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第一章生物反应器Bioreactor 1 第一节概述各种细胞及其代谢产物的生产过程都要通过细胞的培养 而细胞培养所用的装置就是反应器 生物反应器的作用 就是要为细胞代谢提供一个优化的物理及化学环境 使细胞能更快更好地生长 得到更多的需要的生物量或代谢产物 生物反应器 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 2 如何使细胞生长的更快更好 一 好的细胞株系二 良好的环境条件1 良好的物理环境 最主要的有温度 pH 溶氧量 合适的混合强度以保证细胞与营养物的接触及细胞的悬浮等 2 合适的化学环境 要求有合适的各种营养物的浓度 并限制各种妨碍生长代谢的有毒物质的浓度 3 研究生物反应器的目的 1 确定为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器 什么样的结构更好 2 对已有的生物反应器进行分析 达到优化的目的 3 分析各种生物反应器的数据 从而对细胞的生长 代谢等过程有更加深入的理解 生物反应器是工程学的一部分也是化学工程的一个分支 4 化学工程还包括下面几个重要的内容 1 流体的输送及混合 核心问题是流体之间动量的传递 机械能的转化 2 热量的传递 生物反应器要考虑发酵热的传出以及发酵罐温度的控制 3 物质的传递 生物反应器内进行着各种物质传递过程 这些传递过程的强度主要由浓度差以及扩散的面积决定 5 第二节细胞生长及代谢过程动力学 一 细胞生长的特点 描述方法的分类二 细胞的浓度及其测量三 均衡生长模型四 其它模型 6 一 细胞生长的特点 一 细胞培养1 细胞培养的一般条件温度pH渗透压营养物水无菌条件光气体 7 2 动物细胞培养的特殊条件 1 血清 动物细胞离体培养常常需要血清 最常用的是小牛血清 血清提供生长必需因子 如激素 微量元素 矿物质和脂肪 2 支持物 大多数动物细胞有贴壁生长的习惯 离体培养常用玻璃 塑料等作为支持物 3 气体交换 二氧化碳和氧气的比例要在细胞培养过程中不断进行调节 不断维持所需要的气体条件 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 9 4 微生物细胞培养的特殊条件 微生物多为单细胞生物 野生生存条件比较简单 所以微生物人工培养的条件比动植物细胞简单得多 其中厌氧微生物培养比好氧微生物复杂 微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻 玉米浆 蛋白胨 麦芽汁 酵母膏等成为良好的微生物天然培养基 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 11 常用的有 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 得率系数 两种物质得失之间的计量比 如 菌体的生成量对基质消耗量的得率系数 比速率 单位浓度的菌体 单位时间引起某物质浓度的变化量 如 菌体的比生长速率 基质的比消耗速率 产物的比生成速率 12 理想流动和非理想流动 两种理想流动模式 全混式 即反应器内各点浓度及其它条件均一 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 实际反应装置常常介于两者之间 13 细胞生长的特点及细胞群体的描述 细胞的生长 代谢是一个复杂的生物化学过程与一般的化学过程不同 这个反应体系的特点是 它是一种多相 多组分 非线性的体系 细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命活动 