生物反應(yīng)器省公共課一等獎(jiǎng)全國(guó)賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第一章生物反應(yīng)器

Bioreactor

第1頁(yè)第一節(jié)概述

各種細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物生產(chǎn)過(guò)程都要經(jīng)過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)，而細(xì)胞培養(yǎng)所用裝置就是反應(yīng)器。生物反應(yīng)器作用：就是要為細(xì)胞代謝提供一個(gè)優(yōu)化物理及化學(xué)環(huán)境，使細(xì)胞能更加快更加好地生長(zhǎng)，得到更多需要生物量或代謝產(chǎn)物。生物反應(yīng)器：生物反應(yīng)器是利用酶或生物體（如微生物）所含有生物功效，在體外進(jìn)行生化反應(yīng)裝置系統(tǒng)，是一個(gè)生物功效模擬機(jī)，如發(fā)酵罐、固定化酶或固定化細(xì)胞反應(yīng)器等。第2頁(yè)怎樣使細(xì)胞生長(zhǎng)更加快更加好？一、好細(xì)胞株系二、良好環(huán)境條件1、良好物理環(huán)境：最主要有溫度、pH、溶氧量、適當(dāng)混合強(qiáng)度以確保細(xì)胞與營(yíng)養(yǎng)物接觸及細(xì)胞懸浮等。2、適當(dāng)化學(xué)環(huán)境：要求有適當(dāng)各種營(yíng)養(yǎng)物濃度，并限制各種妨礙生長(zhǎng)代謝有毒物質(zhì)濃度。第3頁(yè)碩士物反應(yīng)器目標(biāo)1、確定為到達(dá)一定生產(chǎn)目標(biāo)需要多大生物反應(yīng)器，什么樣結(jié)構(gòu)愈加好。2、對(duì)已經(jīng)有生物反應(yīng)器進(jìn)行分析，到達(dá)優(yōu)化目標(biāo)。3、分析各種生物反應(yīng)器數(shù)據(jù)，從而對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝等過(guò)程有愈加深入了解。（生物反應(yīng)器是工程學(xué)一部分也是化學(xué)工程一個(gè)分支）第4頁(yè)化學(xué)工程還包含下面幾個(gè)主要內(nèi)容1、流體輸送及混合。關(guān)鍵問(wèn)題是流體之間動(dòng)量傳遞、機(jī)械能轉(zhuǎn)化。2、熱量傳遞。生物反應(yīng)器要考慮發(fā)酵熱傳出以及發(fā)酵罐溫度控制。3、物質(zhì)傳遞。生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行著各種物質(zhì)傳遞過(guò)程，這些傳遞過(guò)程強(qiáng)度主要由濃度差以及擴(kuò)散面積決定。第5頁(yè)第二節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)及代謝過(guò)程動(dòng)力學(xué)一、細(xì)胞生長(zhǎng)特點(diǎn)、描述方法分類二、細(xì)胞濃度及其測(cè)量三、均衡生長(zhǎng)模型四、其它模型第6頁(yè)一、細(xì)胞生長(zhǎng)特點(diǎn)（一）細(xì)胞培養(yǎng)

