微生物细胞的固化培养专家讲座.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,A higher cell concentration in the immobilised bioreactor prevents the microbial population from completely washing out.,微生物细胞的固化培养专家讲座,第1页,生物膜生物反应器,填充床,流化床,生物转盘,生物催化剂在反应器中分布方式,膜反应器,生物团块反应器,空心纤维反应器,微生物细胞的固化培养专家讲座,第2页,固定化细胞反应器类型,：,(一),填充床反应器,(,PBR,),(二),连续搅拌罐反应器,(,CSTR,),(三),流化床反应器,(,FBR,),(四),转盘式反应器,(五),空心纤维反应器,微生物细胞的固化培养专家讲座,第3页,(一)填充床反应器(PBR),填充床反应器,，又称,固定床反应器,，是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。反应过程中，,床层静止不动，流体经过床层进行反应,。填充床反应器已经被广泛研究用于工业化生产，,其优点在于，便于,反应物与催化剂接触及产物与催化剂分离,，可连续生产。,与搅拌式反应器相比，催化剂稳定性很好，可重复利用,，适于长时间工业化生产。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第4页,缺点：传质、传热以及氧气,传输系数相对较低,(,加上循环装置能够适当改进)，固定化细胞颗粒大小会影响,压降,和内扩散阻力(颗粒大小应尽可能均匀)，当,反应液中含有颗粒物质时，易引发堵塞现象,。,当前填充床反应器成功应用例子：包埋法固定化大肠杆菌生产天冬氨酸、固定化重组酵母生产木糖醇，固定化镰刀菌孢子转化青霉素为6-氨基青霉素烷酸(6-APA)等。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第5页,流体在管中流动时因为能量损失而引发压力降低。这种能量损失是由流体流动时克服内摩擦力和克服湍流时流体质点间相互碰撞并交换动量而引发，,表现在流体流动前后处产生压力差,，即,压降,。,压降大小,伴随管内流速改变而改变,。,微生物细胞的固化培养专家讲座第6页,微生物细胞的固化培养专家讲座,第7页,(二)连续搅拌罐反应器(CSTR),优点：,搅拌罐反应器,混合度好，易于放大,缺点,：搅拌产生较大,剪切力,，轻易,对固定化细胞造成破坏,.,经过,增强固定化颗粒强度或改变搅拌方式,可部分处理这一问题，另有改进方法,将固定化颗粒装于一定框架内,，既便于反应液混匀，又降低对固定化细胞损伤。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第8页,这种反应器,适合于有底物抑制,情况。当反应进行至符合生产要求时，可用过滤等方法将固定化细胞从反应液中分离出来，重复利用与回收。搅罐反应器对于间歇式、连续式或半连续式操作都适用。CSTR开放式结构,便于更换固定化生物催化剂，也便于温度和pH控制,。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第9页,机械搅拌型微生物细胞生物反应器(通用型),主要由壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和从属系统等组成。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第10页,流化床反应器是一个利用,气体或液体经过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态,，并进行气固相反应过程或液固相反应过程反应器。在用于,气固系统时，又称沸腾床反应器。,流化床反应器部分克服了填充床反应器缺点。,(三)流化床反应器(FBR),微生物细胞的固化培养专家讲座,第11页,它利用流动底物溶液使固定化细胞颗粒在反应器内猛烈搅动，因为,混合程度高,，使得,传质和传热情况良好且不会堵塞,。不过流化床反应器操作难，难于扩大生产规模，且费用较高。流化床反应器,适合用于底物是粘性或颗粒性物质，或反应需供气、排气情况,。因为底物流动速度较大，流化床反应器不适合用于需停留时间长反应。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第12页,微生物细胞的固化培养专家讲座,第13页,Comparing fluidised bed and fixed reactors,Fluidised bed reactors are considerably more efficient than fixed bed reactors for the following reasons:,(1),A high concentration of cells can be immobilized in the reactor due to the larger surface area for cell immobilization is available,(2),Mass transfer rates are higher due to the larger surface area and the higher levels of mixing in the reactor.,(3),Fluidised bed reactors do not clog as easily as fixed bed reactors.,微生物细胞的固化培养专家讲座,第14页,微生物细胞的固化培养专家讲座,第15页,(四)转盘式反应器,这是一个很有特色生物反应器。