第一章-生物反應(yīng)器PPT

1、1第一章 生物反應(yīng)器Bioreactor2第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 各種細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)過(guò)程都要通過(guò)細(xì)胞的培養(yǎng)，而細(xì)胞培養(yǎng)所用的裝置就是反應(yīng)器反應(yīng)器。生物反應(yīng)器的作用：生物反應(yīng)器的作用：就是要為細(xì)胞代謝提供一個(gè)優(yōu)化的物理及化學(xué)環(huán)境，使細(xì)胞能更快更好地生長(zhǎng)，得到更多的需要的生物量或代謝產(chǎn)物。生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)器是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，是一種生物功能模擬機(jī)，如發(fā)酵罐 、 固 定 化 酶 或 固 定 化 細(xì) 胞 反 應(yīng) 器 等 。3如何使細(xì)胞生長(zhǎng)的更快更好？如何使細(xì)胞生長(zhǎng)的更快更好？一、好的細(xì)胞株系一、好的細(xì)胞株系二、良好的環(huán)境條

2、件二、良好的環(huán)境條件1 1、良好的物理環(huán)境：、良好的物理環(huán)境：最主要的有溫度、最主要的有溫度、pHpH、溶氧量、合、溶氧量、合適的混合強(qiáng)度以保證細(xì)胞與營(yíng)養(yǎng)物的接觸及細(xì)胞的懸適的混合強(qiáng)度以保證細(xì)胞與營(yíng)養(yǎng)物的接觸及細(xì)胞的懸浮等。浮等。2 2、合適的化學(xué)環(huán)境：、合適的化學(xué)環(huán)境：要求有合適的各種營(yíng)養(yǎng)物的濃度，要求有合適的各種營(yíng)養(yǎng)物的濃度，并限制各種妨礙生長(zhǎng)代謝的有毒物質(zhì)的濃度。并限制各種妨礙生長(zhǎng)代謝的有毒物質(zhì)的濃度。4研究生物反應(yīng)器的目的研究生物反應(yīng)器的目的1 1、確定為達(dá)到一定的生產(chǎn)目的需要多大的生物反應(yīng)、確定為達(dá)到一定的生產(chǎn)目的需要多大的生物反應(yīng)器，什么樣的結(jié)構(gòu)更好。器，什么樣的結(jié)構(gòu)更好。2 2、

3、對(duì)已有的生物反應(yīng)器進(jìn)行分析，達(dá)到優(yōu)化的目的。、對(duì)已有的生物反應(yīng)器進(jìn)行分析，達(dá)到優(yōu)化的目的。3 3、分析各種生物反應(yīng)器的數(shù)據(jù)，從而對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、分析各種生物反應(yīng)器的數(shù)據(jù)，從而對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝等過(guò)程有更加深入的理解。代謝等過(guò)程有更加深入的理解。（生物反應(yīng)器是工程學(xué)的一部分也是化學(xué)工程的一（生物反應(yīng)器是工程學(xué)的一部分也是化學(xué)工程的一個(gè)分支）個(gè)分支）5化學(xué)工程還包括下面幾個(gè)重要的內(nèi)容化學(xué)工程還包括下面幾個(gè)重要的內(nèi)容1 1、流體的輸送及混合。、流體的輸送及混合。核心問(wèn)題是流體之間動(dòng)量的傳遞、機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。2 2、熱量的傳遞。、熱量的傳遞。生物反應(yīng)器要考慮發(fā)酵熱的傳出以及發(fā)酵罐溫度的控制。3 3、物質(zhì)的

4、傳遞。、物質(zhì)的傳遞。生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行著各種物質(zhì)傳遞過(guò)程，這些傳遞過(guò)程的強(qiáng)度主要由濃度差以及擴(kuò)散的面積決定。6第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)n一、細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)、描述方法的分類(lèi)一、細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)、描述方法的分類(lèi)n二、細(xì)胞的濃度及其測(cè)量二、細(xì)胞的濃度及其測(cè)量n三、均衡生長(zhǎng)模型三、均衡生長(zhǎng)模型n四、其它模型四、其它模型7一、細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)一、細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)（一）細(xì)胞培養(yǎng)（一）細(xì)胞培養(yǎng) 1 1、細(xì)胞培養(yǎng)的一般條件、細(xì)胞培養(yǎng)的一般條件n溫度溫度npHpHn滲透壓滲透壓n營(yíng)養(yǎng)物營(yíng)養(yǎng)物 n水水 n無(wú)菌條件無(wú)菌條件 n光光 n氣體氣體 82 2、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的特殊條件、動(dòng)物細(xì)胞

