第四章 生物反应设备

1、第四章 生物反应设备教案首页1授课日期2007年9月30 日（第7周星期一）2班级2006级生物制药1、2、3、4班专业生物制药技术3课次第13次课累计学时26学时4课题内容第一节 反应器基本知识第二节 培养基预处理设备5教学目的与要求理解理想反应器和非理想反应器的概念，掌握双酶制糖工艺流程。6重点与难点重点：双酶制糖工艺流程难点：理解理想反应器和非理想反应器的概念7演示实验、教具、挂图准备实物，多媒体演示8作业及其它P79 一、二、三9教参资料名称、页次徐清华 生物工程设备 第四章10教学过程及内容见附页第一节 有关反应器基本知识教学目标：了解常见反应器的结构。理解流体在搅拌器作用下的流动状

2、态。理解理想反应器和非理想反应器的概念。教学重点：流体在搅拌器作用下的流动状态。理想反应器和非理想反应器的概念。教学难点：流体在搅拌器作用下的流动状态。教学内容：一、常见反应器的基本结构如果根据操作的连续性，工业上所使用的反应器可分为间歇式反应器和连续式反应器。根据几何形状划分，则工业反应器又可分为釜式、管式、塔式、固定床式和流化床式反应器。如果反应器上安装有搅拌器则称为机械搅拌式反应器。1.机械搅拌釜式反应器机械搅拌式反应釜由内胆、夹套、搅拌器、传动装置、电动机、封头等部件组成。为了增强搅拌效果，在内胆的内壁上纵向设计了若干块挡板。内胆之外是通载热介质的夹套。搅拌器的形状各异，根据反应要求可

3、更换。在上封头设计有人孔、进料口、排气口、取样口、温度测定口、压力表、观察窗等，有时又把温度计测量管和观察窗设计在筒体的壁上。操作时，首先给夹套通入加热介质，控制内胆保持反应需要的温度，将各种原料液从不同的进料口放入内胆，开动搅拌器，促使液体混合均匀和反应正常进行。当反应完毕，从反应釜底部放出液体至贮罐贮存。机械搅拌釜式反应器属于压力容器，在反应时，内胆里的压力可能会升高。在操作时一定要将内胆里的压力控制在额定压力之下，否则，易发生危险事故。2.其他反应器机械搅拌釜式反应器应用非常广泛，除此之外还有管式、塔式、固定床和流化床等类型的反应器。（1）管式反应器结构比较简单，将一根管道弯曲成各种形状

4、，在内部装填各种性能的填料，即构成一个管式反应器。管式反应器耐高温高压，传热面积可大可小，传热系数高，流体流速快，停留时间可控，是反应工程大型化连续化发展中的一个重要设备。（2）固定床反应器按传热方式划分，固定床反应器可分为绝热式、换热式和自热式三种类型。在催化反应时不与外界进行热交换的反应器称为绝热式反应器。绝热式的热交换是通过绝热升温和绝热降温实现的。换热式固定床反应器是利用其他物质做载热体，通过间壁移走或供给热量，以维持催化剂床层适宜温度，所以又称为对外换热式反应器。自热式固定床反应器是使原料气通过间壁与产物进行热交换的反应设备，这种设备既能控制催化剂床层的反应温度，又能预热原料到规定的

5、温度，因而被广泛地用于放热反应过程中。（3）流化床反应器在如上图所示的流化床结构中设计有筛板，事先给流化床内装填有固体物料，固体物料的颗粒沉积在筛板上。当从流化床底部向上通压缩空气时，则固体颗粒的运动状态会发生吹松、膨胀、悬浮于气流中等系列变化。此时若增大压缩空气的流速，则固体颗粒被气流夹带流出。这一个过程就称为流化过程，实现这个过程的设备叫流化床。颗粒被气流夹带而流出的速度叫带出速度。在实际的流化过程中，流化现象分为散式流化和聚式流化。如果固体颗粒均匀地分散在气流中，则成为散式流化，又叫均匀流态化，如果是不均匀的则称为聚式流态化。3.搅拌器（1）搅拌器的结构通用搅拌器是由电动机、减速机、支架

