生物反應(yīng)器總結(jié)

1、 第一章第一章 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器 （bioreactor ）第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應(yīng)器稱(chēng)為傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應(yīng)器稱(chēng)為“發(fā)酵罐發(fā)酵罐”（fermenter）。）。20世紀(jì)世紀(jì)70年代，年代，atkinson提出了生化反應(yīng)器（提出了生化反應(yīng)器（biochemical reactor）一詞，其含義除包括原有發(fā)酵罐外，一詞，其含義除包括原有發(fā)酵罐外，還包括酶反應(yīng)器、處理廢水用反應(yīng)器等。與此同還包括酶反應(yīng)器、處理廢水用反應(yīng)器等。與此同時(shí)，時(shí)，ollis提出了另一術(shù)語(yǔ)生物反應(yīng)器提出了另一術(shù)語(yǔ)生物反應(yīng)器（biological reactor）。）。進(jìn)入進(jìn)入80年代，生

2、物年代，生物反應(yīng)器（反應(yīng)器（bioreactor）一詞在專(zhuān)業(yè)期刊與書(shū)籍一詞在專(zhuān)業(yè)期刊與書(shū)籍中大量出現(xiàn)。中大量出現(xiàn)。生物反生物反應(yīng)器應(yīng)器細(xì)胞細(xì)胞培養(yǎng)液（養(yǎng)分）培養(yǎng)液（養(yǎng)分）蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)、疫苗疫苗組織組織轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是指轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，人工通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，人工地把外源基因?qū)雱?dòng)地把外源基因?qū)雱?dòng)物的受精卵（或早期物的受精卵（或早期胚胎細(xì)胞），使外源胚胎細(xì)胞），使外源基因與動(dòng)物本身的基基因與動(dòng)物本身的基因組整合在一起，因因組整合在一起，因而外源基因能隨細(xì)胞而外源基因能隨細(xì)胞的分裂而增殖，并能的分裂而增殖，并能穩(wěn)定地遺傳給下一代穩(wěn)定地遺傳給下一代的一類(lèi)動(dòng)物。的一類(lèi)動(dòng)物。1982年，年，r.d.

3、palmiter等科學(xué)家將金屬硫蛋白等科學(xué)家將金屬硫蛋白基因的啟動(dòng)子和大白鼠基因的啟動(dòng)子和大白鼠生長(zhǎng)激素基因拼接成融生長(zhǎng)激素基因拼接成融合基因，把這種基因?qū)Ш匣颍堰@種基因?qū)胄“资蟮氖芫眩偃胄“资蟮氖芫?，再將這一受精卵移植到一將這一受精卵移植到一借腹懷孕的母鼠體內(nèi)，借腹懷孕的母鼠體內(nèi)，生下來(lái)的小鼠比正常小生下來(lái)的小鼠比正常小鼠體格大一倍，稱(chēng)為鼠體格大一倍，稱(chēng)為“巨鼠巨鼠”。 在經(jīng)濟(jì)效益方面，應(yīng)用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物在經(jīng)濟(jì)效益方面，應(yīng)用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物乳腺生乳腺生物反應(yīng)器技術(shù)來(lái)制造基因藥物也是一種可以物反應(yīng)器技術(shù)來(lái)制造基因藥物也是一種可以獲取巨額經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)的新型產(chǎn)業(yè)。獲取巨額經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)的新型產(chǎn)業(yè)。 英國(guó)羅

4、斯林研究所研制成功的轉(zhuǎn)基因羊，英國(guó)羅斯林研究所研制成功的轉(zhuǎn)基因羊，其乳汁中含有其乳汁中含有a抗胰蛋白酶，可治療肺氣腫抗胰蛋白酶，可治療肺氣腫病。這種病在北美比較常見(jiàn)，病人以前只能病。這種病在北美比較常見(jiàn)，病人以前只能依賴(lài)于注射人的依賴(lài)于注射人的a抗胰蛋白酶做替代療法，抗胰蛋白酶做替代療法， 價(jià)格昂貴，而現(xiàn)在用轉(zhuǎn)基因羊來(lái)生產(chǎn)，每升價(jià)格昂貴，而現(xiàn)在用轉(zhuǎn)基因羊來(lái)生產(chǎn)，每升這種羊奶可售這種羊奶可售6000美元。美元。 如荷蘭的如荷蘭的genpharm公司用轉(zhuǎn)基公司用轉(zhuǎn)基因牛生產(chǎn)乳因牛生產(chǎn)乳鐵蛋白，預(yù)鐵蛋白，預(yù)計(jì)每年從牛計(jì)每年從牛奶生產(chǎn)出來(lái)奶生產(chǎn)出來(lái)營(yíng)養(yǎng)奶粉的營(yíng)養(yǎng)奶粉的銷(xiāo)售額是銷(xiāo)售額是50億美元。億美元

