生物反應(yīng)器（Bioreactor）是指任何提供生物化學(xué)反應(yīng)的適當(dāng)環(huán)境或工程設(shè)備。通常是指利用酶(由一個或一群酵素所推動)或生物體（如微生物）使裝置具有模擬生物的功能，可在細(xì)胞外進(jìn)行生化反應(yīng)，在模擬的過程中既可進(jìn)行有氧反應(yīng)也能進(jìn)行無氧反應(yīng)。這些系統(tǒng)在酒類、組織工程、生化工程、醫(yī)藥生產(chǎn)、有機污染物降解...等應(yīng)用上是相當(dāng)重要的一個裝置。

在來源上可分為自然生物反應(yīng)器(如人的胃)及工程生物反應(yīng)器(如發(fā)酵罐、固定化酶或固定化細(xì)胞反應(yīng)器等，這些生物反應(yīng)器通常呈圓筒狀，其體積從幾升到幾立方米不等，常由不銹鋼制成)兩種。

依原料加入的方式可分為批次式反應(yīng)器(Batch reactor)、饋料批次式反應(yīng)系統(tǒng)(fed batch)以及連續(xù)流反應(yīng)器(Continuous reactor)(如連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器、恒化器)三種。

生物反應(yīng)器與化學(xué)反應(yīng)器不盡相同，化學(xué)反應(yīng)器從原料進(jìn)入到產(chǎn)物的生成過程中常需要加壓和加熱，屬于一個高耗能的裝置。而生物反應(yīng)器則不同，在酶和微生物的參與及常溫常壓下就可以進(jìn)行化學(xué)合成。因此，生物反應(yīng)器問世之后受到化工部門的重視。化學(xué)工程專家認(rèn)為，應(yīng)該盡可能地讓化學(xué)合成的過程改由生物去完成，因此設(shè)計理想的生物反應(yīng)器，就成了現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一個重要任務(wù)。

在生物反應(yīng)器中生長的微生物可以被浸泡在液體介質(zhì)中或附著在固體介質(zhì)表面。被浸泡的培樣物質(zhì)可分為懸浮性與固定化：

• 懸浮性生物反應(yīng)器不需要特別的附著表面，因此可使用更多種類的生物體，而且可較固定化培養(yǎng)進(jìn)行更大規(guī)模的培養(yǎng)操作；但在連續(xù)操作過程中，微生物將從反應(yīng)器中與流出物一同去除。

• 固定化是一個通用術(shù)語，描述多種細(xì)胞、顆粒附著體或包封。基本上它可以應(yīng)用于所有類型的生物催化，包括酶、胞器、動物和植物細(xì)胞。其在連續(xù)操作的過程中非常有用，因為生物體不會與反應(yīng)器流出物一同除去，但也因此在操作規(guī)模上受到限制，因為該微生物是只存在于有限的容器表面上。

大型固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器舉例:

• 移動床生物反應(yīng)器(moving media)(MBBR)

• 填充床反應(yīng)器(packed bed)

• 纖維床生物反應(yīng)器(fibrous bed)

生物反應(yīng)器的設(shè)計

生物反應(yīng)器的設(shè)計是一個復(fù)雜的生化研究工程科學(xué)任務(wù)。設(shè)計的目標(biāo)是制造最佳的環(huán)境，使微生物或細(xì)胞能表現(xiàn)其功能，并產(chǎn)生雜質(zhì)含量符合標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的產(chǎn)物。生物反應(yīng)器內(nèi)的溫度、養(yǎng)分濃度、pH值和氣體溶解度(尤其是關(guān)于氧氣的有氧發(fā)酵)等變因皆會影響生物體的生長和生產(chǎn)力。

• 溫度：發(fā)酵培養(yǎng)基的溫度可借由單獨使用冷卻夾套、線圈或同時使用兩者來保持；在放熱發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行時，需額外使用外部熱交換器。在饋料批次式反應(yīng)系統(tǒng)(fed-batch system)中，微生物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)可在培養(yǎng)過程中連續(xù)的加到發(fā)酵罐(fermenter)中，或在發(fā)酵初始時加入反應(yīng)器中。

