第一篇：汽车新动力技术的发展状况及应用前景
关键词：汽车 内燃机 混合动力 燃料电池 新动力技术 汽车制造论文免费下载 中国论文 职称论文
摘要:论述了传统内燃机在汽车动力应用方面遇到的挑战,探讨了先进内燃机技术、混合动力汽车、燃料电池汽车、电动汽车等的各种动力技术的发展状况及应用前景,并对各技术做了综合比较分析。
关键词:汽车;内燃机;混合动力;燃料电池；新动力技术
对于汽车动力,目前人们最关注的是环保和节能两个主题。环保方面主要涉及有害污染物及温室气体排放、振动与噪声等;节能方面主要关注能量转换效率,对汽车的主流动力———内燃机来说就是考察燃油里程数。1993年9月出台的美国新一代汽车合作计划(PNGV)要求在10 a内将家庭轿车的平均燃油效率提高到1994年的3倍,即在2004年使家庭轿车的燃油里程数达到34 km/L[1]。对内燃机来说,主要是提高热效率。对替代动力技术如燃料电池而言,就是化学能转换为电能的效率。近年来,全球气候变暖的问题日趋严峻,世界各国开始采取措施控制CO2的排放,但迄今为止并未取得明显进展,其根本原因在于热机效率很难提高。因此,降低CO2排放的根本出路是采用高效率的动力系统。另外,各国对汽车动力的排放法规要求日益严格。欧盟1999年通过的法规要求2008年采用先进后处理技术的轻型车用柴油机欧洲瞬态循环(ETC)测试中NOx排放要降低到2 g/(kW•h),CO降低到4 g/(kW•h),PM降低到0.03 g/(kW•h)[2]。如何满足日益严格的排放法规要求同时又要提高能量转换效率,是车用内燃机的生存压力,也是发展动力。21世纪对汽车动力的要求是高能量转换效率,接近零排放,当然这要以低成本、良好经济性、高可靠性和高功率密度为前提。车用内燃机的前景
车用内燃机是CO2排放的主要源头之一,占总排放量的1/3[3]。因此公众舆论普遍认为车用内燃机是导致全球气候变暖的主要因素,学术界及工程界开始努力寻求替代动力技术。由于传统内燃机的有害排放物如NOx,PM,CO,HC等对人类健康危害很大,加之能源短缺等问题,车用内燃机正面临着严峻的“生存危机”。针对这种局面,内燃机工程界正努力开发新型超低排放节能的车用内燃机,尽可能提高热效率并降低有害排放物及噪声。汽油机和柴油机是目前最主要的两种车用内燃机。汽油机尽管在采用了三元催化装置后排放污染很低,但燃油消耗始终是个大问题;柴油机的经济性要好于汽油机,但其NOx及PM排放问题一直都难以解决。可见,传统内燃机很难达到PNGV要求的。于是近年来对传统内燃机的革新技术纷纷涌现,其中最具代表性的有汽油直喷技术(GDI)、先进压燃直喷技术(CIDI)和均质充量压燃(HCCI)等3项技术。
1.1 汽油直喷(GDI)GDI技术早在20世纪30年代由德国最先开发,但由于当时控制手段欠缺而被摒弃。1996年日本Mitsubishi公司开发了GDI样机。该GDI样机与传统进气道喷射(PFI)汽油机相比燃油经济性提高了35 %[3]。GDI在低工况时采用压缩行程喷射,利用活塞顶的复杂形状形成分层充气,进行稀薄燃烧;在高工况时采用进气行程喷射,形成均匀混合气。GDI发动机的两种工作模式使得其在提高燃油经济性和降低排放上都取得收益,但GDI的研发中还面临很多问题。首先,这种发动机的供油系统要比PFI复杂得多,采用高压(喷油压力为4 MPa~13 MPa)共轨汽油喷射系统和涡流雾化喷嘴,其成本要大大高于PFI系统,GDI在燃油经济性上的收益能否抵偿其高成本就是关键问题;另外,GDI可能还要采用多段喷射,变涡流和滚流控制硬件,这样批量生产时能否保证系统可靠性不受系统复杂性的损害也是难点;再者,GDI控制系统的控制策略和算法是否能够满足发动机从晚喷、分层充气到早喷、均匀充气运转的顺利过渡,并达到目前的PFI发动机的驾驶性能也是技术难点[4]。
1.2 先进压燃直喷技术(CIDI)1997年,美国PNGV计划将先进CIDI发动机列为实现34 km/L燃油里程并用于轻型混合动力汽车的最有前景的技术之一。2000年,GM,Ford和Daim-ler—Chrysler公司的PNGV概念车都采用CIDI发动机。美国能源部重型车辆技术办公室(OHVT)计划在2004年将使用CIDI的轻型卡车的燃油经济性提高35 %,同时满足排放法规要求。CIDI在热效率上的优势勿庸置疑,其在应用和研发上的关键在于排放控制。由于柴油机扩散燃烧的特点,对NOx和PM实现机内控制非常难,对CIDI发动机排放控制的研发重点在于后处理系统。Cummins公司采用NOx吸收器以满足2004年研发目标;DDC公司采用尿素选择催化器控制NOx。对于PM的控制主要采用陶瓷过滤装置,该装置的研发热点是再生问题[5]。
1.3 均质充量压燃(HCCI)HCCI这项新的燃烧技术给内燃机在21世纪的继续发展带来了曙光。这项技术是汽油机与柴油机的杂交技术。20世纪80年代初,大连理工大学胡国栋教授创造性地提出了该思想,称之为柴油机热预混合燃烧方式[6,7],并进行了深入研究
[8,9]。其主要内容是在压缩着火前将全部燃料喷入缸内,快速形成均质稀薄混合气,并将着火点控制在上止点后,从而实现较低缸内压力和温度下的快速燃烧,达到高效清洁的目的。这种燃烧方式的优点是多点同时着火,燃烧迅速(热效率高),燃烧温度低(NOx生成率低)。由于这种燃烧方式解决了降低NOx排放与提高经济性的折衷问题,成为高效清洁内燃机研究的热点。已有的研究报告表明,与传统柴油机相比,HC-CI燃烧的NOx排放降低了90 %~98 %,已经达到了测量极限,近似零排放(EZE);PM也显著降低[12]。由于热效率高,HCCI的经济性也明显好于传统内燃机。但HCCI燃烧方式也并非完美无缺,因为其要求稀薄混合气,其功率密度比传统内燃机小;由于采用压燃,预混合气的着火时间难于控制;另外,现有的HCCI样机普遍存在高负荷时燃烧变坏,排放变差,油耗高的问题。这些问题是HCCI燃烧方式在内燃机上实用化的主要障碍。针对这些问题,人们提出3种解决方案,即改变燃料供给方式,采用废气再循环(EGR)和增压,采用分段燃烧[12]。HCCI是一种很有发展潜力的燃烧方式,在排放和热效率方面都能达到PNGV的要求;由于省去了高压喷油系统及采用贵金属材料的后处理器,HCCI内燃机的初
始成本与CIDI发动机相比有优势。所以美国能源部将HCCI认定为应给予长期研发支持的远期技术,并预计于2010年在轻型卡车上投入商业运营[13]。在替代动力技术成熟之前,以HCCI燃烧方式为代表的新型高效、清洁、节能内燃机在21世纪仍将是汽车动力的主流。混合动力的发展前景
所谓混合动力汽车(HEV)即动力系统由原动机、发电机/电动机、储能设备等组成,HEV的动力系统一般有串联、并联或串并联混联3种形式。原动机通常采用内燃机,少数采用燃料电池。图1是采用内燃机为原动机的混合动力的两种系统布置形式。图1 混合动力系统布置形式串联方式是将内燃机加入到电动汽车(EV)中给电池组充电,驱动则完全由电池及电机完成,动力传送及控制都是电气方式的,并联式则是将内燃机和电池加入到传动系中,辅助传动系加速和回收制动能。串联式的好处在于排放近似为零,控制系统相对简单,对零件选择相对范围广;但对电池组的容量及效率要求很高。并联式则在降低油耗方面优势明显。从成本和总体性能考虑,采用高性能电池组的并联式HEV更有吸引力[14]。日本Honda公司开发出了排放低于世界上最严格的美国加州ULEV标准的HEV[15]。美国GM公司的Precept,Ford公司的Prodigy等均已上市。日本Toyota公司的Prius混合动力汽车已经批量生产。目前HEV的成本较内燃机汽车高,电池组能量密度不高,对轿车和轻型车而言,附加质量大,使整车质量增加。从HEV的研究发展看,这些缺点都将在近期内得以克服。尽管从价格上看,HEV要明显高于内燃机汽车,如Prius的价格高于同类型内燃机汽车的30 %~50 %,但形成批量生产之后,价格必然会下降到接近内燃机汽车。