李清華公共衛生學院第二節發酵基本工藝與發酵設備發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt1李清華公共衛生學院第二節發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt主要內容一、發酵工藝流程二、常見發酵設備

1、發酵罐的設計原則 2、微生物細胞反應器 3、動物細胞培養反應 4、植物細胞培養反應器2主要內容2從自然界分離的菌種產

品基因工程誘變育種細胞工程生產用菌種擴大培養原

料微生物菌體代謝產物分離提純發酵罐發酵條件控制接種培養基配置滅菌從自然界分離的菌種產品基因工程誘變育種細胞工程生產用菌種3一、發酵工藝流程典型的發酵生產過程包括：菌種的選育確定菌種繁殖和發酵生產所用的培養基；對培養基、發酵罐及其附屬設備進行滅菌；

菌種經逐級擴大培養后，作為生產種子接種于發酵罐中;控制發酵罐中微生物的生長條件，最大程度地獲得人們渴望的代謝產物;產物萃取和精制

;發酵過程中廢棄物的處理與回收.4一、發酵工藝流程典型的發酵生產過程包括：4菌種的選育要想通過發酵工程獲得在種類、產量和質量等方面符合人們要求的產品，最重要的是要有優良的菌種。怎樣才能得到優良的菌種呢？如果生產的是微生物直接合成的產物可以從自然界中先分離出相應的菌種，再用物理或化學的方法使菌種產生突變，從突變個體中篩選出符合生產要求的優良菌種。如果生產的是一般微生物不能合成的產品可用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構建工程細胞或工程菌，從而達到生產相應產品的目的

菌種的選育要想通過發酵工程獲得在種類、產量和質量等方面符合人5

對菌種一般有以下要求：菌種能在較短的發酵過程中高產有價值的發酵產品。菌種的發酵培養基應價廉，來源充足，被轉化為產品的效率高。如農副產品。菌種對人、動物、植物和環境不應該造成危害，還應注意潛在的、慢性的、長期的危害，要嚴格防護。菌種發酵后，所產不需要的代謝產物少，且產品相對容易地與不需要的物質分離，下游技術能用于規模化生產。菌種的遺傳特性穩定，而且易于進行基因操作。對菌種一般有以下要求：6培養基的配制進行發酵生產，有了優良的菌種還需要有與菌種相適應的培養基。在配制培養基時應該注意：（1）根據不同的菌種，應選擇不同的材料配制培養基。配制的培養基應滿足微生物在碳源、氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的營養要求，并為微生物提供適宜的pH、滲透壓等。（2）培養基的營養要協調，以利于產物的合成。（3）培養基在滿足微生物的營養需求的基礎上應盡量降低生產成本，以得到更高的經濟效益。培養基的配制進行發酵生產，有了優良的菌種還需要有與菌種相適7滅菌發酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整個發酵過程中不能混入雜菌。在發酵過程中如混入其他微生物，將與菌種形成競爭關系，對發酵過程造成不良影響。例如：在谷氨酸發酵過程中混入放線菌，則放線菌分泌的抗生素就會使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡；在青霉素生產過程中污染了雜菌，這些雜菌則會分泌青霉素酶，將合成的青霉素分解掉。滅菌發酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整個發酵過程中不能混8滅菌那如何防止雜菌的污染呢？要在發酵前對培養基和發酵設施進行嚴格的滅菌處理。空消、實消怎樣才算滅菌徹底呢？用高溫、高壓的方式，殺死所有雜菌的胞體、芽孢和孢子。滅菌那如何防止雜菌的污染呢？9擴大培養和接種

