生物工程设备-1

4生物工程设备,生物工程：用生物体或其组成成分在最适条件下产生有益产物及进行有效生产过程的技术。生物工程包括五大工程，即遗传工程(基因工程)、细胞工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应器工程。在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表达超远缘性状的新物种“工程菌”或“工程细胞株”。后三者的作用则是这一有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条件，进行大规模的培养，以充分发挥其内在潜力，为人们提供巨大的经济效益和社会效益。,4生物工程设备,生物技术发展的三个阶段：传统生物技术酿造技术；说文解字：古者仪狄作酒醪，禹尝之而美，遂疏仪狄。杜康作秫酒。近代生物技术生物发酵技术；细菌和酵母等微生物在无氧条件下，酶促降解糖分子产生能量的过程。现代生物技术基因工程技术。按人们意愿设计，通过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。,4生物工程设备,4生物工程设备,生物反应工程技术细胞大规模培养技术：微生物、动物细胞、藻类酶反应技术：生物催化剂、酶反应工程分离技术小分子化合物大分子活性化合物需要装备技术来实现先进的装备技术过程原理研究不同领域的先进技术设备原理、设计理念、部件与制造技术,4生物工程设备,生物工程设备特点：设备操作条件为常温、常压或低压：发酵温度一般为2850；灭菌温度128，30min；压力一般常压0.3MPa无菌操作，设备应考虑消除死角，保证不被杂菌污染设备结构满足工艺要求：通风、ph调节、温度控制、补料等接口材料耐腐蚀性：不锈钢或内衬不锈钢、涂料、橡胶,4生物工程设备,基本要求：在满足生产工艺、产品质量要求的前提下，尽可能节省投资，降低生产成本。强度和刚度要求；加工费、运转费；生产能力越大，投资越省，罐容增大10倍，投资只增加45倍；设备利用率越高，成本越低，尽可能提高利用率(反应器的时空收率)。,4.1生物反应器,生物反应器大规模培养微生物、动物细胞、植物细胞，获得其代谢产物或生物体的设备。生物反应器要满足和调控微生物、动物细胞、植物细胞的最适宜生长和合成的环境，是工业化大规模细胞培养过程唯一一个吧原料转化为产物的设备。一个优良的生物反应器应具有良好的传质、传热和混合的性能；结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护方便；有可靠的检测和控制仪表；搅拌及通气所消耗的动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。,4.1.1微生物反应器,发酵罐进行大规模悬浮培养微生物的反应器。工业微生物发酵多为好氧发酵，因次发酵罐多采用通气和搅拌方式来增加氧在培养液中的溶解。发酵罐的类型：机械搅拌型、外部液体循环式、气升式,4.1.1微生物反应器,4.1.1微生物反应器,(1)通用式发酵罐兼有机械搅拌和压缩空气分布装置的发酵罐，目前最大的通用式发酵罐容积为480m3。,4.1.1微生物反应器,通用式发酵罐的几何尺寸：,种子罐：H/D=1.72.0发酵罐：H/D=2.02.5高径比要保证传质效果好、空气利用率高，保证综合经济指标合理和使用方便。影响因素：发酵菌种、发酵工艺条件、厂房的土建等。,4.1.1微生物反应器,发酵罐的装料容积：筒身体积+底封头体积实际生产中，罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升和发泡，因次罐中实际装料量V不能过大，一般填料系数：,4.1.1微生物反应器,发酵罐结构：罐体、搅拌装置、消泡器、轴封、传动装置、传热装置、挡板、人孔、视镜、通气装置、进出料管、取样管等。,4.1.1微生物反应器,罐体：直径1m，封头焊在筒身上，罐顶开人口。