1、4.1.1 微生物反应器,微生物,原核类： 细菌 蓝细菌 放线菌支原体 衣原体 立克次氏体,真核类： 真菌 原生动物 显微藻类,非细胞类： 病毒亚病毒 (类病毒, 拟病毒, 朊病毒),4.1.1 微生物反应器,发酵罐结构：罐体、搅拌装置、消泡器、轴封、传动装置、传热装置、挡板、人孔、视镜、通气装置、进出料管、取样管等。,4.1.1 微生物反应器,进气装置：在最下层搅拌桨的正下方，开口向下，距罐底4050mm,4.1.1 微生物反应器,传热装置：夹套(5m3)、内蛇管、外盘管,发酵热因品种、发酵时间不同而异，不能通过简单的计算求得，要靠实验测定。,4.1.1 微生物反应器,K=6301050kJ
2、/(m2h),K=12601680kJ/(m2h),4.1.1 微生物反应器,机械消泡装置： 发酵液中含有大量的蛋白质等易发泡物质，在强烈的通气和搅拌条件下会产生大量的泡沫，将导致发酵液外溢和增加染菌机会，进而导致装料系数降低。 减少发酵液泡沫比较有效的方法是加入消沫剂，也可采用机械装置来破碎泡沫。 天然油脂是最早采用的化学消泡剂，但是其消泡能力弱，作用时间短。目前，分子量2000的聚醚、聚二甲基硅烷广泛用于各种抗生素发酵的泡沫抑制中。,4.1.1 微生物反应器,耙式消泡桨：装于搅拌轴上，齿面略高于液面，桨直径约为罐径的0.80.9。转速低，效果比较差。半封闭涡轮消沫器：常用于顶部空间比较大的
3、下伸轴发酵罐，在高速旋转下泡沫可以直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到壁面而破碎，消沫效果好。,4.1.1 微生物反应器, 离心消沫器：利用离心力将泡沫粉碎,蛇形栅消泡桨：泡沫上升与栅条反复碰撞，搅破液面上的气泡，抑制泡沫增加。目前广泛采用。,4.1.1 微生物反应器,通用机械搅拌反应器的发展趋势： 容积：扩大至100350m3 材质：有碳钢改为不锈钢(304，316L) 传热：由单一的罐内蛇管传热改为罐内直管和罐壁半圆管相组合 减速：将皮带减速改用机械式减速 搅拌：从单一径向涡轮式搅拌改为径、轴双向流式搅拌。,0Cr18Ni9,00Cr17Ni14Mo2,4.1.1 微生物反应器,大型微生物发酵
4、罐,4.1.2 动物细胞培养反应器,动物细胞培养：从动物机体中取出相关的组织，将它分散成单个细胞，然后放在适宜的培养基中，让这些细胞生长和增殖。 动物细胞培养液的成分：葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清等。 动物细胞培养的条件：无菌、无毒的环境；营养物质（合成培养基）；温度和pH（36.50.5，7.27.4）；气体环境（氧气和二氧化碳）等。 应用：生物制品的生产；转基因动物的培养；检测有毒物质并判断其强弱；医学研究；器官移植培养,4.1.2 动物细胞培养反应器,随着生物技术的发展，动植物细胞培养已逐渐从实验室培养过渡到工业化规划的生物反应器中。通过动物细胞的大规模培养，可以得到疫苗、诊
5、断试剂、单克隆抗体、酶等贵重药品和生物制品。 动物细胞无细胞壁，不能承受剪切力；对培养基的营养要求十分苛刻，对环境十分敏感；生长缓慢，一般只有在高细胞密度条件下才能得到一定浓度的产物。,4.1.2 动物细胞培养反应器,分类： 按动物细胞培养时的特性 象微生物一样悬浮培养，为非贴壁依赖型，包括血液、淋巴组织细胞、肿瘤细胞 只能在固体或半固体表面生长，形成单层细胞，为贴壁依赖型，多数哺乳动物细胞属于这一类。 按设备结构 螺旋膜反应器、流化床反应器、中空纤维及其他膜反应器、搅拌式反应器、空气提升式反应器等。 搅拌式反应器桨式搅拌器、棒状搅拌器、船帆形搅拌器、往复震动锥孔筛板搅拌器、笼式通气搅拌器等。
6、,4.1.2 动物细胞培养反应器,动物细胞悬浮培养生物反应器,带帆形搅拌器的连续灌注系统培养反应器,实验室规模反应器，440L，搅拌桨是用尼龙丝编织带制成帆形，搅拌轴用磁力驱动旋转，转速为2050r/min，氧气通过插入溶液中的硅胶管扩散到培养液内，以维持培养液内一定的溶解氧水平。 采用新鲜培养液连续加流，流出培养液通过旋转过滤器分离细胞后排出。 用于培养鼠类肿瘤细胞，每升培养液得到1.71012个细胞。,4.1.2 动物细胞培养反应器,中试和工业规模的动物细胞悬浮培养反应器： 目前已有10m3规模的动物细胞培养反应器用来培养杂交瘤细胞，生产单克隆抗体。关键是改进搅拌桨和通气装置，减小剪切力。
