生物反应器

生物反应器，通常被称为发酵罐，是一种容器，其中某些微生物、细胞或小植物在最佳条件下进行培养（也：发酵）。 因此，生物反应器的运行是生物技术的一种应用，它在技术设施中使用生物过程（生物转化、生物催化）或使它们可用。

在大多数生物反应器中可管理或可控制的重要因素是营养培养基（也称为营养液或底物）的组成、氧合作用、温度、pH 值、无菌性等。 在生物反应器中培养的目的可以是获得细胞或细胞成分或获得代谢产物。 这些可以例如在医药中用作活性成分或在化学工业中用作基础化学品。 化合物的分解也可以发生在生物反应器中，例如在污水处理厂进行废水处理。 啤酒、葡萄酒和其他已经生产了数千年的产品的生产也发生在生物反应器上。 与现代应用相比，这些经典示例通常不被称为生物反应器，而是使用历史上创造的术语（例如啤酒生产中的酿造水壶）。

在生物反应器中，为了不同的目的培养了各种各样的生物。 因此，可以使用具有不同设计的多种反应器变体。 典型的是由金属制成的搅拌釜反应器，其体积可以从几升到几千升，并充满营养液。 但也有很大不同的变体，例如采用固定床反应器、光生物反应器。

生物反应器的主要目的是提供尽可能高的产品产量。 这尤其是通过为每种情况下使用的生物体创造最佳条件来实现。 这适用于其自然栖息地中普遍存在的各种参数。 营养物的类型和浓度、温度、氧含量、pH 值等都很重要。此外，通常还需要搅拌器或其他设备，以确保在整个反应器空间内均匀地设置这些参数。除了生物体的要求外，还必须考虑影响操作参数选择的其他技术、组织和经济因素。 例如避免发泡和选择连续或分批操作模式。

在探针或传感器的帮助下，许多这些参数可以直接在培养基或废气中测量。 通常也可以使用这些参数来评估过程的进程。 细胞密度可以通过测量吸光度（光密度）来确定，吸光度反过来可以指示产品的数量。 另一种方法通常是测量特征化合物的浓度，例如代谢物浓度增加或底物浓度降低。

在发酵开始时，将营养培养基与少量从预培养中获得的微生物混合。 这个数量被称为接种量，这个过程通常被称为播种。从发酵过程中获得的悬浮液（肉汤）在所谓的下游加工中经过几个加工步骤进行加工。

营养培养基必须为生物体提供它们生长所需的所有营养。 这些包括大量需要的主要营养素（宏量营养素），例如 如碳、氮和磷。 还需要各种微量元素（微量元素）。 根据生物体的不同，还需要其他无法合成的化合物（维生素、必需氨基酸等）。 通常糖葡萄糖是必需的（光养生物除外）。

生物体有一个最适温度他们繁殖xxx的地方。 超过这个温度会导致蛋白质变性而造成不可逆转的损害，低于这个温度会导致新陈代谢速度降低，从而延长处理时间。温度控制通过加热和冷却回路实现。 当反应器启动时，反应器的全部内容物被加热或加热到操作温度。 一些培养的生物体通过它们的新陈代谢产生如此多的废热，以至于超过一定的细胞浓度只有冷却回路是活跃的。 热交换器可以集成到这个循环中，或者可以直接输入载能介质。 通常只有双容器壁可用作反应空间的热交换表面，在极少数情况下也有内置冷却盘管。

根据生物体和产品的不同，发酵批次可以在有氧（含氧气氛）或厌氧（无氧）条件下进行。 氧气难溶于水，因此很难提供充足的好氧批次。 例如，温度为37℃的发酵培养基中的氧溶解度为3-5mg/L。 可以通过不同的方法调节氧分压：

• 气体流量的变化，
• 改变搅拌速度，
• 改变搅拌工具的几何形状，
• 气体混合物成分的变化，
• 压头变化（但是，这也会增加其他气体（例如二氧化碳）的溶解度）。

然而，如果强烈吹入气体或搅拌器速度过高，也会增加泡沫的破坏性形成。

另一方面，在专性厌氧生物的情况下，应避免供应氧气，因为它会产生毒性作用。 在兼性厌氧生物的厌氧方法中，氧气供应会导致不需要的需氧反应，从而降低过程产量。

培养的生物通常具有有限的 pH 耐受范围和最佳 pH。 可以使用自动耦合到 pH 传感器的泵来控制 pH 值，根据需要添加磷酸 (H3PO4)、盐酸 (HCl) 或增加 pH 值，例如苛性钠 (NaOH)，以生物反应器泵。 在某些情况下，pH 值也可以通过底物进料速率来实现。

大多数生物反应器都有这样的搅拌装置。搅拌器或气体喷射器，介质通过它循环。 这确保了整个反应器中各种参数的均匀设置，从而确保了更均匀的工艺流程。

搅拌引起的泡沫形成通常是有问题的，它会堵塞排气过滤器并对培养细胞产生机械应力。化学消泡剂（消泡剂）通过降低表面张力起作用。 在下游加工（产品处理）中对气体传输的影响和与反应溶液的分离性差是负面的。

消泡剂等机械消泡剂会破坏泡沫，但不会去除泡沫形成因素，例如死细胞。 使用泡沫分离器，泡沫被排出并再次液化，然后可以被泵出。

操作发酵罐时，可以区分：

• 分批操作：反应釜内填满，发酵过程中不添加或移除，易于控制，不易污染
• 补料分批操作：类似于分批操作； 然而，例如在过程中添加底物，因为最初的高底物浓度可能会抑制
• 在恒化器-生物反应器中连续运行：通过底物添加和产物去除不间断运行，复杂的控制，污染问题，但昂贵和复杂的下游过程也可以连续进行，从而得到最佳利用

在研究中，更有可能进行分批发酵，而在较大的生产工厂中，设置连续操作可能具有经济意义。

对于所使用的生物体或出于技术、组织和其他原因，要观察的操作参数非常不同。 因此，针对不同的用途，必须设计合适的生物反应器或使用一种反应器，使反应器的各种参数可以在一个宽的窗口内得到控制，从而可以用于不同的目的。