動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器

1、生物反應(yīng)器（Bioreactor） 定義：是人們對(duì)生物有機(jī)體進(jìn)行有控制的定義：是人們對(duì)生物有機(jī)體進(jìn)行有控制的培養(yǎng)以生產(chǎn)某種產(chǎn)品或進(jìn)行特定的反應(yīng)的培養(yǎng)以生產(chǎn)某種產(chǎn)品或進(jìn)行特定的反應(yīng)的容器。容器。生物反應(yīng)器是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一生物反應(yīng)器是發(fā)酵工程中最重要的設(shè)備之一原料原料過(guò)程控制過(guò)程控制熱量熱量空壓機(jī)空壓機(jī)除菌除菌原料制備原料制備預(yù)處理預(yù)處理滅菌滅菌產(chǎn)品回收產(chǎn)品回收能量能量空氣空氣生物生物反應(yīng)器反應(yīng)器能量能量廢物廢物產(chǎn)物產(chǎn)物 20世紀(jì)世紀(jì)80年代年代 生物反應(yīng)器在專(zhuān)業(yè)期刊和書(shū)籍中大量出現(xiàn)，成為生物反應(yīng)器在專(zhuān)業(yè)期刊和書(shū)籍中大量出現(xiàn)，成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng) 傳統(tǒng)發(fā)酵罐傳統(tǒng)發(fā)酵罐 酶反應(yīng)器

2、等酶反應(yīng)器等 固定化酶和細(xì)胞反應(yīng)器固定化酶和細(xì)胞反應(yīng)器 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器 生物反應(yīng)器類(lèi)型動(dòng)物生物反應(yīng)器動(dòng)物生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌式反應(yīng)器機(jī)械攪拌式反應(yīng)器氣升式生物反應(yīng)器氣升式生物反應(yīng)器 膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器鼓泡塔生物反應(yīng)器鼓泡塔生物反應(yīng)器植物生物反應(yīng)器植物生物反應(yīng)器醫(yī)藥工業(yè)中的第一個(gè)大規(guī)模的微生物發(fā)酵過(guò)程青霉醫(yī)藥工業(yè)中的第一個(gè)大規(guī)模的微生物發(fā)酵過(guò)程青霉素生產(chǎn)是在機(jī)械攪拌式反應(yīng)器中進(jìn)行的。且迄今為素生產(chǎn)是在機(jī)械攪拌式反應(yīng)器中進(jìn)行的。且迄今為止，對(duì)新的生物過(guò)程，首選的生物反應(yīng)器仍然是機(jī)止，對(duì)新的生物過(guò)程，首選的生物反應(yīng)器仍然是機(jī)械攪拌式反應(yīng)器。機(jī)械攪拌式反應(yīng)器能適用于大多械

3、攪拌式反應(yīng)器。機(jī)械攪拌式反應(yīng)器能適用于大多數(shù)生物過(guò)程，是形成標(biāo)準(zhǔn)化的通用產(chǎn)品。數(shù)生物過(guò)程，是形成標(biāo)準(zhǔn)化的通用產(chǎn)品。 它是借攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質(zhì)所需要的功率。這它是借攪拌渦輪輸入混合以及相際傳質(zhì)所需要的功率。這種反應(yīng)器的適應(yīng)性最強(qiáng)，從牛頓型流體直到非牛頓型的絲種反應(yīng)器的適應(yīng)性最強(qiáng)，從牛頓型流體直到非牛頓型的絲狀菌發(fā)酵液，都能根據(jù)實(shí)際情況和需要，為之提供較高的狀菌發(fā)酵液，都能根據(jù)實(shí)際情況和需要，為之提供較高的傳質(zhì)速率和必要的混合速度。傳質(zhì)速率和必要的混合速度。 缺點(diǎn)是機(jī)械攪拌器的驅(qū)動(dòng)功率較高，一般缺點(diǎn)是機(jī)械攪拌器的驅(qū)動(dòng)功率較高，一般24kw/m3，這對(duì)大型的反應(yīng)器來(lái)說(shuō)是個(gè)巨大負(fù)擔(dān)。這對(duì)大型

