《生物反应器》PPT课件
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生物反应器
3种酵母表达系统
• 甲醇营养型酵母表达系统：巴斯德毕赤酵 母(Pichia pastoris)表达系统最为常用；
• 巴斯德毕赤酵母具有翻译后修饰功能，如 信号肽加工、蛋白质折叠、二硫键形成和 糖基化作用等，其糖基化位点其他哺乳动 物细胞相同，适合于生产医药用重组蛋白 质。
3种酵母表达系统
• 裂殖酵母不同于其他酵母菌株，它具有许 多与高等真核细胞相似的特性，它所表达 的外源基因产物具有相应天然蛋白质的构 象和活性。遗憾的是，目前对它的研究较 少。
动物细胞生物反应器
• 昆虫细胞； • 哺乳动物细胞； • 鱼类细胞。
昆虫细胞生物反应器
• 昆虫杆状病毒表达系统( BEVS)： 病毒载体、昆虫细胞、宿主培养基； 与细菌 、酵母、 哺乳动物细胞表达系统相比，
具有易于操作和筛选， 较好的转录后加工 修饰以及安全等优点； 缺点：昆虫细胞的蛋白质加工过程并非同高 等的真核生物完全一致， 最终会影响到表 达产物的生物学活性。
家蚕丝腺生物反应器
• 家蚕是人工养殖的经济昆虫， 蚕的丝腺作 为生物反应器来表达重组的外源蛋白具有 极高的商业价值与应用前景。
家蚕丝腺生物反应器
• 存在的问题： 丝腺中主要以丝蛋白分泌为主，给目的蛋白
的下游分类纯化带来了困难； 与杆状病毒表达系统一样存在蛋白质转录后
修饰的问题； 如何将外源基因稳定的转入家蚕体内，同时
• 真核单细胞、结构简单、 因序列已经完全测 得, 序列结构比较清楚, 利于遗传操作;
• 培养条件简单, 可以大规模培养, 易于工业化 生产; 核转化与叶绿体转化方法成熟;
• 衣藻作为真核生物, 可以对真核蛋白质进行准 确的翻译后加工修饰( 如: 正确的折叠等) ;
• 衣藻本身不带有对人体有害的生物, 如病毒、 细菌等, 这就使得其表达的产物不会含有毒素 等有害物物质, 从而减少纯化步骤, 大大降低成 本。
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
THANKS
感谢观看
01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
生物反应器
间歇式生物反应器的基本特征：反应物料一次性加入和取 出，反应器内物系的组成仅随时间而变化。在该类反应器内进 行的反应过程是一非稳态过程。
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
连续式生物反应器：以一定的流量不断加人新的培养基， 同时以相同的流量不断取出反应液。
这样就可以不断地补充细胞需要的营养物质，而代谢产物 则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。
酿酒工业
麦芽产生的淀粉酶、蛋白 酶、葡萄糖酶
β-葡聚糖酶 淀粉葡萄糖苷酶 木瓜蛋白酶
将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用 的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇 的产量
改进啤酒的过滤性能
用于生产低糖啤酒
去降乳糖为葡萄糖和半乳糖
第八章 生物反应器
应用领域
使用的酶种类
用途
乳制品工业 糖工业
凝乳酶 乳糖酶 淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶 葡萄糖异构酶
3、酶在工业上的应用
应用领域
使用的酶种类
用途
洗涤剂工业 细菌蛋白酶类
淀粉酶类
用于污渍去除，可以直接液体使用或 用胶囊包埋后使用
可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难 溶的淀粉残迹等
烘烤食品工业 真菌产的-淀粉酶
蛋白酶类
催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类， 用于面包及面卷的制作等
在饼干制作过程中，用于降低面粉中 的蛋白质含量等
半连续生物反应器同时具有间歇式生物反应 器和连续式生物反应器的一些特点。
第八章 生物反应器
3、按反应器结构特征分
釜式、管式、塔式、膜式等类型
第八章 生物反应器
4、按能量的输入方式分
通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式 利用气体喷射动能的气升式 利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等
第八章 物反应器
用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于 去除坏死组织，抑制污染微生物生长
生物反应器ppt课件
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37
技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
35
发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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36
产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
10
（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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11
常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
第三章 生物反应器总论3生物反应器的通风和溶氧传质
