第五章生物反應器

目錄第一節生物反應器的基本知識第二節培養基預處理設備

第三節菌種制備設備全國高等學校高職高專藥品類專業衛生部“十一五”規劃教材《生物制藥設備》第四節發酵設備第五節動植物細胞培養設備學習目標

學習目的學習生物反應器的結構和工作原理，培養生物反應器操作技能，為發酵操作、細胞培養操作打下知識和技能基礎。

知識要求掌握機械攪拌通風發酵罐、氣升式發酵罐、鼓泡塔式發酵罐、膜反應器的結構；熟悉機械攪拌通風發酵罐、氣升式發酵罐、常用動植物細胞培養器的工作原理；了解滅菌、無菌操作基本原理，了解生物反應器參數檢測與自動控制原理；了解參數檢測儀器的工作原理。

能力要求熟練應用機械攪拌通風發酵罐、氣升式發酵罐的基本操作技術；學會培養基滅菌與無菌操作。生物反應在狹義上是指活細胞中的各種生物化學反應。廣義的生物反應是指生物體的新陳代謝過程。一、生物反應過程（一）概述第一節生物反應基本知識1.生物反應2.影響生物反應的因素環境溫度、酸堿度、營養物質濃度、氧氣濃度、二氧化碳濃度、機械尺寸、流體湍流程度、細胞的生長濃度、產物的生成速度等3.生物藥物的產生細胞在新陳代謝過程中不斷地同化物質和能量，并異化自身物質。細胞的分解產物，部分能用于人類疾病的診斷、預防和治療，稱之為生物藥物。

另外，細胞在生命活動過程中對環境物質進行了轉化，部分轉化產物也是生物藥物；還有用酶工程技術轉化后的部分產物也是生物藥物。（二）分批培養中的細胞生長模式將培養基一次性投入反應器中，接入細胞并維持細胞生長的過程叫分批培養。在分批培養過程中，隨著時間的延長，營養物逐漸被消耗，新的細胞不斷增加，產物的數量在逐漸累積，細胞生長過程處于動態變化的環境中。減速生長期指數生長期分批培養細胞生長的六個階段停滯期加速生長期平衡生長期負生長期

接種后，細胞需要適應環境后才開始加速生長，隨后增長速度不斷加快，以指數的數量關系擴大繁殖。但隨著時間的延長，容器內新生細胞增多，細胞的增長速度逐漸降低。

并且部分細胞死亡，擴大繁殖速度減小，死亡速度增大，死亡與生長速度達到平衡。隨后死亡速度不斷加快，打破平衡后成為負增長，直至培養過程結束。（三）生物反應過程的氧氣供給1.氧氣的傳遞過程空氣被通入反應液后即分散成大量氣泡，氧分子從氣泡內穿過氣液界面進入到反應液內成為溶解氧。（1）氧的氣液傳遞過程溶解氧穿過液固界面進入細胞內的過程。（2）氧的液固傳遞過程2.提高氧氣傳遞速度的途徑雙膜理論

氣液界面上的傳質阻力主要集中在氣膜和液膜的滯流底層，滯流底層越厚阻力越大，液體的黏度越大，滯流底層越厚，傳質阻力也越大具體措施：（1）增強攪拌

機械攪拌可以增加反應液的湍流程度，促使分散的氣泡變得更小、分布更均勻，減少液膜厚度、降低傳質阻力；增強攪拌還可增加氣液接觸面積，延長氣泡在反應液中的停留時間。機械攪拌產生的剪切力會傷害細胞，可通過改變葉片減小剪切力。（2）提高通氣速率

通氣量越大，反應液中的氣泡就越多，溶解氧的濃度就越高。通氣能起到一定的攪拌效果。

通氣量過大，則容易產生大量的泡沫，造成溢罐，產生氣泡“過載”現象。（3）控制反應液體積在同樣攪拌強度下，反應液體積增大，會降低攪拌的效果。（4）改善反應液的性質

反應液的黏度影響液膜的表面張力，進而影響液體中氣泡合并的難易度。液體中氣泡液膜的表面張力加劇氣泡的合并傾向。隨著生物反應的進行，反應液中細胞分泌物增加，黏度變大，小氣泡合并成大氣泡，出現起沫現象。加入消泡劑，可以降低液膜的表面張力，阻止氣泡的合并。