7、 用螺旋桨取代涡轮式搅拌器，用扩散渗透通气装置代替鼓泡空气分散器。,4.1.2 动物细胞培养反应器,空气提升式(气升式)生物反应器，最初被用于生产单细胞蛋白，后来用于培养动植物细胞，特别适用于生产次级代谢产物的分泌型细胞。,优点： 结构简单，避免使用轴承而造成微生物培养的污染； 传质性能好，尤其是氧的传递效率高； 产生的湍动温和，剪切力小，循环量大，使细胞营养成分均布于培养基中。,4.1.2 动物细胞培养反应器,动物细胞贴壁培养反应器 大部分动物细胞必须附着在固体或半固体表面才能生长，细胞在载体表面上生长并扩展成一个单层，又称单层培养。,传统方法：滚瓶 用430L大小的成千上万个滚瓶进行动物细
8、胞培养，来生产疫苗。 比表面积小，0.35 手工操作,4.1.2 动物细胞培养反应器,中孔纤维培养器： 由成束的中孔纤维管组成，每根中孔纤维管的内径为200m，壁厚为5075m，管壁是半透性的多孔膜，O2与CO2可以自由地透过膜双向扩散，而大分子有机物不能透过。,动物细胞帖附在中空纤维管外壁生长，可以方便地获取营养物和溶解氧。 装置内可安装成千根纤维管，比表面积大(40)，溶解氧传质速率比悬浮培养器高3倍，为大规模动物细胞培养创造了条件。,4.1.2 动物细胞培养反应器,动物细胞微载体悬浮培养反应器 用微珠作载体，使单层动物细胞生长于微珠表面，可在培养液中进行悬浮培养。这种培养方式将单层培养和
9、悬浮培养结合起来，是大规模动物细胞培养技术最常用方法。 三个关键问题： 具有合适的搅拌器，使载体在培养液内悬浮流动，而又要不因过高的剪切力而使动物细胞受到损害； 不能用传统发酵罐那样用空气在培养液内鼓泡充氧，而只能用扩散方式来传递氧，以满足所需的溶解氧浓度； 在培养液中严格控制pH值，要求误差小于0.05。,4.1.2 动物细胞培养反应器,微珠可用葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺、明胶或甲壳质等来制造，要求球径均匀，径差小于2025m，溶胀后密度在1.031.05g/ml，以便在反应器内经缓慢搅拌后微载体能悬浮起来。,微载体其表面化学成分可以在细胞培养过程中促进贴壁依赖性细胞的附着和生长。 微载体的主要
10、优点是它们增加了比表面积，1个3升的微载体培养相当于26个850 cm2的滚瓶培养系统。它们可以使用在一个简单的滚瓶中或者高度控制的搅拌式生物反应器中。,4.1.2 动物细胞培养反应器,利用中空纤维作为通气装置的微载体悬浮培养反应器：,用直径为2.5mm的聚四氟乙烯中空纤维管作为通气装置，空气在管内，氧分子通过半透性的管壁扩散到培养液中，供动物细胞生长。,4.1.2 动物细胞培养反应器,5L气腔式动物细胞培养反应器： 反应器内有一旋转圆筒，在圆筒上部有35个中空的导向搅拌桨叶，在圆筒外壁用200目(75m)不锈钢丝网焊成一个环状气腔，气腔下面有一圈气体分布管。,由于中空桨叶的搅拌作用，可使液体
11、与微载体的悬浮液由圆筒的下端吸入，并从中空桨叶甩出，形成循环流动。气腔内气体经分布管鼓泡并通过丝网向培养液扩散。,4.1.2 动物细胞培养反应器,锥形动物细胞培养反应器 结构：圆锥形筒体，内装一个可旋转的塑料丝网气腔，在气腔的尖端部有螺旋桨搅拌器。气腔内有一圈气体鼓泡管。,操作：螺旋桨的翻动使培养液循环流动，并使载体悬浮于培养液中。通过调节O2、N2、CO2和空气的配比控制培养液的pH值和溶氧浓度，满足动物细胞生长所需的条件。,4.1.3 植物细胞培养反应器,目的：通过植物细胞离体培养，可以获得贵重的产物(如植物皂苷、香精、甾体化合物)以及原本来源于植物的药品。 优点：不需种植植株，不受地域、
12、环境、气候、病虫害的影响，一年四季都能通过工业化生产获得成分均一的产品。 缺点：生产成本高。,4.1.3 植物细胞培养反应器,植物细胞悬浮培养的特性 植物细胞比微生物细胞大的多，与动物细胞大小相似，一般聚团生长； 纤维素细胞壁耐剪切能力相当弱； 培养基营养成分复杂且丰富，培养周期长，需保持无菌条件； 反应器及相关的辅助、测控装置要求有特殊设计并具有良好的稳定性； 培养基的粘度随细胞量的增加呈指数上升； 所有植物细胞都是好氧性的，但不需太高的传养速率； 培养产生的泡沫粘性大，影响反应的稳定性； 注意细胞的表面黏附问题。,4.1.3 植物细胞培养反应器,大规模植物细胞培养反应器,4.1.3 植物细
