生物反應器

台式微型生物反應器原圖鏈接來自 化工儀器網 的圖片

生物反應器（英語：Bioreactor）是指任何提供生物化學反應的適當環境或工程設備。通常是指利用酶(由一個或一群酵素所推動)或生物體（如微生物）使裝置具有模擬生物的功能，可在細胞外進行生化反應，在模擬的過程中既可進行有氧反應也能進行無氧反應。這些系統在酒類、組織工程、生化工程、醫藥生產、有機污染物降解...等應用上是相當重要的一個裝置。

在來源上可分為自然生物反應器(如人的胃)及工程生物反應器(如發酵罐、固定化酶或固定化細胞反應器等，這些生物反應器通常呈圓筒狀，其體積從幾升到幾立方米不等，常由不鏽鋼製成)兩種。

依原料加入的方式可分為批次式反應器(Batch reactor)、饋料批次式反應系統(fed batch)以及連續流反應器(Continuous reactor)(如連續攪拌釜式反應器、恆化器)三種。

生物反應器與化學反應器不盡相同，化學反應器從原料進入到產物的生成過程中常需要加壓和加熱，屬於一個高耗能的裝置。而生物反應器則不同，在酶和微生物的參與及常溫常壓下就可以進行化學合成。因此，生物反應器問世之後受到化工部門的重視。化學工程專家認為，應該儘可能地讓化學合成的過程改由生物去完成，因此設計理想的生物反應器，就成了現代生物技術產業的一個重要任務。

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生物反應器的設計

生物反應器的設計是一個複雜的生化研究工程科學任務。設計的目標是製造最佳的環境，使微生物或細胞能表現其功能，並產生雜質含量符合標準以內的產物。生物反應器內的溫度、養分濃度、pH值和氣體溶解度(尤其是關於氧氣的有氧發酵)等變因皆會影響生物體的生長和生產力。

溫度：發酵培養基的溫度可藉由單獨使用冷卻夾套、線圈或同時使用兩者來保持；在放熱發酵反應進行時，需額外使用外部熱交換器。在饋料批次式反應系統(fed-batch system)中，微生物生長所需的營養物質可在培養過程中連續的加到發酵罐(fermenter)中，或在發酵初始時加入反應器中。

PH值：利用少量的酸或鹼測量和調整培養基的pH值，不同生化反應所需的PH值皆有所不同。

氣體溶解度：反應氣體（尤其是氧氣）對於有氧（和少部分厭氧）發酵而言為必須反應物，但由於氧對於水（幾乎是所有發酵培養基的基礎）溶解度較低，故其含量對於空氣來說是相對稀少的（20.95％），因此必須連續地添加空氣（或純氧）至反應系統中。在溶液中的上升氣泡可充分混合發酵培養基，也可同時「擺脫」溶液中的廢氣，如二氧化碳。一般來說，生物反應器都會加壓，以增加水中的溶氧量。氧氣的運輸通常是經由攪動來完成，也同時保持營養物質的均勻分布，幫助勻相發酵反應進行；氣體分散攪拌器(Gas dispersing agitators)就是用來打破的氣泡使其均勻分布於整個容器中的工具。

垢會損害生物反應器的整體效率，尤其是系統中熱量的交換。因此為了避免垢的產生，生物反應器的設計必須易於清理，內表面通常由不鏽鋼製成，以便清洗和消毒；典型生物反應器則會在批次間清洗，或以特殊設計減少連續操作中結垢的可能性。

系統熱傳導的好壞會間接或直接影響整體反應，因此生物反應器的熱傳導能力是設計的一個重要部分；小導管可利用冷卻夾套來冷卻，但較大的導管就可能需要線圈或外部熱交換器。

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