PNGV对HEV的电池组容量的要求是单位质量功率(充/放电)为1 kW/kg,按此要求电池组的质量为50 kg~100 kg;功率能量比大于20。从已有研究看,柱状电池的功率密度非常大;采用NiMH或Li—Ion材料的电池已经通过验证,NiMH已经投入使用,Li—Ion也即将投入使用[14]。附加质量大的问题对小轿车尤为突出,若不能很好地解决,则混合动力带来的经济性就会被抵消掉。因此尽可能减小电池组、电机及其他附件的质量是小型HEV发展的关键。另外,对小轿车的整车进行改进设计,以减轻其自身质量也是有效措施,Honda公司的Insight就采用了这种办法,对于城市大型公交车来说,因为其自身质量大,附加质量不会带来太多的负面影响。因此,城市大型公交车的混合动力研究是最容易看到效益的。作为内燃机汽车与电动汽车的杂交技术,HEV综合了“双亲”的优点,并最大限度克服了它们的缺点;既具备传统内燃机能量储备多,运行里程远的优点,又能使内燃机运行在高效率、低油耗的区域内,避免怠速运转,并能回收制动能。HEV的研究为内燃机在21世纪的继续发展又提供了空间,以HCCI内燃机为原动机的HEV具有很强的生存能力和竞争力。燃料电池的发展前景
由于具备高能量转换效率、零污染、低噪声的优势,燃料电池(FC)是最有前途的汽车替代动力之一。实际上,FC并非新技术,在航天领域早就得到应用,德国还以FC作潜艇动力。但由于成本高、运行条件要求苛刻等原因,FC一直不能在汽车动力上有所作为。近年来在环境污染和能源危机两大问题的驱动下,人们开始研究FC在汽车动力上的实用化。PNGV把FC作为PNGV汽车的高效低污染动力的研究目标[16]。2003年,美国又启动了
Freedom-CAR计划,它实际上是PNGV计划的修订版,是美国为了摆脱对进口石油的依赖,决定采用的国家与企业长期合作开发研究以H2为燃料的低成本、高效、无污染FC汽车计划[17]。FC以可燃物质作为正级反应物质,以空气中的O2或纯O2作为负极的反应物,在两
电极之间设置电解质进行燃料的氧化反应,产生电流,生成物为水。FC的有害排放只有少量的CO和挥发性有机化合物(VOC)。由于燃料电池汽车(FCV)的H2燃料是从其他燃料中提取并存储起来或在车内直接改质而来,FCV也不能避免间接或直接的温室气体排放。但FCV的温室气体排放量仍大大小于内燃机汽车(ICEV)的排放量。图2是FCV与ICEV在温室气体排放方面的比较[18]。图2 FCV与ICEV在温室气体排放方面的比较这里的温室气体排放是以燃料经济性为基准衡量的,其中的CO2排放成分也被折合到等效CO2排放之中。汽油改质型燃料电池汽车的CO2排放比ICEV低得多,其最佳情况下CO2排放的降低程度达33 %;H2燃料FCV的CO2排放可降低39 %。开发FCV存在的主要问题是:FC功率密度小,价格昂贵,整体性能竞争力仍不够。FCV必须克服质量、体积、额外费用等方面的技术限制,才能与ICEV竞争。这方面,世界各大汽车公司都有雄心勃勃的计划。德国的Daimler—Benz公司和它的合作伙伴Ballard公司于1998年制定计划,要在8 a内将FC系统的体积大大减小,使之能顺利装入Mer-cedes—Benz A级轿车中并不损害驾驶室空间及行李空间;通过大批量生产,使FC的成本降低到现有的柴油机水平。结束语
采取HCCI燃烧方式的新型高效节能低污染内燃机能够满足严格的排放法规要求,为内燃机自身的继续发展赢得了空间与时间,以HCCI燃烧方式内燃机为原动机的混合动力系统将具有很强的竞争力。电动汽车(EV)不存在有害排放的问题,但对以火力发电为主的国家(如中国)来说,EV存在温室气体间接排放的问题,EV的好处仅限于改善城市空气质量及控制噪声污染,对整体大环境的改善意义不大。如采用核能、风能、太阳能等清洁方式发电,EV才可以说是真正意义上的清洁汽车。FC技术仍还不够成熟,尽管与内燃机相比有高效率和低排放的优势,但其目前的高成本、低经济性、低可靠性和低功率密度,使FC实现商业化还有很长的一段路要走。
参考文献
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第二篇：3D打印技术发展及其应用前景
3D打印技术发展及其应用前景
课程名称：3D打印技术
班级： 姓名：
学号: 时间：2016年10月7日
一、3D打印技术兴起
3D打印产业是工业制造领域新发展起来的技术，被誉为“具有业革命意义的制造技术”。运用3D打印技术的主要生产流程是先用计算机软件设计出一个立体的加工样式，再通过3D打印机用特制的固体材料进行打印。广泛应用于工业制造、文化创意及数码娱乐、航空航天、生物医疗、消费品、建筑工程、教育和个性化定制等领域。由此可见3D打印技术需要依托信息技术、精密仪器和科学材料等多个领域的技术，作为一项新兴的多科学交叉的技术，必须在这些相关的领域投入相应的研发力量才能真正掌握其整个的核心技术。
二、简介3D打印机
3D打印机英文 “3D Printers”，3D打印机这个名称是近年该产品来针对民用市场而出现的一个新词。其实在专业领域 他有另一个名称快速成形技术。快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技 术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。
三、3D打印技术原理
说到它的原理，其实也并不不复杂，其运作原理和传统打印机工作原理基本相同。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像，而打印机 首先将物品转化为一组3D数据，然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印。
例如我们制作一个塑料材质的苹果，首先我们需要在电脑上使用3D软件制作出一个苹果的3D模型文件，然后把它转换成3D打印机支持的文件格式。接下来需要给3D打印机放入塑料耗材，现在3D打印机就可以制作了。这个过程是不是像我们的平面打印机的操作呀！好下面说重点。打印系统在制作的时候会从这个苹果3D模型底部开始切成很多片（多少片呢？这个要根据打印机的技术指标它所支持的“层厚”来决定。）也就是我们上面说的截面图。最先开始制作的是苹果模。
四、几种主要的3D打印机技术
（一）SLA技术3D打印机
SLA是最早实用化的快速成形技术。SLA 是“Stereo lithography Appearance”的缩写，即立体光固化成型法。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。
SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
（二）SLS技术3D打印机
SLS(Selective Laser Sintering)选择性激光烧结（以下简称 SLS）技术。最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 Carlckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。
与其它3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复 杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。
（三）LOM技术3D打印机
分层实体制造法（LOM———Laminated Object Manufacturing），LOM又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料、薄膜或复合材料）为原材料。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。
