动物细胞培养生物反应器.ppt

生物反应器（Bioreactor）定定义义：是人：是人们对们对生物有机体生物有机体进进行有控制的行有控制的培养以生培养以生产产某种某种产产品或品或进进行特定的反行特定的反应应的的容器。容器。1.生物反生物反应应器是器是发发酵工程中最重要的酵工程中最重要的设备设备之一之一原料原料过过程控制程控制热热量量空空压压机机除菌除菌原料制原料制备备预处预处理理灭灭菌菌产产品回收品回收能量能量空气空气生物生物反反应应器器能量能量废废物物产产物物2.20世世纪纪80年代年代生物反生物反应应器在器在专业专业期刊和期刊和书书籍中大量出籍中大量出现现，成，成为为一个一个标标准名称准名称 传统发传统发酵罐酵罐 酶酶反反应应器等器等 固定化固定化酶酶和和细细胞反胞反应应器器 动动植物植物细细胞培养反胞培养反应应器器3.生物反应器类型动动物生物反物生物反应应器器机械机械搅搅拌式反拌式反应应器器气升式生物反气升式生物反应应器器 膜生物反膜生物反应应器器鼓泡塔生物反鼓泡塔生物反应应器器植物生物反植物生物反应应器器4.一一 机械机械搅搅拌式生物反拌式生物反应应器器医医药药工工业业中的第一个大中的第一个大规规模的微生物模的微生物发发酵酵过过程青霉程青霉素生素生产产是在机械是在机械搅搅拌式反拌式反应应器中器中进进行的。且迄今行的。且迄今为为止，止，对对新的生物新的生物过过程，首程，首选选的生物反的生物反应应器仍然是机器仍然是机械械搅搅拌式反拌式反应应器。机械器。机械搅搅拌式反拌式反应应器能适用于大多器能适用于大多数生物数生物过过程，是形成程，是形成标标准化的通用准化的通用产产品。品。5.它是借它是借搅搅拌拌涡轮输涡轮输入混合以及相入混合以及相际传质际传质所需要的功率。所需要的功率。这这种反种反应应器的适器的适应应性最性最强强，从牛，从牛顿顿型流体直到非牛型流体直到非牛顿顿型的型的丝丝状菌状菌发发酵液，都能根据酵液，都能根据实际实际情况和需要，情况和需要，为为之提供之提供较较高的高的传质传质速率和必要的混合速度。速率和必要的混合速度。缺点是机械缺点是机械搅搅拌器的拌器的驱动驱动功率功率较较高，一般高，一般24kw/m3，这对这对大型的反大型的反应应器来器来说说是个巨大是个巨大负负担。担。6.结构机械机械搅搅拌反拌反应应器的基本器的基本结结构包括：筒体，机械构包括：筒体，机械搅搅拌系拌系统统（搅搅拌器、拌器、挡挡板、板、轴轴封、封、联轴联轴器及中器及中间轴间轴承等），通气系承等），通气系统统（空气分散装置），温控系（空气分散装置），温控系统统（换热换热装置），消泡系装置），消泡系统统、pH控制系控制系统统等，并在等，并在筒体的适当位置筒体的适当位置设设置排气、取置排气、取样样、接种、接种、进进出料出料口以及入孔和口以及入孔和视镜视镜等部件。等部件。7.反应器的结构8.几何尺寸几何尺寸H/D=1.74d/D=1/21/3W/D=1/81/12B/D=0.81.0(s/d)2=1.52.5(s/d)3=129.10.11.搅拌器的作用是混合和传质，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（平直叶式、弯叶式、箭叶式）两种。1 搅拌器12.轴向式搅拌器螺旋桨式 桨叶式13.轴向式搅拌器特点结构简单制造方便整体混合效果较好搅拌功率小剪切力小适用于低粘流体的搅拌14.径向式（涡轮式）搅拌器平直叶弯叶箭叶15.径向式搅拌器特点功耗较大局部混合效果较好剪切力较大适用于低粘度至高粘度流体的搅拌16.挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。通常，挡板宽度取(0.10.2)D（罐体直径），装设4 6块即可满足全挡板条件；挡板高度应设计为自罐底到液面高度为止。全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内挡板数量而轴功率仍保持不变。2 挡板17.轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端面机械轴封两种。