 造价较低，造价较低， 动力消耗少，动力消耗少， 操作成本低且噪声小，操作成本低且噪声小， 避免了机械搅拌反应器中轴封不严密造成的杂菌污染。避免了机械搅拌反应器中轴封不严密造成的杂菌污染。 缺点缺点： 塔体高度大，需要在室外安装；塔体高度大，需要在室外安装； 需要压力较高的压缩空气以克服罐内液体静压力。需要压力较高的压缩空气以克服罐内液体静压力。 较适于培养液黏度低、含固量少、需氧量较低的发酵较适于培养液黏度低、含固量少、需氧量较低的发酵 过程。过程。47( (四四) ) 环流式发酵罐环流式发酵罐 1. 气升环流式发酵

32、罐气升环流式发酵罐 结构特点结构特点：不设机械搅拌装置，但在罐外设：不设机械搅拌装置，但在罐外设体外循环管体外循环管， 或在罐内设或在罐内设导流筒导流筒或或垂直隔板垂直隔板。 原理原理：通入空气的一侧，液体因其平均密度下降而上升，：通入空气的一侧，液体因其平均密度下降而上升， 不通气的一侧则因液体密度较大而下降，因而在不通气的一侧则因液体密度较大而下降，因而在 反应器内形成液体的环流，大大强化了氧的传递。反应器内形成液体的环流，大大强化了氧的传递。 优点优点：液体中剪切力低，能耗低，结构简单，避免了机：液体中剪切力低，能耗低，结构简单，避免了机 械搅拌反应器中轴封不严所带来的杂菌污染问题。械搅

33、拌反应器中轴封不严所带来的杂菌污染问题。 不适用于不适用于：高黏度或含大量固体的培养液。：高黏度或含大量固体的培养液。4849 2. 喷射环流式发酵罐喷射环流式发酵罐 原理原理：用机械泵喷嘴引射压缩空气，在喷嘴出口处形成强：用机械泵喷嘴引射压缩空气，在喷嘴出口处形成强 的剪切力场，将射入的空气在液相中分散为小气泡。的剪切力场，将射入的空气在液相中分散为小气泡。 在反应器内重新聚并起来的大气泡，通过环流得以在反应器内重新聚并起来的大气泡，通过环流得以 再度分散，从而加快传质速率。再度分散，从而加快传质速率。 优点优点：与机械搅拌式发酵罐相比，在同样的能耗下，喷射：与机械搅拌式发酵罐相比，在同样的

34、能耗下，喷射 环流式发酵罐的氧传递速率要高得多。环流式发酵罐的氧传递速率要高得多。 ( (五五) ) 连续管道发酵器连续管道发酵器 所用管道可以是直管也可以是蛇管。所用管道可以是直管也可以是蛇管。 主要用于厌氧发酵。主要用于厌氧发酵。5051( (六六) ) 基因工程菌发酵罐基因工程菌发酵罐 1. 基因工程菌：通过基因操作得到的基因工程菌：通过基因操作得到的DNA重组微生物。重组微生物。 2. 需特别注意的问题需特别注意的问题：发酵罐内微生物的泄漏。：发酵罐内微生物的泄漏。 3. 造成泄漏的原因造成泄漏的原因： 排气排气：需经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放。：需经加热灭菌或经微孔过滤器除

35、菌后才能排放。 轴封泄漏轴封泄漏：90升以下的发酵罐，可采用磁力搅拌；较大升以下的发酵罐，可采用磁力搅拌；较大 的发酵罐应采用双端面密封。的发酵罐应采用双端面密封。 取样取样：取样后用蒸汽将有关管道灭菌，冲出的污物经专：取样后用蒸汽将有关管道灭菌，冲出的污物经专 门的管道收集到污物贮罐，最后统一灭菌处理。门的管道收集到污物贮罐，最后统一灭菌处理。 接种和放料接种和放料：5253 四四. . 酶反应器酶反应器 以酶为催化剂进行生物催化反应的装置称为酶反应器以酶为催化剂进行生物催化反应的装置称为酶反应器， 催化剂可以是溶液酶，也可以是固定化酶。催化剂可以是溶液酶，也可以是固定化酶。 形形 式式 操

36、操 作作 方方 式式 说说 明明均相酶均相酶 搅拌罐搅拌罐分批，流加分批，流加机械搅拌机械搅拌反应器反应器 超滤膜反应器超滤膜反应器分批，流加，连续分批，流加，连续通过膜将酶保留在反应通过膜将酶保留在反应器内器内固定化固定化 搅拌罐搅拌罐分批，流加，连续分批，流加，连续固定化酶悬浮于固定化酶悬浮于酶及固酶及固反应器内，不排出反应器内，不排出定化细定化细 固定床固定床连续连续广泛应用于固定化酶与广泛应用于固定化酶与固定化细胞中固定化细胞中胞胞反应反应 流化床流化床分批，连续分批，连续靠靠流体流动使固定化酶流体流动使固定化酶悬浮在流体中悬浮在流体中器器膜式膜式反应器反应器连续连续通过膜将固定化酶保

37、留通过膜将固定化酶保留在反应器在反应器鼓泡塔鼓泡塔分批，连续分批，连续适用于有气体参与的反适用于有气体参与的反应应5455 游离酶游离酶： 反应结束后催化剂很难回收，但可获得较高的产物收率。反应结束后催化剂很难回收，但可获得较高的产物收率。 固定化酶固定化酶： 酶易于回收重复使用。酶易于回收重复使用。 （一）间歇式酶反应器（一）间歇式酶反应器 通常为带有搅拌器的罐式反应器，通常为带有搅拌器的罐式反应器， 设置有夹套或盘管以便加热或冷却罐设置有夹套或盘管以便加热或冷却罐 内物料，控制反应温度。内物料，控制反应温度。 主要用于游离酶反应，一般并不回收游离酶。固定化主要用于游离酶反应，一般并不回收游

38、离酶。固定化 酶很少使用在间歇反应器中。酶很少使用在间歇反应器中。 56（二）连续搅拌罐式酶反应器（二）连续搅拌罐式酶反应器（CSTR） 结构结构：与间歇罐式反应器基本相同。：与间歇罐式反应器基本相同。 特点特点： 连续进料，连续出料；连续进料，连续出料； 罐内各点浓度均匀一致，罐内各点浓度均匀一致， 且等于流出液浓度；且等于流出液浓度； 易于控制温度和易于控制温度和pH值；值； 能处理胶态和不溶性底物。能处理胶态和不溶性底物。 优点优点： 造价低，装置比较简单；造价低，装置比较简单； 反应能迅速达到稳定状态；反应能迅速达到稳定状态； 传质的阻力也可降到最低限度。传质的阻力也可降到最低限度。

