1、第一章 绪论,复 习,1、生物制品、生物制药的概念 2、GMP中英文名,定义：应用普通的或以基因工程、细胞工程、蛋白质工程、发酵工程等生物技术获得的微生物、细胞及各种动物和人源的组织和体液等生物材料制备的，用于人类疾病的预防、治疗和诊断的药物 。,一、生物制药,多种药物类型：如单克隆抗体、疫苗、干扰素、蛋白、多肽、酶、激素、细胞生长因子等。,生物制品,利用生物技术，包括利用基因工程、蛋白质工程、DNA重组技术、基因治疗以及结合其它新兴的科技，如生物芯片和纳米技术，开发、研制和生产生物制品的过程。,生物制药,四、生物制药设备与GMP,是药品生产质量管理规范；是一项强制性的管理措施，是保证人民用药
2、安全有效的重要保证 ；对生物制品的生产有着特殊的规定，如厂房、设备等；生物制药设备已经向成套化、自动化、管道化、封闭化、模块化的方向发展。,第二章 培养基灭菌设备,1、灭菌的必要性及措施 2、纯种培养的概念 3、培养基灭菌的方法（矛盾，如何解决） 4、培养基灭菌的标准 5、培养基连续灭菌各流程的特点 6、培养基连续灭菌流程的主要设备名称,纯种培养 用特定的菌种在没有杂菌的情况下进行培养。,一、灭菌的必要性（掌握）,灭菌,生产易于控制、保证产品产量和质量,（1）杂菌消耗培养基中的营养物质,杂菌污染的不良后果,（2）杂菌的代谢产物，或培养液的某些理化性质被改变, 生产能力, 产物的提取和分离困难,
3、（收率或质量）,（3）杂菌大量繁殖代谢，会改变培养液的pH值, 生物反应发生异常变化,（4）杂菌可能分解产物,（5）若发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解, 生产失败, 生产失败,使用的培养基和设备必须经过灭菌；好氧培养过程中使用的空气应经除菌处理；设备应密封严密，生物反应器中要维持高于外界环境的压力；培养过程中加入的物料要进行灭菌；使用无污染的纯种子。,措施,二、常用的灭菌方法（熟悉）,（1）化学灭菌法 甲醛、次氯酸钠、高锰酸钾、苯酚、环氧乙烷、新洁尔灭,（2）射线灭菌法 紫外线、高能电磁波或放射性物质产生的高能粒子 紫外线（253 nm） 表面消毒和空气消毒 g 射线 塑料培养皿或一次性塑料制
4、品,不能用于培养基的灭菌,（3）干热灭菌法 160，保温1 2 h,（4）湿热灭菌法 饱和蒸汽 （120，维持20 30 min ）,（5）过滤除菌法 微孔滤膜过滤,最普遍使用的基本灭菌方法,灭菌后需保持干燥状态的物品,动物细胞培养基和植物细胞培养基,发酵用无菌空气,无菌产品,一、湿热灭菌的原理,主要矛盾 灭菌程度和营养成分的破坏关键 加热温度和受热时间,1、对数残留定律,微生物的死亡速率与任一瞬间残留的活菌数成正比 一级反应动力学,残存的活菌数； 灭菌时间（s）； 灭菌速度常数（s-1）； 死亡速率。,灭菌速度常数K是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据,相同温度下 K值越小，越耐热,在设计
5、灭菌操作时，必须以细菌芽孢为杀灭对象,以Nt = 10-3个/罐 为无菌标准,相同菌种 温度越高，K值越大，死亡越快,Nt/N0,2、温度对死亡速率的影响,E是反映微生物热死或营养物质受热分解对温度敏感性的度量,E越大，K随温度的变化越大,E微生物 E营养物,温度升高，微生物死亡速率的增加，要比营养成分破坏速率的增加大得多,二、影响培养基湿热灭菌的因素,1、温度 最重要因素,2、pH pH 6.0 8.0时 微生物最不易死亡适当的延长时间或提高灭菌温度,3、培养基成分油脂、糖类及一定浓度的蛋白质都会增加微生物的耐热性；高浓度的有机物包于细胞周围，形成一层薄膜，会影响热量的导入，也会增加灭菌时间
6、；高浓度的盐类、色素则会削弱其耐热性，而有利于灭菌,4、气泡 极为不利，空气导热系数小，形成隔热层 注意控制，必要时加入消沫剂,5、颗粒 难以杀死大于1 mm的固体颗粒中的微生物大于1 mm的固体颗粒滤出,一、连续灭菌流程及设备,灭菌温度高，保温时间短，有利于减少培养基中的营养物质的破坏,升温快、冷却快，可采用较高的温度,优点 （1）提高产量。与分批灭菌相比培养液处理时间短，提高了发酵罐的利用率；同时培养基成分破坏较少，发酵单位高。 （2）产品质量较易控制。 （3）蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高，操作方便。 （4）适宜采用自动控制。 （5）降低劳动强度。,缺点设备比较复杂，投资较大。,注意事项 （