该技术的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高，缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。
（四）FDM技术3D打印机
熔积成型（FDM—Fused Deposition Modeling）法,该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃）,在计算机的控制下,喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。该技术污染小。
五、3D打印技术优点
（一）制造快速
3D打印机技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段,能使
产品设计和模具生产同步进行,从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极0大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小,异形的产品尤其适用。
（二）CAD/CAM技术的集成
设计制造一体化一直来说是现在的一个难点,计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一,而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。
（三）完全再现三维效果
经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。
（四）材料种类繁多
到目前为止，各类3D打印机设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。
（五）创造显著的经济效益
与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开 发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。
六、3D打印技术未来发展的主要趋势
3D快速成形技术除了与其他RP技术一样,可以用于产品的概念原型与功能原型件制造外,3D快速成形技术还因其独特的成形特点,使其在生物医学工程、制药工程和微型机电制造等领域有着广阔的应用前景。随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。
提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软 件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。
【参考文献】：
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第三篇：LED 技术发展状况
课 程 报 告
题目：
学
班
姓学LED技术近几年的发展
及前景
院：自动化学院 级： 名： 号摘 要：任何新事物的产生都需要经过不同的发展阶段，LED光管同样如此。本文阐述了LED产业从最初兴起到如今发展的历程，和近年来的状况，以及LED二极管发展至今所拥有的优势取得的成就和尚存在的缺陷。LED光管发展至今已频频出现在人们眼前，它具有体积小、价格低，重量轻、电压低、电流小、亮度高，发光响应速度快，驱动电路简单等优点，已经被广泛运用在汽车，手机，显示屏，电子仪器和工业系统中。近年来，LED技术不断获得新的进展，特别是高亮度的蓝，绿光LED技术和白光LED技术的突破，使LED的应用范围不断拓宽，已成为本世纪极具发展潜力的电子产品之一。在我们生活中扮演着越来越重要的角色，它是环保、节能、高效的代表，它是最有希望取代白炽灯成为点亮我们生活的光源。发光二极管(LED)是近几年来迅速崛起的半导体光电器件。
Abstract：Any of the emergence of new things all need to go through the different stages of development, such as LED light tube.This paper expounds the LED industry from the initial rise to now development course, and the recent status, and LED diode development so far has advantages of achievements and shortcomings.LED light tube development has frequently appeared in front of people, it has the advantages of small volume, low price, light weight, low voltage, current, high brightness, light rapid response speed, simple drive circuit and other advantages, has been widely used in automotive, mobile phone, LCD, electronic equipment and industrial system.In recent years, LED technology has obtained new progress, especially the high brightness blue, green LED and white light LED technology breakthrough, make LED application scope expanding, has become the most development potential of one of the electronic product.In our life, playing an increasingly important role, it is environmental protection, energy saving, high efficiency, it is one of the most promising to replace the incandescent lamp as light source of our life.Light emitting diode(LED)in recent years is the rapid rise of semiconductor optoelectronic devices.关 键 词：半导体、LED 半导体照明光源、LED灯具、LED性能、MCPCB和IAMS、显色性、发光强度
一．LED简介
(1).LED构成
LED（Light Emitting Diode）发光二极管，主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。LED是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。
(2).发光原理
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。(3).LED照明颜色
LED（LightingEmittingDiode）照明即是发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。(4).照明原理
LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