39、57 缺点缺点： 搅拌浆产生的剪切力较大，常会引起固定化酶的破坏。搅拌浆产生的剪切力较大，常会引起固定化酶的破坏。 改良措施改良措施： 将固定化酶固定在搅拌轴上，或放置在与搅拌轴一起将固定化酶固定在搅拌轴上，或放置在与搅拌轴一起 转动的金属网筐内，既不损坏固定化酶，又使酶不致流失。转动的金属网筐内，既不损坏固定化酶，又使酶不致流失。 为使反应器内酶浓度一定，可为使反应器内酶浓度一定，可采取以下措施采取以下措施： 溶液中连续流加酶；溶液中连续流加酶； 使用多孔膜使酶滞留于溶液中；使用多孔膜使酶滞留于溶液中； 出口处用筛网罩住；出口处用筛网罩住； 酶被固定在搅拌轴上的容器内；酶被固定在搅拌轴上的容

40、器内； 溶液快速循环通过固定化酶柱。溶液快速循环通过固定化酶柱。5859（三）固定床酶反应器（三）固定床酶反应器 特点特点： 当原料通过固体催化剂床层时，催化剂颗粒静止不动。当原料通过固体催化剂床层时，催化剂颗粒静止不动。 固定化酶的形状固定化酶的形状： 球形，碟形，薄片，小珠等。球形，碟形，薄片，小珠等。 流动形态流动形态： 接近于接近于平推流平推流，可近似认为是平推流反应器。，可近似认为是平推流反应器。 沿柱的方向底物及产物的浓度是逐渐变化的，沿柱的方向底物及产物的浓度是逐渐变化的， 但在同一横切面上浓度是一致的但在同一横切面上浓度是一致的。6061 优点优点： 单位反应器容积的催化剂颗粒

41、装填密度高；单位反应器容积的催化剂颗粒装填密度高； 结构简单，建造费用低；结构简单，建造费用低； 适于容易磨损的固定化酶；适于容易磨损的固定化酶； 当有产物抑制时，采用这种反应器可获得较高的产率。当有产物抑制时，采用这种反应器可获得较高的产率。 但如果有底物抑制时，就不十分适合了。但如果有底物抑制时，就不十分适合了。 缺点缺点： 传热传质系数相对较低；传热传质系数相对较低； 固定化酶颗粒大小会影响压力降和内扩散阻力；固定化酶颗粒大小会影响压力降和内扩散阻力； 当反应液内含有固体物料时不宜采用此反应器，固体物当反应液内含有固体物料时不宜采用此反应器，固体物 质会引起床层堵塞。质会引起床层堵塞。6

42、2（四）流化床酶反应器（四）流化床酶反应器 特点特点： 通过流体自下而上的流动使反应器内装填的固定化酶通过流体自下而上的流动使反应器内装填的固定化酶 颗粒在流体中保持悬浮状态，即以流态化状态进行反应。颗粒在流体中保持悬浮状态，即以流态化状态进行反应。 优点优点： 流体与固体充分接触，流体与固体充分接触， 混合程度高，传热传质性能良好；混合程度高，传热传质性能良好； 可用于处理粘性大和含有固体颗可用于处理粘性大和含有固体颗 粒的底物，不易堵塞。粒的底物，不易堵塞。 缺点缺点： 不适合于有产物抑制的反应。不适合于有产物抑制的反应。63 （五）膜式酶反应器（五）膜式酶反应器 原理原理： 利用膜将分子

43、量较大的酶及底物截留在酶反应利用膜将分子量较大的酶及底物截留在酶反应 器内，从而达到酶的反复使用及与产物分离的目的。器内，从而达到酶的反复使用及与产物分离的目的。 膜的作用膜的作用： 可使酶重复使用以使反应可使酶重复使用以使反应体系维持较高的酶浓度；体系维持较高的酶浓度； 可把产物不断地从反应体系中分离出去以减少产物对反可把产物不断地从反应体系中分离出去以减少产物对反 应的抑制作用，从而提高反应器的生产能力。应的抑制作用，从而提高反应器的生产能力。64 膜的种类膜的种类： 按孔径从小到大依次分为：按孔径从小到大依次分为： 反渗透膜反渗透膜( (RO) ) 超滤膜超滤膜( (UF) ) 微滤膜微

44、滤膜( (MF) ) 普通滤膜普通滤膜 根据膜的性质不同分为根据膜的性质不同分为： 固体膜反应器固体膜反应器 液体膜反应器液体膜反应器65 1. 固体膜反应器固体膜反应器 适合于适合于： 大分子或小分子底物转化为小分子产物的酶反应；大分子或小分子底物转化为小分子产物的酶反应； 尤其适合于水解酶类的酶反应。尤其适合于水解酶类的酶反应。 优点优点： 底物可按需要定量地进入反应器，操作比较方便；底物可按需要定量地进入反应器，操作比较方便； 酶可以游离的方式起作用，消除了因固定化而带来的酶可以游离的方式起作用，消除了因固定化而带来的 酶活损失；酶活损失； 反应器本身易于清洁和消毒，反应条件易于控制；反

45、应器本身易于清洁和消毒，反应条件易于控制； 膜的价格不太高。膜的价格不太高。6667 全混搅拌釜全混搅拌釜超滤膜反应器超滤膜反应器： 酶处于水溶液状态。利用超滤膜分离器使小分子的生酶处于水溶液状态。利用超滤膜分离器使小分子的生 成物透过超滤膜的微孔而排出，而像酶这样的大分子则被成物透过超滤膜的微孔而排出，而像酶这样的大分子则被 截留在超滤膜表面上，同时利用泵的压强将截留在膜表面截留在超滤膜表面上，同时利用泵的压强将截留在膜表面 的大分子化合物压回搅拌釜重新使用。的大分子化合物压回搅拌釜重新使用。 68适用于适用于：产物为小分子化合物的酶促反应，：产物为小分子化合物的酶促反应， 也可用于水不溶性

46、底物和胶体状底物。也可用于水不溶性底物和胶体状底物。优点优点：效率高，可以在反应的同时把生成的产物分离出来。：效率高，可以在反应的同时把生成的产物分离出来。缺点缺点：不容易得到能长期稳定操作的酶；：不容易得到能长期稳定操作的酶； 膜上吸附的酶容易形成浓差极化，影响透过液的通量。膜上吸附的酶容易形成浓差极化，影响透过液的通量。69 2. 中空纤维膜反应器中空纤维膜反应器 原理原理： 把酶结合于半透性的中空纤维上，这种半透膜只允把酶结合于半透性的中空纤维上，这种半透膜只允 许底物和产物等小分子量物质通过，而分子量较大的酶许底物和产物等小分子量物质通过，而分子量较大的酶 则不能。则不能。 结构结构：

47、 内层紧密光滑，并有一定的分子截留值，可截留大分内层紧密光滑，并有一定的分子截留值，可截留大分 子物质而允许不同的小分子物质通过。子物质而允许不同的小分子物质通过。 外层是多孔的海绵状的支持层。外层是多孔的海绵状的支持层。 膜材料膜材料：纤维素衍生物，如：硝化纤维，醋酸纤维素；：纤维素衍生物，如：硝化纤维，醋酸纤维素； 聚酰胺，聚砜等。聚酰胺，聚砜等。7071 优点优点： 纤维膜的比表面积较大，管径很小，并能能承受较大纤维膜的比表面积较大，管径很小，并能能承受较大 的压力；的压力； 传质阻力较小；传质阻力较小； 对海绵层进行冲洗即可除去或更换酶；对海绵层进行冲洗即可除去或更换酶； 含酶溶液被固