（m2·s·Pa）； KL ――以氧浓度为推动力的总传质系数，m/s； p* ――与液相溶氧浓度c 平衡的氧气分压，Pa； c* ――与气相氧分压p 平衡的液相溶氧浓度，
mol/m3；
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
以上公式也可表述为推动力除以阻力的形式：
NA
P Pi 1
k0
NA
p p* 1
属于液膜传递控制，气体的传递速度由公式3-13决定。
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
氧气向水中的传递属于上述情况，因此，氧气向发酵液 的传递速率可由下述公式计算：
溶氧速率 Na=KLa（c*-c）； （3-14） 式中： Na――溶氧速率，mol/（m3·s）；
a――每单位体积发酵液中气液界面面积，m2/m3。 由于a很难测定，KLa常常合并为一个常数，称为体积溶 氧系数，单位s-1或 h-1。 由公式3-14可看出，氧的传递推动力（c*-c）和体积溶 氧系数KLa是影响溶氧速率的关键因素，任何影响这两个数的 外界因素都影响发酵液中氧的传递。
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
6．消沫剂 消沫剂对溶氧系数的影响较大，有双重作用。一方面， 消沫剂能够降低表面张力，减小发酵液中气泡的直径，使发 酵液中充满较多的小气泡，从而增加单位体积发酵液中的气 液接触面积，增加溶氧系数； 另一方面，消沫剂附着在气液 接触界面，改变了传质液膜的组成，不但增加了液膜传质阻 力，而且降低了气液界面的流动性，反而降低了溶氧系数。
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
一般来说，在一个罐式搅拌生物反应器中，溶氧系数KLa
可以用下式表示：
K La
X
( Pg VL
)
y
(Vg
)Z
式中：Pg ――在通气情况下的搅拌功率，W；
mol/m3；
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
以上公式也可表述为推动力除以阻力的形式：
NA
P Pi 1
k0
NA
p p* 1
属于液膜传递控制，气体的传递速度由公式3-13决定。
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
氧气向水中的传递属于上述情况，因此，氧气向发酵液 的传递速率可由下述公式计算：
溶氧速率 Na=KLa（c*-c）； （3-14） 式中： Na――溶氧速率，mol/（m3·s）；
a――每单位体积发酵液中气液界面面积，m2/m3。 由于a很难测定，KLa常常合并为一个常数，称为体积溶 氧系数，单位s-1或 h-1。 由公式3-14可看出，氧的传递推动力（c*-c）和体积溶 氧系数KLa是影响溶氧速率的关键因素，任何影响这两个数的 外界因素都影响发酵液中氧的传递。
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
6．消沫剂 消沫剂对溶氧系数的影响较大，有双重作用。一方面， 消沫剂能够降低表面张力，减小发酵液中气泡的直径，使发 酵液中充满较多的小气泡，从而增加单位体积发酵液中的气 液接触面积，增加溶氧系数； 另一方面，消沫剂附着在气液 接触界面，改变了传质液膜的组成，不但增加了液膜传质阻 力，而且降低了气液界面的流动性，反而降低了溶氧系数。
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
一般来说，在一个罐式搅拌生物反应器中，溶氧系数KLa
可以用下式表示：
K La
X
( Pg VL
)
y
(Vg
)Z
式中：Pg ――在通气情况下的搅拌功率，W；
《生物反应器》课件
生物反应器的设计
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
生物反应器
机械搅拌式生物反应器的进展
细胞提升桨生物反应器（1990） 双圆筒筛搅拌式生物反应器（1992） 脉冲混合式生物反应器（1993） 泡床式搅拌生物反应器（1994） 离心桨生物反应器（1996） 固定化酶搅拌桨反应器（2005）
微藻培养中光生物反应器的研究进展
开放式光生物反应器
(1)易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光 照； (2)会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染，不易保持高质 量的单藻培养 (3)光能及CO2 利用率不高，无法实现高密度培养
软骨组织工程生物反应器研究进展
软骨组织工程技术的发展已进入体外构建的关键阶段。生物 反应器能在体外动态模拟体内微环境中物质转运和流体应力刺激 反应,从而实现体外经生物力学途径调控软骨细胞的基因表达和增 殖。传统的二维或静态压力型生物反应器难以构建功能接近于正 常的软骨,各种可即时智能调控的微重力、灌流液压、微载体等新 型生物反应器使得培养基环境的调控更加高效、精确化,培养的三 维软骨组织在形态、基因表达及力学特性上均更接近于正常软骨 组织。
研究方向
1.利用生物反应器, 特别是植物反应器生产药用蛋白和疫苗已成为制 药产业重点开发的热点领域。 2.开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂。 3.改进生物反应器的传质、传热的方法。 4.生物反应器向大型化和自动化方向发展。 5.特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因产品生产、细胞固 定化及动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵 边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视。 6.降低设备投资方面，对连续过程更加重视。
进展情况
空间生物反应器的进展
早期发展成熟的空间生物培养反应器的操作方式主要是灌流 式。