如何得到發酵生產所需要的大量菌體來縮短生產周期？經過多次的擴大培養。如何對菌種進行擴大培養？擴大培養是將培養到對數期的菌體分開，分頭進行培養，以促使菌體數量快速增加，能在短時間里得到大量的菌體。擴大培養和接種如何得到發酵生產所需要的大量菌體來縮短生產周10擴大培養和接種擴大培養與發酵生產過程中的培養不同：擴大培養是為了讓菌體在短時期內快速增殖，而發酵過程中的培養是為了獲得代謝產物，目的不同采用的培養條件就有可能不同。例如：在酒精發酵過程中，擴大培養是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進行。而在發酵產生酒精的過程中則必須在無氧條件下進行以獲得大量的酒精。有了用于生產的充足的菌體，接種過程中要注意防止雜菌污染。擴大培養和接種擴大培養與發酵生產過程中的培養不同：11發酵過程為什么將菌體接種到裝有培養液的發酵罐中，還需要對發酵過程進行檢測和對發酵條件進行控制？發酵產物主要在菌體生長的穩定期產生。因此，要在發酵過程中隨時取樣檢測培養液中細菌數目、產物濃度以了解發酵進程，及時添加必需的培養基成分來延長菌體生長穩定期的時間，以得到更多的發酵產物。同時，還應對發酵條件進行嚴格控制。發酵過程為什么將菌體接種到裝有培養液的發酵罐中，還需要對發12發酵過程哪些條件能影響菌體的發酵？發酵生產中發酵罐內部的代謝變化，如菌體形態、菌體濃度、營養物質的濃度、溫度、pH、溶氧量、產物濃度、以及發酵罐攪拌轉速等對發酵過程都有重大影響。發酵過程哪些條件能影響菌體的發酵？13分離、提純代謝產物采用離心、過濾、沉淀等方法將菌體從培養液中分離出來。菌體本身，如酵母菌和細菌等采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進行提取。分離、提純代謝產物14二、發酵設備生物反應器(發酵罐)利用生物工程技術進行生產的過程統稱生物反應過程。采用活細胞(包括微生物、動植物細胞)的某些特定功能生產有用產品的生物反應過程稱為發酵過程或細胞培養過程。采用游離或固定化酶作為生物催化劑的生物反應過程，稱為酶反應過程。生物反應器：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。二、發酵設備生物反應器(發酵罐)利用生物工程技術進行15生物反應器應具備的條件：能維持一定的溫度、pH、反應物(如營養物質、溶解氧等)濃度；應具備良好的傳質、傳熱和混合性能，以便為生物反應的順利進行提供適宜的環境條件；細胞生物反應器除具備上述特性外，還要求有一定的除菌及密封設備，以防止生產過程中因微生物侵入造成的雜菌污染。根據生物反應過程中所使用的生物催化劑不同可將生物反應器分為：酶反應器和（微）細胞生物反應器。生物反應器應具備的條件：根據生物反應過程中所使用的生物催化劑16（一）發酵罐設計的原則發酵罐的主要功能：為菌體生長，或為某一特定的微生物混合發酵劑提供一個便于控制的環境，以獲得人們所期望的產物。發酵罐設計的原則1、發酵器應能在無菌條件下工作數天，且應在長時間運轉過程中保持穩定；2、通氣和充分攪拌，以滿足微生物代謝的需要，但不應損傷菌體；（一）發酵罐設計的原則發酵罐的主要功能：發酵罐設計的原則173、盡可能低的功率消耗；4、發酵罐上應配備有溫度和pH值控制系統以及采樣裝置；5、發酵罐內的蒸發損失不應太多；

6、在放料、清洗和維修等操作過程中具有最低的勞動力消耗；3、盡可能低的功率消耗；187、發酵罐應有較好的適應性，以滿足不同生產廠家的需求；8、發酵罐內表面應光滑；9、用于中試規模的發酵罐與用于實際生產的發酵罐應具有相同的幾何形狀，有利于放大生產；10、使用既能滿足工藝要求又比較便宜的制造材料，同時應配備完善的供給設施。7、發酵罐應有較好的適應性，以滿足不同生產廠家的需求；19發酵罐（總結）穩定性控制性操作性安全性可視性設計原則發酵罐（總結）設計原則20（二）微生物細胞反應器依攪拌方式不同，微生物細胞反應器有：

內部機械攪拌型外部液體攪拌型氣升循環式發酵罐（二）微生物細胞反應器依攪拌方式不同，微生物細胞反應器有：21微生物反應器微生物反應器221、機械攪拌型微生物細胞生物反應器(通用型)

主要由殼體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、進出料口、測量系統和附屬系統等組成。1、機械攪拌型微生物細胞生物反應器(通用型)主要由殼體、控23電動機pH檢測及控制裝置培養液無菌空氣排氣口冷卻水出口冷卻水進口攪拌器加料口放料口電動機pH檢測及培養液無菌空氣排氣口冷卻水出口冷卻水進口攪拌24發酵基本工藝與發酵設備介紹課件25發酵基本工藝與發酵設備介紹課件26BIOTECH-XJS型機械攪拌不銹鋼發酵罐

BIOTECH-XJS型機械攪拌不銹鋼發酵罐27

殼體的作用：一般為不銹鋼材料，為整個發酵過程提供一個密封的環境，防止雜菌污染；同時為了能在一定壓力下進行高溫滅菌，要求罐體承受的壓力至少在0.3MPa以上。控溫部分的作用：是保證發酵過程在恒溫條件下進行，并將生物氧化和機械攪拌產生的熱量及時移去。攪拌部分的作用：使罐內物料混合良好，液體中的固形物料保持懸浮狀態，有利于菌體與營養物質充分接觸，便于營養吸收。另一方面，打碎氣泡，增加氣液接觸面積，提高氣液間的傳質速率，加強氧的傳遞效果及消除泡沫。殼體的作用：一般為不銹鋼材料，為整個發酵過程提供一個密封的28通氣部分的作用：是從罐的底部向罐內通入無菌空氣，一般入口空氣壓力為0.1～0.2MPa(表壓)，罐頂部有空氣出口。進出料口：是指進料和出料用的系統，同時還配有補料口裝置等測量系統：在于測量發酵過程中的pH值、溶解氧等相關數據，以便對發酵過程進行隨時的監測并及時對發酵參數進行調整。此外，測量裝置應能承受一定的滅菌溫度并在長時間內保持穩定。通氣部分的作用：是從罐的底部向罐內通入無菌空氣，一般入口空氣29通用機械攪拌型生物反應器內通常安裝消泡裝置，抑制泡沫的形成，但泡沫過多時，要使用消泡劑。

