生物制药工程设备【4】细胞生物反应器1

《生物制药工程设备》细胞生物反应器细胞生物反应器CotterBrothersCo.(美国)EarlypenicillinculturefacilityattheSirWilliamDunnSchoolofPathology,Oxford,England.

生物反应器：酶反应器、细胞生物反应器。生物反应器应具有严密的结构，同时还应具有配套而又可靠的检测及控制仪表，判断生物反应进行的情况。提纲第一节发酵罐第二节动物细胞生物反应器第三节植物细胞生物反应器第四节细胞生物反应器的搅拌功率第五节细胞生物反应器中氧的传递第六节细胞生物反应器的放大第七节圆筒体和搅拌轴强度的计算预制一次性生物反应器第一节发酵罐深层液体同期发酵设备开发研究的中心课题是要确定发酵设备中溶氧速率与设备的主要参数、操作变数以及流体性质之间的关系，以此作为合理设计发酵罐的理论依据。目前普遍采用的通用式发酵罐就是根据这一理论设计而成，并形成了完整的产品系列，根据容积范围分为：实验室用1-50升、中试工厂用50-5000升、工业生产用5000升以上。现在工业上使用的发酵罐通常为50-200m3。为了有利于溶氧，发酵罐(包括种子罐)通常是一个长筒形密闭容器，具有椭圆形或蝶形的盖和底。发酵罐宜用不锈钢制作，但也可以用符合不锈钢板或低碳钢板制作。为了防止染菌，罐内应光滑无死角，要保证焊接质量，使其能耐受0.45MPa的水压实验。CitricacidfermentationtanksinPfizer'sBrooklynfacility,circa1920s.RefrigerationequipmentforlargefermentationunitatCherokeePlant,Danville,PA.Upperpartoffermentors(tanks)usedtoproducepenicillinandvitaminB12.一、通用式发酵罐定义：既有机械搅拌又有压缩空气分布装置的发酵罐。机械搅拌通风发酵罐占发酵罐总数的70~80%，常称为通用式发酵罐。目前最大的通用式发酵罐容积可达480m3。一、通用式发酵罐（一）通用式发酵罐的几何尺寸高径比是通用式发酵罐的特征常数。我国抗生素生产工业中，种子罐多采用H/D=1.7-2.0；发酵罐H/D=2.0-3.5(多为2.0)。相同体积，高径比越大，需要的钢材越多。化学制药工业一般采用H/D=1。在保证传质效果好，空气利用率高的前体下，根据经济合理，使用方便的原则，一般通过实践获得合理的高径比。如：青霉菌H/D=1.8为宜；放线菌H/D≤2；细菌H/D≥2。高径比还与发酵工艺条件有关。高径比大的罐可增加空气气泡在发酵罐中的停留时间，利于氧的利用。但高径比太大，消耗刚才就多，而且车间厂房高度也要提高。（二）发酵罐的装料容积公称容积(V0)：罐的筒身体积(Vc)和底封头体积(Vb)之和。（二）发酵罐的装料容积Vb取决于封头的形式，可由《化工设备设计手册》查得。对于椭圆形封头可用下式计算：对于标准椭圆形封头，ha=1/4，有：若H/D=a，则：在实际生产过程中，罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升及产生泡沫，因此罐中设计的装液量V不能过大，一般取装料系数η0=V/V0=0.7-0.8。在设计过程中，对于分批操作的发酵生产，已知年产量和发酵周期等可求出每批料液量V。合理选择装料系数，就可确定公称容积V0，取其整数，求出D，进而可求出发酵罐的其他几何尺寸。（二）发酵罐的装料容积注意：公称体积与实际体积并不相同，公称体积为50L，实际全体积为64L；公称体积为1m3，实际全体积为1.36m3。（二）发酵罐的装料容积（三）发酵罐的结构1、罐体1、罐体1、罐体小型发酵罐(多为种子罐)，直径在1m(公称容积在1.7m3)以下时，因筒身不高，其上封头和罐体可用法兰连接(便于罐内部件检修)。为了清洗等工作需要，在灌顶设有手孔。对于直径大于1m的发酵罐，其上封头直接焊在筒身上，但在上封头边上要开有人孔，以便进入罐内进行检修。上封头还应设有视孔和灯孔，并在其内装有压缩空气和蒸汽吹管，用以冲洗玻璃。上封头的接管有进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管等。罐身上的接管有冷却水进出管、空气进管、温度计管和测控仪表接口等。排气管应尽量靠近灌顶的中心轴封位置。取样管多半设在罐体下部便于操作。总的原则是：在罐体上接管应尽量少，利于灭菌，能合并的应合并。如进料口、补料口和接种口可何为一个接口。放料可利用通气管压出。罐内要求无死角，焊接面要光滑无砂眼。2、搅拌装置（1）搅拌的作用：传质传热溶氧2、搅拌装置搅拌器旋转时会使罐内的液体产生一定途径的循环流动，称为总体流动。在总体流动过程中，混合液中的液体被分散成一定尺寸的液团，并被带到罐内各处，造成宏观均匀。总体流动常处于湍流状态，其中充满了大小不同的漩涡。这些漩涡随着湍流程度的加剧，尺寸变小，数量变多，粉碎作用大，能达到更小尺度上的均匀混合。但是要想使微团最后消失，还要依靠分子扩散。搅拌的作用是大大缩短达到微观均匀所需要的时间。通常在搅拌叶附近液体湍流程度最高，速度梯度最大，产生的剪切力也最大。在这种剪切力的作用下，液体被撕成微小液团，若通入气体可使气泡粉碎，并被总体流动带至罐内各处，达到均匀混合的目的。