第五章 生物反应器

第五章

生物反应器

01生物反应基本知识02培养基预处理设备03发酵罐04动植物细胞培养设备目

录第一节

生物反应基本知识§5-1生物反应基本知识知识目标：1.掌握生物反应的定义；2.了解细胞生长模式及简单培养条件；3.了解生物反应器的基本类型。技能目标：1.能够运用生物反应的基本特征等知识，会正确选择生物反应器的类型；2.熟练应用所学的理论知识，解决实际生产操作问题。一、生物反应过程

生物反应在狭义上是指活细胞中的各种生物化学反应。广义的生物反应是指生物体的新陈代谢过程。（一）概述1.生物反应一、生物反应过程2.影响生物反应的因素

环境温度、酸碱度、营养物质浓度、氧气浓度、二氧化碳浓度、机械尺寸、流体湍流程度、细胞的生长浓度、产物的生成速度等一、生物反应过程3.生物药物的产生细胞在新陈代谢过程中不断地同化物质和能量，并异化自身物质。细胞的分解产物，部分能用于人类疾病的诊断、预防和治疗，称之为生物药物。一、生物反应过程

另外，细胞在生命活动过程中对环境物质进行了转化，部分转化产物也是生物药物；还有用酶工程技术转化后的部分产物也是生物药物。（二）分批培养中的细胞生长模式

将培养基一次性投入反应器中，接入细胞并维持细胞生长的过程叫分批培养。

在分批培养过程中，随着时间的延长，营养物逐渐被消耗，新的细胞不断增加，产物的数量在逐渐累积，细胞生长过程处于动态变化的环境中。一、生物反应过程减速生长期指数生长期分批培养细胞生长的几个阶段停滞期

加速生长期平衡生长期负生长期一、生物反应过程

接种后，细胞需要适应环境后才开始加速生长，随后增长速度不断加快，以指数的数量关系扩大繁殖。但随着时间的延长，容器内新生细胞增多，细胞的增长速度逐渐降低。

并且部分细胞死亡，扩大繁殖速度减小，死亡速度增大，死亡与生长速度达到平衡。随后死亡速度不断加快，打破平衡后成为负增长，直至培养过程结束。

细胞培养生长曲线二、生物反应器（一）生物反应器的分类进行生物化学反应的空间统称为生物反应器1.生物反应器生物体生物反应器二、生物反应器2.分类（1）按反应器内有机体种类微生物反应器植物细胞反应器动物细胞反应器酶反应器生物反应器二、生物反应器（2）按结构特征罐式反应器管式反应器塔式反应器膜式反应器生物反应器二、生物反应器搅拌式反应器

靠搅拌桨提供液相搅拌的动力，它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性，因此在生物反应中被广泛使用。搅拌式生物反应器用于动物细胞培养存在的最大缺点是剪切力大，容易损伤细胞，虽然经过各种改进，这个问题仍很难避免。二、生物反应器固定床型反应器

把催化剂填充在固定床(填充床)中的反应器叫做固定床型反应器。这一类型反应器是当前工业上使用得最广泛的固定化酶反应器缺点：①温度和pH难控制；②底物和产物浓度会产生轴向分布，易引起相应的酶失活程度也呈轴向分布；③更换部分催化剂相当麻烦；④柱内压降相当大，底物必须加压后才能进入。二、生物反应器流化床型反应器

流化床型反应器具有传热与传质特性好、不堵塞、能处理粉状底物、压降较小需要较高的流速才能维持粒子的充分流态化，而且放大较困难。流化床型反应器二、生物反应器膜式反应器

一类仅适合于生化反应的反应器，该类反应器包括固定化酶膜组装的平板状或螺旋卷型反应器、转盘反应器、空心酶管反应器和中空纤维膜反应器等，其中平板状和螺旋卷型反应器具有压降小、放大容易的优点与填充塔相比，反应器内单位体积催化剂的有效面积较小。二、生物反应器生物反应器在生物制药过程中的作用课堂小结1、生物反应相关知识及影响生物反应的因素。2、微生物培养中的各个阶段及特征。3、生物反应器的种类、使用条件及优点和缺点。第二节