附屬系統是指用以觀察發酵液情況的視鏡裝置和強化發酵液混合（防止液面中央產生旋渦，提高溶解氧）的擋板等設備。通用機械攪拌型生物反應器內通常安裝消泡裝置，抑制泡沫的形成，302、機械攪拌自吸式反應器

優點：（1）可以利用攪拌器旋轉時產生的抽吸力吸入空氣，不需要空氣壓縮機提供壓縮空氣，從而省去了空氣系統，使設備成本降低。（2）其攪拌器是一個空心葉輪，葉輪快速旋轉時，液體由于離心作用而被甩出，并在葉輪空心部分形成負壓，從而將罐外的空氣吸到罐內。同時，空氣因受到高速流動液體的摩擦剪切作用而變成細小的氣泡，均勻分散在液體之中，然后借助導輪流將氣液混合物導入發酵液中并與之混合。2、機械攪拌自吸式反應器優點：31缺點

（1）進罐空氣處于負壓狀態，容易增加雜菌侵入的機會。（2）攪拌容易導致轉速提高，有可能使某些微生物的菌絲被切斷，影響細胞的正常生長。缺點323、氣升式環流反應器類型：內環流式、外環流式氣升式發酵罐不具有任何機械攪拌系統，僅利用空氣在發酵罐內（外）循環以攪拌培養物，這一相對柔和的混合系統適用于植物細胞和動物細胞培養。原理基于含氣量高的培養物和含氣量少的培養物之間比重的差異。在發酵罐通氣過程中，含氣量較低的培養基產生一上流的推力，導致培養基的循環。借助設在環流管底部的空氣噴嘴將空氣以250～300m/s的高速噴入環流管，使氣泡分散在培養基中。3、氣升式環流反應器類型：內環流式、外環流式氣升式發酵罐不33氣升式玻璃系列實驗室發酵罐

氣升式玻璃系列實驗室發酵罐

34氣升式環流反應器的優點

（1）氣體從罐的下部通入，可帶動流體在整個反應器內循環流動，使反應器內的溶液容易混合均勻；（2）由于不用機械攪拌槳，省去了密封裝置，使污染雜菌的機會減少，同時降低了機械剪切作用對細胞的傷害；（3）由于液體循環速度較快，反應器內的供氧及傳熱都較好，利于節約能源。氣升式環流反應器不適宜于在黏度大或含有大量固體的培養液中應用。氣升式環流反應器的優點（1）氣體從罐的下部通入，可帶動流體35衡量氣升式環流反應器性能的參數主要有：循環周期氣液比。循環周期：指培養液在環流管內循環一次所需的時間。氣液比：指培養液的環流量與通風量之比。循環周期越短，氣液比值越大，說明向培養基內供氧越充分。衡量氣升式環流反應器性能的參數主要有：循環周期364、高位塔式生物反應器

是一種罐體的高與直徑比值較大，利用通入培養液的無菌空氣泡上升來帶動液體運動，產生混合效果的非機械攪拌式生物反應器，適用于培養液黏度低、固體含量少和需氧量較低的發酵培養過程。

4、高位塔式生物反應器是一種罐體的高與直徑比值較大，利用通37與機械攪拌式生物反應器相比，塔式生物反應器不設機械攪拌槳的優點是：（1）減少了剪切作用對細胞的損害；（2）結構簡單，省去了密封，排除了因密封不嚴而造成的雜菌污染；（3）造價較低，動力消耗少，操作成本低，噪聲較小。缺點：這種反應器罐體較高，需要在室外安裝，而且壓縮空氣必須有足夠大的壓力才能抵消反應器內液體的靜壓力。與機械攪拌式生物反應器相比，塔式生物反應器不設機械攪拌槳的優38（三）動物細胞培養生物反應器

氣升式生物反應器中空纖維反應器籠式通氣攪拌反應器流化床反應器（三）動物細胞培養生物反應器氣升式生物反應器391、氣升式細胞培養生物反應器

將氣體混合物從罐底部的噴射管噴入反應器的中央導流管，使中央導流管內的液體密度低于外部區域液體的密度，從而形成循環。在氣升式生物反應器中，可以通過自動調節空氣進入的速率來實現對溶解氧濃度的控制；pH值可通過在進氣中加入二氧化碳或加入氫氧化鈉的方法來控制。