7、1）发酵罐、加热器、维持罐和冷却器应先进行灭菌。 （2）组成培养基的耐热性物料和不耐热性物料可在不同温度下分开灭菌；糖和氮源，也可分开灭菌，以免发生反应。 （3）对于粘度过高或固体成分较多的培养基，设计这类物料的设备必须避免管道过长，或尽可能将淀粉质物料先行液化，或直接选用分批灭菌。,（一）连续灭菌流程,1、连消塔（塔式加热器）喷淋冷却流程,连消塔、维持罐、喷淋冷却的连续灭菌流程,由于真空的影响，在蒸发室下面要安装一台出料泵，对于已经灭菌好的培养基来说，出料泵的密封要求很高才能避免重新污染。这就带来了不便。,3、薄板式换热器灭菌流程,以薄板换热器作为培养液的加热和冷却器,培养基的预热、加热、保
8、温及冷却过程可在同一设备内完成,特点,待灭菌培养液的预热过程同时为灭菌培养液的冷却过程，节约了蒸汽及冷却水的用量,（二）设备构造,1、加热器,培养基与蒸汽混合加热至灭菌温度的设备使用较广泛的加热器有塔式加热器和喷射式加热器,2、维持罐,灭菌系统中的维持设备主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，又称保温设备。维持设备一般不需另行加热，但必须在维持设备的外壁用绝热材料进行绝热。,冷却设备是将已灭菌的培养基加以冷却的设备通常采用的是喷淋冷却器,3、冷却设备,第三章 空气供给工程,1、培养用空气除菌的标准 2、培养用空气除菌最常用的方法、机理 3、培养用空气除菌的流程图 4
9、、最完善的培养用空气除菌流程的设置原理、特点 5、空气调节的定义 6、洁净度的划分标准、级别、气流组织等 7、绝对湿度、相对湿度、露点温度的概念 8、增湿、减湿的方法 9、表面换热器实现的过程 10、压差的控制（正负压的设置）,第一节 空气除菌过程与设备,一、无菌空气的标准,培养用空气无菌程度的标准 ,空气中微生物的分布 ,空气中含菌量的测定 ,附着在尘埃上,培养法（活菌数 活计数） 光学法（微粒数 死计数）,10-3染菌率,3、静电除菌利用静电引力来吸附带电离子 能耗小、压力损失小静电除尘对很小的微粒效率较低 除菌效率不是很高，往往需要与高效空气过滤器联合使用,4、介质过滤除菌使含菌空气通过
10、过滤介质，以阻截空气流中所含微生物最常用的获得大量无菌空气的方法 孔隙 微生物直径 （深层过滤）,在生物过程无菌空气制备中并不多见,三、介质过滤除菌机理,1、惯性冲击滞留作用,单纤维空气流线图,影响捕集效率以空气流速最为重要,惯性碰撞的临界气速,气速 微粒运动的惯性 触及纤维和被截留的机会 捕集效率 ；气速 微粒运动的惯性 微粒脱离气体的可能性 捕集效率,c = 1.8 104 df（米/秒）,纤维直径越细 c越小 捕集越有利,必要条件 空气流速 c,v,2、拦截滞留作用,空气流速 c时,在纤维的周边形成一层边界滞流区（气速更慢）,滞流区内的，进入其中的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附滞留,3、
11、布朗扩散截留作用,直径很小的微粒在缓慢流动的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为布朗扩散,在缓慢流动的气流和极小的纤维间隙间，布朗扩散作用大大增强了微粒与纤维的接触 捕集效率,4、重力沉降作用机理,当微粒所受的重力 拖带力时，容易沉降,大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用,与拦截滞留作用相配合，即在纤维的边界滞留区内，沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率,5、静电吸附作用机理,干空气与非导体物质（纤维和树脂处理过的纤维表面，尤其是一些合成纤维）相对运动产生摩擦时，产生诱导电荷,悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同的电荷,异性电荷相互吸引而沉降,+,+,+, 当气流速度较