6、、传动轴、密封装置、叶轮等部件组成。搅拌器上的叶轮是各式各样的。按搅拌叶轮的形状可分为螺旋式搅拌器、涡轮式搅拌器、桨式搅拌器、锚式搅拌器、框式搅拌器、螺带式搅拌器。如果按搅拌器的工作原理，则可分为轴向流搅拌器和径向流搅拌器。轴向流搅拌器以螺旋桨叶式为代表，具有流量大、压头低的特点，流体在搅拌罐内主要作轴向和切向流动；径向流搅拌器以涡轮式桨叶为代表，具有流量小压头较高的特点，流体在搅拌罐内主要作径向流和切向流。（2）搅拌器内液体的运动状态 在反应器内，随着搅拌器的转动，搅拌桨叶把机械能量传给了液体，并带动液体做圆周运动。液体在作圆周运动的同时，还进行沿轴方向和垂直于转动轴的径向运动，在搅拌桨叶附

7、近产生了高度湍动的区域和一股高速射流，高度湍动区称为充分混合区，在充分混合区所有物料受到最大程度的混合。高速射流则推动全部液体沿一定途径在搅拌罐内作循环流动。流体在搅拌罐中作的大范围循环流动叫总体流动。当高速射流通过静止或运动速度较低的液体时，再其交界处产生了速度梯度，使附近的液体受到强烈的剪切作用，低粘度液体则产生大量涡流并迅速想外扩散，夹带更多的液体到总体流动中，同时形成局部范围湍流流动。湍流流动形成的强大剪切力将液体破碎成微团；对于高黏度液体，罐内只作层流流动，搅拌桨直接推动的液体与周围运动迟缓的液体之间形成较大速度梯度，由此造成的强剪切力把液体破碎成微团。微团越小混合程度越高。液体被剪

8、切成微团的尺度与搅拌器、反应器的几何尺寸有关，也与搅拌器转速有关。研究发现，液滴、气泡的分散，需要强烈的湍流流动；固体颗粒的均匀悬浮有赖于总体流动。因此，要使液体混合程度高则要强化湍流流动，要使固体颗粒悬浮的更加均匀，则要注重总体流动的形成。二、理想反应器和非理想反应器如果反应是间歇进行的，则流体在反应器中的流动状况就如上面分析的情况。但是，在工业生产中，多数时候是连续性生产。在这种情况下，反应器内的物料有两种，一种是原来的物料，一种是新近加入进来的物料。新物料与原来的物料之间，有着复杂的流动形态。最简单的一种形态是，象活塞一样，新物料将原来的物料整齐划一地排挤出去，相互之间没有任何混合现象，

9、这种流动形态，我们称之为活塞流。活塞流是一种很理想的流动形态。另一种流动形态是，新进入反应器的物料，在极短的时间内就与原来的物料混合完全，这种流动形态我们称之为理想混合形态。在理想混合器中，原来的物料停留的时间长，新进来的物料停留的时间短。经搅拌器搅拌和其他作用力的推动，则原来的物料与新进的物料进行混合， 这种现象称为返混现象。由于理想混合反应器混合最快又最完全，所以返混程度最大；在理想排挤式反应器中，先后进入反应器的物料质点间没有混合，所以没有返混现象发生。其他连续反应器内都存在物料的返混，返混程度介于理想混合反应器和理想排挤式反应器之间。返混现象的存在会使反应器内参与反应的物料浓度降低，因

10、而反应速度也降低。这对不同类型的反应，其影响结果各有利弊。活塞流和理想混合都是一种在理想状态下的流动形态，在实际生产过程中，很难实现。因此，我们把能够实现理想流动形态的反应器称为理想反应器，反之则称为非理想反应器。严格地说实际生产中不存在理想反应器。但是，如果将反应器的大小尺寸设计的非常好，而且把各种参数控制在最佳状态，则反应器中新旧物料的流动形态可近似地看成理想流动，相应的反应器则可称之为理想反应器。通常在连续操作时，管式反应器和机械搅拌釜式反应器里的物料，其流动形态非常接近于理想流动，因而将这两种类型的反应器看成是典型的理想反应器，在工艺计算时也按理想反应器的模式进行，计算结果用经验系数校

