工业生化反应器优秀课件.ppt

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1、工业生化反应器第1页，本讲稿共46页工业生化反应器第2页，本讲稿共46页在反应器中，通过生物反应，廉价的原料升值。生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个极其重要的问题，它对产品的质量和成本有很大的影响。据统计，生化工业的产品主要涉及到医药工业，化学工业，农产品加工工业。生物反应器要适应很多的生产过程，在形状，大小和操作方式上多种多样。但生物反应器设计的目标是保证产品质量的前提下，使产品成本最小。第3页，本讲稿共46页一生物反应器设计的目标一生物反应器设计的目标生物反应器设计的主要目标是使产品的质生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高、成本低。量高、成本低。生生物物反反应应器器处处于于生生物

2、物过过程程的的中中心心，它它是是影影响整个过程经济效益的一个重要方面。响整个过程经济效益的一个重要方面。在酒精和青霉素生产过程中，据报道：在酒精和青霉素生产过程中，据报道：原料成本操作成本投资成本酒精生产62%26%12%青霉素生产35%38%22%第4页，本讲稿共46页和反应器有关的是操作成本和投资成本。在操作成本中，动力消耗占主要方面。因此在反应器的设计中，在满足工艺要求的前提下，节能是一个重要问题。原料成本操作成本投资成本酒精生产62%26%12%青霉素生产35%38%22%第5页，本讲稿共46页二二 生物反应器设计和操作的限制因素生物反应器设计和操作的限制因素我们期望反应器的生产能力（

3、g/Lh）越高越好。反应器的生产能力主要取决于两方面的因素：1生物催化剂（酶，微生物）的浓度和比活力2反应器的传质和传热能力 当生物催化剂浓度较低且比活力也较低时，生物催化剂的因素是反应器生产能力的限制因素；但是生物催化剂的浓度较高且比活力也较高时，反应器传质和传热能力就成为提高反应器生产能力的限制因素。第6页，本讲稿共46页传质问题在高耗氧的生物反应过程中非常突出。人们设计了许多反应器结构，以提高传质效率。一般为了保持溶氧水平在生物临界溶氧水平之上，常输入更多的气体或者设法更好地分散气体，从而消耗大量的能量。在热量传递方面，生物反应器通常在2065 oC之间进行，为保持某一过程恒温培养，移出

4、生物热发生困难，这个问题在大型反应器中表现更为突出第7页，本讲稿共46页三、生物反应器开发的趋势和未来方向生物反应器开发的趋势和未来方向1开发活力高和选择性高的生物催化剂将继续占主要地位。主要途径是利用基因工程技术改变酶的初级结构，定向改造生物细胞，改进酶和细胞的固定化技术，得到更多的酶活性回收，更长的使用寿命。2改进生物反应器热量、质量传递的方法 随生物催化剂比活力的提高，生物反应器的性能受传质传热的限制就急需解决，必须改进生物反应器传质传热的方法和设施。第8页，本讲稿共46页3.生物反应器正向大型化和自动化方向发展西德SCP生产反应器体积达2300（高60m，直径7m）,英国废水处理反应器

5、体积达到27000m3。国内生物反应器（好氧）体积在200300m3之间的较多。兼性厌氧生物反应器体积达到1000m3（如酒精发酵罐）。反应器体积的放大降低了操作成本，但大型反应器的设计还存在一定的技术问题。反应器的自动检测和控制系统使反应器在最佳状态下操作成为可能，近年来获得广泛重视，随着生物工程的迅速发展，自动检测和控制系统将会在生物工程中发挥越来越重要的作用。第9页，本讲稿共46页4一些特殊用途生物反应器得到较快的应用和开发。例如，动物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应器，边发酵边分离的特殊反应器都得到了不同程度的发展。第10页，本讲稿共46页四、生物反应器的操作类型四、生物反应器的操

6、作类型生化反应器主要有三种操作类型：间歇；半连续；连续；而生物催化剂有两种基本型式：酶游离；固定化，细胞（生长cell，非生长cell）各种类型的反应器和各种生物催化剂组合，形成各种系统可供选择。第11页，本讲稿共46页Batchoperation间歇反应第12页，本讲稿共46页Continuousoperation连续操作第13页，本讲稿共46页Semi-continuousorfed-batchoperation半连续操作第14页，本讲稿共46页第15页，本讲稿共46页五、生物反应器的种类五、生物反应器的种类1、机械搅拌式生物反应器第16页，本讲稿共46页第17页，本讲稿共46页第18页，