12、小时，除菌效率随气流速度的增加而降低 布朗扩散截留起主要作用, 如果空气流速过大，除菌效率又下降，是由于已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气中,当空气流过介质时，五种除菌机理同时起作用气流速度不同，起主要作用的机理不同, 当气流速度较大时，除菌效率随空气流速的增加而增加 惯性冲击滞留起主要作用, 当气流速度中等时 拦截滞留起主要作用,五、空气过滤除菌流程,空气过滤除菌流程是根据生产对无菌空气的要求，并结合吸气环境的空气条件和所用除菌设备的特性，而制定的。,无菌空气的制备流程比较复杂，需要一系列的压缩、冷却、分离、加热和过滤设备来保证。,1、两级冷却、加热除菌流程,两级冷却、加热除菌流程
13、1-粗过滤器；2-压缩机；3-贮罐；4, 6-冷却器；5-旋风分离器；7-丝网分离器；8-加热器；9-过滤器,比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能充分地分离油水，使空气达到较低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。,尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。,特点：两次冷却、两次分离、适当加热。,3035,2025,RH 100% 5060%,2、冷热空气直接混合式空气除菌流程,冷热空气直接混合式空气除菌流程 1-粗过滤器；2-压缩机；3-贮罐；4-冷却器； 5-丝网分离器；6-过滤器,特点：省去第二次冷却和分离设备以及空气加热设备，流程比较简单；冷
14、却水用量少等。,适用于中等含湿地区，但不适合于空气含湿量高的地区。,冷热空气的混合流程需要较高的操作技术。,3、高效前置过滤空气除菌流程,高效前置过滤空气除菌流程 1-高效前置过滤器；2-压缩机；3-贮罐；4-冷却器；5-丝网分离器； 6-加热器；7-过滤器,特点：所得的空气无菌程度比较高,利用热空气加热冷空气的流程示意图 1-高空采风；2-粗过滤器；3-压缩机；4-热交换器；5-冷却器； 6, 7-析水器；8-空气总过滤器；9-空气分过滤器,4、利用热空气加热冷空气的流程,利用压缩后的热空气和冷却后的冷空气进行热量交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。,特点：热能的利用比较合理，热交换器还
15、可以兼做贮气罐,过滤 满足生物细胞培养需要,无菌空气制备的整个过程,压缩机,冷却器,气液分离器,贮罐,过滤器,粗过滤器,加热器,生物反应器,预处理 达到合适的空气状态（压力、温度、湿度）,第二节 空气调节,一、 空气调节的目的,消除生产过程中的粉尘、有害气体、蒸汽、余热、余湿等对人员和生产设备的危害创造良好的空气环境满足生产工艺和人员舒适的要求,包括对空气温度、湿度、洁净度、新鲜程度，有时还包括对压力、成分、气味和噪声等进行调节和控制。,二、GMP对生产环境的要求,我国现行的药品生产质量管理规范（1998）,1、洁净度,（1）分级,洁净度等级对照表,（3）洁净室, 乱流洁净室,1-初效过滤器；
16、2-中效过滤器；3-高效过滤器,送风的目的是稀释室内受污染的空气送风口的数量有限，换气次数少室内存在涡流，洁净度不高（300 000到10 000级 ）, 层流洁净室,1-高效过滤器；2-循环风机；3-中效过滤器；4-新风机组,垂直层流洁净室送风：顶送 回风：全地板格栅或两侧下水平层流洁净室送风：送风墙回风：回风墙或敞开（隧道式）,洁净度高（100级）10 000级背景下的100级,大面积的出风口满布高效过滤器,（1）湿空气的几个重要参数, 空气的湿含量（绝对湿度）, 空气的相对湿度, 露点温度, 干球温度、湿球温度,干球温度,单位质量干空气中所含水汽的质量,表示空气中的湿含量距离饱和状态的程
17、度,一定温度下，相对于饱和空气湿度的百分比,绝对湿度不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度,（2）温湿度调节的方法,对于湿度的调节,增湿的方法： 往空气中直接通入蒸气 喷水，使水以雾状喷入不饱和的空气中 与高湿含量的空气混合,减湿的方法： 喷淋低于空气露点温度的冷水 使用热交换器把空气冷却至其露点以下 空气经压缩后冷却 用吸收或吸附的方法除掉水气 通入干燥空气,对于温度的调节,对于温度的控制较为简单，通过常规的制冷或制热即可实现,温度的变化会影响到湿度的变化，故温度控制需与湿度控制相连动, 表面换热器,包括空气加热器和表面冷却器两类,能够实现等湿加热、等湿冷却和减湿冷却三种过程,用空气加热器处
