动物细胞培养生物反应器

生物反应器 Bioreactor 定义 是人们对生物有机体进行有控制的培养以生产某种产品或进行特定的反应的容器 生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一 原料 过程控制 热量 空压机除菌 原料制备预处理 灭菌 产品回收 能量 空气 生物反应器 能量 废物 产物 20世纪80年代生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现 成为一个标准名称传统发酵罐酶反应器等固定化酶和细胞反应器动植物细胞培养反应器 生物反应器类型 动物生物反应器 机械搅拌式反应器 气升式生物反应器 膜生物反应器 鼓泡塔生物反应器 植物生物反应器 一机械搅拌式生物反应器 医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉素生产是在机械搅拌式反应器中进行的 且迄今为止 对新的生物过程 首选的生物反应器仍然是机械搅拌式反应器 机械搅拌式反应器能适用于大多数生物过程 是形成标准化的通用产品 它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率 这种反应器的适应性最强 从牛顿型流体直到非牛顿型的丝状菌发酵液 都能根据实际情况和需要 为之提供较高的传质速率和必要的混合速度 缺点是机械搅拌器的驱动功率较高 一般2 4kw m3 这对大型的反应器来说是个巨大负担 结构 机械搅拌反应器的基本结构包括 筒体 机械搅拌系统 搅拌器 挡板 轴封 联轴器及中间轴承等 通气系统 空气分散装置 温控系统 换热装置 消泡系统 pH控制系统等 并在筒体的适当位置设置排气 取样 接种 进出料口以及入孔和视镜等部件 反应器的结构 几何尺寸H D 1 7 4d D 1 2 1 3W D 1 8 1 12B D 0 8 1 0 s d 2 1 5 2 5 s d 3 1 2 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 轴向式搅拌器 螺旋桨式 桨叶式 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 径向式 涡轮式 搅拌器 平直叶弯叶箭叶 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 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 1 0 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 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 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 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 单端面机械密封 双端面机械密封 小型的反应器多采用外部夹套作为冷却或加热的换热装置 其优点是结构简单 加工容易 反应器内无冷却装置 死角少 容易进行清洗和灭菌工作 缺点是传热壁较厚 冷却水流速低 降温效果差 大型的反应器则多采用反应器内装有蛇形管换热装置 优点是管内冷却水流速大 传热效率高 但它需占用反应器空间 并给反应器清洗和灭菌增加了难度 温控系统 消泡系统 发酵过程中由于发酵液中含有大量的蛋白质 故在强烈的通气搅拌下会产生大量的泡沫 严重时 将导致发酵液外溢 增加染菌机会 在通气发酵生产中有两种消泡方法 一是加入消泡剂 二是使用机械消泡装置 通常 是两种方法联合使用 消泡装置可分为两类 一类置于罐内 目的是防止泡沫外溢 它是在搅拌轴或灌顶另外引入的轴 致搅拌轴由罐底深入时 上装上消泡浆 另一类置于罐外 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罐内 通气系统 通气装置是指将无菌空气导入罐内的装置 最简单的通气装置是一单孔管 单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方 开口向下 以免培养液中固体物质在开口处堆积 管口与罐底的距离约为40mm 第二种形式是开口向下的多孔环形管 环的直径约为搅拌器直径的0 8倍 小孔直径约5 8mm 孔的总面积约等于通风管的截面积 在通气量较小的情况下 气泡的直径与空气喷口直径有关 喷口直径越小 气泡直径越小 氧的传质系数越大 但在发酵过程中通气量较大 气泡直径仅与通气量有关而与通气出口直径无关 又由于在强烈的机械搅拌的条件下 多孔分布器对氧的传递效果并不比单孔管好 相反 还会造成不必要的压力损失 且易使物料堵塞小孔 故已很少采用 单管 环形管dI 0 8DidI 环径Di 浆叶直径 二气升式生物反应器 airliftbioreactor 气升式生物反应器是应用较广泛的一类无机械搅拌的生物反应器 气升式生物反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展起来的 它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动 来实现液体的搅拌 混合和氧传递 气升式生物反应器结构简单 没有其他生物反应器具有的如有较多泄漏点和死角等等缺点 故早在20世纪70年代开始 植物细胞发酵培养就已经较多地采用气升式生物反应器 优点 气升式生物反应器的结构较简单 易于清洗 维修 不易染菌 能耗低 溶氧效率高 操作费用低 缺点 缺点相对来说较少 主要是高密度培养时混合不够均匀 三其他类型反应器 鼓泡塔生物反应器膜生物反应器固定床和流化床反应器动物植物生物反应器其他 四生物反应器的发展趋势 生物反应器的研究 开发和设计是生物技术的一个重要内容 一种好的生物反应器出现往往能够大规模降低生产成本 成为生物制品成功商业化的关键 因此 生物反应器的开发一直很活跃 尤其是最近的细胞生物反应器开发更是如此 生物反应器的发展趋势可归纳为以下几个方面 由于微生物可以悬浮培养 对搅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反应器内生长 目前 生产抗生素的发酵罐容积已达到400m3 氨基酸的反应器达到300m3 单细胞蛋白 SCP 的反应器达到2600m3 用微生物处理废水的生物反应器甚至高达27000m3 显然 反应器的增大有利于降低生产成本 1微生物反应器朝着大型化发展 2动植物细胞培养反应器得到较大发展 由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物制品 如干扰素 单克隆抗体等 细胞培养反应器的开发越来越受到重视 其中关于供氧问题 快速升温 SIP自动灭菌 CIP自动清洗 机械密封 排气处理 取样处理等问题等都需很好解决 3大量使用现代计算机技术进行生物反应器的设计和开发 首先 对反