4、的反應(yīng)器來(lái)說(shuō)是個(gè)巨大負(fù)擔(dān)。結(jié)構(gòu) 機(jī)械攪拌反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)包括：筒體，機(jī)械攪機(jī)械攪拌反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)包括：筒體，機(jī)械攪拌系統(tǒng)（攪拌器、擋板、軸封、聯(lián)軸器及中間軸拌系統(tǒng)（攪拌器、擋板、軸封、聯(lián)軸器及中間軸承等），通氣系統(tǒng)（空氣分散裝置），溫控系統(tǒng)承等），通氣系統(tǒng)（空氣分散裝置），溫控系統(tǒng)（換熱裝置），消泡系統(tǒng)、（換熱裝置），消泡系統(tǒng)、pH控制系統(tǒng)等，并在控制系統(tǒng)等，并在筒體的適當(dāng)位置設(shè)置排氣、取樣、接種、進(jìn)出料筒體的適當(dāng)位置設(shè)置排氣、取樣、接種、進(jìn)出料口以及入孔和視鏡等部件?？谝约叭肟缀鸵曠R等部件。 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)幾何尺寸幾何尺寸H/D=1.74d/D=1/21/3W/D=1/81/12B/D=0.

5、81.0(s/d)2=1.52.5(s/d)3=12 攪拌器的作用是混合和傳質(zhì)，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)酵液中。 攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（平直葉式、彎葉式、箭葉式）兩種。 1 攪拌器軸向式攪拌器螺旋槳式 槳葉式軸向式攪拌器特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造方便 整體混合效果較好 攪拌功率小 剪切力小 適用于低粘流體的攪拌徑向式（渦輪式）攪拌器平直葉彎葉箭葉 徑向式攪拌器特點(diǎn) 功耗較大 局部混合效果較好 剪切力較大 適用于低粘度至高粘度流體的攪拌 擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動(dòng)，增加溶解氧。 通常，擋板寬度取(0.10.2)D（罐體直徑），裝設(shè)4

6、 6塊即可滿(mǎn)足全擋板條件；擋板高度應(yīng)設(shè)計(jì)為自罐底到液面高度為止。 全擋板條件：是指在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)擋板數(shù)量而軸功率仍保持不變。 2 擋板 軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。 常用的軸封有填料函和端面機(jī)械軸封兩種。 3 軸封填料函式軸封 填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。端面式軸封 又稱(chēng)機(jī)械軸封，可分為單端面機(jī)械密封和雙端面機(jī)械密封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線(xiàn)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。單端面機(jī)械密封雙端面機(jī)械密封 小型的反應(yīng)器多采用外部

7、夾套作為冷卻或加熱小型的反應(yīng)器多采用外部夾套作為冷卻或加熱的換熱裝置。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、的換熱裝置。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、反應(yīng)器內(nèi)無(wú)冷卻裝置、死角少、容易進(jìn)行清洗反應(yīng)器內(nèi)無(wú)冷卻裝置、死角少、容易進(jìn)行清洗和滅菌工作；缺點(diǎn)是傳熱壁較厚、冷卻水流速和滅菌工作；缺點(diǎn)是傳熱壁較厚、冷卻水流速低、降溫效果差。低、降溫效果差。 大型的反應(yīng)器則多采用反應(yīng)器內(nèi)裝有蛇形管換大型的反應(yīng)器則多采用反應(yīng)器內(nèi)裝有蛇形管換熱裝置，優(yōu)點(diǎn)是管內(nèi)冷卻水流速大、傳熱效率熱裝置，優(yōu)點(diǎn)是管內(nèi)冷卻水流速大、傳熱效率高，但它需占用反應(yīng)器空間，并給反應(yīng)器清洗高，但它需占用反應(yīng)器空間，并給反應(yīng)器清洗和滅菌增加了難度。和滅菌增加