48、封在海绵状结构层的孔隙中，酶在溶液含酶溶液被固封在海绵状结构层的孔隙中，酶在溶液 中是自由的，消除了固定化酶技术中存在的对酶的位中是自由的，消除了固定化酶技术中存在的对酶的位 阻现象和减活作用。阻现象和减活作用。7273 3. 循环式膜反应器循环式膜反应器 特点特点：反应器与分离装置是分开的。：反应器与分离装置是分开的。 生物催化剂在分离装置中与反应混合物分离，然生物催化剂在分离装置中与反应混合物分离，然 后再循环至反应器中应用。后再循环至反应器中应用。 类型类型：超滤膜酶反应器，透析膜酶反应器等。：超滤膜酶反应器，透析膜酶反应器等。 应用应用： 酶催化橄榄油水解，酶催化橄榄油水解， 葡萄糖发

49、酵制乙醇，葡萄糖发酵制乙醇， 发酵法制取丙酮和丁醇等。发酵法制取丙酮和丁醇等。 74 综合评述综合评述： 通常选择反应器时应考虑如下因素：通常选择反应器时应考虑如下因素：（1）固定化酶的形状：颗粒，纤维，管或膜。固定化酶的形状：颗粒，纤维，管或膜。（2）底物性质：可溶性的，颗粒的或胶态的。）底物性质：可溶性的，颗粒的或胶态的。（3）反应过程：是否要求控制）反应过程：是否要求控制pH或供给氧气和防止杂菌或供给氧气和防止杂菌 污染等。污染等。（4）酶反应的动力学特征。）酶反应的动力学特征。（5）载体负荷能力，即偶联酶量。）载体负荷能力，即偶联酶量。（6）固定化酶的稳定性、更换及再生的难易。）固定化

50、酶的稳定性、更换及再生的难易。75（7）固定化酶表面积）固定化酶表面积/反应器体积的比值。反应器体积的比值。（8）物质传递特性：内扩散和外扩散的影响。）物质传递特性：内扩散和外扩散的影响。（9）反应器制造的难易。）反应器制造的难易。（10）操作要求及反应器的成本：包括制造和运转成本。）操作要求及反应器的成本：包括制造和运转成本。（11）反应器的管理难易。）反应器的管理难易。（12）固定化酶的大小，机械强度和密度。）固定化酶的大小，机械强度和密度。（13）生产的产量大小。）生产的产量大小。76 五五. . 动植物细胞培养用反应器动植物细胞培养用反应器 动植物细胞培养的意义动植物细胞培养的意义：

51、可以生产许多重要的，原先难以生产或无法生产的可以生产许多重要的，原先难以生产或无法生产的 生物产品。生物产品。 动物细胞的培养动物细胞的培养贵重药物和特殊的酶；贵重药物和特殊的酶； 植物细胞的培养植物细胞的培养有效的生物转化，而获得许多重要有效的生物转化，而获得许多重要 的产品的产品促进植物遗传工程的发展。促进植物遗传工程的发展。 77 动植物细胞培养与微生物培养的区别动植物细胞培养与微生物培养的区别： 动物细胞动物细胞没有细胞壁，对搅拌引起的流体剪切力十分敏感；没有细胞壁，对搅拌引起的流体剪切力十分敏感； 大多数哺乳动物细胞需要贴壁生长；大多数哺乳动物细胞需要贴壁生长； 对培养基要求高，要求

52、含有多种氨基酸，血清，维生素，对培养基要求高，要求含有多种氨基酸，血清，维生素， 无机盐等；无机盐等； 培养条件苛刻，对于溶氧浓度，培养条件苛刻，对于溶氧浓度，pH值及温度等都要求严格；值及温度等都要求严格； 生长比微生物慢得多，培养时间长；生长比微生物慢得多，培养时间长； 易染菌，要严格防污染。易染菌，要严格防污染。 78( (一一) ) 动物细胞培养用反应器动物细胞培养用反应器 1.动物细胞培养过程的特征动物细胞培养过程的特征 生长速率慢，易为微生物等污染，采取加入抗生素等措施；生长速率慢，易为微生物等污染，采取加入抗生素等措施； 细胞个体大且无壁，对环境敏感，应解决供氧（搅拌与通细胞个体

53、大且无壁，对环境敏感，应解决供氧（搅拌与通 风）与细胞脆弱的矛盾；风）与细胞脆弱的矛盾； 设备放大不能完全照搬微生物反应过程的经验；设备放大不能完全照搬微生物反应过程的经验； 反应过程成本高，但产物的价格更昂贵。反应过程成本高，但产物的价格更昂贵。 目前利用大规模细胞培养方法生产的产品主要有四大类：目前利用大规模细胞培养方法生产的产品主要有四大类： 疫苗疫苗，干扰素干扰素，单克隆抗体单克隆抗体，遗传重组产品遗传重组产品79 2. 反应器类型反应器类型 动物细胞按培养特性不同分为两类：动物细胞按培养特性不同分为两类：（1）非锚地依赖性细胞非锚地依赖性细胞： 可采用悬浮培养法，反应器与培养微生物者

54、相类似。可采用悬浮培养法，反应器与培养微生物者相类似。( (主要是血液细胞，淋巴组织细胞或肿瘤细胞主要是血液细胞，淋巴组织细胞或肿瘤细胞) )（2）锚地依赖性细胞锚地依赖性细胞： 必须贴附于固体或半固体物体表面才能培养，该类反必须贴附于固体或半固体物体表面才能培养，该类反 应器必须提供巨大的表面积。应器必须提供巨大的表面积。( (多数动物细胞多数动物细胞) ) 80 动物细胞反应器的主要类型动物细胞反应器的主要类型： 多层平板式，多层圆盘式，螺旋转膜式，多层托盘式，多层平板式，多层圆盘式，螺旋转膜式，多层托盘式， 卷带式，中空纤维管，流化床式，微载体搅拌式，卷带式，中空纤维管，流化床式，微载体

55、搅拌式， 通气搅拌式。通气搅拌式。81 3. 培养条件培养条件 一般地，温度为一般地，温度为370.02 ，pH为为70.05，通气中，通气中 氧与二氧与二 氧化氧化 碳的含量比为碳的含量比为95: :5； 动物细胞生长缓慢，倍增时间为动物细胞生长缓慢，倍增时间为15100 h； 培养基及其复杂且昂贵。培养基及其复杂且昂贵。82 4. 培养方法培养方法 按其加料或出料方式可分为按其加料或出料方式可分为5种：种： （1）分批式操作分批式操作： 将细胞和培养液一次性加入反应器内进行培养，细将细胞和培养液一次性加入反应器内进行培养，细 胞生长，产物形成，最后取出整个反应系。胞生长，产物形成，最后取出

56、整个反应系。 （2）流加式操作流加式操作：新的营养成分不断补充加入。：新的营养成分不断补充加入。83（3）半连续式操作半连续式操作： 分批操作中取出部分反应系，补充新的营养成分，分批操作中取出部分反应系，补充新的营养成分， 但反应器内培养液的总体积保持不变。但反应器内培养液的总体积保持不变。（4）连续式操作连续式操作： 细胞种子和培养液一起加入，细胞种子和培养液一起加入， 反应液不断取出而新鲜培养液不断加入。反应液不断取出而新鲜培养液不断加入。（5）灌注式培养灌注式培养： 细胞接种后进行培养，连续注入新鲜培养基的同时，细胞接种后进行培养，连续注入新鲜培养基的同时， 连续等量排出用过的培养基，但

