（優選）第一章生物反應器ppt講解第一頁，共七十四頁。第一節概述

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。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。第二頁，共七十四頁。如何使細胞生長的更快更好？一、好的細胞株系二、良好的環境條件1、良好的物理環境：最主要的有溫度、pH、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浮等。2、合適的化學環境：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。第三頁，共七十四頁。研究生物反應器的目的1、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。2、對已有的生物反應器進行分析，達到優化的目的。3、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。（生物反應器是工程學的一部分也是化學工程的一個分支）第四頁，共七十四頁。化學工程還包括下面幾個重要的內容1、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、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、物質的傳遞。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。第五頁，共七十四頁。第二節細胞生長及代謝過程動力學一、細胞生長的特點、描述方法的分類二、細胞的濃度及其測量三、均衡生長模型四、其它模型第六頁，共七十四頁。一、細胞生長的特點（一）細胞培養

1、細胞培養的一般條件溫度pH滲透壓營養物水無菌條件光氣體

第七頁，共七十四頁。2、動物細胞培養的特殊條件(1)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。

(2)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。

(3)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。第八頁，共七十四頁。3、植物細胞培養的特殊條件(1)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。

(2)激素：植物細胞的分裂和生長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。第九頁，共七十四頁。4、微生物細胞培養的特殊條件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。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。第十頁，共七十四頁。（二）描述方法

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。

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。第十一頁，共七十四頁。常用的有：⑴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。⑵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。⑶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。第十二頁，共七十四頁。⑷理想流動和非理想流動兩種理想流動模式①全混式，即反應器內各點濃度及其它條件均一。②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。實際反應裝置常常介于兩者之間。第十三頁，共七十四頁。⑸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。第十四頁，共七十四頁。細胞群體進行簡化假設是否考慮細胞內部復雜的結構是否考慮細胞之間的差別第十五頁，共七十四頁。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）結構模型均衡生長（假設）細胞之間不均一，細胞內部多組分（實際情況）“平均細胞”近似不考慮細胞結構，但各種細胞不均一“平均細胞”近似離散模型均衡生長（假設）第十六頁，共七十四頁。非離散的結構模型文獻上簡稱結構模型。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。第十七頁，共七十四頁。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：分別測出各類細胞量是有困難的。第十八頁，共七十四頁。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。第十九頁，共七十四頁。非結構非離散模型簡稱均衡生長模型。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。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。第二十頁，共七十四頁。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)第二十一頁，共七十四頁。細胞干重法：測量細胞濃度的最基本方法。顯微計數法：顯微鏡和血球計數器。平板計數法：生理鹽水稀釋，記錄菌斑。濁度法：波長600-700nm范圍測量。直接測定法第二十二頁，共七十四頁。間接測定法：

測定構成細胞的大分子物質來確定細胞濃度。第二十三頁，共七十四頁。三、均衡生長模型1、細胞生長模型：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度。通常用每毫升培養液中菌體個數或干菌重來描述。

第二十四頁，共七十四頁。（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。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。第二十五頁，共七十四頁。（2）細胞生長動力學描述：

細胞生長速率的一個重要參數是比生長速率。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。比生長速率表示菌體增長的能力，它也受菌株及各種物理化學環境因素的影響。第二十六頁，共七十四頁。

2、基質消耗的模型基質包括細胞生長所需各種營養成分，其消耗主要有三個方面：

一.是細胞的生長，合成新的細胞；

二.是細胞維持生命要消耗的能源物質；

三.是合成次級代謝產物。第二十七頁，共七十四頁。3、產物生成動力學模型產物主要指的是細胞培養過程中代謝生成的除細胞量以外的產品。按照其生成特點，產物可分為兩類：生長偶聯型及非生長偶聯型。這兩者的區別在于前者的生成只是在細胞生長時才能生成，而后者則只要有細胞存在就能生成。第二十八頁，共七十四頁。4、均衡生長動力學模型應用實例青霉素球狀菌發酵（P6頁）實際在生物培養過程中，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。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。因此，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。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。第二十九頁，共七十四頁。四、其它模型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、對工程菌進行動力學描述以及細胞的形態和功能有較大差異時，應用這個模型是不合適的。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。第三十頁，共七十四頁。第三節生物反應器的基本類型及其設計一、生物反應器的特點及其分類二、批式反應器三、連續攪拌罐反應器-衡化器四、生物反應器的強化第三十一頁，共七十四頁。一、生物反應器的特點及其分類微生物的種類很多，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，反應器的設計涉及采用的工藝、攪拌和通氣系統及主要基質的狀態。通氣系統的基本形式有浸沒式鼓泡器（有或沒有機械攪拌）、表面通氣裝置和膜反應器。第三十二頁，共七十四頁。①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制作；②當用微生物為催化劑時，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；生物反應器的特點：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：第三十三頁，共七十四頁。