旋转壁式生物反应器、细胞培养单元反应器、单 环路细胞培养反应器、微型连续培养反应器。
生物反应器
收获
氧气 回流 加热器 气体交换
PH
DO T
CO2Leabharlann 传感器泵五、生物反应器的主要培养产物
1.病毒疫苗 病毒疫苗 2.非抗体免疫调节剂 非抗体免疫调节剂 3.多肽生长因子 多肽生长因子 4.酶类 酶类 5.激素 激素 6.肿瘤特异性抗原 肿瘤特异性抗原 7.单克隆抗体 单克隆抗体 8.病毒杀虫剂 病毒杀虫剂
流态床化学反应器，不同的是，流态化的 固体是带有细胞 细胞的微粒。培养液通过反应 细胞 器垂直向上循环流动不断提供给细胞必要 的营养成分，使细胞得以在微粒中生长； 同时，不断地加入新鲜的培养液，并不断 地排除培养产物或代谢产物。图11-7为生 产用CF-IMMOTM流化床生物反应器的示 意图，这种反应器的传质性能很好，并在 反应塔 循环系统中采用膜气体交换器 膜气体交换器，能快速提 膜气体交换器 供给高密度细胞所需的氧，同时排除代谢 产物；反应器中的液体流速足以使细胞微 粒悬浮却不会损坏脆弱的细胞。由于流化 床生物反应器满足了高密度细胞培养、使 高产量细胞长时间停留在所应器中、优化 细胞生长与产物合成的环境等细胞培养的 要求，流化床生物反应器既可用于贴壁依 赖性细胞的培养，又可用于非贴壁依赖性 细胞的培养。表11-11为流化床生物反应器 达到的细胞密度。
完！谢谢！
二、生物反应器的基本要求
(1)混合系统设计应能提供均匀、温和的混合 状态，剪切力小，保证良好的传质效果。 (2)反应器内空间利用率高，选用合适的载体 系统和材料。 (3)能严格保证无菌环境。 (4)能精确地控制温度、酸碱度、溶解氧和 C02浓度等条件。 (5)能够方便地实现培养液的连续添加、样品 的采样和观察。
抗体产量， 抗体产量，mm/l
滚瓶 20 127 10 30 76 25 38 100
生物反应器
•
•
生物 反应器 生物 反应器
• 生物反应器潜在的社会价值是 无可估量的。在未来几年内， 将有多种动物乳腺生物反映器 重组蛋白上市，从而形成市场 前景广阔和利润巨大的新生物 制药行业。
张 鑫
王 吟
霍 博 超
目
录
• • • • • 概念 动物反应器 微生物反应器 植物反应器 家蚕反应器
概
•
念
生物反应器是利用生物体所具有的生物功能，在体外或 体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装 置系统、细胞、组织器官等等。 生物反应器听起来有些陌生，基本原理却相当简单。 生物工程上的生物反应器是在体外模拟生物体的功能， 设计出来用于生产或检测各种化学品的反应装置。或者 说，生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有 的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种 生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反 应器等。
家蚕 反应器
桑蚕生物反应器主要有两种形式
1.转基因桑蚕(transgenic silkworm) 2.杆状病毒表达载体系统(Baculovirus Expression Vector System,BEVS)。
技术
力量
• 国内现有技术力量包括中科院上海生化与细胞研 究所、浙江理工大学、浙江大学、中山大学、中 科院武汉病毒所、中国农科院、南京大学、西北 农业大学等单位已基本建立工作基础。 • 中科院上海生化所在昆虫（家蚕）杆状病毒系统 和高效表达载体等上游工作具有较强优势。浙江 理工大学在家蚕生物反应器生产基因工程口服药 物及产业化和家蚕蛋白功能组学研究积累许多工 作基础，“家蚕生物反应器生产生物制品的方法” 获得了2004年国家技术发明二等奖。
• •
植物
《生物反应器》PPT课件 (2)
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40
（1E-1）
(1) 菌体均衡生长，用单一参数生物量 来描述菌体生长。
(2) 发酵中菌体呈丝状，浓度较大，最 高达40g/L，因此采用contois方程来关 联比生长速率，即:
（1E-1）
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41
(3) 在发酵过程中菌丝缠绕成球，菌球 直径为50一300µm，球内基质浓度受到 扩散阻碍，因此用基质的有效浓度来代替
一是全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一；
二是活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动，完全 没有反向混合。讨论反应动力学时常常假定生物反应 是在全混的状态下进行的。而实际反应装置因其流动 特点常常介于上述两种理想流动之间，讨论及计算比 较复杂。
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14
生物反应过程的核心问题是细胞的生长
细胞的生长(繁殖)、代谢是一个复杂的 生物化学过程，既包括有各种细胞内的生 化反应、胞内与胞外的物质交换，也包含 有胞外的物质传递及生化反应。与一般化 学工程不同，这个反应体系的特点是多相、 多组分、非线性的体系。多相指的是体系 内常含有气相、液相以及菌体(固)相，而 各相状态及物理性质不同，相内的反应及 传递各有特点，相间还有复杂的相互作用。
发酵液中浓度，即：
s＝S－KixΒιβλιοθήκη (1E一2)精选PPT
42
(4) 青霉素的合成受到糖的非竞争性抑制 作用。
(5) 在合适的条件下氮源、溶氧均不是限 制性基质。
基于上述假设(亦即物理模型)可以建立数 学模型。
(1E－3)
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43
上式中V表示发酵的体积，因此各式中最后一项表示由 于流加物料导致体积变化而引起的各组分的“稀释”作