57、细胞留在反应器内。连续等量排出用过的培养基，但细胞留在反应器内。84灌注式培养的优点灌注式培养的优点： 其产量为一般悬浮法的几倍；其产量为一般悬浮法的几倍； 获得的都是活细胞，通常悬浮法培养收获的细胞有获得的都是活细胞，通常悬浮法培养收获的细胞有30% 是死细胞。是死细胞。缺点缺点： 培养基消耗量比一般悬浮培养高几倍，培养基消耗量比一般悬浮培养高几倍， 工作过程较复杂，工作过程较复杂， 培养物易受污染和培养细胞不稳定。培养物易受污染和培养细胞不稳定。85 对非锚地依赖性细胞对非锚地依赖性细胞： 其悬浮培养多采用分批式操作方法，其悬浮培养多采用分批式操作方法， 也可采用灌流培养法。也可采用灌流培

58、养法。 对锚地依赖性细胞对锚地依赖性细胞： 可采用分批，半连续和连续等多种方法。可采用分批，半连续和连续等多种方法。 目前主要采用中空纤维培养系统和微载体培养系统。目前主要采用中空纤维培养系统和微载体培养系统。 常采用的培养方式有常采用的培养方式有： 悬浮培养，悬浮培养， 微载体培养，微载体培养， 贴壁培养，贴壁培养， 包埋培养等。包埋培养等。 86 贴壁反应器贴壁反应器： 传统的培养装置采用的是传统的培养装置采用的是滚瓶滚瓶。 优点优点：结构简单，投资少，技术成熟，：结构简单，投资少，技术成熟， 放大只是简单地增加滚瓶数。放大只是简单地增加滚瓶数。 缺点缺点： 劳动强度大；劳动强度大； 单位

59、体积所能提供的细胞生长的表面积小；单位体积所能提供的细胞生长的表面积小； 占用空间大，按体积计算细胞产率低；占用空间大，按体积计算细胞产率低； 监测和控制环境条件受到限制。监测和控制环境条件受到限制。 因此限制了动物细胞因此限制了动物细胞 的大量培养。的大量培养。87 中空纤维反应器中空纤维反应器：由上千根中空纤维管组成。：由上千根中空纤维管组成。 材料材料：硅胶，聚砜，聚丙烯等。：硅胶，聚砜，聚丙烯等。 结构结构：具有海绵状多孔结构，细胞能附着其壁上生长；：具有海绵状多孔结构，细胞能附着其壁上生长； 管壁是半透性多孔膜，大分子有机物不能透过，管壁是半透性多孔膜，大分子有机物不能透过， 能透过

60、水分子，营养物质和氧及二氧化碳。能透过水分子，营养物质和氧及二氧化碳。 尺寸尺寸：一般内径为：一般内径为200m，壁厚为壁厚为50-75 m。 优点优点：生长面积与容积之比可达：生长面积与容积之比可达40多倍，溶氧传质速率多倍，溶氧传质速率 可达可达0.6 mmol/(L.h)。为大规模动物细胞的培养创。为大规模动物细胞的培养创 造了条件。造了条件。888990 微载体悬浮反应器微载体悬浮反应器： 微载体的材料微载体的材料： 交联葡聚糖，纤维素，聚丙烯酰胺，硅橡胶，明胶等。交联葡聚糖，纤维素，聚丙烯酰胺，硅橡胶，明胶等。 大小大小： 球径约球径约40-120 m，溶胀后的直径约，溶胀后的直径约

61、60-280 m， 使用时要求球径较均匀，密度在使用时要求球径较均匀，密度在1.03-1.05g/ml。 优点优点： 单位体积具有的表面积大，单位体积具有的表面积大，1g微载体可提供微载体可提供5000- - 6000cm2的表面积，故单位体积培养基的细胞产率高；的表面积，故单位体积培养基的细胞产率高； 氧传递能力可达氧传递能力可达30mg/(L.h)； 放大容易。放大容易。91( (二二) ) 植物细胞培养用反应器植物细胞培养用反应器 1. 植物细胞培养的特点植物细胞培养的特点 生长速率慢；生长速率慢； 细胞个大，并且细胞壁以纤维素为主要成分，抗剪切能细胞个大，并且细胞壁以纤维素为主要成分，

62、抗剪切能 力低；力低； 为防止染菌，需加抗生素；为防止染菌，需加抗生素； 细胞培养需氧，而培养液黏度大，不能强力通风搅拌；细胞培养需氧，而培养液黏度大，不能强力通风搅拌； 有坚固的细胞壁，代谢产物在细胞内且产量低，必须高有坚固的细胞壁，代谢产物在细胞内且产量低，必须高 密度培养；密度培养； 培养的植物细胞常生成各种大小的团块，增加了悬浮培培养的植物细胞常生成各种大小的团块，增加了悬浮培 养的难度。养的难度。92 2. 反应器类型反应器类型 通气搅拌罐，鼓泡塔，气升式及振动混合式反应器。通气搅拌罐，鼓泡塔，气升式及振动混合式反应器。 此外：恒化反应器，平板反应器，中空纤维反应器。此外：恒化反应器

63、，平板反应器，中空纤维反应器。 在各类反应器中，搅拌罐剪切力较大，在各类反应器中，搅拌罐剪切力较大， 鼓泡塔混合性能较差，鼓泡塔混合性能较差， 气升式反应器性能较佳。气升式反应器性能较佳。 3. 培养基培养基 除水以外，有九大类：除水以外，有九大类： 无机营养物，维生素，碳源，植物激素，氨基酸类，无机营养物，维生素，碳源，植物激素，氨基酸类， 核酸及其水解物，天然物，氯化胆碱，琼脂。核酸及其水解物，天然物，氯化胆碱，琼脂。93 4. 培养方法培养方法 根据植物细胞所处的状态不同根据植物细胞所处的状态不同 悬浮培养法，悬浮培养法， 固定化植物细胞培养法固定化植物细胞培养法 根据操作方式的不同：分

64、批式，根据操作方式的不同：分批式， 反复分批式，反复分批式， 连续式培养法，连续式培养法， 固定化培养法。固定化培养法。 植物细胞的培养多采用通气式搅拌罐和气升式发酵罐，植物细胞的培养多采用通气式搅拌罐和气升式发酵罐， 从使用效果看，气升式发酵罐最佳。从使用效果看，气升式发酵罐最佳。 植物细胞培养用反应器可模仿微生物培养用反应器的植物细胞培养用反应器可模仿微生物培养用反应器的 放大方法进行。放大方法进行。94 (1) 分批培养分批培养： 操作简单，培养时间一般一个周期要操作简单，培养时间一般一个周期要6天以上。天以上。 (2) 反复分批式反复分批式：又称半连续培养法：又称半连续培养法 将分批培

