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1、学习方式学习方式老师课堂讲授老师课堂讲授同学们分组、分专题讨论同学们分组、分专题讨论期期末末考考试试小小组组讨讨论论作作业业考考勤勤生物工程下游技术生物工程下游技术第一章生物反应器我国发展生物技术产业，迫切需要两方面人才：我国发展生物技术产业，迫切需要两方面人才：从事实验室研发的从事实验室研发的“上游学术人才上游学术人才”，能帮助提升中国的生物科技水平；能帮助提升中国的生物科技水平；熟悉科技成果产业化操作的熟悉科技成果产业化操作的“下游工程下游工程人才人才”，能及时将科技成果产业化。，能及时将科技成果产业化。第一章生物反应器重要原因之一：企业管理、市场营销以及：企业管理、市场营销以及金融投资方
2、面的人才大多不懂生物技术，金融投资方面的人才大多不懂生物技术，同时专业的生物技术人才又不懂市场开发。同时专业的生物技术人才又不懂市场开发。“上游开发上游开发”仅比国际水平落后仅比国际水平落后3535年，年，而而“下游工程下游工程”却至少相差却至少相差1515年以上年以上。中国生物技术与发达国家的差距之一：中国生物技术与发达国家的差距之一：研究与市场脱节研究与市场脱节第一章生物反应器第一讲第一讲 生物反应器生物反应器课时：课时：2 2节课节课主要内容：主要内容：生物工程下游技术课程的简介（理解）生物工程下游技术课程的简介（理解）生物反应器的一些概念生物反应器的一些概念（掌握）（掌握）生物反应器的
3、基本类型生物反应器的基本类型（掌握）（掌握）细胞生长及代谢过程动力学（了解）细胞生长及代谢过程动力学（了解）生物反应器的设计（难点）生物反应器的设计（难点）第一章生物反应器生物工程专业知识体系生物工程专业知识体系上上游游l基因工程基因工程：从从基因之分子基因之分子层层次，次，开发开发生物系統生物系統 l菌菌种种分分离、鉴定离、鉴定保存保存与育种技术与育种技术l蛋白蛋白质质工程工程：蛋白蛋白质质分析、結分析、結构构、功能功能、合成等，、合成等， 以及以及从从分子分子层层次改次改变酶变酶及蛋白及蛋白质质之特性之特性中中游游n細胞培細胞培养与养与細胞工程細胞工程：动动植物細胞及微生物培植物細胞及微生
4、物培养养技技术术 n发发酵工程酵工程：发发酵最酵最适适化、化、发发酵控制酵控制n微生物工程微生物工程：菌种、培养基、发酵工艺、杂菌菌种、培养基、发酵工艺、杂菌下下游游酶酶工程工程：酶催化性质酶催化性质、酶酶固定化固定化和修饰和修饰、新、新酶开发酶开发等等生物反生物反应应器器：设设計、自計、自动动化化免疫免疫应用技术应用技术：抗原、抗体抗原、抗体生物分离技术生物分离技术: :产产品回收品回收、纯、纯化化、制备、制备、放大、放大、试产生产试产生产。生化生化检测分析技术检测分析技术第一章生物反应器生物工程下游技术生物工程下游技术概念概念狭义：狭义：专指生物物质产品的分离纯化技专指生物物质产品的分离纯
5、化技术。主要包括细胞破碎、固液分离、膜术。主要包括细胞破碎、固液分离、膜分离、层析技术、电泳技术等。分离、层析技术、电泳技术等。广义：广义：生物反应器、生物物质分离、生物反应器、生物物质分离、产品分析检测及质量监控。产品分析检测及质量监控。目前尚无明确概念目前尚无明确概念第一章生物反应器何谓生物反应过程？何谓生物反应过程？广义上一切动植物、微生物的生长繁殖广义上一切动植物、微生物的生长繁殖都可以看作是生物反应过程。都可以看作是生物反应过程。狭义上指那些能够应用于生物工业中的过程。狭义上指那些能够应用于生物工业中的过程。生生物物反反应应过过程程原料的预处理及培养基的制备原料的预处理及培养基的制备
6、生物催化剂的制备生物催化剂的制备生物反应器及反应条件的选择。生物反应器及反应条件的选择。产品的分离与纯化产品的分离与纯化上游加上游加工过程工过程中游加中游加工过程工过程下游加下游加工过程工过程第一章生物反应器细胞或酶等生物催化细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）剂（游离或固定化）生生 物物 反反 应应 器器空气空气COCO2 2等等冷却水冷却水原材料原材料培养基培养基灭菌灭菌底物底物产物产物废物废物除菌除菌检测和控制检测和控制产物预处理产物预处理产品提取或液化产品提取或液化副产物副产物一一般般生生化化反反应应过过程程第一章生物反应器过程分类过程分类酶促反酶促反应过程应过程微生物反微生物反应过程