1、細(xì)胞培養(yǎng)普通條件溫度pH滲透壓營(yíng)養(yǎng)物水無(wú)菌條件光氣體

第7頁(yè)2、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)特殊條件(1)血清：動(dòng)物細(xì)胞離體培養(yǎng)經(jīng)常需要血清。最慣用是小牛血清。血清提供生長(zhǎng)必需因子，如激素、微量元素、礦物質(zhì)和脂肪。(2)支持物：大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞有貼壁生長(zhǎng)習(xí)慣。離體培養(yǎng)慣用玻璃，塑料等作為支持物。(3)氣體交換：二氧化碳和氧氣百分比要在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中不停進(jìn)行調(diào)整，不停維持所需要?dú)怏w條件。第8頁(yè)3、植物細(xì)胞培養(yǎng)特殊條件(1)光照：離體培養(yǎng)植物細(xì)胞對(duì)光照條件不嚴(yán)格，因?yàn)榧?xì)胞生長(zhǎng)所需要物質(zhì)主要是靠培養(yǎng)基供給，但光照不但與光合作用相關(guān)，而且與細(xì)胞分化相關(guān)。(2)激素：植物細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)尤其需要植物激素調(diào)整，促進(jìn)生長(zhǎng)生長(zhǎng)素和促進(jìn)細(xì)胞分裂分裂素是最基本激素。第9頁(yè)4、微生物細(xì)胞培養(yǎng)特殊條件微生物多為單細(xì)胞生物，野生生存條件比較簡(jiǎn)單。所以微生物人工培養(yǎng)條件比動(dòng)植物細(xì)胞簡(jiǎn)單得多。其中厭氧微生物培養(yǎng)比好氧微生物復(fù)雜。微生物對(duì)培養(yǎng)條件要求不如動(dòng)植物細(xì)胞那樣苛刻，玉米漿、蛋白胨、麥芽汁、酵母膏等成為良好微生物天然培養(yǎng)基。第10頁(yè)（二）描述方法

動(dòng)力學(xué)研究目標(biāo)是定量地描述過(guò)程速率以及影響過(guò)程速率很多原因。

生物過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究主要問(wèn)題是生物反應(yīng)速率，尤其是細(xì)胞生長(zhǎng)速率、各種基質(zhì)組分消耗速率、代謝產(chǎn)物生成速率。第11頁(yè)慣用有：⑴反應(yīng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間物質(zhì)濃度改變量。如：細(xì)胞生長(zhǎng)速率、代謝產(chǎn)物生成速率等。⑵得率系數(shù)：兩種物質(zhì)得失之間計(jì)量比。如：菌體生成量對(duì)基質(zhì)消耗量得率系數(shù)。⑶比速率：?jiǎn)挝粷舛染w、單位時(shí)間引發(fā)某物質(zhì)濃度改變量。如：菌體比生長(zhǎng)速率、基質(zhì)比消耗速率、產(chǎn)物比生成速率。第12頁(yè)⑷理想流動(dòng)和非理想流動(dòng)兩種理想流動(dòng)模式①全混式，即反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)濃度及其它條件均一。②活塞流式，即反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)沿一定方向流動(dòng)，完全沒(méi)有反向混合。實(shí)際反應(yīng)裝置經(jīng)常介于二者之間。第13頁(yè)⑸細(xì)胞生長(zhǎng)特點(diǎn)及細(xì)胞群體描述細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝是一個(gè)復(fù)雜生物化學(xué)過(guò)程與普通化學(xué)過(guò)程不一樣，這個(gè)反應(yīng)體系特點(diǎn)是，它是一個(gè)多相、多組分、非線性體系。細(xì)胞培養(yǎng)和代謝還是一個(gè)復(fù)雜群體生命活動(dòng)，通常每毫升培養(yǎng)液中含104-108個(gè)細(xì)胞。而且，像任何有生命東西一樣，細(xì)胞也經(jīng)歷著新生、成長(zhǎng)、成熟直至衰老過(guò)程，在其生命循環(huán)中，也存在退化與變異問(wèn)題。第14頁(yè)細(xì)胞群體進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)是否考慮細(xì)胞內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)是否考慮細(xì)胞之間差異第15頁(yè)4種模型（最理想情況）把細(xì)胞群體處理為一個(gè)溶質(zhì)非結(jié)構(gòu)模型非離散模型細(xì)胞之間無(wú)差異，細(xì)胞內(nèi)有多個(gè)組分（結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)模型均衡生長(zhǎng)（假設(shè)）細(xì)胞之間不均一，細(xì)胞內(nèi)部多組分（實(shí)際情況）“平均細(xì)胞”近似不考慮細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但各種細(xì)胞不均一“平均細(xì)胞”近似離散模型均衡生長(zhǎng)（假設(shè)）第16頁(yè)非離散結(jié)構(gòu)模型文件上簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)模型。這種模型把細(xì)胞分為含有不一樣生理功效組分。這種模型考慮到胞內(nèi)不一樣結(jié)構(gòu)單元，對(duì)更精細(xì)地分析細(xì)胞代謝調(diào)控是很主要，其分析結(jié)果對(duì)于過(guò)程優(yōu)化往往含有指導(dǎo)作用。結(jié)構(gòu)模型考慮了胞內(nèi)各結(jié)構(gòu)單元代謝及相互作用，所以列出方程參數(shù)多、復(fù)雜，不輕易解，即使用計(jì)算機(jī)求解也要花費(fèi)相當(dāng)時(shí)間，所以在過(guò)程控制中較少用這種模型。第17頁(yè)離散型非結(jié)構(gòu)模型把細(xì)胞分為幾個(gè)不一樣形態(tài)或功效類別?？偧?xì)胞量是各類細(xì)胞量和，各類細(xì)胞有不一樣生理功效。對(duì)于培養(yǎng)中細(xì)胞有顯著差異（形態(tài)、功效）過(guò)程用此種離散模型最好。缺點(diǎn)：分別測(cè)出各類細(xì)胞量是有困難。第18頁(yè)離散型結(jié)構(gòu)模型細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)際情況。細(xì)胞之間不均一，細(xì)胞內(nèi)部多組分。在求解和分析中最繁雜，應(yīng)用較少。第19頁(yè)非結(jié)構(gòu)非離散模型簡(jiǎn)稱均衡生長(zhǎng)模型。這種模型沒(méi)有考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又不考慮細(xì)胞之間有任何差異。所以，能夠把細(xì)胞用“濃度”這一個(gè)量來(lái)描述，即把細(xì)胞看成一個(gè)“溶質(zhì)”，從而簡(jiǎn)化了胞內(nèi)外傳遞過(guò)程分析，也簡(jiǎn)化了過(guò)程數(shù)學(xué)描述。對(duì)于相當(dāng)多微生物過(guò)程分析，尤其是過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，均衡生長(zhǎng)模型是能夠滿足要求。第20頁(yè)二、細(xì)胞濃度及其測(cè)量細(xì)胞濃度在培養(yǎng)過(guò)程中是一個(gè)十分主要參數(shù)。在定量碩士物反應(yīng)之前，首先需要說(shuō)明微生物濃度即菌體濃度表示方法。（g/l,kg/m3)第21頁(yè)細(xì)胞干重法：測(cè)量細(xì)胞濃度最基本方法。顯微計(jì)數(shù)法：顯微鏡和血球計(jì)數(shù)器。平板計(jì)數(shù)法：生理鹽水稀釋，統(tǒng)計(jì)菌斑。濁度法：波長(zhǎng)600-700nm范圍測(cè)量。直接測(cè)定法第22頁(yè)間接測(cè)定法：