8、了難度。溫控系統(tǒng)溫控系統(tǒng)消泡系統(tǒng)消泡系統(tǒng) 發(fā)酵過(guò)程中由于發(fā)酵液中含有大量的蛋白質(zhì)，故在強(qiáng)烈的發(fā)酵過(guò)程中由于發(fā)酵液中含有大量的蛋白質(zhì)，故在強(qiáng)烈的通氣攪拌下會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫，嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致發(fā)酵液外通氣攪拌下會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫，嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致發(fā)酵液外溢，增加染菌機(jī)會(huì)。在通氣發(fā)酵生產(chǎn)中有兩種消泡方法，溢，增加染菌機(jī)會(huì)。在通氣發(fā)酵生產(chǎn)中有兩種消泡方法，一是加入消泡劑，二是使用機(jī)械消泡裝置。通常，是兩種一是加入消泡劑，二是使用機(jī)械消泡裝置。通常，是兩種方法聯(lián)合使用。方法聯(lián)合使用。 消泡裝置可分為兩類(lèi)：一類(lèi)置于罐內(nèi)，目的是防止泡沫外消泡裝置可分為兩類(lèi)：一類(lèi)置于罐內(nèi)，目的是防止泡沫外溢，它是在攪拌軸或灌頂另外引

9、入的軸（致攪拌軸由罐底溢，它是在攪拌軸或灌頂另外引入的軸（致攪拌軸由罐底深入時(shí)）上裝上消泡漿；另一類(lèi)置于罐外，目的是從排出深入時(shí)）上裝上消泡漿；另一類(lèi)置于罐外，目的是從排出的氣體中分離出溢出的泡沫使之破碎后再將液體部分返回的氣體中分離出溢出的泡沫使之破碎后再將液體部分返回罐內(nèi)。罐內(nèi)。通氣系統(tǒng)通氣系統(tǒng) 通氣裝置是指將無(wú)菌空氣導(dǎo)入罐內(nèi)的裝置。最簡(jiǎn)單的通通氣裝置是指將無(wú)菌空氣導(dǎo)入罐內(nèi)的裝置。最簡(jiǎn)單的通氣裝置是一單孔管，單孔管的出口位于最下面的攪拌器氣裝置是一單孔管，單孔管的出口位于最下面的攪拌器的正下方，開(kāi)口向下，以免培養(yǎng)液中固體物質(zhì)在開(kāi)口處的正下方，開(kāi)口向下，以免培養(yǎng)液中固體物質(zhì)在開(kāi)口處堆積。管口

10、與罐底的距離約為堆積。管口與罐底的距離約為40mm。 第二種形式是開(kāi)口向下的多孔環(huán)形管。環(huán)的直徑約為攪第二種形式是開(kāi)口向下的多孔環(huán)形管。環(huán)的直徑約為攪拌器直徑的拌器直徑的0.8倍。小孔直徑約倍。小孔直徑約58mm，孔的總面積，孔的總面積約等于通風(fēng)管的截面積。在通氣量較小的情況下，氣泡約等于通風(fēng)管的截面積。在通氣量較小的情況下，氣泡的直徑與空氣噴口直徑有關(guān)。噴口直徑越小，氣泡直徑的直徑與空氣噴口直徑有關(guān)。噴口直徑越小，氣泡直徑越小，氧的傳質(zhì)系數(shù)越大。但在發(fā)酵過(guò)程中通氣量較大越小，氧的傳質(zhì)系數(shù)越大。但在發(fā)酵過(guò)程中通氣量較大，氣泡直徑僅與通氣量有關(guān)而與通氣出口直徑無(wú)關(guān)。又，氣泡直徑僅與通氣量有關(guān)而與

11、通氣出口直徑無(wú)關(guān)。又由于在強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌的條件下，多孔分布器對(duì)氧的傳由于在強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌的條件下，多孔分布器對(duì)氧的傳遞效果并不比單孔管好，相反，還會(huì)造成不必要的壓力遞效果并不比單孔管好，相反，還會(huì)造成不必要的壓力損失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。損失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。 單管單管 環(huán)形管環(huán)形管 dI = 0.8Di dI = 0.8Di dI dI 環(huán)徑環(huán)徑 DiDi漿葉直徑漿葉直徑 氣升式生物反應(yīng)器是應(yīng)用較廣泛的一類(lèi)無(wú)機(jī)械攪拌的生物反氣升式生物反應(yīng)器是應(yīng)用較廣泛的一類(lèi)無(wú)機(jī)械攪拌的生物反應(yīng)器。氣升式生物反應(yīng)器是在鼓泡塔反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展應(yīng)器。氣升式生物反應(yīng)器是在鼓泡塔反應(yīng)