• PH值：利用少量的酸或堿測量和調(diào)整培養(yǎng)基的pH值，不同生化反應(yīng)所需的PH值皆有所不同。

• 氣體溶解度：反應(yīng)氣體（尤其是氧氣）對于有氧（和少部分厭氧）發(fā)酵而言為必須反應(yīng)物，但由于氧對于水（幾乎是所有發(fā)酵培養(yǎng)基的基礎(chǔ)）溶解度較低，故其含量對于空氣來說是相對稀少的（20.95％），因此必須連續(xù)地添加空氣（或純氧）至反應(yīng)系統(tǒng)中。在溶液中的上升氣泡可充分混合發(fā)酵培養(yǎng)基，也可同時“擺脫”溶液中的廢氣，如二氧化碳。一般來說，生物反應(yīng)器都會加壓，以增加水中的溶氧量。氧氣的運輸通常是經(jīng)由攪動來完成，也同時保持營養(yǎng)物質(zhì)的均勻分布，幫助勻相發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行；氣體分散攪拌器(Gas dispersing agitators)就是用來打破的氣泡使其均勻分布于整個容器中的工具。

垢會損害生物反應(yīng)器的整體效率，尤其是系統(tǒng)中熱量的交換。因此為了避免垢的產(chǎn)生，生物反應(yīng)器的設(shè)計必須易于清理，內(nèi)表面通常由不銹鋼制成，以便清洗和消毒；典型生物反應(yīng)器則會在批次間清洗，或以特殊設(shè)計減少連續(xù)操作中結(jié)垢的可能性。

系統(tǒng)熱傳導(dǎo)的好壞會間接或直接影響整體反應(yīng)，因此生物反應(yīng)器的熱傳導(dǎo)能力是設(shè)計的一個重要部分；小導(dǎo)管可利用冷卻夾套來冷卻，但較大的導(dǎo)管就可能需要線圈或外部熱交換器。

污水處理(Sewage treatment)

生物反應(yīng)器也被設(shè)計用來處理污水和廢水。以下舉例三種污水處理法：

• 滴濾池法

為最有效的系統(tǒng)，能提供有流動性(free-flowing)且具有化學(xué)惰性(chemically inert)的培養(yǎng)基，讓細(xì)菌分解未經(jīng)處理的污水。這些處理過程通常會經(jīng)過一連串獨立、有順序性的大型反應(yīng)槽、機械分離器(mechanical separator)或旋風(fēng)分離器(cyclone)，以加速水和污泥的分離。其中的曝氣(Aerators)過程使氧氣溶入污水和培養(yǎng)基中加快污染物的分解?？赏瑫r處理大量污水，故常被利用于都市廢水處理。

• 活性污泥法

潛水?dāng)嚢铏C(Submersible mixers)在缺氧生物反應(yīng)器中提供鼓動(agitation)，以保持固體顆粒懸浮在溶液中，從而保證細(xì)菌和有機物質(zhì)有“相遇”的機會，并經(jīng)過分解處理后，使液體的生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand, BOD）降低到足以再次被利用。用此方法處理污水的過程中會產(chǎn)生大量的固體有機質(zhì)，即生物固形物(biosolids)，其可被收集并做進(jìn)一步處理或干燥后當(dāng)作肥料。

• 微生物自凈法

一個非常簡單的污水處理生物反應(yīng)器，指設(shè)置一個化糞池(使污水留在原地)，并加入(或沒有)介質(zhì)提供適當(dāng)環(huán)境給細(xì)菌；在此系統(tǒng)中，生物污泥(biosludge)本身就是細(xì)菌的主要營養(yǎng)提供者（activated sludge, 活性污泥），屬于一封閉系統(tǒng)，故不受洪水或水飽和土地(saturated ground)的影響，但處理所需時間較長，因此適合有足夠土地，且不在乎污水處理效率的地區(qū)。

微生物為推動生物廢水處理的動力引擎，密切監(jiān)測微生物在生物反應(yīng)器的數(shù)量和質(zhì)量是重要的關(guān)鍵?？衫肁TP檢驗(ATP test)來監(jiān)測。