1、第一章 生物反應器Bioreactor第一節第一節 概述概述 各種細胞及其代謝產物的生產過程都要通過細胞的培養，而細胞培養所用的裝置就是反應器反應器。生物反應器的作用：生物反應器的作用：就是要為細胞代謝提供一個優化的物理及化學環境，使細胞能更快更好地生長，得到更多的需要的生物量或代謝產物。生物反應器：生物反應器：生物反應器是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進行生化反應的裝置系統，是一種生物功能模擬機，如發酵罐 、 固 定 化 酶 或 固 定 化 細 胞 反 應 器 等 。如何使細胞生長的更快更好？如何使細胞生長的更快更好？一、好的細胞株系一、好的細胞株系二、良好的環境條件二、

2、良好的環境條件1 1、良好的物理環境：、良好的物理環境：最主要的有溫度、最主要的有溫度、pHpH、溶氧量、合、溶氧量、合適的混合強度以保證細胞與營養物的接觸及細胞的懸適的混合強度以保證細胞與營養物的接觸及細胞的懸浮等。浮等。2 2、合適的化學環境：、合適的化學環境：要求有合適的各種營養物的濃度，要求有合適的各種營養物的濃度，并限制各種妨礙生長代謝的有毒物質的濃度。并限制各種妨礙生長代謝的有毒物質的濃度。研究生物反應器的目的研究生物反應器的目的1 1、確定為達到一定的生產目的需要多大的生物反應、確定為達到一定的生產目的需要多大的生物反應器，什么樣的結構更好。器，什么樣的結構更好。2 2、對已有的

3、生物反應器進行分析，達到優化的目的。、對已有的生物反應器進行分析，達到優化的目的。3 3、分析各種生物反應器的數據，從而對細胞的生長、分析各種生物反應器的數據，從而對細胞的生長、代謝等過程有更加深入的理解。代謝等過程有更加深入的理解。（生物反應器是工程學的一部分也是化學工程的一（生物反應器是工程學的一部分也是化學工程的一個分支）個分支）化學工程還包括下面幾個重要的內容化學工程還包括下面幾個重要的內容1 1、流體的輸送及混合。、流體的輸送及混合。核心問題是流體之間動量的傳遞、機械能的轉化。2 2、熱量的傳遞。、熱量的傳遞。生物反應器要考慮發酵熱的傳出以及發酵罐溫度的控制。3 3、物質的傳遞。、物

4、質的傳遞。生物反應器內進行著各種物質傳遞過程，這些傳遞過程的強度主要由濃度差以及擴散的面積決定。第二節第二節 細胞生長及代謝過程動力學細胞生長及代謝過程動力學n一、細胞生長的特點、描述方法的分類一、細胞生長的特點、描述方法的分類n二、細胞的濃度及其測量二、細胞的濃度及其測量n三、均衡生長模型三、均衡生長模型n四、其它模型四、其它模型一、細胞生長的特點一、細胞生長的特點（一）細胞培養（一）細胞培養 1 1、細胞培養的一般條件、細胞培養的一般條件n溫度溫度npHpHn滲透壓滲透壓n營養物營養物 n水水 n無菌條件無菌條件 n光光 n氣體氣體 2 2、動物細胞培養的特殊條件、動物細胞培養的特殊條件n

5、 (1) (1)血清：血清：動物細胞離體培養常常需要血清。最常用的是小牛血清。血清提供生長必需因子，如激素、微量元素、礦物質和脂肪。n (2)(2)支持物：支持物：大多數動物細胞有貼壁生長的習慣。離體培養常用玻璃，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胞培養過程中不斷進行調節，不斷維持所需要的氣體條件。3 3、植物細胞培養的特殊條件、植物細胞培養的特殊條件n(1)(1)光照：光照：離體培養的植物細胞對光照條件不嚴格，因為細胞生長所需要的物質主要是靠培養基供給，但光照不但與光合作用有關，而且與細胞分化有關。n (2)(2)激素：激素：植物細胞的分裂和生長

6、特別需要植物激素的調節，促進生長的生長素和促進細胞分裂的分裂素是最基本的激素。4 4、微生物細胞培養的特殊條件、微生物細胞培養的特殊條件n微生物多為單細胞生物，野生生存條件比較簡單。微生物多為單細胞生物，野生生存條件比較簡單。 所以微生物人工培養的條件比動植物細胞簡單得多。其中厭氧微生物培養比好氧微生物復雜。n微生物對培養條件要求不如動植物細胞那樣苛刻微生物對培養條件要求不如動植物細胞那樣苛刻，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基。（二）描述方法（二）描述方法 動力學的研究目的是定量地描述過程動力學的研究目的是定量地描述過程的速率以及影響過程速率的諸多因素。的速率以及影響