13、胞培养反应器,机械搅拌反应器,工业规模进行烟草细胞培养的连续反应器，体积可达20m3,4.1.3 植物细胞培养反应器,鼓泡塔与气升反应器 液体流动时的剪切力比机械搅拌低得多； 反应器结构简单、造价低，无轴封装置，灭菌方便；,能耗及操作费低； 可用通气速率来控制细胞的生长。,4.1.3 植物细胞培养反应器,光照反应器：提供特殊波长的光照,4.1.3 植物细胞培养反应器,Exxon mobil(埃克森美孚)投资6亿美元研究利用海藻生产生物柴油,海藻：2000加仑/年英亩 玉米：250加仑/年英亩,世界十大化工公司,4.1.4 国内外细胞培养反应器,Sinton Engineering & ITT
14、Industries CC-V-1 细胞培养搅拌反应器,英国GoIndustry Dovebid机械搅拌细胞培养反应器 容积300L，带夹套换热器,4.1.4 国内外细胞培养反应器,韩国摇床生物反应器： 能够放大到500L，整个系统完全封闭，能够培养动物、病毒、昆虫、植物等细胞，采用悬浮培养或载体培养。,4.1.4 国内外细胞培养反应器,一次性生物反应器 (Single-Use Bioreactor, SUB)SUB系统所提供的的生物反应袋(BPC)经过辐射灭菌，客户无需再行任何灭菌及清洁处理。另外，SUB的一个关键设计在于它的聚乙烯材料的塑料搅拌叶轮，叶轮通过密封轴承组件链接到外置搅拌驱动器
15、，这种设计既可保证搅拌充分，又大大降低了细胞培养过程中被污染的可能性。,4.1.4 国内外细胞培养反应器,B. Braun D300机械搅拌发酵罐，200L,B. Braun 10L 气升发酵罐,4.1.4 国内外细胞培养反应器,NBS 7L 发酵罐,NBS BIOFLO 110 机械搅拌发酵罐，最大3m3,4.1.4 国内外细胞培养反应器,韩国一投资2.5亿美元的单克隆抗体和重组蛋白生产线,4.1.4 国内外细胞培养反应器,气升式发酵罐(外循环) 气升式发酵罐(内循环) 常州市三高生物技术工程设备有限公司,4.1.4 国内外细胞培养反应器,常州三环生物工程公司机械搅拌发酵罐 机械搅拌，可配置
16、特殊空气分布器，将机械搅拌和气升搅拌结合，降低功耗。,4.1.4 国内外细胞培养反应器,槽式发酵罐 容积530M3 自动上料、自动出料，用于生物饲料、生物肥料、餐厨废弃物处理。,4.2 生物反应器的放大,在通常条件下，如果能够获得较精确的反应过程本质的数学模型，就可进行生物反应器的放大。但是建立反应器的数学模型涉及“三传一反”多个过程的关键参数，使得放大过程变得十分复杂。,4.2 生物反应器的放大,菌种筛选 培养基研究,扩大试验 环境因素最佳操作条件研究,提供产品 获取经济利益,使大型反应器的性能与小型的研究的反应器相近，从而使二者的生产效率相似。,4.2 生物反应器的放大,大型生物反应器设计
17、能否成功的关键是设计参数的来源及其正确性。,因次分析 经验法则 数学模拟,生物代谢机理及其与过程参数的关系,4.2.1 几何尺寸放大,在生物反应器的放大中，放大倍数实际上就是罐的体积增加倍数，模型与设备是几何相似的。,4.2.2 空气流量的放大,发酵过程空气流量的表述： 单位体积培养液在单位时间内通入的空气量(以标准状态计)，Q0/VL=VVM m3/(m3min)； 操作状态下空气的直线速度，vg m/h,4.2.2 空气流量的放大,(1) 以VVM相同的原则放大,4.2.2 空气流量的放大,(2) 以空气直线流速相同原则放大,4.2.2 空气流量的放大,以氧气体积传质系数KLa值相同的原则放大 KLa容量传质系数，文献报道：,4.2.2 空气流量的放大,放大125倍情况下用不同方法计算出来的VVM值和vg值,一般认为空气流量的放大以KLa等于常数的原则进行放大较为合适。,4.2.3 搅拌功率、转速的放大,(1) 以单位培养液体积所消耗的功率相同的原则放大,4.2.3 搅拌功率、转速的放大,(2) 以单位培养液所消耗的通气功率相同的原则放大,4.2.3 搅拌功率、转速的放大,(3) 以KLa值相同的原则放大,4.2.3 搅拌功率、转速的放大,(4) 以搅拌器叶端速度相等的原则放大,