二、生物反應器（一）生物反應器的分類進行生物化學反應的空間統稱為生物反應器1.生物反應器2.分類（1）按反應器內有機體種類微生物反應器植物細胞反應器動物細胞反應器酶反應器生物反應器（2）按結構特征罐式反應器管式反應器塔式反應器膜式反應器生物反應器生物反應器在生物制藥過程中的作用（二）生物反應器的操作類型1.簡單分批培養

培養液一次性全部加入，接種培養一段時間后，將培養液一次性全部放出2.補料分批培養

開始培養時，培養液沒有一次性加足，在培養一定時間后，根據培養液營養成分的消耗情況將部分營養成分連續加入反應器內（稱之為補料），培養結束后一次性全部放出。3.反復分批培養

在簡單分批培養即將結束時，放出大部分的培養液，余下少量作為種子液，補充新鮮培養液后再重新培養，如此反復直至培養不能再延續時，再將發酵液全部放出。4.反復補料分批培養

又稱為半連續發酵，指在補料分批培養中進行一段時間、反應器內培養液體積達到最大無法再繼續補料時，將培養液放出一部分，再繼續補料，隔一段時間后再放出同樣體積，如此反復操作，直到最后將培養液一次性全部放出。第二節培養基預處理設備一、培養基滅菌設備（一）蒸汽滅菌原理蒸汽能深入到液體內部，并迅速穿透細胞壁，使細胞整體升溫，致使細胞內蛋白質凝固失去生物活性，從而終止了細胞的新陳代謝過程。（二）高壓蒸汽滅菌鍋1.高壓蒸汽滅菌鍋的結構

高壓蒸汽滅菌鍋由內鍋、外鍋、門蓋、壓力表、溫度計、排氣閥、安全閥、電熱管、蒸汽發生器等部件構成。

2.高壓蒸汽滅菌鍋的操作與維護（1）使用前應清洗干凈，進氣閥及排氣閥有效，加注水。（2）裝入滅菌物品：間隔合適，扣上門蓋，旋緊密封。（3）預熱及排氣：加熱升溫，排除冷空氣，當排氣閥有蒸汽排出時，關閉排氣閥。（4）升壓保溫：待蒸汽壓力升至額定值時，調節熱源，或者微開排氣閥，使鍋內蒸汽壓力恒定在額定值。維持規定時間后，停止加熱。（5）取出滅菌物品：緩慢排氣，待其壓力下降至零時，方可打開取物。（三）培養基連續滅菌設備1.加熱器（1）連消塔的結構

套管式連消塔，全塔高2～3m，由蒸汽導管和外套管組成。蒸汽導管上開設有很多小孔，小孔的分布呈下密上疏，蒸汽可從小孔中噴出。小孔的總截面積等于或小于導入管的截面積。（2）噴射器結構蒸汽和培養液在噴射器的吸入室中混合均勻，在喉管和擴大段進一步混合均勻后排出。（3）維持罐結構

主要由筒體、夾套、進料管、出料管、排盡管和測溫口組成.

維持罐設計安裝有無菌呼吸口，以保證外界微生物不能進入維持罐內。維持罐的有效體積應能滿足維持時間8～25的需要，填充系數為85%～90%。2.連續滅菌流程（1）連消塔加熱連續滅菌流程

待滅菌的培養基由泵送入連消塔的底部，料液在此被蒸汽加熱到滅菌溫度，再由頂部流出，進入維持罐，停留一定時間后，再送入噴淋冷卻器，冷卻至常溫。（2）噴射加熱連續滅菌流程

當蒸汽從噴嘴中高速噴出時，與生培養液瞬間混勻并將其加熱到滅菌溫度。混合液進入維持段管道中繼續保溫滅菌，管道越長滅菌時間也越長，可根據培養基的性質和滅菌要求確定管道的長度。滅菌后的培養基經過膨脹閥進入真空冷卻器瞬間冷卻。滅菌后的培養基經過膨脹閥進入真空冷卻器瞬間冷卻