,Blain等人将,丝状真菌菌丝体生长在一组垂直排列、能够旋转聚丙烯圆盘表面组成固定化细胞生物反应器，,可用于固定丝状真菌。,居乃琥对此加以改进，,将含有吸附能力各种微生物细胞，生长在多孔不锈钢丝网盘和泡沫塑料盘上。菌体在接种后，能很快附着在盘表面，并经过空隙，深入到多孔盘内部，形成均匀菌膜,。在电动机带动下，多孔盘以一定速度,时而进入液体，时而进入空气,。所以，非常适合固定好氧丝状真菌、放线菌等。能够防止它们在传统深层发酵中，形成,非牛顿型液体,，造成气液质传困难。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第16页,牛顿流体及非牛顿流体：,科学家牛顿发觉，一些液体流动时切应力与切变率D之比为常数，即：=/D，水和油都是遵照上述规律液体。这一公式就是牛顿粘度定律。其中，为液体粘度。粘度是液体流动时内摩擦或阻力量度。单位为Pa.s或mPa.s(帕斯卡.秒),遵照牛顿粘性定律液体称为牛顿流体，凡是流体运动时，其切变率D与切应力不成线性关系流体称为非牛顿流体。,牛顿流体为没有颗粒混合单一流体,，就全血而言，它是血细胞和血浆混合物，所以，,全血不符合牛顿流体公式，它不是牛顿流体，而血浆可视为牛顿流体范围。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第17页,转盘式生物反应器：,固定泰国根霉(Rhizopus thailandcnsis)和泡盛曲霉(Aspergillus awamori)连续生 产糖化酶；,固定土曲霉(Aspergillus ferrous)连续生产衣康,酸及固定金黄链霉菌(Streptomyccs aurcofaciens)连 续生产四环素。,采取这种固定化细胞生物反应器，糖化酶活力、农康酸和四环素浓度，以及单位反应器生产率，都比传统发酵法和普通固定化方法高。,试验结果表明，该反应器含有以下优点：,(1)易于供给氧气。(2)细胞浓度高。(3)发酵液粘度低。(4)所需能量低。(5)操作成本低。,其它研究者们最近也陆续研制了一些转盘式反应器。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第18页,(五)空心纤维反应器,用含有半透性空心纤维填充反应器，是一个很有用反应器。这种空心纤维,只能让反应物和产物经过，而不让完整细胞经过,。空心纤维在一定反应器体积中提供,很大催化剂表面积,。使用透性不一样空心纤维，能够改变反应器选择性能。空心纤维在反应器系统中，可按不一样方式排列。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第19页,微生物细胞的固化培养专家讲座,第20页,生长细胞型,杂交瘤细胞、淋巴细胞、肝癌细胞、结肠癌细胞、乳腺组织细胞、小鼠细胞、大鼠细胞、垂体肿瘤细胞、CHO细胞、BHK-2细胞、肺细胞等,分泌产物,EgG、lgM、lgA、干扰素、激素、尿激酶、蛋白质C、病毒蛋白、乙型肝炎表面抗原、T抑制因子、促细胞生长素、白细胞介素等,中空纤维管生物反应器培养细胞和取得分泌产物,微生物细胞的固化培养专家讲座,第21页,我们主要依据工艺要求和条件来选择反应器类型。以下原因将显著地影响反应器类型选择：,1细胞存活力需要,2载体基质类型及固定化方法,3底物性质,4,工艺操作方面需要,5,催化剂更换和再生难易程度,微生物细胞的固化培养专家讲座,第22页,(一)细胞存活力要求,对于一些系统来说，,不需要供氧，也没有气体产物，,所以,使用填充床反应器,最为适当另外依据催化剂负载量要求，其它类型反应器，如空心纤维反应器，也能够选择。假如,要求细胞含有存活力，或者能生长,，,那么，供氧就很主要,，可,选择带有充气流化床反应器,。假如,要排除大量CO,2,，能够选择倾斜式填充床。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第23页,我们主要依据工艺要求和条件来选择反应器类型。以下原因将显著地影响反应器类型选择：,1细胞存活力需要,2载体基质类型及固定化方法,3底物性质,4,工艺操作方面需要,5,催化剂更换和再生难易程度,微生物细胞的固化培养专家讲座,第24页,(二)载体类型,普通说来，在任何一个反应器中均可使用颗粒状催化,剂在,填充床反应器中，多使用膜状或纤维状载体,在,流化,床反应器中，能够使用含有适当密度小珠形载体,。而在,空心纤维反应器或超滤反应器中就需要使用表面积大载体,。