5、。研究生物反應(yīng)器的目的研究生物反應(yīng)器的目的n要確定為達(dá)到一定的生產(chǎn)目的需要多大的要確定為達(dá)到一定的生產(chǎn)目的需要多大的生物反應(yīng)器，什么樣的結(jié)構(gòu)更好；生物反應(yīng)器，什么樣的結(jié)構(gòu)更好；n對(duì)已有的生物反應(yīng)器進(jìn)行分析，達(dá)到優(yōu)化對(duì)已有的生物反應(yīng)器進(jìn)行分析，達(dá)到優(yōu)化的目的；的目的；n分析各種生物反應(yīng)器的數(shù)據(jù)，從而對(duì)細(xì)胞分析各種生物反應(yīng)器的數(shù)據(jù)，從而對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝等過(guò)程有更深入的理解。的生長(zhǎng)、代謝等過(guò)程有更深入的理解。第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)一、細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)、描述方法的分類(lèi)一、細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)、描述方法的分類(lèi)n（1）反應(yīng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間物質(zhì)濃度的變化量。）反應(yīng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)

6、間物質(zhì)濃度的變化量。n（2）得率系數(shù)：兩種物質(zhì)得失之間的計(jì)量比。）得率系數(shù)：兩種物質(zhì)得失之間的計(jì)量比。n（3）比速率：?jiǎn)挝粷舛鹊木w單位時(shí)間引起某）比速率：?jiǎn)挝粷舛鹊木w單位時(shí)間引起某物質(zhì)濃度的變化量。物質(zhì)濃度的變化量。（4）理想流動(dòng)與非理想流動(dòng)）理想流動(dòng)與非理想流動(dòng) 在研究小型反應(yīng)器時(shí)根據(jù)其流動(dòng)特點(diǎn)分為兩種理想流在研究小型反應(yīng)器時(shí)根據(jù)其流動(dòng)特點(diǎn)分為兩種理想流動(dòng)模式：動(dòng)模式：一、全混式：反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)濃度及其他條件均一；一、全混式：反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)濃度及其他條件均一；二、活塞流式：反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)沿一定方向流動(dòng)，二、活塞流式：反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)沿一定方向流動(dòng)， 完全沒(méi)有反向混合。完全沒(méi)有反向混合。（5）細(xì)胞生

7、長(zhǎng)的特點(diǎn)及細(xì)胞群體的描述）細(xì)胞生長(zhǎng)的特點(diǎn)及細(xì)胞群體的描述 細(xì)胞的生長(zhǎng)（繁殖）、代謝是一個(gè)復(fù)雜的細(xì)胞的生長(zhǎng)（繁殖）、代謝是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，既包含有各種細(xì)胞內(nèi)的生生物化學(xué)過(guò)程，既包含有各種細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)，胞內(nèi)與胞外的物質(zhì)交換也包含有化反應(yīng)，胞內(nèi)與胞外的物質(zhì)交換也包含有胞外的物質(zhì)傳遞及生化反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)體胞外的物質(zhì)傳遞及生化反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)體系的特點(diǎn)是它是一種多相、多組分、非線系的特點(diǎn)是它是一種多相、多組分、非線性的體系。性的體系。多相：體系內(nèi)常含有氣相、液相以及菌體多相：體系內(nèi)常含有氣相、液相以及菌體 （固）相。（固）相。多組分：在培養(yǎng)液中有各種營(yíng)養(yǎng)成分。多組分：在培養(yǎng)液中有各種營(yíng)養(yǎng)成分。

8、非線性：細(xì)胞的代謝過(guò)程通常不能用線性非線性：細(xì)胞的代謝過(guò)程通常不能用線性 方程或方程組來(lái)描述，即使簡(jiǎn)化模型中方程或方程組來(lái)描述，即使簡(jiǎn)化模型中的參數(shù)也常具有時(shí)變性。的參數(shù)也常具有時(shí)變性。對(duì)這樣復(fù)雜的體系進(jìn)行描述幾乎對(duì)這樣復(fù)雜的體系進(jìn)行描述幾乎是不可能的。是不可能的。通常對(duì)細(xì)胞群體所進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)通常對(duì)細(xì)胞群體所進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)n是否考慮細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)？是否考慮細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)？n是否考慮細(xì)胞之間的差別？是否考慮細(xì)胞之間的差別？n根據(jù)上述兩方面的考慮，對(duì)細(xì)胞群體可以根據(jù)上述兩方面的考慮，對(duì)細(xì)胞群體可以有有4種模型。種模型。n在工程上應(yīng)用最多的是在工程上應(yīng)用最多的是，通常簡(jiǎn)稱(chēng)，通常簡(jiǎn)稱(chēng)。不考慮細(xì)胞