噴射加熱連續滅菌流程是目前常用的培養基滅菌方法，其特點是加熱、冷卻過程極為短暫，所以將溫度升高到140℃而不引起培養液的嚴重破壞。因維持設備是管道，如果設計合理，則返混程度很小，可保證物料的先進先出，避免了培養基在滅菌過程中局部過熱或滅菌不充分的現象發生。（3）薄板連續滅菌流程

培養液在薄板換熱器中可以同時完成預熱、加熱滅菌、維持及冷卻過程。二、淀粉糖化設備糊化糖化單糖糊化階段，淀粉水解轉化成糊精；在糖化階段，糊精被淀粉糖化酶轉化成單糖或二糖。（一）糊化鍋

糊化鍋用來加熱煮沸淀粉原料使其液化和糊化的設備。

糊化鍋的關鍵部件有鍋蓋、鍋體、夾套和攪拌器等。

淀粉類原料從下粉管放入鍋內溶液中，蒸汽進入夾套釋放熱量成冷凝水排出，鍋內產生的水蒸氣沿升氣管上升，部分蒸汽形成冷凝水沿升氣管內壁流入環型槽后由排水管排出，為防止鍋內局部過熱，開啟電動機對溶液進行攪拌，促使溶液體系受熱均勻。糊化鍋的工作過程（二）糖化鍋

糖化鍋是糊精水解成單糖或二糖的反應容器，其結構與糊化鍋基本相同，單體積更大，約為糊化鍋體積的兩倍。

將糊化后的漿狀料液輸送到糖化鍋中，加水稀釋混合，并加入糖化酶，將溫度保持在一定的范圍內，經一段時間后料漿即可糖化完畢。三、雙酶制糖工藝

淀粉液化酶作用于淀粉α-1,4葡萄糖苷鍵，將長鏈的淀粉水解成短鏈糊精，使淀粉液化，產物以短鏈的糊精為主，含有少量的葡萄糖。糖化酶可作用于α-1,4或α-1,6葡萄糖苷鍵，可將糊精完全水解為葡萄糖或麥芽糖，即淀粉的糖化。

雙酶制糖工序有調漿、液化、糖化和過濾。生產設備主要有糊化鍋、糖化噴射器、維持罐、冷卻裝置等。第三節發酵罐發酵罐是微生物大量生長繁殖的空間，是一類重要的生物反應器。發酵罐厭氧式發酵罐不需要通入氧氣好氧式發酵罐通氧氣好氧發酵罐機械攪拌通風發酵罐氣升式發酵罐自吸式發酵罐鼓泡塔式發酵罐一、機械攪拌通風發酵罐機械攪拌通風發酵罐的主要部件有罐體、攪拌器、擋板、空氣分布器、換熱器、消泡器、人孔、視鏡等。1.罐體罐體是空心圓柱體上下兩底焊接封頭后所構成的容器。圓柱體高徑之比為1.7～3。

罐體一般采用衛級不銹鋼，要求能耐受130℃的高溫和的絕對壓力。

封頭上設置有進料管、無菌呼吸口、接種管、人孔、視鏡、壓力表和取樣管等。罐側壁上設計有各種檢測儀器接口以及換熱器的進出口。無菌壓縮空氣從罐底部通入，經空氣分布管進入發酵液。2.攪拌器

攪拌器安裝在攪拌軸上，起著將空氣分散成氣泡并與發酵液充分混合，提高溶氧速率的作用。攪拌器的葉輪有多種形式，有渦輪式和螺旋槳式兩種。（1）渦輪式攪拌器

中央圓盤上設置六個葉片，可分為平葉式和彎葉式兩種。（2）螺旋槳式攪拌器

采用類似螺旋推進器的結構，在發酵罐內形成由下向上的軸向螺旋運動。（3）兩類攪拌器的攪拌效果

可產生較強的渦流擴散效果，氣泡分散性好，但主體對流混合較差，容易產生層流。渦輪式攪拌器

可在軸向產生較好的主體對流混合，但渦流擴散效果較差，即氣泡分散性較弱。螺旋槳式攪拌器兩類攪拌器組合使用，既強化氣泡的分散，又增強了發酵液的整體混合效果。3.軸封

連接攪拌器的攪拌軸在電動機的驅動下轉動，攪拌軸與罐體間的縫隙通過軸封實現密閉。發酵罐上常采用端面機械軸封。端面機械軸封由動環和靜環構成靜環由聚四氟乙烯制成動環由碳化鎢鋼制成，動環和靜環具有導熱性能好，摩擦系數小等特性。4.空氣分布器