7、应过程动植物细动植物细胞反应过胞反应过程程废水生物废水生物处理过程处理过程反应水平反应水平分子水分子水平平细胞水平细胞水平细胞水平细胞水平群体水平群体水平反应复杂反应复杂性性简单简单较复杂较复杂复杂复杂很复杂很复杂底物、产底物、产物数量物数量较少较少较多较多较多较多很多很多反应速度反应速度较快较快较快较快较慢较慢很慢很慢生物反应过程的分类生物反应过程的分类第一章生物反应器生物反应过程的特点：生物反应过程的特点： 常温常温下进行，操作条件温和，下进行，操作条件温和，下进行，操作条件温和，下进行，操作条件温和，勿需防爆。原勿需防爆。原勿需防爆。原勿需防爆。原料以碳水化合物为主，料以碳水化合物为主，
8、料以碳水化合物为主，料以碳水化合物为主，不含有毒物质不含有毒物质。 以以以以生命体的自动调节方式生命体的自动调节方式进行，多个反应进行，多个反应进行，多个反应进行，多个反应像一个反应一样，可在单一设备中进行。像一个反应一样，可在单一设备中进行。像一个反应一样，可在单一设备中进行。像一个反应一样，可在单一设备中进行。 容易进行容易进行容易进行容易进行复杂的高分子化合物生产复杂的高分子化合物生产，如酶、，如酶、，如酶、，如酶、光学活性体等。光学活性体等。光学活性体等。光学活性体等。能高度选择性地进行能高度选择性地进行能高度选择性地进行能高度选择性地进行复杂化合物在特定部复杂化合物在特定部位的反应位
9、的反应，如氧化、还原、官能团的导入等，如氧化、还原、官能团的导入等，如氧化、还原、官能团的导入等，如氧化、还原、官能团的导入等第一章生物反应器 生产生产产品的生物体本身也是产物产品的生物体本身也是产物，富，富，富，富含维生素、蛋白质、酶等。含维生素、蛋白质、酶等。含维生素、蛋白质、酶等。含维生素、蛋白质、酶等。 生产过程中需要注意生产过程中需要注意生产过程中需要注意生产过程中需要注意防止杂菌污染防止杂菌污染，尤，尤，尤，尤其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。 通过改良生物体生产性
10、能，可在不增加设通过改良生物体生产性能，可在不增加设通过改良生物体生产性能，可在不增加设通过改良生物体生产性能，可在不增加设备投资的条件下，备投资的条件下，备投资的条件下，备投资的条件下，利用原有的生产设备利用原有的生产设备使生产能力飞跃上升使生产能力飞跃上升。第一章生物反应器第一节第一节 基本基本概念概念一、一、生物反应器生物反应器: :利用酶或生物体（如微生物、动利用酶或生物体（如微生物、动植物细胞）所具有的特殊功能，在体外进行生物植物细胞）所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。化学反应的装置系统。如实验室或工业生产中用于细如实验室或工业生产中用于细胞培养的装置（方瓶、锥形瓶
11、、发酵装置、琼脂斜面）。胞培养的装置（方瓶、锥形瓶、发酵装置、琼脂斜面）。作用：作用：为细胞代谢提供一个为细胞代谢提供一个优化的优化的物理化学环境物理化学环境, ,使细胞使细胞更快更好地更快更好地生长生长, ,得到得到更多的更多的需要的需要的生物量或代谢产物。生物量或代谢产物。第一章生物反应器生物反应器与化学反应器的区别生物反应器与化学反应器的区别化学反应器化学反应器：u从原料进入到产从原料进入到产物生成，需要加压物生成，需要加压和加热；和加热；u高能耗过程。高能耗过程。生物反应器：生物反应器：u有酶和微生物的参有酶和微生物的参与，常温和常压下进与，常温和常压下进行化学合成；行化学合成；u生物
12、（酶除外）反生物（酶除外）反应都以应都以“自催化自催化” 方式进行。方式进行。第一章生物反应器超大发酵罐超大发酵罐：高：高100100米，直径米，直径7 7米，容积为米，容积为40004000立方米，犹如立方米，犹如一座壮观的圆形塔。一座壮观的圆形塔。 生物反应器首先在发酵工业生物反应器首先在发酵工业中得到应用中得到应用（发酵罐）发酵罐）。另一种是以固定化酶或固定化另一种是以固定化酶或固定化细胞为催化剂的细胞为催化剂的酶反应器酶反应器。第一章生物反应器生物反应器的应用生物反应器的应用 FoodadditivesFoodadditives AntibodiesAntibodies Protein