9、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（組分），不考慮細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（組分），又不考慮各種細(xì)胞之間有任何差異，因又不考慮各種細(xì)胞之間有任何差異，因此可以把細(xì)胞用此可以把細(xì)胞用“濃度濃度”這一個(gè)量來(lái)描這一個(gè)量來(lái)描述，即把細(xì)胞看成一種述，即把細(xì)胞看成一種“溶質(zhì)溶質(zhì)”，從而，從而簡(jiǎn)化了胞內(nèi)外的傳遞過(guò)程分析，也簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化了胞內(nèi)外的傳遞過(guò)程分析，也簡(jiǎn)化了過(guò)程的數(shù)學(xué)描述。了過(guò)程的數(shù)學(xué)描述。二、細(xì)胞濃度及其測(cè)量二、細(xì)胞濃度及其測(cè)量 1.直接測(cè)定法直接測(cè)定法 2. 間接測(cè)定法間接測(cè)定法n1.直接測(cè)定法直接測(cè)定法n（1）細(xì)胞干重法）細(xì)胞干重法:把一定體積的培養(yǎng)液離心、把一定體積的培養(yǎng)液離心、收集細(xì)胞、洗滌、干燥、稱(chēng)重。收集細(xì)胞、洗滌、干燥、

10、稱(chēng)重。n（2）顯微計(jì)數(shù)法：利用顯微鏡和血球計(jì)數(shù)器）顯微計(jì)數(shù)法：利用顯微鏡和血球計(jì)數(shù)器測(cè)定單位體積培養(yǎng)液中的細(xì)胞個(gè)數(shù)。測(cè)定單位體積培養(yǎng)液中的細(xì)胞個(gè)數(shù)。n（3）平板計(jì)數(shù)法：將微生物培養(yǎng)液樣品用無(wú)）平板計(jì)數(shù)法：將微生物培養(yǎng)液樣品用無(wú)菌生理鹽水進(jìn)行一系列的稀釋?zhuān)ㄍǔＣ看蜗♂尵睇}水進(jìn)行一系列的稀釋?zhuān)ㄍǔＣ看蜗♂屢粋€(gè)數(shù)量級(jí)），取一定量的稀釋液均勻涂布在一個(gè)數(shù)量級(jí)），取一定量的稀釋液均勻涂布在培養(yǎng)皿中的固體平板培養(yǎng)基上，經(jīng)一段時(shí)間的培養(yǎng)皿中的固體平板培養(yǎng)基上，經(jīng)一段時(shí)間的培養(yǎng)，從平板上長(zhǎng)出的菌落數(shù)、涂布的稀釋液培養(yǎng)，從平板上長(zhǎng)出的菌落數(shù)、涂布的稀釋液體積以及稀釋倍數(shù)可以算出原培養(yǎng)液中的微生體積以及稀釋倍

11、數(shù)可以算出原培養(yǎng)液中的微生物濃度。物濃度。n（4）濁度法：培養(yǎng)液的濁度或光密度與細(xì)胞）濁度法：培養(yǎng)液的濁度或光密度與細(xì)胞濃度成正比，因而可通過(guò)比色測(cè)定培養(yǎng)液中的濃度成正比，因而可通過(guò)比色測(cè)定培養(yǎng)液中的細(xì)胞濃度。細(xì)胞濃度。n2.間接測(cè)定法間接測(cè)定法 從圖中可以看出，從圖中可以看出，dna含量的變化最小。含量的變化最小。n培養(yǎng)基中存在較多不溶性物質(zhì)時(shí)，可以培養(yǎng)基中存在較多不溶性物質(zhì)時(shí)，可以通過(guò)測(cè)定構(gòu)成細(xì)胞的大分子物質(zhì)（如蛋通過(guò)測(cè)定構(gòu)成細(xì)胞的大分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、白質(zhì)、rna、dna等等)來(lái)確定細(xì)胞濃度。來(lái)確定細(xì)胞濃度。采用這種方法來(lái)估計(jì)細(xì)胞濃度時(shí)，須確采用這種方法來(lái)估計(jì)細(xì)胞濃度時(shí)，須確定在培養(yǎng)過(guò)程

