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  • 随着生物制剂需求的持续增加,广大制造商必须处理较高体积的上游细胞培养体积,并且细胞培养正在转向一次性生物反应器的应用。 发展大规模细胞培养及其生物反应器借助于细胞培养进行各种产品生产已是我国生物技术...

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    随着生物制剂需求的持续增加,广大制造商必须处理较高体积的上游细胞培养体积,并且细胞培养正在转向一次性生物反应器的应用。

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    发展大规模细胞培养及其生物反应器

    借助于细胞培养进行各种产品生产已是我国生物技术产业化的重要组成部分,涉及医药、化工、轻工、食品、农业、海洋、环保等行业。培养的细胞不仅只是微生物,用于生物技术产品生产的动物细胞、植物细胞和藻类细胞大规模培养已引起了大家重视,显露出令人鼓舞的前景。而且随着生物技术的发展,在人类今后发现的一切具有生物活性的物质都可以借助于细胞培养方法得到。为了提高生产水平,除了获得高生产能力的细胞株外,生物反应器是重要的核心技术,必需提供有利于生物过程研究的装置技术和高效节能的生产装置。

    但是在生物技术产业化平台中,细胞大规模培养技术等中下游技术是我国最薄弱的技术环节之一,以我国生物医药等领域产业化来说,与先进国家的差距是全面的。滞后的一个重要原因之一就是缺乏相配套工艺的工业化放大技术研究和相应的装备技术支撑。例如以哺乳类细胞培养技术来看,西方国家基因工程抗体的开发已经进入大规模细胞反应阶段,细胞工程研究规模已经达到100OL以上,基因工程抗体的生产反应系统最大规模达到2000OL以上。相形之下,我国多数药物开发单位的细胞反应规模仍停留在2-30L规模,10OL的培养技术还不稳定,长期以来都是照抄照搬国外的技术和进口国外设备。国内只能生产一些低档装置,仅靠科研成果模仿和基础科学的跟随。

    随着生物技术的发展,需要性能更高的生物反应器,例如哺乳类动物细胞大规模培养是当前高附加值的糖基化活性蛋白医药产品的发展趋势,如何开发适应动物细胞特殊需要的生物反应器并商品化就成为迫切需要解决的问题。

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    生物反应器特点

    6920e48f5ef993db7c037c77f43ae98c.gif* 用于基因工程高密度高表达,符合GMP标准的生物反应器以及一些新技术的应用等。其中关于供氧问题,快速升温、SIP自动灭菌、CIP自动清洗、机械密封、排气处理、取样处理等问题以及培养液成份的流动注射分析(FIA)分析等都需很好解决。6920e48f5ef993db7c037c77f43ae98c.gif

    * 哺乳类动物细胞大规模培养是当前生产高附加值的糖基化活性蛋白医药产品的重要发展趋势。根据动物细胞无细胞壁,对剪切极端敏感,在细胞生长控制上,要防止细胞分化和细胞凋亡,有时还要考虑对产品糖基化质量的要求。所以反应器要具备低剪切效应,混合性能好等特点,要提供细胞形态在线观察和活细胞数量的传感技术,严格控制反应器的操作条件以及有关防污染的灌注系统、取样系统等都需要研究解决。

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    动物细胞大规模培养生物反应器研制

    由于细菌等原核细胞表达系统在转录及修饰方面的缺陷,许多重要价值的蛋白质,特别是基因工程药物、疫苗、抗体等糖基化的需要,使哺乳类动物细胞表达系统成了一个更合适的工具,因此,哺乳类动物细胞表达系统引起了大家重视。以哺乳动物大规模培养技术为基础的生物制药产业在美国等西方国家得到了迅速发展,数十种产品已进入市场,取得了巨大的经济和社会效益。

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    抗体等其他细胞表达产品,装药量大,我国科研单位已经掌握的早期生物药开发技术很难应用到新型药物生产工艺上,需要重新摸索;由于细胞株等上游配套技术的落后、反应器研制技术的差距、以及有关缺乏生化工程的研究等原因,因而缺乏必要的条件去掌握高表达细胞株构建和大规模细胞培养技术,难以突破技术瓶颈,我国有关动物细胞生物反应器产业仍近乎空白。

    由于动物细胞无细胞壁,对营养要求严格,因此细胞是否附着于固体或半固体表面生长(贴壁培养)、培养基中血清的使用、抑制因子的积聚度、渗透压等等问题一直是动物细胞大规模培养的关键技术。此外,动物细胞对pH、溶氧、温度、剪切应力、抗污染等环境因子的高敏感性,实现动物细胞生化反应器的大型化、自动化和精巧化也成为大家关注的问题。

    从当前发展趋势来看,悬浮细胞、无血清培养,是目前世界范围内各大生物公司产业化生产的发展方向。悬浮细胞、无血清培养在规模化生产提高单位产量、细胞的高密度培养、高密度表达、简化生产工艺、降低生产成本、保证大规模生产的产品质量等方面,都起到非常重要的作用。是高度生产化的最有效的途径。是目前世界各大生物公司竞相开发的前沿课题。也是美国FDA要求各生物公司建立的规模化生产技术平台。

    从反应器类型来看,早期动物细胞反应器较多采用贴壁培养反应器,其中微载体的使用可使贴壁细胞的培养像悬浮培养那样进行,但近年来特别是血液、淋巴组织、许多肿瘤细胞(包括杂交瘤),以及一些其他转化细胞系都采用悬浮培养反应器,形成各种类型,其中推广较多的有美国NBS公司的填充床生物反应器,但大多只能在实验室规模应用,一些适合于生产规模的更新类型的悬浮培养反应器也正在开发,如瑞典的BIO公司和德国的B.Braun公司。