13、DrugsProteinDrugs HealthfoodHealthfood NaturalspiceNaturalspice AnimalfeedAnimalfeedadditivesadditives IndustrialenzymeIndustrialenzyme CosmeticsmaterialCosmeticsmaterial 第一章生物反应器衔接实验室技术与工厂实际生长的桥梁衔接实验室技术与工厂实际生长的桥梁第一章生物反应器使用高效率生物反使用高效率生物反应应器器的的目的目的: :l提高提高产产品的生成速率品的生成速率l减减少少辅辅助助设备设备l降低生降低生产产成本成本l获获得最
14、大的得最大的经济经济效益效益17第一章生物反应器二、研究生物反应器的目的二、研究生物反应器的目的（内容）（内容）确定为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器，确定为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器，什么样的结构更好；什么样的结构更好；（设计）（设计）对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的；对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的；（优化）（优化）分析各种生物反应器的数据，从而分析各种生物反应器的数据，从而对细胞的生长、对细胞的生长、代谢等过程有更深入的理解代谢等过程有更深入的理解。第一章生物反应器第二节第二节 生物反应器的生物反应器的基本类型基本类型一、一、根据培养对象的不同：根据
15、培养对象的不同：微生物培养反应器微生物培养反应器动植物细胞培养反应器动植物细胞培养反应器 二、二、按操作方式：按操作方式：批式培养批式培养连续培养连续培养半连续培养半连续培养第一章生物反应器（一）微生物培养反应器（一）微生物培养反应器壳体壳体控温部分控温部分搅拌部分搅拌部分通气部分通气部分进料口进料口量测系统量测系统附属系统附属系统基本通气方式基本通气方式: :浸没式鼓泡器浸没式鼓泡器, ,表面通气装置表面通气装置, ,膜反应器膜反应器二种常见的二种常见的微生物发酵装置：微生物发酵装置：常规发酵罐常规发酵罐( (机械搅拌式机械搅拌式),),气体气体提升式发酵罐提升式发酵罐形式形式最简单的最简单
16、的反应器反应器: :没有没有机械搅拌和通气系统的反应机械搅拌和通气系统的反应罐罐第一章生物反应器机械搅拌装置机械搅拌装置第一章生物反应器1 1、机械搅拌式发酵罐、机械搅拌式发酵罐具具有有机机械械搅搅拌拌及及压压缩缩空空气气分分布布装装置置的的发发酵酵罐罐，目目前前最最大大的通用式发酵罐容积约为的通用式发酵罐容积约为480m480m3 3。罐的混合罐的混合机械搅拌，机械搅拌，促使促使培养基混合均匀培养基混合均匀，有利于，有利于增加气液接触面积，增加气液接触面积，提高溶氧提高溶氧速率速率。对于双液相反应体系可提高对于双液相反应体系可提高液液- -液接触面积，另外还可促进传热液接触面积，另外还可促进
17、传热与固形物料的悬浮。与固形物料的悬浮。（P11P11图图1 18 8）第一章生物反应器 常规（机械）发酵罐常规（机械）发酵罐是促使微生物生长的一种反应是促使微生物生长的一种反应设备，广泛应用于制药、化工、食品等行业。设备，广泛应用于制药、化工、食品等行业。日本味之素发日本味之素发酵罐：酵罐：500M500M3 3周口味精厂发周口味精厂发酵罐：酵罐：200M200M3 3益力味精厂发益力味精厂发酵罐：酵罐：630M630M3 3台湾味丹发酵台湾味丹发酵罐：罐：660M660M3 3第一章生物反应器第一章生物反应器李锦记（新会）食品有限公司包装生产线李锦记（新会）食品有限公司包装生产线 李锦记（
18、新会）食品有限公司酱油发酵罐李锦记（新会）食品有限公司酱油发酵罐第一章生物反应器2 2、气升式反应器、气升式反应器l特点：特点：无机械搅拌无机械搅拌, ,减少了剪切减少了剪切作用对细胞伤害。易于清洗、维作用对细胞伤害。易于清洗、维修，不易染菌，能耗低，溶氧效修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高。气体从罐下部通入，率高。气体从罐下部通入，借气借气体的升力带动流体在整个反应器体的升力带动流体在整个反应器内循环流动造成良好的混合内循环流动造成良好的混合。见。见P11P11图图1-91-9。l目前已广泛应用于生物工程领域目前已广泛应用于生物工程领域的好氧发酵方面，由此生产的产的好氧发酵方面，由此生产的产品