7、過程速率的諸多因素。 生物過程動力學研究的主要問題是生物反應的速率，特別是細胞生長的速率、各種基質組分的消耗速率、代謝產物的生成速率。常用的有常用的有：反應速率：單位時間物質濃度的變化量。如：細胞的生長速率、代謝產物的生成速率等。得率系數：兩種物質得失之間的計量比。如：菌體的生成量對基質消耗量的得率系數。比速率：單位濃度的菌體、單位時間引起某物質濃度的變化量。如：菌體的比生長速率、基質的比消耗速率、產物的比生成速率。理想流動和非理想流動兩種理想流動模式全混式全混式，即反應器內各點濃度及其它條件均一。活塞流式活塞流式，即反應器內物質沿一定方向流動，完全沒有反向混合。u實際反應裝置常常介于兩者之間

8、。細胞生長的特點及細胞群體的描述細胞的生長、代謝是一個復雜的生物化學過程與一般的化學過程不同，這個反應體系的特點是，它是一種多相、多組分、非線性的體系。細胞的培養和代謝還是一個復雜的群體的生命活動，通常每毫升培養液中含104-108個細胞。而且，像任何有生命的東西一樣，細胞也經歷著新生、成長、成熟直至衰老的過程，在其生命的循環中，也存在退化與變異的問題。細胞群體進行簡化假設u是否考慮細胞內部復雜的結構u是否考慮細胞之間的差別4種模型（最理想情況）把細胞群體處理為一種溶質非結構模型非結構模型非離散模型非離散模型細胞之間無差異，細胞內有多個組分（結構）結構模型結構模型均衡生長（假設）細胞之間不均一

9、，細胞內部多組分（實際情況）“平均細胞平均細胞”近似近似不考慮細胞結構，但各種細胞不均一“平均細胞平均細胞”近似近似離散模型離散模型均衡生長（假設）非離散的結構模型文獻上簡稱結構模型簡稱結構模型。這種模型把細胞分為具有不同生理功能的組分。這種模型考慮到胞內不同的結構單元，對更精細地分析細胞的代謝調控是很重要的，其分析結果對于過程的優化往往具有指導作用。結構模型考慮了胞內各結構單元的代謝及相互作用，因此列出的方程參數多、復雜，不容易解，即使用計算機求解也要花費相當的時間，因此在過程控制中較少用這種模型。離散型非結構模型把細胞分為幾種不同形態或功能的類別。總的細胞量是各類細胞量的和，各類細胞有不同

10、的生理功能。對于培養中細胞有明顯差別（形態、功能）的過程用此種離散模型最好。缺點缺點：分別測出各類細胞量是有困難的。離散型結構模型細胞培養的實際情況。細胞之間不均一，細胞內部多組分。在求解和分析中最繁雜，應用較少。非結構非離散模型u簡稱均衡生長模型。u這種模型沒有考慮細胞內部的結構，又不考慮細胞之間有任何差異。因此，可以把細胞用“濃度”這一個量來描述，即把細胞看成一種“溶質”，從而簡化了胞內外的傳遞過程分析，也簡化了過程的數學描述。u對于相當多的微生物過程分析，特別是過程控制來說，均衡生長模型是可以滿足要求的。二、細胞濃度及其測量二、細胞濃度及其測量細胞濃度在培養過程中是一個十分重要的參數。在

11、定量研究生物反應之前，首先需要說明微生物的濃度即菌體濃度的表示方法。 （g/l, kg/m3)n細胞干重法：細胞干重法：測量細胞濃度的最基本方法。n顯微計數法：顯微計數法：顯微鏡和血球計數器。n平板計數法：平板計數法：生理鹽水稀釋，記錄菌斑。n濁度法：濁度法：波長600-700nm范圍測量。直接測定法直接測定法間接測定法：間接測定法：測定構成細胞的大測定構成細胞的大分子物質來確定細分子物質來確定細胞濃度。胞濃度。三、均衡生長模型三、均衡生長模型1 1、細胞生長模型：、細胞生長模型：均衡生長模型只用一個均衡生長模型只用一個量來描述細胞的量，即生物量或細胞的濃量來描述細胞的量，即生物量或細胞的濃度