5、培養(yǎng)的特殊條件n (1) (1)血清：血清：動(dòng)物細(xì)胞離體培養(yǎng)常常需要血清。最常用的是小牛血清。血清提供生長(zhǎng)必需因子，如激素、微量元素、礦物質(zhì)和脂肪。n (2)(2)支持物：支持物：大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞有貼壁生長(zhǎng)的習(xí)慣。離體培養(yǎng)常用玻璃，塑料等作為支持物。n (3)(3)氣體交換：氣體交換：二氧化碳和氧氣的比例要在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，不斷維持所需要的氣體條件。93 3、植物細(xì)胞培養(yǎng)的特殊條件、植物細(xì)胞培養(yǎng)的特殊條件n(1)(1)光照：光照：離體培養(yǎng)的植物細(xì)胞對(duì)光照條件不嚴(yán)格，因?yàn)榧?xì)胞生長(zhǎng)所需要的物質(zhì)主要是靠培養(yǎng)基供給，但光照不但與光合作用有關(guān)，而且與細(xì)胞分化有關(guān)。n (2)(2)激素：激素：植

6、物細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)特別需要植物激素的調(diào)節(jié)，促進(jìn)生長(zhǎng)的生長(zhǎng)素和促進(jìn)細(xì)胞分裂的分裂素是最基本的激素。104 4、微生物細(xì)胞培養(yǎng)的特殊條件、微生物細(xì)胞培養(yǎng)的特殊條件n微生物多為單細(xì)胞生物，野生生存條件比較簡(jiǎn)單。微生物多為單細(xì)胞生物，野生生存條件比較簡(jiǎn)單。 所以微生物人工培養(yǎng)的條件比動(dòng)植物細(xì)胞簡(jiǎn)單得多。其中厭氧微生物培養(yǎng)比好氧微生物復(fù)雜。n微生物對(duì)培養(yǎng)條件要求不如動(dòng)植物細(xì)胞那樣苛刻微生物對(duì)培養(yǎng)條件要求不如動(dòng)植物細(xì)胞那樣苛刻，玉米漿、蛋白胨、麥芽汁、酵母膏等成為良好的微生物天然培養(yǎng)基。11（二）描述方法（二）描述方法 動(dòng)力學(xué)的研究目的是定量地描述過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究目的是定量地描述過(guò)程的速率以及影響過(guò)程速率

7、的諸多因素。的速率以及影響過(guò)程速率的諸多因素。 生物過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究的主要問(wèn)題是生物反應(yīng)的速率，特別是細(xì)胞生長(zhǎng)的速率、各種基質(zhì)組分的消耗速率、代謝產(chǎn)物的生成速率。12常用的有常用的有：反應(yīng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間物質(zhì)濃度的變化量。如：細(xì)胞的生長(zhǎng)速率、代謝產(chǎn)物的生成速率等。得率系數(shù)：兩種物質(zhì)得失之間的計(jì)量比。如：菌體的生成量對(duì)基質(zhì)消耗量的得率系數(shù)。比速率：?jiǎn)挝粷舛鹊木w、單位時(shí)間引起某物質(zhì)濃度的變化量。如：菌體的比生長(zhǎng)速率、基質(zhì)的比消耗速率、產(chǎn)物的比生成速率。13理想流動(dòng)和非理想流動(dòng)兩種理想流動(dòng)模式全混式全混式，即反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)濃度及其它條件均一?；钊魇交钊魇剑捶磻?yīng)器內(nèi)物質(zhì)沿一定方向流動(dòng)，完全沒(méi)有反向混

8、合。u實(shí)際反應(yīng)裝置常常介于兩者之間。14細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)及細(xì)胞群體的描述細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程與一般的化學(xué)過(guò)程不同，這個(gè)反應(yīng)體系的特點(diǎn)是，它是一種多相、多組分、非線性的體系。細(xì)胞的培養(yǎng)和代謝還是一個(gè)復(fù)雜的群體的生命活動(dòng)，通常每毫升培養(yǎng)液中含104-108個(gè)細(xì)胞。而且，像任何有生命的東西一樣，細(xì)胞也經(jīng)歷著新生、成長(zhǎng)、成熟直至衰老的過(guò)程，在其生命的循環(huán)中，也存在退化與變異的問(wèn)題。15細(xì)胞群體進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)u是否考慮細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)u是否考慮細(xì)胞之間的差別164種模型（最理想情況）把細(xì)胞群體處理為一種溶質(zhì)非結(jié)構(gòu)模型非結(jié)構(gòu)模型非離散模型非離散模型細(xì)胞之間無(wú)差異，細(xì)胞內(nèi)有多個(gè)組分（結(jié)構(gòu)）