通常有單管式和環管式兩種結構，管上密布了直徑約2～3㎜的噴氣孔，其作用是使空氣分布均勻。

單管式是大型發酵罐中經常采用的形式，管口正對發酵罐的底部，與罐底距離約40㎜。

環管式結構簡單，由一根環形管道制成，其上也分布有噴氣孔，常固定在罐體底部，其噴氣孔應向下，以減少發酵液在分布管上滯留。5.消泡器

通氣攪拌條件下的發酵經常會產生大量的泡沫，嚴重時會導致發酵液外溢，增加染菌機會。消泡法化學消泡法機械消泡法

耙式消泡器渦輪消泡器離心式消泡器

耙式和渦輪式消泡器安裝在罐內上部，離心式消泡器則安裝于發酵罐的排氣口處。耙式消泡器渦輪消泡器6.換熱器換熱器有夾套式和豎管式兩種。小型罐采用夾套式，以減少罐內的結構，但傳熱效果差。大型罐中，常采用豎管式，分組對稱安裝在罐內壁上。依據豎管的排列結構，可分為蛇管和列管等形式。二、氣升式發酵罐氣升式發酵罐由罐體、導流筒、循環管、空氣噴嘴等部件組成。在氣升式發酵罐中沒有機械攪拌器及相關裝置，采用高速氣流和密度差帶動發酵液流動、混合。有環流式、鼓泡式、空氣噴射式等氣升發酵罐。

按發酵液流動方式，環流式發酵罐又可分為內循環和外循環兩種。內循環方式中，又有中央導流筒式和雙帶導流式。1.氣升式發酵罐結構

潔凈空氣以250～300m/s，的速度從噴嘴噴出，并以氣泡的形式分散于液體中。含大量氣泡的發酵液沿循環管上升。在上升過程中，氣泡中的氧氣溶解于發酵液內，過量的氣泡在罐的頂部釋放出來，發酵液氣含率下降，形成富含溶氧和較少氣泡的液體。由于發酵罐上部液體氣泡少密度大，下部液體氣泡多密度小，在密度差和重力作用下，上部液體沿循環管下降，下部液體上升，形成發酵液在發酵罐內的循環流動，空氣噴嘴高速噴出的空氣也推動發酵液沿循環管流動。氣升式發酵罐的優點是結構簡單、能耗低、液體中的剪切作用小。在同樣的能耗下，氧的傳遞能力比機械攪拌式發酵罐要高得多。氣升式發酵罐不適用于黏度高或固含量大的發酵液。三、自吸式發酵罐

不需要壓縮空氣，利用特殊的機械攪拌吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置，將無菌空氣吸入罐中，同時實現發酵液的混合與溶氧傳質。攪拌器的關鍵部件是吸氣轉子，吸氣轉子由三棱空心葉輪與固定導輪組成，攪拌軸為中空，與進氣管相連，在電動機的驅動下，軸上的空心葉輪快速旋轉，液體被甩出，在葉輪中心形成負壓，將罐外的無菌空氣吸到罐內。隨著葉輪的轉動，吸入的氣體在葉輪周圍分散成細碎的氣泡，形成了強烈的氣液湍流，氣泡中的氧氣隨之擴散到發酵液中，在攪拌的同時完成了氧氣的溶解過程。自吸式發酵罐的結構和工作原理優點：抽吸力不強，吸程不高，適用于對氧氣需要量較低的醋酸和酵母的發酵生產。機械攪拌自吸式發酵罐的葉輪轉速較高，在轉子周圍形成較強烈的剪切區，不適用于對剪切力敏感的微生物。缺點氣液固三相混合均勻，分散度高，溶氧速率高，傳熱性能好，結構簡單，附屬設施少，投資省，能耗低。四、鼓泡塔式發酵罐

