动物细胞培养生物反应器.pptx

生物反应器（Bioreactor）定义：是人们对生物有机体进行有控制的定义：是人们对生物有机体进行有控制的培养以生产某种产品或进行特定的反应的培养以生产某种产品或进行特定的反应的容器。容器。生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一原料原料过程控制过程控制热量热量空压机空压机除菌除菌原料制备原料制备预处理预处理灭菌灭菌产品回收产品回收能量能量空气空气生物生物反应器反应器能量能量废物废物产物产物20世纪世纪80年代年代生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为一个标准名称一个标准名称 传统发酵罐传统发酵罐 酶反应器等酶反应器等 固定化酶和细胞反应器固定化酶和细胞反应器 动植物细胞培养反应器动植物细胞培养反应器 生物反应器类型动物生物反应器动物生物反应器机械搅拌式反应器机械搅拌式反应器气升式生物反应器气升式生物反应器 膜生物反应器膜生物反应器鼓泡塔生物反应器鼓泡塔生物反应器植物生物反应器植物生物反应器一一 机械搅拌式生物反应器机械搅拌式生物反应器医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为止，对新的生物过程，首选的生物反应器仍然是机止，对新的生物过程，首选的生物反应器仍然是机械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多数生物过程，是形成标准化的通用产品。数生物过程，是形成标准化的通用产品。它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的传质速率和必要的混合速度。传质速率和必要的混合速度。缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般24kw/m3，这对大型的反应器来说是个巨大负担。这对大型的反应器来说是个巨大负担。结构机械搅拌反应器的基本结构包括：筒体，机械搅机械搅拌反应器的基本结构包括：筒体，机械搅拌系统（搅拌器、挡板、轴封、联轴器及中间轴拌系统（搅拌器、挡板、轴封、联轴器及中间轴承等），通气系统（空气分散装置），温控系统承等），通气系统（空气分散装置），温控系统（换热装置），消泡系统、（换热装置），消泡系统、pH控制系统等，并在控制系统等，并在筒体的适当位置设置排气、取样、接种、进出料筒体的适当位置设置排气、取样、接种、进出料口以及入孔和视镜等部件。口以及入孔和视镜等部件。反应器的结构几何尺寸几何尺寸H/D=1.74d/D=1/21/3W/D=1/81/12B/D=0.81.0(s/d)2=1.52.5(s/d)3=12搅拌器的作用是混合和传质，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（平直叶式、弯叶式、箭叶式）两种。1 搅拌器轴向式搅拌器螺旋桨式 桨叶式轴向式搅拌器特点结构简单制造方便整体混合效果较好搅拌功率小剪切力小适用于低粘流体的搅拌径向式（涡轮式）搅拌器平直叶弯叶箭叶 径向式搅拌器特点功耗较大局部混合效果较好剪切力较大适用于低粘度至高粘度流体的搅拌挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。通常，挡板宽度取(0.10.2)D（罐体直径），装设4 6块即可满足全挡板条件；挡板高度应设计为自罐底到液面高度为止。全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内挡板数量而轴功率仍保持不变。2 挡板轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端面机械轴封两种。3 轴封填料函式轴封填料函式轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。端面式轴封又称机械轴封，可分为单端面机械密封和双端面机械密封。密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。单端面机械密封双端面机械密封小型的反应器多采用外部夹套作为冷却或加热的小型的反应器多采用外部夹套作为冷却或加热的换热装置。其优点是结构简单、加工容易、反应换热装置。其优点是结构简单、加工容易、反应器内无冷却装置、死角少、容易进行清洗和灭菌器内无冷却装置、死角少、容易进行清洗和灭菌工作；缺点是传热壁较厚、冷却水流速低、降温工作；缺点是传热壁较厚、冷却水流速低、降温效果差。效果差。大型的反应器则多采用反应器内装有蛇形管换热大型的反应器则多采用反应器内装有蛇形管换热装置，优点是管内冷却水流速大、传热效率高，装置，优点是管内冷却水流速大、传热效率高，但它需占用反应器空间，并给反应器清洗和灭菌但它需占用反应器空间，并给反应器清洗和灭菌增加了难度。增加了难度。温控系统温控系统消泡系统消泡系统发酵过程中由于发酵液中含有大量的蛋白质，故在强烈的发酵过程中由于发酵液中含有大量的蛋白质，故在强烈的通气搅拌下会产生大量的泡沫，严重时，将导致发酵液外通气搅拌下会产生大量的泡沫，严重时，将导致发酵液外溢，增加染菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法，溢，增加染菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加入消泡剂，二是使用机械消泡装置。通常，是两种一是加入消泡剂，二是使用机械消泡装置。通常，是两种方法联合使用。方法联合使用。消泡装置可分为两类：一类置于罐内，目的是防止泡沫外消泡装置可分为两类：一类置于罐内，目的是防止泡沫外溢，它是在搅拌轴或灌顶另外引入的轴（致搅拌轴由罐底溢，它是在搅拌轴或灌顶另外引入的轴（致搅拌轴由罐底深入时）上装上消泡浆；另一类置于罐外，目的是从排出深入时）上装上消泡浆；另一类置于罐外，目的是从排出的气体中分离出溢出的泡沫使之破碎后再将液体部分返回的气体中分离出溢出的泡沫使之破碎后再将液体部分返回罐内。罐内。通气系统通气系统通气装置是指将无菌空气导入罐内的装置。最简单的通通气装置是指将无菌空气导入罐内的装置。