生物反应器的概念阐述与产品制造。这类设备通过运用微生物、真菌、植物细胞以及哺乳动物细胞体系，执行多样化的生物化学过程，以生产各类生物制品，如生物质（包括单细胞蛋白质、面包酵母、动物细胞、微藻等）和代谢物（例如有机酸、乙醇、抗生素、芳香族化合物、生物氢等）。生物反应器在组织工程、制药工程、生物能源、食品工程及生物化学工程等领域得到了广泛应用。

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据统计，2018年全球生物反应器市场的估值超过了7.094亿美元，预计在2019至2025年间，其年复合增长率将达到17.6%。这种持续增长的市场需求推动了高效、低成本生物反应器的研究与开发，这涉及到优化设计参数和操作过程因素，如入口流速、微生物物种浓度、温度、湿度、pH值和搅拌速率等（Ugalmugle 和 Swain，2019年；Kim 等人，2021年）。

基本功能与要求

生物反应器的主要目标是提供一个适宜且可控的环境，以支持细胞生长和产品生产。其设计和运行模式需满足输出目标和工艺变量的要求，以实现持续且高效的生产高质量产品。在设计生物反应器时，需考虑以下因素：几何形状、温度、pH、光照（如有需要）、无菌性、通气和混合系统（必要时）、低能耗以及合适的尺寸和材料（Spier 等人，2011年；Stanbury 等人，2013年；Panda，2011年）。放大标准主要涉及反应器几何形状、叶轮速度和通气速率，以确保适当的传质速率，同时考虑到氧气供应和二氧化碳去除的限制，尤其是在高细胞密度下。

因此，生物反应器需满足以下要求：

• 能够轻松监测和/或控制反应参数（如溶解氧浓度、pH值、温度、搅拌速率、氧化还原值等），为生物催化剂（如生物体或细胞）的生长创造一个可控的无菌环境。

• 能连续运行数天甚至数周，以维持微生物生长，例如代尔夫特氏菌（Zhang et al., 2010; Delavar and Wang, 2021a），确保生物反应器在长时间内保持细胞活性而不发生改变。

• 长期保持无菌条件，同时保持细胞活性。

• 以经济高效的方式满足生产力和产量需求。

• 便于维护和调节，以适应不同生物体的特定反应需求。在设计过程中，应充分考虑生物反应器的功能。

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典型的生物反应器包含复杂的管道、配件、传感器和电线系统，这些系统可能会出现故障，但能够在过程中在线监测和诊断多个参数（Cinar 等人，2003年；Spier 等人，2011年）。图7.1展示了工业发酵罐及其组件的示意图。这些设备广泛应用于从实验室规模到工业规模的受控环境下，培养微生物、蛋白质和工业产品（如乙酸、酒精等）（Singhal et al.，2018）。