18、理空气 等湿加热冷却器表面温度低于空气的干球温度，但高于其露点温度 等湿冷却冷却器表面温度低于被冷却空气的露点温度 减湿冷却,空气加热器 以热水或蒸汽做热媒表面冷却器 以冷水或制冷剂做冷媒,3、压差,洁净室（区）的空气必须维持一定的正压。,易产生粉尘的区域应与相邻的室（区）保持相对负压。,强过敏性药品、某些甾体药物，以及高活性有毒药物的精制室、干燥室和分装室，室内应保持正压，而与相邻的室（区）应保持相对负压。,第四章 分装线系统,1、超声波清洗的机理以及该机理的定义 2、灭菌隧道的区域，各区域的作用、洁净度等 3、灌装的洁净级别,（4）灌装精度 1%,（5）运行速度整个系统的容量及能力,（6）
19、灭菌隧道和灌封机上方的层流装置 100级层流,二、分装线的工作原理和设备,1、分装容器的清洗,超声波清洗法 超声波洗瓶机,工作原理：利用超声波在液体中能 产生数万次的振动，形成空化作用来进行清洗的。,空化作用：在超声波的作用下，压缩力和减压力交互性的高频变化，将液体震碎成大量的微小气泡；气泡在超声波的作用下，反复收缩膨胀并相互碰撞后产生约100个大气压的强大冲击力； 来自各个方向的冲击力就像无数的小刷子作用在小瓶的表面上，使小瓶上的不溶性微粒脱离。,优点：清洗洁净度高，清洗速度快 ，尤其对于有盲孔和各种几何形状的物体，洗涤效果很好。,2、分装容器的灭菌,作用：杀灭微生物，去除热原,塑料容器 核
20、辐射 射线,安瓿和西林瓶 干热灭菌 干热灭菌隧道, 红外线加热,干热灭菌隧道结构,预热区,灭菌区,冷却区,排风风扇,传送带,预热区循环风温度灭菌区入口温度灭菌区出口温度冷却区循环风温度冷却区排风温度传送带速度,重要参数,保证灭菌隧道在时间和空间上设定温度的准确性、恒定性,第五章 生物反应器,1、良好生物反应器的基本要求 2、搅拌器的作用、安装方式等 3、挡板的作用、全挡板条件的概念 4、轴封的作用、种类、特点等 5、传热装置的设置 6、尾气处理装置的设置,7、传感器的要求 8、温度、pH、溶解氧、泡沫的控制相关知识点 9、气腔式动物细胞培养生物反应器搅拌器的结构特点、各部件的作用 10、植物细
21、胞培养的特性（各点均要理解） 11、植物细胞培养中的主要矛盾及解决方法,良好生物反应器的基本要求 （掌握）,（1）制造材料，尤其是与培养基、细胞直接接触的材料，必须无毒、耐腐蚀。 （2）必须具有良好的传质、传热和混合的性能。 （3）必须符合有关安全等级标准，能耐高压蒸汽灭菌消毒，且密封性能良好。,设备设计的基本目的,质量高、产量大、成本低,（4）对培养环境中多种理化和生物参数能自动监测和控制，调节控制的精确度高、稳定且均衡。 （5）可长期连续运转，这对用于培养动植物细胞的生物反应器尤为重要。 （6）容器内表面要求光滑，无死角。 （7）拆装、连接和清洁方便，便于操作维修。,2、搅拌器,作用 提高
22、溶氧值 混合充分,设计要求 有足够的径向流动和适度的轴向流动,涡轮式搅拌器 （径向流动）,推进式搅拌器 （轴向流动）,增强轴向流动的方法设置多层搅拌叶桨与推进式叶轮共用设置挡板,搅拌轴,下伸轴的缺点轴封要求更为严格清洁检修难度大大增加,3、挡板,作用 防止液面中央形成旋涡流动，增强湍动 利于溶氧、传质,全挡板条件 达到消除液面旋涡的最低挡板条件,通常设挡板数（mb） 4-6块宽度（W）为0.1-0.12 罐直径（D）,（W/D） mb = 0.4,无挡板条件,全挡板条件,注意 安装挡板时，应使其与罐壁间留有一定的空隙（0.10.3 W ） 竖立的蛇管换热器、通气管、排料管可起挡板的作用,4、轴
23、封,定义：运动部件与静止部件之间的密封叫作轴封。,作用：防止染菌和泄漏,填料函密封,缺点： 易染菌、易磨损、易渗漏,端面轴封,优点： 泄漏量极少 寿命长 较少需要调整 摩擦功率损耗小 轴与轴套不受磨损 结构紧凑，安装长度较短,7、传热装置,作用：移去生物发酵以及机械搅拌产生的热量调节至各个发酵阶段适宜的温度类型：容积 5 m3 蛇管 内部或外部容积 100 m3 蛇管 内部和外部,8、尾气处理装置,基因工程菌的培养,病毒的培养,涡轮分离器,涡轮分离器,加热器,过滤器,排出,焚烧,参数检测的复杂性,（1）罐内插入的传感器必须能耐热，经受高温灭菌； （2）所使用的传感器必须能够抵抗菌体等附着对其性