12、。通常用每毫升培養液中菌體個數或干度。通常用每毫升培養液中菌體個數或干菌重來描述。菌重來描述。 （1）細胞生長動力學曲線：將微生物在一個封閉體系中培養，測定培養過程中細胞濃度的變化，可得到細胞生長的動力學曲線。p 以間歇培養微生物為例，在培養過程中動力學曲線包括延遲期、指數生長期、禁止期、自溶期等階段。（2）細胞生長動力學描述： u細胞生長速率的一個重要參數重要參數是比生長速率。u比生長速率比生長速率：比生長速率表示在單位體積內單位量細胞經過單位時間增加的細胞量。這種增加包括生長和繁殖兩個部分。u比生長速率表示菌體增長的能力，它也受菌株菌株及各種物理化學環境因素物理化學環境因素的影響。 2 2

13、、基質消耗的模型、基質消耗的模型 基質包括細胞生長所需各種營養成分，基質包括細胞生長所需各種營養成分，其消耗主要有其消耗主要有三個方面三個方面： 一一. .是細胞的生長，合成新的細胞；是細胞的生長，合成新的細胞； 二二. .是細胞維持生命要消耗的能源物質；是細胞維持生命要消耗的能源物質； 三三. .是合成次級代謝產物。是合成次級代謝產物。 3 3、產物生成動力學模型、產物生成動力學模型u 產物主要指的是細胞培養過程中產物主要指的是細胞培養過程中代謝生代謝生成的除細胞量以外的產品。成的除細胞量以外的產品。u 按照其生成特點，產物可分為按照其生成特點，產物可分為兩類：兩類：生生長偶聯型長偶聯型及及

14、非生長偶聯型非生長偶聯型。u 這這兩者的區別兩者的區別在于在于前者前者的生成只是在細的生成只是在細胞生長時才能生成，而胞生長時才能生成，而后者后者則只要有細胞則只要有細胞存在就能生成。存在就能生成。4、均衡生長動力學模型應用實例u青霉素球狀菌發酵青霉素球狀菌發酵（P6頁）u實際在生物培養過程中，菌體的生長、基質的菌體的生長、基質的消耗及產物的生成三個方面是交織在一起的消耗及產物的生成三個方面是交織在一起的。菌體的生長消耗了基質，而基質濃度的變化又影響菌體的生長速度，對于產物也是這樣。u因此，細胞培養整體的動力學模型是上述幾個細胞培養整體的動力學模型是上述幾個微分方程聯立的結果。微分方程聯立的結

15、果。已知初始條件即可以應用合適的數學方法對過程求解及分析。四、其它模型四、其它模型n均衡生長模型把細胞看成一個溶質，沒有考慮胞內的結構和細胞之間的差別。在分析胞內的誘導作用在分析胞內的誘導作用、對工程菌進行動對工程菌進行動力學描述力學描述以及細胞的形態和功能有較大差細胞的形態和功能有較大差異異時，應用這個模型是不合適的。n在實際過程中，有時還需使用其它模型。比如，離散模型、結構模型等。第三節第三節 生物反應器的基本類型及其設計生物反應器的基本類型及其設計n一、一、生物反應器的特點及其分類n二、批式反應器n三、連續攪拌罐反應器-衡化器n四、生物反應器的強化一、生物反應器的特點及其分類一、生物反應

16、器的特點及其分類微生物的種類很多微生物的種類很多，特點各異，生物反應器也五花八門，各以不同的方式提供適宜的生長環境，反應器的設計反應器的設計涉及采用的工藝涉及采用的工藝、攪攪拌拌和通氣系統通氣系統及主要基質的狀態主要基質的狀態。通氣系統的基本形式有浸沒式鼓泡器浸沒式鼓泡器（有或沒有機械攪拌）、表面通氣裝置表面通氣裝置和膜反應器膜反應器。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，制作嚴密無隙以防染菌，且用對微生物或酶無毒害的材質材質制作；當用微生物為催化劑時，催化劑催化劑本身是在發酵罐中產生的（開始時需接入菌種），為防止雜菌污染和活性衰退，一般采用分批釜式反應器采用分批釜式反應器；

17、生物反應器的特點生物反應器的特點：與一般化學過程的反應器與一般化學過程的反應器相比，其基本原理和結構應是相近的，但有如下特點：相比，其基本原理和結構應是相近的，但有如下特點： 酶常因底物（即酶的作用物）的濃度過高發生抑制作用，微生物細胞因胞內外滲透壓平衡問題，要求底物濃度也不能太高，因而反應器體積相當龐大反應器體積相當龐大； 在發酵過程中，生化反應機理和途徑相當復雜，有的尚不清楚，很難進行化學計量學的計算及反應動力學的研究，加上反應時常是氣、液、固三相并存，有的反應液粘度很大，流變學性質復雜，對反應器中物料的混合和傳遞帶來不利， 使采用化學反應工程的原理和方法解決生物反應器的設計放大問題存在較