1、氣升式細胞培養生物反應器將氣體混合物從罐底部的噴射管噴40BIOTECH-XQS型氣升式發酵罐

BIOTECH-XQS型氣升式發酵罐41發酵基本工藝與發酵設備介紹課件422、中空纖維管生物反應器

既可培養懸浮型的細胞，又可培養貼壁型細胞，培養的細胞密度甚至可達到109個/mL數量級，主要用于雜交瘤細胞的培養來生產單克隆抗體。

2、中空纖維管生物反應器既可培養懸浮型的細胞，又可培養貼壁43發酵基本工藝與發酵設備介紹課件44生長的細胞型雜交瘤細胞、淋巴細胞、肝癌細胞、結腸癌細胞、乳腺組織細胞、小鼠細胞、大鼠細胞、垂體腫瘤細胞、CHO細胞、BHK-2細胞、肺細胞等分泌的產物lgM、lgA、干擾素、激素、尿激酶、蛋白質C、病毒蛋白、乙型肝炎表面抗原、T抑制因子、促細胞生長素、白細胞介素等。中空纖維管生物反應器培養的細胞和獲得的分泌產物生長的細胞型雜交瘤細胞、淋巴細胞、肝癌細胞、結腸癌細胞、乳腺453、通氣攪拌生物反應器（1）Spier籠式通氣攪拌生物反應器優點：可以避免通氣時氣泡直接損傷細胞。它是借助一個多孔的通氣裝置在籠內通氣，滿足培養過程中細胞對溶解氧的需要。缺點：是不能進行在線滅菌，只能將罐體放在消毒鍋內進行高壓滅菌；氧傳遞系數小，不能滿足培養高密度細胞的耗氧要求；反應器的結構相對復雜，拆卸清洗困難。3、通氣攪拌生物反應器（1）Spier籠式通氣攪拌生物反46發酵基本工藝與發酵設備介紹課件47（2）CelliGen-20雙層籠式通氣攪拌生物反應器

優點：擴大了絲網交換面積，使氧傳遞系數提高，單位面積產量增加，形成了由雙層籠式通氣攪拌器、控制系統、管路系統和蒸汽滅菌系統一體化的動物細胞培養裝置。適于懸浮培養雜交瘤細胞來生產單克隆抗體、微載體培養Vero細胞和乙腦病毒。

（2）CelliGen-20雙層籠式通氣攪拌生物反應器優點48發酵基本工藝與發酵設備介紹課件494、流化床生物反應器

特點：在反應器內，通過垂直向上循環流動，培養液不斷供給細胞必要的營養成分，使細胞得以在微粒中生長。同時，不斷地加入新鮮的培養液，并不斷地排除培養產物或代謝產物。流化床生物反應器可用于貼壁依賴型細胞的培養和非貼壁依賴型細胞的培養。

4、流化床生物反應器特點：在反應器內，通過垂直向上循環流動505、無泡沫攪拌生物反應器

特點：能滿足動物細胞生長中所需的溶氧要求，產生的剪切力較小，在通氣過程中不產生泡沫。

5、無泡沫攪拌生物反應器特點：能滿足動物細胞生長中所需的溶51（四）植物細胞培養反應器類型：機械攪拌式生物反應器氣升式生物反應器填充床生物反應器流化床生物反應器膜式生物反應器（四）植物細胞培養反應器類型：521、機械攪拌生物反應器特點：機械攪拌會產生較大的剪切力，損傷細胞，同時容易引發雜菌污染，所以植物細胞培養中一般不用機械攪拌反應器。2、氣升式生物反應器特點：減少了剪切力的作用，避免了細胞損傷，而且在操作中容易保持無菌狀態，比較適宜于植物細胞培養。

1、機械攪拌生物反應器特點：機械攪拌會產生較大的剪切力，損533、填充床生物反應器特點：在填充床生物反應器中，細胞可以位于支撐物表面，也可以包埋于支撐物之中。培養液流經支撐物顆粒，不斷被細胞所利用。優點：單位體積固定細胞量大。缺點：混合效果較差，給氧的傳遞、pH值控制、溫度控制以及氣體產物的排除帶來了困難，從而影響細胞的培養3、填充床生物反應器特點：在填充床生物反應器中，細胞可以位544、流化床生物反應器流化床生物反應器的最大缺點是剪切力和顆粒的碰撞會損壞固定化細胞。通常采用小固定化顆粒。發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材4、流化床生物反應器流化床生物反應器的最大缺點是剪切力和顆555、膜生物反應器