    此外,从代谢流分析来看,动物细胞对营养的严格要求都是与胞内代谢有关,不同途径消耗的各种营养物的比例实质上是细胞代谢状态迁移的结果,特别是近年来细胞代谢工程的研究,有关代谢流的分布,基因水平和细胞水平的代谢调控研究文献大量报导。因此,以过程代谢物质流检测为目标研究动物

    生物反应器大规模培养在生物制药领域快速发展,全球销售额最高的

    6大类生物技术药中,5类是经哺乳动物细胞表达生产的。现代基因工程技术及生物反应器工艺的发展,促进细胞培养制药的快速发展。国际知名厂家纷纷进行细胞改造筛选,发展自己的细胞培养平台。反观国内,人用和兽用疫苗企业超过120家,应用生物反应器进行生产的大多还是小规模的试验阶段,与国外万升级规模相比还较大的差距。

    我国有关商品化大规模动物细胞反应器产品还处于空白,必需迅速组织力量发展。可以首先对于动物细胞反应器的关键技术的有关部件和材料研制出发,加强装备制造工艺研究力量,然后结合动物细胞过程工艺特性,形成装备设计与工艺要求的统一。此外,在研制过程中要注意及时吸收最新的各领域技术进步,如计算机软硬件技术、新材料技术和生物技术等,形成具有自主知识产权的装备产品。

    细胞悬浮培养方式

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    生物反应器培养工艺

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    生物反应器悬浮培养在生物制药行业生产中的升级换代是未来几年行业重点,这个过程应重视成熟技术、成功率,以减少和避免时间、资金、人力等资源的浪费,减少机会成本,抢占市场先机。生物反应器悬浮培养的升级将导致行业整合与重组,生物制药将出现明显的集约化趋势,有实力的企业将不断以创新药、新技术新工艺研发为基础和核心竞争力,同时借助资金实力整合制造和营销体系,成为行业龙头。

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  • * * 第七章 酶反应器反应器的特点与类型 酶反应器的选择和使用 第一节 酶反应器的特点与类型 定义以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置称为酶反应器(Enzyme reactor) 作用以尽
  • 电场释铁对膜生物反应器的膜污染控制的双面作用,张姣,肖康,作为一种絮凝手段,通过施加电场使铁阳极被氧化而释放铁离子的方法被用于膜生物反应器的膜污染控制中。本研究选用海藻酸钠作为溶
  • 除连续搅拌釜反应器(CSTR)外,活塞流管式和柱式生物反应器(PFR),一系列搅拌釜反应器和可渗透壁反应器是连续过程中最常用的反应器。3.2管状生物反应器管状生物反应器是活塞流反应器,其中体积的每个元素都沿轴向移动...

    Tikhomirova, T. S., et al. (2018). "The role of laboratory-scale bioreactors at the semi-continuous and continuous microbiological and biotechnological processes." Appl Microbiol Biotechnol.

    概述实验室规模的生物反应器,可以将在实验中优化的工艺扩大到中试水平。反过来,可以按比例缩小制造规模,以研究系统的均一性及其对生产菌的影响。这篇综述的重点是对当前应用的连续和半连续生物反应器最流行的设计特点及其应用领域进行简短描述。1.主要的放大/缩小条件缩放过程的第一阶段是根据生物反应器和工艺可以利用混合时间(Tm),比功率输入(P / V),叶轮叶尖速度(n)和体积传质系数kLa进行估算。1.1混合时间Tm混合时间Tm是在生物反应器中培养基组分在每个点上达到一定均匀度所需的时间,该参数表征了微生物的养分利用率。混合时间可以估算为矿物质盐或气体溶解引起的液体电导率pH值变化1.2比功率输入P / V比功率输入P / V是应用于搅拌釜式生物反应器的最重要的缩放标准之一。它表征了每单位反应堆有用体积(m3)的功率输入P(瓦)。功率输入可通过等式估算:P=2πNTP=NeρN3d5其中Ne是牛顿数(功率数);  ρ是液体密度,kg / m3;  N是叶轮尖端速度,转/秒;  d是叶轮直径m。牛顿数取决于雷诺数Re。1.3体积传质系数kLa体积传质系数kLa(h-1)是放大/缩小的另一个标准,它表征了曝气效率。 此处,kL是局部传质系数,a是每单位液体体积的气液界面面积。kLa=-ln(1-C*/C)/t2.放大/缩小策略最常用的按比例放大/缩小策略是基于生物反应器的几何形状。一定比例的线性尺寸(反应容器的高度H或直径D,叶轮尖端的直径d)可用作缩放过程中的比例系数。N1a∙D1b= N2a∙D2b3.当前实验室规模的生物反应器3.1连续生物反应器生物工艺放大假设从封闭的批处理模式逐渐过渡到开放的连续模式。除连续搅拌釜反应器(CSTR)外,活塞流管式和柱式生物反应器(PFR),一系列搅拌釜反应器和可渗透壁反应器是连续过程中最常用的反应器。3.2管状生物反应器管状生物反应器是活塞流反应器,其中体积的每个元素都沿轴向移动。同时,相邻单元流体横截面的元素不会相互混合。该过程意味着在流体横截面中存在所有必需的成分。为了满足该条件,管状生物反应器配备有预反应器混合室。管状生物反应器是水平取向,这种设计降低了设备耐压的风险,并防止了静水压力对微生物的负面影响。3.3柱式生物反应器使用具有向下或向上流动的流体的柱型反应器作为卧式生物反应器的替代,具有增加溶氧等效果。3.4级联的生物反应器流动的非均质性是连续过程的主要特征之一。满足此条件的方法之一是使用级联的生物反应器。底物的连续酶转化是一个例子。3.5渗透壁生物反应器将可渗透壁结合到生物反应器中,也可以进行连续工艺。盐废水处理可以作为一个例子。3.6将生物试剂固定在生物反应器中由于传质表面积的扩大,在生物过程中使用固体载体有利于生物质的密集生长和次级代谢产物的合成。拉西环是最著名的载体,代表了各种直径的小型陶瓷或硅胶圆柱体。3.7生物反应器应用于固态工艺固态培养存在生物质(固态),气态和液态以及产物的分布梯度而变得复杂,使得缩放过程变得非常困难。在带有静态基质的固态培养中,主要标准是曝气模式。在这种情况下,通过上/下流进行曝气。b93d47edb87cadd270eaf3c611c20603.png连续生物反应器的类型:柱式生物反应器,b管状生物反应器,c搅拌釜式生物反应器,d可渗透壁生物反应器。搅拌釜反应器可以级联组合。
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  • 什么是生物技术?生物技术是一种已经存在了数千年的技术,但是在过去的20年中却成为人们关注的焦点。...流量控制器在这些生物反应器中起着重要的作用。生物技术的兴起及其日益广泛的应用领域,足以使...