19、有单细胞蛋白、酒精、抗生素、品有单细胞蛋白、酒精、抗生素、生物表面活性剂等。生物表面活性剂等。以以甲甲醇醇为为原原料料生生产产单单细细胞胞蛋蛋白白第一章生物反应器第一章生物反应器高密度培养时混合不够均匀高密度培养时混合不够均匀第一章生物反应器河南莲花味精集团公司使用的气升式发酵罐河南莲花味精集团公司使用的气升式发酵罐实验用气升式玻璃发酵罐（实物）实验用气升式玻璃发酵罐（实物）气升式反应器气升式反应器第一章生物反应器种子罐种子罐(实物实物)某抗菌素制药车间的一级种子罐和二级种子罐某抗菌素制药车间的一级种子罐和二级种子罐右边为右边为300L一级种子罐，左边为一级种子罐，左边为3000L二级种子罐二
20、级种子罐10L台式发酵罐台式发酵罐从人孔向发酵罐内鸟瞰图从人孔向发酵罐内鸟瞰图第一章生物反应器（二）动植物细胞培养反应器（二）动植物细胞培养反应器与微生物培养基本一样；与微生物培养基本一样；动植物细胞动植物细胞比较娇嫩，有贴壁生长需要比较娇嫩，有贴壁生长需要，对培，对培养要求高，因而养要求高，因而在选用及设计时要特别考虑：在选用及设计时要特别考虑：避免或减低机械搅拌产生的避免或减低机械搅拌产生的剪切力剪切力；气泡表面张力可对细胞造成伤害，通气时要气泡表面张力可对细胞造成伤害，通气时要防防止气泡与细胞接触止气泡与细胞接触；进行进行pH调节或补料时要调节或补料时要严格防止化学环境急严格防止化学环境
21、急剧变化剧变化对细胞的伤害；对细胞的伤害；载体选择载体选择尤其重要。尤其重要。第一章生物反应器机械搅拌式生物反应器机械搅拌式生物反应器第一章生物反应器连续搅拌釜式反应器连续搅拌釜式反应器干扰素生产用动物细胞培养设备干扰素生产用动物细胞培养设备第一章生物反应器高效内循环生物反应器（高效内循环生物反应器（HCRHCR）第一章生物反应器新疆紫草细胞培养流程新疆紫草细胞培养流程细胞在培养周期中的变化细胞在培养周期中的变化第一章生物反应器丹参发根生物反应器大规模培养技术丹参发根生物反应器大规模培养技术丹参丹参(Salvia miltiorrhiza)(Salvia miltiorrhiza)：活血化淤：
22、活血化淤, ,通经止痛。丹参通经止痛。丹参有效成分在原植物根中含量低、有效成分在原植物根中含量低、生长周期长。生长周期长。药用植物发根大规模培养的关键药用植物发根大规模培养的关键在于其生物反应器培养技术。发在于其生物反应器培养技术。发根培养已在搅拌、气升、喷淋床、根培养已在搅拌、气升、喷淋床、雾化等形式的生物反应器中进行。雾化等形式的生物反应器中进行。第一章生物反应器南阳天冠酒精集团公司南阳天冠酒精集团公司 中央两个酒精发酵罐中央两个酒精发酵罐第一章生物反应器小型和大型生物反应器设计的不同点小型和大型生物反应器设计的不同点 项目项目 实验用小型反应器实验用小型反应器 生产用反应器生产用反应器功
23、率消耗功率消耗 不必考虑不必考虑 需认真对待需认真对待反应器内反应器内 空间因大量的控制、空间因大量的控制、 无此影响无此影响 检测装置占去一定空间检测装置占去一定空间混合特性混合特性 可不必考虑可不必考虑 需认真对待需认真对待换热系统换热系统 较易解决较易解决 较难解决较难解决第一章生物反应器中空纤维管式动物细胞微载体悬浮培养反应器中空纤维管式动物细胞微载体悬浮培养反应器 中空纤维作为通气装置：中空纤维作为通气装置：空气在管内，氧分子通过半空气在管内，氧分子通过半透性的管壁溶透到培养液中，透性的管壁溶透到培养液中，供给动物细胞生长供给动物细胞生长。培养液。培养液中不会产生气泡，可避免损中不会
24、产生气泡，可避免损伤动物细胞。若在中空纤维伤动物细胞。若在中空纤维管束中通入纯氧，则传递能管束中通入纯氧，则传递能力还可以提高。培养液通过力还可以提高。培养液通过下层螺旋桨搅拌器缓慢搅动下层螺旋桨搅拌器缓慢搅动循环，循环，微载体微载体在培养液中保在培养液中保持悬浮状态。持悬浮状态。第一章生物反应器工工业业用生物反用生物反应应器器机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器气举式反应器气举式反应器固定化酵素固定化酵素细胞反应器细胞反应器流流动动床生物反床生物反应应器器膜反膜反应应器器第一章生物反应器搅拌式发酵槽搅拌式发酵槽第一章生物反应器填充床反应器填充床反应器：装填有固：装填有固体催化剂或固体反应物用以实