3 轴封18.填料函式轴封填料函式轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。19.端面式轴封又称机械轴封，可分为单端面机械密封和双端面机械密封。密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。20.单端面机械密封21.双端面机械密封22.小型的反小型的反应应器多采用外部器多采用外部夹夹套作套作为为冷却或加冷却或加热热的的换热换热装置。其装置。其优优点是点是结结构构简单简单、加工容易、反、加工容易、反应应器内无冷却装置、死角少、容易器内无冷却装置、死角少、容易进进行清洗和行清洗和灭灭菌菌工作；缺点是工作；缺点是传热传热壁壁较较厚、冷却水流速低、降温厚、冷却水流速低、降温效果差。效果差。大型的反大型的反应应器器则则多采用反多采用反应应器内装有蛇形管器内装有蛇形管换热换热装置，装置，优优点是管内冷却水流速大、点是管内冷却水流速大、传热传热效率高，效率高，但它需占用反但它需占用反应应器空器空间间，并，并给给反反应应器清洗和器清洗和灭灭菌菌增加了增加了难难度。度。温控系温控系统统23.消泡系消泡系统统发发酵酵过过程中由于程中由于发发酵液中含有大量的蛋白酵液中含有大量的蛋白质质，故在，故在强强烈的烈的通气通气搅搅拌下会拌下会产产生大量的泡沫，生大量的泡沫，严严重重时时，将，将导导致致发发酵液外酵液外溢，增加染菌机会。在通气溢，增加染菌机会。在通气发发酵生酵生产产中有两种消泡方法，中有两种消泡方法，一是加入消泡一是加入消泡剂剂，二是使用机械消泡装置。通常，是两种，二是使用机械消泡装置。通常，是两种方法方法联联合使用。合使用。消泡装置可分消泡装置可分为为两两类类：一：一类类置于罐内，目的是防止泡沫外置于罐内，目的是防止泡沫外溢，它是在溢，它是在搅搅拌拌轴轴或灌或灌顶顶另外引入的另外引入的轴轴（致（致搅搅拌拌轴轴由罐底由罐底深入深入时时）上装上消泡）上装上消泡浆浆；另一；另一类类置于罐外，目的是从排出置于罐外，目的是从排出的气体中分离出溢出的泡沫使之破碎后再将液体部分返回的气体中分离出溢出的泡沫使之破碎后再将液体部分返回罐内。罐内。24.通气系通气系统统通气装置是指将无菌空气通气装置是指将无菌空气导导入罐内的装置。最入罐内的装置。最简单简单的通的通气装置是一气装置是一单单孔管，孔管，单单孔管的出口位于最下面的孔管的出口位于最下面的搅搅拌器拌器的正下方，开口向下，以免培养液中固体物的正下方，开口向下，以免培养液中固体物质质在开口在开口处处堆堆积积。管口与罐底的距离。管口与罐底的距离约为约为40mm。第二种形式是开口向下的多孔第二种形式是开口向下的多孔环环形管。形管。环环的直径的直径约为搅约为搅拌器直径的拌器直径的0.8倍。小孔直径倍。小孔直径约约58mm，孔的，孔的总总面面积积约约等于通等于通风风管的截面管的截面积积。在通气量。在通气量较较小的情况下，气泡小的情况下，气泡的直径与空气的直径与空气喷喷口直径有关。口直径有关。喷喷口直径越小，气泡直径口直径越小，气泡直径越小，氧的越小，氧的传质传质系数越大。但在系数越大。但在发发酵酵过过程中通气量程中通气量较较大，大，气泡直径气泡直径仅仅与通气量有关而与通气出口直径无关。又由与通气量有关而与通气出口直径无关。又由于在于在强强烈的机械烈的机械搅搅拌的条件下，多孔分布器拌的条件下，多孔分布器对对氧的氧的传递传递效果并不比效果并不比单单孔管好，相反，孔管好，相反，还还会造成不必要的会造成不必要的压压力力损损失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。25.单单管管 环环形管形管 dI=0.8Di dI=0.8Di dI dI 环环径径 Di Di浆浆叶直径叶直径26.二二 气升式生物反气升式生物反应应器器 (airlift bioreactor)(airlift bioreactor)气升式生物反气升式生物反应应器是器是应应用用较较广泛的一广泛的一类类无机械无机械搅搅拌的生物反拌的生物反应应器。