最简单的通气装置是一单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器气装置是一单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口向下，以免培养液中固体物质在开口处的正下方，开口向下，以免培养液中固体物质在开口处堆积。管口与罐底的距离约为堆积。管口与罐底的距离约为40mm。第二种形式是开口向下的多孔环形管。环的直径约为搅第二种形式是开口向下的多孔环形管。环的直径约为搅拌器直径的拌器直径的0.8倍。小孔直径约倍。小孔直径约58mm，孔的总面积，孔的总面积约等于通风管的截面积。在通气量较小的情况下，气泡约等于通风管的截面积。在通气量较小的情况下，气泡的直径与空气喷口直径有关。喷口直径越小，气泡直径的直径与空气喷口直径有关。喷口直径越小，气泡直径越小，氧的传质系数越大。但在发酵过程中通气量较大，越小，氧的传质系数越大。但在发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气量有关而与通气出口直径无关。又由气泡直径仅与通气量有关而与通气出口直径无关。又由于在强烈的机械搅拌的条件下，多孔分布器对氧的传递于在强烈的机械搅拌的条件下，多孔分布器对氧的传递效果并不比单孔管好，相反，还会造成不必要的压力损效果并不比单孔管好，相反，还会造成不必要的压力损失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。单管单管 环形管环形管 dI=0.8Di dI=0.8Di dI dI 环径环径 DiDi浆叶直径浆叶直径二二 气升式生物反应器气升式生物反应器 (airlift bioreactor)(airlift bioreactor)气升式生物反应器是应用较广泛的一类无机械搅拌的生物反气升式生物反应器是应用较广泛的一类无机械搅拌的生物反应器。气升式生物反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展应器。气升式生物反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展起来的，它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应起来的，它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和氧传递。液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和氧传递。气升式生物反应器结构简单，没有其他生物反应器具有的如气升式生物反应器结构简单，没有其他生物反应器具有的如有较多泄漏点和死角等等缺点，故早在有较多泄漏点和死角等等缺点，故早在20世纪世纪70年代开年代开始，植物细胞发酵培养就已经较多地采用气升式生物反应始，植物细胞发酵培养就已经较多地采用气升式生物反应器。器。优点：气升式生物反应器的结构较简单，易于清优点：气升式生物反应器的结构较简单，易于清洗、维修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高，操洗、维修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高，操作费用低。作费用低。缺点：缺点相对来说较少，主要是高密度培养时缺点：缺点相对来说较少，主要是高密度培养时混合不够均匀。混合不够均匀。三三 其他类型反应器其他类型反应器鼓泡塔生物反应器鼓泡塔生物反应器膜生物反应器膜生物反应器固定床和流化床反应器固定床和流化床反应器动物植物生物反应器动物植物生物反应器其他其他四四 生物反应器的发展趋势生物反应器的发展趋势生物反应器的研究、开发和设计是生物技生物反应器的研究、开发和设计是生物技术的一个重要内容，一种好的生物反应器术的一个重要内容，一种好的生物反应器出现往往能够大规模降低生产成本，成为出现往往能够大规模降低生产成本，成为生物制品成功商业化的关键。因此，生物生物制品成功商业化的关键。因此，生物反应器的开发一直很活跃，尤其是最近的反应器的开发一直很活跃，尤其是最近的细胞生物反应器开发更是如此。生物反应细胞生物反应器开发更是如此。生物反应器的发展趋势可归纳为以下几个方面：器的发展趋势可归纳为以下几个方面：由于微生物可以悬浮培养，对搅拌的剪切力要求由于微生物可以悬浮培养，对搅拌的剪切力要求不高，因此，微生物最有条件在大型甚至超大型不高，因此，微生物最有条件在大型甚至超大型反应器内生长。目前，生产抗生素的发酵罐容积反应器内生长。目前，生产抗生素的发酵罐容积已达到已达到400m3，氨基酸的反应器达到，氨基酸的反应器达到300m3，单细胞蛋白单细胞蛋白(SCP)的反应器达到的反应器达到2600m3，用微，用微生物处理废水的生物反应器甚至高达生物处理废水的生物反应器甚至高达27000m3.显然，反应器的增大有利于降低生产成本。显然，反应器的增大有利于降低生产成本。1 微生物反应器朝着大型化发展微生物反应器朝着大型化发展2 动植物细胞培养反应器得到较大发展动植物细胞培养反应器得到较大发展由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物制品，如干扰素，单克隆抗体等，细胞培养反应制品，如干扰素，单克隆抗体等，细胞培养反应器的开发越来越受到重视。其中关于供氧问题，器的开发越来越受到重视。其中关于供氧问题，快速升温、快速升温、SIP自动灭菌、自动灭菌、CIP自动清洗、机械自动清洗、机械密封、排气处理、取样处理等问题等都需很好解密封、排气处理、取样处理等问题等都需很好解决。决。3 大量使用现代计算机技术进行生物反应大量使用现代计算机技术进行生物反应器的设计和开发器的设计和开发首先，对反应器内的生物反应建立数学模型，获首先，对反应器内的生物反应建立数学模型，获得能够反映生物过程规律的较精确的表达式，然得能够反映生物过程规律的较精确的表达式，然后将该模型应用于反应器的设计和自动控制中，后将该模型应用于反应器的设计和自动控制中，从而优化反应器的结构和操作，比如温度、从而优化反应器的结构和操作，比如温度、pH、溶氧等的溶氧等的PID自动控制系统。自动控制系统。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。