二．LED发光二极管的发展历程
(1).1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。
(2)1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。
(3).1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。
(4).1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。(5).到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。事实上，LED在那个时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。
(6).80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。
(7).1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。
(8).今天，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。
(9).1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。
(10).20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到38lm/W，实验室研究成果可以达到70lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。三．LED产品与传统发光器件相较的优势
(1).使用寿命长，是普通光源的20一30倍，例如普通白炽灯的使用寿命在2000一3000小时，LED光源器件的寿命在10万小时，使用年限达5一10年。
(2).节能效果明显:LED发光体的耗电量仅为普通白炽灯的耗电量的15一20%，LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%
(3).抗机械冲击、防震防水、低热散发。
(4).体积小、固体化、形状可任意改变，可以用在特殊用途上，LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。
四．LED产品与传统发光器件相较的劣势
(1).近日由美国加州大学艾尔文分校进行的一项调查却显示，使用LED的环保功效很可能会被其包含的有毒物质所抵消。有些LED灯中包含有锑、砷、铬、铅以及其他多种金属元素。其中，部分LED灯的有毒元素含量已经超过了监管部门制定的标准。比如在低亮度红色LED灯中，研究人员发现其铅含量超标达到8倍，镍含量也超标2.5倍。如果LED灯破碎，还可能会对直接接触的人体健康造成损害。LED中的砷、铅、镍和铜元素对人体和环境的影响最为严重，未来应当进行更为细致深入的调查，以促进政府对LED产品的安全使用和回收处理制定规范。
(2).LED需要由于单个发光面比较窄，通常大规模集成在线路板上，形成一个比较大的发光源，由此会造成大量热量积累，有时会击穿电路板。所以LED灯的散热一定要好。
(3)人眼最不能接受的是蓝光和UV光(即紫外线光)，蓝光杀伤人眼活性细胞的能力是绿光的10倍，而UV光杀伤人眼活性细胞的能力又是蓝光的10倍，长期接触大量低波长的蓝光能大量杀伤人眼活性细胞，最终癌化形成斑块。而LED白光形成主要是靠450-455NM波长蓝光激发荧光粉，其中波长越低击发能力越强，通常LED的波长出厂控制在500NM之内，即450-455NM，或455-460NM，属于伤害最强的区段，如果波长变大，那么激发荧光粉的能力就下降，效率降低。人们为了追求亮度，通常更会加强LED的蓝光强度，点灯时间越久，荧光粉衰减越快，进而导致人眼接触的蓝光波段的光照越强烈，从而对人眼造成伤害。
所以LED灯具在道路交通的LED导航指示、LED路灯、LED台灯的使用上具有一定的不利因素，容易让人在使用过程中产生头晕眼花、不舒服的感觉，甚至长期使用会变成眼晴伤害，使得患眼病的机率会有所提高。
五．LED的主要应用
(1).信息平面显示
信息显示是现代生活中一项用途很广泛的领域，证券交易所里的显示板，动态广告牌，空港的飞机动态显示，模拟动画，体育场馆、商业、工业和其它行业的大型和超大型全色显示屏的信息显示，进一步满足了现代人对信息显示的需求欲望。
(2).智能交通系统（Intelligent Transportation System，简称 ITS）
智能交通系统（Intelligent Transportation System，简称 ITS）的发展，在为社会公众服务的交通领域，信息的发布成为重要的服务内容。广泛应用于体育场馆、车站、机场、商业、工业和其它行业的大型和超大型信息显示屏，作为传统的点阵显示技术，其低廉的成本和大型屏幕显示的特点相对于诸如等离子体、液晶等显示技术仍具有不可替代的优势。中国加入 WTO、北京申奥成功等，成为 LED 显示屏产业发展的契机。
(3).汽车指示灯
汽车指示灯包括汽车外部的各种方向灯、尾灯、刹车灯等，由于LED的快响应速度，当前面的汽车刹车时，后面的汽车可提前2一3公里看到信号，减少车祸发生。同时可降低油耗，使汽车每一加仑油增开1公里，同时减少污染。
(4).办公自动化设备与仪器仪表指示灯
现代化智能型的仪器仪表、办公自动化设备需要各种信号灯或指示灯，第一章LED产业的发展背景与趋势而LED由于其节能和长使用寿命的特点使它成了不可缺少的部件。
(5).背光光源
高性能L印还可用于小型液晶显示器(LCD)的背光照明，适用于蜂窝电话和笔记本型电脑等。最普通的应用是电话按键的背光照明，随着小型液晶显示器及未来个人通信产品用量的增长，将带动LED市场需求量提高。
(6).特种用途光源与建筑装饰
特殊用途照明，如建筑装饰、井下、矿灯、水下作业、特殊场地施工等传统的光源使用起来不方便或缺点明显的地方都可以采用LED光源。(7).固体照明光源
高性能LED的实用化和商品化，使照明技术面临一场新的革命，由多个超高亮度红、蓝、绿三色LED组成的像素灯不仅可以发出波长连续可调的各种色光，而且还可以发出亮度可达几十到一百烛光的白色光成为照明光源。对于相同发光亮度的白炽灯和LED固体照明灯来说，后者的功耗只占前者的10%一20%，白炽灯的寿命一般不超过3，000小时，而LED灯的寿命长达10万小时。
六．LED产业发展前景与趋势
由于发光二极管产业不断涌现新技术、新产品、新的应用，呈现了朝阳工业的欣欣向荣的景象，在21世纪的头十年中，LED产业会得到持续发展。每年全球照明市场的销售额达120亿美元，而且每年还以8%左右的增长速度递增，这一巨大的市场被业界看好，使得他们纷纷投入的LED的研究开发中来。目前照明用途LED购置成本较高，预计2002年前后LED的购置成本将通过其低廉的使用费用在3一6年内得到偿付。随后LED灯将逐渐取代白炽灯。专家们预计，到2010年一20巧年，LED有望进入普通照明市场，与传统的光源竞争，形成与传统节能光源并存的局面;据保守估计，到2025年对白炽灯和卤素灯25一30%的替代率，全球每年的能源节省预计可达40亿美元。在国外，多个知名企业在致力于 LED 照明的开发研究，如 GE、OSRAM、PHILIPS、LUMILEDS、THE LED LIGHT、IDEC 等公司。国产 LED 显示屏的性价比比较高，市场占有率近100%，年平均增长率为 40%左右。美国 GE 公司和 EMCORE 公司合作成立新公司，专门开发白光 LED，以取代白炽灯、紧凑型荧光灯、卤钨灯和汽车灯。德国欧司朗公司与西门子公司合作开发LED 照明系统。随着第三代半导体材料氮化稼的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体技术引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。尽管还无法完全取代传统的白炽灯，但景观照明已成为半导体照明的新兴力量。