7、本讲稿共46页机械搅拌自吸式反应器第19页，本讲稿共46页第20页，本讲稿共46页第21页，本讲稿共46页2、气升式生物反应器、气升式生物反应器第22页，本讲稿共46页气升塔式生物反应器气升塔式生物反应器第23页，本讲稿共46页第24页，本讲稿共46页第25页，本讲稿共46页第26页，本讲稿共46页第27页，本讲稿共46页5.2 动植物细胞培养反应器动植物细胞培养反应器动植物细胞的培养是指动物或植物细胞在体外条件下进行培养增殖，此时细胞虽然生长与增多，但不再形成组织。许多要重要价值的生物制品，包括重要的疫苗、诊断试剂、单克隆抗体、干扰素、生物碱、甾体化合物等，必须借助于动植物细胞的体外培养来实

8、现。第28页，本讲稿共46页动植物细胞培养和微生物培养的区别：（1）动物细胞没有细胞壁，大多数哺乳动物细胞需要附壁（固体或半固体）生长；（2）对培养基的营养要求相当苛刻，要求含有多种氨基酸、维生素、无机盐、血清等物料；（3）对培养环境十分敏感，对温度、pH、溶氧浓度等条件都比微生物培养要严格得多；第29页，本讲稿共46页动植物细胞培养和微生物培养的区别：（4）动动物物细细胞胞对对流流体体剪剪切切力力十十分分敏敏感感，强烈的机械与通气鼓泡所引起的过大剪切力都会损伤细胞，使细胞破裂。植物细胞虽然有细胞壁，但对流体剪切力的耐受程度也要比微生物差；（5）由于动植物细胞的生长要比微生物缓慢得多，一般只有

9、在高细胞密度下，才能得到一定浓度的产物。（6）生长慢，又非常容易染菌，因此需要严格的无菌防范措施。第30页，本讲稿共46页微生物与动植物细胞之间的差异项目微生物细胞哺乳动物细胞植物细胞大小（直径）120m10100m10100m在液体中生长悬浮生长，有时聚集成团有些可悬浮生长，多数依靠表面可悬浮生长，聚集成团营养要求简单极复杂复杂生长速率 一般较快，倍增时间0.55h慢。倍 增 时 间15100h慢，倍 增 时 间2474h代谢控制内部控制内部 激素内部 激素对环境的敏感性一般耐受范围大无细胞壁，对环境极敏感耐受范围较大细胞分化无有有对剪切的敏感性低极高高第31页，本讲稿共46页由于医疗卫生事

10、业和农业的发展，对动植物细胞进行大规模的生产已经成为当前的迫切需要，大规模培养技术和反应器的开发，就是急需解决的关键课题。培养动植物细胞的专用反应器也有很大发展，种类越来越多，规模也逐渐增大。这里仅仅就重要的几类反应器的结构与特性进行介绍。第32页，本讲稿共46页（1 1）动植物细胞悬浮培养生物反应器）动植物细胞悬浮培养生物反应器有少数动物细胞，例如杂交瘤细胞和肿瘤细胞可以像微生物那样在通气搅拌灌内悬浮培养。但动物细胞缺少细胞壁的保护，液体的剪切力应小。特点：a、搅拌转数低（几十转/分）；b、通气方式独特。第33页，本讲稿共46页第34页，本讲稿共46页第35页，本讲稿共46页（2 2）动物细

11、胞贴壁培养反应器）动物细胞贴壁培养反应器大部分动物细胞是属于贴壁依赖性细胞，包括非淋巴组织的细胞和许多异倍体细胞。这类细胞的特点是它需要附着在固体或者半固体的表面才生长，原来是圆形的细胞一经贴壁就迅速铺展，然后开始有丝分裂，并很快进入对数生长期。一般在数天后铺满表面，形成致密的细胞单层，所以贴壁培养又称为单层培养单层培养。第36页，本讲稿共46页目前有不少生物制品厂是用430L大小的滚瓶进行动物细胞贴壁培养来生产疫苗。特点：特点：a、结构简单，投资少，技术成熟；b、劳动强度大，单位体积所能提供的细胞生长的表面积小，按体积计算细胞产率低；c、检测和控制环境条件受到限制。第37页，本讲稿共46页动