筒体要求双面焊接，焊接面要光滑无沙眼、无死角。,4.1.1微生物反应器,搅拌装置：产生强大的总体流动，将流体均匀分布于容器各处，以达到宏观均匀；产生强烈的湍动，使气体、液体、固体微团尺寸减小。两种作用将有利于混合传热和传质，特别对氧的溶解具有重要意义。,4.1.1微生物反应器,涡流式搅拌器：液体在搅拌器内做径向和切向运动径向流流量小、压头高。,Rushton涡流半圆管圆盘涡流CD-6弧叶圆盘涡流BT-6,4.1.1微生物反应器,径向流涡流搅拌器能产生很大的剪切力，有利于气泡的破碎，但不利于微生物的生长。通用式微生物反应器的搅拌为了更好的溶解氧，气体分散是属于小尺度的混合，因次广泛采用涡流式搅拌器。为了避免气体沿轴上升，在搅拌器中央设有圆盘。搅拌器按叶片形式可分为平叶式、弯叶式、箭叶式、斜叶式和半圆管式，叶片数量一般为6个。,4.1.1微生物反应器,六平叶涡流六弯叶涡流六箭叶涡流RushtonD-6,半圆叶圆盘涡流圆弧叶叶片涡流ChemineeCD-6ChemineeBT-6,4.1.1微生物反应器,气泛,载气,完全分散,4.1.1微生物反应器,旋桨式搅拌器：液体做轴向和切向运动轴向流循环量大、压头低,四宽叶螺旋式叶轮机翼螺旋式叶轮四斜叶开启涡流,4.1.1微生物反应器,旋桨式搅拌器循环量大，尤其适用于要求容器上下均匀的场合。,四宽叶螺旋叶轮机翼螺旋叶轮四斜叶开启涡轮,扇形圆弧叶轮推荐式叶轮,4.1.1微生物反应器,在相同搅拌功率下不同搅拌器破碎气泡的能力和翻动液体的能力不同。由于发酵罐的H/D值较大，为了使发酵液充分被搅动，可在同一搅拌轴上配置多个不同搅拌器。,考虑因素：罐内装料高度、发酵液特性、搅拌器直径等。,对于抗生素生产发酵罐，一般在搅拌轴上层采用轴流式搅拌器以强化混合效果，下层采用径流式搅拌器以利于粉碎气泡强化氧的传递。,4.1.1微生物反应器,大型发酵罐搅拌装置,4.1.1微生物反应器,搅拌功率与混合效果：为了达到宏观上的均匀，必须有足够大的总体流动，即翻动量要大；为了达到小尺度上的均匀，必须提高总体流动的湍动程度，即压头要足够大。,搅拌器施加于液体内的剪切力，相当于单位体积液体中的动压头H(v2/2)与液体密度的乘积。,搅拌器对液态的翻动量Q,4.1.1微生物反应器,轴封装置：搅拌轴一般从罐顶深入罐内，但对容积大于100m3的大型发酵罐，采用下伸轴以降低发酵罐重心，缩短轴的长度，降低传动噪声。同时顶部空间可以安装高效的机械消沫器及其他自控部件。采用下伸轴时要求双端面轴封，轴封要设计可用蒸汽灭菌和用无菌空气保压防漏及冷却。而上伸轴可采用单端面轴封。,双端面机械密封,4.1.1微生物反应器,挡板：作用改变被搅拌液体的流动方向，使之产生纵向运动，从而消除液面中央部分的下凹漩涡。全挡板条件罐内加了挡板使漩涡基本消失，或者说是指消除液面漩涡的最低挡板数全挡板条件下的挡板数和挡板宽度W-挡板宽度；D-罐径；mb-挡板数一般发酵罐中安装4块挡板，W=1/81/12D,4.1.1微生物反应器,进气装置：开口向下，距罐底4050mm,4.1.1微生物反应器,传热装置：夹套(2000的聚醚、聚二甲基硅烷广泛用于各种抗生素发酵的泡沫抑制中。,4.1.1微生物反应器,耙式消泡桨：装于搅拌轴上，齿面略高于液面，桨直径约为罐径的0.80.9。转速低，效果比较差。半封闭涡轮消沫器：常用于顶部空间比较大的下伸轴发酵罐，在高速旋转下泡沫可以直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到壁面而破碎，消沫效果好。,4.1.1微生物反应器,离心消沫器：利用离心力将泡沫粉碎,蛇形栅消泡桨：泡沫上升与栅条反复碰撞，搅破液面上的气泡，抑制泡沫增加。目前广泛采用。,4.1.1微生物反应器,通用机械搅拌反应器的发展趋势：容积：扩大至100350m3材质：有碳钢改为不锈钢(304，316L)传热：由单一的罐内蛇管传热改为罐内直管和罐壁半圆管相组合减速：将皮带减速改用机械式减速搅拌：从单一径向涡轮式搅拌改为径、轴双向流式搅拌。