上述3种模型在实际过程分析中应用较少， 本章不作详细讨论。
生物化工工艺学--第7章--生物反应器
十一 冷却装置 • 5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管 冷却（四至八组）。带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计 算。 • 夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同时对罐身起 加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢 制造。
十二 发酵罐装料容积 • 发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱 部分高度，但须根据具体情况而定。采用有效的机械 消泡装置，可以提高罐的装料量。
第二节 鼓泡反应器
鼓泡反应器是以气体为分散相、液体为连续相、涉及气液界面的反应器。 高径比较大的反应器常称为塔式反应器。 特 点：结构简单，易于操作，操作成本低，混合和传质传热性能好，因此广 泛应用于生物工程行业中，例如乙醇发酵、单细胞蛋白发酵、废水处理、 废气处理（例如用微生物处理气相中的苯）等。鼓泡反应器无传动部件，
• 通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管吹入的空 气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上 加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。 • 通风量在0.02~0.5ml/sec时，气泡的直径与空气喷口直径的 1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越 小。因而氧的传质系数也越大。但是生产实际的通风量均超 过上述范围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径 无关。
原生流速与搅拌转速成正比，次生流速近似地与搅拌转速的平方成正比。因此， 当转速提高时，主要靠次生流加速流体的轴向混合，使传热传质速率提高。因 此，新型桨型的开发主要侧重于使轴向流速得到加强。
二、发酵罐的结构
• 罐体 ：由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不 锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里 用的不锈钢板厚为2-3毫米。 • 为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个 受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
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第二章 生物反应器
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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9
反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
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25
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26
带循环的CPFR
部分细胞连续从出口返回 选择最佳的物料循环速度
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27
CSTR型与CPFR型反应器性能的比较
在相同的工艺条件下进 行同一反应，达到相同
转化率时，两者所需的 停留时间不同，CSTR型 的比CPFR型反应器的要 长，也就是前者所需的
在CPFR中，虽然出口端浓度较低，但在进口端，底物 浓度较高； CSTR中底物总处于低浓度范围。如果酶促 反应速率与底物的浓度成正比，那么对于CSTR而言， 由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产 能力也低。
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10
间歇操作搅拌反应器
操作特征： ①反应过程中与外界无物料交换 ②反应器中各组分浓度仅随反应时间变化，是非稳态
反应过程 ③物料具有相同停留时间 ④反应器内物料混合充分，不存在浓度和温度梯度
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11
推导
对底物S的衡算式： 累积速率=-反应消耗速率
反应速率：
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12
生物反应器的作用：就是为生物体代谢提供一个优化 的物理、化学环境，使生物体能更快更好地生长，以 获到更多需要地生物量或代谢产物。
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2
生物反应器的特点
➢ 生物（酶除外）反应都以自催化（autocatalysis）方式 进行，即在目的产物生成的过程中生物自力要生长繁 殖。
➢ 生物反应速率较快，生物反应器的体积反应速率不高 ➢ 与其他相关生产规模的加工过程相比，所需反应器体
对于间歇操作的反应器，反应物要达到一定的反应程 度，仅与过程的速率有关，而与反应器的大小无关。
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17
产率是优化的目标函数
