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


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

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