65、养的培养液取出部分又加入等量的新鲜培养将分批培养的培养液取出部分又加入等量的新鲜培养 基，可提高生产速率。基，可提高生产速率。 (3) 连续培养连续培养： 以一定速度连续取出细胞与培养液，并以同样速度输以一定速度连续取出细胞与培养液，并以同样速度输 入新鲜培养基，可使细胞生长环境长期稳定。入新鲜培养基，可使细胞生长环境长期稳定。 (4) 固定化培养固定化培养： 采用固定化反应器，将细胞固定于网状多孔板上或固采用固定化反应器，将细胞固定于网状多孔板上或固 定于中空纤维的膜表面，易于得到高密度细胞群体。定于中空纤维的膜表面，易于得到高密度细胞群体。95 六六. . 生化反应生化反应分离耦合过程分离

66、耦合过程 1. 原理原理：又称原位产物分离过程，简称：又称原位产物分离过程，简称ISPR。 即在生化反应的同时，选择一种合适的分离方法及时即在生化反应的同时，选择一种合适的分离方法及时 地将对生化反应有抑制或毒害作用的产物或副产物选择性地将对生化反应有抑制或毒害作用的产物或副产物选择性 原位移走，从而实现产物从其细胞周围的即时分离。原位移走，从而实现产物从其细胞周围的即时分离。 2. 类型类型： 采用分离剂采用分离剂： 简单，在原生物反应器内进行；简单，在原生物反应器内进行； 分离剂与细胞直接接触，使反应产物部分地通过分配分离剂与细胞直接接触，使反应产物部分地通过分配 转移到分离剂中。转移到分

67、离剂中。( (分离剂必须是生物兼容的）分离剂必须是生物兼容的） 96 采用外部分离循环采用外部分离循环： 复杂，在反应器和分离器两个装置中进行；复杂，在反应器和分离器两个装置中进行； 分离剂不与细胞直接接触，有利于产物的进一步分离分离剂不与细胞直接接触，有利于产物的进一步分离 和提纯。和提纯。97 3. 耦合过程的类型耦合过程的类型 （1）通过气体汽提和减压进行分离通过气体汽提和减压进行分离：主要应用于乙醇发酵和丙酮主要应用于乙醇发酵和丙酮- -丁醇发酵，丁醇发酵， 因为这些物质沸点较低，易挥发。因为这些物质沸点较低，易挥发。 （2）通过吸附或离子交换进行分离通过吸附或离子交换进行分离： 对某

68、些可逆的酶催化反应，可通过吸附的方法及时地对某些可逆的酶催化反应，可通过吸附的方法及时地 从反应体系中移走产物，则可提高该酶催化反应的转化率。从反应体系中移走产物，则可提高该酶催化反应的转化率。 例如例如：高果糖的生产。：高果糖的生产。 还可以通过分离产物以控制发酵过程的适宜的还可以通过分离产物以控制发酵过程的适宜的pH值，值， 如乳酸发酵生产。如乳酸发酵生产。 98 （3）通过溶剂萃取进行分离通过溶剂萃取进行分离： 如：有机溶剂萃取和双水相萃取。如：有机溶剂萃取和双水相萃取。 （4）膜式生物反应器膜式生物反应器： 一方面可使酶或细胞重复使用以使反应体系维持较高一方面可使酶或细胞重复使用以使反

69、应体系维持较高 的酶浓度和细胞浓度；的酶浓度和细胞浓度； 另一方面又可把产物不断地从反应体系中分离出去以另一方面又可把产物不断地从反应体系中分离出去以 减少产物对反应的抑制作用，提高反应器生产能力。减少产物对反应的抑制作用，提高反应器生产能力。99根据反应器内酶的状态，可分为游离态和固定化酶膜反应器：根据反应器内酶的状态，可分为游离态和固定化酶膜反应器：游离态酶游离态酶：溶于反应物内；：溶于反应物内；固定化酶固定化酶：结合在膜的表面形成酶膜。其优点是酶的密度大；：结合在膜的表面形成酶膜。其优点是酶的密度大； 缺点是底物和产物通过膜的速率很慢，往往成为缺点是底物和产物通过膜的速率很慢，往往成为

70、反应过程的控制因素。反应过程的控制因素。100七、生物膜及其形成七、生物膜及其形成（一）生物膜的定义及分类（一）生物膜的定义及分类 1. 定义定义 生物膜主要由微生物细胞和它们所产生的生物膜主要由微生物细胞和它们所产生的胞外多聚胞外多聚 物物组成，通常具有组成，通常具有孔状结构孔状结构，含有大量被吸附的溶质和，含有大量被吸附的溶质和 无机颗粒。无机颗粒。 生物膜的组成与特性，以及在载体表面的厚度、分生物膜的组成与特性，以及在载体表面的厚度、分 布均匀性，均与营养底物、生长条件和细胞分泌的胞外布均匀性，均与营养底物、生长条件和细胞分泌的胞外 多聚物量等环境因素有关。多聚物量等环境因素有关。 2.

71、 分类分类 静止生物膜静止生物膜：一般存在于滴滤池中。：一般存在于滴滤池中。 颗粒生物膜颗粒生物膜：通常应用于各种流化床生物膜反应器、：通常应用于各种流化床生物膜反应器、升流式厌氧污泥床等。升流式厌氧污泥床等。101 （二）生物膜载体（二）生物膜载体 1. 载体的种类载体的种类 载体载体：通常是指细胞及酶固定化过程中所需要的介质。：通常是指细胞及酶固定化过程中所需要的介质。 无机载体无机载体：砂子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、：砂子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、 陶瓷材料、碳纤维、矿渣、活性炭及金属等。陶瓷材料、碳纤维、矿渣、活性炭及金属等。 有机载体有机载体：各种树脂、塑料、纤维等。

72、：各种树脂、塑料、纤维等。 从从 强度、密度和加工成形等方面的性能来说，强度、密度和加工成形等方面的性能来说，有机有机 载体比无机载体更好载体比无机载体更好。102 2. 载体的选择载体的选择 载体的物理形态及机械强度良好，载体间的碰撞几率较载体的物理形态及机械强度良好，载体间的碰撞几率较 小，所制备的反应器不易堵塞，便于反冲洗。小，所制备的反应器不易堵塞，便于反冲洗。 载体的表面粗糙，孔隙率及密度大小应有利于生物膜的载体的表面粗糙，孔隙率及密度大小应有利于生物膜的 形成、发展及稳定。形成、发展及稳定。 载体的生物、化学及热力学稳定性要好，不参与生物膜载体的生物、化学及热力学稳定性要好，不参与

73、生物膜 的反应，其本身不会被生物降解，应能抗生物膜微生物的反应，其本身不会被生物降解，应能抗生物膜微生物 的腐蚀。的腐蚀。 103 载体所能提供的表面积应尽可能大，对已附着微生物有载体所能提供的表面积应尽可能大，对已附着微生物有 较好的保护作用，且不显著影响微生物的生物活性，传较好的保护作用，且不显著影响微生物的生物活性，传 质特性较好。质特性较好。 载体的可再用性和价格等。载体的可再用性和价格等。104105（三）微生物的附着固定（三）微生物的附着固定 通过改变载体表面的亲疏水性及电性来促进微生物通过改变载体表面的亲疏水性及电性来促进微生物 在载体表面的附着固定。在载体表面的附着固定。 亲水