25、体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径固体物通常呈颗粒状，粒径2 215mm15mm左右左右, ,堆积成一定高度堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器的区别在于它与流化床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。化炉等。底物底物产物产物底物底
26、物产物产物流化床反应器流化床反应器第一章生物反应器二、生物反应器二、生物反应器按操作方式分：按操作方式分：批式培养批式培养连续培养连续培养半连续培养半连续培养第一章生物反应器1、批式反应器批式反应器：营养物与菌种一次加入进行培养，：营养物与菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没有物料交换与外部没有物料交换。以机械搅拌式和气升式为。以机械搅拌式和气升式为最多。（如实验室摇瓶培养）最多。（如实验室摇瓶培养）优点优点：操作简单。：操作简单。缺点缺点：细胞所处化学环境在培养过程中明显改变细胞所处化学环境在培养过程中明显改变，营
27、养物质在培养过程分布不合理；初期细胞浓度营养物质在培养过程分布不合理；初期细胞浓度低增长慢，后期虽细胞浓度升高，但营养物浓度低增长慢，后期虽细胞浓度升高，但营养物浓度低而使生长不快。总的设备生产效率不高。低而使生长不快。总的设备生产效率不高。第一章生物反应器2、连续培养反应器连续培养反应器：不断地往反应器中加入营养物不断地往反应器中加入营养物，利用罐中的菌体增殖得到产物，并不断采出。利用罐中的菌体增殖得到产物，并不断采出。在良好的控制下，罐内菌体的增殖速度可以与在良好的控制下，罐内菌体的增殖速度可以与采出速度相同而达到稳态。采出速度相同而达到稳态。分为二类：分为二类：恒化器连续培养：恒化器连续
28、培养：通过控制培养基中某种营养物质的通过控制培养基中某种营养物质的浓度基本恒定的方式，保持细菌的比生长速率恒定，使浓度基本恒定的方式，保持细菌的比生长速率恒定，使生长生长“不断不断”进行。进行。 恒浊器连续培养：恒浊器连续培养：通过光电系统控制培养液中菌体浓通过光电系统控制培养液中菌体浓度恒定、使细菌生长连续进行。度恒定、使细菌生长连续进行。第一章生物反应器3、半连续反应器半连续反应器：介于批式和连续培养之间，介于批式和连续培养之间，分二种方式：分二种方式：补料批式或流加过程：补料批式或流加过程：在批式培养过程中不在批式培养过程中不断补入营养物，近年来常用，可解决营养物抑断补入营养物，近年来常
29、用，可解决营养物抑制及不足问题，提高设备效率；制及不足问题，提高设备效率；在补料的同时间断采出一定量的发酵液体在补料的同时间断采出一定量的发酵液体产物，延长发酵培养时间。产物，延长发酵培养时间。优缺点：连续和半连续培养有利于过程的优缺点：连续和半连续培养有利于过程的优化及效率提高，但易污染，要严格控制。优化及效率提高，但易污染，要严格控制。第一章生物反应器一、生物过程动力学：定量地描述过程的一、生物过程动力学：定量地描述过程的速速率率以及以及影响影响过程速率的诸多过程速率的诸多因素因素，包括，包括细细胞生长速率胞生长速率、各种基质消耗的速率各种基质消耗的速率、代谢代谢产物的生成速率产物的生成速
30、率。第二节第二节 细胞生长及代谢过程动力学细胞生长及代谢过程动力学第一章生物反应器反应速率反应速率：单位时间物质单位时间物质浓度浓度的变化量。细胞生的变化量。细胞生长速率为长速率为dxdx/dt/dt，代谢产物生成速率为，代谢产物生成速率为dp/dtdp/dt，基，基质消耗速率为质消耗速率为ds/dtds/dt。比速率比速率：单位浓度菌体在一定条件下引起的反应单位浓度菌体在一定条件下引起的反应速率。表示为速率。表示为=dx/x.dt=dx/x.dt、q qs s=-ds/xdt=-ds/xdt、q qp p=dp/xdt=dp/xdt。得率系数得率系数：两种物质得失之间的计量比。两种物质得失之
