生物反应器市公开课一等奖省名师优质课赛课一等奖课件

学习方式老师课堂讲授同学们分组、分专题讨论期末考试小组讨论作业考勤生物工程下游技术我国发展生物技术产业，迫切需要两方面人才：从事试验室研发“上游学术人才”，能帮助提升中国生物科技水平；熟悉科技结果产业化操作“下游工程人才”，能及时将科技结果产业化。主要原因之一：企业管理、市场营销以及金融投资方面人才大多不懂生物技术，同时专业生物技术人才又不懂市场开发。“上游开发”仅比国际水平落后3—5年，而“下游工程”却最少相差以上。中国生物技术与发达国家差距之一：研究与市场脱节第一讲生物反应器课时：2节课主要内容：生物工程下游技术课程介绍（了解）生物反应器一些概念（掌握）生物反应器基本类型（掌握）细胞生长及代谢过程动力学（了解）生物反应器设计（难点）生物工程专业知识体系上游基因工程：从基因之分子层次，开发生物系統菌种分离、判定保留与育种技术蛋白质工程：蛋白质分析、結构、功效、合成等，以及从分子层次改变酶及蛋白质之特征中游細胞培养与細胞工程：动植物細胞及微生物培养技术

发酵工程：发酵最适化、发酵控制微生物工程：菌种、培养基、发酵工艺、杂菌下游酶工程：酶催化性质、酶固定化和修饰、新酶开发等生物反应器：设計、自动化免疫应用技术：抗原、抗体生物分离技术:产品回收、纯化、制备、放大、试产生产。生化检测分析技术生物工程下游技术概念狭义：专指生物物质产品分离纯化技术。主要包含细胞破碎、固液分离、膜分离、层析技术、电泳技术等。广义：生物反应器、生物物质分离、产品分析检测及质量监控。当前尚无明确概念何谓生物反应过程？广义上一切动植物、微生物生长繁殖都能够看作是生物反应过程。狭义上指那些能够应用于生物工业中过程。生物反应过程原料预处理及培养基制备生物催化剂制备

生物反应器及反应条件选择。

产品分离与纯化

上游加工过程中游加工过程下游加工过程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）生物反应器空气CO2等冷却水原材料培养基灭菌底物产物废物除菌检测和控制产物预处理产品提取或液化副产物普通生化反应过程过程分类酶促反应过程微生物反应过程动植物细胞反应过程废水生物处理过程反应水平分子水平细胞水平细胞水平群体水平反应复杂性简单较复杂复杂很复杂底物、产物数量较少较多较多很多反应速度较快较快较慢很慢生物反应过程分类生物反应过程特点：⑴常温下进行，操作条件温和，勿需防爆。原料以碳水化合物为主，不含有毒物质。⑵以生命体自动调整方式进行，多个反应像一个反应一样，可在单一设备中进行。⑶轻易进行复杂高分子化合物生产，如酶、光学活性体等。⑷能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位反应，如氧化、还原、官能团导入等⑸生产产品生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白质、酶等。⑹生产过程中需要注意预防杂菌污染，尤其是噬菌体侵入，以免造成很大危害。⑺经过改良生物体生产性能，可在不增加设备投资条件下，利用原有生产设备使生产能力飞跃上升。第一节基本概念一、生物反应器:利用酶或生物体（如微生物、动植物细胞）所含有特殊功效，在体外进行生物化学反应装置系统。如试验室或工业生产中用于细胞培养装置（方瓶、锥形瓶、发酵装置、琼脂斜面）。

作用：为细胞代谢提供一个优化物理化学环境,使细胞更加快更加好地生长,得到更多需要生物量或代谢产物。生物反应器与化学反应器区分化学反应器：从原料进入到产物生成，需要加压和加热；高能耗过程。生物反应器：有酶和微生物参加，常温和常压下进行化学合成；生物（酶除外）反应都以“自催化”方式进行。超大发酵罐：高100米，直径7米，容积为4000立方米，如同一座壮观圆形塔。生物反应器首先在发酵工业中得到应用（发酵罐）。另一个是以固定化酶或固定化细胞为催化剂酶反应器。生物反应器应用★