11、正即可。第二节 培养基预处理设备教学目标：了解生物制药过程及影响生物反应的因素。掌握培养基灭菌设备的结构工作原理和工艺流程。教学重点：双酶法淀粉糖化工艺流程。教学难点：双酶法淀粉糖化工艺流程。教学内容：一、生物制药过程生物药物的生产全过程。原材料在生物催化剂催化下，发生生物反应，反应产物被提取纯化后成型包装得成品。在生物制药全过程中，生物反应是一个重要的操作单元，人们模拟细胞中的环境条件制造各式反应器进行生物反应。生物反应过程受多方面因素的影响。生物催化剂催化活性的高低，有无杂菌污染，环境条件是否满足生物催化剂的要求等，这些因素在不同程度上影响生物反应的正常进行。二、影响生物反应的因素1.生物

12、催化剂酶生物药物都是由酶催化产生的。生物制药过程所使用的酶，主要由微生物新陈代谢分泌产生。这些微生物既可以从自然界选育得到，又可以通过基因工程得到。如生产抗生素时常用的微生物有放线菌中的链霉菌属、若卡氏菌属、小单孢菌属；真菌中的青霉素菌属、头孢菌属；细菌中的多粘杆菌、枯草杆菌、芽孢杆菌等。在生物反应中，生物催化剂浓度越大，则反应速度越快。微生物繁殖得越快，生物药物合成速度就越快。影响微生物生长的应素有温度、酸碱度、溶氧水平、培养基成分、二氧化碳浓度、杂菌污染等多种因素。现就在设计反应器时必须考虑的几种因素作一简要介绍。2.温度的影响由于酶只能在最适温度下才能发挥最强的催化效力，所以在生物反应过

13、程中，要严格控制反应体系的温度，因而生物反应器要有很好的换热能力。温度升高时要能迅速冷却，温度降低时要能迅速加热。所以生物反应器要有升温和降温的装置，要有通入加热介质和冷却介质的接口，这样才能够维持温度恒定。3.氧气的影响绝大多数生物制药用的微生物是好氧微生物，即在这类微生物的新陈代谢过程中，需要供应充足的氧气维持其生命活动，否则因微生物的死亡而使药物合成无法进行。所以，生物反应器要有供氧装置，且能快速而均匀地分散到反应体系中。在生产上，常采用搅拌和其他形式装置促使氧气迅速分散溶解。4.杂菌的影响不同微生物分泌出的酶，其功能也是不同的。如果分泌出的酶破坏了目的产物，或者将营养物质转化成非目的产

14、物，则导致生物反应不能朝预期方向进行。这会给生产带来严重损失。为预防这种现象的发生，生物反应系统不能有分泌破坏性酶的微生物，因而要对进入生物反应体系的原材料和空气彻底灭菌，以保证反应器中只存在需要的菌种。5.培养基的影响大多数微生物一般不能很好地利用淀粉类物质，但是能利用小分子糖类。因而，在生产过程中，需要将淀粉类物质进行糖化处理后，方可进入生物反应器中参加生物反应。综合上述影响，为了使生物反应能高效率地进行，在设计反应器时要综合考虑各种因素的影响。例如在设计工艺流程时，要考虑培养基能否直接被微生物利用的问题。当然消毒杀菌过程是必不可少的。三、培养基的灭菌设备为了使生物反应正常进行，对进入反应

15、器的培养基要预处理。培养基的预处理有培养基的灭菌和淀粉类物质的糖化等单元操作。这些操作单元所涉及的主要设备有培养基的灭菌设备和淀粉糖化罐。培养基的灭菌方法有分批式和连续式两种。在分批式灭菌流程中，先将培养基打入发酵罐内，直接蒸汽加热，达到灭菌要求的温度和压力后，维持一定时间，再冷却至发酵要求的温度。这种操作方式又叫实罐灭菌。连续式灭菌是在连续灭菌设备中，对培养基灭菌处理冷却后，再输送到发酵罐中。由于采用高温快速灭菌的方法，既可达到杀死培养基中的全部微生物，又可以减少营养成分的破坏，因而连续灭菌法被广泛地采用。在大型生物工程中常采用培养液连续灭菌流程、喷射加热连续灭菌流程、薄板换热连续灭菌流程。