参 考 文 献
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[4] 杨亦红，发光二级管特征参数分析及其测试技术研究［学位论文］．浙江大学，2004：6-11 [5]《半导体学报》，中国电子协会出版社，2001年第2，3期
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[13] 太阳能与LED照明结合势在必行[N].消费日报, 2009,(2009-01-22)
第四篇：免费-生物反应器的应用状况与前景
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生物反应器的应用状况与前景
摘要：生物反应器是指用于生物反应过程的容器总称。包括酶反应器、固定细胞反应器、各种细胞培养器和发酵罐等。本文阐述了生物反应器的应用现状及前景。关键词：生物反应器 应用 前景
生物反应工程学科是随着生物技术的发展逐步形成的，生物反应工程是一门以生物学，工程学，计算机与信息技术等多学科为基础研究生物反应过程中带有共性工程技术问题的交叉学科，生物反应工程以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物过程方面的知识相结合，进行生物反应过程的分析与开发，以及生物反应器的设计、操作和控制等。
自然界中的生物现象可以说是无处不在，这些现象中的核心是生物微化反应，或者说是生物的生长、繁殖、形成产物、某些物质的减少或增加过程。一般生物反应过程可以分为三个阶段：第一阶段指原料处理和培养基制备；第二阶段是利用生物反应器通过生物反应产生目的产物的过程；第三阶段指目的产物的提取与精制。
随着生物技术的发展，利用数学、化学工程学、化学工程原理和计算机技术等进行生物反应过程研究，使培养操作过程控制更为合理，新的生物反应器不断出现。现今，生物反应器在许多领域都有应用：
一． 动物培养用生物反应器
动物细胞体外培养时，生物反应器是整个培养过程的关键设备，为细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。由于动物细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于动物细胞大规模培养，特别是组织工程的需要，促使新型生物反应器的研究与开发。生物反应器的分类及结构特点：
1、搅拌式生物反应器
搅拌式反应器靠搅拌桨提供液相搅拌的动力，它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性，因此在生物反应中被广泛使用。但由于动物细胞没有细胞壁的保护，因此对剪切作用十分敏感，直接的机械搅拌很容易对其造成损害，传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。所以，动物细胞培养中的搅拌式反应器都是经过改进的，包括改进供氧方式、搅拌桨的形式及在反应器内加装辅件等。（1）供氧方式的改进
一般情况下搅拌式反应器还常伴有鼓泡，为细胞生长提供所需氧分。由于动物细胞对鼓泡的剪胞生长提供所需氧分。由于动物细胞对鼓泡的剪切也很敏感，所以人们在供氧方式的改进上做了许多工作。笼式供氧是搅拌式动物细胞反应器供氧方式的一种，即气泡用丝网隔开，不与细胞直接接触。反应器既能保证混合效果又有尽可能小的剪切力，以满足细胞生长的要求。北野昭一报道了一个经过改进的搅拌式动物细胞反应器，整体呈梨形，搅拌置于反应器底部，在搅拌轴外装了一个锥形不锈钢丝网
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与搅拌轴一起转动。轴心处的鼓泡管在丝网内侧鼓泡，丝网外侧的细胞不与气泡直接接触。
（2）搅拌桨的改进
搅拌桨的形式对细胞生长的影响非常大，这方面的改进主要考虑如何减小细胞所受的剪切力。有人对搅拌桨的形式作了改进，并在反应器内加装了辅件，实验证明改进后的反应器适用于对剪切力敏感的细胞进行高密度培养。
2、非搅拌式生物反应器
搅拌式生物反应器用于动物细胞培养存在的最大缺点是剪切力大，容易损伤细胞，虽然经过各种改进，这个问题仍很难避免。相比之下，非搅拌式反应器产生的剪切力较小，在动物细胞培养中表现出了较强的优势。
（1）填充床反应器填充是在反应器中填充一定材质的填充物，供细胞贴壁生长。营养液通过循环灌流的方式提供，并可在循环过程中不断补充。细胞生长所需的氧分也可以在反应器外通过循环的营养液携带，因而不会有气泡伤及细胞。这类反应器剪切力小，适合细胞高密度生长。
（2）中空纤维反应器中空纤维反应器由于剪切力小而广泛用于动物细胞的培养。
（3）气升式生物反应器气升式生物反应器(airliftbioreactor)也是实现动物细胞高密度培养的常用设备之一，其特点是结构简单，操作方便。有人在气升式反应器中利用微载体培养技术，研究了Vero细胞高密度培养的工艺条件。
传统的生物反应器速率较慢；体积反应速率不高；反应器体积大；产物浓度低，因此要求性能更高的生物反应器。
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。用于细胞过程生理特性和过程传递特性研究的生物反应器研制，其中主要解决用于过程分析的各种传感器选型研制和数据处理软件包的研制。特别是近年来随着微生物基因组测序和系统生物学研究工作的深入展开，发酵过程检测与控测已经从基于参数传感技术的反馈控制发展为以信息处理为基础的生物过程检测与分析。各种谱分析与生物反应器实验数据关联起来，提供各种表型数据具有重要意义。因而对反应器设计提出了新的要求。随着生物技术在各领域的推广应用，用于海洋藻类、微生物肥料、微生态饲料、环境污染处理等大规模细胞培养需要高强度低造价的生物反应器。特别是近年来利用生物质生产燃料乙醇等能源物质的战略部署，需要应用大型高效节能生物反应器降低生产成本。发展趋势
1、以代谢流分析为核心的生物反应器
长期来发酵过程优化与放大所依据的基本思想和方法是采用经典动力学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，实质上这只是化学工程宏观动力学概念在发酵工程上的延伸。随着过程传感技术和计算机技术的发展，国家生化工程技术研究中心（上海）设计了一种用于生物过程多尺度研究的新概念发酵装置（已由上海国强
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生化工程装备有限公司组织生产，定型为FUS-50L（A）），该装置以生物反应器中物料流检测的观点，具有十四个以上在线参数检测或控制，并集中力量开发了一个适应多种反应器特点，融合多种过程理论和控制理论，便于发酵过程工艺分析和优化操作的软件包。在鸟苷发酵过程中，从反应器测量参数上发现了细胞代谢流迁移，由此实现了过程优化。该产品先后成功地在青霉素、红霉素、饲料金霉素、链霉素、黄霉素、泰乐霉素、棒酸、鸟苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因工程疟疾疫苗、基因工程植酸酶、胰岛素原（PIP）、基因工程必特螺旋霉素等多种产品上发酵优化应用取得了大幅提高发酵单位能力，其优化结果一般可由几十升发酵罐直接放大到上百立方的工业生产发酵罐。