測(cè)定組成細(xì)胞大分子物質(zhì)來(lái)確定細(xì)胞濃度。第23頁(yè)三、均衡生長(zhǎng)模型1、細(xì)胞生長(zhǎng)模型：均衡生長(zhǎng)模型只用一個(gè)量來(lái)描述細(xì)胞量，即生物量或細(xì)胞濃度。通慣用每毫升培養(yǎng)液中菌體個(gè)數(shù)或干菌重來(lái)描述。

第24頁(yè)（1）細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線：將微生物在一個(gè)封閉體系中培養(yǎng)，測(cè)定培養(yǎng)過(guò)程中細(xì)胞濃度改變，可得到細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線。以間歇培養(yǎng)微生物為例，在培養(yǎng)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)曲線包含延遲期、指數(shù)生長(zhǎng)久、禁止期、自溶期等階段。第25頁(yè)（2）細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描述：

細(xì)胞生長(zhǎng)速率一個(gè)主要參數(shù)是比生長(zhǎng)速率。比生長(zhǎng)速率：比生長(zhǎng)速率表示在單位體積內(nèi)單位量細(xì)胞經(jīng)過(guò)單位時(shí)間增加細(xì)胞量。這種增加包含生長(zhǎng)和繁殖兩個(gè)部分。比生長(zhǎng)速率表示菌體增加能力，它也受菌株及各種物理化學(xué)環(huán)境原因影響。第26頁(yè)