12、中，這種組分在細(xì)胞中的定在培養(yǎng)過(guò)程中，這種組分在細(xì)胞中的含量基本保持不變。含量基本保持不變。第三節(jié)第三節(jié) 生物反應(yīng)器的基本類(lèi)型及其設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器的基本類(lèi)型及其設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器的定義n生物反應(yīng)器就是為適應(yīng)生物反應(yīng)的特點(diǎn)而生物反應(yīng)器就是為適應(yīng)生物反應(yīng)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的反應(yīng)設(shè)備。而所謂生物反應(yīng)則是由設(shè)計(jì)的反應(yīng)設(shè)備。而所謂生物反應(yīng)則是由各種不同的或一系列的生物催化劑各種不同的或一系列的生物催化劑酶酶在各種不同條件下催化的一個(gè)或一系列的在各種不同條件下催化的一個(gè)或一系列的反應(yīng)，從本質(zhì)上說(shuō)都是酶反應(yīng)，故生物反反應(yīng)，從本質(zhì)上說(shuō)都是酶反應(yīng)，故生物反應(yīng)器實(shí)質(zhì)上就是酶反應(yīng)器。應(yīng)器實(shí)質(zhì)上就是酶反應(yīng)器。n因?yàn)闅v史原因，人們

13、往常將適合于利用因?yàn)闅v史原因，人們往常將適合于利用生長(zhǎng)的和非固定化的細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng)的生生長(zhǎng)的和非固定化的細(xì)胞進(jìn)行反應(yīng)的生物反應(yīng)器稱(chēng)為發(fā)酵罐、其余各類(lèi)稱(chēng)為酶物反應(yīng)器稱(chēng)為發(fā)酵罐、其余各類(lèi)稱(chēng)為酶反應(yīng)器。反應(yīng)器。n國(guó)外有學(xué)者認(rèn)為，生物反應(yīng)器不同于傳國(guó)外有學(xué)者認(rèn)為，生物反應(yīng)器不同于傳統(tǒng)發(fā)酵罐的一個(gè)要點(diǎn)是統(tǒng)發(fā)酵罐的一個(gè)要點(diǎn)是“新新”，就是指，就是指采用固定化生物催化劑（無(wú)論酶或細(xì)胞、采用固定化生物催化劑（無(wú)論酶或細(xì)胞、組織）的反應(yīng)器。組織）的反應(yīng)器。n國(guó)內(nèi)有權(quán)威人士提出，生物反應(yīng)器即是國(guó)內(nèi)有權(quán)威人士提出，生物反應(yīng)器即是酶反應(yīng)器、微生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐）和酶反應(yīng)器、微生物反應(yīng)器（發(fā)酵罐）和動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器

14、的統(tǒng)稱(chēng)。動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器的統(tǒng)稱(chēng)。n new brunswick scientific co., inc.n (american, nbs co.)n biostat b2biostat ed10pilot biostat ud50各類(lèi)生物反應(yīng)器各類(lèi)生物反應(yīng)器n鼓泡反應(yīng)器鼓泡反應(yīng)器n膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器n固定床和流化床反應(yīng)器固定床和流化床反應(yīng)器1.機(jī)械攪拌式反應(yīng)器機(jī)械攪拌式反應(yīng)器n優(yōu)點(diǎn)：適用性好，適應(yīng)性強(qiáng)，從小型到優(yōu)點(diǎn)：適用性好，適應(yīng)性強(qiáng)，從小型到中型、到大型的細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程都可以用，中型、到大型的細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程都可以用，放大容易。放大容易。n缺點(diǎn)：罐內(nèi)的機(jī)械攪拌剪切力容易損傷缺點(diǎn)：罐內(nèi)的

15、機(jī)械攪拌剪切力容易損傷嬌嫩的細(xì)胞，造成某些細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程減嬌嫩的細(xì)胞，造成某些細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程減產(chǎn)產(chǎn)2. 氣升式反應(yīng)器氣升式反應(yīng)器n優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)整體混合均勻，而且因不優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)器內(nèi)整體混合均勻，而且因不用機(jī)械攪拌槳，減少了剪切作用對(duì)細(xì)胞的用機(jī)械攪拌槳，減少了剪切作用對(duì)細(xì)胞的傷害。由于液體循環(huán)流動(dòng)速度較快，因此傷害。由于液體循環(huán)流動(dòng)速度較快，因此反應(yīng)器內(nèi)供氧及傳感都較好。反應(yīng)器內(nèi)供氧及傳感都較好。n缺點(diǎn)：較高（從十幾米到幾十米高），因缺點(diǎn)：較高（從十幾米到幾十米高），因而空氣壓縮機(jī)出口的壓力較高。對(duì)反應(yīng)器而空氣壓縮機(jī)出口的壓力較高。對(duì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)要求較高，外循環(huán)困難。設(shè)計(jì)要求較高，外循環(huán)困難。生物反應(yīng)