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    什么是生物技术?

    生物技术是一种已经存在了数千年的技术,但是在过去的20年中却成为人们关注的焦点。这是为什么?
    生物技术过程是在生物反应器中进行的,其中物质是借助细菌,酵母和细胞菌株合成的。最终产品用于我们日常生活的许多领域,例如酸奶和啤酒酿造过程。除了在食品和饮料应用中,它还用于医学药物研究和生产领域。流量控制器在这些生物反应器中起着重要的作用。生物技术的兴起及其日益广泛的应用领域,足以使人们对这种引人入胜的技术有更多的了解。

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    生物反应器,过程的核心

    简而言之,生物反应器是发生生物过程的容器。生物反应器配备有简单的手动控制或更为复杂的全自动PLC控制。通常,生物反应器过程是批处理过程,从开始到收获之间的时间称为活动。
    需要为大多数生物反应器提供气体和营养,以使细菌,酵母或细胞生长,以进行所需的生物合成。这些添加剂通常在几天到几周的时间内连续添加。流量控制器在生物反应器的过程控制中起着重要的作用。细菌或细胞培养物的体积流量差异很大。

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    生物反应器过程示意图

    包含细胞培养物的过程可能需要长达三到四个星期才能收获,而细菌培养物的过程通常只会持续几天。
    在这段时间内以稳定的方式进行处理是一个挑战,因此,准确分配气体和养分非常重要。细菌或细胞培养物的体积流量差异很大。添加剂的添加在无菌条件下进行,以防止有害细菌与微生物或细胞培养物竞争,从而避免任何污染。 
    简而言之,可靠性和可重复性是生物反应器过程中的关键,特别是对于流量控制而言。

    使用流量控制器对生物反应器进行曝气

    通常用于生物反应器充气的气体是:空气,O2(氧气),N2(氮气)和CO2(二氧化碳)。在过程开始时,N2用于校准氧气传感器(pO2)并减少生物反应器中的O2含量。细菌或细胞的数量越大,对氧气的需求就越大。CO2用于调节液相中的酸度(pH)。通常通过检查氧分压pO2和悬浮液的pH值来控制生物反应器。 
    细胞中的氧气和所有其他物质的摄入正在液相中起作用。因此,氧气必须存在于液体中。为了确保这一点,尝试将氧气(可能作为空气的一种成分)添加到尽可能小的气泡中。搅拌液体将有助于分配和扩散添加的氧气。

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    该图显示了生物反应器中细菌培养物的理想生长曲线

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    生物反应器的历史

    药物中微生物产生的物质的研究和首次生产始于第二次世界大战,当时他们发现了使用青霉素治疗受伤士兵的优势。当时,他们发现与更常规的化学合成方法相比,在微生物过程中使用细菌具有优势。在化学合成中,会产生许多副产物,其中有些副产物的比例甚至比所需物质本身大得多。

    然而,在生物合成中,人们看到了目标物质的高得多的产率。另外,这种合成通常提供更简单的分离方法。此外,细菌,以及人类或动物细胞,还可以合成常规化学合成中难以甚至无法获得的特定物质。
    在过去的20年中,强大的细菌菌株分离工艺和其他基因技术方法使我们能够生产,分离和繁殖能达到其目的的菌株:特异性,选择性和高效地合成目标物质。在大多数情况下,这些合成是在所谓的生物反应器中进行的。 

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    生物反应器的应用

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    生物反应器有许多不同的尺寸和形状,适用于多种应用。从容量为几毫升的最小反应器到最大为100立方米的大型生物反应器。根据经验,对于细胞培养,氧气流量是每分钟工作体积的0.1到0.15倍,对于细菌培养,氧气流量是每分钟工作体积的2倍。 