鼓泡塔式發酵罐由塔體、篩板、空氣分布器、降液管組成

泡塔式發酵罐的高徑比約為7左右，罐內安裝有篩板和空氣分布器，降液管具有液封的作用。壓縮空氣由罐底導入，經空氣分布器后，穿過篩板氣孔，逐板上升。發酵液充滿塔體。在空氣泡上升的過程中，密度小的含氣發酵液也隨之上升，上升后的發酵液釋放空氣泡，密度增大，在密度差和重力作用下又沿降液管下降，從而形成循環。空氣泡的上升和發酵液的循環流動，產生氣液混合效果，促進了氧氣的溶解。

鼓泡式發酵罐省去了機械攪拌裝置，造價低，又不會產生液封導致的染菌問題，因而使用范圍較廣。如果培養液濃度適宜，操作得當，在不增加空氣流量的情況下，基本上可達到通用發酵罐的發酵水平。第四節發酵罐信號控制系統生物反應是一個動態的過程，隨著反應的進行，營養成分、新的細胞以及代謝過程產物等因素都在改變。必須對反應過程進行監控，適時調節各參數。需要監控的內容:①物理參數，包括溫度、壓力、攪拌速度等；②化學參數，包括液相pH、氧氣和二氧化碳的濃度；③生化參數，生物體量、生物體營養和代謝產物濃度等。一、發酵罐的信號傳遞在線檢測:將檢測儀器安裝在系統中直接測試生產過程各參數的過程。發酵過程在線檢測儀器:溫度傳感器、pH電極、溶氧電極、轉速測定儀等。1.發酵液中溫度的調控溫度傳感器感應罐內溫度，將信號傳遞至溫度控制儀，經與設定溫度進行比較后，由溫度控制儀發出調節信號，冷卻水閥門和加熱裝置相機動作，調節發酵液溫度。2.發酵液中pH的調控發酵罐pH的控制是依靠向罐內滴加酸或者堿來完成。

pH電極感知酸堿性，以電信號傳遞到放大控制儀，啟動并控制酸、堿泵動作，向罐內滴加酸、堿液，實時調節發酵液pH值。3.發酵液溶氧濃度的調控

發酵過程中通過改變參數影響溶氧的可變因素主要是攪拌轉速和通氣量。罐壓影響發酵液中溶氧濃度。

在發酵過程中，通過調節控制通風量和攪拌轉速的方法達到對溶氧濃度的調控。二、發酵罐的檢測儀器條件：無污染BECDA耐高壓F反應靈敏快速結構簡潔無死角選擇性高耐腐蝕耐高溫1.溫度計培養基滅菌和發酵過程溫度的檢測范圍是0～150℃熱電偶半導體熱敏電阻鉑電阻溫度傳感器鉑電阻溫度傳感器是當前生物反應器的標準配置。鉑金屬的電阻值與溫度的變化成正比關系，具有精度高、穩定性強，輸出線性好的優點。2.壓力表發酵罐一般采用隔膜式壓力表。

為了便于遠距離監控，常把壓力表上的壓力信號轉換成電信號。3.pH電極

發酵罐pH值檢測電極是玻璃氫電極，是復合電極。在使用玻璃電極時要加裝不銹鋼保護套，電極與發酵罐壁之間使用“O”形環密封。金屬外套電極金屬安裝附件耐高溫pH玻璃電極在線pH顯示器耐高溫pH電極4.溶氧濃度（Do）電極原電池溶氧電極采用一對不同金屬材質制作的兩個電極，將其浸沒在發酵液中，溶解氧得電子所產生的電流強度與氧氣的濃度成正比，電信號經變送器輸送，并在顯示器上顯示出溶解氧濃度。有原電池溶氧電極和極譜溶氧電極溶氧電極

原電池電極在測量之前無需預熱就可對溶液中的溶解氧濃度改變作出快速響應，系統只需40～50秒就可以達到實際讀數的95％。極譜溶氧電極采用金、鉑等金屬和Ag/AgCl