培养基预处理设备§5-2培养基预处理设备知识目标：1.掌握预处理设备及基本类型和功能及操作；2.了解预处理的工艺流程技能目标：1.熟练掌握糖化设备和灭菌设备的操作和注意事项；2.熟练应用所学的理论知识，解决实际生产操作问题。一、淀粉糖化设备1.糊化锅

糊化锅用来加热煮沸淀粉原料使其液化和糊化的设备糊化锅的关键部件有锅盖、锅体、夹套和搅拌器等（一）糊化锅和糖化糊化锅的结构示意图一、淀粉糖化设备

淀粉类原料从下粉管放入锅内溶液中，蒸汽进入夹套释放热量成冷凝水排出，锅内产生的水蒸气沿升气管上升，部分蒸汽形成冷凝水沿升气管内壁流入环型槽后由排水管排出，为防止锅内局部过热，开启电动机对溶液进行搅拌，促使溶液体系受热均匀。糊化锅的工作过程一、淀粉糖化设备1.淀粉糖化过程

糊化

糖化

单糖

糊化阶段，淀粉水解转化成糊精；在糖化阶段，糊精被淀粉糖化酶转化成单糖或二糖。（二）双酶制糖工艺一、淀粉糖化设备

双酶制糖工序有调浆、液化、糖化和过滤。生产设备主要有糊化锅、糖化喷射器、维持罐、冷却装置等。2.双酶制糖工艺流程双酶制糖工艺示意图二、培养基灭菌设备蒸汽能深入到液体内部，并迅速穿透细胞壁，使细胞整体升温，致使细胞内蛋白质凝固失去生物活性，从而终止了细胞的新陈代谢过程。1.加热灭菌原理细胞结构图（一）培养基灭菌设备二、培养基灭菌设备2.蒸汽灭菌锅的结构高压蒸汽灭菌锅二、培养基灭菌设备高压蒸汽灭菌锅由内锅、外锅、门盖、压力表、温度计、排气阀、安全阀、电热管等部件构成。

高压蒸汽灭菌锅结构示意二、培养基灭菌设备3.高压蒸汽灭菌锅的操作与维护（1）使用前应清洗干净，进气阀及排气阀有效，加注水。（2）装入灭菌物品：间隔合适，扣上门盖，旋紧密封。（3）预热及排气：加热升温，排除冷空气，当排气阀有蒸汽排出时，关闭排气阀。（4）升压保温：待蒸汽压力升至额定值时，调节热源，或者微开排气阀，使锅内蒸汽压力恒定在额定值。维持规定时间后，停止加热。（5）取出灭菌物品：缓慢排气，待其压力下降至零时，方可打开取物。二、培养基灭菌设备1.连消塔全塔高2～3m，由蒸汽导管和外套管组成。蒸汽导管上开设有很多小孔，小孔的分布呈下密上疏，蒸汽可从小孔中喷出。小孔的总截面积等于或小于导入管的截面积。（二）连续加热设备连消塔工作原理二、培养基灭菌设备蒸汽和培养液在喷射器的吸入室中混合均匀，在喉管和扩大段进一步混合均匀后排出。2.喷射器

蒸汽喷射器二、培养基灭菌设备3.维持罐结构主要由筒体、夹套、进料管、出料管、排尽管和测温口组成。

维持罐设计安装有无菌呼吸口，以保证外界微生物不能进入维持罐内。维持罐的有效体积应能满足维持时间8～25的需要，填充系数为85%～90%。维持罐二、培养基灭菌设备待灭菌的培养基由泵送入连消塔的底部，料液在此被蒸汽加热到灭菌温度，再由顶部流出，进入维持罐，停留一定时间后，再送入喷淋冷却器，冷却至常温。连消塔加热连续灭菌流程