74、性微生物易于在亲水性载体表面附着固定，而亲水性微生物易于在亲水性载体表面附着固定，而 疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的附着固定。疏水性载体有利于疏水性微生物在其表面的附着固定。 根据微生物的特性和附着机制的不同，微生物在载根据微生物的特性和附着机制的不同，微生物在载 体上的附着可划分为五种方法：体上的附着可划分为五种方法：表面吸附表面吸附，键联键联，细胞细胞 间自交联间自交联，多聚体包埋多聚体包埋和和孔网状载体截陷固定孔网状载体截陷固定。 每种方法都有其特定的适用范围。每种方法都有其特定的适用范围。106表面吸附固定法：表面吸附固定法：微生物和载体间作用。微生物和载体间作用。 例如：动物

75、细胞在离子交换树脂上的繁殖。例如：动物细胞在离子交换树脂上的繁殖。键联固定法：键联固定法：微生物与载体表面的活性基团形成共价键。微生物与载体表面的活性基团形成共价键。 例如：硝化细菌在含例如：硝化细菌在含Fe3+聚合物上进行硝化反应。聚合物上进行硝化反应。细胞间自交联固定法：细胞间自交联固定法：通过细胞间的自交联实现，或者通过细胞间的自交联实现，或者 人为加入交联剂。人为加入交联剂。 例如：乳杆菌属通过聚氨基葡糖交联。例如：乳杆菌属通过聚氨基葡糖交联。107多聚体包埋法：多聚体包埋法：通过某些多聚体化合物包裹微生物。通过某些多聚体化合物包裹微生物。 例如：用藻朊酸盐包埋黑曲霉等细胞。例如：用藻

76、朊酸盐包埋黑曲霉等细胞。孔网状载体截陷固定法：孔网状载体截陷固定法：利用孔网状载体的特殊结构截陷微生物。利用孔网状载体的特殊结构截陷微生物。 例如：在中空纤维上固定黑曲霉细胞。例如：在中空纤维上固定黑曲霉细胞。108（四）生物膜的形成（四）生物膜的形成 生物膜的累积形成是有机分子、微生物细胞及载体表生物膜的累积形成是有机分子、微生物细胞及载体表面通过物理、化学和生物过程综合作用的结果。面通过物理、化学和生物过程综合作用的结果。 1. 形成形成步骤步骤： 有机物分子从水中向生物膜载体表面运送，其中某些被有机物分子从水中向生物膜载体表面运送，其中某些被 载体吸附，形成被微生物改良的载体表面。载体吸

77、附，形成被微生物改良的载体表面。 水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面，水中一些浮游的微生物细胞被传送到改良的载体表面， 其中碰撞到载体表面的细胞被吸附。其中碰撞到载体表面的细胞被吸附。 109 被表面吸附变成不可解吸的细胞，摄取并消耗水中的底被表面吸附变成不可解吸的细胞，摄取并消耗水中的底 物与营养物质，数目不断增多；同时，细胞可能产生大物与营养物质，数目不断增多；同时，细胞可能产生大 量产物，其中部分将排出体外。这些产物中有一些就是量产物，其中部分将排出体外。这些产物中有一些就是 胞外多聚物，可以将生物膜紧紧地结合在一起。胞外多聚物，可以将生物膜紧紧地结合在一起。 进入水中，或者

78、细胞进入水中，或者细胞 在增殖时亦可向水中在增殖时亦可向水中 释放出游离的细胞释放出游离的细胞。110 2. 生物膜上的微生物生物膜上的微生物 细菌、真菌、藻类，以及某些原生动物，甚至有后生细菌、真菌、藻类，以及某些原生动物，甚至有后生 动物，组成相当复杂。动物，组成相当复杂。 某些微生物在生物膜上是否存在及优先生长等情况，某些微生物在生物膜上是否存在及优先生长等情况， 常与被处理污水的水质和生物膜所处的环境条件有关。常与被处理污水的水质和生物膜所处的环境条件有关。 微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用，从而微生物膜上的生物相可以起到指示生物的作用，从而 可以检查、判断生物膜反应器的运转情

79、况以及水处理效果。可以检查、判断生物膜反应器的运转情况以及水处理效果。111污水浓度适当时，出现：独缩虫属、聚缩虫属、累枝虫属、污水浓度适当时，出现：独缩虫属、聚缩虫属、累枝虫属、 集盖虫属和钟虫等。集盖虫属和钟虫等。污水浓度过高时，真菌类增加，纤毛虫类基本消失，出现：污水浓度过高时，真菌类增加，纤毛虫类基本消失，出现： 屋滴虫属、波豆虫属、尾波虫属等鞭毛类。屋滴虫属、波豆虫属、尾波虫属等鞭毛类。负荷较低时，出现：盾纤虫属、尖毛虫属、表壳虫属和鳞负荷较低时，出现：盾纤虫属、尖毛虫属、表壳虫属和鳞 壳虫属。壳虫属。后生动物如轮虫和线虫等大量出现时，表明生物膜中的厌后生动物如轮虫和线虫等大量出现时

80、，表明生物膜中的厌 氧层减少，因此不会引起生物膜肥厚，生物膜脱落量也少。氧层减少，因此不会引起生物膜肥厚，生物膜脱落量也少。如果扭头虫属、新态虫属和贝日阿托氏菌属等出现时，表如果扭头虫属、新态虫属和贝日阿托氏菌属等出现时，表 明生物膜中的厌氧层增厚。明生物膜中的厌氧层增厚。112（五）生物膜的废水净化作用（五）生物膜的废水净化作用厌氧层厌氧层生物膜层生物膜层好氧层好氧层附着水层附着水层废水层废水层流动水层流动水层附着水中的有机物大多会被附着水中的有机物大多会被生物膜氧化，使有机物浓度降低。生物膜氧化，使有机物浓度降低。同时空气中的氧随废水流经生物同时空气中的氧随废水流经生物膜时被微生物所利用，

81、有机物氧膜时被微生物所利用，有机物氧化分解产生的化分解产生的CO2等透过附着水，等透过附着水，进入流动水并随空气流流出。进入流动水并随空气流流出。113 八、生物膜反应器八、生物膜反应器 运行稳定，运行稳定， 生物膜法的产生生物膜法的产生 抗冲击负荷，抗冲击负荷， 更为经济节能，更为经济节能， 生物膜法的生物膜法的优点优点 无污泥膨胀，无污泥膨胀， 具有一定的硝化与反硝化功能，具有一定的硝化与反硝化功能， 可实现封闭运可实现封闭运转、防止臭味等。转、防止臭味等。 （一）生物膜反应器分类（一）生物膜反应器分类 凡是在污水生物处理的各种工艺中引入凡是在污水生物处理的各种工艺中引入微生物附着微生物附

