生物反應器工程
關注創建者：化工707 創建時間：2022-09-14
生物反應器工程的實例教程
生物反應工程：生物反應過程的產品包括，生物質，酶，初級和次級代謝產物，蛋白，這些可以廣泛用于制藥、食品，化學，農業或能源生產。反應器，胞外環境因素，包括反應器設計，操作條件和培養基形式，對細胞代謝都有重要影響。目前，生物反應器工程的目標是，探索反應器中細胞生理代謝機制，放大生物過程，滿足低成本生產。
中國生物反應器工程前沿
生物反應過程是一個活細胞的復雜的代謝過程。因此，反應器工程的核心是調控反應器中活細胞的生理狀態。調控也是優化和放大的關鍵。因此，鑒定反應器中細胞的生理和代謝參數，設計合適的生物反應器系統，是優化生物反應器工程的先決條件。
1. 中國科學家的突破
生物反應歷程中，反應器的控制條件會影響細胞微尺度代謝，也會影響宏觀尺度代謝。因此，為了提高反應器的性能，進行了微觀和宏觀尺度的代謝流分析。為了放大生物過程，細胞的生理代謝狀態必需要在實驗室規模反應器進行重現和優化。為了達到這個目的，必需進行大反應器的流體場特性的研究，來理解不同反應器設計和控制條件導致的差異。宏觀生理特性變化分析+流體場和細胞生理代謝特性，可以增強反應器放大過程。
下圖是研究者提出的一個生物反應器增效的技術路線。
上面的這些圖片都是基于生物反應器工程的多尺度理論。
2. 開發可以監測所有宏觀生理和代謝特征的參數的生物反應器
2003年，華東理工大學張嗣良教授和儲炬教授，設計了一款全參數監測反應器，含有一臺反應器，一臺電腦數據收集系統，設計圖如下所示。體積可以從幾十升到300噸。通常，實驗室研究使用的30L或50L的體積可以直接應用到300噸的工業發酵。
3. 海量數據過程軟件包的開發
生物反應器配備自動電腦數據采集系統，實現在線數據監測和采集過程參數。數據采集和電腦控制形成了一個完整的控制系統。
展開 （4）反應器內微生物的代謝特性及其對出水水質、污泥活性等的影響，從而確定適宜的微生物生長及代謝條件。
（5）工藝經濟性研究。在目前國內經濟發展水平、膜產品供應狀況和規范設計要求的條件下，MBR用于污水處理的最大經濟流量的確定。
（6）以節能、處理特殊水質對象、兼具脫氮除磷、操作維護簡便、可以長期穩定運行等為目標，開發新型的膜生物反應器。
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目前，科學家最新設計一種生物反應器，可以通過“啟動”身體組織來修復截肢部位，并在非洲爪蛙得以驗證。這項研究發表在近期的《細胞報告》雜志上。
研究報告合著作者、美國塔夫斯大學艾倫探索中心發育生物學家Michael Levin說：“通常情況下，成年爪蛙只能重新長出一根沒有生物特征的細長軟骨刺，我們的手術就是激活它們從未出現過的再生反應，從而形成更大、更具結構特征的附體。這種生物反應器裝置引發非常復雜的肢體再生，是生物工程師無法直接微處理實現的。”
科學家使用硅材料3D打印這種生物反應器，在里面填充水凝膠。他們在水凝膠中加入促進愈合和再生的蛋白質，然后加入黃體酮。黃體酮已被證實可以促進神經、血管和骨組織修復。
研究人員將這些爪蛙分成了3組：實驗組、控制組和對照組。在控制組和對照組中，當爪蛙被截肢后，立即對它們縫合了生物反應器。而在實驗組爪蛙中，不僅縫合了生物反應器，還要求生物反應器將黃體酮釋放到截肢部位。24小時之后，所有爪蛙都被移除了生物反應器。
他們在9.5個月的時間里不同時間段，實驗組爪蛙的生物反應器似乎引發了某種程度的肢體再生，但在其他兩組中未觀察到該現象。
Michael Levin說：“生物反應器將對截肢傷口創建一個支持性環境，身體組織可以像胚胎階段那樣生長發育。非常短暫的生物反應器應用，載荷物質將引發幾個月的組織和結構生長。”
此外，不同于控制組和對比組，接受生物反應器治療的實驗組爪蛙的再生肢體更結實，骨骼更發達，神經和血管組織分布更廣泛。通過分析水池中爪蛙的視頻，他們注意到再生肢體爪蛙游動狀況更接近正常未截肢爪蛙。
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生物反應器工程的最新內容
這種優化主要涉及四個方面的研究內容，第一是細胞生長過程的研究;第二是微生物反應的化學計量;第三是生物反應動力學;第四是生物反應器工程。
4.發酵過程放大技術
為達到將實驗室成果向工業規模推廣和過渡的目的，一般都要經過中試規模的工藝優化研究。為了克服困難，特別對一些規模比較大的發酵產品，采取逐級放大的方法。
目前，生物反應器工程的目標是，探索反應器中細胞生理代謝機制，放大生物過程，滿足低成本生產。
中國生物反應器工程前沿
生物反應過程是一個活細胞的復雜的代謝過程。因此，反應器工程的核心是調控反應器中活細胞的生理狀態。調控也是優化和放大的關鍵。因此，鑒定反應器中細胞的生理和代謝參數，設計合適的生物反應器系統，是優化生物反應器工程的先決條件。
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膜生物反應器應用領域：
1、城市污水處理及建筑中水回用
1967年第一個采用MBR工藝的廢水處理廠由美國的Dorr-Oliver公司建成，這個處理廠處理14m3/d廢水。1977年，一套污水回用系統在日本的一幢高層建筑中得到實際應用。1980年
目前，科學家最新設計一種生物反應器，可以通過“啟動”身體組織來修復截肢部位，并在非洲爪蛙得以驗證。這項研究發表在近期的《細胞報告》雜志上。
研究報告合著作者、美國塔夫斯大學艾倫探索中心發育生物學家Michael Levin說：“通常情況下，成年爪蛙只能重新長出一根沒有生物特征的細長軟骨刺，我們的手術就是激活它們從未出現過的再生反應，
化學汽相沉積反應器的優化
采用VisualDOC和CFDRC軟件尋找最優的反應器形狀，使其汽相沉積層盡可能與薄層隔板一致，且盡可能達到預定的厚度
優化后的形狀 H2質量百分比云圖
薄層隔板上的Si沉積曲線