24、能的影响； （3）传感器要能够抗罐内气泡等的干扰； （4）传感器的结构必须严密、无泄漏，并避免灭菌死角 （5）化学参数的分析是重要检测内容，但电信号转换困难； （6）一些生物参数无法通过直接测量获得。对这些参数，主要采用连续取样、罐外循环、培养液连续透析器法等方法在罐外获得，有些参数还需要通过间接计算获得。,传感器的要求,2、主要参数的控制系统,（1）温度控制系统,必要性,微生物的生长需要适宜的温度有些微生物在生长期的各个阶段的适宜温度会有所变化为了控制细菌或细胞的相关产物需改变微生物的适宜温度,精确、方便地控制温度是提高生物制品产量的前提,温度控制系统的组成,温度传感器 Pt100探头 高精
25、度 温度控制仪 PID方式控制 避免了温度波动过大和滞后传热装置 夹套、蛇管,温度控制性能的两个指标,升温速度,精确性,（2）pH控制系统,酸性或碱性代谢产物的形成菌体对培养基质中酸性和碱性物质的利用,pH的影响因素,pH传感器,复合pH电极 耐高温高压、精确度、灵敏度高,pH电极结构,每次使用时均需进行校准、灭菌,pH控制,当pH低于设定值时 打开加碱泵当pH高于设定值时 打开酸泵或通入CO2,为了防止pH迅速波动，配制培养基时添加缓冲剂,（3）溶解氧（DO）控制系统,好氧培养 溶解氧是一个非常重要的参数,必要性,DO传感器,覆膜溶氧测定电极 附有压力及温度补偿耐高温高压精确度、灵敏度高,D
26、O值是氧在不同溶液中的饱和溶解度的百分比,校正 （未接入菌种时） 通气搅拌充分的培养液100%无氧水或蒸汽灭菌时 0,DO控制,当较设置点低很多时 进大量的氧气当较设置点高很多时 进大量的氮气当离设置点很近时 进小量的压缩空气或氮气,保证充足的溶解氧，又减少了纯氧的消耗量,溶解氧的控制是反映生物反应器系统性能的重要指标,（4）液位和泡沫高度控制系统,必要性,液面的高低反映了反应器的装填系数 培养的过程中过高的泡沫，增加染菌的机会 连续培养时，保持物料的进出平衡,液位的检测方法,称重法电容法 电极压差法 差压变送传感器 流量计法,电容法测定液位原理,压差法测定液位原理,电触点探针式液位传感器,结
27、构简单，易于清洁灭菌 控制连续培养时的进出液平衡控制溶液泡沫的形成,现代的生物反应器系统中常用的液位传感器,液位和泡沫高度的控制,根据液位高低控制着补料口泵的开闭根据泡沫的多少控制着消泡剂的泵的开闭,在电路中采用延时方法防止误判 用多支不同高度的探针控制消泡剂的使用量,四、动物细胞培养生物反应器,气升式生物反应器通气搅拌生物反应器中空纤维生物反应器流化床生物反应器,1、气升式生物反应器,优点：结构简单；操作方便；不易污染；剪切力小；传质性能好,已广泛用于大规模的动物细胞培养,非贴壁依赖性细胞 直接悬浮培养或微囊化后培养贴壁依赖性细胞 微载体培养,用于动物细胞培养的气升式反应器的规模已达10 m
28、3,内循环和外循环,2、通气搅拌式生物反应器,根据动物细胞培养的特点，对通用式发酵罐的搅拌器进行改进,气腔式动物细胞培养反应器,气腔式动物细胞培养反应器,笼式通气搅拌器,结构： 旋转圆筒圆筒上部中空导向搅拌桨叶圆筒外壁用75 mm不锈钢丝制成200目的笼式通气腔气腔下面设有气体分布器液面上部由200目不锈钢丝网制成的笼式消泡腔气体入口混合气体（氧气、氮气、二氧化碳、空气）调节系统,一、植物细胞培养特性,（1）对剪切力敏感,细胞大，细胞壁僵脆，具有大的液泡介于动物细胞和微生物细胞之间不同的细胞系对剪切力敏感性不同；同一种细胞在细胞生长的不同阶段对剪切力的敏感性也不同,（2）结团,坏处：容易沉降，
29、混合困难，影响传质，使团块中心的营养和供氧不足，影响产物的合成能力 好处：使中心至表面形成传质梯度，类似细胞分化的作用，在一定程度上有利于产物的合成 不同的细胞系得结团情况是不同的；同一细胞系，在不同时期，不同培养条件下，结团情况也不相同,细胞结团差异是放大培养中的一个难题,（4）多泡沫,（3）生长速率慢,生长慢，需要高细胞密度培养，使得操作周期长设备必须有良好的质量和高度的稳定性 防污染,粘度大，起泡严重高效的消泡装置,（5）表面粘附,粘附在反应器的器壁上或电极和挡板表面上涂上硅油 转鼓式反应器,（6）流变学特征改变,粘度随着细胞的增加而呈指数上升，属于非牛顿流体的特性 对搅拌、传质都有影响
30、 流变学的研究也是植物细胞培养领域中值得研究的一个重要内容,（7）相对低的溶氧需求,植物细胞具有自养、异养双重性植物生长代谢速度慢，对氧气的需求量很小 植物细胞培养对氧的变化比较敏感，不能太高或太低氧气、二氧化碳和乙烯的浓度需保持一定的平衡,（8）对光照的不同需求,大多数植物细胞次级代谢产物的合成受光照的影响胡萝卜素、花青素、黄酮类、多酚类等的合成受光照的促进烟碱、紫草宁的合成却受到光照的抑制选择合适的生物反应器,（9）细胞生长和产物合成之间的矛盾,常常呈负相关的矛盾常用的解决方法： 加入刺激剂或前体； 细胞固定化； 高密度培养； 分阶段培养； 直接对分化的器官或组织培养。,二、植物细胞培养生