16、器還可以按其操作方式分為以下生物反應(yīng)器還可以按其操作方式分為以下3類(lèi)類(lèi)n批式培養(yǎng)批式培養(yǎng)n連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)n半連續(xù)操作半連續(xù)操作批式培養(yǎng)批式培養(yǎng)n營(yíng)養(yǎng)物和菌種一次加入進(jìn)行培養(yǎng)，直到結(jié)束放出，中營(yíng)養(yǎng)物和菌種一次加入進(jìn)行培養(yǎng)，直到結(jié)束放出，中間除了空氣進(jìn)入和尾氣排出，與外部沒(méi)有物料交換。間除了空氣進(jìn)入和尾氣排出，與外部沒(méi)有物料交換。n優(yōu)點(diǎn)：操作較容易優(yōu)點(diǎn)：操作較容易n缺點(diǎn)：從細(xì)胞所處的化學(xué)環(huán)境來(lái)看，則明顯改變，培缺點(diǎn)：從細(xì)胞所處的化學(xué)環(huán)境來(lái)看，則明顯改變，培養(yǎng)初期營(yíng)養(yǎng)物過(guò)多可能抑制生長(zhǎng)，培養(yǎng)的中后期可能養(yǎng)初期營(yíng)養(yǎng)物過(guò)多可能抑制生長(zhǎng)，培養(yǎng)的中后期可能又因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)物濃度過(guò)低而降低培養(yǎng)效率。從細(xì)胞的增又因

17、為營(yíng)養(yǎng)物濃度過(guò)低而降低培養(yǎng)效率。從細(xì)胞的增殖來(lái)說(shuō)，初期細(xì)胞濃度低，增長(zhǎng)慢，后期細(xì)胞濃度雖殖來(lái)說(shuō)，初期細(xì)胞濃度低，增長(zhǎng)慢，后期細(xì)胞濃度雖高，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物濃度過(guò)低也長(zhǎng)不快，總的設(shè)備生長(zhǎng)能力高，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物濃度過(guò)低也長(zhǎng)不快，總的設(shè)備生長(zhǎng)能力較低。較低。連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)n不斷地向反應(yīng)器中加入營(yíng)養(yǎng)物，利用罐中不斷地向反應(yīng)器中加入營(yíng)養(yǎng)物，利用罐中的菌體增殖得到產(chǎn)物，并不斷采出。的菌體增殖得到產(chǎn)物，并不斷采出。n實(shí)際進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)有兩類(lèi)反應(yīng)器：實(shí)際進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)有兩類(lèi)反應(yīng)器：半連續(xù)培養(yǎng)半連續(xù)培養(yǎng)n介于批式與連續(xù)操作之間介于批式與連續(xù)操作之間n兩種方式：兩種方式：（常用）：在批式培養(yǎng)過(guò)程（常用）：在批式培養(yǎng)過(guò)程中不斷補(bǔ)入

18、營(yíng)養(yǎng)物，以解決營(yíng)養(yǎng)物的抑制及不足中不斷補(bǔ)入營(yíng)養(yǎng)物，以解決營(yíng)養(yǎng)物的抑制及不足問(wèn)題。問(wèn)題。第四節(jié)第四節(jié) 生物反應(yīng)器的放大生物反應(yīng)器的放大n生物反應(yīng)器的放大是指在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與生物反應(yīng)器的放大是指在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作上，將小型反應(yīng)器中的最優(yōu)反應(yīng)結(jié)果操作上，將小型反應(yīng)器中的最優(yōu)反應(yīng)結(jié)果轉(zhuǎn)移至工業(yè)規(guī)模生物反應(yīng)器中重現(xiàn)的過(guò)程。轉(zhuǎn)移至工業(yè)規(guī)模生物反應(yīng)器中重現(xiàn)的過(guò)程。n傳統(tǒng)上生物反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)，通常經(jīng)歷傳統(tǒng)上生物反應(yīng)過(guò)程的開(kāi)發(fā)，通常經(jīng)歷、和和的的3個(gè)階段。個(gè)階段。小型試驗(yàn)階段小型試驗(yàn)階段n主要任務(wù)是根據(jù)酶或細(xì)胞的生物學(xué)特性和催化主要任務(wù)是根據(jù)酶或細(xì)胞的生物學(xué)特性和催化能力，研究生物反應(yīng)的規(guī)律，選擇合理的反應(yīng)能