16、每种流程都各有其特点和使用范围。 1.培养液连续灭菌流程如图所示为典型的培养液连续灭菌流程。在配料罐中配制的培养液放出后加入约0.01%消泡剂，然后用连消泵送入连消塔底端，培养液被加热到的灭菌温度，由顶部排出，进入维持罐，保温，然后由维持罐上部流出，经蛇管喷淋冷器冷却到发酵温度后送入发酵罐。维持罐内残余的培养液可由底部排尽。在本流程中所采用的设备有配料罐、连消塔、维持罐、蛇管冷却器。在前面有关章节已介绍了配料罐结构，维持罐的结构配料罐相似，但能保温且密闭性好，可以避免罐内物料受外部微生物的污染。在套管式连消塔中，蒸汽从上向下进入内管，并沿斜向小孔进入夹套。培养液从底部进入夹套中，与蒸汽混合后向

17、上从出料口排除。在夹套内培养基迅速被加热到灭菌温度，流动速度小于，停留时间约为。在喷嘴式连消塔中，培养液从底部进入类似于喷射器的装置中，与蒸汽混合后射到挡板上并被均匀分散，随后进入筒体而流出。也可以将两个喷嘴式连消塔重叠起来使用，使培养液经两次加热灭菌后排出。2.喷射加热连续灭菌流程蒸汽通过喷射器直接喷入培养液，培养液温度急速上升到预定灭菌温度，在此温度下的保温时间由保温段管子的长度来保证。灭菌后培养液通过一膨胀阀进入真空冷却器急速冷却。由喷射加热、管道维持、真空冷却组成的连续灭菌流程，由于受热时间短，所以可把温度升高到而不引起培养液的严重破坏。此流程能保证培养液先进先出，避免过热或灭菌不透现

18、象。真空系统要求严格密封，以免重新污染。 在这个流程中，关键设备是喷射器，图810所示的就是喷射器结构图。其工作原理是培养液以一定的流速进入喷嘴，因喷嘴直径逐渐缩小，培养液流速增大，在高速喷射入喉管的过程中，使吸入室产生了真空，从而将蒸汽吸入并混合，使培养液在较短时间内温度升高到灭菌温度，达到灭菌的目的。由于喷射器的混合效果好，且操作简单，所以被广泛地用于流体的混合过程。3.薄板换热器连续灭菌流程薄板换热器连续灭菌流程中,培养基在一套设备中同时完成预热、灭菌及冷却过程。一号换热板起冷却灭菌后的培养液作用，二号换热板既对生培液起预热的作用，又使已灭菌培养液冷却，三号换热板起着蒸汽加热使培养液的温

19、度升高和灭菌的作用。维持段起保温的作用。生培养液在二号换热器预热后进入三号换热器，在三号换热器里被升温到灭菌温度并灭菌，然后经过维持段的保温维持后，在薄板换热器的另一段冷却。薄板换热器连续灭菌流程，加热和冷却生培养液所需时间比使用喷射式连续灭菌稍长，但灭菌周期则比间歇灭菌要短。又因为生培养基的预热过程就是灭菌培养基的冷却过程，所以节约了蒸汽及冷却水量，降低了生产成本。四、淀粉糖化设备由于微生物受生理生化特性的制约，在进行新陈代谢时，只能有效地利用营养物中的单糖和二糖，不能利用多聚糖类。如酵母和大部分的细菌只能利用葡萄糖、果糖、蔗糖、半乳糖、以及部分麦芽糖等，不能利用糊精、淀粉等大分子多糖。因此

20、要将淀粉类物质转化成单糖或二糖后才能使用。通常把淀粉物质转化成小分子糖类的操作过程叫淀粉的糖化。淀粉的糖化由两个阶段构成，第一个阶段是淀粉的糊化。通过糊化阶段的初步水解，淀粉分子发生断裂，由原来的大分子裂解成较大分子，从颗粒状态转化成糊状流体状态。通常把颗粒淀粉转化成糊精的过程称为糊化，又叫液化。淀粉糊化后才能被糖化酶有效地转化成低分子糖类。糖化过程的第二阶段是糊精被淀粉糖化酶催化水解成单糖、二糖的过程。在这一阶段，淀粉内部的-1，4或-1，6葡萄糖苷健破裂，从而使大分子的糊精水解成小分子的单糖和二糖，完成了淀粉的糖化，所得糖化物可以被微生物直接利用。1.糖化过程所使用的酶在淀粉糖化过程中，催