9、結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型均衡生長(zhǎng)（假設(shè)）細(xì)胞之間不均一，細(xì)胞內(nèi)部多組分（實(shí)際情況）“平均細(xì)胞平均細(xì)胞”近似近似不考慮細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但各種細(xì)胞不均一“平均細(xì)胞平均細(xì)胞”近似近似離散模型離散模型均衡生長(zhǎng)（假設(shè)）17非離散的結(jié)構(gòu)模型文獻(xiàn)上簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)構(gòu)模型。這種模型把細(xì)胞分為具有不同生理功能的組分。這種模型考慮到胞內(nèi)不同的結(jié)構(gòu)單元，對(duì)更精細(xì)地分析細(xì)胞的代謝調(diào)控是很重要的，其分析結(jié)果對(duì)于過(guò)程的優(yōu)化往往具有指導(dǎo)作用。結(jié)構(gòu)模型考慮了胞內(nèi)各結(jié)構(gòu)單元的代謝及相互作用，因此列出的方程參數(shù)多、復(fù)雜，不容易解，即使用計(jì)算機(jī)求解也要花費(fèi)相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，因此在過(guò)程控制中較少用這種模型。18離散型非結(jié)構(gòu)模型把細(xì)胞分為幾種不同形態(tài)或

10、功能的類(lèi)別?？偟募?xì)胞量是各類(lèi)細(xì)胞量的和，各類(lèi)細(xì)胞有不同的生理功能。對(duì)于培養(yǎng)中細(xì)胞有明顯差別（形態(tài)、功能）的過(guò)程用此種離散模型最好。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：分別測(cè)出各類(lèi)細(xì)胞量是有困難的。19離散型結(jié)構(gòu)模型細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)際情況。細(xì)胞之間不均一，細(xì)胞內(nèi)部多組分。在求解和分析中最繁雜，應(yīng)用較少。20非結(jié)構(gòu)非離散模型u簡(jiǎn)稱(chēng)均衡生長(zhǎng)模型。u這種模型沒(méi)有考慮細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，又不考慮細(xì)胞之間有任何差異。因此，可以把細(xì)胞用“濃度”這一個(gè)量來(lái)描述，即把細(xì)胞看成一種“溶質(zhì)”，從而簡(jiǎn)化了胞內(nèi)外的傳遞過(guò)程分析，也簡(jiǎn)化了過(guò)程的數(shù)學(xué)描述。u對(duì)于相當(dāng)多的微生物過(guò)程分析，特別是過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，均衡生長(zhǎng)模型是可以滿足要求的。21二、細(xì)胞濃度及其測(cè)

11、量二、細(xì)胞濃度及其測(cè)量細(xì)胞濃度在培養(yǎng)過(guò)程中是一個(gè)十分重要的參數(shù)。在定量研究生物反應(yīng)之前，首先需要說(shuō)明微生物的濃度即菌體濃度的表示方法。 （g/l, kg/m3)22n細(xì)胞干重法：細(xì)胞干重法：測(cè)量細(xì)胞濃度的最基本方法。n顯微計(jì)數(shù)法：顯微計(jì)數(shù)法：顯微鏡和血球計(jì)數(shù)器。n平板計(jì)數(shù)法：平板計(jì)數(shù)法：生理鹽水稀釋?zhuān)涗浘摺濁度法：濁度法：波長(zhǎng)600-700nm范圍測(cè)量。直接測(cè)定法直接測(cè)定法23間接測(cè)定法：間接測(cè)定法：測(cè)定構(gòu)成細(xì)胞的大測(cè)定構(gòu)成細(xì)胞的大分子物質(zhì)來(lái)確定細(xì)分子物質(zhì)來(lái)確定細(xì)胞濃度。胞濃度。24三、均衡生長(zhǎng)模型三、均衡生長(zhǎng)模型1 1、細(xì)胞生長(zhǎng)模型：、細(xì)胞生長(zhǎng)模型：均衡生長(zhǎng)模型只用一個(gè)均衡生長(zhǎng)模型只用