12、物细胞培养用中空纤维反应器动物细胞培养用中空纤维反应器该装置由中空纤维管组成，每根中空纤维管内径200m。中空纤维的管壁是半透性的多孔膜。氧和CO2等小分子可以自由地通过膜双向扩散，而大分子有机物则不能通过。动物细胞贴附于中空纤维外壁生长，可很方便地获取营养物质和溶氧，生长面积与容积之比达40余倍，其溶氧传质速率也可达到0.6mmol/lh，是大规模动物细胞培养的好方法。第38页，本讲稿共46页（3 3）动物细胞微载体悬浮培养反应器）动物细胞微载体悬浮培养反应器用微珠做载体，使单层动物细胞生长于微珠表面，并在培养液中进行悬浮培养。这种培养方式是将单层培养和悬浮培养相结合，这是大规模动物细胞培养

13、的最有前途的方法。第39页，本讲稿共46页微载体可用交联葡聚糖、纤维素、聚丙稀酰胺、明胶、硅橡胶做为基质而制成。微 载 体 球 径 约 为40280m。其 密 度在 1.031.05g/ml，以便在反应器内缓慢搅拌后，微载体能悬浮起来。微载体悬浮培养可以采用多种反应器型式，如气腔式反应器，流化床反应器。第40页，本讲稿共46页流化床反应器流化床反应器反应器内支持细胞生长的微载体呈流化状态。接种后不断提供营养成分，产物不断排出。安装了膜式气体交换器，提供高密度细胞需要的氧气，同时能及时排出CO2，特点是可进行高密度细胞的培养。第41页，本讲稿共46页采用微载体悬浮培养的优点：采用微载体悬浮培养的

14、优点：1单位体积具有的表面积大，如1.0g微载体，有的能提供50006000cm2的表面积，因此它的单单位位体体积积培培养养基基的的细细胞胞产产率高；率高；2由于把悬浮培养和贴壁培养融合在一由于把悬浮培养和贴壁培养融合在一起，具有两种培养的优点，起，具有两种培养的优点，有利于培养环境条件的检测和控制，培养系统重现性好；3.放大容易放大容易，现已经有用1000L的规模来生产-干扰素用的二倍体细胞。第42页，本讲稿共46页（4 4）植物细胞培养和反应器）植物细胞培养和反应器鉴于某些产物的唯一来源是植物，而有些植物从种植到收获花费时间过长，难以满足要求。采用大规模（plant cell cultur

15、e techniche）就可以直接快速生产这些产物。日本专卖公司已经用21m3的反应器进行烟草细胞的连续培养，细胞的生产率每日可达5.82kg/m3。日本三井石油株式会社用750L植物细胞反应器生产染料紫草宁，已可满足国内需要量的43%。第43页，本讲稿共46页植物细胞培养的特点：1生产速率慢；2有坚固的细胞壁，代谢产物不分泌到胞外而留在细胞内，因此要得到大量次级代谢产物，必须进行高密度培养。method 收获时间紫草宁浓度（干重）plant cell 23year 12plant cell culture 21d 14植物细胞培养和从完整的植物生产紫草宁的比较第44页，本讲稿共46页因因此此

16、，利利用用植植物物细细胞胞培培养养生生产产的的物物质质，一一般般仅仅仅仅限限于于那那些些难难于于化化学学合合成成，无无法法用用微微生物合成和附加值很高的物质。生物合成和附加值很高的物质。大多数植物细胞可采用间歇式反应器来进行培养。摇瓶、通用式发酵罐、鼓泡式、气升式和旋转圆筒式的生物反应器都可用于植物细胞培养。植物细胞培养反应器已从实验规模的120L放大到工业性试验规模的13020000L。要注意的是，植物细胞培养时搅拌液体的剪切力比微生物能耐受的低很多。第45页，本讲稿共46页复习题1、生物反应器设计的目标是什么？2、生物反应器设计和操作的限制因素有那些？3、谈谈生物反应器开发的趋势和方向。4、生物反应器有哪几种操作方式？各如何操作？5、好氧机械搅拌罐式反应器有哪几种基本形式？各自的结构特点如何？6、动物细胞培养反应器有哪几种形式？举出一个例子进行描述。第46页，本讲稿共46页