2、基質(zhì)消耗模型基質(zhì)包含細(xì)胞生長(zhǎng)所需各種營(yíng)養(yǎng)成份，其消耗主要有三個(gè)方面：

一.是細(xì)胞生長(zhǎng)，合成新細(xì)胞；

二.是細(xì)胞維持生命要消耗能源物質(zhì)；

三.是合成次級(jí)代謝產(chǎn)物。第27頁(yè)3、產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)模型產(chǎn)物主要指是細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中代謝生成除細(xì)胞量以外產(chǎn)品。按照其生成特點(diǎn)，產(chǎn)物可分為兩類：生長(zhǎng)偶聯(lián)型及非生長(zhǎng)偶聯(lián)型。這二者區(qū)分在于前者生成只是在細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)才能生成，而后者則只要有細(xì)胞存在就能生成。第28頁(yè)4、均衡生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用實(shí)例青霉素球狀菌發(fā)酵（P6頁(yè)）實(shí)際在生物培養(yǎng)過(guò)程中，菌體生長(zhǎng)、基質(zhì)消耗及產(chǎn)物生成三個(gè)方面是交織在一起。菌體生長(zhǎng)消耗了基質(zhì)，而基質(zhì)濃度改變又影響菌體生長(zhǎng)速度，對(duì)于產(chǎn)物也是這么。所以，細(xì)胞培養(yǎng)整體動(dòng)力學(xué)模型是上述幾個(gè)微分方程聯(lián)立結(jié)果。已知初始條件即能夠應(yīng)用適當(dāng)數(shù)學(xué)方法對(duì)過(guò)程求解及分析。第29頁(yè)四、其它模型均衡生長(zhǎng)模型把細(xì)胞看成一個(gè)‘溶質(zhì)’，沒(méi)有考慮胞內(nèi)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞之間差異。在分析胞內(nèi)誘導(dǎo)作用、對(duì)工程菌進(jìn)行動(dòng)力學(xué)描述以及細(xì)胞形態(tài)和功效有較大差異時(shí)，應(yīng)用這個(gè)模型是不適當(dāng)。在實(shí)際過(guò)程中，有時(shí)還需使用其它模型。比如，離散模型、結(jié)構(gòu)模型等。第30頁(yè)第三節(jié)生物反應(yīng)器基本類型及其設(shè)計(jì)一、生物反應(yīng)器特點(diǎn)及其分類二、批式反應(yīng)器三、連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器-衡化器四、生物反應(yīng)器強(qiáng)化第31頁(yè)一、生物反應(yīng)器特點(diǎn)及其分類微生物種類很多，特點(diǎn)各異，生物反應(yīng)器也五花八門(mén)，各以不一樣方式提供適宜生長(zhǎng)環(huán)境，反應(yīng)器設(shè)計(jì)包括采取工藝、攪拌和通氣系統(tǒng)及主要基質(zhì)狀態(tài)。通氣系統(tǒng)基本形式有浸沒(méi)式鼓泡器（有或沒(méi)有機(jī)械攪拌）、表面通氣裝置和膜反應(yīng)器。第32頁(yè)①在常溫常壓下操作，但要求能耐受蒸汽滅菌，制作嚴(yán)密無(wú)隙以防染菌，且用對(duì)微生物或酶無(wú)毒害材質(zhì)制作；②當(dāng)用微生物為催化劑時(shí)，催化劑本身是在發(fā)酵罐中產(chǎn)生（開(kāi)始時(shí)需接入菌種），為預(yù)防雜菌污染和活性衰退，普通采取分批釜式反應(yīng)器；生物反應(yīng)器特點(diǎn)：與普通化學(xué)過(guò)程反應(yīng)器相比，其基本原理和結(jié)構(gòu)應(yīng)是相近，但有以下特點(diǎn)：第33頁(yè)

③酶常因底物（即酶作用物）濃度過(guò)高發(fā)生抑制作用，微生物細(xì)胞因胞內(nèi)外滲透壓平衡問(wèn)題，要求底物濃度也不能太高，因而反應(yīng)器體積相當(dāng)龐大；