Foodadditives

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Antibodies★

ProteinDrugs★

Healthfood

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Naturalspice

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Animalfeedadditives

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Industrialenzyme

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Cosmeticsmaterial

衔接试验室技术与工厂实际生长桥梁使用高效率生物反应器目标:提升产品生成速率降低辅助设备降低生产成本取得最大经济效益二、硕士物反应器目标（内容）确定为到达一定生产目标需要多大生物反应器，什么样结构更加好；（设计）对已经有生物反应器进行分析，到达优化目标；（优化）分析各种生物反应器数据，从而对细胞生长、代谢等过程有更深入了解。第二节生物反应器基本类型

一、依据培养对象不一样：微生物培养反应器动植物细胞培养反应器二、按操作方式：批式培养连续培养半连续培养（一）微生物培养反应器壳体控温部分搅拌部分通气部分进料口量测系统从属系统基本通气方式:浸没式鼓泡器,表面通气装置,膜反应器二种常见微生物发酵装置：常规发酵罐(机械搅拌式),气体提升式发酵罐形式最简单反应器:没有机械搅拌和通气系统反应罐机械搅拌装置1、机械搅拌式发酵罐含有机械搅拌及压缩空气分布装置发酵罐，当前最大通用式发酵罐容积约为480m3。罐混合——机械搅拌，促使培养基混合均匀，有利于增加气液接触面积，提升溶氧速率。对于双液相反应体系可提升液-液接触面积，另外还可促进传热与固形物料悬浮。（P11图1－8）

常规（机械）发酵罐是促使微生物生长一个反应设备，广泛应用于制药、化工、食品等行业。日本味之素发酵罐：500M3

周口味精厂发酵罐：200M3

益力味精厂发酵罐：630M3

台湾味丹发酵罐：660M3李锦记（新会）食品有限企业包装生产线李锦记（新会）食品有限企业酱油发酵罐2、气升式反应器特点：无机械搅拌,降低了剪切作用对细胞伤害。易于清洗、维修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高。气体从罐下部通入，借气体升力带动流体在整个反应器内循环流动造成良好混合。见P11图1-9。当前已广泛应用于生物工程领域好氧发酵方面，由此生产产品有单细胞蛋白、酒精、抗生素、生物表面活性剂等。以甲醇为原料生产单细胞蛋白高密度培养时混合不够均匀河南莲花味精集团企业使用气升式发酵罐试验用气升式玻璃发酵罐（实物）气升式反应器种子罐(实物)某抗菌素制药车间一级种子罐和二级种子罐右边为300L一级种子罐，左边为3000L二级种子罐10L台式发酵罐从人孔向发酵罐内鸟瞰图（二）动植物细胞培养反应器与微生物培养基本一样；动植物细胞比较娇嫩，有贴壁生长需要，对培养要求高，因而在选取及设计时要尤其考虑：防止或减低机械搅拌产生剪切力；气泡表面张力可对细胞造成伤害，通气时要预防气泡与细胞接触；进行pH调整或补料时要严格预防化学环境急剧改变对细胞伤害；载体选择尤其主要。机械搅拌式生物反应器连续搅拌釜式反应器干扰素生产用动物细胞培养设备高效内循环生物反应器（HCR）新疆紫草细胞培养流程细胞在培养周期中改变丹参发根生物反应器大规模培养技术丹参(Salviamiltiorrhiza)：活血化淤,通经止痛。丹参有效成份在原植物根中含量低、生长周期长。药用植物发根大规模培养关键在于其生物反应器培养技术。发根培养已在搅拌、气升、喷淋床、雾化等形式生物反应器中进行。南阳天冠酒精集团企业中央两个酒精发酵罐小型和大型生物反应器设计不一样点