31、间的计量比。Yx/sYx/s，Yp/sYp/s。第一章生物反应器 二、细胞浓度：二、细胞浓度：单位体积培养液中所含细胞的单位体积培养液中所含细胞的量量(mol/L) (mol/L) 或菌体的干重，表示为或菌体的干重，表示为kg/mkg/m3 3。 只有相对于均衡生长模型的细胞培养体系才可只有相对于均衡生长模型的细胞培养体系才可用细胞浓度这一表示方式。用细胞浓度这一表示方式。 测量方法：测量方法：直接测定法直接测定法：细胞干重法、显微计数法、平板细胞干重法、显微计数法、平板计数法、浊度法。计数法、浊度法。间接测量法间接测量法：测定细胞成分，如大分子物质测定细胞成分，如大分子物质第一章生物反应器细
32、胞群体的描述模型细胞群体的描述模型：非结构模型非结构模型（最理想情况）：（最理想情况）：细胞群体视为细胞群体视为一种溶质一种溶质结构模型：结构模型：细胞之间无差异；细胞之间无差异；细胞内有多个组分细胞内有多个组分离散模型：离散模型：不考虑细胞结构；不考虑细胞结构；各种细胞不均一各种细胞不均一实际情况：实际情况：细胞之间不均一；细胞之间不均一；细胞内部多组分细胞内部多组分均衡生长均衡生长平平均均细细胞胞均衡生长均衡生长平平均均细细胞胞均衡生长模型：均衡生长模型：不考虑细胞内部的结构，不考虑细胞内部的结构，又不考虑细胞之间的任何差异；又不考虑细胞之间的任何差异；第一章生物反应器三、细胞均衡生长的动
33、力学模型三、细胞均衡生长的动力学模型l细胞生长模型；细胞生长模型；l基质消耗模型；基质消耗模型；l产物生成动力学模型。产物生成动力学模型。第一章生物反应器1 1、细胞生长模型、细胞生长模型( (只用生物量或细胞浓度来描述细胞的量）只用生物量或细胞浓度来描述细胞的量）细胞生长动力曲线细胞生长动力曲线: :延迟期、指数生长期、延迟期、指数生长期、（减速生长期）、静止期、自溶期（衰亡（减速生长期）、静止期、自溶期（衰亡期）。期）。细胞生长动力学描述：细胞生长动力学描述：（数学数学模型）模型）比生长速率（比生长速率（重要参数重要参数）：=dx/xdt=dx/xdt（单位体积内单位量细胞经过单（单位体积
34、内单位量细胞经过单位时间增加的细胞量）位时间增加的细胞量）第一章生物反应器反映了菌体增长的能力，受菌株及各种物理化学环反映了菌体增长的能力，受菌株及各种物理化学环境的影响，境的影响，与限制性底物浓度的关系定量表达为与限制性底物浓度的关系定量表达为MonodMonod方程方程：其中其中m m 为最大比生长速率；为最大比生长速率；KsKs为为MonodMonod常数（饱和系数）常数（饱和系数），取决于环境条件（，取决于环境条件（pH,pH,温度，离子强度等）；温度，离子强度等）；基本上反映了基本上反映了比生长速率比生长速率与与底物浓度底物浓度的关系，由的关系，由KsKs值又值又反映了比生长速率与环
35、境的关系。反映了比生长速率与环境的关系。不适于较黏稠的发酵液不适于较黏稠的发酵液( (另有模型）。另有模型）。有二个以上限制性底物有二个以上限制性底物; ;有抑制性底物或抑制性产物存有抑制性底物或抑制性产物存在时有不同的模型表示在时有不同的模型表示. .第一章生物反应器2 2、基质消耗模型：、基质消耗模型：l基质包括：基质包括：碳源、氮源、氧及其他营养源碳源、氮源、氧及其他营养源l基质消耗包括：基质消耗包括：细胞生长（合成新细胞）、细胞生长（合成新细胞）、细胞维持生命、合成次级代谢产物。细胞维持生命、合成次级代谢产物。l数学模型（数学模型（P6P6：式：式1-91-9）式中右边各项依次表示菌体
36、生长、维式中右边各项依次表示菌体生长、维持及次级代谢所消耗基质的速率。持及次级代谢所消耗基质的速率。第一章生物反应器3 3、产物生成动力学模型、产物生成动力学模型产物：产物：主要指细胞培养过程中代谢生成的主要指细胞培养过程中代谢生成的除细胞量外的产品；除细胞量外的产品；数学模型：数学模型：dp/dt=dp/dt=(dx/dt)+(dx/dt)+x x 其中其中、是与生长及菌体有关的比例系是与生长及菌体有关的比例系数，与菌株及各种环境因素有关。数，与菌株及各种环境因素有关。第一章生物反应器第三节第三节 生物反应器的设计生物反应器的设计生物反应器设计生物反应器设计的重要方面：的重要方面：改善生物催
37、化剂改善生物催化剂更好的进行过程控制更好的进行过程控制有更好的无菌条件有更好的无菌条件能克服速度限制因素能克服速度限制因素（特别是热量和质量传递）等。（特别是热量和质量传递）等。 第一章生物反应器一、微生物反应器设计的基本要求（一、微生物反应器设计的基本要求（8 8点点）（1 1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其它部件连接避免将需蒸汽灭菌的部件与其它部件连接，因为，因为即使阀门关闭，细菌也可在阀门内生长；即使阀门关闭，细菌也可在阀门内生长；（2 2）尽量减少法兰连接尽量减少法兰连接，如有可能，应采用全如有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一定要确实磨光，以消部焊接结构，焊接部位一定要确实磨光，以消除