连续灭菌流程二、培养基灭菌设备当蒸汽从喷嘴中高速喷出时，与生培养液瞬间混匀并将其加热到灭菌温度。混合液进入维持段管道中继续保温灭菌，管道越长灭菌时间也越长，可根据培养基的性质和灭菌要求确定管道的长度。灭菌后的培养基经过膨胀阀进入真空冷却器瞬间冷却。喷射加热连续灭菌流程二、培养基灭菌设备

灭菌后的培养基经过膨胀阀进入真空冷却器瞬间冷却二、培养基灭菌设备喷射加热连续灭菌流程是目前常用的培养基灭菌方法，其特点是加热、冷却过程极为短暂，所以将温度升高到140℃而不引起培养液的严重破坏。因维持设备是管道，如果设计合理，则返混程度很小，可保证物料的先进先出，避免了培养基在灭菌过程中局部过热或灭菌不充分的现象发生。课堂小结1、淀粉糖化设备的结构及原理。2、培养基灭菌相关知识。3、常用工厂大规模连续加热/灭菌设备。第三节

发酵罐§5-3发酵罐知识目标：1.掌握发酵罐的类型和特点；2.了解不同类型发酵罐的优缺点。技能目标：1.熟练掌握和运用各种发酵罐的优缺点及使用注意事项等相关知识；2.掌握发酵过程需要监控的参数；3.了解发酵罐参数检测仪器。4.能够熟练运用发酵罐参数检测仪器的种类和使用注意事项等相关知识；5.熟练应用所学的理论知识，解决实际生产操作问题。第三节、发酵罐

发酵罐是微生物大量生长繁殖的空间，是一类重要的生物反应器。发酵罐厌氧式发酵罐不需要通入氧气好氧式发酵罐需要通氧气好氧发酵罐机械搅拌通风发酵罐气升式发酵罐自吸式发酵罐鼓泡塔式发酵罐一、机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐的主要部件有罐体、搅拌器、挡板、空气分布器、换热器、消泡器、人孔、视镜等。

机械搅拌通风发酵罐的结构一、机械搅拌通风发酵罐1.罐体罐体是空心圆柱体上下两底焊接封头后所构成的容器。圆柱体高径之比为1.7～3。罐体一般采用卫级不锈钢，要求能耐受130℃的高温和的绝对压力。封头上设置有进料管、无菌呼吸口、接种管、人孔、视镜、压力表和取样管等。罐侧壁上设计有各种检测仪器接口以及换热器的进出口。无菌压缩空气从罐底部通入，经空气分布管进入发酵液。一、机械搅拌通风发酵罐2.搅拌器搅拌器安装在搅拌轴上，起着将空气分散成气泡并与发酵液充分混合，提高溶氧速率的作用。搅拌器的叶轮有多种形式，有涡轮式和螺旋桨式两种。（1）涡轮式搅拌器

中央圆盘上设置六个叶片，可分为平叶式和弯叶式两种。

涡轮结构示意一、机械搅拌通风发酵罐（2）螺旋桨式搅拌器采用类似螺旋推进器的结构，在发酵罐内形成由下向上的轴向螺旋运动。

螺旋搅拌桨一、机械搅拌通风发酵罐（3）两类搅拌器的搅拌效果

两种搅拌器一、机械搅拌通风发酵罐可产生较强的涡流扩散效果，气泡分散性好，但主体对流混合较差，容易产生层流。涡轮式搅拌器可在轴向产生较好的主体对流混合，但涡流扩散效果较差，即气泡分散性较弱。螺旋桨式搅拌器

两类搅拌器组合使用，既强化气泡的分散，又增强了发酵液的整体混合效果。一、机械搅拌通风发酵罐3.轴封连接搅拌器的搅拌轴在电动机的驱动下转动，搅拌轴与罐体间的缝隙通过轴封实现密闭。发酵罐上常采用端面机械轴封。端面机械轴封由动环和静环构成动环由碳化钨钢制成，静环由聚四氟乙烯制成动环和静环具有导热性能好，摩擦系数小等特性。一、机械搅拌通风发酵罐