12、一個(gè)量來(lái)描述細(xì)胞的量，即生物量或細(xì)胞的濃量來(lái)描述細(xì)胞的量，即生物量或細(xì)胞的濃度。通常用每毫升培養(yǎng)液中菌體個(gè)數(shù)或干度。通常用每毫升培養(yǎng)液中菌體個(gè)數(shù)或干菌重來(lái)描述。菌重來(lái)描述。 25（1）細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線：將微生物在一個(gè)封閉體系中培養(yǎng)，測(cè)定培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)胞濃度的變化，可得到細(xì)胞生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)曲線。p 以間歇培養(yǎng)微生物為例，在培養(yǎng)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)曲線包括延遲期、指數(shù)生長(zhǎng)期、禁止期、自溶期等階段。26（2）細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描述： u細(xì)胞生長(zhǎng)速率的一個(gè)重要參數(shù)重要參數(shù)是比生長(zhǎng)速率。u比生長(zhǎng)速率比生長(zhǎng)速率：比生長(zhǎng)速率表示在單位體積內(nèi)單位量細(xì)胞經(jīng)過(guò)單位時(shí)間增加的細(xì)胞量。這種增加包括生長(zhǎng)和繁殖兩個(gè)部分。u比生長(zhǎng)速率表

13、示菌體增長(zhǎng)的能力，它也受菌株菌株及各種物理化學(xué)環(huán)境因素物理化學(xué)環(huán)境因素的影響。27 2 2、基質(zhì)消耗的模型、基質(zhì)消耗的模型 基質(zhì)包括細(xì)胞生長(zhǎng)所需各種營(yíng)養(yǎng)成分，基質(zhì)包括細(xì)胞生長(zhǎng)所需各種營(yíng)養(yǎng)成分，其消耗主要有其消耗主要有三個(gè)方面三個(gè)方面： 一一. .是細(xì)胞的生長(zhǎng)，合成新的細(xì)胞；是細(xì)胞的生長(zhǎng)，合成新的細(xì)胞； 二二. .是細(xì)胞維持生命要消耗的能源物質(zhì)；是細(xì)胞維持生命要消耗的能源物質(zhì)； 三三. .是合成次級(jí)代謝產(chǎn)物。是合成次級(jí)代謝產(chǎn)物。28 3 3、產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型、產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型u 產(chǎn)物主要指的是細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中產(chǎn)物主要指的是細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中代謝生代謝生成的除細(xì)胞量以外的產(chǎn)品。成的除細(xì)胞量以外的產(chǎn)品

14、。u 按照其生成特點(diǎn)，產(chǎn)物可分為按照其生成特點(diǎn)，產(chǎn)物可分為兩類(lèi)：兩類(lèi)：生生長(zhǎng)偶聯(lián)型長(zhǎng)偶聯(lián)型及及非生長(zhǎng)偶聯(lián)型非生長(zhǎng)偶聯(lián)型。u 這這兩者的區(qū)別兩者的區(qū)別在于在于前者前者的生成只是在細(xì)的生成只是在細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)才能生成，而胞生長(zhǎng)時(shí)才能生成，而后者后者則只要有細(xì)胞則只要有細(xì)胞存在就能生成。存在就能生成。294、均衡生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用實(shí)例u青霉素球狀菌發(fā)酵青霉素球狀菌發(fā)酵（P6頁(yè)）u實(shí)際在生物培養(yǎng)過(guò)程中，菌體的生長(zhǎng)、基質(zhì)的菌體的生長(zhǎng)、基質(zhì)的消耗及產(chǎn)物的生成三個(gè)方面是交織在一起的消耗及產(chǎn)物的生成三個(gè)方面是交織在一起的。菌體的生長(zhǎng)消耗了基質(zhì)，而基質(zhì)濃度的變化又影響菌體的生長(zhǎng)速度，對(duì)于產(chǎn)物也是這樣。u因此，細(xì)胞培

15、養(yǎng)整體的動(dòng)力學(xué)模型是上述幾個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)整體的動(dòng)力學(xué)模型是上述幾個(gè)微分方程聯(lián)立的結(jié)果。微分方程聯(lián)立的結(jié)果。已知初始條件即可以應(yīng)用合適的數(shù)學(xué)方法對(duì)過(guò)程求解及分析。30四、其它模型四、其它模型n均衡生長(zhǎng)模型把細(xì)胞看成一個(gè)溶質(zhì)，沒(méi)有考慮胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞之間的差別。在分析胞內(nèi)的誘導(dǎo)作用在分析胞內(nèi)的誘導(dǎo)作用、對(duì)工程菌進(jìn)行動(dòng)對(duì)工程菌進(jìn)行動(dòng)力學(xué)描述力學(xué)描述以及細(xì)胞的形態(tài)和功能有較大差細(xì)胞的形態(tài)和功能有較大差異異時(shí)，應(yīng)用這個(gè)模型是不合適的。n在實(shí)際過(guò)程中，有時(shí)還需使用其它模型。比如，離散模型、結(jié)構(gòu)模型等。31第三節(jié)第三節(jié) 生物反應(yīng)器的基本類(lèi)型及其設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器的基本類(lèi)型及其設(shè)計(jì)n一、一、生物反應(yīng)器的特點(diǎn)及其分類(lèi)n