项目试验用小型反应器生产用反应器功率消耗无须考虑需认真对待反应器内空间因大量控制、无此影响检测装置占去一定空间混合特征可无须考虑需认真对待换热系统较易处理较难处理中空纤维管式动物细胞微载体悬浮培养反应器中空纤维作为通气装置：空气在管内，氧分子经过半透性管壁溶透到培养液中，供给动物细胞生长。培养液中不会产生气泡，可防止损伤动物细胞。若在中空纤维管束中通入纯氧，则传递能力还能够提升。培养液经过下层螺旋桨搅拌器迟缓搅动循环，微载体在培养液中保持悬浮状态。工业用生物反应器机械搅拌式反应器气举式反应器固定化酵素细胞反应器流动床生物反应器膜反应器搅拌式发酵槽填充床反应器：装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程一个反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）床层。床层静止不动，流体经过床层进行反应。它与流化床反应器区分在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。底物产物底物产物流化床反应器二、生物反应器按操作方式分：批式培养连续培养半连续培养1、批式反应器：营养物与菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没有物料交换。以机械搅拌式和气升式为最多。（如试验室摇瓶培养）优点：操作简单。缺点：细胞所处化学环境在培养过程中显著改变，营养物质在培养过程分布不合理；早期细胞浓度低增加慢，后期虽细胞浓度升高，但营养物浓度低而使生长不快。总设备生产效率不高。2、连续培养反应器：不停地往反应器中加入营养物，利用罐中菌体增殖得到产物，并不停采出。在良好控制下，罐内菌体增殖速度能够与采出速度相同而到达稳态。

分为二类：恒化器连续培养：经过控制培养基中某种营养物质浓度基本恒定方式，保持细菌比生长速率恒定，使生长“不停”进行。恒浊器连续培养：经过光电系统控制培养液中菌体浓度恒定、使细菌生长连续进行。3、半连续反应器：介于批式和连续培养之间，分二种方式：补料批式或流加过程：在批式培养过程中不停补入营养物，近年来惯用，可处理营养物抑制及不足问题，提升设备效率；在补料同时间断采出一定量发酵液体产物，延长发酵培养时间。优缺点：连续和半连续培养有利于过程优化及效率提升，但易污染，要严格控制。一、生物过程动力学：定量地描述过程速率以及影响过程速率很多原因，包含细胞生长速率、各种基质消耗速率、代谢产物生成速率。第二节细胞生长及代谢过程动力学反应速率：单位时间物质浓度改变量。细胞生长速率为dx/dt，代谢产物生成速率为dp/dt，基质消耗速率为ds/dt。比速率：单位浓度菌体在一定条件下引发反应速率。表示为μ=dx/x.dt、qs=-ds/xdt、qp=dp/xdt。得率系数：两种物质得失之间计量比。Yx/s，Yp/s。