18、大困難。 生物反應器的分類生物反應器的分類（一）按照生物反應過程來分（一）按照生物反應過程來分n1、發酵過程用的反應器稱為發酵罐發酵罐；n2、酶反應過程用的反應器則稱為酶反應器酶反應器。n3、專為動植物細胞大量培養用的生物反應器，專稱為動植物細胞培養裝置動植物細胞培養裝置。 發酵罐發酵罐 發酵罐若根據其使用對象區分使用對象區分，可有：嫌氣發酵罐、好嫌氣發酵罐、好氣發酵罐、污水生物處氣發酵罐、污水生物處理裝置等理裝置等。 其中嫌氣發酵罐最為簡單，生產中不必導入空氣，僅為立式或臥式的筒形容器，可借發酵中產生的二氧化碳攪拌液體。（見彩圖） n產品名稱：產品名稱：5L離位滅菌自動臺式發酵罐離位滅菌自動

19、臺式發酵罐 n型型 號：號： SY-3005QB n技術參數：技術參數：n標準配置：標準配置：n1 1、罐體系統：、罐體系統：n罐體全容積：5L；工作容積：24Ln罐體材質：硼硅玻璃+316L不銹鋼；罐蓋材質：316L不銹鋼n罐體設計壓力：0.1Mpa；夾套設計壓力：0.25Mpan罐蓋結構：標準溫度、PH、 DO 傳感器插口各1個；標準泡沫電極插口1個；通用補料接口2個；接種口1個；排氣口1個；取樣管口1個n表面處理：不銹鋼內外鏡面拋光，拋光精度Ra0.4n2 2、滅菌方式：、滅菌方式：高壓滅菌鍋滅菌n3 3、攪拌系統：、攪拌系統：直聯機械攪拌；0.1KW直流電機；兩層六平葉發酵專用標準槳；

20、 控制范圍：501000rpm，控制精度：1%n4 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電極及屏蔽導線；范圍：5 100%，控制精度：2%n7 7、泡沫控制：、泡沫控制：自動檢測泡沫添加消泡劑；靈敏度100 100000n8 8、補料控制：、補料控制：蠕動泵自動流加；范圍：0120 ml/min ， 控制精度： 2%n9 9、空氣流量控制：、空氣流量控制：轉子流量計手動調節；范圍：0 10L/minn1010、控制系統：、控

21、制系統： 采用兩級控制體系: 上位機(PC機)+下位機(發酵罐現場控制器)；通過網線連接；上位機和下位機都可以單獨對發酵罐進行控制；上位機接入局域網時,可實現遠程控制；發酵罐現場控制器采用進口嵌入式控制核心，大屏幕液晶顯示屏、輕觸式薄膜鍵盤，全中文菜單式操作界面n11 11、發酵監控軟件（免費贈送）：、發酵監控軟件（免費贈送）： SY-3000E發酵監控軟件的主要功能：顯示并記錄發酵時間、溫度、pH、溶解氧、轉速、空氣流量、 壓力、補料量、泡敵量、酸堿劑量等發酵過程參數；手動、自動、順序和關聯四種控制方式；可實現數據記錄和輸出、動態曲線歷史曲線顯示和打印等功能n1212、配套設備：、配套設備：

22、空氣壓縮機：靜音無油，50L/min以上；高壓滅菌鍋：內容量50L以上發酵罐組成1、殼體2、控溫部分3、攪拌部分4、通氣部分5、進料口6、量測系統7、附屬系統特點特點n 這種發酵罐根據其特點叫做機械攪拌罐，有人也叫它常規發酵罐。n 是目前使用最多的一種，適用性好，適用性好，適應性強，從小型到中型、到大型的細胞培適應性強，從小型到中型、到大型的細胞培養過程都可以使用，放大容易養過程都可以使用，放大容易。n 其缺點是缺點是罐內的機械攪拌剪切力容易損傷嬌嫩的細胞，造成某些細胞培養過程減產。氣體提升式發酵罐酶反應器酶反應器 （可分兩大類）（可分兩大類）1、游離酶游離酶反應器2、固定化酶固定化酶反應器

23、1 1、游離酶反應器、游離酶反應器以水溶液狀態與底物反應以水溶液狀態與底物反應。 若為分批釜式反應器，酶就不能回收；若為分批釜式反應器，酶就不能回收； 若用連續釜式反應器并附有一個能把大分子若用連續釜式反應器并附有一個能把大分子的酶留在系統內的超濾裝置則可使酶連續使用。的酶留在系統內的超濾裝置則可使酶連續使用。 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, ,并將其置于釜式或管式反應器進行操并將其置于釜式或管式反應器進行操作，這樣也可使酶連續使用。后者接近連續管式作，這樣也可使酶連續使用。后者接近連續管式反應器。反應器。 2、固定化酶

