生物反應器

生物反應器，通常被稱為發酵罐，是一種容器，其中某些微生物、細胞或小植物在最佳條件下進行培養（也：發酵）。 因此，生物反應器的運行是生物技術的一種應用，它在技術設施中使用生物過程（生物轉化、生物催化）或使它們可用。

在大多數生物反應器中可管理或可控制的重要因素是營養培養基（也稱為營養液或底物）的組成、氧合作用、溫度、pH 值、無菌性等。 在生物反應器中培養的目的可以是獲得細胞或細胞成分或獲得代謝產物。 這些可以例如在醫藥中用作活性成分或在化學工業中用作基礎化學品。 化合物的分解也可以發生在生物反應器中，例如在污水處理廠進行廢水處理。 啤酒、葡萄酒和其他已經生產了數千年的產品的生產也發生在生物反應器上。 與現代應用相比，這些經典示例通常不被稱為生物反應器，而是使用歷史上創造的術語（例如啤酒生產中的釀造水壺）。

在生物反應器中，為了不同的目的培養了各種各樣的生物。 因此，可以使用具有不同設計的多種反應器變體。 典型的是由金屬制成的攪拌釜反應器，其體積可以從幾升到幾千升，并充滿營養液。 但也有很大不同的變體，例如采用固定床反應器、光生物反應器。

生物反應器的主要目的是提供盡可能高的產品產量。 這尤其是通過為每種情況下使用的生物體創造最佳條件來實現。 這適用于其自然棲息地中普遍存在的各種參數。 營養物的類型和濃度、溫度、氧含量、pH 值等都很重要。此外，通常還需要攪拌器或其他設備，以確保在整個反應器空間內均勻地設置這些參數。除了生物體的要求外，還必須考慮影響操作參數選擇的其他技術、組織和經濟因素。 例如避免發泡和選擇連續或分批操作模式。

在探針或傳感器的幫助下，許多這些參數可以直接在培養基或廢氣中測量。 通常也可以使用這些參數來評估過程的進程。 細胞密度可以通過測量吸光度（光密度）來確定，吸光度反過來可以指示產品的數量。 另一種方法通常是測量特征化合物的濃度，例如代謝物濃度增加或底物濃度降低。

在發酵開始時，將營養培養基與少量從預培養中獲得的微生物混合。 這個數量被稱為接種量，這個過程通常被稱為播種。從發酵過程中獲得的懸浮液（肉湯）在所謂的下游加工中經過幾個加工步驟進行加工。

營養培養基必須為生物體提供它們生長所需的所有營養。 這些包括大量需要的主要營養素（宏量營養素），例如 如碳、氮和磷。 還需要各種微量元素（微量元素）。 根據生物體的不同，還需要其他無法合成的化合物（維生素、必需氨基酸等）。 通常糖葡萄糖是必需的（光養生物除外）。

生物體有一個最適溫度他們繁殖xxx的地方。 超過這個溫度會導致蛋白質變性而造成不可逆轉的損害，低于這個溫度會導致新陳代謝速度降低，從而延長處理時間。溫度控制通過加熱和冷卻回路實現。 當反應器啟動時，反應器的全部內容物被加熱或加熱到操作溫度。 一些培養的生物體通過它們的新陳代謝產生如此多的廢熱，以至于超過一定的細胞濃度只有冷卻回路是活躍的。 熱交換器可以集成到這個循環中，或者可以直接輸入載能介質。 通常只有雙容器壁可用作反應空間的熱交換表面，在極少數情況下也有內置冷卻盤管。

根據生物體和產品的不同，發酵批次可以在有氧（含氧氣氛）或厭氧（無氧）條件下進行。 氧氣難溶于水，因此很難提供充足的好氧批次。 例如，溫度為37℃的發酵培養基中的氧溶解度為3-5mg/L。 可以通過不同的方法調節氧分壓：

• 氣體流量的變化，
• 改變攪拌速度，
• 改變攪拌工具的幾何形狀，
• 氣體混合物成分的變化，
• 壓頭變化（但是，這也會增加其他氣體（例如二氧化碳）的溶解度）。

然而，如果強烈吹入氣體或攪拌器速度過高，也會增加泡沫的破壞性形成。

另一方面，在專性厭氧生物的情況下，應避免供應氧氣，因為它會產生毒性作用。 在兼性厭氧生物的厭氧方法中，氧氣供應會導致不需要的需氧反應，從而降低過程產量。

培養的生物通常具有有限的 pH 耐受范圍和最佳 pH。 可以使用自動耦合到 pH 傳感器的泵來控制 pH 值，根據需要添加磷酸 (H3PO4)、鹽酸 (HCl) 或增加 pH 值，例如苛性鈉 (NaOH)，以生物反應器泵。 在某些情況下，pH 值也可以通過底物進料速率來實現。

大多數生物反應器都有這樣的攪拌裝置。攪拌器或氣體噴射器，介質通過它循環。 這確保了整個反應器中各種參數的均勻設置，從而確保了更均勻的工藝流程。

攪拌引起的泡沫形成通常是有問題的，它會堵塞排氣過濾器并對培養細胞產生機械應力。化學消泡劑（消泡劑）通過降低表面張力起作用。 在下游加工（產品處理）中對氣體傳輸的影響和與反應溶液的分離性差是負面的。

消泡劑等機械消泡劑會破壞泡沫，但不會去除泡沫形成因素，例如死細胞。 使用泡沫分離器，泡沫被排出并再次液化，然后可以被泵出。

操作發酵罐時，可以區分：

• 分批操作：反應釜內填滿，發酵過程中不添加或移除，易于控制，不易污染
• 補料分批操作：類似于分批操作； 然而，例如在過程中添加底物，因為最初的高底物濃度可能會抑制
• 在恒化器-生物反應器中連續運行：通過底物添加和產物去除不間斷運行，復雜的控制，污染問題，但昂貴和復雜的下游過程也可以連續進行，從而得到最佳利用

在研究中，更有可能進行分批發酵，而在較大的生產工廠中，設置連續操作可能具有經濟意義。

對于所使用的生物體或出于技術、組織和其他原因，要觀察的操作參數非常不同。 因此，針對不同的用途，必須設計合適的生物反應器或使用一種反應器，使反應器的各種參數可以在一個寬的窗口內得到控制，從而可以用于不同的目的。