动环和静环一、机械搅拌通风发酵罐4.空气分布器通常有单管式和环管式两种结构，管上密布了直径约2～3㎜的喷气孔，其作用是使空气分布均匀。单管式是大型发酵罐中经常采用的形式，管口正对发酵罐的底部，与罐底距离约40㎜。环管式结构简单，由一根环形管道制成，其上也分布有喷气孔，常固定在罐体底部，其喷气孔应向下，以减少发酵液在分布管上滞留。一、机械搅拌通风发酵罐5.消泡器通气搅拌条件下的发酵经常会产生大量的泡沫，严重时会导致发酵液外溢，增加染菌机会。消泡法化学消泡法机械消泡法

耙式消泡器涡轮消泡器

离心式消泡器

耙式和涡轮式消泡器安装在罐内上部，离心式消泡器则安装于发酵罐的排气口处。

一、机械搅拌通风发酵罐耙式消泡器涡轮消泡器

消泡器一、机械搅拌通风发酵罐6.换热器换热器有夹套式和竖管式两种。小型罐采用夹套式，以减少罐内的结构，但传热效果差。大型罐中，常采用竖管式，分组对称安装在罐内壁上。依据竖管的排列结构，可分为蛇管和列管等形式。

竖管式换热器二、气升式发酵罐气升式发酵罐由罐体、导流筒、循环管、空气喷嘴等部件组成。在气升式发酵罐中没有机械搅拌器及相关装置，采用高速气流和密度差带动发酵液流动、混合。有环流式、鼓泡式、空气喷射式等气升发酵罐。按发酵液流动方式，环流式发酵罐又可分为内循环和外循环两种。内循环方式中，又有中央导流筒式和双带导流式二、气升式发酵罐1.气升式发酵罐结构

气升式发酵罐二、气升式发酵罐

洁净空气以250～300m/s，的速度从喷嘴喷出，并以气泡的形式分散于液体中。含大量气泡的发酵液沿循环管上升。在上升过程中，气泡中的氧气溶解于发酵液内，过量的气泡在罐的顶部释放出来，发酵液气含率下降，形成富含溶氧和较少气泡的液体。由于发酵罐上部液体气泡少密度大，下部液体气泡多密度小，在密度差和重力作用下，上部液体沿循环管下降，下部液体上升，形成发酵液在发酵罐内的循环流动，空气喷嘴高速喷出的空气也推动发酵液沿循环管流动。二、气升式发酵罐

气升式发酵罐的优点是结构简单、能耗低、液体中的剪切作用小。在同样的能耗下，氧的传递能力比机械搅拌式发酵罐要高得多。气升式发酵罐不适用于黏度高或固含量大的发酵液。

气升式发酵罐三、自吸式发酵罐

不需要压缩空气，利用特殊的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置，将无菌空气吸入罐中，同时实现发酵液的混合与溶氧传质。

自吸式发酵罐三、自吸式发酵罐

自吸式发酵罐三、自吸式发酵罐搅拌器的关键部件是吸气转子，吸气转子由三棱空心叶轮与固定导轮组成，搅拌轴为中空，与进气管相连，在电动机的驱动下，轴上的空心叶轮快速旋转，液体被甩出，在叶轮中心形成负压，将罐外的无菌空气吸到罐内。随着叶轮的转动，吸入的气体在叶轮周围分散成细碎的气泡，形成了强烈的气液湍流，气泡中的氧气随之扩散到发酵液中，在搅拌的同时完成了氧气的溶解过程。自吸式发酵罐的结构和工作原理三、自吸式发酵罐优点：抽吸力不强，吸程不高，适用于对氧气需要量较低的醋酸和酵母的发酵生产。机械搅拌自吸式发酵罐的叶轮转速较高，在转子周围形成较强烈的剪切区，不适用于对剪切力敏感的微生物。缺点：气液固三相混合均匀，分散度高，溶氧速率高，传热性能好，结构简单，附属设施少，投资省，能耗低。四、鼓泡塔式发酵罐