12、器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應(yīng)起來(lái)的，它是利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應(yīng)液循環(huán)流動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的攪拌、混合和氧傳遞。液循環(huán)流動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的攪拌、混合和氧傳遞。氣升式生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有其他生物反應(yīng)器具有的如氣升式生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有其他生物反應(yīng)器具有的如有較多泄漏點(diǎn)和死角等等缺點(diǎn)，故早在有較多泄漏點(diǎn)和死角等等缺點(diǎn)，故早在20世紀(jì)世紀(jì)70年代開(kāi)年代開(kāi)始，植物細(xì)胞發(fā)酵培養(yǎng)就已經(jīng)較多地采用氣升式生物反應(yīng)始，植物細(xì)胞發(fā)酵培養(yǎng)就已經(jīng)較多地采用氣升式生物反應(yīng)器。器。 優(yōu)點(diǎn)：氣升式生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易于清優(yōu)點(diǎn)：氣升式生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易于清洗、

13、維修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高，操洗、維修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高，操作費(fèi)用低。作費(fèi)用低。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，主要是高密度培養(yǎng)時(shí)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，主要是高密度培養(yǎng)時(shí)混合不夠均勻?；旌喜粔蚓鶆?。 鼓泡塔生物反應(yīng)器鼓泡塔生物反應(yīng)器 膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器 固定床和流化床反應(yīng)器固定床和流化床反應(yīng)器 動(dòng)物植物生物反應(yīng)器動(dòng)物植物生物反應(yīng)器 其他其他 生物反應(yīng)器的研究、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)是生物技生物反應(yīng)器的研究、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)是生物技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容，一種好的生物反應(yīng)器術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容，一種好的生物反應(yīng)器出現(xiàn)往往能夠大規(guī)模降低生產(chǎn)成本，成為出現(xiàn)往往能夠大規(guī)模降低生產(chǎn)成本，成為生物制品成功商業(yè)化

14、的關(guān)鍵。因此，生物生物制品成功商業(yè)化的關(guān)鍵。因此，生物反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)一直很活躍，尤其是最近的反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)一直很活躍，尤其是最近的細(xì)胞生物反應(yīng)器開(kāi)發(fā)更是如此。生物反應(yīng)細(xì)胞生物反應(yīng)器開(kāi)發(fā)更是如此。生物反應(yīng)器的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為以下幾個(gè)方面：器的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為以下幾個(gè)方面： 由于微生物可以懸浮培養(yǎng)，對(duì)攪拌的剪切力要求由于微生物可以懸浮培養(yǎng)，對(duì)攪拌的剪切力要求不高，因此，微生物最有條件在大型甚至超大型不高，因此，微生物最有條件在大型甚至超大型反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)。目前，生產(chǎn)抗生素的發(fā)酵罐容積反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)。目前，生產(chǎn)抗生素的發(fā)酵罐容積已達(dá)到已達(dá)到400m3，氨基酸的反應(yīng)器達(dá)到，氨基酸的反應(yīng)器達(dá)到300m3，單細(xì)胞

15、蛋白單細(xì)胞蛋白(SCP)的反應(yīng)器達(dá)到的反應(yīng)器達(dá)到2600m3，用，用微生物處理廢水的生物反應(yīng)器甚至高達(dá)微生物處理廢水的生物反應(yīng)器甚至高達(dá)27000m3. 顯然，反應(yīng)器的增大有利于降低生產(chǎn)成本。顯然，反應(yīng)器的增大有利于降低生產(chǎn)成本。1 微生物反應(yīng)器朝著大型化發(fā)展微生物反應(yīng)器朝著大型化發(fā)展2 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器得到較大發(fā)展動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器得到較大發(fā)展 由于動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)可以得到很多高附加值生物由于動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)可以得到很多高附加值生物制品，如干擾素，單克隆抗體等，細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)制品，如干擾素，單克隆抗體等，細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。其中關(guān)于供氧問(wèn)題，器的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視。其中關(guān)于供氧問(wèn)題，快速升溫、快速升溫、SIP自動(dòng)滅菌、自動(dòng)滅菌、CIP自動(dòng)清洗、機(jī)械自動(dòng)清洗、機(jī)械密封、排氣處理、取樣處理等問(wèn)題等都需很好解密封、排氣處理、取樣處理等問(wèn)題等都需很好解決。決。3