16、二、批式反應(yīng)器n三、連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器-衡化器n四、生物反應(yīng)器的強(qiáng)化32一、生物反應(yīng)器的特點(diǎn)及其分類(lèi)一、生物反應(yīng)器的特點(diǎn)及其分類(lèi)微生物的種類(lèi)很多微生物的種類(lèi)很多，特點(diǎn)各異，生物反應(yīng)器也五花八門(mén)，各以不同的方式提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)涉及采用的工藝涉及采用的工藝、攪攪拌拌和通氣系統(tǒng)通氣系統(tǒng)及主要基質(zhì)的狀態(tài)主要基質(zhì)的狀態(tài)。通氣系統(tǒng)的基本形式有浸沒(méi)式鼓泡器浸沒(méi)式鼓泡器（有或沒(méi)有機(jī)械攪拌）、表面通氣裝置表面通氣裝置和膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器。33在常溫常壓下操作在常溫常壓下操作，但要求能耐受蒸汽滅菌，制作嚴(yán)密無(wú)隙以防染菌，且用對(duì)微生物或酶無(wú)毒害的材質(zhì)材質(zhì)制作；當(dāng)用微生物為催化劑時(shí)，催化劑催化

17、劑本身是在發(fā)酵罐中產(chǎn)生的（開(kāi)始時(shí)需接入菌種），為防止雜菌污染和活性衰退，一般采用分批釜式反應(yīng)器采用分批釜式反應(yīng)器；生物反應(yīng)器的特點(diǎn)生物反應(yīng)器的特點(diǎn)：與一般化學(xué)過(guò)程的反應(yīng)器與一般化學(xué)過(guò)程的反應(yīng)器相比，其基本原理和結(jié)構(gòu)應(yīng)是相近的，但有如下特點(diǎn)：相比，其基本原理和結(jié)構(gòu)應(yīng)是相近的，但有如下特點(diǎn)：34 酶常因底物（即酶的作用物）的濃度過(guò)高發(fā)生抑制作用，微生物細(xì)胞因胞內(nèi)外滲透壓平衡問(wèn)題，要求底物濃度也不能太高，因而反應(yīng)器體積相當(dāng)龐大反應(yīng)器體積相當(dāng)龐大； 在發(fā)酵過(guò)程中，生化反應(yīng)機(jī)理和途徑相當(dāng)復(fù)雜，有的尚不清楚，很難進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)的計(jì)算及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，加上反應(yīng)時(shí)常是氣、液、固三相并存，有的反應(yīng)液粘度很大，

18、流變學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)器中物料的混合和傳遞帶來(lái)不利， 使采用化學(xué)反應(yīng)工程的原理和方法解決生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)放大問(wèn)題存在較大困難。 35生物反應(yīng)器的分類(lèi)生物反應(yīng)器的分類(lèi)（一）按照生物反應(yīng)過(guò)程來(lái)分（一）按照生物反應(yīng)過(guò)程來(lái)分n1、發(fā)酵過(guò)程用的反應(yīng)器稱(chēng)為發(fā)酵罐發(fā)酵罐；n2、酶反應(yīng)過(guò)程用的反應(yīng)器則稱(chēng)為酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器。n3、專(zhuān)為動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)用的生物反應(yīng)器，專(zhuān)稱(chēng)為動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置。 36發(fā)酵罐發(fā)酵罐 發(fā)酵罐若根據(jù)其使用對(duì)象區(qū)分使用對(duì)象區(qū)分，可有：嫌氣發(fā)酵罐、好嫌氣發(fā)酵罐、好氣發(fā)酵罐、污水生物處氣發(fā)酵罐、污水生物處理裝置等理裝置等。 其中嫌氣發(fā)酵罐最為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)中不必導(dǎo)入空氣，僅為立