19、力，研究生物反應(yīng)的規(guī)律，選擇合理的反應(yīng)器型式，確定其最優(yōu)操作方式和操作條件。此器型式，確定其最優(yōu)操作方式和操作條件。此階段的試驗(yàn)常在階段的試驗(yàn)常在150l的實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器中進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器中進(jìn)行。行。中間試驗(yàn)（中試）n試驗(yàn)的重點(diǎn)是檢驗(yàn)小型試驗(yàn)得出的最優(yōu)設(shè)試驗(yàn)的重點(diǎn)是檢驗(yàn)小型試驗(yàn)得出的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的可靠性，研究反應(yīng)器幾何尺度對(duì)計(jì)方案的可靠性，研究反應(yīng)器幾何尺度對(duì)反應(yīng)器操作性能的影響，之后對(duì)設(shè)計(jì)方案反應(yīng)器操作性能的影響，之后對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一定的修正，并提出工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器進(jìn)行一定的修正，并提出工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與操作條件。中試研究一般在的設(shè)計(jì)與操作條件。中試研究一般在501000l的反應(yīng)器中完成。的

20、反應(yīng)器中完成。工廠化規(guī)模放大工廠化規(guī)模放大n一般是在完成設(shè)計(jì)工作后進(jìn)行一段時(shí)間的一般是在完成設(shè)計(jì)工作后進(jìn)行一段時(shí)間的試驗(yàn)生產(chǎn)，最終建立合理的工藝條件。試驗(yàn)生產(chǎn)，最終建立合理的工藝條件。n在上述在上述3個(gè)階段的不同大小的反應(yīng)器中進(jìn)個(gè)階段的不同大小的反應(yīng)器中進(jìn)行相同的生物反應(yīng)時(shí)，由于規(guī)模的不同，行相同的生物反應(yīng)時(shí)，由于規(guī)模的不同，生物反應(yīng)器的流體流動(dòng)與動(dòng)量傳遞、熱生物反應(yīng)器的流體流動(dòng)與動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞特性存在差異，有可量傳遞和質(zhì)量傳遞特性存在差異，有可能導(dǎo)致在生產(chǎn)反應(yīng)器上不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)室能導(dǎo)致在生產(chǎn)反應(yīng)器上不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)結(jié)果。反應(yīng)器的最優(yōu)反應(yīng)結(jié)果。n如何通過(guò)估計(jì)不同規(guī)模生

21、物反應(yīng)器中的如何通過(guò)估計(jì)不同規(guī)模生物反應(yīng)器中的過(guò)程狀態(tài)，對(duì)放大的反應(yīng)器進(jìn)行合理配過(guò)程狀態(tài)，對(duì)放大的反應(yīng)器進(jìn)行合理配置，使其進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器置，使其進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器的細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝過(guò)程相似，這就是的細(xì)胞生長(zhǎng)與代謝過(guò)程相似，這就是成功放大的例子成功放大的例子n中國(guó)維生素中國(guó)維生素c c的兩步發(fā)酵過(guò)程正在使用單的兩步發(fā)酵過(guò)程正在使用單臺(tái)容量為臺(tái)容量為200200300300m m3 3的氣升式反應(yīng)器；的氣升式反應(yīng)器；n國(guó)際上乙酸生產(chǎn)的塔式反應(yīng)器單臺(tái)容量國(guó)際上乙酸生產(chǎn)的塔式反應(yīng)器單臺(tái)容量已達(dá)到已達(dá)到10001000m m3 3；n酵母單細(xì)胞蛋白的單臺(tái)塔式反應(yīng)器容量酵母單細(xì)胞蛋白的單

22、臺(tái)塔式反應(yīng)器容量達(dá)到達(dá)到20002000m m3 3。一、一、 概述概述n1. 氧的供給氧的供給n在發(fā)酵過(guò)程中，氧是如何得到供應(yīng)的呢？在發(fā)酵過(guò)程中，氧是如何得到供應(yīng)的呢？n實(shí)驗(yàn)得知，在深層培養(yǎng)中菌體攝取的是溶實(shí)驗(yàn)得知，在深層培養(yǎng)中菌體攝取的是溶解的氧，即氣相的氧先溶在發(fā)酵液中再傳解的氧，即氣相的氧先溶在發(fā)酵液中再傳遞給菌體。根據(jù)化工原理得知氧從氣泡傳遞給菌體。根據(jù)化工原理得知氧從氣泡傳給發(fā)酵液的速率：給發(fā)酵液的速率：n 2. 罐內(nèi)流體的混合罐內(nèi)流體的混合n罐內(nèi)流體的混合一方面是為了加強(qiáng)氧的傳罐內(nèi)流體的混合一方面是為了加強(qiáng)氧的傳遞，另一方面使流體混合均勻避免局部過(guò)遞，另一方面使流體混合均勻避免局