2、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。国外用于生产的动物细胞生物反应器已趋于大型化（最大到吨级规模）、多参数与高度自动化的计算机控制系统、以及适应动物细胞对大型环境因子高敏感性的反应器精巧设计制造，并形成商品化供应用户。中国自“七五”至“八五”攻关期间立题开展有关动物细胞生物反应器研究，取得了较大进展，但哺乳类细胞培养技术要求高，技术壁垒大，有关公司在未能掌握核心技术的情况下，单凭模拟很难开展工作。抗体等其他细胞表达产品，装药量大，中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，中国有关动物细胞生物反应器产业仍近乎空白。
3、带pH测量与补料控制的摇床──摇床应用技术的发展
20世纪三十年代摇床问世以来，摇床就作为生物反应过程中必备的一种专用设备，用于微生物、动植物细胞菌种筛选、种子扩大培养等。由于摇床设备的特点，不能实时测量培养过程中的有关参数以及过程补料控制，因此长期以来一直以摇床的放瓶结果作为实验数据。当用来作为诸如菌种生理特性变化、培养基成分的作用以及温度、pH等环境条件变化等研究的依据时,实际上是一种缺乏过程研究的静态分析方法。这种方法的局限性是很显然的，例如以这种方法作为菌种选育后技术时，传统摇瓶筛选方法往往缺乏补料或供氧不足，并不一定处于代谢流分配最合理的状态，由此将出现严重的高产菌株漏筛现象。因此，国内外有关公司己注意开发带pH测量的摇床，并形成产品。
4、生物反应器中试系统设计
对于生产量大的传统生物技术产品，为了对已经通过前期研究（实验室研究和市场分析）的产品进行过程优化研究，在中试规模上达到高生产水平或质量，并进而为车间生产提供工艺放大依据和设备设计依据，必要时还可进行小批量生产，提供应用
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试验样品、或供市场销售的部分产品。为此，近年来许多有关发酵产品生产的企业迫切需要建立一个多功能的中试发酵车间。
5、大型生物反应器设计与制造技术研究
几十年来随着发酵工业的快速发展，发酵工程趋向设备大型化、高效和自动化。以传统生物技术产品来说，一些氨基酸、抗生素或发酵轻化工产品都在几十到几百M3以上发展，一些原来是小规模发酵罐的老厂搬迁新厂区，发酵罐的规模也普遍要求放大。基因工程产品一般附加值高，不需要大型生物反应器，但近年来随着基因工程酶生产技术的发展，如基因工程植酸酶的研究成功，又由于饲料添加剂的需求量大，用于基因工程高密度高表达的大型生物反应器研制已势在必行。二．植物培养用生物反应器
由于植物细胞与微生物细胞形态结构不同，植物细胞较微生物细胞大，对剪切力耐受性差，而且对氧的要求相对微生物要低得多，因此微生物反应器并不完全适合于植物细胞生长与生产。出现了许多有别于传统微生物反应器的植物细胞培养反应器并在不断完善。用于植物细胞培养的反应器主要有搅拌式、非搅拌式及其改进型反应器，另外还有植物细胞固定化反应器和膜反应器等。生物反应器的类型及其特点：
植物细胞培养具有周期长、细胞抗剪切能力弱、易团聚等特点。同时，植物细胞规模培养的目的是生产天然产物，而这些天然产物均为细胞此生代谢物。所以，植物细胞培养反应器的设计，不仅要考虑有利于细胞生长，同时还要考虑有利于产物的积累和分离。总体上讲，适合植物细胞的反应器应该具有适宜的氧传递、良好的流动性和较低的剪切力。根据不同植物细胞生长和代谢产物积累的特点，目前已研究设计出多种类型的反应器用于植物细胞培养。
反应器的选择取决于生产细胞的浓度、通气量以及所提供的营养成分的分散程度。根据通气和搅拌系统的类型可将生物反应器分为以下几类： 1 机械搅拌式生物反应器
机械搅拌式生物反应器有较大的操作范围，混合程度高，适应性广，在大规模生产中广泛使用。搅拌罐中产生的剪切力大，容易损伤细胞，直接影响细胞的生长和代谢，特别对于次级产物生成影响极大。搅拌转速越高，产生剪切力越大，对植物细胞伤害越大。对于有些对剪切力敏感的细胞，传统的机械搅拌罐不适用。为此，对搅拌罐进行了改进，包括改变搅拌形式、叶轮结构与类型、空气分布器等，力求减少产生的剪切力，同时满足供氧与混合的要求。非搅拌式生物反应器
相对于传统搅拌式反应器，非搅拌式反应器所产生的剪切力较小，结构简单，因此被认为适合植物细胞培养，其主要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器和转鼓式反应器等。
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通过对培养紫苏细胞的生物反应器比较发现鼓泡式反应器优于机械搅拌式反应器。但由于鼓泡式反应器对氧的利用率较低，如果用较大通气量，则产生的剪切力会损伤细胞。研究表明，喷大气泡时，湍流剪切力是抑制细胞生长和损害细胞的重要原因。较大气泡或较高气速导致较高剪切力，从而对植物细胞有害。
气升式反应器广泛应用于植物细胞培养的研究和生产。通过胡萝卜细胞培养研究发现，比较搅拌罐、气体喷射罐和带通气管的气升式反应器，最高细胞浓度和最短倍增时间可从气升罐中得到。气升式反应器用于多种植物细胞悬浮培养或固定化细胞培养，但其操作弹性较小，低气速时，尤其H/D大，高密度培养时，混合性能欠佳。过量供气，过高的氧浓度反而会影响细胞的生长和次生代谢产物的合成。将气升式发酵罐与慢速搅拌结合使用可弥补低气速时混合性差的弱点，采用分段的气升管，也有利于氧的利用与混合。
转鼓式反应器用于烟草细胞悬浮培养的研究发现，与有一个通风管的气升式反应器相比，相同条件下转鼓式反应器中生长速率高，其氧的传递及剪切力对细胞的伤害水平方面均优于气升式反应器。3 光生物反应器
许多植物细胞培养过程中需要光照，往往考虑在普通反应器基础上增加光照系统，但在实际中存在很多问题，如光源的安装、保护，光的传递，还有光照系统对反应器供气、混合的影响等。小规模实验往往采用外部光照，反应器表面有透明的照明区，光源固定在反应器外部周围。但大规模生产时透光窗的设置，内部培养物对光的均匀接受等问题难以解决，因此许多人对采用内部光源的反应器进行了研究。其他新型反应器
根据植物细胞的特性，许多有别于传统微生物反应器的新型反应器正用于植物细胞的研究生产，如各种固定化植物细胞反应器和膜反应器等。Dubuis等用新型环回式流化床反应器(loopfluidizedbedreactor)进行coffeaarabica培养，测定了生长和产物合成的动力学参数，认为该反应器操作方便，消除了气体直接喷射引起的剪切力，易于测定放大所需的参数，适合中试和工业化生产。Nagai等用固定床反应器培养固定化烟草细胞，生长速率与摇瓶相同，胞内合成与摇瓶无明显区别。分类
一、悬浮培养生物反应器 １机械搅拌生物反应器
尽管机械搅拌反应器已成功用于许多细胞的培养中，反应器内的温度、pH、溶氧及营养物质浓度较其他反应器更易控制等优点，但由于机械搅拌造成的剪切力以对植物细胞造成较大的损伤，对次级代谢产物的合成也会产生影响，同时会带来染菌和机械上的问题，因此需筛选出抗剪切力的细胞系，也可对反应器结构进行改造，尤其是搅拌桨的结构和类型
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载 的改进，使其具有缓和、充分的搅拌效果。
2非机械搅拌式反应器
植物细胞的培养比较多地采用各种非机械搅拌生物反应器，其中常用的是气体搅拌生物反应器。气体搅拌生物反应器没有活动的搅拌装置，在很大程度上减少了剪切力，并能在长期操作中保持无菌。气体搅拌生物反应器包括鼓泡塔和气升式反应器等。气体搅拌生物反应器结构较简单，氧传递效率高，剪切力低，对细胞的损伤小，容易实现长期无菌培养，较适用于植物细胞培养。
缺点：操作弹性小，低气速时尤其在培养后期细胞密度较高时，混合效果较差。如果提高通气量，又会产生大量泡沫，也易于驱除培养液中的二氧化碳和乙烯，对细胞生长有阻碍作用。过高的溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利。