19、式或臥式的筒形容器，可借發(fā)酵中產(chǎn)生的二氧化碳攪拌液體。（見(jiàn)彩圖） 37n產(chǎn)品名稱(chēng)：產(chǎn)品名稱(chēng)：5L離位滅菌自動(dòng)臺(tái)式發(fā)酵罐離位滅菌自動(dòng)臺(tái)式發(fā)酵罐 n型型 號(hào)：號(hào)： SY-3005QB 38n技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：n標(biāo)準(zhǔn)配置：標(biāo)準(zhǔn)配置：n1 1、罐體系統(tǒng)：、罐體系統(tǒng)：n罐體全容積：5L；工作容積：24Ln罐體材質(zhì)：硼硅玻璃+316L不銹鋼；罐蓋材質(zhì)：316L不銹鋼n罐體設(shè)計(jì)壓力：0.1Mpa；夾套設(shè)計(jì)壓力：0.25Mpan罐蓋結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)溫度、PH、 DO 傳感器插口各1個(gè)；標(biāo)準(zhǔn)泡沫電極插口1個(gè)；通用補(bǔ)料接口2個(gè)；接種口1個(gè)；排氣口1個(gè)；取樣管口1個(gè)n表面處理：不銹鋼內(nèi)外鏡面拋光，拋光精度Ra0.439

20、n2 2、滅菌方式：、滅菌方式：高壓滅菌鍋滅菌n3 3、攪拌系統(tǒng)：、攪拌系統(tǒng)：直聯(lián)機(jī)械攪拌；0.1KW直流電機(jī)；兩層六平葉發(fā)酵專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)槳； 控制范圍：501000rpm，控制精度：1%40n4 4、溫度控制：、溫度控制：冷卻水溫度+5 65；精度0.1；n5 5、pHpH控制：控制：瑞士梅特勒pH電極及屏蔽導(dǎo)線；范圍：2 12pH，控制精度：0.02pHn6 6、溶氧控制：、溶氧控制：瑞士梅特勒DO電極及屏蔽導(dǎo)線；范圍：5 100%，控制精度：2%n7 7、泡沫控制：、泡沫控制：自動(dòng)檢測(cè)泡沫添加消泡劑；靈敏度100 100000n8 8、補(bǔ)料控制：、補(bǔ)料控制：蠕動(dòng)泵自動(dòng)流加；范圍：0120 m

21、l/min ， 控制精度： 2%n9 9、空氣流量控制：、空氣流量控制：轉(zhuǎn)子流量計(jì)手動(dòng)調(diào)節(jié)；范圍：0 10L/min41n1010、控制系統(tǒng)：、控制系統(tǒng)： 采用兩級(jí)控制體系: 上位機(jī)(PC機(jī))+下位機(jī)(發(fā)酵罐現(xiàn)場(chǎng)控制器)；通過(guò)網(wǎng)線連接；上位機(jī)和下位機(jī)都可以單獨(dú)對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行控制；上位機(jī)接入局域網(wǎng)時(shí),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；發(fā)酵罐現(xiàn)場(chǎng)控制器采用進(jìn)口嵌入式控制核心，大屏幕液晶顯示屏、輕觸式薄膜鍵盤(pán)，全中文菜單式操作界面n11 11、發(fā)酵監(jiān)控軟件（免費(fèi)贈(zèng)送）：、發(fā)酵監(jiān)控軟件（免費(fèi)贈(zèng)送）： SY-3000E發(fā)酵監(jiān)控軟件的主要功能：顯示并記錄發(fā)酵時(shí)間、溫度、pH、溶解氧、轉(zhuǎn)速、空氣流量、 壓力、補(bǔ)料量、泡敵量、酸

22、堿劑量等發(fā)酵過(guò)程參數(shù)；手動(dòng)、自動(dòng)、順序和關(guān)聯(lián)四種控制方式；可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和輸出、動(dòng)態(tài)曲線歷史曲線顯示和打印等功能n1212、配套設(shè)備：、配套設(shè)備：空氣壓縮機(jī)：靜音無(wú)油，50L/min以上；高壓滅菌鍋：內(nèi)容量50L以上4243發(fā)酵罐組成1、殼體2、控溫部分3、攪拌部分4、通氣部分5、進(jìn)料口6、量測(cè)系統(tǒng)7、附屬系統(tǒng)44特點(diǎn)特點(diǎn)n 這種發(fā)酵罐根據(jù)其特點(diǎn)叫做機(jī)械攪拌罐，有人也叫它常規(guī)發(fā)酵罐。n 是目前使用最多的一種，適用性好，適用性好，適應(yīng)性強(qiáng)，從小型到中型、到大型的細(xì)胞培適應(yīng)性強(qiáng)，從小型到中型、到大型的細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程都可以使用，放大容易養(yǎng)過(guò)程都可以使用，放大容易。n 其缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是罐內(nèi)的機(jī)械攪拌剪切力