    01

    食品饮料行业


    生物反应器用于发酵目的食品和饮料的生产,无论是用于添加维生素,着色剂,调味剂,酒精还是抗氧化剂。
    以酸奶为例。这是在生物反应器中牛奶发酵产生的产品。酸奶培养物是乳酸菌。或啤酒……用于啤酒酿造过程中,酵母细胞用于将糖转化为酒精。那奶酪呢?最初,奶酪是通过添加天然存在的凝乳酶从牛奶中生产的,凝乳酶是来自植物或动物的酶。如今,用于制造奶酪的凝乳酶是由在生物反应器中生长的酵母细胞产生的。生物反应器应用的所有示例。

    02

    药物开发与生产

    生物技术在药物开发和生产以及干细胞增殖中变得越来越重要。两者均用于医疗。上市时间,降低成本和稳定的产品质量对设计和生产药物活性成分非常重要。因此,非常需要生物反应器的可靠性以及将过程从小规模扩大到大型生物反应器的可能性。

    03

    生物基化学品和塑料

    生物技术应用的其他示例是生物基化学品和塑料。研究人员正在研究可再生塑料,它是由有机材料借助酶和微生物制成的。已经有有吸引力的生物基塑料示例,例如玩具,汽车零件和PET瓶替代品。

    04

    可持续能源

    向可持续能源的过渡是推动生物反应器使用的另一个驱动力。生物气,生物甲烷,生物乙醇和生物柴油等形式的生物燃料在我们的家庭,工业和运输能源供应中越来越受欢迎。气体或燃料的产生是有机物质发酵的结果,例如粪便,污泥,有机废物,草,玉米,甘蔗。保持在38-40°C的温度下进行发酵的发酵罐实际上是一种生物反应器。

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    Bronkhorst产品

    我们提供用于生物反应器气体和液体流量控制的坚固结构解决方案。台式和工业生物反应器可受益于Bronkhorst可靠,准确,紧凑且坚固的流量仪器。这些也可以作为定制的歧管解决方案或开放式框架安装集成到您的设备中。
    与主要和创新的生物技术设备制造商的长期合作关系表明,我们的质量流量控制器非常适合该工作,并通过针对该市场的修改来增强我们的产品组合。
    生物反应器(包括发酵罐)的应用是用于生产生物乙醇和其他生物燃料,药品,精细化工产品,食品和饮料以及组织生长。作为空气计量N 2,O 2 而CO 2  进入微生物和细胞培养至关重要,关键词是可靠性。

    01

    EL-FLOW SELECT F-201CV

    • 最小流量0,16 ... 8 mln / min

    • 最大流量0.5…25 ln / min

    • 压力等级64 bar

    • 设计紧凑

    • 高精度和可重复性

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    02

    IQ+FLOW IQF-200C MFC

    • 最小流量0 ... 10 mln / min

    • 最大流量0 ... 5 ln / min

    • 压力等级10 bar

    • 超紧凑

    • MEMS技术

    282f8788fcbd668e887f2ac9ae39bc72.png

    03

    MASS-STREAM D-6360 MFM

    • 最小流量0,4…20 ln / min

    • 最大流量2…200 ln / min

    • 额定压力高达20 bar

    • 坚固的传感器和外壳(IP65)

    • 可选的集成TFT显示屏

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    04

    MANI-FLOW

    • 紧凑的组装确保空间效率

    • 经济的解决方案,拥有成本低

    • 一个歧管上的功能组合

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    05

    IN-FLOW F-201CI

    • 最小流量0,16 ... 8mln / min

    • 最大流量0.5…25 ln / min

    • 压力等级64 bar

    • 紧凑的IP65设计

    • 高精度和可重复性

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    06

    MINI CORI-FLOW™ MXX

    • 最小流量0,05…5 ml / h

    • 最大流量3…300 l / h

    • 额定压力高达200 bar

    • 高精度,快速响应

    • 密度和温度输出

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  • 详细介绍了如下内容: 1、反应器的概念和作用。 2、反应器的实现机制。 3、反应器的使用。
  • 人体反应测试

    2013-01-16 23:14:33
    测试人体反应速度 利用单片机原理做出,对于提高人体的反应速度一定作用
  • 1、 UASB反应器的反应原理当废水由反应器底部进入反应器后,由于水的向上流动和产生的大量气体上升形成了良好的自然搅拌作用,并使一部分污泥在反应区的污泥床上方形成相对稀薄的污泥悬浮层。悬浮液进入分离区后,...

    UASB反应器可分为两个区域,反应区和气、液、固三相分离区。在反应区下部,是由沉淀性能良好的污泥(颗粒污泥或絮状污泥),形成厌氧污泥床。

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    1、 UASB反应器的反应原理

    当废水由反应器底部进入反应器后,由于水的向上流动和产生的大量气体上升形成了良好的自然搅拌作用,并使一部分污泥在反应区的污泥床上方形成相对稀薄的污泥悬浮层。悬浮液进入分离区后,气体首先进入集气室被分离,含有悬浮液的废水进入分离区的沉降室,由于气体已被分离,在沉降室扰动很小,污泥在此沉降,由斜面返回反应区。

    2、UASB反应器运行的三个重要前提:

    反应器内形成沉淀性能良好的颗粒污泥或絮状污泥。

    由于产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用。

    合理的三相分离器使沉淀性能良好污泥能保留在反应区内。

    3、UASB反应器启动运行的四个阶段:

    3.1 第一阶段:UASB启动运行初始阶段:

    选用接种污泥:

    选用污水厂污泥消化池的消化污泥接种(具有一定的产甲烷活性)。

    接种污泥的方法:接种污泥量、接种污泥的浓度

    方法:将含固80%的接种污泥加水搅拌后,均匀倒入到UASB反应池。

    接种污泥量:接种污泥量为UASB反应器的有效容积的30%到50%,最少15%,一般为30%。接种污泥的填充量不超过UASB反应器的有效容积的60%。本系统接种污泥量为80m3。

    接种污泥的浓度:

    初启动时,稀型污泥的接种量为20到30kg VSS/m3, 浓度小于40 kg VSS/m3的稠型硝化污泥接种量可以略小些。

    亦有建议以6-8kgVSS/m3为宜,因为消化污泥一般为絮状体,不宜接种太多,太对了对颗粒污泥不但没有好出,反而不利,种泥即污泥种的意思,种泥太多事没有必要的,颗粒污泥并非是种泥本身形成的,而是以种泥为种子,在提供充足的营养基质下由新繁殖的微生物形成,种泥多了,反而会与初生得颗粒污泥争夺养分,不利于颗粒污泥的形成 。

    接种污泥时的水质

    配制低浓度的废水有利于颗粒污泥的形成,但浓度也应当足够维持良好的细菌生长条件,因此,初始配水最低CODcr浓度为2000mg/L,然后逐步提高有机负荷直到可降解的CODcr去除率达到80%为止。

    当进水CODcr浓度高时,可采用稀释水进水,调节到适宜的CODcr浓度值。

    3.2 第二阶段(初始运行阶段)(估计30天)

    初始阶段是指反应器负荷低于2kgCODcr/m3˙d的运行阶段,此阶段反应器的负荷由0.1kgCODcr/m3˙ d开始,逐步分多次提升到2kgCOD/m3˙d。

    开始采用间歇进水,污泥负荷宜控制在0.05-0.2kgCODcr/(KgVss˙d),当接种污泥逐渐适应废水后,污泥逐渐具有除去有机物的能力,当CODcr去除率达到80%,或出水有机酸浓度低于200-300mg/L,可以提升进水负荷大约为0.5kgCODcr/m3˙ d,此时进水有间歇进水改为连续进水。

    提升CODcr浓度标准为:当可生物降解的CODcr去除率达到80%后方可提高,直到达2kgCOD/m3˙d为初始阶段。

    在这段运行中,有少量的非常细小的分散污泥带出,其主要原因是水的上流速度和逐渐产生的少量沼气。

    初始运行阶段,每日测定进,出水流量、pH、CODcr、ALK、VFA、SS等项目,经测定结果判断,若出水VFA<3mmol/l,VFA/ALK=0.3以下,表示UASB系统运行正常。

    3.3 第三阶段:颗粒污泥出现期(预计25天)

    结束初期启动后,污泥已适应废水性质并具有一定除去有机物的能力,这时应及时提升污泥负荷为0.25kgCODcr/kgVSS˙d或进水容积负荷2.0 kgCODcr/m3˙d,使微生物获得足够的营养。

    反应器的有机负荷由2kgCOD/m3˙ d到3.0kgCOD/m3˙d的运行阶段

    此阶段的反应负荷由2kgCOD/m3˙d开始,每次0.1kgCOD/m3˙d有机负荷提升,也可以每次负荷增加20%,每次操作所需时间长短不同,有时可长达两周,有时仅几天,经过多次重复操作可达到设计指标。

    但提升有机负荷的标准与监测项目判断运行正常的方法同初始运行阶段。

    在这段运行中,由于提升水量大,COD浓度高,产气量和上流速度的增加引起污泥膨胀,污泥量带出量多,大多为细小非分散的污泥或部分絮状污泥。这种污泥的带出,有利于颗粒化污泥的形成。

    3.4 第四阶段:颗粒污泥培养期(30天)

    本阶段的任务是要实现反应器内德污泥全部颗粒化或使反应器达到设计负荷,为了加速污泥的增值,应尽快把污泥负荷提高至0.4-0.5kgCODcr/kgVSS˙d,使微生物获得充足养料,促进其快速增长。

    这一阶段是指反应器的有机负荷达到设计指标3.0kgCOD/m3˙d,以后的稳定运行阶段。在这段的运行中,PH值、温度、有机负荷、VFA、ALK等各项操作参数严格控制,逐步形成颗粒污泥。

    注:

    1、自初始阶段开始,每日监测项目一次,进、出水PH值、COD、SS、VFA、ALK、流量。

    2、根据监测结果进行分析、判断、及时调整进水量、浓度、保持稳定运行。

    4、UASB反应器调试运行控制工艺参数

    4.1 反应温度( 常温):

    20±2℃,指反应器内反应液的温度,高出细菌的生长温度的上限,将导致细菌死亡。当温度下降并低于温度范围的下限时,从整体上讲,细菌不会死亡,而只是逐渐停止或减弱代谢活动,菌种处于休眠状态。

    4.2 pH值:

    pH值范围为6.8~7.8,最佳PH值范围为6.8~7.2。pH值范围是指UASB反应器内反应区的pH,而不是进液的pH。因为废水进入反应器内,生物化学过程和稀释作用可以迅速改变进液的pH值。对pH值改变最大的影响因素是酸的形成,特别是乙酸的形成。