鼓泡塔式发酵罐由塔体、筛板、空气分布器、降液管组成

鼓泡塔式发酵罐四、鼓泡塔式发酵罐泡塔式发酵罐的高径比约为7左右，罐内安装有筛板和空气分布器，降液管具有液封的作用。压缩空气由罐底导入，经空气分布器后，穿过筛板气孔，逐板上升。发酵液充满塔体。在空气泡上升的过程中，密度小的含气发酵液也随之上升，上升后的发酵液释放空气泡，密度增大，在密度差和重力作用下又沿降液管下降，从而形成循环。空气泡的上升和发酵液的循环流动，产生气液混合效果，促进了氧气的溶解。四、鼓泡塔式发酵罐鼓泡式发酵罐省去了机械搅拌装置，造价低，又不会产生液封导致的染菌问题，因而使用范围较广。如果培养液浓度适宜，操作得当，在不增加空气流量的情况下，基本上可达到通用发酵罐的发酵水平。生物反应是一个动态的过程，随着反应的进行，营养成分、新的细胞以及代谢过程产物等因素都在改变。必须对反应过程进行监控，适时调节各参数。需要监控的内容:①物理参数，包括温度、压力、搅拌速度等；②化学参数，包括液相pH、氧气和二氧化碳的浓度；③生化参数，生物体量、生物体营养和代谢产物浓度等。五、发酵罐控制系统五、发酵罐控制系统在线检测:将检测仪器安装在系统中直接测试生产过程各参数的过程发酵过程在线检测仪器:温度传感器、pH电极、溶氧电极、转速测定仪等1.发酵液中温度的调控温度传感器感应罐内温度，将信号传递至温度控制仪，经与设定温度进行比较后，由温度控制仪发出调节信号，冷却水阀门和加热装置相机动作，调节发酵液温度。（一）发酵控制系统五、发酵罐控制系统

温度控制系统五、发酵罐控制系统2.发酵液中pH的调控发酵罐pH的控制是依靠向罐内滴加酸或者碱来完成。

pH电极感知酸碱性，以电信号传递到放大控制仪，启动并控制酸、碱泵动作，向罐内滴加酸、碱液，实时调节发酵液pH值。五、发酵罐控制系统图5-25酸度控制系统五、发酵罐控制系统3.发酵液溶氧浓度的调控发酵过程中通过改变参数影响溶氧的可变因素主要是搅拌转速和通气量。罐压影响发酵液中溶氧浓度。在发酵过程中，通过调节控制通风量和搅拌转速的方法达到对溶氧浓度的调控。五、发酵罐控制系统

溶解氧控制系统（1）五、发酵罐控制系统溶解氧控制系统（2）五、发酵罐控制系统条件：无污染BECDA耐高压F反应灵敏快速结构简洁无死角选择性高耐腐蚀耐高温（二）发酵罐的检测仪器五、发酵罐控制系统1.温度计培养基灭菌和发酵过程温度的检测范围是0—150℃热电偶半导体热敏电阻铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器是当前生物反应器的标准配置。铂金属的电阻值与温度的变化成正比关系，具有精度高、稳定性强，输出线性好的优点。图5-28温度传感器五、发酵罐控制系统2.压力表发酵罐一般采用隔膜式压力表。为了便于远距离监控，常把压力表上的压力信号转换成电信号。

压力表五、发酵罐控制系统3.pH电极

发酵罐pH值检测电极是玻璃氢电极，是复合电极。在使用玻璃电极时要加装不锈钢保护套，电极与发酵罐壁之间使用“O”形环密封。PH电极及安装套件五、发酵罐控制系统PH电极PH监控显示屏五、发酵罐控制系统4.溶氧浓度（Do）电极

原电池溶氧电极采用一对不同金属材质制作的两个电极，将其浸没在发酵液中，溶解氧得电子所产生的电流强度与氧气的浓度成正比，电信号经变送器输送，并在显示器上显示出溶解氧浓度。有原电池溶氧电极和极谱溶氧电极