23、容易損傷嬌嫩的細(xì)胞，造成某些細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程減產(chǎn)。45氣體提升式發(fā)酵罐46474849酶反應(yīng)器酶反應(yīng)器 （可分兩大類(lèi)）（可分兩大類(lèi)）1、游離酶游離酶反應(yīng)器2、固定化酶固定化酶反應(yīng)器50 1 1、游離酶反應(yīng)器、游離酶反應(yīng)器以水溶液狀態(tài)與底物反應(yīng)以水溶液狀態(tài)與底物反應(yīng)。 若為分批釜式反應(yīng)器，酶就不能回收；若為分批釜式反應(yīng)器，酶就不能回收； 若用連續(xù)釜式反應(yīng)器并附有一個(gè)能把大分子若用連續(xù)釜式反應(yīng)器并附有一個(gè)能把大分子的酶留在系統(tǒng)內(nèi)的超濾裝置則可使酶連續(xù)使用。的酶留在系統(tǒng)內(nèi)的超濾裝置則可使酶連續(xù)使用。 也可將酶液置于用超濾材料制成的也可將酶液置于用超濾材料制成的U U形管或中形管或中空纖維管中空纖維管中,

24、 ,并將其置于釜式或管式反應(yīng)器進(jìn)行操并將其置于釜式或管式反應(yīng)器進(jìn)行操作，這樣也可使酶連續(xù)使用。后者接近連續(xù)管式作，這樣也可使酶連續(xù)使用。后者接近連續(xù)管式反應(yīng)器。反應(yīng)器。 51 2、固定化酶反應(yīng)器 除了和化學(xué)反應(yīng)器類(lèi)似的固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器和流流化床反應(yīng)器化床反應(yīng)器外，還有多種特殊設(shè)計(jì)特殊設(shè)計(jì)。 例如：u 將酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋裝置于反應(yīng)器（圖5）中,或u 將酶固定在中空纖維的內(nèi)壁制成反應(yīng)器；也可將固定化酶置于金屬網(wǎng)框中進(jìn)行酶反應(yīng)（圖6）。u 在反應(yīng)中產(chǎn)氣(如CO2)嚴(yán)重時(shí)，可考慮采用多層酶反應(yīng)器。525354動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)所用的生物反應(yīng)器 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)所用的生物反應(yīng)器與前面所介紹的

25、生物反應(yīng)器（用于微生物培養(yǎng)的）基本是一樣的。 但由于高等生物細(xì)胞比較嬌嫩，對(duì)培養(yǎng)高等生物細(xì)胞比較嬌嫩，對(duì)培養(yǎng)條件要求更高一些條件要求更高一些，因而在選用及設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器時(shí)要特別考慮以下幾點(diǎn)：55動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)考慮1、避免或減低由于機(jī)械攪拌而產(chǎn)生的剪切力剪切力對(duì)細(xì)胞的損傷。2、氣泡的表面張力氣泡的表面張力可對(duì)細(xì)胞造成傷害，在通氣時(shí)要防止氣泡與細(xì)胞接觸。3、在進(jìn)行PHPH調(diào)節(jié)或補(bǔ)料調(diào)節(jié)或補(bǔ)料時(shí)，要嚴(yán)格防止化學(xué)環(huán)境的急劇變化對(duì)細(xì)胞的傷害。如不能用酸、堿直接加入的方式調(diào)節(jié)PH，應(yīng)以改變CO2/O2/N2的比例為主進(jìn)行調(diào)節(jié)。56動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置 57生物反應(yīng)器的其它分類(lèi)生物反應(yīng)器還可

