第七章生物反应器-PPT课件
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《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。
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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；
《生物反应器》PPT课件
酒精发酵罐的洗涤：喷射洗涤装置 酒精发酵罐的计算：
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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6
1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
完整版课件ppt
1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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6
1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
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1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
《生物反应器》课件
《生物反应器》PPT课件
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
第七章 生物反应器的检测和控制 2生物反应过程常用检测方法及仪器
7.2 生物反应过程常用检测方法及仪器
2、传感器性能指标 （1）准确度（Accuracy） 准确度是指真实数据和测量数据之间的差别。由于很难 获得绝对意义上的真实数据，因此也就很难获得绝对的准确 度。准确度高低依赖于精确的标定过程和一些外部条件，如， 传感器在反应器内的放置位置等。当传感器从一个反应器移 到另一个反应器，或者反应器内情况发生改变，或者传感器 改变了放置位置，都需要重新标定，否则将产生测量误差。
7.2 生物反应过程常用检测方法及仪器
（4）响应时间
响应时间代表了传感器对测量参数变化响应的快慢，可
以简单地用时间常数τ表示。时间常数τ是以下方程中（7-
1）的常数：
y=y0[1-e-t/τ]
(7-1)
这个方程表示了当传感器从被测参数为0的系统中快速转
移到被测参数为y0的体系，测量显示值y和时间t 的变化关系。
7.2 生物反应过程常用检测方法及仪器
图7-3 玻璃电极结构原理示意图
7.2 生物反应过程常用检测方法及ห้องสมุดไป่ตู้器
图7-4是商业上使用的pH电极的外观和各部分组成。 这种电极将测量极和参比极做到一起，又称复合pH电 极。安装在生物反应器上的复合pH电极都带有不锈钢保护 套，以免培养液内固体伤害电极头部。 像溶氧电极一样，pH电极也需要进行原位标定，在蒸 汽灭菌前进行。玻璃pH电极在使用前先要浸泡在水溶液中 一段时间使玻璃膜充分润湿，保存时要将探头浸泡在和参 比电解质相同的缓冲溶液中以免玻璃膜过于干燥影响日后 使用。
7.2 生物反应过程常用检测方法及仪器
图7-2是某种商业溶解氧浓度电极外观图和安装在生物反 应器上进行测量时的情况。
图7-2 某种商业溶氧测量电极外观和使用时的情况
《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》课件
《生物反应器》课件
• 生物反应器概述 • 生物反应器的设计与操作 • 生物反应器的应用实例 • 生物反应器的未来发展 • 结论与展望
目录
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
要点一
总结词
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，根据不 同的分类标准，可以分为不同的类型。
要点二
详细描述
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，它能够 提供适宜的生物反应条件，如温度、压力、pH、溶氧等， 以支持微生物或细胞等的生长和代谢。根据不同的分类标 准，如生物反应器的结构、操作方式、用途等，可以分为 不同的类型。常见的生物反应器类型包括搅拌釜式反应器 、鼓泡塔式反应器、固定床式反应器、流化床式反应器等 。
生物反应器在工业发酵生产中的应用，可以提高生产效率、降低能耗和减少环境污 染，具有显著的经济和社会效益。
生物制药生产
生物制药生产是生物反应器的另一个重 要应用领域，通过生物反应器可以实现 高效、大规模的细胞培养和蛋白质表达
。
在生物制药生产中，生物反应器可以提 供适宜的细胞生长环境和营养物质，促 进细胞的增殖和蛋白质的表达，从而生 产出各种生物药物，如单克隆抗体、疫
苗、细胞因子等。
生物反应器在生物制药生产中的应用， 可以提高药物的产量和质量，降低生产 成本，缩短生产周期，为药物研发和生
产提供有力支持。
环境保护领域
生物反应器在环境保护领域也有广泛应用，如废水处理、废气处理、土 壤修复等。
通过生物反应器可以实现高效、低成本的废水处理，去除废水中的有害 物质，实现废水的净化。同时，生物反应器也可以用于废气处理和土壤
提高安全性
建立健全生物反应器的安全操作规 范，确保生产过程的安全可控。
• 生物反应器概述 • 生物反应器的设计与操作 • 生物反应器的应用实例 • 生物反应器的未来发展 • 结论与展望
目录
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
要点一
总结词
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，根据不 同的分类标准，可以分为不同的类型。
要点二
详细描述
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，它能够 提供适宜的生物反应条件，如温度、压力、pH、溶氧等， 以支持微生物或细胞等的生长和代谢。根据不同的分类标 准，如生物反应器的结构、操作方式、用途等，可以分为 不同的类型。常见的生物反应器类型包括搅拌釜式反应器 、鼓泡塔式反应器、固定床式反应器、流化床式反应器等 。
生物反应器在工业发酵生产中的应用，可以提高生产效率、降低能耗和减少环境污 染，具有显著的经济和社会效益。
生物制药生产
生物制药生产是生物反应器的另一个重 要应用领域，通过生物反应器可以实现 高效、大规模的细胞培养和蛋白质表达
。
在生物制药生产中，生物反应器可以提 供适宜的细胞生长环境和营养物质，促 进细胞的增殖和蛋白质的表达，从而生 产出各种生物药物，如单克隆抗体、疫
