生物工程設(shè)備

1、4 生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物工程生物工程：用生物體或其組成成分在最適條件下產(chǎn)生有益產(chǎn)物及進(jìn)行有效生產(chǎn)過程的技術(shù)。生物工程包括五大工程，即遺傳工程(基因工程)、細(xì)胞工程、微生物工程(發(fā)酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反應(yīng)器工程。在這五大領(lǐng)域中，前兩者作用是將常規(guī)菌(或動植物細(xì)胞株)作為特定遺傳物質(zhì)受體，使它們獲得外來基因，成為能表達(dá)超遠(yuǎn)緣性狀的新物種“工程菌”或“工程細(xì)胞株”。后三者的作用則是這一有巨大潛在價值的新物種創(chuàng)造良好的生長與繁殖條件，進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以充分發(fā)揮其內(nèi)在潛力，為人們提供巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 4 生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物技術(shù)發(fā)展的三個階段： 傳統(tǒng)生物技術(shù)釀造

2、技術(shù)；說文解字：古者儀狄作酒醪，禹嘗之而美，遂疏儀狄。杜康作秫酒。 近代生物技術(shù)生物發(fā)酵技術(shù)；細(xì)菌和酵母等微生物在無氧條件下，酶促降解糖分子產(chǎn)生能量的過程。 現(xiàn)代生物技術(shù)基因工程技術(shù)。按人們意愿設(shè)計，通過改造基因或基因組而改變生物的遺傳特性。4 生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物工程生物工程主要操作對象主要操作對象工程目的工程目的與其它工程的關(guān)系與其它工程的關(guān)系基因工程基因及動物細(xì)胞、植物細(xì)胞、微生物改造物種通過細(xì)胞工程、發(fā)酵工程使目的基因得以表達(dá)細(xì)胞工程動物細(xì)胞、植物細(xì)胞、微生物細(xì)胞改造物種可以為發(fā)酵工程提供菌種、使基因工程得以實現(xiàn)發(fā)酵工程微生物獲得菌體及各種代謝產(chǎn)物為酶工程提供酶的來源酶 工 程

3、微生物獲得酶制劑或固定化酶為其它生物工程提供酶制劑4 生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物反應(yīng)工程技術(shù)細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)：微生物、動物細(xì)胞、藻類酶反應(yīng)技術(shù)：生物催化劑、酶反應(yīng)工程分離技術(shù) 小分子化合物 大分子活性化合物需要裝備技術(shù)來實現(xiàn)先進(jìn)的裝備技術(shù)過程原理研究不同領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備原理、設(shè)計理念、部件與制造技術(shù)4 生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備特點(diǎn)： 設(shè)備操作條件為常溫、常壓或低壓：發(fā)酵溫度一般為28 50；滅菌溫度128，30min；壓力一般常壓0.3MPa 無菌操作，設(shè)備應(yīng)考慮消除死角，保證不被雜菌污染 設(shè)備結(jié)構(gòu)滿足工藝要求：通風(fēng)、ph調(diào)節(jié)、溫度控制、補(bǔ)料等接口 材料耐腐蝕性：不銹鋼或內(nèi)襯

4、不銹鋼、涂料、橡膠4 生物工程設(shè)備生物工程設(shè)備基本要求：在滿足生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求的前提下，盡可能節(jié)省投資，降低生產(chǎn)成本。強(qiáng)度和剛度要求；加工費(fèi)、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)；生產(chǎn)能力越大，投資越省，罐容增大10倍，投資只增加45倍；設(shè)備利用率越高，成本越低，盡可能提高利用率(反應(yīng)器的時空收率)。4.1 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器大規(guī)模培養(yǎng)微生物、動物細(xì)胞、植物細(xì)胞，獲得其代謝產(chǎn)物或生物體的設(shè)備。生物反應(yīng)器要滿足和調(diào)控微生物、動物細(xì)胞、植物細(xì)胞的最適宜生長和合成的環(huán)境，是工業(yè)化大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)過程唯一一個吧原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的設(shè)備。一個優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具有良好的傳質(zhì)、傳熱和混合的性能；結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，內(nèi)壁光滑