構成的電解池系統，需要在電極兩端加上一恒定的極化電壓。當氧分子滲透過隔膜后，在陰極被還原，從陽極到陰極的電流與電解液中溶解氧的濃度成正比。溶氧電極在使用前，必須進行原位標定。在發酵罐的安裝位置上，取發酵過程中最大和最小的氧飽和條件作為溶氧值的零及飽和濃度條件進行校正稱為原位校正。常用工業溶氧電極5.消泡電極

常用的消泡電極有電容電極和電阻電極。電容電極由兩部分組成，分別安裝于罐內反應液的上方，當泡沫出現時，在兩個電極之間產生與泡沫量呈正比關系的電容變化，從而可以定量測出泡沫量；電阻電極利用泡沫與電極接觸構成電流回路的特點來檢測泡沫，只能定性檢測泡沫的生成與否。6.流量計測定酸、堿和培養基的流量時，采用是橢圓齒輪流量計和科里奧利質量流量計，流量信號可轉換成電信號而被顯示。橢圓齒輪流量計科里奧利質量流量計檢測氣體的流量計有質量流量型和體積流量型兩類。體積流量型用的是轉子流量計，轉子流量計可以直接讀數，不能輸出電信號。玻璃轉子流量計發酵罐中用的質量流量計是熱式氣體質量流量計。無氣體流過時，沿測量管軸向的溫度分布左右對稱，有氣體流過時，進入端的溫度降低，流出端溫度升高。溫度差通過變送器轉變為與質量流量成線形關系的電信號，從而獲得流量測定值。熱式氣體質量流量計7.尾氣成分分析儀發酵罐排放氣體含有O2、CO2和其他氣體成分。測定O2含量廣泛采用的是順磁氧分析儀。順磁氧分析儀的工作原理是：O2分子有很強的順磁性，容易被磁場吸引而造成磁場強度的變化；氣體中O2含量越高，氣體的磁效應越強。磁效應可以通過抗磁性物體受到的排斥扭力表現出來，兩者間具有線性關系，因而可以測出氣體中O2含量。CO2含量可以用紅外線二氧化碳測定儀測定。第五節動植物細胞培養設備動植物細胞培養是指動物或植物細胞在離體的條件下增殖的過程，所產生的是細胞。動物細胞無細胞壁，耐受剪切力弱，動物細胞要貼附在固體或半固體壁上才能生長。動物細胞培養器要能提供大面積的固體壁，在溶氧傳質時不產生或產生弱小的剪切力。適合于動物細胞培養的生物反應器有貼壁培養反應器、懸浮培養反應器和貼壁—懸浮培養反應器。（一）貼壁培養設備有培養瓶和膜反應器兩種形式1.培養瓶滾瓶及培養架2.膜反應器

中空纖維膜是半透性多孔膜，氧氣與二氧化碳等小分子可以自由地穿過膜進行雙向擴散，細胞和其他大分子有機物則不能通過。將成束的中空纖維管以列管方式密封在一矩形容器中，再從容器的兩端分別安裝管程和殼程流體的進出口，即可制成培養細胞的膜反應器。中空纖維膜反應器實驗室中空纖維膜細胞培養反應器中空纖維膜細胞培養器模型（二）懸浮培養設備籠式通氣攪拌反應器

籠式通氣攪拌反應器內有一個電磁驅動的圓筒狀旋轉攪拌籠，攪拌籠由中空的攪拌內筒、內筒頂端3個中空的吸管攪拌槳葉、和內筒外側由不銹鋼絲網構成網狀籠壁組成的環狀區。吸管攪拌槳葉在旋轉中使內筒頂部形成負壓，將反應液從內筒底部吸入。（三）微載體培養設備

在攪拌式通氣發酵罐、氣升式通氣發酵罐、中空纖維培養裝置、多級流化床和固定床等反應器中，放入不銹鋼、玻璃、光面陶瓷、塑料等材料做成多孔載體，即構成細胞懸浮培養反應器。多孔載體對動物細胞有很好的親和性，可使動物細胞貼附在載體上。貼附了細胞的多孔載體懸浮在培養液中，細胞吸收