82、着 生长生长载体载体(或称之为滤料、填料等或称之为滤料、填料等)的反应器，都将其定的反应器，都将其定 义为生物膜反应器，包括以生物膜为主体的生物膜反应义为生物膜反应器，包括以生物膜为主体的生物膜反应 器，以及引入生物膜的复合式生物膜反应器。器，以及引入生物膜的复合式生物膜反应器。114115 生物膜反应器的研究趋势生物膜反应器的研究趋势： 进一步探讨微生物在载体表面的固定机理，开发工程进一步探讨微生物在载体表面的固定机理，开发工程 实际中普遍使用的微生物固定技术，优化生物膜结构实际中普遍使用的微生物固定技术，优化生物膜结构 及各种反应器工艺系统；及各种反应器工艺系统； 进一步使各种生物膜反应器

83、系统的净化功能更为广谱进一步使各种生物膜反应器系统的净化功能更为广谱 和高效；和高效； 深入研究生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生深入研究生物膜微生物的增长及底物去除动力学和生 物膜微生物的能量代谢；物膜微生物的能量代谢； 生物膜反应器朝着节能和自动化控制方向发展。生物膜反应器朝着节能和自动化控制方向发展。116 （二）生物滤池（二）生物滤池 1. 原理及特征原理及特征 原理原理 以土壤自净原理为依据。以土壤自净原理为依据。 作用过程作用过程 污水长期以滴状洒布在块状滤料的表面，在污水流污水长期以滴状洒布在块状滤料的表面，在污水流 经的表面上就会形成生物膜，生物膜成熟后，经的表面上就会形成

84、生物膜，生物膜成熟后，栖息在生栖息在生 物膜上的微生物即摄取污水中的有机污染物作为营养，物膜上的微生物即摄取污水中的有机污染物作为营养， 从而使污水得到净化从而使污水得到净化。117 特征特征 细菌以生物膜的方式附着在固体表面上。细菌以生物膜的方式附着在固体表面上。 滤池表层滤池表层：主要由好氧化能异养细菌和真菌组成。：主要由好氧化能异养细菌和真菌组成。 滤池低层滤池低层：以自养硝化细菌为主。：以自养硝化细菌为主。 此外：还存在大量的原生动物和草食动物。此外：还存在大量的原生动物和草食动物。118 2. 分类分类 普通生物滤池普通生物滤池 高负荷生物滤池高负荷生物滤池： 大幅度地提高了滤池的负

85、荷率，通常大幅度地提高了滤池的负荷率，通常BOD容积负容积负 荷率比普通滤池高荷率比普通滤池高68倍。倍。 塔式生物滤池塔式生物滤池： 解决了普通生物滤池占地面积大的问题，其水力解决了普通生物滤池占地面积大的问题，其水力 负荷比一般的负荷比一般的高负荷生物滤池还要高高负荷生物滤池还要高210倍。倍。 厌氧生物滤池厌氧生物滤池： 是一种装填滤料的厌氧生物膜反应器。是一种装填滤料的厌氧生物膜反应器。 活性生物滤池活性生物滤池： 采用了复合的生物膜活性污泥工艺。采用了复合的生物膜活性污泥工艺。119 3. 结构结构 池体池体：在平面上多呈方形、矩形或圆形。：在平面上多呈方形、矩形或圆形。 滤料滤料：

86、是生物膜的载体。：是生物膜的载体。 对滤料的要求对滤料的要求：合适的粒径；合适的粒径；足够的机械强度；足够的机械强度；容重应小；容重应小；既能抵抗废水、空气和微生物的侵蚀，又不应是影既能抵抗废水、空气和微生物的侵蚀，又不应是影 响微生物生命活动的杂质；响微生物生命活动的杂质；应能就地取材，价格便宜，加工容易。应能就地取材，价格便宜，加工容易。120 常用滤料常用滤料： 碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心拳状无机滤料；碎石、卵石、炉渣和焦炭等实心拳状无机滤料； 由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的呈波形板状、由聚乙烯、聚苯乙烯和聚酰胺等制成的呈波形板状、 多孔筛状和蜂窝状的人工有机滤料，具有更大的比表多

87、孔筛状和蜂窝状的人工有机滤料，具有更大的比表 面积面积(100200m2/m3)和高空隙率和高空隙率(80%95%)。121 排水系统排水系统位置位置：滤池底部。：滤池底部。包括包括：渗水装置、汇水沟和总排水沟。：渗水装置、汇水沟和总排水沟。作用作用：排除处理后的污水并保证滤池的良好通风。：排除处理后的污水并保证滤池的良好通风。 布水系统布水系统 类型类型：间歇喷洒布水系统，：间歇喷洒布水系统， 旋转式布水器。旋转式布水器。 小型的塔式生物滤池，小型的塔式生物滤池， 多采用固定式喷嘴布水系统；多采用固定式喷嘴布水系统； 大中型塔式生物滤池，大中型塔式生物滤池， 多采用旋转式布水器。多采用旋转式

88、布水器。122123（三）生物转盘（三）生物转盘 1. 结构结构 与生物滤池的原理类似，主要区别是它以一系列转与生物滤池的原理类似，主要区别是它以一系列转 动的盘片代替固定的滤料。动的盘片代替固定的滤料。 盘片的材料盘片的材料： 聚氯乙烯，聚乙烯，泡沫聚苯乙烯，玻璃钢，铝合金等。聚氯乙烯，聚乙烯，泡沫聚苯乙烯，玻璃钢，铝合金等。 盘片的形状盘片的形状：平板，波纹板，或两者的组合。平板，波纹板，或两者的组合。 盘片的安装盘片的安装： 有近一半的面积浸没在半圆形、矩形或梯形的氧化槽内。有近一半的面积浸没在半圆形、矩形或梯形的氧化槽内。124 2. 工作原理工作原理 废水处于半静止状态，微生物生长在

89、转盘的盘面上，废水处于半静止状态，微生物生长在转盘的盘面上， 转盘在废水中不断缓慢地转动，使其互相接触。转盘在废水中不断缓慢地转动，使其互相接触。 盘体与废水和空气交替接触，微生物从空气中摄取必盘体与废水和空气交替接触，微生物从空气中摄取必 要的氧，并对废水中的污染物进行生物氧化分解。要的氧，并对废水中的污染物进行生物氧化分解。 活性衰退的生物膜在转盘转动剪切力的作用下脱落。活性衰退的生物膜在转盘转动剪切力的作用下脱落。125 3. 生物转盘法的生物转盘法的特征特征 节能。接触槽中不需要曝气，也不需要回流污泥，故节能。接触槽中不需要曝气，也不需要回流污泥，故 运行的动力费用为活性污泥法的运行的

90、动力费用为活性污泥法的1/21/3。 生物量多，净化率高，适应性强。生物量多，净化率高，适应性强。 环境条件以及生物膜厚度比较容易控制。环境条件以及生物膜厚度比较容易控制。 生物膜微生物的食物链长，污泥产量少，为活性污泥生物膜微生物的食物链长，污泥产量少，为活性污泥 法的法的1/2。 维护简单，功能稳定可靠，没有噪声。维护简单，功能稳定可靠，没有噪声。126 4. 不足之处不足之处： 转盘顶上需要覆盖，以防暴雨时冲刷生物膜；转盘顶上需要覆盖，以防暴雨时冲刷生物膜； 寒冷地区宜建在室内；寒冷地区宜建在室内； 一般所需的场地面积比活性污泥法大，建设投资也高一般所需的场地面积比活性污泥法大，建设投资