21、化淀粉分子-1，4或-1，6葡萄糖苷健破裂的物质有酸类和酶类。由此产生的糖化方法有酸解法、酶酸解法和酶解法。其中酸解法产生的副产物多，不利于后续阶段的分离纯化，因而使用面有限；酶解法的产物比较单纯，因有利于后续加工而使用得比较广泛。酶解法主要是指采用两种关键酶起催化作用的方法，即双酶法。在双酶法中，起关键性作用的酶是-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶。-淀粉酶又称为淀粉液化酶，只作用于淀粉-1，4葡萄糖苷健，其作用特点是可以快速将长链的淀粉水解成短链糊精，也就是使淀粉液化。其水解速度随着淀粉链长度的降低而变得越来越慢，因而该酶不可能将淀粉完全水解成葡萄糖，其催化淀粉水解产物中以短链的糊精为主，含有少量的

22、葡萄糖。淀粉葡萄糖苷酶，又称为糖化酶，可以水解淀粉分子的-1，4或-1，6葡萄糖苷健，其作用特点是，淀粉的分子链越短水解速度越快，因此在此酶的催化下，糊精的最终水解产物为葡萄糖。所以，淀粉糖化过程实质上就是糊精分子被酶催化水解成葡萄糖的过程。2.淀粉的双酶法水解工艺流程双酶法淀粉糖化工艺可分为四个操作单元，即调浆、液化、糖化和过滤。相应的工艺流程所涉及到的关键性设备有液化器和糖化罐。下面分别介绍：（1）液化器、淀粉类液化器主要有水解锅和连续液化喷射器。水解锅 水解锅的构造非常简单。制造材料为不锈钢，锅体为圆筒型，上下封头为碟型。上封头开有人孔、进料口、取样口、放空气口，同时还设计有压力表、加热

23、蒸汽管。下封头设计有排液管。使用前，先通入蒸汽将不凝性气体排出放空，然后加入淀粉浆，经水解一段时间后即可放出糊精。连续液化喷射器 连续液化器的结构类似于其他喷射器，不过连续液化喷射器有一个针形阀，针形阀与喷嘴之间形成环行的、很细小的缝隙，喷嘴周围开有很多蒸汽喷孔，热蒸汽进入喷射器后从喷气孔中喷射出来与物料混合。连续液化喷射器工作时，淀粉浆进入喷射器通过喷嘴后向扩散管喷出，当经过喷嘴时，在针形阀和喷嘴之间形成薄膜状，被从蒸汽喷射孔中出来的高温蒸汽加热糊化。连续液化喷射器的液化效率很高，在90条件下，可直接将加酶的淀粉浆在极短的时间内液化。（2）糖化锅经液化了的淀粉就可用来进行糖化操作。淀粉的糖化

24、过程是在糖化罐中进行的。糖化罐的结构比较简单，是由夹套罐体、搅拌器、蛇管冷却器组成。糖化过后的液体经过滤冷却后进入贮存罐中贮存备用。需要特别说明的是，在淀粉双酶法水解过程中，已经液化了的淀粉浆在进入唐花罐进行糖化之前，必须再进行一次灭菌，否则糖化过程受到杂菌污染，糖化效果要受到影响。灭菌时常采用薄板换热器连续喷射流程进行。教案首页1授课日期2007年10月 10 日（第7周星期三）2班级2006级生物制药1、2、3、4班专业生物制药技术3课次第14次课累计学时28学时4课题内容第三节 通气发酵罐5教学目的与要求掌握机械搅拌通气发酵罐、自吸式发酵罐、气升式发酵罐、鼓泡塔式发酵罐的结构、工作原理和