5、，易清洗，檢修維護(hù)方便；有可靠的檢測和控制儀表；攪拌及通氣所消耗的動力要少；能獲得最大的生產(chǎn)效率與最佳的經(jīng)濟(jì)效益。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器發(fā)酵罐發(fā)酵罐進(jìn)行大規(guī)模懸浮培養(yǎng)微生物的反應(yīng)器。工業(yè)微生物發(fā)酵多為好氧發(fā)酵，因次發(fā)酵罐多采用通氣和攪拌方式來增加氧在培養(yǎng)液中的溶解。發(fā)酵罐的類型：機(jī)械攪拌型、外部液體循環(huán)式、氣升式4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器(1) 通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐兼有機(jī)械攪拌和壓縮空氣分布裝置的發(fā)酵罐，目前最大的通用式發(fā)酵罐容積為480m3。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器 通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸：111111.7 3; ;

6、 238120.8 1; 1.5 2.5; 1 2HdWDDDSBSDDD種子罐：H/D=1.72.0發(fā)酵罐：H/D=2.02.5高徑比要保證傳質(zhì)效果好、空氣利用率高，保證綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理和使用方便。影響因素：發(fā)酵菌種、發(fā)酵工藝條件、廠房的土建等。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器發(fā)酵罐的裝料容積：筒身體積+底封頭體積實際生產(chǎn)中，罐中的培養(yǎng)液因通氣和攪拌會引起液面上升和發(fā)泡，因次罐中實際裝料量V不能過大，一般填料系數(shù)：2300.13()4cbVVVD HD標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭00/0.6 0.75V V4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)：罐體、攪拌裝置、消泡器、軸封、傳動裝置、傳熱裝置

7、、擋板、人孔、視鏡、通氣裝置、進(jìn)出料管、取樣管等。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器罐體：罐體：直徑1m，封頭焊在筒身上，罐頂開人口。筒體要求雙面焊接，焊接面要光滑無沙眼、無死角。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器攪拌裝置：攪拌裝置：a)產(chǎn)生強(qiáng)大的總體流動，將流體均勻分布于容器各處，以達(dá)到宏觀均勻；b)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動，使氣體、液體、固體微團(tuán)尺寸減小。兩種作用將有利于混合傳熱和傳質(zhì)，特別對氧的溶解具有重要意義。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器渦流式攪拌器：液體在攪拌器內(nèi)做徑向和切向運(yùn)動徑向流流量小、壓頭高。Rushton渦流半圓管圓盤渦流CD-6弧葉圓盤渦流BT-64.1.1 微生物反應(yīng)

8、器微生物反應(yīng)器徑向流渦流攪拌器能產(chǎn)生很大的剪切力，有利于氣泡的破碎，但不利于微生物的生長。通用式微生物反應(yīng)器的攪拌為了更好的溶解氧，氣體分散是屬于小尺度的混合，因次廣泛采用渦流式攪拌器。為了避免氣體沿軸上升，在攪拌器中央設(shè)有圓盤。攪拌器按葉片形式可分為平葉式、彎葉式、箭葉式、斜葉式和半圓管式，葉片數(shù)量一般為6個。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器六平葉渦流 六彎葉渦流 六箭葉渦流Rushton D-6半圓葉圓盤渦流 圓弧葉葉片渦流Cheminee CD-6 Cheminee BT-64.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器氣泛載氣完全分散4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器旋槳式攪拌器：液體做軸

9、向和切向運(yùn)動軸向流循環(huán)量大、壓頭低四寬葉螺旋式葉輪機(jī)翼螺旋式葉輪四斜葉開啟渦流4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器旋槳式攪拌器循環(huán)量大，尤其適用于要求容器上下均勻的場合。四寬葉螺旋葉輪 機(jī)翼螺旋葉輪 四斜葉開啟渦輪扇形圓弧葉輪 推薦式葉輪4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器在相同攪拌功率下不同攪拌器破碎氣泡的能力和翻動液體的能力不同。由于發(fā)酵罐的H/D值較大，為了使發(fā)酵液充分被攪動，可在同一攪拌軸上配置多個不同攪拌器?？紤]因素：罐內(nèi)裝料高度、發(fā)酵液特性、攪拌器直徑等。對于抗生素生產(chǎn)發(fā)酵罐，一般在攪拌軸上層采用軸流式攪拌器以強(qiáng)化混合效果，下層采用徑流式攪拌器以利于粉碎氣泡強(qiáng)化氧的傳遞。4.1.1