苗、细胞因子等。
生物反应器在生物制药生产中的应用， 可以提高药物的产量和质量，降低生产 成本，缩短生产周期，为药物研发和生
产提供有力支持。
环境保护领域
生物反应器在环境保护领域也有广泛应用，如废水处理、废气处理、土 壤修复等。
通过生物反应器可以实现高效、低成本的废水处理，去除废水中的有害 物质，实现废水的净化。同时，生物反应器也可以用于废气处理和土壤
提高安全性
建立健全生物反应器的安全操作规 范，确保生产过程的安全可控。
生物反应器设计基础PPT课件
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2、判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合 工艺要求以取得最大的生产效率。
3、生物反应器设计的重要方面包括： 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低。 生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经 济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计 的一个重要因素。
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
•维持的定义：
r x d X d C t μ X C 2 . 3
YX 1/S＝ Y1xm /sa x m s (2.4)
式中YXS－细胞对基质的得率；Y
m x/
as x－最大得率；ms
－维持系数；
μ－比生长速率。
化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1
细 基
胞： b 4p2n3q 质： s 4m2l (2.2)
产物： p 4r2s3t
根据细胞、基质和产物的1Ybb Ypp 4a s s s
1b p
maK x SCSCS2.11
式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。 Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为： (1) 细胞的生长为均衡式生长； (2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长； (3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
细胞比生长速率μ为： kCxs ,而 maxkCx总
∵
C x 总 C X C X SC X2S K C S C SX SC X SC X K C IS S
2、判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合 工艺要求以取得最大的生产效率。
3、生物反应器设计的重要方面包括： 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低。 生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经 济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计 的一个重要因素。
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
•维持的定义：
r x d X d C t μ X C 2 . 3
YX 1/S＝ Y1xm /sa x m s (2.4)
式中YXS－细胞对基质的得率；Y
m x/
as x－最大得率；ms
－维持系数；
μ－比生长速率。
化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1
细 基
胞： b 4p2n3q 质： s 4m2l (2.2)
产物： p 4r2s3t
根据细胞、基质和产物的1Ybb Ypp 4a s s s
1b p
maK x SCSCS2.11
式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。 Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为： (1) 细胞的生长为均衡式生长； (2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长； (3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
细胞比生长速率μ为： kCxs ,而 maxkCx总
∵
C x 总 C X C X SC X2S K C S C SX SC X SC X K C IS S
第7章生物反应器及其工程放大
如需
工业重要特性 主要应用领域
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小
需光源
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
7-1 生物反应器设计基础
1 生物反应器的特点与生物学基础
内容提纲
4
2 生物反应器的分类和结构特点 3 生物反应器中的混合
ห้องสมุดไป่ตู้生物反应器传热
7-1 生物反应器设计基础
生物反应器定义:
生物反应器（Bioreactor）是指任何提供生物活性环境的 制造或工程设备，是有效利用生物反应机能的系统或场所。
生物工业中使用的生物反应器有多种型式，即使在同一行 业中也可能采用不同型式的生物反应器。
基因、细胞代谢和反应器工程水平上多尺度的系统反应，虽 然，不同尺寸的反应器可能只是大小的不同，但是引起的细 胞内的生物反应的种类和速度可能大不相同，因此，达到上 述目的存在一定的挑战。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
4）生物反应器选型与设计的要点 （1）选择适宜的生物催化剂。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
表1 生物反应器的操作特性
反应器类型 pH 温度
控制 控制
批式(通用罐) 如需 如需 连续搅拌罐式 如需 如需 气升式反应器 如需 如需
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器
动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
工业重要特性 主要应用领域
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小
需光源