31、物反应器,悬浮培养系统,固定化培养系统,光生物反应器,没有一种培养设备适用于所有的植物细胞培养,1、机械搅拌式生物反应器,（一）悬浮培养系统,改变搅拌、通气形式,培养烟草细胞的装置,2、非机械搅拌式（气体搅拌式）生物反应器,转鼓式反应器,3、光生物反应器,外循环气升式反应器,（二）固定化培养系统,降低剪切力,细胞在一个限定范围内生长也可以导致一定程度的分化发育，从而促进次级代谢产物的产生,辣椒、胡萝卜、长春花、毛地黄,（三）植物组织培养及反应器,1、发状根大规模培养,丹参的发状根,将发根农杆菌的Ri质粒中含有的T-DNA转化到植物细胞的T-DNA上，使植物细胞诱导产生发状根,黄花烟草、曼陀罗、
32、颠茄、莨菪、长春花、紫草等发根的小规模培养已经成功人参、黄连、丹参等已通过发根培养法得以工业化生产,用于发根培养的生物反应器主要是在植物细胞培养用反应器基础上，进行开发研究。,优点：生长速度快、激素自养、分化程度较高以及遗传性状相对稳定,2、小植物的大规模快速繁殖,传统：试管苗法 劳动强度大,设想：通过大规模悬浮培养技术培养不定芽或不定根，以及人工种子,石斛组织培养,微藻简介,指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小藻类类群，它们是个体微小、结构简单的单细胞植物，绝大多数营光自养生活，广泛分布于淡水、海水中。,含有多种生物活性物质，如蛋白质、b-胡萝卜素、a-亚麻酸、不饱和脂肪酸、虾青素、多糖等多
33、种生理活性成分，具有抗肿瘤、抗病毒、抗真菌、防治心血管疾病等多种生理保健功能。,利用转基因微藻可以生产激素、抗体、蛋白质、重组疫苗等，也使微藻的培养受到广泛重视,大规模养殖的微藻有：螺旋藻、小球藻、杜氏藻等。,一、微藻培养的优势, 光合作用效率高； 单细胞植物，结构简单，容易收获和加工； 可经诱导产生特别高浓度的有商品化生产价值的化合物； 分裂生长速度快，遗传选择及藻株筛选快而容易； 适于土地贫瘠或一些高盐碱度地区的生长； 培养技术很易被不同技术熟练程度的养殖者掌握。,二、微藻培养生物反应器,开放式大池培养,封闭式生物反应器, 培养液浓度不易控制； 培养条件难以控制； 易受到污染； 培养效率低
34、； 占地面积大。,（一）开放式大池培养系统,缺点,（二）封闭式光培养反应器, 培养效率高； 培养条件易于控制； 污染少，易于实现纯种培养； 生产周期延长，甚至可终年生产； 适合于所有藻种（包括基因工程藻）的培养，尤其适合于藻类代谢物的生产。,优点,溢流喷射光生物反应器,光纤光生物反应器顶观图,第六章 细胞破碎与固液分离设备,1、大规模细胞破碎的方法 2、固液分离最常用的方法 3、过滤的原理（各原理的具体理解） 4、真空转鼓过滤机的操作过程、关键部件 5、离心分离因素定义、分类 6、各离心机的适用场合 7、过滤设备、离心设备的选择,第一节 细胞破碎设备,细胞破碎方法,（一）高速搅拌珠磨机,水平高
35、速搅拌珠磨机结构示意图 1-细胞悬浮液进口；2-细胞匀浆液出口； 3-研磨珠分离器；4-冷却液出口；5-搅拌电机； 6-冷却液进口；7-搅拌桨；8-玻璃珠,工作原理 将进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃珠一起高速搅拌，带动玻璃小球撞击细胞，作用于细胞壁的碰撞作用和剪切力，使细胞破碎，释放出内含物。,主要结构 研磨仓,最适合酵母菌和胶束状微生物菌体的破碎,搅拌器的转速 7001450 r/min； 流速 50500 L/h； 细胞悬浮液浓度 3050%； 玻璃小珠装量 7090%； 玻璃珠直径 0.451 mm。,适宜条件,影响因素 仓体设计、搅拌桨设计、搅拌速度、料液的循环速度、细胞悬浮液的浓
36、度、研磨珠的珠径和装量、温度和待破碎细胞种类等。,高压匀浆器的针型阀 A-手轮；B-阀杆；C-阀体；D-阀座；E-撞击环,工作原理 细胞悬浮液通过单向阀进入，在高压压迫下进入阀座的小孔中，通过猛烈撞击阀体，以高速度撞击在撞击环上，并流向常压区。 细胞在这一系列的高速运动中经历了剪切、碰撞以及高压到常压的变化，从而造成细胞破裂。,（二）高压匀浆器,高压匀浆器各种阀型,高压,常压,关键部件 针型阀,C-阀体,D-阀座,E-撞击环,影响因素 阀型设计 关键 压力、温度、通过匀浆器的次数 多次循环 细胞悬浮液浓度 6080%,适用性较广 可用于很多微生物细胞的破碎但对某些微生物（较小的革兰氏阳性菌、团