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第25页,我们主要依据工艺要求和条件来选择反应器类型。以下原因将显著地影响反应器类型选择：,1细胞存活力需要,2载体基质类型及固定化方法,3底物性质,4,工艺操作方面需要,5,催化剂更换和再生难易程度,微生物细胞的固化培养专家讲座,第26页,(,三)底物性质,假如底物是,单相、清洁、不带颗粒状杂质液体，能够有效地应用填充床反应器,。对于,胶状或颗粒状底物，CSTR或流化床反应器,更为适合。,假如希望气体和液体充分 混合，可使用流化床反应器或CSTR,，至于选取其中那一个，这要依据生物催化剂抗剪切力情况来决定。,微生物细胞的固化培养专家讲座第27页,我们主要依据工艺要求和条件来选择反应器类型。以下原因将显著地影响反应器类型选择：,1细胞存活力需要,2载体基质类型及固定化方法,3底物性质,4,工艺操作方面需要,5,催化剂更换和再生难易程度,微生物细胞的固化培养专家讲座,第28页,(四)工艺操作要求,为了取得最高生产率，,一些工艺需要严格控制pH和温度在这些情况下，选取CSTR最为适当,，假如,要求很高面积与体积比，能够选取空心纤维反应器,。假如,供氧是主要，能够选取流化床反应器或CSTR,。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第29页,我们主要依据工艺要求和条件来选择反应器类型。以下原因将显著地影响反应器类型选择：,1细胞存活力需要2载体基质类型及固定化方法,3底物性质,5工艺操作方面需要,6催化剂更换和再生难易程度,微生物细胞的固化培养专家讲座,第30页,(六)生物催化剂更换和再生程度,在一个单酶系统中，假如生物催化剂寿命很短，就要经常更换生物催化剂，,在CSTR中，更换催化剂很轻易,而在填充床反应器中，必须停顿反应才能更换。当然，对于活固定化细胞来说，,也能够用向反应器输送营养物质方法使生物催化剂复壮,假如是这么，选取填充床或流化床也是适当。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第31页,(一)在工业方面应用,1糖类,利用固定在细胞内葡萄糖异构酶生产高果糖浆，是固定化细胞在工业方面应用规模最大、产值最高一项。现在有些人将糖化酶与含葡萄糖异构酶链霉菌一起共固定，直接由糊精或淀粉生产高果糖浆，也有些人将糖化酶与含 一淀粉酶细菌、霉菌或酵母细胞一起共固定，直接利用淀粉生产葡萄糖。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第32页,2 酒精类,生产酒精是国内外固定化细胞应用于工业生产方面研究最活跃最深人领域之一。使用菌种普通是酿酒酵母。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第33页,3氨基酸、多肽和有机酸,L一天门冬氨酸是最早用固定化细胞在工业上大规模生产氨基酸。用于固定大肠杆菌细胞方法有聚丙烯酰胺凝胶法、琼脂糖凝胶包埋法、明胶一戊二醛交联法和卡拉胶固定法等,利用固定化细胞生产有机酸有L一苹果酸、柠檬酸、乳酸、衣康酸、葡萄糖酸等,微生物细胞的固化培养专家讲座,第34页,4抗生素,6一氨基青霉烷酸(6-APA)是固定化细胞用于抗生素生产方面最为成功实例中国科学院生物化学研究所和中国科学院微生物研究所各自采取不一样固定化方法，实现了APA连续生产,微生物细胞的固化培养专家讲座,第35页,(二)在医学方面应用,固定化细胞在医学方面应用，当前主要用于,人工器官一人工胰和人工肝,。,Sun报道，用,高纯海藻酸钙凝胶包埋胰岛细胞，然后用聚L一赖氨酸覆膜，再用海藻酸钠处理，制成微囊化胰岛细胞，可用于大白鼠糖尿病治疗研究,。,在疾病诊疗方面，主要利用由,固定化细胞制成生物传感器测定各种化合物,，如血糖、尿酸、胆固醇、肌酐、氨基酸等。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第36页,(三)在环境保护和能源开发方面应用,固定化细胞在环境保护方面应用，包含,环境监测和处理工业废水,两个方面。,在环境监测方面，主要是利用生物传感器检测,BOD,和各种有毒化合物,在工业废水处理方面研究非常活跃,当前大多利用在填充床或流化床反应器内由混合菌种在载体表面上形成生物膜。,不过，最近也有些人用微囊法包埋纯种微生物细胞来处理工业废水，最近研究热点在于,利用固定化细胞使工业废水发生硝化作用。反硝化作用、破坏和分解酚、苯等芳香族化合物。,不过，也有些人研究从废水中除去可溶性有机物质以及,利用固定化微生物细胞作为吸附剂，从废水中除去重金属物质,微生物细胞的固化培养专家讲座,第37页,BOD（Biochemical Oxygen Demand简写）：,生化需氧量或生化耗氧量(五日化学需氧量)，表示水中有机物等需氧污染物质含量一个综合指示。说明水中有机物因为微生物生化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧总数量。,微生物细胞的固化培养专家讲座,第38页,Thank you,微生物细胞的固化培养专家讲座,第39页,