膜反應器的優點是可以重復使用發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材5、膜生物反應器膜反應器的優點是可以重復使用發酵基本工藝56一種植物細胞表面固定化培養系統，避免了傳統攪拌罐懸浮培養中的流體流動力或剪切力問題，并促進植物細胞凝聚的特性，使次級代謝產物合成和積累增加，而且該系統培養基交換簡單，次級產物提取容易。植物細胞膜反應器，將細胞固定在膜上3mm厚一層，培養基在膜下封閉回路循環流動，營養透過膜擴散至細胞層，次級代謝物分泌透過膜擴散至培養基。

Humphrey對植物細胞培養微孔膜通氣反應器進行了研究，分析了氧傳遞，為需要小剪切力的植物細胞培養的膜通氣反應器提供設計依據，設計應考慮的因素包括管的長度、直徑和膜厚度，進氣的組成和壓力，細胞生長培養階段等。發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材57一種植物細胞表面固定化培養系統，避免了傳統攪拌罐懸浮培養中的謝謝！發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材58謝謝！發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課固體發酵罐發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材固體發酵罐發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培59中試磁力攪拌不銹鋼發酵罐

發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材中試磁力攪拌不銹鋼發酵罐

發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt60發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓61機械攪拌不銹鋼發酵罐

發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課件精品課件培訓課件培訓教材機械攪拌不銹鋼發酵罐

發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt優秀課62李清華公共衛生學院第二節發酵基本工藝與發酵設備發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt63李清華公共衛生學院第二節發酵基本工藝與發酵設備介紹ppt主要內容一、發酵工藝流程二、常見發酵設備

1、發酵罐的設計原則 2、微生物細胞反應器 3、動物細胞培養反應 4、植物細胞培養反應器64主要內容2從自然界分離的菌種產

品基因工程誘變育種細胞工程生產用菌種擴大培養原

料微生物菌體代謝產物分離提純發酵罐發酵條件控制接種培養基配置滅菌從自然界分離的菌種產品基因工程誘變育種細胞工程生產用菌種65一、發酵工藝流程典型的發酵生產過程包括：菌種的選育確定菌種繁殖和發酵生產所用的培養基；對培養基、發酵罐及其附屬設備進行滅菌；

菌種經逐級擴大培養后，作為生產種子接種于發酵罐中;控制發酵罐中微生物的生長條件，最大程度地獲得人們渴望的代謝產物;產物萃取和精制

;發酵過程中廢棄物的處理與回收.66一、發酵工藝流程典型的發酵生產過程包括：4菌種的選育要想通過發酵工程獲得在種類、產量和質量等方面符合人們要求的產品，最重要的是要有優良的菌種。怎樣才能得到優良的菌種呢？如果生產的是微生物直接合成的產物可以從自然界中先分離出相應的菌種，再用物理或化學的方法使菌種產生突變，從突變個體中篩選出符合生產要求的優良菌種。如果生產的是一般微生物不能合成的產品可用基因工程、細胞工程的方法對菌種的遺傳特性進行定向改造，以構建工程細胞或工程菌，從而達到生產相應產品的目的

菌種的選育要想通過發酵工程獲得在種類、產量和質量等方面符合人67

對菌種一般有以下要求：菌種能在較短的發酵過程中高產有價值的發酵產品。菌種的發酵培養基應價廉，來源充足，被轉化為產品的效率高。如農副產品。菌種對人、動物、植物和環境不應該造成危害，還應注意潛在的、慢性的、長期的危害，要嚴格防護。菌種發酵后，所產不需要的代謝產物少，且產品相對容易地與不需要的物質分離，下游技術能用于規模化生產。菌種的遺傳特性穩定，而且易于進行基因操作。對菌種一般有以下要求：68培養基的配制進行發酵生產，有了優良的菌種還需要有與菌種相適應的培養基。在配制培養基時應該注意：（1）根據不同的菌種，應選擇不同的材料配制培養基。配制的培養基應滿足微生物在碳源、氮源、生長因子、水、無機鹽等方面的營養要求，并為微生物提供適宜的pH、滲透壓等。（2）培養基的營養要協調，以利于產物的合成。（3）培養基在滿足微生物的營養需求的基礎上應盡量降低生產成本，以得到更高的經濟效益。培養基的配制進行發酵生產，有了優良的菌種還需要有與菌種相適69滅菌發酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整個發酵過程中不能混入雜菌。在發酵過程中如混入其他微生物，將與菌種形成競爭關系，對發酵過程造成不良影響。例如：在谷氨酸發酵過程中混入放線菌，則放線菌分泌的抗生素就會使大量的谷氨酸棒狀桿菌死亡；在青霉素生產過程中污染了雜菌，這些雜菌則會分泌青霉素酶，將合成的青霉素分解掉。滅菌發酵工程所用的菌種大多是單一的純種，整個發酵過程中不能混70滅菌那如何防止雜菌的污染呢？要在發酵前對培養基和發酵設施進行嚴格的滅菌處理。空消、實消怎樣才算滅菌徹底呢？用高溫、高壓的方式，殺死所有雜菌的胞體、芽孢和孢子。滅菌那如何防止雜菌的污染呢？71擴大培養和接種