通常每毫升培养液中含104 108个细胞 而且 像任何有生命的东西一样 细胞也经历着新生 成长 成熟直至衰老的过程 在其生命的循环中 也存在退化与变异的问题 14 细胞群体进行简化假设 是否考虑细胞内部复杂的结构是否考虑细胞之间的差别 15 4种模型 16 非离散的结构模型 文献上简称结构模型 这种模型把细胞分为具有不同生理功能的组分 这种模型考虑到胞内不同的结构单元 对更精细地分析细胞的代谢调控是很重要的 其分析结果对于过程的优化往往具有指导作用 结构模型考虑了胞内各结构单元的代谢及相互作用 因此列出的方程参数多 复杂 不容易解 即使用计算机求解也要花费相当的时间 因此在过程控制中较少用这种模型 17 离散型非结构模型 把细胞分为几种不同形态或功能的类别 总的细胞量是各类细胞量的和 各类细胞有不同的生理功能 对于培养中细胞有明显差别 形态 功能 的过程用此种离散模型最好 缺点 分别测出各类细胞量是有困难的 18 离散型结构模型 细胞培养的实际情况 细胞之间不均一 细胞内部多组分 在求解和分析中最繁杂 应用较少 19 非结构非离散模型 简称均衡生长模型 这种模型没有考虑细胞内部的结构 又不考虑细胞之间有任何差异 因此 可以把细胞用 浓度 这一个量来描述 即把细胞看成一种 溶质 从而简化了胞内外的传递过程分析 也简化了过程的数学描述 对于相当多的微生物过程分析 特别是过程控制来说 均衡生长模型是可以满足要求的 20 二 细胞浓度及其测量 细胞浓度在培养过程中是一个十分重要的参数 在定量研究生物反应之前 首先需要说明微生物的浓度即菌体浓度的表示方法 g l kg m3 21 细胞干重法 测量细胞浓度的最基本方法 显微计数法 显微镜和血球计数器 平板计数法 生理盐水稀释 记录菌斑 浊度法 波长600 700nm范围测量 直接测定法 22 间接测定法 测定构成细胞的大分子物质来确定细胞浓度 23 三 均衡生长模型 1 细胞生长模型 均衡生长模型只用一个量来描述细胞的量 即生物量或细胞的浓度 通常用每毫升培养液中菌体个数或干菌重来描述 24 1 细胞生长动力学曲线 将微生物在一个封闭体系中培养 测定培养过程中细胞浓度的变化 可得到细胞生长的动力学曲线 以间歇培养微生物为例 在培养过程中动力学曲线包括延迟期 指数生长期 禁止期 自溶期等阶段 25 2 细胞生长动力学描述 细胞生长速率的一个重要参数是比生长速率 比生长速率 比生长速率表示在单位体积内单位量细胞经过单位时间增加的细胞量 这种增加包括生长和繁殖两个部分 比生长速率表示菌体增长的能力 它也受菌株及各种物理化学环境因素的影响 26 2 基质消耗的模型基质包括细胞生长所需各种营养成分 其消耗主要有三个方面 一 是细胞的生长 合成新的细胞 二 是细胞维持生命要消耗的能源物质 三 是合成次级代谢产物 27 3 产物生成动力学模型产物主要指的是细胞培养过程中代谢生成的除细胞量以外的产品 按照其生成特点 产物可分为两类 生长偶联型及非生长偶联型 这两者的区别在于前者的生成只是在细胞生长时才能生成 而后者则只要有细胞存在就能生成 28 4 均衡生长动力学模型应用实例 青霉素球状菌发酵 P6页 实际在生物培养过程中 菌体的生长 基质的消耗及产物的生成三个方面是交织在一起的 菌体的生长消耗了基质 而基质浓度的变化又影响菌体的生长速度 对于产物也是这样 因此 细胞培养整体的动力学模型是上述几个微分方程联立的结果 已知初始条件即可以应用合适的数学方法对过程求解及分析 29 四 其它模型 均衡生长模型把细胞看成一个 溶质 没有考虑胞内的结构和细胞之间的差别 在分析胞内的诱导作用 对工程菌进行动力学描述以及细胞的形态和功能有较大差异时 应用这个模型是不合适的 在实际过程中 有时还需使用其它模型 比如 离散模型 结构模型等 30 第三节生物反应器的基本类型及其设计 