,0Cr18Ni9,00Cr17Ni14Mo2,4.1.1微生物反应器,4.1.2动物细胞培养反应器,随着生物技术的发展，动植物细胞培养已逐渐从实验室培养过渡到工业化规划的生物反应器中。通过动物细胞的大规模培养，可以得到疫苗、诊断试剂、单克隆抗体、酶等贵重药品和生物制品。动物细胞无细胞壁，不能承受剪切力；对培养基的营养要求十分苛刻，对环境十分敏感；生长缓慢，一般只有在高细胞密度条件下才能得到一定浓度的产物。,4.1.2动物细胞培养反应器,分类：按动物细胞培养时的特性象微生物一样悬浮培养，为非贴壁依赖型，包括血液、淋巴组织细胞、肿瘤细胞只能在固体或半固体表面生长，形成单层细胞，为贴壁依赖型，多数哺乳动物细胞属于这一类。按设备结构螺旋膜反应器、流化床反应器、中空纤维及其他膜反应器、搅拌式反应器、空气提升式反应器等。搅拌式反应器桨式搅拌器、棒状搅拌器、船帆形搅拌器、往复震动锥孔筛板搅拌器、笼式通气搅拌器等,4.1.2动物细胞培养反应器,动物细胞悬浮培养生物反应器,带帆形搅拌器的连续灌注系统培养反应器,实验室规模反应器，440L，搅拌桨是用尼龙丝编织带制成帆形，搅拌轴用磁力驱动旋转，转速为2050r/min，氧气通过插入溶液中的硅胶管扩散到培养液内，以维持培养液内一定的溶解氧水平。采用新鲜培养液连续加流，流出培养液通过旋转过滤器分离细胞后排出。用于培养鼠类肿瘤细胞，每升培养液得到1.71012个细胞。,4.1.2动物细胞培养反应器,中试和工业规模的动物细胞悬浮培养反应器：目前已有10m3规模的动物细胞培养反应器用来培养杂交瘤细胞，生产单克隆抗体。关键是改进搅拌桨和通气装置，减小剪切力。用螺旋桨取代涡轮式搅拌器，用扩散渗透通气装置代替鼓泡空气分散器。,4.1.2动物细胞培养反应器,空气提升式(气升式)生物反应器，最初被用于生产单细胞蛋白，后来用于培养动植物细胞，特别适用于生产次级代谢产物的分泌型细胞。,优点：结构简单，避免使用轴承而造成微生物培养的污染；传质性能好，尤其是氧的传递效率高；产生的湍动温和，剪切力小，循环量大，使细胞营养成分均布于培养基中。,4.1.2动物细胞培养反应器,气升式发酵罐(外循环)气升式发酵罐(内循环)常州市三高生物技术工程设备有限公司,4.1.2动物细胞培养反应器,动物细胞贴壁培养反应器大部分动物细胞必须附着在固体或半固体表面才能生长，细胞在载体表面上生长并扩展成一个单层，又称单层培养。,传统方法：滚瓶用430L大小的成千上万个滚瓶进行动物细胞培养，来生产疫苗。比表面积小，0.35手工操作,4.1.2动物细胞培养反应器,中孔纤维培养器：由成束的中孔纤维管组成，每根中孔纤维管的内径为200m，壁厚为5075m，管壁是半透性的多孔膜，O2与CO2可以自由地透过膜双向扩散，而大分子有机物不能透过。,动物细胞帖附在中空纤维管外壁生长，可以方便地获取营养物和溶解氧。装置内可安装成千根纤维管，比表面积大(40)，溶解氧传质速率比悬浮培养器高3倍，为大规模动物细胞培养创造了条件。,4.1.2动物细胞培养反应器,动物细胞微载体悬浮培养反应器用微珠作载体，使单层动物细胞生长于微珠表面，可在培养液中进行悬浮培养。这种培养方式将单层培养和悬浮培养结合起来，是大规模动物细胞培养技术最常用方法。三个关键问题：具有合适的搅拌器，使载体在培养液内悬浮流动，而又要不因过高的剪切力而使动物细胞受到损害；不能用传统发酵罐那样用空气在培养液内鼓泡充氧，而只能用扩散方式来传递氧，以满足所需的溶解氧浓度；在培养液中严格控制pH值，要求误差小于0.05。,4.1.2动物细胞培养反应器,微珠可用葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺、明胶或甲壳质等来制造，要求球径均匀，径差小于2025m，溶胀后密度在1.031.05g/ml，以便在反应器内经缓慢搅拌后微载体能悬浮起来。,利用中空纤维作为通气装