如何得到發酵生產所需要的大量菌體來縮短生產周期？經過多次的擴大培養。如何對菌種進行擴大培養？擴大培養是將培養到對數期的菌體分開，分頭進行培養，以促使菌體數量快速增加，能在短時間里得到大量的菌體。擴大培養和接種如何得到發酵生產所需要的大量菌體來縮短生產周72擴大培養和接種擴大培養與發酵生產過程中的培養不同：擴大培養是為了讓菌體在短時期內快速增殖，而發酵過程中的培養是為了獲得代謝產物，目的不同采用的培養條件就有可能不同。例如：在酒精發酵過程中，擴大培養是為了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧條件下進行。而在發酵產生酒精的過程中則必須在無氧條件下進行以獲得大量的酒精。有了用于生產的充足的菌體，接種過程中要注意防止雜菌污染。擴大培養和接種擴大培養與發酵生產過程中的培養不同：73發酵過程為什么將菌體接種到裝有培養液的發酵罐中，還需要對發酵過程進行檢測和對發酵條件進行控制？發酵產物主要在菌體生長的穩定期產生。因此，要在發酵過程中隨時取樣檢測培養液中細菌數目、產物濃度以了解發酵進程，及時添加必需的培養基成分來延長菌體生長穩定期的時間，以得到更多的發酵產物。同時，還應對發酵條件進行嚴格控制。發酵過程為什么將菌體接種到裝有培養液的發酵罐中，還需要對發74發酵過程哪些條件能影響菌體的發酵？發酵生產中發酵罐內部的代謝變化，如菌體形態、菌體濃度、營養物質的濃度、溫度、pH、溶氧量、產物濃度、以及發酵罐攪拌轉速等對發酵過程都有重大影響。發酵過程哪些條件能影響菌體的發酵？75分離、提純代謝產物采用離心、過濾、沉淀等方法將菌體從培養液中分離出來。菌體本身，如酵母菌和細菌等采用蒸餾、萃取、離子交換等方法進行提取。分離、提純代謝產物76二、發酵設備生物反應器(發酵罐)利用生物工程技術進行生產的過程統稱生物反應過程。采用活細胞(包括微生物、動植物細胞)的某些特定功能生產有用產品的生物反應過程稱為發酵過程或細胞培養過程。采用游離或固定化酶作為生物催化劑的生物反應過程，稱為酶反應過程。生物反應器：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。二、發酵設備生物反應器(發酵罐)利用生物工程技術進行77生物反應器應具備的條件：能維持一定的溫度、pH、反應物(如營養物質、溶解氧等)濃度；應具備良好的傳質、傳熱和混合性能，以便為生物反應的順利進行提供適宜的環境條件；細胞生物反應器除具備上述特性外，還要求有一定的除菌及密封設備，以防止生產過程中因微生物侵入造成的雜菌污染。根據生物反應過程中所使用的生物催化劑不同可將生物反應器分為：酶反應器和（微）細胞生物反應器。生物反應器應具備的條件：根據生物反應過程中所使用的生物催化劑78（一）發酵罐設計的原則發酵罐的主要功能：為菌體生長，或為某一特定的微生物混合發酵劑提供一個便于控制的環境，以獲得人們所期望的產物。發酵罐設計的原則1、發酵器應能在無菌條件下工作數天，且應在長時間運轉過程中保持穩定；2、通氣和充分攪拌，以滿足微生物代謝的需要，但不應損傷菌體；（一）發酵罐設計的原則發酵罐的主要功能：發酵罐設計的原則793、盡可能低的功率消耗；4、發酵罐上應配備有溫度和pH值控制系統以及采樣裝置；5、發酵罐內的蒸發損失不應太多；

6、在放料、清洗和維修等操作過程中具有最低的勞動力消耗；3、盡可能低的功率消耗；807、發酵罐應有較好的適應性，以滿足不同生產廠家的需求；8、發酵罐內表面應光滑；9、用于中試規模的發酵罐與用于實際生產的發酵罐應具有相同的幾何形狀，有利于放大生產；10、使用既能滿足工藝要求又比較便宜的制造材料，同時應配備完善的供給設施。7、發酵罐應有較好的適應性，以滿足不同生產廠家的需求；81發酵罐（總結）穩定性控制性操作性安全性可視性設計原則發酵罐（總結）設計原則82（二）微生物細胞反應器依攪拌方式不同，微生物細胞反應器有：