37、状或丝状真菌）堵塞匀浆器的阀 不适用,一、固-液分离设备原理,最常用的：过滤和沉降,（一）过滤原理,过滤：在推动力（重力、压强、离心力）作用下，利用固-液微粒的颗粒尺寸的差异使悬浮液通过某种多孔性介质，固体颗粒被截留，滤液则穿过过滤介质流出，从而实现固-液两相的分离过程。,有无过滤介质，是过滤与沉降最明显的区别,1、滤饼过滤,不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质,举例：板框过滤,2、深层过滤,深层过滤示意图,典型深层过滤膜结构,适用于：含固量很少的悬浮液压缩空气的过滤除菌,3、绝对过滤,切向流原理示意图,特征：过滤介质的标示孔径小于被截留的固体颗粒,举例：超滤,切向流过滤是克服极化现象最有效的
38、方法,（二）沉降原理,沉降：利用固-液间的密度差异，在重力场或离心场中的速度差，而实现固-液分离的过程。,离心分离因素（f）：物体在离心场中受到的离心力与其在重力场中所受到的重力之比，也就是离心加速度和重力加速度之比。,常速离心机 f 2105 用于分子生物学研究,（二）真空过滤设备,过滤操作推动力：大气与真空之间的压差 最大 一个大气压（约0.1 MPa）,最简单的真空过滤装置,大规模的生产中，常用的连续过滤设备 真空转鼓过滤机,鼓式过滤机流程示意图 1-鼓式过滤机；2-洗涤液贮罐；3-滤液贮罐；4-混合冷凝器；5-水池,真空转鼓过滤机,鼓式过滤机操作示意图 1-转鼓；2(IXII)-过滤室
39、；3-分配头；4-料液槽； 5-搅拌器；6-洗涤液排出管；7-压缩空气导入管； 8-滤液排出管；9-洗涤水管；10-刮刀,转鼓的结构,转鼓 外面镶嵌有若干块长方形的筛板，在筛板上依次铺设金属丝网和滤布，形成过滤机的过滤面。,过滤室（IXII） 滤鼓空间被分割成若干过滤室，每个过滤室都有单独的管道通至轴颈端面,分配头结构示意图,分配头 平压在轴颈端面，由分配头环和盖板组成。分配头环被隔离块分成三个室，分别与盖板上的真空和压缩空气管路相连通。分配头环和盖板是不动的，而轴颈端面是可以转动的。,1-收集过滤液 2-收集洗涤液 3-吹压缩空气,操作过程,鼓式过滤机操作示意图 1-转鼓；2(IXII)-过
40、滤室；3-分配头；4-料液槽； 5-搅拌器；6-洗涤液排出管；7-压缩空气导入管； 8-滤液排出管；9-洗涤水管；10-刮刀,第1区（过滤区，IV）过滤室的外表面浸入在料液槽内与分配头1区相通 搅拌器 防止沉降,第2区（洗涤及脱水区，VIX ）与分配头2区相连 洗涤水管滚压轴,第3区（卸饼及再生区，XIXII ）与分配头3区相通 刮刀,优点,实现过滤、洗涤、卸渣、再生等作业连续化操作，机械化程度大，处理量大，滤饼洗涤效果好，劳动强度低等。,缺点,其缺点是辅助机械设备复杂，耗电量大，过滤推动力小。,对较细或较粘稠的物料不太适用,适用性,适合于固体含量较大（ 10%）的悬浮液的分离,（三）离心分离
41、设备,1、离心过滤设备,包括离心过滤和离心沉降两种设备区别在于转鼓上有孔还是无孔,三足式离心机,转鼓壁上开有均匀密集的小孔，鼓内贴放有滤布袋,操作平稳，占地面积小滤饼含湿量低,适用于 中等粒度（0.11 mm）和较细粒度（0.010.1 mm）粒状和结晶状,2、离心沉降设备,管式高效离心机 1-机座；2-转鼓；3-料液进口；4-轻液排出口；5-重液排出口；6-皮带轮；7-主轴；8-平皮带；9-支撑轴承；10-制动器,（1）管式离心机,高速离心机,转鼓细长，形如管状,分离型液(固)-液分离澄清型固-液分离,三叶翅片,管式离心机设备简单、操作稳定，分离效果好,适用于 颗粒直径0.1100 mm、
42、固-液两相密度差大于10 kg/m3、含固量 1%的悬浮液,用喷嘴排出残渣的碟片式离心机,（2）碟片式离心机,高速离心机,碟片 颗粒的沉降距离缩短，分离效率大为提高,排渣方式 人工排渣式 含固量 1%2% 喷嘴排渣式 排出的沉渣中含液量相当高 浓缩 固-液分离两台串联 含固量 25% 活门排渣式 断续自动排渣 含固量 10%,处理量大，大规模生产中使用最广泛的离心机,卧螺离心机结构示意图 1-差速器；2-螺旋；3-转鼓；4-溢渡口,（3）沉降式螺旋卸料离心机,卧螺离心机,转鼓：圆柱形圆锥形锥柱形（最常用）,中速离心机,连续进料、分离、（洗涤、脱水 ） 、卸料等各工序在同一时间内连续进行，无须控