26、以按照其操作方式分為下面3類(lèi)：1 1、批式培養(yǎng)：、批式培養(yǎng)：指的是營(yíng)養(yǎng)物和菌種一次加入進(jìn)行培養(yǎng)，直到結(jié)束放出，中間除了空氣進(jìn)入和尾氣排出，與外界沒(méi)有物料交換。2 2、連續(xù)培養(yǎng)：、連續(xù)培養(yǎng)：連續(xù)培養(yǎng)是不斷地往反應(yīng)器中加入營(yíng)養(yǎng)物，利用罐中的菌體增殖得到產(chǎn)物，并不斷采出。實(shí)際進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)有兩類(lèi)反應(yīng)器（攪拌罐式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器）。3 3、半連續(xù)操作、半連續(xù)操作58二、批式反應(yīng)器 批式反應(yīng)可以用各種反應(yīng)器，其中以機(jī)械攪拌式機(jī)械攪拌式和氣升式氣升式用的最多。59三、連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器-恒化器 恒化器的基本操作模型如圖1-14所示（P15）。物料連續(xù)地以體積流量F流入反應(yīng)器，并以同樣流量流出去。反應(yīng)器內(nèi)有很

27、好的混合，即各點(diǎn)濃度一樣。 恒化器的操作特點(diǎn)是恒化器的操作特點(diǎn)是其流出物流的濃度與反應(yīng)器內(nèi)相同，而且加入的物流，一進(jìn)入反應(yīng)器立即與反應(yīng)器內(nèi)物料均勻混合。60四、生物反應(yīng)器的強(qiáng)化四、生物反應(yīng)器的強(qiáng)化 n1、 規(guī)模經(jīng)濟(jì)n2、過(guò)程的強(qiáng)化n3、反應(yīng)系統(tǒng)61第四節(jié)第四節(jié) 生物反應(yīng)器的放大生物反應(yīng)器的放大一、概述一、概述 在實(shí)驗(yàn)室里用小型設(shè)備進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)，獲得了較高的產(chǎn)量和效率，如何在大型的生產(chǎn)規(guī)模設(shè)備里重現(xiàn)，是生物反應(yīng)器放大要解決的問(wèn)題。62放大的方法放大的方法數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法半數(shù)學(xué)模型法半數(shù)學(xué)模型法因次分析法因次分析法：又稱(chēng)量綱分析，是對(duì)過(guò)程有關(guān)物理量的因次（即量綱）進(jìn)行分析，得到為數(shù)較少的無(wú)因次

28、數(shù)（即無(wú)量綱參數(shù)）群間關(guān)系的方法 近似法則法近似法則法嘗試誤差法嘗試誤差法63迄今，文獻(xiàn)上常見(jiàn)的發(fā)酵罐比擬放大法仍以發(fā)酵罐比擬放大法仍以近似法則近似法則和和因次分析因次分析的結(jié)合為主。經(jīng)過(guò)放大，最有可能對(duì)發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)速率產(chǎn)經(jīng)過(guò)放大，最有可能對(duì)發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)速率產(chǎn)生影響的一般是傳質(zhì)過(guò)程生影響的一般是傳質(zhì)過(guò)程，其中限制性的傳質(zhì)速率就是氣態(tài)氧向液相中傳遞的速率。因此，先要了解發(fā)酵罐中的傳質(zhì)及混合過(guò)程。1 1、氧的供給。、氧的供給。2 2、罐內(nèi)流體的混合：、罐內(nèi)流體的混合：罐內(nèi)流體的混合一方面是為了加強(qiáng)氧的傳遞，另一個(gè)方面使流體混合均勻避免局部過(guò)濃或過(guò)稀的現(xiàn)象，并強(qiáng)化菌體與營(yíng)養(yǎng)物的接觸。64二、攪拌及傳

29、氧二、攪拌及傳氧1、攪拌、攪拌反應(yīng)器攪拌的一個(gè)重要的參數(shù)是通過(guò)攪拌器一個(gè)重要的參數(shù)是通過(guò)攪拌器輸入到流體的功率值輸入到流體的功率值。決定攪拌功率功率的除了攪拌漿轉(zhuǎn)速攪拌漿轉(zhuǎn)速與直徑直徑外還有兩個(gè)重要的因素，一是流體的流動(dòng)與性質(zhì)一是流體的流動(dòng)與性質(zhì)，二二是通氣與否是通氣與否。流動(dòng)流體性質(zhì)依其切變速率與剪切力之間的關(guān)系可分為牛頓型流體牛頓型流體與非牛頓型流體非牛頓型流體。牛頓型流體切變速率與剪切力成比例，比例系數(shù)為粘度，非牛頓型流體則不成比例。652 2、氧的傳遞、氧的傳遞 氧的傳遞能力的好壞受物體流動(dòng)性、反應(yīng)器尺寸、操作條件等各方面的影響。氧的傳遞又常限制細(xì)胞的生長(zhǎng)。66三、生物反應(yīng)器的放大原則三、生物