內部機械攪拌型外部液體攪拌型氣升循環式發酵罐（二）微生物細胞反應器依攪拌方式不同，微生物細胞反應器有：83微生物反應器微生物反應器841、機械攪拌型微生物細胞生物反應器(通用型)

主要由殼體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、進出料口、測量系統和附屬系統等組成。1、機械攪拌型微生物細胞生物反應器(通用型)主要由殼體、控85電動機pH檢測及控制裝置培養液無菌空氣排氣口冷卻水出口冷卻水進口攪拌器加料口放料口電動機pH檢測及培養液無菌空氣排氣口冷卻水出口冷卻水進口攪拌86發酵基本工藝與發酵設備介紹課件87發酵基本工藝與發酵設備介紹課件88BIOTECH-XJS型機械攪拌不銹鋼發酵罐

BIOTECH-XJS型機械攪拌不銹鋼發酵罐89

殼體的作用：一般為不銹鋼材料，為整個發酵過程提供一個密封的環境，防止雜菌污染；同時為了能在一定壓力下進行高溫滅菌，要求罐體承受的壓力至少在0.3MPa以上。控溫部分的作用：是保證發酵過程在恒溫條件下進行，并將生物氧化和機械攪拌產生的熱量及時移去。攪拌部分的作用：使罐內物料混合良好，液體中的固形物料保持懸浮狀態，有利于菌體與營養物質充分接觸，便于營養吸收。另一方面，打碎氣泡，增加氣液接觸面積，提高氣液間的傳質速率，加強氧的傳遞效果及消除泡沫。殼體的作用：一般為不銹鋼材料，為整個發酵過程提供一個密封的90通氣部分的作用：是從罐的底部向罐內通入無菌空氣，一般入口空氣壓力為0.1～0.2MPa(表壓)，罐頂部有空氣出口。進出料口：是指進料和出料用的系統，同時還配有補料口裝置等測量系統：在于測量發酵過程中的pH值、溶解氧等相關數據，以便對發酵過程進行隨時的監測并及時對發酵參數進行調整。此外，測量裝置應能承受一定的滅菌溫度并在長時間內保持穩定。通氣部分的作用：是從罐的底部向罐內通入無菌空氣，一般入口空氣91通用機械攪拌型生物反應器內通常安裝消泡裝置，抑制泡沫的形成，但泡沫過多時，要使用消泡劑。

附屬系統是指用以觀察發酵液情況的視鏡裝置和強化發酵液混合（防止液面中央產生旋渦，提高溶解氧）的擋板等設備。通用機械攪拌型生物反應器內通常安裝消泡裝置，抑制泡沫的形成，922、機械攪拌自吸式反應器

優點：（1）可以利用攪拌器旋轉時產生的抽吸力吸入空氣，不需要空氣壓縮機提供壓縮空氣，從而省去了空氣系統，使設備成本降低。（2）其攪拌器是一個空心葉輪，葉輪快速旋轉時，液體由于離心作用而被甩出，并在葉輪空心部分形成負壓，從而將罐外的空氣吸到罐內。同時，空氣因受到高速流動液體的摩擦剪切作用而變成細小的氣泡，均勻分散在液體之中，然后借助導輪流將氣液混合物導入發酵液中并與之混合。2、機械攪拌自吸式反應器優點：93缺點

（1）進罐空氣處于負壓狀態，容易增加雜菌侵入的機會。（2）攪拌容易導致轉速提高，有可能使某些微生物的菌絲被切斷，影響細胞的正常生長。缺點943、氣升式環流反應器類型：內環流式、外環流式氣升式發酵罐不具有任何機械攪拌系統，僅利用空氣在發酵罐內（外）循環以攪拌培養物，這一相對柔和的混合系統適用于植物細胞和動物細胞培養。原理基于含氣量高的培養物和含氣量少的培養物之間比重的差異。在發酵罐通氣過程中，含氣量較低的培養基產生一上流的推力，導致培養基的循環。借助設在環流管底部的空氣噴嘴將空氣以250～300m/s的高速噴入環流管，使氣泡分散在培養基中。3、氣升式環流反應器類型：內環流式、外環流式氣升式發酵罐不95氣升式玻璃系列實驗室發酵罐

氣升式玻璃系列實驗室發酵罐

96氣升式環流反應器的優點

（1）氣體從罐的下部通入，可帶動流體在整個反應器內循環流動，使反應器內的溶液容易混合均勻；（2）由于不用機械攪拌槳，省去了密封裝置，使污染雜菌的機會減少，同時降低了機械剪切作用對細胞的傷害；（3）由于液體循環速度較快，反應器內的供氧及傳熱都較好，利于節約能源。氣升式環流反應器不適宜于在黏度大或含有大量固體的培養液中應用。氣升式環流反應器的優點（1）氣體從罐的下部通入，可帶動流體97衡量氣升式環流反應器性能的參數主要有：循環周期氣液比。循環周期：指培養液在環流管內循環一次所需的時間。氣液比：指培養液的環流量與通風量之比。循環周期越短，氣液比值越大，說明向培養基內供氧越充分。衡量氣升式環流反應器性能的參數主要有：循環周期984、高位塔式生物反應器

