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生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計涉及反應(yīng)器類型、操作方式和操作條件這三個基本概念。反應(yīng)器類型是根據(jù)各種分類方法所確定的。在生物反應(yīng)器設(shè)計上的反應(yīng)器類型，主要指由一定的機械結(jié)構(gòu)和流體力學(xué)特征所確足的類型，它的物料混合性能是反應(yīng)器選型的主要依據(jù)。操作方式是指反應(yīng)器物料加入和流出的方式。由不同的反應(yīng)器類型的操作方式的組合設(shè)計，可得出反應(yīng)器中不同的濃度和溫度等參數(shù)分布。操作條件是指溫度、濃度、通氣速率、攪拌轉(zhuǎn)速、流動線速度、催化劑顆粒大小等工藝參數(shù)的大小。
生物反應(yīng)器的設(shè)計內(nèi)容包括：反應(yīng)器類型或結(jié)構(gòu)變量的確定，操作方式的選擇，以及反應(yīng)器容量和幾何尺寸的確定。
反應(yīng)器類型和操作方式一般根據(jù)生物催化劑的特性、物料的性質(zhì)和工藝要求而確定。選擇不同的反應(yīng)器類型和操作方式，就有不同的傳遞特性、流動和混合特性，也就在本質(zhì)上了工程因素對宏觀動力學(xué)和反應(yīng)結(jié)果的影響作用。
反應(yīng)器容量和幾何尺寸的確定，是根據(jù)有關(guān)計量學(xué)衡算式和反應(yīng)動力學(xué)速率方程，在工廠生產(chǎn)能力所規(guī)定的條件下，確定工廠的反應(yīng)器總?cè)萘?、單臺反應(yīng)器有效體積和尺寸、反應(yīng)器的臺數(shù)。


生物反應(yīng)器的優(yōu)化，也就是生物反應(yīng)過程的優(yōu)化，有設(shè)計優(yōu)化和操作優(yōu)化兩種類型。設(shè)計優(yōu)化是指在設(shè)計條件的約束下確定最優(yōu)的反應(yīng)器有效體積、尺寸和操作條件。操作優(yōu)化是指在現(xiàn)有反應(yīng)器配置的條件下，通過改變反應(yīng)器操作工藝，使反應(yīng)器在最優(yōu)狀態(tài)下運行。通常，設(shè)計優(yōu)化的目標(biāo)是達(dá)到反應(yīng)器有效體積最小，而操作優(yōu)化是使反應(yīng)時間最短。
生物反應(yīng)過程的優(yōu)化，一般采用反應(yīng)器類型、操作方式和操作條件這三大優(yōu)化變量。在確定這些變量有關(guān)的最優(yōu)設(shè)計與操作方案時，一方面要求掌握過程的基本特征及其反應(yīng)要求，另一方面是要熟悉和掌握各種反應(yīng)器的類型及其基本特征，例如它的反應(yīng)介質(zhì)的流變性質(zhì)、基本流型、反應(yīng)器內(nèi)的混合狀態(tài)、傳質(zhì)和傳熱等基本傳遞特性。
生物反應(yīng)器的放大是指將實驗室規(guī)模的研究結(jié)果放大到工業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器中運行的技術(shù)。它是生物反應(yīng)過程開發(fā)的重要組成部分。生物反應(yīng)器放大的關(guān)鍵在于能否將實驗室反應(yīng)器中生物催化劑所處優(yōu)化環(huán)境成功轉(zhuǎn)移到工業(yè)反應(yīng)器中去。為此，生物反應(yīng)器放大技術(shù)的研究，通常將重點放在反應(yīng)器的流體力學(xué)和混合性能與放大尺寸之間的關(guān)系這個核心問題的研究上；此外，放大過程中傳質(zhì)和傳熱等方面約束條件的改變等問題也始終是反應(yīng)器放大中的重要研究課題。

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