38、积蓄耐灭菌的固体物质的场所；除积蓄耐灭菌的固体物质的场所；（3 3）防止死角、裂缝等情况防止死角、裂缝等情况，以避免固体物质，以避免固体物质在此堆积，形成使杂菌获得热抗性的环境在此堆积，形成使杂菌获得热抗性的环境（4 4）发酵系统的某些部分应能单独灭菌；发酵系统的某些部分应能单独灭菌；第一章生物反应器（5 5）与反应器相通的任何连接都应采用蒸气加与反应器相通的任何连接都应采用蒸气加以密封以密封，如取样口在不取样时也要一直通蒸气；，如取样口在不取样时也要一直通蒸气；（6 6）所有阀门要易清洗、易使用、易灭菌所有阀门要易清洗、易使用、易灭菌，比，比较好的阀们有球阀、隔膜阀和截止阀等；较好的阀们有球
39、阀、隔膜阀和截止阀等；（7 7）反应器应始终保持正压以排除渗漏反应器应始终保持正压以排除渗漏；（8 8）为了便于清洗，）为了便于清洗，反应器主体应尽量简单反应器主体应尽量简单。第一章生物反应器二、生物反应器选型与设计的要点二、生物反应器选型与设计的要点 1 1、选选择择适适宜宜的的生生物物催催化化剂剂。包包括括了了解解产产物物在在生生物物反反应应的的哪哪一一阶阶段段大大量量生生成成、适适宜宜的的pHpH和和温温度度，是是否否好好氧氧和和易易受受杂菌污染等。杂菌污染等。2 2、确定适宜的反应器形式。、确定适宜的反应器形式。3 3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。、确定反应器规模、几何尺寸、
40、操作变量等。4 4、传热面积的计算。、传热面积的计算。5 5、通风与搅拌装置的设计计算。、通风与搅拌装置的设计计算。6 6、材料的选择与确保无菌操作的设计。、材料的选择与确保无菌操作的设计。7 7、检验与控制装置。、检验与控制装置。8 8、安全性。、安全性。9 9、经济性。、经济性。第一章生物反应器培养的细胞类型培养的细胞类型及其生长特性及其生长特性( (动力学特性动力学特性) )目的产物是什么目的产物是什么, ,其物化性质及其其物化性质及其对分离的影响对分离的影响基质的成分及物基质的成分及物理化学性质理化学性质期望的年产量期望的年产量反应器类型反应器类型温度范围温度范围pHpH范围范围需要溶
41、氧量需要溶氧量基质浓度基质浓度产物分离方式产物分离方式决定了决定了供氧、匀质、产物分离、抑制物去除供氧、匀质、产物分离、抑制物去除三、生物反应器设计所要考虑的主要问题三、生物反应器设计所要考虑的主要问题第一章生物反应器四、生物反应器设计的基本方法四、生物反应器设计的基本方法根据实验数据推论最佳方案根据实验数据推论最佳方案; ;根据细胞培养动力学模型推论最佳方案根据细胞培养动力学模型推论最佳方案; ;二者结合并互相验证二者结合并互相验证第一章生物反应器五、生物反应器的放大五、生物反应器的放大比拟放大：比拟放大：根据实验数据和数学模型，利用近根据实验数据和数学模型，利用近似法则和因次分析等手段，将
42、实验室的小型设备获似法则和因次分析等手段，将实验室的小型设备获得的较高产量效率在大型生产设备里重现的方法。得的较高产量效率在大型生产设备里重现的方法。要解决的主要问题：要解决的主要问题：气态氧向液相中传递的速率受到限制；气态氧向液相中传递的速率受到限制；营养物质不能及时保持均匀从而导致菌体生长的限营养物质不能及时保持均匀从而导致菌体生长的限制。制。第一章生物反应器1. 1.氧的供给氧的供给氧的供给常常成为菌体生长的氧的供给常常成为菌体生长的限制因素限制因素深层培养中氧的供给是深层培养中氧的供给是液体中溶解的氧液体中溶解的氧，必须，必须由气泡传给发酵液由气泡传给发酵液，其传递速率为：，其传递速率