气升式生物反器。气升式生物反应应器是在鼓泡塔反器是在鼓泡塔反应应器的基器的基础础上上发发展展起来的，它是利用空气的起来的，它是利用空气的喷喷射功能和流体重度差造成反射功能和流体重度差造成反应应液循液循环环流流动动，来，来实现实现液体的液体的搅搅拌、混合和氧拌、混合和氧传递传递。气升式生物反气升式生物反应应器器结结构构简单简单，没有其他生物反，没有其他生物反应应器具有的如器具有的如有有较较多泄漏点和死角等等缺点，故早在多泄漏点和死角等等缺点，故早在20世世纪纪70年代开年代开始，植物始，植物细细胞胞发发酵培养就已酵培养就已经较经较多地采用气升式生物反多地采用气升式生物反应应器。器。27.优优点：气升式生物反点：气升式生物反应应器的器的结结构构较简单较简单，易于清，易于清洗、洗、维维修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高，操修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高，操作作费费用低。用低。缺点：缺点相缺点：缺点相对对来来说较说较少，主要是高密度培养少，主要是高密度培养时时混合不混合不够够均匀。均匀。28.三三 其他其他类类型反型反应应器器鼓泡塔生物反鼓泡塔生物反应应器器膜生物反膜生物反应应器器固定床和流化床反固定床和流化床反应应器器动动物植物生物反物植物生物反应应器器其他其他29.四四 生物反生物反应应器的器的发发展展趋势趋势生物反生物反应应器的研究、开器的研究、开发发和和设计设计是生物技是生物技术术的一个重要内容，一种好的生物反的一个重要内容，一种好的生物反应应器器出出现现往往能往往能够够大大规规模降低生模降低生产产成本，成成本，成为为生物制品成功商生物制品成功商业业化的关化的关键键。因此，生物。因此，生物反反应应器的开器的开发发一直很活一直很活跃跃，尤其是最近的，尤其是最近的细细胞生物反胞生物反应应器开器开发发更是如此。生物反更是如此。生物反应应器的器的发发展展趋势趋势可可归纳为归纳为以下几个方面：以下几个方面：30.由于微生物可以由于微生物可以悬悬浮培养，浮培养，对搅对搅拌的剪切力要求拌的剪切力要求不高，因此，微生物最有条件在大型甚至超大型不高，因此，微生物最有条件在大型甚至超大型反反应应器内生器内生长长。目前，生。目前，生产产抗生素的抗生素的发发酵罐容酵罐容积积已达到已达到400m3，氨基酸的反，氨基酸的反应应器达到器达到300m3，单细单细胞蛋白胞蛋白(SCP)的反的反应应器达到器达到2600m3，用微，用微生物生物处处理理废废水的生物反水的生物反应应器甚至高达器甚至高达27000m3.显显然，反然，反应应器的增大有利于降低生器的增大有利于降低生产产成本。成本。1 微生物反微生物反应应器朝着大型化器朝着大型化发发展展31.2 动动植物植物细细胞培养反胞培养反应应器得到器得到较较大大发发展展由于由于动动植物植物细细胞培养可以得到很多高附加胞培养可以得到很多高附加值值生物生物制品，如干制品，如干扰扰素，素，单单克隆抗体等，克隆抗体等，细细胞培养反胞培养反应应器的开器的开发发越来越受到重越来越受到重视视。其中关于供氧。其中关于供氧问题问题，快速升温、快速升温、SIP自自动灭动灭菌、菌、CIP自自动动清洗、机械清洗、机械密封、排气密封、排气处处理、取理、取样处样处理等理等问题问题等都需很好解等都需很好解决。决。32.3 大量使用大量使用现现代代计计算机技算机技术进术进行生物反行生物反应应器的器的设计设计和开和开发发首先，首先，对对反反应应器内的生物反器内的生物反应应建立数学模型，建立数学模型，获获得能得能够够反映生物反映生物过过程程规规律的律的较较精确的表达式，然精确的表达式，然后将后将该该模型模型应应用于反用于反应应器的器的设计设计和自和自动动控制中，控制中，从而从而优优化反化反应应器的器的结结构和操作，比如温度、构和操作，比如温度、pH、溶氧等的溶氧等的PID自自动动控制系控制系统统。33.34.