43、制装置效率高、适应性强，应用广,适用于 颗粒直径5 mm2 mm 、固-液两相密度差大于50 kg/m3、含固量 1%50%的悬浮液；可用于粘性大的物料的分离。,（4）超离心机,强大的离心力,可沉降溶液中的不同密度的溶质 蛋白质,小型的实验室用超离心机,在生命科学的发展中起了重要作用,亚细胞物质 如线粒体、溶酶体等,三、固-液分离设备选择,1、过滤设备的选择,确定一种工艺上合理，投资和操作费用最经济的设备,（1）根据物料的过滤性能，初步确定选择哪种推动力的设备。,（2）根据处理物料的化学性质，检查所选择的过滤机类型是否正确。,（3）根据工艺过程的特点和生产规模可对选择的过滤设备进行筛选。,（4
44、）根据对滤饼的纯度或母液回收率等要求来确定过滤机类型。,（5）根据对滤饼含湿率的要求，决定是否选用带有机械挤压过程的设备。,（6）根据所选择的设备，物料的基本特性数据进行设备生产能力和最佳操作条件的计算，以确定设备的大小，投资费用，操作费用。,2、离心机的选择,（2）对沉降式离心机，同样根据物料性质选择合适的具体设备。,（3）根据生产的规模选择合适的沉降式离心机。,颗粒密度颗粒大小滤饼的可压缩性结晶,（1）根据物料性质来选择沉降式还是过滤式。,固体颗粒密度、大小、含固量,第七章 萃取过程与设备,1、萃取的流程分类、工艺流程图、特点 2、混合器的适合、不适合场合 3、分离器结构上的特点 4、防静
45、电的措施 5、超临界流体的概念、特性、分离的基本原理 6、最常用的超临界流体是什么，为什么？ 7、CO2超临界流体萃取的过程，以及具体分离过程的方法,第七章 萃取过程与设备,第一节 液-液萃取分离过程与设备 （掌握）,第二节 固-液萃取方法与设备 （熟悉),第三节 超临界流体萃取过程与设备（掌握原理与流程）,一、液-液萃取的分类,物理萃取（简单分子萃取 ）,化学状态相同 分配定律,化学萃取（反应萃取）,伴随有化学反应 分配定律 和 化学反应平衡定律,二、液-液萃取过程,步骤 混合 分离 回收溶剂,混合器,分离器,单级萃取,多级错流萃取,萃余率,理论收率,萃余率,理论收率,萃取收率低,萃取剂 用
46、量大,多级逆流萃取,萃余率,理论收率,萃取收率高,萃取剂用量小,三、液-液萃取设备,（一）分段式萃取设备,1、混合设备,（1）管式混合器,静态混合器,传统的,停留的时间长，间歇操作，收率低,搅拌罐,新型的,湍流状态 混合充分连续操作,（2）喷嘴式混合器,特别适用于两液相的粘度和界面张力都很小，容易分散的场合,（3）气流搅拌混合罐,特别适用于化学腐蚀性强的液体但不适于搅拌挥发性强的液体,（4）泵,仅适合于两液相较易混合的情况,注意事项,当处理热敏性物料时，混合设备应设有冷却装置,2、分离设备,（1）管式离心机,液-液分离 连续操作液-固分离 间歇操作可以用于液-液-固的三相分离,分界面的调节 固
47、定的轻液溢流环可置换的重液堤圈,（2）碟片式离心机,碟片上 内圈孔 和 外圈孔最后一片碟片 内圈孔 或 外圈孔体积 重液大 轻液大,分界面的调节 可更换的重液出口的向心泵的直径,（3）三相卧螺机（三相倾析式离心机）,同时分离重液、轻液和固体 连续操作,（二）离心萃取机,混合、分离一体 连续操作原理：离心分离的同时逆流萃取 （离心逆流萃取机） 缺点：结构复杂，制造困难,同心圆筒（开有小孔） 螺旋导管 保持良好的混合、传质,注意事项,防静电,选用导电性良好的设备材质或采取其它措施提高导电性 正确选择和控制流体的适宜流速，减少摩擦 降低放料口的高度，减少冲击 ，最好能沿罐壁流动，及时导出电荷设备管道安装后要采取等电位措施 尽量使设备密闭，减少溶剂的挥发量 保证厂房空气流畅，使车间空气中溶剂的含量控制在允许的范围之内,二、固-液萃取设备,（一）间歇萃取设备,夹套加热间歇萃取装置 1-溶剂；2-冷却盐水；3-萃取液； 4-蒸汽或热水；5-真空,单级萃取 错流萃取,1、夹套间歇萃取器,萃取室 夹套冷凝装置 冷却盐水真空系统,多功能提取罐 1-冷凝器；2-冷却器；3-油水分离器； 4-上气动装置；5-固体进料口；6-盖； 7-罐；8-上下移动轴；9-料叉； 10-夹层；11-带筛板的活底,2、多功能提取罐,冷凝器、冷却器和油水分离器萃取挥发油筛板固液分离支撑固体物料 料叉帮助卸渣,