    因此含有大量溶解性碳水化合物(如糖、淀粉)等废水进入反应器后pH将迅速降低。而乙酸化的废水进入反应器后pH将上升。对于含大量蛋白质或氨基酸的废水,由于氨的形成,pH会略有上升。对不同的废水可选择不同的进液pH值。

    4.3 出水VFA的浓度与组成

    因为VFA的去除程度可以直接反映出反应器运行的状况,在正常情况下,底物由酸化菌转化为VFA,VFA可被甲烷菌转化甲烷,因此甲烷菌活跃时,出水VFA浓度较低,当出水VFA浓度低于3mmol/l(或200mg乙酸/L)时,反应器运行状态最为良好。

    4.4 营养物与微量元素

    主要营养物氮、磷、钾和硫等以及其他的生长必须的微量元素。例如(Fe、Ni、Co)应当满足微生物生长的需要。一般N和P的要求大约为COD:N:P=(350~500):5:1,但由于发酵产酸菌的生长速率大大高于甲烷菌,因此较为精确的估算应当是COD:N:P:S=(50/Y):5:1,其中Y为细胞产率,对于发酵产酸菌Y=0.15;对于产甲烷菌Y=0.03,此外,甲烷菌细胞组成中有较高浓度的铁、镍和钴。

    4.5 毒物:

    毒性化合物应当低于抑制浓度或应给于污泥足够的驯化时间。如:氨氮、无机硫化物、盐类、重金属、非极性有机化合物(挥发性脂肪酸)等,在运行中都要根据监测结果进行判断,及时调整处理。

    5、UASB初次启动过程的注意事项:

    5.1 对初期启动UASB目标要明确。对UASB(第一阶段)启动初期,不要追求反应器的处理效率和出水质量。初期的目标是使反应器逐渐进入“工作”状态。是使菌种由休眠状态恢复、活化的过程。在这一过程中,当菌种从休眠状态中恢复到营养细胞的状态后,它们还要经历对废水性质的适应。在整个驯化增殖过程中,而原种污泥中可能浓度较低甲烷菌增长速度相对于产酸菌要慢得多。因此在颗粒污泥出现前的这一段相当长。这一段不可能快,也不能有较大的负荷。

    5.2 当废水CODcr浓度低于2000mg/L时,一般不需要稀释,可直接进液。当废水CODcr浓度高于2000mg/L时,可采用进水稀释,增大进水量,促使处理设施水流分布均匀。

    5.3 负荷增加的操作方法:启动最初负荷可从0.1~2.0 kgCOD/m3˙d开始,当降解的CODcr去除率达到80%后,再逐步增大负荷。负荷不应增加太快,只要略高于容积负荷0.1 kgCOD/m3˙d即可。水力保留时间大于24小时。连续运行。直到有气体产生。5天后检查产气是否达到略高于0.1 m3/m3˙d。如果5天后反应器产气量仍未达到这一数值,可以停止进水,3天后再恢复进液,直到产气量增加达到0.1 m3/m3˙d。

    检查出水VFA,VFA过高,则表示反应器负荷相当于当时的菌种活力偏高。出水VFA若高于8mmol/l,则停止进水,直到反应器内VFA低于3mmol/l后,再继续以原浓度、原负荷进水,如果出水VFA低于3mmol/l,说明反应器运行良好。

    5.4 增加负荷量:增加负荷量可以通过增大进水量,或者降低进水稀释比的方法,负荷每次可提升20~30%,可以重复进行。每次操作所需时间长短不同,有时长达两周,有时仅需几天,要根据监测数据判断,直到达到设计负荷为止。

    5.5 水力停留时间:水力停留时间对于厌氧工艺的影响是通过上升流速来表现的。一方面高的液体流速增加污水系统内进水区的扰动,因此增加了生物污泥与进水有机物之间的接触,有利于提高去除率。在采用传统的UASB系统的情况下,上升流速的平均值一般不超过0.5m/h。这是为保证颗粒污泥形成的重要条件之一。

    5.6 运行中始终保持VFA/ALK=0.3以下。否则挥发性脂肪酸积累运行失败。

    6、厌氧生物处理的影响因素

    6.1 温度——厌氧废水处理分为低温、中温和高温三类。

    迄今大多数厌氧废水处理系统在中温范围运行,在此范围温度每升高10℃,厌氧反应速度约增加一倍。中温工艺以30-40℃最为常见,其最佳处理温度在35-40℃间。高温工艺多在50-60℃间运行。

    在上述范围内,温度的微小波动(如1-3℃)对厌氧工艺不会有明显影响,但如果温度下降幅度过大(超过5℃),则由于污泥活力的降低,反应器的负荷也应当降低以防止由于过负荷引起反应器酸积累等问题,即我们常说的“酸化”,否则沼气产量会明显下降,甚至停止产生,与此同时挥发酸积累,出水pH下降,COD值升高。

    注:以上所谓温度指厌氧反应器内温度

    6.2 pH

    厌氧处理的这一pH范围是指反应器内反应区的pH,而不是进液的pH,因为废水进入反应器内,生物化学过程和稀释作用可以迅速改变进液的pH值。反应器出液的pH一般等于或接近于反应器内的pH。对pH值改变最大的影响因素是酸的形成,特别是乙酸的形成。