④在發(fā)酵過(guò)程中，生化反應(yīng)機(jī)理和路徑相當(dāng)復(fù)雜，有尚不清楚，極難進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，加上反應(yīng)時(shí)常是氣、液、固三相并存，有反應(yīng)液粘度很大，流變學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)器中物料混合和傳遞帶來(lái)不利，使采取化學(xué)反應(yīng)工程原理和方法處理生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)放大問(wèn)題存在較大困難。第34頁(yè)生物反應(yīng)器分類（一）按照生物反應(yīng)過(guò)程來(lái)分1、發(fā)酵過(guò)程用反應(yīng)器稱為發(fā)酵罐；2、酶反應(yīng)過(guò)程用反應(yīng)器則稱為酶反應(yīng)器。3、專為動(dòng)植物細(xì)胞大量培養(yǎng)用生物反應(yīng)器，專稱為動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置。

第35頁(yè)發(fā)酵罐

發(fā)酵罐若依據(jù)其使用對(duì)象區(qū)分，可有：嫌氣發(fā)酵罐、好氣發(fā)酵罐、污水生物處理裝置等。其中嫌氣發(fā)酵罐最為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)中無(wú)須導(dǎo)入空氣，僅為立式或臥式筒形容器，可借發(fā)酵中產(chǎn)生二氧化碳攪拌液體。（見(jiàn)彩圖）第36頁(yè)產(chǎn)品名稱：5L離位滅菌自動(dòng)臺(tái)式發(fā)酵罐

型

號(hào)：SY-3005QB

第37頁(yè)技術(shù)參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)配置：1、罐體系統(tǒng)：罐體全容積：5L；工作容積：2~4L罐體材質(zhì)：硼硅玻璃+316L不銹鋼；罐蓋材質(zhì)：316L不銹鋼罐體設(shè)計(jì)壓力：0.1Mpa；夾套設(shè)計(jì)壓力：0.25Mpa罐蓋結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)溫度、PH、DO傳感器插口各1個(gè)；標(biāo)準(zhǔn)泡沫電極插口1個(gè)；通用補(bǔ)料接口2個(gè)；接種口1個(gè)；排氣口1個(gè)；取樣管口1個(gè)表面處理：不銹鋼內(nèi)外鏡面拋光，拋光精度Ra0.4第38頁(yè)2、滅菌方式：高壓滅菌鍋滅菌3、攪拌系統(tǒng)：直聯(lián)機(jī)械攪拌；0.1KW直流電機(jī)；兩層六平葉發(fā)酵專用標(biāo)準(zhǔn)槳；控制范圍：50~1000rpm，控制精度：±1%第39頁(yè)4、溫度控制：冷卻水溫度+5~65℃；精度±0.1℃；5、pH控制：瑞士梅特勒pH電極及屏蔽導(dǎo)線；范圍：2~12pH，控制精度：±0.02pH6、溶氧控制：瑞士梅特勒DO電極及屏蔽導(dǎo)線；范圍：5~100%，控制精度：±2%7、泡沫控制：自動(dòng)檢測(cè)泡沫添加消泡劑；靈敏度100~100000Ω8、補(bǔ)料控制：蠕動(dòng)泵自動(dòng)流加；范圍：0~120ml/min，控制精度：±2%9、空氣流量控制：轉(zhuǎn)子流量計(jì)手動(dòng)調(diào)整；范圍：0~10L/min第40頁(yè)10、控制系統(tǒng)：采取兩級(jí)控制體系:上位機(jī)(PC機(jī))+下位機(jī)(發(fā)酵罐現(xiàn)場(chǎng)控制器)；經(jīng)過(guò)網(wǎng)線連接；上位機(jī)和下位機(jī)都能夠單獨(dú)對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行控制；上位機(jī)接入局域網(wǎng)時(shí),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；發(fā)酵罐現(xiàn)場(chǎng)控制器采取進(jìn)口嵌入式控制關(guān)鍵，大屏幕液晶顯示器、輕觸式薄膜鍵盤(pán)，全漢字菜單式操作界面11、發(fā)酵監(jiān)控軟件（無(wú)償贈(zèng)予）：SY-3000E發(fā)酵監(jiān)控軟件主要功效：顯示并統(tǒng)計(jì)發(fā)酵時(shí)間、溫度、pH、溶解氧、轉(zhuǎn)速、空氣流量、壓力、補(bǔ)料量、泡敵量、酸堿劑量等發(fā)酵過(guò)程參數(shù)；手動(dòng)、自動(dòng)、次序和關(guān)聯(lián)四種控制方式；可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和輸出、動(dòng)態(tài)曲線歷史曲線顯示和打印等功效12、配套設(shè)備：空氣壓縮機(jī)：靜音無(wú)油，50L/min以上；高壓滅菌鍋：內(nèi)容量50L以上第41頁(yè)第42頁(yè)發(fā)酵罐組成1、殼體2、控溫部分3、攪拌部分4、通氣部分5、進(jìn)料口6、量測(cè)系統(tǒng)7、從屬系統(tǒng)第43頁(yè)特點(diǎn)這種發(fā)酵罐依據(jù)其特點(diǎn)叫做機(jī)械攪拌罐，有些人也叫它常規(guī)發(fā)酵罐。是當(dāng)前使用最多一個(gè)，適用性好，適應(yīng)性強(qiáng)，從小型到中型、到大型細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程都能夠使用，放大輕易。其缺點(diǎn)是罐內(nèi)機(jī)械攪拌剪切力輕易損傷嬌嫩細(xì)胞，造成一些細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程減產(chǎn)。第44頁(yè)氣體提升式發(fā)酵罐第45頁(yè)第46頁(yè)第47頁(yè)第48頁(yè)酶反應(yīng)器