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
7-1 生物反应器设计基础
1 生物反应器的特点与生物学基础
内容提纲
4
2 生物反应器的分类和结构特点 3 生物反应器中的混合
ห้องสมุดไป่ตู้生物反应器传热
7-1 生物反应器设计基础
生物反应器定义:
生物反应器（Bioreactor）是指任何提供生物活性环境的 制造或工程设备，是有效利用生物反应机能的系统或场所。
生物工业中使用的生物反应器有多种型式，即使在同一行 业中也可能采用不同型式的生物反应器。
基因、细胞代谢和反应器工程水平上多尺度的系统反应，虽 然，不同尺寸的反应器可能只是大小的不同，但是引起的细 胞内的生物反应的种类和速度可能大不相同，因此，达到上 述目的存在一定的挑战。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
4）生物反应器选型与设计的要点 （1）选择适宜的生物催化剂。
7-1-1 生物反应器设计特点与生物学基础
表1 生物反应器的操作特性
反应器类型 pH 温度
控制 控制
批式(通用罐) 如需 如需 连续搅拌罐式 如需 如需 气升式反应器 如需 如需
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器
动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
《生物反应器》PPT课件 (2)
精选PPT
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）
精选PPT
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。
精选PPT
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)
精选PPT
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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。
生物反应器课件Newtechnologiesincellculture
µ-Flask’s Integrate with the SensorDishReader®
1. Eliminate Well-plate inconsistency. 2. Reduce and equalize evaporative losses across well-plates. 3. Obtain online pH or dissolved oxygen data for all wells.
Resonant Acoustic Mixing
• All energy goes into mixing the contents of the flask • 6 fold better OTR’s than orbital shakers due to increased headspace exchange • Up to 50% fill volume in standard flasks
• Bluetooth range of >15ft. • Battery life >3 months on a single charge.
(platform can operate on single battery)
The RAMBIO1000
(Resonant Acoustic Mixing)
DO profiles
(all 24 for each well-plate)
Polystyrene
u-Flask
SensorFlaskReader ®, SFR
The SensorFlask Reader, SFR
• Shaker-mounting blue-tooth sensor platform. • Shake Flasks with DO and pH sensors.
1. Eliminate Well-plate inconsistency. 2. Reduce and equalize evaporative losses across well-plates. 3. Obtain online pH or dissolved oxygen data for all wells.
Resonant Acoustic Mixing
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The RAMBIO1000
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The SensorFlask Reader, SFR
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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）。
生物反应器课件PATIntroduction
What should Bioreactor Controller do?
• Metadata & Annotations entry
• Blank Tags for analyser values via OPC
• Generic PID controller with OPC Input and configurable outputs
– Metadata should enable drilling down and across datasets, filter and sift & batch genealogy creation
– Free text will not be appropriate for all fields
• Limited coordination across groups and sites affects the ability to meet development cycle times (time to human, time to clinic, etc) and product cost targets
What is PAT
• Process analytical technology (PAT) has been defined by the FDA as a mechanism to design, analyze, and control pharmaceutical manufacturing processes through the measurement of Critical Process Parameters (CPP) which affect Critical Quality Attributes (CQA).