    因此含有大量溶解性碳水化合物(例如糖、淀粉)等废水进入反应器后pH将迅速降低,而己酸化的废水进入反应器后pH将上升。对于含大量蛋白质或氨基酸的废水,由于氨的形成,pH会略上升。反应器出液的pH一般会等于或接近于反应器内的pH。

    pH值是废水厌氧处理最重要的影响因素之一,厌氧处理中,水解菌与产酸菌对pH有较大范围的适应性,大多数这类细菌可以在pH为5.0-8.5范围生长良好,一些产酸菌在pH小于5.0时仍可生长。但通常对pH敏感的甲烷菌适宜的生长pH为6.5-7.8,这也是通常情况下厌氧处理所应控制的pH范围。

    进水pH条件失常首先表现在使产甲烷作用受到抑制(表现为沼气产生量降低,出水COD值升高),即使在产酸过程中形成的有机酸不能被正常代谢降解,从而使整个消化过程各个阶段的协调平衡丧失。如果pH持续下降到5以下不仅对产甲烷菌形成毒害,对产酸菌的活动也产生抑制,进而可以使整个厌氧消化过程停滞,而对此过程的恢复将需要大量的时间和人力物力。pH值在短时间内升高过8,一般只要恢复中性,产甲烷菌就能很快恢复活性,整个厌氧处理系统也能恢复正常。

    6.3 有机负荷和水力停留时间

    有机负荷的变化可体现为进水流量的变化和进水CODcr值的变化。厌氧处理系统的正常运转取决于产酸和产甲烷速率的相对平衡,有机负荷过高,则产酸率有可能大于产甲烷的用酸率,从而造成挥发酸的积累使pH迅速下降,阻碍产甲烷阶段的正常进行,严重时可导致“酸化”。

    而且如果有机负荷的提高是由进水量增加而产生的,过高的水力负荷还有可能使厌氧处理系统的污泥流失率大于其增长率,进而影响整个系统的处理效率。水力停留时间对于厌氧工艺的影响主要是通过上升流速来表现出来的。

    一方面,较高的水流速度可以提高污水系统内进水区的扰动性,从而增加生物污泥与进水有机物之间的接触,提高有机物的去除率。另一方面,为了维持系统中能拥有足够多的污泥,上升流速又不能超过一定限值,通常采用UASB法处理废水时,为形成颗粒污泥,厌氧反应器内的上升流速一般不低于0.5m/h。

    6.4 悬浮物

    悬浮物在反应器污泥中的积累对于UASB系统是不利的。悬浮物使污泥中细菌比例相对减少,因此污泥的活性降低。由于在一定的反应器中内能保持一定量的污泥,悬浮物的积累最终使反应器产甲烷能力和负荷下降。(引:针对于调节池内的浮渣及进入污水处理厂的污水中的悬浮物质我们在日常工作当中需采取必要的措施和手段将其除去)

    7、 UASB反应器常见故障

    7.1 污泥颗粒化的意义

    颗粒污泥即我们常说的厌氧污泥,它的形成实际上是微生物固定化的一种形式,其外观为具有相对规则的球形或椭圆形黑色颗粒。光学显微镜下观察,颗粒污泥呈多孔结构,表面有一层透明胶状物,其上附着甲烷菌。颗粒污泥靠近外表面部分的细胞密度最大,内部结构松散,粒径大的颗粒污泥内部往往有一个空腔。

    大而空的颗粒污泥容易破碎,其破碎的碎片成为新生颗粒污泥的内核,一些大的颗粒污泥还会因内部产生的气体不易释放出去而容易上浮,以至被水流带走,只要量不大,这也为一种正常现象。

    厌氧反应器内颗粒污泥形成的过程称之为颗粒污泥化,颗粒污泥化是大多数UASB反应器启动的目标和成功的标志。污泥的颗粒化可以使UASB反应器允许有更高的有机物容积负荷和水力负荷。

    厌氧反应器内的颗粒污泥其实是一个完美的微生物水处理系统。这些微生物在厌氧环境中将难降解的有机物转化为甲烷、二氧化碳等气体与水系统分离并实现菌体增殖,通过这种方式污水得到净化。这里面涉及到两类关系极为密切的厌氧菌:产酸菌和产甲烷菌。

    产酸菌将有机物转化为挥发性有机酸,而产甲烷菌利用这些有机酸把他们转化为甲烷、二氧化碳等气体,这时污水得到净化。在这个过程中,对于净化污水来说,起关键作用的是甲烷菌,而甲烷菌对于环境的变化是相当敏感的,一旦温度、pH、有毒物质侵入、负荷等因素变化,均易引发其活力的下降,导致挥发酸积累,挥发酸积累的直接后果是系统pH下降,如此循环,厌氧反应器开始“酸化”。

    7.2 什么是“酸化”

    UASB反应器在运行过程中由于进水负荷、水温、有毒物质进入等原因变化而导致挥发性脂肪酸在厌氧反应器内积累,从而出现产气量减小、出水CODcr值增加、出水pH值降低的现象,称之为“酸化”。发生“酸化”的反应器其颗粒污泥中的产甲烷菌受到严重抑制,不能将乙酸转化为甲烷,此时系统出水CODcr值甚至高于进水CODcr值,厌氧反应器处于瘫痪状态。

    7.3 挥发酸、碱度对厌氧反应器的运行的影响

    1)VFA简介

    挥发性脂肪酸简称挥发酸,英文缩写为VFA,它是有机物质在厌氧产酸菌的作用下经水解、发酵发酸而形成的简单的具有挥发性的脂肪酸,如乙酸、丙酸等。挥发酸对甲烷菌的毒性受系统pH值的影响,如果厌氧反应器中的pH值较低,则甲烷菌将不能生长,系统内VFA不能转化为沼气而是继续积累。