25、操作方法。6重点与难点重点：机械搅拌通气发酵罐的结构、工作原理和操作方法。难点：机械搅拌通气发酵罐的管道布置。7演示实验、教具、挂图准备实物，多媒体演示8作业及其它P79 一、二、三9教参资料名称、页次徐清华 生物工程设备 第四章10教学过程及内容见附页第三节 通气发酵罐教学目标：掌握机械搅拌通气发酵罐、自吸式发酵罐、气升式发酵罐、鼓泡塔式发酵罐的结构、工作原理和操作方法。教学重点：机械搅拌通气发酵罐的结构、工作原理和操作方法。教学难点：机械搅拌通气发酵罐的管道布置。教学内容：一、机械搅拌通气发酵罐结构机械搅拌通气发酵罐又叫通用发酵罐。通用发酵罐结构部件有搅拌器、换热器、罐体和消泡装置。搅拌器

26、的传动装置可设计在罐体的上面或罐体的下面。传热装置有夹套式、排管式和蛇管沉浸式。罐体的上下封头为碟形，罐体直径与高度之比可达到。消泡装置为耙式消泡桨,装于搅拌轴上，齿面略高于液面，当少量泡沫上升时,转动的耙齿就可以把泡沫打碎。1.发酵罐的物料流发酵罐作为生物反应场所，其功能必须能满足生物反应对各种条件参数的需要。发酵是放热的，反应中需要不断地将放出的热量移出，反应体系温度的控制是通过性能良好的换热器实现的。夹套式换热器只适合小型罐，沉浸蛇管式适合于大型罐。在发酵过程中，需要对过程进行监控，比如对温度的监控、酸碱度的监控、溶解氧的监控、空气流量的监控，尾气氧和二氧化碳的监控、罐内压力的监控、装料

27、体积的监控等。另外，发酵过程中产生的泡膜需要消除，一般采用加入消泡剂的方法进行消泡。因此要在罐体上设计相应仪器仪表的接口和物料进口。发酵过程是纯种培养过程，进行的是无菌操作，进入罐内的培养基、补加物料和空气需要灭菌，在反映过程中，罐内与大气相通时必须安装无菌呼吸器。培养基、补加物料和空气等物质经过的管道以及发酵罐体都要能清洗方便，密封性好，灭菌容易。2.发酵罐的容积和装料系数在发酵罐中，圆筒体高为，内径为，挡板宽度为，搅拌器直径为，搅拌器至下封头的距离为，液位高度为，各部件几何尺寸比例约为：如果发酵罐的公称容积为，筒身容积为，底封头容积为，则公称容积为：在实际生产中，发酵罐内的培养液因通气搅拌

28、引起液面上升和产生泡沫，故罐体实际装料量，称为装料系数，其值一般为0.70.8左右。3.发酵罐的搅拌器通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌器。为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部位沿着轴周边上升逸出，在搅拌器中央带设计有圆盘。常用的涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种。在相同的搅拌功率下粉碎气泡的能力的大小是，平叶搅拌器大于弯叶搅拌器，弯叶搅拌器大于箭叶式搅拌器；但其翻动流体的能力则与上述情况相反。发酵罐的搅拌器起着加速氧气溶解的作用，如果发酵罐的罐体太深，则一个搅拌器满足不了需要，通常在搅拌轴上再安装23个搅拌器。机械搅拌发酵罐适用于好氧微生物的发酵。又因搅拌器产生的剪切力强，容易破坏细胞的结构

29、，所以这类发酵罐不适用于对剪切力敏感的微生物的发酵。4.消泡器在发酵过程中会产生大量的泡沫，如不加以控制，不但影响通气，而且会导致大量泡沫从排气管溢出而造成损失，也容易引起杂菌污染。为此，通常在发酵罐搅拌轴顶部安装一个除沫器，还可以通过添加油脂或合成消泡剂进行消泡。发酵罐用的除沫器与蒸发器所用的除沫器结构基本相同，通常采用耙齿式或半封闭式蜗轮除沫器。5.发酵罐的综合布置设计根据发酵罐内物料流和控制参数的要求，可进行发酵罐综合布置设计。二、自吸式发酵罐搅拌器由三棱空心叶轮与固定导轮组成，叶轮上下各有一块三棱形平板，在旋转方向的前侧夹有叶片。当空心叶轮快速旋转时液体被甩出，在叶轮中心形成真空罐外空