一 生物反应器的特点及其分类二 批式反应器三 连续搅拌罐反应器 衡化器四 生物反应器的强化 31 一 生物反应器的特点及其分类 微生物的种类很多 特点各异 生物反应器也五花八门 各以不同的方式提供适宜的生长环境 反应器的设计涉及采用的工艺 搅拌和通气系统及主要基质的状态 通气系统的基本形式有浸没式鼓泡器 有或没有机械搅拌 表面通气装置和膜反应器 32 在常温常压下操作 但要求能耐受蒸汽灭菌 制作严密无隙以防染菌 且用对微生物或酶无毒害的材质制作 当用微生物为催化剂时 催化剂本身是在发酵罐中产生的 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 生物反应器的特点 与一般化学过程的反应器相比 其基本原理和结构应是相近的 但有如下特点 33 酶常因底物 即酶的作用物 的浓度过高发生抑制作用 微生物细胞因胞内外渗透压平衡问题 要求底物浓度也不能太高 因而反应器体积相当庞大 在发酵过程中 生化反应机理和途径相当复杂 有的尚不清楚 很难进行化学计量学的计算及反应动力学的研究 加上反应时常是气 液 固三相并存 有的反应液粘度很大 流变学性质复杂 对反应器中物料的混合和传递带来不利 使采用化学反应工程的原理和方法解决生物反应器的设计放大问题存在较大困难 34 生物反应器的分类 一 按照生物反应过程来分1 发酵过程用的反应器称为发酵罐 2 酶反应过程用的反应器则称为酶反应器 3 专为动植物细胞大量培养用的生物反应器 专称为动植物细胞培养装置 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 36 产品名称 5L离位灭菌自动台式发酵罐型号 SY 3005QB 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个表面处理 不锈钢内外镜面抛光 抛光精度Ra0 4 38 2 灭菌方式 高压灭菌锅灭菌3 搅拌系统 直联机械搅拌 0 1KW直流电机 两层六平叶发酵专用标准桨 控制范围 50 1000rpm 控制精度 1 39 4 温度控制 冷却水温度 5 65 精度 0 1 5 pH控制 瑞士梅特勒pH电极及屏蔽导线 范围 2 12pH 控制精度 0 02pH6 溶氧控制 瑞士梅特勒DO电极及屏蔽导线 范围 5 100 控制精度 2 7 泡沫控制 自动检测泡沫添加消泡剂 灵敏度100 100000 8 补料控制 蠕动泵自动流加 范围 0 120ml min 控制精度 2 9 空气流量控制 转子流量计手动调节 范围 0 10L min 40 10 控制系统 采用两级控制体系 上位机 PC机 下位机 发酵罐现场控制器 通过网线连接 上位机和下位机都可以单独对发酵罐进行控制 上位机接入局域网时 可实现远程控制 发酵罐现场控制器采用进口嵌入式控制核心 大屏幕液晶显示屏 轻触式薄膜键盘 全中文菜单式操作界面11 发酵监控软件 免费赠送 SY 3000E发酵监控软件的主要功能 显示并记录发酵时间 温度 pH 溶解氧 转速 空气流量 压力 补料量 泡敌量 酸碱剂量等发酵过程参数 手动 自动 顺序和关联四种控制方式 可实现数据记录和输出 动态曲线历史曲线显示和打印等功能12 配套设备 空气压缩机 静音无油 50L min以上 高压灭菌锅 内容量50L以上 41 42 发酵罐组成 1 壳体2 控温部分3 搅拌部分4 通气部分5 进料口6 量测系统7 附属系统 43 特点 这种发酵罐根据其特点叫做机械搅拌罐 有人也叫它常规发酵罐 是目前使用最多的一种 适用性好 适应性强 从小型到中型 到大型的细胞培养过程都可以使用 放大容易 其缺点是罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞 造成某些细胞培养过程减产 