（可分兩大類）1、游離酶反應(yīng)器2、固定化酶反應(yīng)器第49頁(yè)1、游離酶反應(yīng)器

以水溶液狀態(tài)與底物反應(yīng)。

若為分批釜式反應(yīng)器，酶就不能回收；若用連續(xù)釜式反應(yīng)器并附有一個(gè)能把大分子酶留在系統(tǒng)內(nèi)超濾裝置則可使酶連續(xù)使用。也可將酶液置于用超濾材料制成U形管或中空纖維管中,并將其置于釜式或管式反應(yīng)器進(jìn)行操作，這么也可使酶連續(xù)使用。后者靠近連續(xù)管式反應(yīng)器。

第50頁(yè)2、固定化酶反應(yīng)器

除了和化學(xué)反應(yīng)器類似固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器外，還有各種特殊設(shè)計(jì)。比如：

將酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋裝置于反應(yīng)器（圖5）中,或?qū)⒚腹潭ㄔ谥锌绽w維內(nèi)壁制成反應(yīng)器；也可將固定化酶置于金屬網(wǎng)框中進(jìn)行酶反應(yīng)（圖6）。在反應(yīng)中產(chǎn)氣(如CO2)嚴(yán)重時(shí)，可考慮采取多層酶反應(yīng)器。第51頁(yè)第52頁(yè)第53頁(yè)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)所用生物反應(yīng)器動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)所用生物反應(yīng)器與前面所介紹生物反應(yīng)器（用于微生物培養(yǎng)）基本是一樣。但因?yàn)楦叩壬锛?xì)胞比較嬌嫩，對(duì)培養(yǎng)條件要求更高一些，因而在選取及設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器時(shí)要尤其考慮以下幾點(diǎn)：第54頁(yè)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)考慮1、防止或減低因?yàn)闄C(jī)械攪拌而產(chǎn)生剪切力對(duì)細(xì)胞損傷。2、氣泡表面張力可對(duì)細(xì)胞造成傷害，在通氣時(shí)要預(yù)防氣泡與細(xì)胞接觸。3、在進(jìn)行PH調(diào)整或補(bǔ)料時(shí)，要嚴(yán)格預(yù)防化學(xué)環(huán)境急劇改變對(duì)細(xì)胞傷害。如不能用酸、堿直接加入方式調(diào)整PH，應(yīng)以改變CO2/O2/N2百分比為主進(jìn)行調(diào)整。第55頁(yè)動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置

