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生物反应器的操作与设计涉及反应器类型、操作方式和操作条件这三个基本概念。反应器类型是根据各种分类方法所确定的。在生物反应器设计上的反应器类型，主要指由一定的机械结构和流体力学特征所确足的类型，它的物料混合性能是反应器选型的主要依据。操作方式是指反应器物料加入和流出的方式。由不同的反应器类型的操作方式的组合设计，可得出反应器中不同的浓度和温度等参数分布。操作条件是指温度、浓度、通气速率、搅拌转速、流动线速度、催化剂颗粒大小等工艺参数的大小。
生物反应器的设计内容包括：反应器类型或结构变量的确定，操作方式的选择，以及反应器容量和几何尺寸的确定。
反应器类型和操作方式一般根据生物催化剂的特性、物料的性质和工艺要求而确定。选择不同的反应器类型和操作方式，就有不同的传递特性、流动和混合特性，也就在本质上了工程因素对宏观动力学和反应结果的影响作用。
反应器容量和几何尺寸的确定，是根据有关计量学衡算式和反应动力学速率方程，在工厂生产能力所规定的条件下，确定工厂的反应器总容量、单台反应器有效体积和尺寸、反应器的台数。


生物反应器的优化，也就是生物反应过程的优化，有设计优化和操作优化两种类型。设计优化是指在设计条件的约束下确定最优的反应器有效体积、尺寸和操作条件。操作优化是指在现有反应器配置的条件下，通过改变反应器操作工艺，使反应器在最优状态下运行。通常，设计优化的目标是达到反应器有效体积最小，而操作优化是使反应时间最短。
生物反应过程的优化，一般采用反应器类型、操作方式和操作条件这三大优化变量。在确定这些变量有关的最优设计与操作方案时，一方面要求掌握过程的基本特征及其反应要求，另一方面是要熟悉和掌握各种反应器的类型及其基本特征，例如它的反应介质的流变性质、基本流型、反应器内的混合状态、传质和传热等基本传递特性。
生物反应器的放大是指将实验室规模的研究结果放大到工业规模的生物反应器中运行的技术。它是生物反应过程开发的重要组成部分。生物反应器放大的关键在于能否将实验室反应器中生物催化剂所处优化环境成功转移到工业反应器中去。为此，生物反应器放大技术的研究，通常将重点放在反应器的流体力学和混合性能与放大尺寸之间的关系这个核心问题的研究上；此外，放大过程中传质和传热等方面约束条件的改变等问题也始终是反应器放大中的重要研究课题。

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