溶氧电极五、发酵罐控制系统原电池电极在测量之前无需预热就可对溶液中的溶解氧浓度改变作出快速响应，系统只需40～50秒就可以达到实际读数的95％。

极谱溶氧电极采用金、铂等金属和Ag/AgCl构成的电解池系统，需要在电极两端加上一恒定的极化电压。当氧分子渗透过隔膜后，在阴极被还原，从阳极到阴极的电流与电解液中溶解氧的浓度成正比。五、发酵罐控制系统

溶氧电极在使用前，必须进行原位标定。在发酵罐的安装位置上，取发酵过程中最大和最小的氧饱和条件作为溶氧值的零及饱和浓度条件进行校正称为原位校正。

溶氧电极五、发酵罐控制系统5.消泡电极

常用的消泡电极有电容电极和电阻电极。电容电极由两部分组成，分别安装于罐内反应液的上方，当泡沫出现时，在两个电极之间产生与泡沫量呈正比关系的电容变化，从而可以定量测出泡沫量；电阻电极利用泡沫与电极接触构成电流回路的特点来检测泡沫，只能定性检测泡沫的生成与否。

消泡电极五、发酵罐控制系统6.流量计测定酸、碱和培养基的流量时，采用是椭圆齿轮流量计和科里奥利质量流量计，流量信号可转换成电信号而被显示。

科里奥利质量流量计

椭圆齿轮流量计五、发酵罐控制系统

玻璃转子流量计

检测气体的流量计有质量流量型和体积流量型两类。体积流量型用的是转子流量计，转子流量计可以直接读数，不能输出电信号。五、发酵罐控制系统

热式气体质量流量计

发酵罐中用的质量流量计是热式气体质量流量计。无气体流过时，沿测量管轴向的温度分布左右对称，有气体流过时，进入端的温度降低，流出端温度升高。温度差通过变送器转变为与质量流量成线形关系的电信号，从而获得流量测定值。五、发酵罐控制系统7.尾气成分分析仪发酵罐排放气体含有O2、CO2和其他气体成分。测定O2含量广泛采用的是顺磁氧分析仪。顺磁氧分析仪的工作原理是：O2分子有很强的顺磁性，容易被磁场吸引而造成磁场强度的变化；气体中O2含量越高，气体的磁效应越强。磁效应可以通过抗磁性物体受到的排斥扭力表现出来，两者间具有线性关系，因而可以测出气体中O2含量。CO2含量可以用红外线二氧化碳测定仪测定。图5-38气体成分分析仪课堂小结1、发酵罐的种类及结构。2、不同发酵罐的应用场景及特征和优缺点。3、发酵过程控制的控制参数。4、发酵罐中的检测装置。第四节

动植物细胞培养设备∮5-4动植物细胞培养设备知识目标：1.掌握动植物细胞培养设备种类；2.了解培养设备的优缺点。技能目标：1.能够运用动植物细胞培养设备相关知识进行设备的选择和优劣对比；2.熟练应用所学的理论知识，解决实际生产操作问题。§5-4动植物细胞培养设备

细胞培养是指在体外模拟体内环境（无菌、适宜温度、酸碱度和一定营养条件等），使之生存、生长、繁殖并维持主要结构和功能的一种方法。细胞培养一般只是指细胞的增殖过程，形成的并非动植物的组织，而是一堆细胞。

动物细胞无细胞壁，耐受剪切力弱，动物细胞要贴附在固体或半固体壁上才能生长。动物细胞培养器要能提供大面积的固体壁，在溶氧传质时不产生或产生弱小的剪切力。

适合于动物细胞培养的生物反应器有贴壁培养反应器、悬浮培养反应器和贴壁—悬浮培养反应器。∮5-4动植物细胞培养设备一、动物细胞培养设备（一）培养瓶和膜反应器

1.培养瓶

各种形式的培养瓶一、动物细胞培养设备

滚瓶及培养架2.膜反应器中空纤维膜是半透性多孔膜，氧气与二氧化碳等小分子可以自由地穿过膜进行双向扩散，细胞和其他大分子有机物则不能通过。将成束的中空纤维