44 气体提升式发酵罐 45 46 47 48 酶反应器 可分两大类 1 游离酶反应器2 固定化酶反应器 49 1 游离酶反应器以水溶液状态与底物反应 若为分批釜式反应器 酶就不能回收 若用连续釜式反应器并附有一个能把大分子的酶留在系统内的超滤装置则可使酶连续使用 也可将酶液置于用超滤材料制成的U形管或中空纤维管中 并将其置于釜式或管式反应器进行操作 这样也可使酶连续使用 后者接近连续管式反应器 50 2 固定化酶反应器除了和化学反应器类似的固定床反应器和流化床反应器外 还有多种特殊设计 例如 将酶固定在惰性膜片上 再卷成螺旋装置于反应器 图5 中 或将酶固定在中空纤维的内壁制成反应器 也可将固定化酶置于金属网框中进行酶反应 图6 在反应中产气 如CO2 严重时 可考虑采用多层酶反应器 51 52 53 动物细胞培养所用的生物反应器 动物细胞培养所用的生物反应器与前面所介绍的生物反应器 用于微生物培养的 基本是一样的 但由于高等生物细胞比较娇嫩 对培养条件要求更高一些 因而在选用及设计生物反应器时要特别考虑以下几点 54 动物细胞培养应考虑 1 避免或减低由于机械搅拌而产生的剪切力对细胞的损伤 2 气泡的表面张力可对细胞造成伤害 在通气时要防止气泡与细胞接触 3 在进行PH调节或补料时 要严格防止化学环境的急剧变化对细胞的伤害 如不能用酸 碱直接加入的方式调节PH 应以改变CO2 O2 N2的比例为主进行调节 55 动植物细胞培养装置 56 生物反应器的其它分类 生物反应器还可以按照其操作方式分为下面3类 1 批式培养 指的是营养物和菌种一次加入进行培养 直到结束放出 中间除了空气进入和尾气排出 与外界没有物料交换 2 连续培养 连续培养是不断地往反应器中加入营养物 利用罐中的菌体增殖得到产物 并不断采出 实际进行连续培养有两类反应器 搅拌罐式反应器和管式反应器 3 半连续操作 57 二 批式反应器 批式反应可以用各种反应器 其中以机械搅拌式和气升式用的最多 58 三 连续搅拌罐反应器 恒化器 恒化器的基本操作模型如图1 14所示 P15 物料连续地以体积流量F流入反应器 并以同样流量流出去 反应器内有很好的混合 即各点浓度一样 恒化器的操作特点是其流出物流的浓度与反应器内相同 而且加入的物流 一进入反应器立即与反应器内物料均匀混合 59 四 生物反应器的强化 1 规模经济2 过程的强化3 反应系统 60 第四节生物反应器的放大 一 概述在实验室里用小型设备进行科学试验 获得了较高的产量和效率 如何在大型的生产规模设备里重现 是生物反应器放大要解决的问题 61 放大的方法 数学模型法半数学模型法因次分析法 又称量纲分析 是对过程有关物理量的因次 即量纲 进行分析 得到为数较少的无因次数 即无量纲参数 群间关系的方法近似法则法尝试误差法 62 迄今 文献上常见的发酵罐比拟放大法仍以近似法则和因次分析的结合为主 经过放大 最有可能对发酵过程反应速率产生影响的一般是传质过程 其中限制性的传质速率就是气态氧向液相中传递的速率 因此 先要了解发酵罐中的传质及混合过程 1 氧的供给 2 罐内流体的混合 罐内流体的混合一方面是为了加强氧的传递 另一个方面使流体混合均匀避免局部过浓或过稀的现象 并强化菌体与营养物的接触 63 二 搅拌及传氧1 搅拌反应器搅拌的一个重要的参数是通过搅拌器输入到流体的功率值 决定搅拌功率的除了搅拌浆转速与直径外还有两个重要的因素 一是流体的流动与性质 二是通气与否 流动流体性质依其切变速率与剪切力之间的关系可分为牛顿型流体与非牛顿型流体 牛顿型流体切变速率与剪切力成比例 比例系数为粘度 非牛顿型流体则不成比例 64 2 氧的传递 氧的传递能力的好坏受物体流动性 反应器尺寸 操作条件等各方面的影响 氧的传递又常限制细胞的生长 65 三 生物反应器的放大原则1 几