23、部過(guò)濃或過(guò)稀的現(xiàn)象并強(qiáng)化菌體與營(yíng)養(yǎng)物的接濃或過(guò)稀的現(xiàn)象并強(qiáng)化菌體與營(yíng)養(yǎng)物的接觸。觸。n顯然混合時(shí)間短些好。在反應(yīng)器放大時(shí)混顯然混合時(shí)間短些好。在反應(yīng)器放大時(shí)混合時(shí)間往往要要加長(zhǎng)通常小罐的混合時(shí)合時(shí)間往往要要加長(zhǎng)通常小罐的混合時(shí)間僅為幾秒，而大罐的混合時(shí)間往往需要間僅為幾秒，而大罐的混合時(shí)間往往需要幾十秒以至分鐘級(jí)。幾十秒以至分鐘級(jí)。 二、攪拌及傳氧二、攪拌及傳氧1. 攪拌攪拌 層流和湍流層流和湍流n流體流動(dòng)流體流動(dòng)n兩種流型層流和湍流兩種流型層流和湍流 層流層流n層流時(shí)圓管截面上的速度呈拋物線分布，層流時(shí)圓管截面上的速度呈拋物線分布，如下圖所示。如下圖所示。n 湍湍 流流n湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)在沿管

24、軸流動(dòng)的同時(shí)還作湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)在沿管軸流動(dòng)的同時(shí)還作著隨機(jī)的脈動(dòng)，空間任意一點(diǎn)的速度（包著隨機(jī)的脈動(dòng)，空間任意一點(diǎn)的速度（包括方向和大?。┒茧S時(shí)變化。括方向和大?。┒茧S時(shí)變化。n反應(yīng)器攪拌的一個(gè)重要的參數(shù)是通過(guò)攪拌器輸反應(yīng)器攪拌的一個(gè)重要的參數(shù)是通過(guò)攪拌器輸入到流體的功率值。入到流體的功率值。n在低速攪拌下，流體呈層流，消耗功率少；在低速攪拌下，流體呈層流，消耗功率少； 在高速攪拌下，流體呈湍流，混合好，消耗功在高速攪拌下，流體呈湍流，混合好，消耗功率也增加；層流和湍流中間還有一過(guò)渡流區(qū)。率也增加；層流和湍流中間還有一過(guò)渡流區(qū)。 牛頓粘性定律牛頓粘性定律n假設(shè)從流動(dòng)的流體中取出相鄰的兩層流體，

25、假設(shè)從流動(dòng)的流體中取出相鄰的兩層流體，設(shè)其面積為設(shè)其面積為a，上層流體的速度為上層流體的速度為u+du，下層的流體速度為下層的流體速度為u,它們的相對(duì)速度即為它們的相對(duì)速度即為du。兩流體層之間的垂直距離為兩流體層之間的垂直距離為dy。可可由證明：對(duì)大多數(shù)流體，兩流體層之間的由證明：對(duì)大多數(shù)流體，兩流體層之間的內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力f與層間的接觸面積與層間的接觸面積a，相對(duì)速度相對(duì)速度du成正比，與兩流體層間的垂直距離成正比，與兩流體層間的垂直距離dy成反比。成反比。 牛頓型流體和非牛頓型流體牛頓型流體和非牛頓型流體n服從此定律的流體稱(chēng)為牛頓型流體。所有服從此定律的流體稱(chēng)為牛頓型流體。所有氣體和大多

26、數(shù)液體都屬于這一類(lèi)；氣體和大多數(shù)液體都屬于這一類(lèi)；n不服從牛頓粘性定律的稱(chēng)為非牛頓型流體。不服從牛頓粘性定律的稱(chēng)為非牛頓型流體。如某些高分子溶液，膠體溶液、泥漿都屬如某些高分子溶液，膠體溶液、泥漿都屬于這一類(lèi)。于這一類(lèi)。n一般細(xì)菌、酵母在低濃度下為牛頓型流體，一般細(xì)菌、酵母在低濃度下為牛頓型流體，絲狀菌或高密度培養(yǎng)時(shí)發(fā)酵液呈非牛頓型絲狀菌或高密度培養(yǎng)時(shí)發(fā)酵液呈非牛頓型流體性質(zhì)。流體性質(zhì)。n研究攪拌功率往往從最簡(jiǎn)單的情況開(kāi)始：研究攪拌功率往往從最簡(jiǎn)單的情況開(kāi)始：先研究牛頓型流體不通氣時(shí)功耗先研究牛頓型流體不通氣時(shí)功耗po，再研再研究牛頓型流體通氣時(shí)功耗究牛頓型流體通氣時(shí)功耗pg，再研究非牛再研究