24、反應器 除了和化學反應器類似的固定床反應器固定床反應器和流流化床反應器化床反應器外，還有多種特殊設計特殊設計。 例如：u 將酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋裝置于反應器（圖5）中,或u 將酶固定在中空纖維的內壁制成反應器；也可將固定化酶置于金屬網框中進行酶反應（圖6）。u 在反應中產氣(如CO2)嚴重時，可考慮采用多層酶反應器。動物細胞培養所用的生物反應器 動物細胞培養所用的生物反應器與前面所介紹的生物反應器（用于微生物培養的）基本是一樣的。 但由于高等生物細胞比較嬌嫩，對培養高等生物細胞比較嬌嫩，對培養條件要求更高一些條件要求更高一些，因而在選用及設計生物反應器時要特別考慮以下幾點：動物細胞培

25、養應考慮1、避免或減低由于機械攪拌而產生的剪切力剪切力對細胞的損傷。2、氣泡的表面張力氣泡的表面張力可對細胞造成傷害，在通氣時要防止氣泡與細胞接觸。3、在進行PHPH調節或補料調節或補料時，要嚴格防止化學環境的急劇變化對細胞的傷害。如不能用酸、堿直接加入的方式調節PH，應以改變CO2/O2/N2的比例為主進行調節。動植物細胞培養裝置動植物細胞培養裝置 生物反應器的其它分類生物反應器還可以按照其操作方式分為下面3類：1 1、批式培養：、批式培養：指的是營養物和菌種一次加入進行培養，直到結束放出，中間除了空氣進入和尾氣排出，與外界沒有物料交換。2 2、連續培養：、連續培養：連續培養是不斷地往反應器

26、中加入營養物，利用罐中的菌體增殖得到產物，并不斷采出。實際進行連續培養有兩類反應器（攪拌罐式反應器和管式反應器）。3 3、半連續操作、半連續操作二、批式反應器 批式反應可以用各種反應器，其中以機械攪拌式機械攪拌式和氣升式氣升式用的最多。三、連續攪拌罐反應器-恒化器 恒化器的基本操作模型如圖1-14所示（P15）。物料連續地以體積流量F流入反應器，并以同樣流量流出去。反應器內有很好的混合，即各點濃度一樣。 恒化器的操作特點是恒化器的操作特點是其流出物流的濃度與反應器內相同，而且加入的物流，一進入反應器立即與反應器內物料均勻混合。四、生物反應器的強化四、生物反應器的強化 n1、 規模經濟n2、過程

27、的強化n3、反應系統第四節第四節 生物反應器的放大生物反應器的放大一、概述一、概述 在實驗室里用小型設備進行科學試驗，獲得了較高的產量和效率，如何在大型的生產規模設備里重現，是生物反應器放大要解決的問題。放大的方法放大的方法數學模型法數學模型法半數學模型法半數學模型法因次分析法因次分析法：又稱量綱分析，是對過程有關物理量的因次（即量綱）進行分析，得到為數較少的無因次數（即無量綱參數）群間關系的方法 近似法則法近似法則法嘗試誤差法嘗試誤差法迄今，文獻上常見的發酵罐比擬放大法仍以發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合為主。經過放大，最有可能對發酵過程反應速率產經過放大，最有

28、可能對發酵過程反應速率產生影響的一般是傳質過程生影響的一般是傳質過程，其中限制性的傳質速率就是氣態氧向液相中傳遞的速率。因此，先要了解發酵罐中的傳質及混合過程。1 1、氧的供給。、氧的供給。2 2、罐內流體的混合：、罐內流體的混合：罐內流體的混合一方面是為了加強氧的傳遞，另一個方面使流體混合均勻避免局部過濃或過稀的現象，并強化菌體與營養物的接觸。二、攪拌及傳氧二、攪拌及傳氧1、攪拌、攪拌反應器攪拌的一個重要的參數是通過攪拌器一個重要的參數是通過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速攪拌漿轉速與直徑直徑外還有兩個重要的因素，一是流體的流動與性質一是流體的流動與性質，二二是通氣與否是通氣與否。流動流體性質依其切變速率與剪切力之間的關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，比例系數為粘度，非牛頓型流體則不成比例。2 2、氧的傳遞、氧的傳遞 氧的傳遞能力的好壞受物體流動性、反應器尺寸、操作條件等各方面的影響。氧的傳遞又常限制細胞的生長。三、生物反應器的放大原則三