10、 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器大型發(fā)酵罐攪拌裝置4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器攪拌功率與混合效果：為了達(dá)到宏觀上的均勻，必須有足夠大的總體流動，即翻動量要大；為了達(dá)到小尺度上的均勻，必須提高總體流動的湍動程度，即壓頭要足夠大。FPFvvAA攪拌器施加于液體內(nèi)的剪切力，相當(dāng)于單位體積液體中的動壓頭H(v2/2)與液體密度的乘積。攪拌器對液態(tài)的翻動量Q2223523PHQHvn dPn dQvdnd0.51.01.52.02.501234 dnQH4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器軸封裝置：軸封裝置：攪拌軸一般從罐頂深入罐內(nèi)，但對容積大于100m3的大型發(fā)酵罐，采用下伸軸以降低發(fā)酵罐重心，縮短

11、軸的長度，降低傳動噪聲。同時頂部空間可以安裝高效的機(jī)械消沫器及其他自控部件。采用下伸軸時要求雙端面軸封，軸封要設(shè)計可用蒸汽滅菌和用無菌空氣保壓防漏及冷卻。而上伸軸可采用單端面軸封。雙端面機(jī)械密封4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器擋板：擋板：作用改變被攪拌液體的流動方向，使之產(chǎn)生縱向運(yùn)動，從而消除液面中央部分的下凹漩渦。全擋板條件罐內(nèi)加了擋板使漩渦基本消失，或者說是指消除液面漩渦的最低擋板數(shù)全擋板條件下的擋板數(shù)和擋板寬度W-擋板寬度；D-罐徑；mb-擋板數(shù)一般發(fā)酵罐中安裝4塊擋板，W=1/81/12D0.4bWmD4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器進(jìn)氣裝置：進(jìn)氣裝置：開口向下，距罐底4050

12、mm4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器傳熱裝置：傳熱裝置：夾套(2000的聚醚、聚二甲基硅烷廣泛用于各種抗生素發(fā)酵的泡沫抑制中。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器 耙式消泡槳：裝于攪拌軸上，齒面略高于液面，槳直徑約為罐徑的0.80.9。轉(zhuǎn)速低，效果比較差。 半封閉渦輪消沫器：常用于頂部空間比較大的下伸軸發(fā)酵罐，在高速旋轉(zhuǎn)下泡沫可以直接被渦輪打碎或被渦輪拋出撞擊到壁面而破碎，消沫效果好。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器 離心消沫器：利用離心力將泡沫粉碎 蛇形柵消泡槳：泡沫上升與柵條反復(fù)碰撞，攪破液面上的氣泡，抑制泡沫增加。目前廣泛采用。4.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器通用機(jī)械攪拌反應(yīng)

13、器的發(fā)展趨勢：通用機(jī)械攪拌反應(yīng)器的發(fā)展趨勢： 容積：擴(kuò)大至100350m3 材質(zhì)：有碳鋼改為不銹鋼(304，316L) 傳熱：由單一的罐內(nèi)蛇管傳熱改為罐內(nèi)直管和罐壁半圓管相組合 減速：將皮帶減速改用機(jī)械式減速 攪拌：從單一徑向渦輪式攪拌改為徑、軸雙向流式攪拌。0Cr18Ni900Cr17Ni14Mo24.1.1 微生物反應(yīng)器微生物反應(yīng)器4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器隨著生物技術(shù)的發(fā)展，動植物細(xì)胞培養(yǎng)已逐漸從實驗室培養(yǎng)過渡到工業(yè)化規(guī)劃的生物反應(yīng)器中。通過動物細(xì)胞的大規(guī)模培養(yǎng)，可以得到疫苗、診斷試劑、單克隆抗體、酶等貴重藥品和生物制品。動物細(xì)胞無細(xì)胞壁，不能承受剪切力；對培養(yǎng)基的

14、營養(yǎng)要求十分苛刻，對環(huán)境十分敏感；生長緩慢，一般只有在高細(xì)胞密度條件下才能得到一定濃度的產(chǎn)物。4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器分類：按動物細(xì)胞培養(yǎng)時的特性 象微生物一樣懸浮培養(yǎng)，為非貼壁依賴型，包括血液、淋巴組織細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞 只能在固體或半固體表面生長，形成單層細(xì)胞，為貼壁依賴型，多數(shù)哺乳動物細(xì)胞屬于這一類。按設(shè)備結(jié)構(gòu)螺旋膜反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、中空纖維及其他膜反應(yīng)器、攪拌式反應(yīng)器、空氣提升式反應(yīng)器等。攪拌式反應(yīng)器槳式攪拌器、棒狀攪拌器、船帆形攪拌器、往復(fù)震動錐孔篩板攪拌器、籠式通氣攪拌器等4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器(1) 動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)生物反應(yīng)器帶帆