2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。螺旋桨式桨叶式轴向流型搅拌器2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。液体在高速旋转的叶轮作用下做轴向或切向运动。液体离开桨叶后呈螺旋线运动。轴向分速度又使液体沿轴向下运动，到达反应器底部后沿器壁向上运动最后沿轴返回叶片。2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。产生的剪切力不大，但搅动的范围很大，不会产生死区，适于高粘度物质的混合。如化学制药的液-固混合反应、结晶操作等。2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。六平叶六弯叶六箭叶2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。在涡轮搅拌器中液体能有效地产生径向流动，但同时也能产生轴向运动。当液体以很高的绝对速度从搅拌器出口冲出时，径向分速度就使液体流向反应器壁面，然后分成上、下两个回路流回搅拌器，属于径向流动式。2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。粉碎气泡的能力：平叶>弯叶>箭叶反动流体的能力：箭叶>弯叶>平叶原因：平叶搅拌叶面积最小，转速最快，剪切力最大；箭叶搅拌叶面积最大，有利于流体的翻动。根据这一特点，可在同一搅拌轴上安装不同叶形的涡轮搅拌器。如上层用箭叶，增强混合，下层用平叶，粉碎气泡。搅拌器的数量由罐内的液位高低、发酵液的特性和搅拌直径等因素决定。对于通用发酵罐：>15m3：三层；<15m3，二层。2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。粘稠的新生霉素发酵功率下降50%。2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。青霉素发酵：固定导流轮的八翼蝶式搅拌器：增加氧的传递2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。特殊形状的叶片消除叶片后面的气穴通气功率下降较小电机的设计功率几乎全部用于气-液分散及传质。2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。Canimprovemasstransferby30%comparedwithRushtonturbinesDecreasesshearratesupto75%Canreduceenergycostsupto45%Improvesyieldsinshear-sensitiveprocesses比较适合高粘度非牛顿流体2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。功率准数较低通气功率值较小在黄原胶发酵中有较好的混合性能存在不稳定性问题2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。缩短混合时间可安装中央挡板和偏心副叶轮去除边界层，利于传热底部混匀和产物去除2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。径向流利于气体分散高气体流速下传质性能好液压低2、搅拌装置（2）搅拌器的型式。中低黏度：高混合性能底部悬浮固体：高流速管壁高轴向流：利于传热2、搅拌装置（3）搅拌轴的安装方式。上搅拌下搅拌2、搅拌装置（4）搅拌功率和搅拌效果。为了达到宏观上的均匀，必须有足够大的总体流动，即流量要足够大。为了达到小尺度的均匀，必须提高总体流动的湍流程度，即动压头要足够大。为了达到一定的混合效果，搅拌必须提供足够大的流量V和动压头H。罐内单位体积的功率消耗是判断搅拌过程进行得好坏的重要依据。2、搅拌装置（4）搅拌功率和搅拌效果。搅拌器的轴功率P：等于搅拌器施加于流体的力F及由此引起的液体平均流速w的乘积。若搅拌器的叶片面积为A，则：式中(F/A)为搅拌器施加于液体的剪切力，相当于单位体积液体中的动能1/2ρw2，也可认为相当于动压头H=w2/(2g)和ρg的乘积，单位是N/m2。(wA)的单位是m3/s，可视为搅拌器对液体的翻动量Q，即：2、搅拌装置（4）搅拌功率和搅拌效果。上述关系可以写成：若P=常数，以不同的n及d值代入上述关系式，可得出不同情况下的Q、H和Q/H值：2、搅拌装置（4）搅拌功率和搅拌效果。若功率不变，d增大，则n减小，Q增大，H减小增加Q利于各相的混合，增加H利于气泡的粉碎同时增加Q和H，则必然增加Pn和d直接影响发酵罐内氧的传递与各相间混合效果的好坏。对于粘稠又好氧的的菌种，应配备较大直径d的搅拌器，同时又要保证较高的转速n，即要维持在一个较高的功率上。3、挡板没有挡板：切线方向的流体流动，使液体在罐内作圆周运动，产生的离心力会使罐内的液体在径向分布呈抛物线形，形成下凹现象。转速越大，下凹越严重。甚至可使发酵液不能没过搅拌器，使搅拌功率显著下降。大部分功率消耗在漩涡之中，靠近罐壁处的流体速度仍然很低，气液混合不均匀。下凹现象会导致液面上升，造成发酵罐装液系数变小，不能有效利用发酵罐的空间。