若以产物浓度最高为目标——总产率；若以最大产物 生成速率时为反应终止时间续操作搅拌反应器
操作特点： 进出料速率相同，且保持恒定 反应器内变量不随时间变化，处于稳态操作 反应器内物料在空间上达到完全混合，各处物系组成
反应器体积比后者大。
转化率越高，CSTR中所 需酶的相对量也就越大。
另外，比值还依赖于反
应级数，一级反应时其 比值最大，0级反应时其
比值最小。
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28
0级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区 别。但如果反应从0级增至一级，那么，两种反应器转 化率下降的差别就变得明显。CPFR产量的下降要比 CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏 感。但是，在某些场合，操作条件相同，要得到同样 的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的量。
对于均相酶促催化反应
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13
单底物酶促反应BSTR的反应器
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14
对于细胞反应
分批培养细胞生长的六个阶段
加速生长期
停滞期
指数生长期 减速生长期 平衡生长期
负生长 期
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15
对数生长期细胞生长时间的计算 对数生长期，比生长速率达到最大 代入积分式后积分得到
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16
积大 ➢ 对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ➢ 产物浓度低
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3
高效生物反应器的特点： ➢ 设备简单，结构严密 ➢ 良好的液体混合性能，较高的三传速率 ➢ 易于放大 ➢ 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等
判断生物反应器好坏的标准： ➢ 该装置能否适合工艺要求，以获得最大的生产效率。
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相同。
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19
稳态条件下：
物料在反应器中的平均停留时间 稀释率表示单位体积在单位时间所处理物料的体积
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20
保留酶的方法 动力学：
恒化法与恨浊法
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21
带有细胞循环的CSTR
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22
红色表示带循环的CSTR 黑色表示不带循环的CSTR
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23
稳态操作 各个反应器内为全混流 反应器之间无返混 各反应器操作条件相同，得率为常数
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6
生物反应器的操作模型
间歇操作
对酶反应，培养液一次性全部加入，接种培养一段时 间后，将培养液一次性全部放出；对细胞反应，接种 后反应到规定要求。
连续操作 反应物加入与产物排出是连续进行的
半间歇操作 介于两者之间
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7
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8
操作模型
用一组包括底物、产物和生物量的动力学在内的质量 衡算方程，来描述在不同操作方式反应器内状态变量 随时间变化的规律。
4
生物反应器的分类
按有机体种类：细胞反应器（微生物反应器、植物细 胞反应器、动物细胞反应器）酶反应器。
根据操作方式：间歇操作反应器、连续操作反应器和 半间歇操作反应器。
根据流体宏观混合状态：理想流动和非理想流动。 根据反应器形态和结构：槽式、塔式、管式和膜式等
反应器 根据反应物系的相态：均相和多相反应器。 根据能量提供方式：机械搅拌和流体搅拌反应器。
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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9
反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
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带循环的CPFR
部分细胞连续从出口返回 选择最佳的物料循环速度
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CSTR型与CPFR型反应器性能的比较
在相同的工艺条件下进 行同一反应，达到相同
转化率时，两者所需的 停留时间不同，CSTR型 的比CPFR型反应器的要 长，也就是前者所需的
在CPFR中，虽然出口端浓度较低，但在进口端，底物 浓度较高； CSTR中底物总处于低浓度范围。如果酶促 反应速率与底物的浓度成正比，那么对于CSTR而言， 由于整个反应器处于低反应速率条件下，所以其生产 能力也低。