27、非牛頓型流體不通氣及通氣時(shí)的功耗。頓型流體不通氣及通氣時(shí)的功耗。 2. 氧的傳遞氧的傳遞n 前面已講過(guò)，氧的傳遞能力的好壞是由前面已講過(guò)，氧的傳遞能力的好壞是由來(lái)衡量的，它受流體物來(lái)衡量的，它受流體物性、反應(yīng)器尺寸、操作條件等各方面的影性、反應(yīng)器尺寸、操作條件等各方面的影響。氧的傳遞又常限制細(xì)胞的生長(zhǎng)，所以響。氧的傳遞又常限制細(xì)胞的生長(zhǎng)，所以這里我們先研究一下?lián)u瓶培養(yǎng)中的傳氧，這里我們先研究一下?lián)u瓶培養(yǎng)中的傳氧，再研究發(fā)酵罐中的傳氧。再研究發(fā)酵罐中的傳氧。n氧的傳遞除受流體物性的影響外，主要受氧的傳遞除受流體物性的影響外，主要受搖動(dòng)頻率搖動(dòng)頻率(rmin)、裝料體積及有無(wú)檔裝料體積及有無(wú)檔板的

28、影響，下表給出用亞硫酸鈉溶液測(cè)得板的影響，下表給出用亞硫酸鈉溶液測(cè)得的傳氧系數(shù)、供氧速率的傳氧系數(shù)、供氧速率(otr)與各因素的與各因素的關(guān)系。關(guān)系。(1) 搖瓶培養(yǎng)中的傳氧搖瓶培養(yǎng)中的傳氧由表中數(shù)據(jù)看出體積增加、頻率下降及無(wú)擋板對(duì)傳氧都是不由表中數(shù)據(jù)看出體積增加、頻率下降及無(wú)擋板對(duì)傳氧都是不利的，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)在放大成罐操作時(shí)還是很有參考價(jià)值的。利的，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)在放大成罐操作時(shí)還是很有參考價(jià)值的。(2)攪拌罐中的傳氧系數(shù)n攪拌罐中的傳氧系數(shù)與體系的特性、罐及攪拌罐中的傳氧系數(shù)與體系的特性、罐及攪拌槳的幾何尺寸、操作參數(shù)等有關(guān)，不攪拌槳的幾何尺寸、操作參數(shù)等有關(guān)，不少研究者得出了許多關(guān)聯(lián)式，因所用

29、的罐少研究者得出了許多關(guān)聯(lián)式，因所用的罐體系和幾何尺寸不同得到的式子有些是矛體系和幾何尺寸不同得到的式子有些是矛盾的。下面只介紹幾個(gè)文獻(xiàn)上常引用的關(guān)盾的。下面只介紹幾個(gè)文獻(xiàn)上常引用的關(guān)聯(lián)式。聯(lián)式。三、生物反應(yīng)器的放大原則三、生物反應(yīng)器的放大原則n1幾何相似幾何相似n2恒定等體積功率放大恒定等體積功率放大n3恒定傳氧系數(shù)恒定傳氧系數(shù)放大放大n4. 恒定剪切力恒定葉端速度恒定剪切力恒定葉端速度(ndi )放大放大n5. 恒定的混合時(shí)間恒定的混合時(shí)間tm放大放大 1幾何相似幾何相似n按小的與大的裝置各部幾何尺寸比例大致按小的與大的裝置各部幾何尺寸比例大致 相同放大相同放大 2恒定等體積功率放大恒定等體積功率放大 3恒定傳氧系數(shù)恒定傳氧系數(shù)放大放大4. 恒定剪切力恒定葉端速度恒定剪切力恒定葉端速度(ndi )放大放大 5. 恒定的混合時(shí)間恒定的混合時(shí)間tm放大放大 第五節(jié)第五節(jié) 生物反應(yīng)器的控制及優(yōu)化生物反應(yīng)器的控制及優(yōu)化 一、生物反應(yīng)器的控制一、生物反應(yīng)器的控制n生物反應(yīng)器控制的目的是在實(shí)際發(fā)酵過(guò)程生物反應(yīng)器控制的目的是在實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中實(shí)現(xiàn)在工藝和動(dòng)力學(xué)等研究中得到的工中實(shí)現(xiàn)在工藝和動(dòng)力學(xué)等研究中得到的工藝條件。最常用的基本變量及其調(diào)節(jié)方法藝條件。最常用的基本變量及其調(diào)節(jié)方法見(jiàn)下表。見(jiàn)下表。常常用用的的