3、挡板作用：阻止圆周运动，防止产生漩涡，增强湍动和溶氧传质。高度：自罐底起至设计的液面高度止。通常，发酵罐液体在被搅拌时应达到全挡板条件。3、挡板全挡板条件：一定转速下再增加罐内挡板(或附件)搅拌功率仍不变；或者说是达到消除液面漩涡的最低条件。在全挡板条件下，挡板的个数和宽度有如下关系式：挡板宽度一般取0.1-0.12D；挡板4-6块。挡板与罐壁间隙：0.1-0.3W若罐内装有竖立的蛇管、通气管、排料管等装置，可不设挡板只有在加挡板困难时才不设挡板4、通气装置（空气分布器）作用：将无菌空气引入发酵罐最简单的型式：单孔管，开口向下，最下层搅拌器正下方空气流速一般取20m/s，在已知流量的条件下可求出管的内径。材质：不锈钢。5、传热装置发酵热大小因微生物种类和发酵时间而异。通常发酵热值为10400-33500kJ/(m3▪h)5、传热装置发酵热不能通过热平衡方程求得，一般靠实测。维持培养液温度恒定不变，测定冷却水进出口温度和冷却水用量，用下式求得：5、传热装置在测定发酵热的过程中，同时可以测出换热器的传热系数K：已知发酵液体积、发酵热、传热系数、平均温度差后，就可以确定所需的传热面积。5m3以下：夹套，传热系数115-175W/(m2▪K)5m3以上：蛇管，传热系数350-520W/(m2▪K)6、机械消沫装置泡沫的产生与危害消除方法：化学消泡剂；机械消泡装置机械消泡装置：耙式消泡桨、涡轮消泡器、旋风离心和叶轮离心消泡器、碟片式消泡器、刮板式消泡器。置于发酵罐顶部外面，利用离心力将泡沫粉碎，适用于不易染菌的发酵过程7、尾气处理装置基因工程菌发酵的尾气须经处理后才能排放处理方法类似于进罐空气的除菌方法。涡轮分离器：低压分离水雾和泡沫(分离效率99.99%)，处理后升温10-15℃使相对湿度降至60%，再通过滤芯除菌。8、轴封作用：防止染菌和泄漏常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。端面轴封的优点：清洁，密封可靠，使用时间长等。大型发酵罐常用的轴封为双端面机械轴封9、附属系统视镜等9、附属系统变速装置电动机额定转速较高，需要通过变速器降低转速9、附属系统轴承搅拌轴较长，易扭弯，需要安装中间轴承或底轴承以防止搅拌轴下部摆动过大9、附属系统联轴器将两个独立的轴联在一起，进行运动和功率的传递。9、附属系统联轴器使搅拌轴由足够的支承间距，保证操作时搅拌轴下端的偏摆量不大。习题二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐轴为下伸入方式，不需要空气压缩机，利用改变搅拌的形式，在搅拌过程中自行吸入空气的发酵罐。应用：抗生素、酵母发酵结构：大致与通用式发酵罐相同。区别在于搅拌和通气装置。关键部件：带有中央吸气口的搅拌器二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐工作原理：当叶轮高速旋转时，叶片与三棱形平板间的液体被甩出并形成局部真空，通过吸入管将罐外的空气吸入罐内，并与告诉流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵罐的主体。二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐常用搅拌器：带有固定导轮的三棱空心叶轮。直径(d)为罐径的1/3，叶轮上下各有一块三棱形平板，在旋转方向的前侧夹有叶片。四弯叶自吸式叶轮定子(导轮)叶轮和定子六直叶自吸式叶轮二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐优点：(1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积。(2)溶氧速率高，溶氧效率高、能耗较低。(3)生产效率高、经济效益高。缺点：负压吸入空气，发酵系统不能保持一定的正压，较易产生杂菌污染。同时，必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐(1)高径比：为保证较高的吸风量，发酵罐的高径比H/D不宜取大。罐容增大时，H/D应适当减少，以保证搅拌吸气转子与液面的距离为2～3m。对于黏度较高的发酵液，为了保证吸风量，应适当降低罐的高度。二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐(2)转子与定子：三棱叶转子直径较大，低转速时可获得较大的吸气量，当罐压在一定范围内变化时，其吸气量也比较稳定，吸程(即液面与吸气转子距离)也较大，但所需的搅拌功率也较高。吸风管的空气流速达到12～15m/s。二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐(2)转子与定子：三棱叶叶轮直径D一般等于发酵罐直径的0.35倍。为提高溶氧，可减少转子直径，适当提高转速。二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐(2)转子与定子：四弯叶转子的特点是剪切作用较小，阻力小，消耗功率较小，直径小而转速高，吸气量较大，溶氧系数高。叶轮外径和罐径比为1/8-1/15，叶轮厚度为叶轮直径的1/4-1/5。有定子的叶轮比无定子的叶轮流量和压头均增大。D/L＝5，