③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；

④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大困難。第三十四頁，共七十四頁。生物反應器的分類（一）按照生物反應過程來分1、發酵過程用的反應器稱為發酵罐；2、酶反應過程用的反應器則稱為酶反應器。3、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。

第三十五頁，共七十四頁。發酵罐

發酵罐若根據其使用對象區分，可有：嫌氣發酵罐、好氣發酵罐、污水生物處理裝置等。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）第三十六頁，共七十四頁。產品名稱：5L離位滅菌自動臺式發酵罐

型

號：SY-3005QB

第三十七頁，共七十四頁。技術參數：標準配置：1、罐體系統：罐體全容積：5L；工作容積：2~4L罐體材質：硼硅玻璃+316L不銹鋼；罐蓋材質：316L不銹鋼罐體設計壓力：0.1Mpa；夾套設計壓力：0.25Mpa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個表面處理：不銹鋼內外鏡面拋光，拋光精度Ra0.4第三十八頁，共七十四頁。2、滅菌方式：高壓滅菌鍋滅菌3、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；控制范圍：50~1000rpm，控制精度：±1%第三十九頁，共七十四頁。4、溫度控制：冷卻水溫度+5~65℃；精度±0.1℃；5、pH控制：瑞士梅特勒pH電極及屏蔽導線；范圍：2~12pH，控制精度：±0.02pH6、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%7、泡沫控制：自動檢測泡沫添加消泡劑；靈敏度100~100000Ω8、補料控制：蠕動泵自動流加；范圍：0~120ml/min，控制精度：±2%9、空氣流量控制：轉子流量計手動調節；范圍：0~10L/min第四十頁，共七十四頁。10、控制系統：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11、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12、配套設備：空氣壓縮機：靜音無油，50L/min以上；高壓滅菌鍋：內容量50L以上第四十一頁，共七十四頁。第四十二頁，共七十四頁。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、附屬系統第四十三頁，共七十四頁。特點

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。是目前使用最多的一種，適用性好，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。其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。第四十四頁，共七十四頁。氣體提升式發酵罐第四十五頁，共七十四頁。第四十六頁，共七十四頁。第四十七頁，共七十四頁。第四十八頁，共七十四頁。酶反應器

（可分兩大類）1、游離酶反應器2、固定化酶反應器第四十九頁，共七十四頁。1、游離酶反應器

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。也可將酶液置于用超濾材料制成的U形管或中空纖維管中,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。后者接近連續管式反應器。

第五十頁，共七十四頁。2、固定化酶反應器

除了和化學反應器類似的固定床反應器和流化床反應器外，還有多種特殊設計。例如：

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）。在反應中產氣(如CO2)嚴重時，可考慮采用多層酶反應器。第五十一頁，共七十四頁。第五十二頁，共七十四頁。第五十三頁，共七十四頁。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：第五十四頁，共七十四頁。動物細胞培養應考慮1、避免或減低由于機械攪拌而產生的剪切力對細胞的損傷。2、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PH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。第五十五頁，共七十四頁。動植物細胞培養裝置

第五十六頁，共七十四頁。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、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、連續培養：連續培養是不斷地往反應器中加入營養物，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、半連續操作第五十七頁，共七十四頁。二、批式反應器

批式反應可以用各種反應器，其中以機械攪拌式和氣升式用的最多。第五十八頁，共七十四頁。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。第五十九頁，共七十四頁。四、生物反應器的強化

1、規模經濟2、過程的強化3、反應系統第六十頁，共七十四頁。第四節生物反應器的放大一、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。第六十一頁，共七十四頁。放大的方法數學模型法半數學模型法因次分析法：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嘗試誤差法第六十二頁，共七十四頁。迄今，文獻上常見的發酵罐比擬放大法仍以近似法則和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、氧的供給。2、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。第六十三頁，共七十四頁。二、攪拌及傳氧1、攪拌反應器攪拌的一個重要的參數是通過攪拌器輸入到流體的功率值。決定攪拌功率的除了攪拌漿轉速與直徑外還有兩個重要的因素，一是流體的流動與性質，二是通氣與否。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與非牛頓型流體。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。第六十四頁，共七十四頁。2、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。第六十五頁，共七十四頁。三、生物反應器的放大原則1、幾何相識法2、恒定等體積功率放大3、恒定傳氧系數放大4、恒定剪切力、恒定葉端速度放大5、