30、气通过搅拌器中心的吸入短而被吸入,从而将罐外空气吸到罐内并被分散到发酵液中。自吸式发酵罐的优点是，能利用机械搅拌的抽吸作用将空气吸入反应器内,达到既通风又搅拌的目的，从而省去了空气压缩输送系统。其缺点是，自吸式发酵罐的抽吸力不强，吸程不高，在空气过滤时，必须采用低阻力高效空气除菌装置，因此，自吸式发酵罐适用于无菌要求较低的醋酸和酵母的发酵生产。另外，自吸式发酵罐的叶轮转速较高，在转子周围形成强烈的煎切区，不适用于某些对剪切力敏感的微生物。三、气升式发酵罐气升式发酵罐的工作原理是利用空气喷嘴喷出高速的空气，空气以气泡式分散于液体中，在通气的一侧，液体平均密度下降，在不通气的一侧，液体密度较大，因

31、而产生与通气侧的液体产生密度差，从而形成发酵罐内液体的环流。气升式发酵罐有多种形式，较常见的有内循环管式、外循环管式、拉力筒式和垂直隔板式。外循环式的循环管设计在罐体外部，内循环管是两根，设计罐体内部。在气升式发酵罐中，循环管的高度一般不高于，罐内液面不高于循环管出口，且不低于环流出口。气升式发酵罐的优点是能耗低、液体中的煎切作用小，结构简单。在同样的能耗下，其氧传递能力比机械搅拌是通气发酵罐要高得多，广泛用于大规模生产单细胞蛋白质。但不适用于高黏度或含大量固体的培养液。四、鼓泡式发酵罐鼓泡式发酵罐又叫塔式发酵罐，是利用通入培养液中的空气泡的上升，从而带动发酵液运动，产生混合效果，并供给微生物

32、生长繁殖所需要的氧气。鼓泡式发酵罐的高度与直径比约为7左右，罐内安装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经空气分布器后，穿过筛板逐板上升。在空气泡上升的过程中，带动了发酵液并同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降，从而形成循环。鼓泡式发酵罐由于省去了机械搅拌装置，造价低，又不会产生液封导致的染菌问题，因而使用范围较广。如果培养液浓度适宜，操作得当，在不增加空气流量的情况下，基本上可达到通用发酵罐的发酵水平。教案首页1授课日期2007年10月12日（第7周星期五）2班级2006级生物制药1、2、3、4班专业生物制药技术3课次第15次课累计学时30学时4课题内容第四节 全自动发

33、酵罐 第五节 动植物细胞培养设备5教学目的与要求理解并掌握全自动发酵罐信号传递和自动控制过程。掌握全自动发酵罐检测仪表的工作原理。掌握动物细胞贴壁培养反应器、悬浮培养反应器、微载体悬浮培养反应器的结构和性能。6重点与难点重点：全自动机械搅拌通气发酵罐的结构、工作原理和操作方法。难点：信号传递。7演示实验、教具、挂图准备实物，多媒体演示8作业及其它P79 四、五、六9教参资料名称、页次李津 生物制药设备与分离纯化技术 第八章10教学过程及内容见附页第四节 全自动发酵罐教学目标：理解并掌握全自动发酵罐信号传递和自动控制过程。掌握全自动发酵罐检测仪表的工作原理。掌握全自动发酵罐的操作方法。教学重点：

34、全自动发酵罐的操作方法。教学难点：全自动发酵罐信号传递和自动控制过程。教学内容：一、全自动发酵罐的信号传递1.全自动发酵罐的组成（1）罐体实验室用的发酵罐的罐体通常由玻璃构成，进行中试或工业生产用的发酵罐一般采用型不锈钢制成。（2）探测装置典型发酵罐的探测装置有：温度探头：监测培养过程中的温度变化。溶氧电极：直接浸在发酵液中，监测发酵液中的溶氧变化。电极：直接浸在发酵液中，监测发酵液中的变化。（3）溶氧控制系统空气流量计：通过调节空气流量的大小来调节发酵液中的溶氧水平。搅拌马达和搅拌联动装置：搅拌马达提供旋转的动力，带动搅拌联动装置转动；后者的叶片搅动发酵液，打散气泡，增加气液的接触界面，从而