二、固定化细胞生物反应器 1填充床生物反应器
细胞可以位于支撑物表面，也可包埋于支撑物之中，培养液流经支撑物颗粒，不断被细胞利用。优点：单位体积固定细胞量大。缺点：混合效果低，对必要的氧传递、pH、温度控制和气体产物的排除造成困难，影响细胞的培养。2流化床生物反应器
利用液体的能量来悬浮颗粒。颗粒呈流化状态所需的能量与颗粒大小成正比，因此常采用小固定化颗粒，这些小颗粒良好的传质特性是流化床反应器的优点，缺点：剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞。3膜生物反应器
采用具有一定孔径和选择透性的膜固定植物细胞。营养物质通过膜渗透到细胞中，细胞产生的次级代谢产物通过膜释放到培养液中。主要有：中空纤维反应器和螺线式卷绕反应器，优点：可以重复使用。
传统的生物反应器速率较慢；体积反应速率不高；反应器体积大；产物浓度低，因此要求性能更高的生物反应器。
随着生物技术在各领域的推广应用，用于海洋藻类、微生物肥料、微生态饲料、环境污染处理等大规模细胞培养需要高强度低造价的生物反应器。特别是近年来利用生物质生产燃料乙醇等能源物质的战略部署，需要应用大型高效节能生物反应器降低生产成本。
许多实验证明，在植物细胞培养过程中，抑制细胞生长和损伤细胞的主要是剪切力，而不是氧供应不足，相反，过高的氧浓度往往抑制细胞生长和产物合成。提高混合程度，减低剪切力，是目前设计适于植物细胞培养反应器的主要原则，但如果能提高植物细胞对剪切力的耐受程度，将大大简化反应器的选择和设计问题。很多情况下，剪切力抑制产物的合成，但对生长影响不大，探讨其机理有助于采取相应措施解决。对于需要光照的细胞，还要考虑光源的设置、光传递及光的产热问题。不同植物细胞的特性，如对剪切力的耐受性、结团情况、倍增时间、对氧和光的需求等各不相同，没有哪种反应器能满足所有植物细胞的要求，实验中应根据细胞特性采用合适的反应器，进一步研究各种植物细胞和不同反应器中流体力学的性质，可为选择和设计植物细胞培养反应器提供可靠的依据。
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三．微藻培养用生物反应器
根据微藻自身的营养特点，可通过光能自养和化能异养两种方式来培养微藻。
微藻培养用生物反应器分类
1.封闭式光生物反应器 2.敞开式光生物反应器 比较
封闭式光生物反应器比敞开式培养系统有以下优点
1、培养密度高，收获效率也显著提高；
2、培养条件易于控制，易于实现高密度培养，对代谢产物积累有利；
3、无污染，可实现纯种培养；
4、不受地域环境限制，生产期长，可终年生产；
5、适合于所有微藻的光自养培养，尤其适合于微藻代谢产物产品的生产。四．医学
组织工程是生物医学工程领域中一个快速发展的分支，它融合了细胞生物学和工程学的原理，目的在开发具生物活性的组织替代物，期能修复受损组织或是再生。由于组织工程对象是人体组织，细胞和组织块之体外培养条件必须仿生地接近人体内环境，因此生物反应器即为良好的应用工具，除在种子细胞增殖、组织块建构培养扮演重要角色外，生物反应器尚能控制pH、溶氧、机械应力、营养供给及代谢物移除等条件，为细胞的生长、分化和发育分化提供最适宜的环境。
如在旋转生物反应器内，应用微载体技术快速扩增并向软骨分化人脂肪干细胞。将人脂肪干细胞结合Cytodex3微载体在旋转的生物反应器（RCSS）内进行动态培养，应用倒置显微镜和扫描电镜对微载体表面的脂肪干细胞进行动态观察，并对收获的脂肪干细胞进行SafraninO、toluidine blue染色等组织化学染色及Ⅱ型胶原的免疫化学染色分析。脂肪干细胞于24 h内贴附于Cytodex3微载体表面，细胞形态为短梭形，随时间的延长，贴附于微载体的细胞逐渐增多，到培养后期，细胞密度可达最初接种的19倍左右，在微载体上收获的细胞进行番红花O、阿利新蓝染色呈阳性，Ⅱ型胶原染色阳性，均强于对照组。利用微载体细胞培养技术可简便快速地在体外扩增脂肪干细胞，并成功实现向软骨细胞分化。因此，本研究利用生物反应器技术结合微载体对ADSCs进行快速扩增同时向软骨细胞方向诱导，旨在观察ADSCs在微载体上增殖分化情况，探讨其未来临床应用的可行性。
生物反应器的商业应用前景
在过去15年里，生物技术工业不仅诞生了百亿美元级的公司，而且也成为当今世界商业活动中增长最快的领域之一。生物技术产品的市场非常大，包括了医药、农业、渔业、造纸业和其他许多产业。据统计，从上世纪80年代至今，通过DNA重组技术所生产的生物医药年销售额已超过100亿美元。由于生物医药产业被许多国家视为强劲的经济增长点而加以重点扶持，生物医药的年销售规模将从1996年的101亿美元扩大到2006年的320亿美元，平均年增长率将达12%以上，其中治疗药物年平均增长16%，诊断试剂年平均增长9%。
美国是现代生物技术发展较早和较快的国家，1994年，美国生物技术药品年销售额为50多亿美元，至2001年，美国生物技术产品在全球市场上的销售额达200亿美元，占到全球总市场的约90%以上。此外，美国还拥有世界上约一半的生物技术公司和一半的生物技术专利。迄今为止，获得美国FDA批准上市的治疗类生物技术药品共16种，另外约有400多种生物诊断试剂在临床中应用。
免
费
下
载
参考文献：
1.张元兴，许学书.生物反应器工程.上海：华东理工大学出版社，2001
2.戚以政，汪叔雄编著，<<生化反应动力学与反应器>>第一版，化学工业出版社，1996 3.俞俊棠等主编，<<生物工艺学>>上下册，第一版，华东化工学院出版社，1992年 4徐小增、于国祥(1996).实用新型细胞培养生物反应器.CN 2236493Y[专利].5、陈坚，李寅.发酵过程优化原理与实践.化学工业出版社.2002
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第五篇：汽车发动机材料技术发展动态
汽车发动机材料技术发展动态
发动机技术发展趋势
伴随汽车产销量快速增长带来的是大气污染和石油消耗。目前，中国已成为仅次于美国和日本的第三大石油进口国。而汽车的石油消耗又占了中国石油年消耗量的50%。无疑，先进的发动机技术在汽车节能、环保技术开发中起着关键的决定性作用。
自20世纪末期以来，汽车排放法规日益严格。与美国上世纪90年代中实施的联邦排放法规相比，于2007年全面实施的新联邦排放法规将要求汽车氮氧化物排放降低幅度高达95%，碳氢排放物降低幅度高达84%。2007年美国联邦排放标准中第五分组碳氢排放极限约为欧Ⅳ排放极限的一半。
这越来越严格的排放法规和人们对节能认识的加深，使得低排放、低油耗、高功率密度、代用燃料(压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、二甲醚、甲醇、乙醇汽油、生物柴油等)等车用发动机技术的开发受到高度的重视，从而促使传统的内燃机技术不断创新。如汽油机直喷技术、可变气门定时技术、可变进气管、燃烧速率控制滑片、可变排量技术、高压共轨直喷柴油机等等。
关键零部件材料技术
随着汽车工业的发展，对汽车零部件的要求越来越高，需要满足更高的机械载荷、更高的温度、更强的腐蚀环境、更苛刻的润滑条件，因此，对材料的要求也日趋严格，高强度、轻量化、耐热、耐磨、减摩、耐蚀等成为如今的发展方向。如下以缸体与缸盖、曲轴、连杆等为例介绍零部件材料技术。
缸体与缸盖
缸体与缸盖选择材料的主要出发点在于高强度、优良的热疲劳性能，轻量化。轿车发动机的汽油机已普遍从灰铸铁到铝合金，现在正逐步发展到镁合金材料。以宝马6缸镁铝复合发动机缸体为例，缸套及缸体的内芯部分为AlSi17Cu4Mg铝合金，外壁与基座为AJ62镁合金。复合缸体中镁合金重18kg。与铸铁缸体比较，铝缸体减重幅度约26％，而镁铝复合缸体可达44％。2005年宝马3系列、5系列和7系列，以及2006年上市的Z4Roadster和Z4Coupe均已采用这种镁铝复合缸体的发动机。