二、细胞浓度：单位体积培养液中所含细胞量(mol/L)或菌体干重，表示为kg/m3。只有相对于均衡生长模型细胞培养体系才可用细胞浓度这一表示方式。测量方法：直接测定法：细胞干重法、显微计数法、平板计数法、浊度法。间接测量法：测定细胞成份，如大分子物质细胞群体描述模型：非结构模型（最理想情况）：细胞群体视为一个溶质结构模型：细胞之间无差异；细胞内有多个组分离散模型：不考虑细胞结构；各种细胞不均一实际情况：细胞之间不均一；细胞内部多组分均衡生长平均细胞均衡生长平均细胞均衡生长模型：不考虑细胞内部结构，又不考虑细胞之间任何差异；三、细胞均衡生长动力学模型细胞生长模型；基质消耗模型；产物生成动力学模型。1、细胞生长模型(只用生物量或细胞浓度来描述细胞量）细胞生长动力曲线:延迟期、指数生长久、（减速生长久）、静止期、自溶期（衰亡期）。细胞生长动力学描述：（数学模型）比生长速率（主要参数）：μ=dx/xdt（单位体积内单位量细胞经过单位时间增加细胞量）μ反应了菌体增加能力，受菌株及各种物理化学环境影响，μ与限制性底物浓度关系定量表示为Monod方程：其中μm为最大比生长速率；Ks为Monod常数（饱和系数），取决于环境条件（pH,温度，离子强度等）；基本上反应了比生长速率与底物浓度关系，由Ks值又反应了比生长速率与环境关系。不适于较黏稠发酵液(另有模型）。有二个以上限制性底物;有抑制性底物或抑制性产物存在时有不一样模型表示.2、基质消耗模型：基质包含：碳源、氮源、氧及其它营养源基质消耗包含：细胞生长（合成新细胞）、细胞维持生命、合成次级代谢产物。数学模型（P6：式1-9）式中右边各项依次表示菌体生长、维持及次级代谢所消耗基质速率。3、产物生成动力学模型产物：主要指细胞培养过程中代谢生成除细胞量外产品；数学模型：dp/dt=α(dx/dt)+βx其中α、β是与生长及菌体相关百分比系数，与菌株及各种环境原因相关。第三节生物反应器设计生物反应器设计主要方面：改进生物催化剂更加好进行过程控制有更加好无菌条件能克服速度限制原因（尤其是热量和质量传递）等。一、微生物反应器设计基本要求（8点）（1）防止将需蒸汽灭菌部件与其它部件连接，因为即使阀门关闭，细菌也可在阀门内生长；（2）尽可能降低法兰连接，如有可能，应采取全部焊接结构，焊接部位一定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌固体物质场所；（3）预防死角、裂缝等情况，以防止固体物质在此堆积，形成使杂菌取得热抗性环境（4）发酵系统一些部分应能单独灭菌；（5）与反应器相通任何连接都应采取蒸气加以密封，如取样口在不取样时也要一直通蒸气；（6）全部阀门要易清洗、易使用、易灭菌，比很好阀们有球阀、隔膜阀和截止阀等；（7）反应器应一直保持正压以排除渗漏；（8）为了便于清洗，反应器主体应尽可能简单。

二、生物反应器选型与设计关键点

1、选择适宜生物催化剂。包含了解产物在生物反应哪一阶段大量生成、适宜pH和温度，是否好氧和易受杂菌污染等。2、确定适宜反应器形式。3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。4、传热面积计算。5、通风与搅拌装置设计计算。6、材料选择与确保无菌操作设计。7、检验与控制装置。8、安全性。9、经济性。

培养细胞类型及其生长特征(动力学特征)目标产物是什么,其物化性质及其对分离影响基质成份及物理化学性质期望年产量反应器类型温度范围pH范围需要溶氧量基质浓度产物分离方式决定了供氧、匀质、产物分离、抑制物去除三、生物反应器设计所要考虑主要问题四、生物反应器设计基本方法依据试验数据推论最正确方案;依据细胞培养动力学模型推论最正确方案;二者结合并相互验证五、生物反应器放大

比拟放大：依据试验数据和数学模型，利用近似法则和因次分析等伎俩，将试验室小型设备取得较高产量效率在大型生产设备里重现方法。

要处理主要问题：气态氧向液相中传递速率受到限制；营养物质不能及时保持均匀从而造成菌体生长限制。1.氧供给氧供给经常成为菌体生长限制原因深层培养中氧供给是液体中溶解氧，必须由气泡传给发酵液，其传递速率为：

OTR=kLa(C*-C),其中KLa为传氧系数发酵反应器设计要求有尽可能高传氧系数传氧系数测量有：直接测量法、动态法、亚硫酸盐氧化法2.罐内流体混合罐内流体混合：一方面是为了加强氧传递，其次使流体混合均匀，防止局部过浓或过稀并强化菌体与营养物接触。处理方法

搅拌设计及控制：优化反应器尺寸、操作条件等各方面以利于氧传递和溶质均匀

详细方法：增加搅拌速率；增大通气量；通入纯氧；放出部分丝状体；添加少许水不溶性比水有更高溶氧度另一相，如十二烷生物反应器放大普通标准几何相同标准；恒