    相反在pH值为7或略高于7时,VFA是相对无毒的。挥发酸在较低pH值下对甲烷菌的毒性是可逆的。在pH值约等于5时,甲烷菌在含VFA的废水中停留长达两月仍可存活,但一般讲,其活性需要在系统pH值恢复正常后几天到几个星期才能够恢复。如果低pH值条件仅维持12h以下,产甲烷活性可在pH值调节之后立即恢复。

    2)VFA积累产生的原因

    厌氧反应器出水VFA是厌氧反应器运行过程中非常重要的参数,出水VFA浓度过高,意味着甲烷菌活力还不够高或环境因素使甲烷菌活力下降而导致VFA利用不充分,积累所致。温度的突然降低或升高、毒性物质浓度的增加、pH的波动、负荷的突然加大等都会由出水VFA的升高反应出来。

    进水状态稳定时,出水pH的下降也能反能反映出VFA的升高,但是pH的变化要比VFA的变化迟缓,有时VFA可升高数倍而pH尚没有明显改变。因此从监测出水VFA浓度可快速反映出反应器运行的状况,并因此有利于操作过程及时调节。过负荷是出水VFA升高的原因。

    因此当出水VFA升高而环境因素(温度、进水pH、出水水质等)没有明显变化时,出水VFA的升高可由降低反应器负荷来调节,过负荷由进水COD浓度或进水流量的升高引起,也会由反应器内污泥过多流失引起。

    3)VFA与反应器内pH值的关系

    在UASB反应器运行过程中,反应器内的pH值应保持在6.5-7.8范围内,并应尽量减少波动。pH值在6.5以下,甲烷菌即已受到抑制,pH值低于6.0时,甲烷菌已严重抑制,反应器内产酸菌呈现优势生长。此时反应器已严重酸化,恢复十分困难。

    VFA浓度增高是pH下降的主要原因,虽然pH的检测非常方便,但它的变化比VFA浓度的变化要滞后许多。当甲烷菌活性降低,或因过负荷导致VFA开始积累时,由于废水的缓冲能力,pH值尚没有明显变化,从pH值的监测上尚反映不出潜在的问题。当VFA积累至一定程度时,pH才会有明确变化。因此测定VFA是控制反应器pH降低的有效措施。

    当pH值降低较多,一般低于6.5时就应采取应急措施,减少或停止进液,同时继续观察出水pH和VFA。待pH和VFA恢复正常以后,反应器在较低的负荷下运行。进水pH的降低可能是反应器内pH下降的原因,这就要看反应器内碱度的多少,因此如果反应器内pH降低,及时检查进液pH有无改变并监测反应器内碱度也是很必要的。

    4)厌氧反应器启动、运行过程中需注意与VFA相关的问题

    厌氧反应器运转正常的情况下,VFA的浓度小于3mmol/l,但在启动和运行过程中VFA出现一定的波动是正常的,不必太过惊慌。①厌氧反应器启动阶段,当环境因素如出水pH、罐温正常时,出水VFA过高则表时反应器负荷相对于当时的颗粒污泥活力偏高。

    出水VFA若高于8mmol/l,则应当停止进液,直到反应器内VFA低于3 mmol/l后,再继续以原浓度、负荷进液运行。②厌氧反应器运行阶段,运行负荷的增加可能会导致出水VFA浓度的升高,当出水VFA高于8mmol/l时,不要停止进液但要仔细观察反应器内pH值、CODcr值的变化防止“酸化”的发生。

    增大负荷后短时间内,产气量可能会降低,几天后产气量会重新上升,出水VFA浓度也会下降。但如果出水VFA增大到15mmol/l则必须把降至原来水平,并保证反应器内pH不低于6.5,一旦降至6.5以下,则有必要加碱调节pH。

    碱度

    1)碱度简介

    碱度不是碱,广义的碱度指的是水中强碱弱酸盐的浓度,它在不同的pH值下的存在形式不同(弱酸跟上的H数目不同),能根据环境释放或吸收H离子,从而起到缓冲溶液中pH变化的作用,使系统内pH波动减小。碱度是不直接参加反应的。

    碱度是衡量厌氧系统缓冲能力的重要指标,是系统耐pH冲击能力的衡量标准。因此UASB在运行过程中一般都要监测碱度的。操作合理的厌氧反应器碱度一般在2000-4000mg/l,正常范围在1000-5000mg/l。(以上碱度均以CaCO3计)

    2)碱度对UASB颗粒污泥的影响

    碱度对UASB颗粒污泥的影响表现在两个方面:一是对颗粒化进程的影响;二是对颗粒污泥产甲烷活性(SMA)的影响。碱度对颗粒污泥活性的影响主要表现在通过调节pH值(即通过碱度的缓冲作用使pH值变化较小)使得产甲烷菌呈不同的生长活性。

    在一定的碱度范围内,进水碱度高的反应器污泥颗粒化速度快,但颗粒污泥的SMA低;进水碱度低的反应器其污泥颗粒化速度慢,但颗粒污泥的SMA高。因此,在污泥颗粒化过程中进水碱度可以适当偏高(但不能使反应器的pH>8.2,这主要是因为此时产甲烷菌会受到严重抑制)以加速污泥的颗粒化,使反应器快速启动;而在颗粒化过程基本结束时,进水碱度应适当偏低以提高颗粒污泥的SMA。

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