15、形攪拌器的連續(xù)灌注系統(tǒng)培養(yǎng)反應(yīng)器實驗室規(guī)模反應(yīng)器，440L，攪拌槳是用尼龍絲編織帶制成帆形，攪拌軸用磁力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為2050r/min，氧氣通過插入溶液中的硅膠管擴(kuò)散到培養(yǎng)液內(nèi)，以維持培養(yǎng)液內(nèi)一定的溶解氧水平。采用新鮮培養(yǎng)液連續(xù)加流，流出培養(yǎng)液通過旋轉(zhuǎn)過濾器分離細(xì)胞后排出。用于培養(yǎng)鼠類腫瘤細(xì)胞，每升培養(yǎng)液得到1.71012個細(xì)胞。4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器中試和工業(yè)規(guī)模的動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器：目前已有10m3規(guī)模的動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器用來培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞，生產(chǎn)單克隆抗體。關(guān)鍵是改進(jìn)攪拌槳和通氣裝置，減小剪切力。用螺旋槳取代渦輪式攪拌器，用擴(kuò)散滲透通氣裝置代替鼓泡空氣分散

16、器。4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器空氣提升式(氣升式)生物反應(yīng)器，最初被用于生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白，后來用于培養(yǎng)動植物細(xì)胞，特別適用于生產(chǎn)次級代謝產(chǎn)物的分泌型細(xì)胞。優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，避免使用軸承而造成微生物培養(yǎng)的污染； 傳質(zhì)性能好，尤其是氧的傳遞效率高； 產(chǎn)生的湍動溫和，剪切力小，循環(huán)量大，使細(xì)胞營養(yǎng)成分均布于培養(yǎng)基中。4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器氣升式發(fā)酵罐(外循環(huán)) 氣升式發(fā)酵罐(內(nèi)循環(huán))常州市三高生物技術(shù)工程設(shè)備有限公司4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器(2) 動物細(xì)胞貼壁培養(yǎng)反應(yīng)器大部分動物細(xì)胞必須附著在固體或半固體表面才能生長，細(xì)胞在載體表

17、面上生長并擴(kuò)展成一個單層，又稱單層培養(yǎng)單層培養(yǎng)。傳統(tǒng)方法：滾瓶用430L大小的成千上萬個滾瓶進(jìn)行動物細(xì)胞培養(yǎng)，來生產(chǎn)疫苗。比表面積小，0.35手工操作4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器中孔纖維培養(yǎng)器中孔纖維培養(yǎng)器：由成束的中孔纖維管組成，每根中孔纖維管的內(nèi)徑為200m，壁厚為5075m，管壁是半透性的多孔膜，O2與CO2可以自由地透過膜雙向擴(kuò)散，而大分子有機(jī)物不能透過。動物細(xì)胞帖附在中空纖維管外壁生長，可以方便地獲取營養(yǎng)物和溶解氧。裝置內(nèi)可安裝成千根纖維管，比表面積大(40)，溶解氧傳質(zhì)速率比懸浮培養(yǎng)器高3倍，為大規(guī)模動物細(xì)胞培養(yǎng)創(chuàng)造了條件。4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞

18、培養(yǎng)反應(yīng)器(3) 動物細(xì)胞微載體懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器用微珠作載體，使單層動物細(xì)胞生長于微珠表面，可在培養(yǎng)液中進(jìn)行懸浮培養(yǎng)。這種培養(yǎng)方式將單層培養(yǎng)和懸浮培養(yǎng)結(jié)合起來，是大規(guī)模動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)最常用方法。三個關(guān)鍵問題： 具有合適的攪拌器，使載體在培養(yǎng)液內(nèi)懸浮流動，而又要不因過高的剪切力而使動物細(xì)胞受到損害； 不能用傳統(tǒng)發(fā)酵罐那樣用空氣在培養(yǎng)液內(nèi)鼓泡充氧，而只能用擴(kuò)散方式來傳遞氧，以滿足所需的溶解氧濃度； 在培養(yǎng)液中嚴(yán)格控制pH值，要求誤差小于0.05。4.1.2 動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器微珠可用葡聚糖凝膠、聚丙烯酰胺、明膠或甲殼質(zhì)等來制造，要求球徑均勻，徑差小于2025m，溶脹后密度在1.031.05g/ml，以便在反應(yīng)