今后需继续研究的课题有：
耐热镁合金材料开发。
材料性能测试：静态机械性能、高周与低周疲劳性能、蠕变抗力、耐腐蚀性能、螺栓摩擦性能及载荷保持能力。
结构优化设计。
铸造工艺。
毛坯检测技术。
未来重型柴油机缸体、缸盖材料，灰铸铁、合金灰铸铁有逐渐被蠕墨铸铁替代的趋势。蠕墨铸铁有两大优点：第一、它的强度高，意味着气缸可以在更高的压力下工作，从而满足日益严格的尾气排放要求；第二、如果工作压力不变，设计师可以减轻发动机的重量，改进其紧凑性。
如今，考虑到轻量化能达到减排的效果，铝合金成为中小型柴油机缸体与缸盖材料的发展方向。梅塞德斯－奔驰公司最近成功开发出了世界第一台全铝3L直喷式柴油机，并投入了批量生产。铝合金缸体的重量较铸铁减少了35kg，其它铝零件还有缸盖、缸盖罩、水泵活塞、油底壳、加压分配器等。其功率密度达0.97kW/kg，较原设计提高了20％。
本田公司开发出了所谓的“先进半固态铸造技术”，并成功地用于其最新的2.2L轿车柴油机铝合金缸体的生产。该柴油机为四缸共轨直喷式，对缸体的性能要求很高。“先进半固态铸造技术”是一种新的喷射铸造工艺，它除了具有普通压铸生产效率高的优点外，独特之处在于可使用砂芯并消除气孔，因而可采用固溶处理大幅提高缸体的强度。它较同尺寸的常规铸铁缸体减轻了15kg，而刚度却显著增加。
曲轴
选材的主要出发点是考虑疲劳强度及耐磨性。
钢
调质钢：
45、40Cr、35CrMo、42CrMo。
非调质钢：48MnV、C38N2、49MnVS3、43MnVS、38MnSiV。
球墨铸铁
珠光体球铁：QT700－
2、QT800－
2、QT800－
6、QT900－
2、QT900－5。
以下是对多种强化工艺的分析：
表面感应淬火
强化机理：表层材料硬度提高，圆角形成残余压应力。
强化效果：零件弯曲疲劳极限提高幅度，锻钢曲轴在80％以上，球铁曲轴在20％左右。
钢＋轴颈及圆角表面感应淬火是目前承载能力最高的一种曲轴材料工艺组合，为重型及高爆压发动机所广泛采用，但其工艺难度较大(变形、淬硬层均匀性、圆角表面光洁度等)。
圆角滚压
强化机理：圆角形成大的残余压应力场，表层材料冷作硬化。
强化效果：零件弯曲疲劳极限提高幅度，锻钢曲轴在80％以上，球铁曲轴在100％以上。
球铁＋轴颈表面感应淬火＋圆角滚压是目前性价比最高的一种曲轴材料工艺组合，虽然其疲劳强度较同等圆角淬火钢曲轴低15％左右，但它具有以下优点：成本约下降40％~50％；减重8％以上；耐磨性好；减振降噪。
圆角滚压球铁曲轴广泛应用于轻型车和轿车发动机，它在相当程度上可取代锻钢曲轴用于中等增压的柴油机(已有小批量应用于160bar发动机的实例)。
氮化 强化机理：表层形成硬化层，圆角产生残余压应力。
强化效果：零件弯曲疲劳极限提高幅度，锻钢曲轴在大约30％~60％；球铁曲轴在大约20％~40％。
氮化属于一种整体表面处理工艺，因其能耗高、效率低、成本高、强化效果有限、对环境造成污染等缺点，将逐步被淘汰。
连杆
连杆的选材主要出发点是材料需具有疲劳强度，轻量化的特征。现今连杆材料技术有：
铸造连杆
球墨铸铁－QT700-2
可锻铸铁－GTS-65
锻造连杆
调质钢－
45、55，40MnB、40Cr、45Mn2、53CaS、42CrMo
非调质钢－有35MnVS、35MnVN、40MnV、48MnV，C70S6，粉末冶金连杆
连杆的制造工艺有粉末锻造和常规粉末烧结。粉末冶金连杆有技术经济性的优点。与锻钢连杆相比有较好的机械性能和重量精度，由于配粉时的精确称量及采用闭式模锻技术，零件重量误差很小，以致无需分级配重。尺寸精度也较好，尺寸公差可控制在普通连杆的1/5以内。除此之外，连杆的整体质量减轻10％以上，材料可节约40％，机加工工序减少约47％，能源消耗可节约50％，零件生产成本可降低10％。
上世纪八十年代初开始应用在日本丰田公司1981年建成粉锻连杆生产线，用于Camry轿车1.8L发动机。到本世纪初粉锻连杆生产已累计超过5亿支，目前广泛应用于轿车发动机。
连杆分离面断开工艺是利用低塑性材料在应力集中条件下的脆性断裂特性加工分离面的一种新工艺，利用断口的高度啮合特性定位，极大地简化了连杆结构，连杆加工也更加简单。
裂解工艺适用于铸造连杆、锻造连杆、粉冶连杆。连杆裂解工艺与传统加工方法相比，胀断技术优越性体现在：改善连杆结合面定位；使连杆由分体加工变为整体加工，取消杆、盖结合面的切削、拉削与磨削等工序；降低了螺栓孔的加工精度和加工成本；简化连杆及连杆螺栓结构；节省投资25%；减少刀具费用35%；节省能源40%；生产成本可降低15%~30%。
目前，连杆裂解工艺已应用于国外多个厂商，国内也已开发出胀断连杆品种，上海大众、一汽大众、东风本田、上海通用都已采用了胀断连杆技术。
裂解工艺的应用将在未来越来越广泛，粉末冶金连杆所占低比例将稳步增长，铝基复合材料连杆的研究开发力度将加大。
活塞
活塞的选材主要出发点是须有高温强度高，抗氧化、耐蚀，轻量化的特性。目前活塞材料技术采用：
铝合金＋表面处理，其中铸造铝合金应用在汽油机、中重型柴油机；锻造铝合金主要用于高级轿车及赛车发动机。
锻钢－调质钢、非调质钢，应用于重型柴油机。
钢－铝组合，应用于重型柴油机。
铸铁－灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁，在大、中缸径的中、低速柴油机中应用。
活塞顶部的处理方法主要有阳极氧化处理、镀铬、陶瓷喷镀、微弧氧化；活塞裙部的处理方法主要有镀锡、涂石墨、涂二硫化钼。
锻钢活塞的特点：
强度高－可承受最高的爆压达250bar。
强热稳定性，高刚度，长寿命－满足可靠性100万km。
尺寸紧凑－可以实现压缩高度仅为气缸直径的一半。
配缸间隙小－具有极好的导向性能。
重量与铝活塞接近。
整体锻钢活塞是重型柴油机未来的发展方向，铝基复合材料和碳基复合材料是活塞新材料。铝基复合材料是以铝合金为基体，添加了纤维、晶须、颗粒等增强材料而制成的一种金属复合材料，它具有单一材料所无法达到的综合性能。用于制造活塞整体或局部增强(燃烧室口边缘、环槽、销孔等部位)。它的优点是重量轻、动载荷小、耐磨性好，与基体合金相比其高温强度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数。碳纤维增强碳基复合材料的性能有：①热膨胀系数低(1~5×106/℃)，约是铝合金的1/10；②热导率高(150~180W/m·K)；③密度小(约为1.80g/cm3)，是陶瓷的1/2~1/3；④摩擦性能好(摩擦系数为0.2~0.3)，且具有自润滑作用；⑤热冲击性能优良；⑥最优异的高温性能。碳基复合材料活塞优点有：
①不但减轻了活塞的重量，而且因级联效应可减轻如连杆、曲轴、飞轮等零件的重量，由此可大大提高内燃机的热效率和机械效率。
②提高了活塞的使用温度，如活塞顶覆盖CVR硅基涂层，其使用温度可提高到1400℃。
③如果气缸套也用碳基复合材料制造时，气缸套与活塞之间的间隙很小，甚至无需活塞环和活塞裙，从而进一步地提高了内燃机的机械效率。
具有轻量化潜力的零件
汽车轻量化技术无论对传统燃油汽车还是新能源汽车，都是一项共性的基础技术，是一项涉及汽车产品设计、安全、材料、制造、回收再利用等领域的复杂系统工程。研究显示，乘用车的重量减轻10％，油耗将降低6％~8％。这只是轻量化汽车节能的一方面，此外，重量减轻还减少了原材料在生产过程中的能耗，节能的同时实现了减排。
材料技术是发动机技术发展的基础，发动机的技术进步又有力地推动了材料技术的发展，材料技术发展的优先度分别为法规、性能、成本。铝合金已广泛应用于进气管、普通飞轮壳、PTO飞轮壳、齿轮室、油底壳、机油冷却器壳等零部件中。如今，镁合金、非金属材料也渐渐应用于发动机技术中。
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