是一種罐體的高與直徑比值較大，利用通入培養液的無菌空氣泡上升來帶動液體運動，產生混合效果的非機械攪拌式生物反應器，適用于培養液黏度低、固體含量少和需氧量較低的發酵培養過程。

4、高位塔式生物反應器是一種罐體的高與直徑比值較大，利用通99與機械攪拌式生物反應器相比，塔式生物反應器不設機械攪拌槳的優點是：（1）減少了剪切作用對細胞的損害；（2）結構簡單，省去了密封，排除了因密封不嚴而造成的雜菌污染；（3）造價較低，動力消耗少，操作成本低，噪聲較小。缺點：這種反應器罐體較高，需要在室外安裝，而且壓縮空氣必須有足夠大的壓力才能抵消反應器內液體的靜壓力。與機械攪拌式生物反應器相比，塔式生物反應器不設機械攪拌槳的優100（三）動物細胞培養生物反應器

氣升式生物反應器中空纖維反應器籠式通氣攪拌反應器流化床反應器（三）動物細胞培養生物反應器氣升式生物反應器1011、氣升式細胞培養生物反應器

將氣體混合物從罐底部的噴射管噴入反應器的中央導流管，使中央導流管內的液體密度低于外部區域液體的密度，從而形成循環。在氣升式生物反應器中，可以通過自動調節空氣進入的速率來實現對溶解氧濃度的控制；pH值可通過在進氣中加入二氧化碳或加入氫氧化鈉的方法來控制。

1、氣升式細胞培養生物反應器將氣體混合物從罐底部的噴射管噴102BIOTECH-XQS型氣升式發酵罐

BIOTECH-XQS型氣升式發酵罐103發酵基本工藝與發酵設備介紹課件1042、中空纖維管生物反應器

既可培養懸浮型的細胞，又可培養貼壁型細胞，培養的細胞密度甚至可達到109個/mL數量級，主要用于雜交瘤細胞的培養來生產單克隆抗體。

2、中空纖維管生物反應器既可培養懸浮型的細胞，又可培養貼壁105發酵基本工藝與發酵設備介紹課件106生長的細胞型雜交瘤細胞、淋巴細胞、肝癌細胞、結腸癌細胞、乳腺組織細胞、小鼠細胞、大鼠細胞、垂體腫瘤細胞、CHO細胞、BHK-2細胞、肺細胞等分泌的產物lgM、lgA、干擾素、激素、尿激酶、蛋白質C、病毒蛋白、乙型肝炎表面抗原、T抑制因子、促細胞生長素、白細胞介素等。中空纖維管生物反應器培養的細胞和獲得的分泌產物生長的細胞型雜交瘤細胞、淋巴細胞、肝癌細胞、結腸癌細胞、乳腺1073、通氣攪拌生物反應器（1）Spier籠式通氣攪拌生物反應器優點：可以避免通氣時氣泡直接損傷細胞。它是借助一個多孔的通氣裝置在籠內通氣，滿足培養過程中細胞對溶解氧的需要。缺點：是不能進行在線滅菌，只能將罐體放在消毒鍋內進行高壓滅菌；氧傳遞系數小，不能滿足培養高密度細胞的耗氧要求；反應器的結構相對復雜，拆卸清洗困難。3、通氣攪拌生物反應器（1）Spier籠式通氣攪拌生物反108發酵基本工藝與發酵設備介紹課件109（2）CelliGen-20雙層籠式通氣攪拌生物反應器

優點：擴大了絲網交換面積，使氧傳遞系數提高，單位面積產量增加，形成了由雙層籠式通氣攪拌器、控制系統、管路系統和蒸汽滅菌系統一體化的動物細胞培養裝置。適于懸浮培養雜交瘤細胞來生產單克隆抗體、微載體培養Vero細胞和乙腦病毒。

（2）CelliGen-20雙層籠式通氣攪拌生物反應器優點110發酵基本工藝與發酵設備介紹課件1114、流化床生物反應器

特點：在反應器內，通過垂直向上循環流動，培養液不斷供給細胞必要的營養成分，使細胞得以在微粒中生長。同時，不斷地加入新鮮的培養液，并不斷地排除培養產物或代謝產物。流化床生物反應器可用于貼壁依賴型細胞的培養和非貼壁依賴型細胞的培養。

4、流化床生物反應器特點：在反應器內，通過垂直向上循環流動1125、無泡沫攪拌生物反應器

特點：能滿足動物細胞生長中所需的溶氧要求，