91、也高 于活性污泥法。于活性污泥法。127（四）生物接触氧化池（四）生物接触氧化池是介于活性污泥与生物滤池之间的生物膜法。是介于活性污泥与生物滤池之间的生物膜法。 1. 原理原理 在池内设置填料，经过充氧的污水以一定的速度流在池内设置填料，经过充氧的污水以一定的速度流 经填料，使填料上长满生物膜，污水和生物膜相接触，经填料，使填料上长满生物膜，污水和生物膜相接触， 在膜上生物的作用下，污水得到净化。在膜上生物的作用下，污水得到净化。 2. 构造构造 直流式接触氧化池，又称全面曝气接触式氧化池。直流式接触氧化池，又称全面曝气接触式氧化池。 优点优点：填料不易堵塞，耗氧量小，充氧效率高。：填料不易堵

92、塞，耗氧量小，充氧效率高。128129 3. 填料的选择填料的选择 要求：比表面积大、空隙率大、水力阻力小、性能稳定。要求：比表面积大、空隙率大、水力阻力小、性能稳定。种类：种类： 蜂窝型硬性填料蜂窝型硬性填料： 比表面积较大，但各蜂窝管间互不相通，当负荷比表面积较大，但各蜂窝管间互不相通，当负荷 增大或布水均匀性较差时，易出现堵塞。增大或布水均匀性较差时，易出现堵塞。 塑料规整网状填料塑料规整网状填料： 水流四通八达，可预防由于水气分布不均匀而形水流四通八达，可预防由于水气分布不均匀而形 成的堵塞。但不足的是，填料表面较光滑，挂膜缓慢，成的堵塞。但不足的是，填料表面较光滑，挂膜缓慢， 稍有冲

93、击，就易于脱落。稍有冲击，就易于脱落。130 纤维型软性填料纤维型软性填料： 耐腐蚀、耐生物降解，不堵塞，造价低，体积小，耐腐蚀、耐生物降解，不堵塞，造价低，体积小， 质量轻，易于组装，适应性强，处理效果好。质量轻，易于组装，适应性强，处理效果好。 但当接触氧化池停止工作时，会形成纤维束结块，但当接触氧化池停止工作时，会形成纤维束结块， 清洗较困难。清洗较困难。131 4. 运行优点运行优点 对冲击负荷有较强的适应能力；对冲击负荷有较强的适应能力； 污泥生成量少，不产生污泥膨胀的危害，能够保证出污泥生成量少，不产生污泥膨胀的危害，能够保证出 水水质；水水质； 无需污泥回流，易于维护管理；无需污

94、泥回流，易于维护管理； 不产生滤池蝇，也不散发臭气；不产生滤池蝇，也不散发臭气； 具有多种净化功能，还能够用以脱氮除磷。具有多种净化功能，还能够用以脱氮除磷。132（五）生物流化床（五）生物流化床 1. 原理原理 流化床中的生物膜呈颗粒状，即生物膜是附着在一些流化床中的生物膜呈颗粒状，即生物膜是附着在一些 又小又硬的支撑物上生长，如砂。又小又硬的支撑物上生长，如砂。 在砂床底部通入上升气流，使之流化。在砂床底部通入上升气流，使之流化。 由于比表面积大，对废水污染物的吸附能力强，废水由于比表面积大，对废水污染物的吸附能力强，废水 中的有机物和微生物、酶都将在流化的生物膜表面富集，中的有机物和微生

95、物、酶都将在流化的生物膜表面富集， 使表面形成微生物生长的良好场所。使表面形成微生物生长的良好场所。133 2. 流化介质流化介质 流化介质：支撑生物膜的固相物，又称载体。流化介质：支撑生物膜的固相物，又称载体。 应具有的性能应具有的性能：常用载体常用载体： 较高的比表面积；较高的比表面积； 砂粒、无烟煤、砂粒、无烟煤、 较小的颗粒直径；较小的颗粒直径； 焦炭、活性碳、焦炭、活性碳、 相对密度略大于相对密度略大于1； 陶粒及聚苯乙烯颗粒。陶粒及聚苯乙烯颗粒。 表面比较粗糙；表面比较粗糙； (0.61.0mm) 对微生物无毒性；对微生物无毒性； 不与废水中的物质起反应；不与废水中的物质起反应；

96、价廉易得等。价廉易得等。134 3. 基本流程基本流程 两相生物流化床工艺两相生物流化床工艺 基本特点：基本特点： 在生物流化床在生物流化床外设外设 充氧设备和脱膜设备充氧设备和脱膜设备， 在流化床内只有在流化床内只有液固液固 两相两相。135 三相生物流化床工艺三相生物流化床工艺 基本特点：基本特点：反应器内反应器内有气、液、固三相共存有气、液、固三相共存，即向流化床直接充，即向流化床直接充 氧而氧而不设体外充氧装置不设体外充氧装置。 由于气体激烈搅动由于气体激烈搅动 造成的紊流，生物颗粒造成的紊流，生物颗粒 之间摩擦剧烈，可使表之间摩擦剧烈，可使表 层的生物膜自动脱落，层的生物膜自动脱落，

97、 因此一般因此一般可不设体外脱可不设体外脱 膜装置膜装置。136 4. 优点优点 流化介质所提供的表面积十分大，因此流化床能维持流化介质所提供的表面积十分大，因此流化床能维持 相当高的微生物浓度，从而使得废水中有机污染物的相当高的微生物浓度，从而使得废水中有机污染物的 降解速度很快，停留时间很短，废水负荷相当高。降解速度很快，停留时间很短，废水负荷相当高。 兼有活性污泥法的高效率和生物膜法能承受负荷变动兼有活性污泥法的高效率和生物膜法能承受负荷变动 冲击的优点。冲击的优点。 不存在活性污泥法中常发生的污泥膨胀问题和其它生不存在活性污泥法中常发生的污泥膨胀问题和其它生 物膜法中存在的污泥堵塞现象

98、。物膜法中存在的污泥堵塞现象。 能适应不同浓度范围的废水及较大的冲击负荷。能适应不同浓度范围的废水及较大的冲击负荷。 由于容积负荷和床体高度大，占地面积可大大缩小。由于容积负荷和床体高度大，占地面积可大大缩小。137138 作业作业： 1. 活性污泥法的反应机理、基本流程、工艺类型活性污泥法的反应机理、基本流程、工艺类型( (运行方式运行方式) ) 及其进展。应用举例。及其进展。应用举例。 2. 废水厌氧生物处理的原理、处理工艺、反应器类型及其新废水厌氧生物处理的原理、处理工艺、反应器类型及其新 发展。应用举例。发展。应用举例。 3. 膜生物反应器的基本特征、种类，典型的膜反应器组合工膜生物反应器的基本特征、种类，典型的膜反应器组合工 艺。应用举例。艺。应用举例。 4. 废水的生物脱氮除磷，包括脱氮除磷的原理、工艺及其应废水的生物脱氮除磷，包括脱氮除磷的原理、工艺及其应 用。用。 wujuanustc.edu139