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10
间歇操作搅拌反应器
操作特征： ①反应过程中与外界无物料交换 ②反应器中各组分浓度仅随反应时间变化，是非稳态
反应过程 ③物料具有相同停留时间 ④反应器内物料混合充分，不存在浓度和温度梯度
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11
推导
对底物S的衡算式： 累积速率=-反应消耗速率
反应速率：
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生物反应器的作用：就是为生物体代谢提供一个优化 的物理、化学环境，使生物体能更快更好地生长，以 获到更多需要地生物量或代谢产物。
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生物反应器的特点
➢ 生物（酶除外）反应都以自催化（autocatalysis）方式 进行，即在目的产物生成的过程中生物自力要生长繁 殖。
➢ 生物反应速率较快，生物反应器的体积反应速率不高 ➢ 与其他相关生产规模的加工过程相比，所需反应器体
对于间歇操作的反应器，反应物要达到一定的反应程 度，仅与过程的速率有关，而与反应器的大小无关。
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产率是优化的目标函数
若以产物浓度最高为目标——总产率；若以最大产物 生成速率时为反应终止时间续操作搅拌反应器
操作特点： 进出料速率相同，且保持恒定 反应器内变量不随时间变化，处于稳态操作 反应器内物料在空间上达到完全混合，各处物系组成
反应器体积比后者大。
转化率越高，CSTR中所 需酶的相对量也就越大。
另外，比值还依赖于反
应级数，一级反应时其 比值最大，0级反应时其
比值最小。
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0级反应时，CSTR与CPFR内酶活力的衰退没有什么区 别。但如果反应从0级增至一级，那么，两种反应器转 化率下降的差别就变得明显。CPFR产量的下降要比 CSTR快得多，因而CPFR中酶的失活比CSTR中更为敏 感。但是，在某些场合，操作条件相同，要得到同样 的转化率，CSTR所需酶的数量远大于CPFR所需的量。
对于均相酶促催化反应
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13
单底物酶促反应BSTR的反应器
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14
对于细胞反应
分批培养细胞生长的六个阶段
加速生长期
停滞期
指数生长期 减速生长期 平衡生长期
负生长 期
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对数生长期细胞生长时间的计算 对数生长期，比生长速率达到最大 代入积分式后积分得到
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积大 ➢ 对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ➢ 产物浓度低
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高效生物反应器的特点： ➢ 设备简单，结构严密 ➢ 良好的液体混合性能，较高的三传速率 ➢ 易于放大 ➢ 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等
判断生物反应器好坏的标准： ➢ 该装置能否适合工艺要求，以获得最大的生产效率。
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相同。
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稳态条件下：
物料在反应器中的平均停留时间 稀释率表示单位体积在单位时间所处理物料的体积
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保留酶的方法 动力学：
恒化法与恨浊法
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带有细胞循环的CSTR
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红色表示带循环的CSTR 黑色表示不带循环的CSTR
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23
稳态操作 各个反应器内为全混流 反应器之间无返混 各反应器操作条件相同，得率为常数
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6
生物反应器的操作模型
间歇操作
对酶反应，培养液一次性全部加入，接种培养一段时 间后，将培养液一次性全部放出；对细胞反应，接种 后反应到规定要求。
连续操作 反应物加入与产物排出是连续进行的
半间歇操作 介于两者之间
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操作模型
用一组包括底物、产物和生物量的动力学在内的质量 衡算方程，来描述在不同操作方式反应器内状态变量 随时间变化的规律。
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生物反应器的分类
按有机体种类：细胞反应器（微生物反应器、植物细 胞反应器、动物细胞反应器）酶反应器。
根据操作方式：间歇操作反应器、连续操作反应器和 半间歇操作反应器。
根据流体宏观混合状态：理想流动和非理想流动。 根据反应器形态和结构：槽式、塔式、管式和膜式等
反应器 根据反应物系的相态：均相和多相反应器。 根据能量提供方式：机械搅拌和流体搅拌反应器。