43、为： OTR=kOTR=kLaLa(C*-C), (C*-C), 其中其中K KLaLa为传氧系数为传氧系数发酵反应器设计要求有尽量发酵反应器设计要求有尽量高的传氧系数高的传氧系数传氧系数的测量传氧系数的测量有：有：直接测量法、动态法、亚直接测量法、动态法、亚硫酸盐氧化法硫酸盐氧化法第一章生物反应器2. 2.罐内流体的混合罐内流体的混合罐内流体的混合罐内流体的混合：一方面是为了加强氧的传一方面是为了加强氧的传递，另一方面使流体混合均匀，避免局部递，另一方面使流体混合均匀，避免局部过浓或过稀并强化菌体与营养物的接触。过浓或过稀并强化菌体与营养物的接触。第一章生物反应器解决方法解决方法搅拌的设计及
44、控制：搅拌的设计及控制：优化反应器尺寸、操作条件等各方面以利于氧的传优化反应器尺寸、操作条件等各方面以利于氧的传递和溶质的均匀递和溶质的均匀具体方法：具体方法：增加搅拌速率；增加搅拌速率；增大通气量；增大通气量；通入纯氧；通入纯氧；放出部分丝状体；放出部分丝状体；添加少量水不溶性的比水有更高溶氧度的另一添加少量水不溶性的比水有更高溶氧度的另一相，如十二烷相，如十二烷第一章生物反应器生物反应器放大的一般原则生物反应器放大的一般原则几何相似原则；几何相似原则；恒定等体积功率放大；恒定等体积功率放大；恒定传氧系数放大；恒定传氧系数放大；恒定剪切力放大；恒定剪切力放大；恒定混合时间放大恒定混合时间放大
45、第一章生物反应器六、生物反应器的操作特性六、生物反应器的操作特性 反应器类型反应器类型pHpH控控制制温度温度控制控制 工业重要特性工业重要特性 主要应用领域主要应用领域批式批式( (通用罐通用罐) )连续搅拌罐式连续搅拌罐式气升式反应器气升式反应器鼓泡式反应器鼓泡式反应器自吸式反应器自吸式反应器通风制曲设备通风制曲设备嫌气反应器嫌气反应器动动植植物物细细胞胞用用反应器反应器光合反应器光合反应器如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需难控难控如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需人事费用高人事费用高流速受冲出限制流速受冲出限制空空压压机
46、机出出口口压压力力要高要高可采用鼓风机可采用鼓风机需转子高速旋转需转子高速旋转人事费用高人事费用高无需通风设备无需通风设备剪切应力小剪切应力小需光源需光源大多数工业生产大多数工业生产污水处理、污水处理、SCPSCP生产等生产等有机酸有机酸, ,如柠檬酸生产等如柠檬酸生产等面包酵母等生产面包酵母等生产乙酸、酵母等生产乙酸、酵母等生产麸曲、酶制剂和麦芽生产等麸曲、酶制剂和麦芽生产等酒精、啤酒等生产酒精、啤酒等生产杂杂交交瘤瘤单单克克隆隆抗抗体体、烟烟草草细细胞胞培养等培养等微藻等生产微藻等生产第一章生物反应器变量变量主要控制方法主要控制方法温度温度冷源或热源流量冷源或热源流量pHpH加入酸或碱加入
47、酸或碱空气流量空气流量空气入口或出口阀门空气入口或出口阀门搅拌转速搅拌转速改变驱动电机转速改变驱动电机转速溶氧溶氧调节通气量、罐压或搅拌转速调节通气量、罐压或搅拌转速泡沫高度泡沫高度加入消泡剂、调节罐压、搅拌加入消泡剂、调节罐压、搅拌罐压罐压尾气阀门的开度尾气阀门的开度常用的控制方法：反馈调节常用的控制方法：反馈调节七、生物放大器的控制及优化七、生物放大器的控制及优化（一）控制（一）控制第一章生物反应器二、优化二、优化过程变量的关联及敏感量的获得过程变量的关联及敏感量的获得：根据实验得到或历史：根据实验得到或历史积累及文献数据（或根据数学模型），对各种物理及化积累及文献数据（或根据数学模型），
48、对各种物理及化学变量的变化与菌体比生物速率和产物比生长速率进行学变量的变化与菌体比生物速率和产物比生长速率进行相关性统计，得到对细胞培养过程起决定作用的主要相关性统计，得到对细胞培养过程起决定作用的主要（1-21-2个）因素（即敏感量）；个）因素（即敏感量）；流加技术的应用（补料批式操作）流加技术的应用（补料批式操作）：批式发酵的基础上，：批式发酵的基础上，在过程中根据需要进行营养物质的补充，有二种方式：在过程中根据需要进行营养物质的补充，有二种方式：无反馈补料无反馈补料：对过程代谢进行研究的基础上制定一定的：对过程代谢进行研究的基础上制定一定的轨迹曲线进行补料；轨迹曲线进行补料；反馈补料反馈补料：依据过程的在线测量结果，特别是对敏感量：依据过程的在线测量结果，特别是对敏感量的测量结果决定补料的策略。的测量结果决定补料的策略。第一章生物反应器第一章生物反应器作业：作业：请述在选用及设计生物反应器时请述在选用及设计生物反应器时应虑及那些方面？应虑及那些方面？请大家课后了解生物反应器的具请大家课后了解生物反应器的具体应用！体应用！第一章生物反应器