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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 化的物理及化学环境，使生物体能更快更好地生长， 得到更多需要的生物量或代谢产物。
生物反应器的操作特性
反应器类型
批式(通用罐) 连续搅拌罐式 气升式反应器 pH 控制 如需 如需 如需 温度 控制 如需 如需 如需
工业重要特性
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小 需光源
主要应用领域
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等
鼓泡式反应器 自吸式反应器 通风制曲设备 嫌气反应器 动植物细胞用 反应器 光合反应器
如需 如需 难控 如需 如需
如需
如需 如需 如需 如需 如需
如需
面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
生物反应器的生物学基础
生物反应速率主要指细胞生长速率、基质消耗速率和产物 生成速率，其相应的动力学模型是
细胞：
基质： 产物：
dVX i VX F FX ( i 1 , 2 ,...... ) （ 7-1 ）n i i fX if i dt n dVS j （7-2 ） VX F FS ( j 1 , 2 ,...... n ) j i i fS jf j dt j 1
根据经验： 夹套的K值为400～700kJ/（m2· h· ℃），蛇管 的K值为1200～1900kJ/（m2· h· ℃），如管壁 较薄，对冷却水进行强制循环时，K值为3300～ 4200kJ/（m2· h· ℃）。气温高的地区，冷却水温 高，传热效果差，冷却面积较大，1m3发酵液的 冷却面积超过2m2。但在气温较底的地区，采用 地下水冷却，冷却面积较小，1m3发酵液的冷却 面积为1m2。发酵产品不同，冷却面积也有差异。
7.1.2 生物反应器中的混合
混合过程的分类
类 型
气 —液
说
明
应 用 实 例
液相好氧发酵，如味精、抗生素等 发酵 液—固 固 相 颗 粒 在 液 相 固定化生物催化剂的应用、絮凝酵 中悬浮 母生产酒精等 固 —固 固相间混合 固态发酵生产前的拌料 液 —液 互溶液体 发酵或提取操作 液—液 不互溶液体 双液相发酵与萃取过程 液体流动 传热 反应器中的换热器
当采用分批式操作时,F=F=0；采用流加式操 作时，FF=0；采用连续式操作时,F=F0
生物反应器设计的基本原理
生物反应器选型与设计的要点
1、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。 2、确定适宜的反应器形式。 3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 4、传热面积的计算。 5、通风与搅拌装置的设计计算。 6、材料的选择与确保无菌操作的设计。 7、检验与控制装置。 8、安全性。 9、经济性。
n dVP k VX FP ( k 1 , 2 ,...... n ) ） k i i k （7-3 dt k 1
反应液体积：
dV Ff F dt
（7-4）
式中 F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]； 下标i、j和k分别表示相应的细胞、基质和产物, 下标表示基质的流加流量。
气、液接触混合
7.1.3 生物反应器中的传热
生物反应器中的能量平衡可表示为： Q Q Q Q Q Q Q （ 7-5 ） met ag gas acc exch evap sen 式中Qmet为微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率； Qag为搅拌造成的单位体积产热速率； Qgas为通风造成的单位体积产热速率； Qacc为体系中单位体积的积累产热速率； Qexch 为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率； Qevap为蒸发造成的单位体积热损失速率； Qsen为热流（流出－流入）造成的单位体积敏感焓上升的速 率。
实际生物反应过程中的热量计算， 可采用如下方法：
１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。 根据经验，每 m3 发酵液每小时传给冷却器最 大的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。
式中Q基质燃烧为基质的燃烧热，Q产物燃烧为产物的燃烧热。
生物反应器中的换热装置的设计，首先是传 热面积的计算。 换热装置的传热面积可由下式确定。
Q all F （ 7-8） K tm
式中 F为换热装置的传热面积m2； Qall为由上述方法获得的反应热或反应中每小 时放出的最大热量kJ/h； K为换热装置的传热系数kJ/(m2· h· ℃)； tm为对数温度差(℃)，由冷却水进出口温度 与醪液温度而确定。
2、通过反应液的温升进行计算。即根据反应液 在单位时间内(如半小时)上升的温度而求出单位体 积反应液放出热量的近似值。例如某味精生产厂， 在夏天不开冷却水时，25m3发酵罐每小时内最大 升温约为12℃。 3、通过生物合成进行计算。当Qsen 、Qacc和Qgas 可忽略不计，由式7-5可知， Q Q Q Q Q （ 7-6 ） all exch met ag evap 即反应过程中产生的总热量均为冷却装置带走。 4、通过燃烧热进行计算 （ 7-7） Q Q Q all 基质燃烧 产物燃烧
第七章
生物反应器
主要内容
1、生物反应器设计基础 2、酶反应器 3、通风式发酵设备 4、厌氧发酵设备 5、动植物反应器 6、生物反应器放大的 的特点与生物学基础
生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点 是生物（酶除外）反应都以“自催化” （Autocalalysis)方式进行，即在目的产物生成的过程 中生物自身要生长繁殖。