D/r＝2.5，

定子厚度B＝(0.25~0.2)D，

定子直径d’=2D，

定子与转子间距1～2.5mm。二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐自吸式搅拌发酵罐(温州)二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐喷射自吸发酵罐。溢流喷射自吸式发酵罐的通气是依靠溢流喷射器，其吸气原理是液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气作用。规模可达2000m3二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐喷射自吸发酵罐。二、其他类型发酵罐(一)自吸式发酵罐喷射自吸发酵罐。二、其他类型发酵罐(二)气升环流式发酵罐气升式发酵罐(ALR)也是应用最广泛的生物反应设备。气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等气升内环流气液双喷射气升环流多层空气分布板的气升环流二、其他类型发酵罐(二)气升环流式发酵罐工作原理：无搅拌器，有导流筒，发酵液分为上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），上升区下部安装空气喷嘴或环型空气分布管，空气分布管的下方有许多喷孔。加压的无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，从空气喷嘴喷入的气速可达250~300

m/s，无菌空气高速喷入上升管，通过湍流作用使空气泡分割细碎，供给溶解氧。由于导流筒内形成的气液混合物密度降低，加上压缩空气的喷流动能，因此使导流筒内的液体向上运动；到达反应器上部液面后，一部分气生泡破碎，二氧化碳排出到反应器上部空间，而排出部分气体的发酵液从导流筒上边向导流筒外流动，导流筒外的发酵液因气含率小，密度增大，发酵液则下降，再次进入上升管，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。环型空气分布管二、其他类型发酵罐(二)气升环流式发酵罐优点：(1)反应溶液分布均匀(气液固)。(2)较高的溶氧速率和溶氧效率：体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高，且溶氧功耗相对低。例如一台25m3的ALR，溶氧速率2-8kg/(m3▪h)，效率达1-2kg(O2)／(kW▪h)。(3)剪切力小，对生物细胞损伤小，尤其适合植物细胞及组织的培养。二、其他类型发酵罐(二)气升环流式发酵罐优点：(4)传热良好：好气发酵均产生大量的发酵热，如酵母培养旺盛期发酵热高达3.0-4.0×105kJ／(m3▪h)，而传热温差则只有几度(℃)，尤其夏季，若使用非冷冻水，则只有3-10℃左右，故需很大的换热面积与传热系数。气升式反应器因液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热以控制适宜的发酵温度。二、其他类型发酵罐(二)气升环流式发酵罐优点：(5)结构简单，易于加工制造：气升式反应器罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，所以加工制造方便，设备投资低。同时大型和超大型发酵反应器放大设计制造也已实现，如国际上著名的ICI压力循环发酵罐体积达