第56頁(yè)生物反應(yīng)器其它分類生物反應(yīng)器還能夠按照其操作方式分為下面3類：1、批式培養(yǎng)：指是營(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，與外界沒(méi)有物料交換。2、連續(xù)培養(yǎng)：連續(xù)培養(yǎng)是不停地往反應(yīng)器中加入營(yíng)養(yǎng)物，利用罐中菌體增殖得到產(chǎn)物，并不停采出。實(shí)際進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)有兩類反應(yīng)器（攪拌罐式反應(yīng)器和管式反應(yīng)器）。3、半連續(xù)操作第57頁(yè)二、批式反應(yīng)器批式反應(yīng)能夠用各種反應(yīng)器，其中以機(jī)械攪拌式和氣升式用最多。第58頁(yè)三、連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器-恒化器恒化器基本操作模型如圖1-14所表示（P15）。物料連續(xù)地以體積流量F流入反應(yīng)器，并以一樣流量流出去。反應(yīng)器內(nèi)有很好混合，即各點(diǎn)濃度一樣。

恒化器操作特點(diǎn)是其流出物流濃度與反應(yīng)器內(nèi)相同，而且加入物流，一進(jìn)入反應(yīng)器馬上與反應(yīng)器內(nèi)物料均勻混合。第59頁(yè)四、生物反應(yīng)器強(qiáng)化

1、規(guī)模經(jīng)濟(jì)2、過(guò)程強(qiáng)化3、反應(yīng)系統(tǒng)第60頁(yè)第四節(jié)生物反應(yīng)器放大一、概述在試驗(yàn)室里用小型設(shè)備進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)，取得了較高產(chǎn)量和效率，怎樣在大型生產(chǎn)規(guī)模設(shè)備里重現(xiàn)，是生物反應(yīng)器放大要處理問(wèn)題。第61頁(yè)放大方法數(shù)學(xué)模型法半數(shù)學(xué)模型法因次分析法：又稱量綱分析，是對(duì)過(guò)程相關(guān)物理量因次（即量綱）進(jìn)行分析，得到為數(shù)較少無(wú)因次數(shù)（即無(wú)量綱參數(shù)）群間關(guān)系方法近似法則法嘗試誤差法第62頁(yè)迄今，文件上常見(jiàn)發(fā)酵罐比擬放大法仍以近似法則和因次分析結(jié)合為主。經(jīng)過(guò)放大，最有可能對(duì)發(fā)酵過(guò)程反應(yīng)速率產(chǎn)生影響普通是傳質(zhì)過(guò)程，其中限制性傳質(zhì)速率就是氣態(tài)氧向液相中傳遞速率。所以，先要了解發(fā)酵罐中傳質(zhì)及混合過(guò)程。1、氧供給。2、罐內(nèi)流體混合：罐內(nèi)流體混合首先是為了加強(qiáng)氧傳遞，另一個(gè)方面使流體混合均勻防止局部過(guò)濃或過(guò)稀現(xiàn)象，并強(qiáng)化菌體與營(yíng)養(yǎng)物接觸。第63頁(yè)二、攪拌及傳氧1、攪拌反應(yīng)器攪拌一個(gè)主要參數(shù)是經(jīng)過(guò)攪拌器輸入到流體功率值。決定攪拌功率除了攪拌漿轉(zhuǎn)速與直徑外還有兩個(gè)主要原因，一是流體流動(dòng)與性質(zhì)，二是通氣是否。流動(dòng)流體性質(zhì)依其切變速率與剪切力之間關(guān)系可分為牛頓型流體與非牛頓型流體。牛頓型流體切變速率與剪切力成百分比，百分比系數(shù)為粘度，非牛頓型流體則不成百分比。第64頁(yè)2、氧傳遞氧傳遞能力好壞受物體流動(dòng)性、反應(yīng)器尺寸、操作條件等各方面影響。氧傳遞又常限制細(xì)胞生長(zhǎng)。第65頁(yè)三、生物反應(yīng)器放大標(biāo)準(zhǔn)1、幾何相識(shí)法2、恒定等體積功率放大3、恒定傳氧系數(shù)放大4、恒定剪切力、恒定葉端速度放大5、恒定混合時(shí)間放大第66頁(yè)第五節(jié)生物反應(yīng)器控制及優(yōu)化一、生物反應(yīng)器控制生物反應(yīng)器目標(biāo)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)等研究中得到工藝條件。最慣用基本變量及其調(diào)整方法見(jiàn)下