35、提高溶氧水平。（4）温度控制系统：包括罐体底部冷却水管和空气出口处的冷凝器上的冷却水管。由于发酵过程中会产生热量，通入冷却水可以维持温度的恒定。（5）酸碱平衡装置：通过蠕动泵把酸性或碱性溶液泵入到发酵液中以调节其值。（6）其他装置：接种口：通过接种口给发酵罐中接入种子液，同时也可以在发酵过程中补充营养。取样口：通过取样口可以从发酵罐中取出一定量的发酵液以供各种检测分析。空压机及过滤系统：用无油润滑空气压缩机提供输送空气的动力，被输送的空气经过高效过滤器后向发酵罐提供无菌空气。加热器主要是提供湿热灭菌用蒸汽。2.全自动发酵罐的信号传递过程全自动发酵罐的信号传递系统由测量系统、数据处理系统和自动控

36、制系统组成。有测量系统测量出各种数据，并有变送器变换成电信号，在数据处理系统按照系统程序和用户程序的要求将数据处理成各种指令，由自动控制系统将指令转换成各种执行信号并发送到相应的传感器付诸实施。全自动发酵罐测定的参数较多，可分为物理参数、化学参数和生物参数。测定这些参数的方法有就地测量、在线测量和离线测量三类。不改变反应体系的流动情况直接用仪器测定各参数的方法，我们称为就地测量法。如果利用连续的取样系统与分析仪器相连，对各参数进行连续测定，则这种方法称为在线测量法。通过取样系统在一定时间内取样，离开反应器进行样品处理和分析测量，这种方法叫离线测量法。其中分析测量方法包括常规的用化学分析法和现代

37、仪器分析法。在全自动发酵罐的发酵过程中，常规检测的参数有（1）物理参数温度、压力、搅拌转速、搅拌功率、空气流量、粘度、浊度、料液流量。（2）化学参数 .PH、培养基浓度、溶解氧浓度、氧化还原电位、产物的浓度、废气中的氧浓度、废气中的CO2浓度（%）。（3）生物参数菌丝形态、菌体浓度。全自动发酵罐的数据处理系统和自动控制系统的工作原理可参阅有关专著。二、发酵过程监控仪表1.过程检测仪表发酵生产过程中需要对各种参数进行测控，用来分析检测的仪表一般要能够耐腐蚀、耐高温、耐高压和无污染的要求，同时反应灵敏度要高，性能要稳定。现将各常规项目的检测仪表分别介绍于后。（1）温度计发酵生产过程的培养基灭菌温度

38、或发酵过程温度的检测范围是，由于温度计是被置于发酵液中，因生物反应的特殊需要，常采用金属热电阻温度计测量温度。金属热电阻温度计的工作原理是，金属的电阻率都随温度升高而增加，随温度降低而减小，在一定温度范围内，电阻率与温度关系是线性的，因而只要测出电阻值，就可测量出温度，并通过电信号显示出来。发酵过程生产中常选用铂电阻温度计或铜电阻温度计。铂电阻温度计可耐热杀菌，耐腐蚀性，精度高。铜电阻温度计的缺点是体积大，容易氧化，价格低是其优点。（2）压力表发酵罐的压力表是隔膜式压力表。为了便于远距离监控，常把压力表上的压力信号转换成电信号，在显示屏上显示。安装时要作到不流死角，耐热压，密封性好，要能保证反

39、应器的无菌操作环境。（3）液位计最常用的液位计是电容式和压差式。在平行板电容器之间充填不同介质时，电容量的大小有所不同，可通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。式中，是两极板相互遮盖部分的长度，是圆筒形内电极的外径和圆筒形外电极的内径，是中间介质的介电常数。当一定时，电容量的大小与极板之间的长度和介质的介电常数的乘积成正比。这样，将电容传感器插入被测物料中，电极深入物料中的深浅变化，必然引起其电容量的变化，从而可检测出物料位置高度。测量非导电介质时电容量的计算式为：式中为仪表灵敏度。如果将此装置稍加改造即可用于发酵罐中液位的测定。如果要测定泡沫的高度则常用电极探针法测定，

40、当泡沫表面升高并接触电极探针时，便产生了电信号，通过仪表显示器即可知道泡沫的高度。（4）流量计在发酵过程中，测定培养基和酸、碱的流量时，用的是椭圆齿轮流量计和科里奥利效应流量计。这两种流量计均有较高的精度，可以达到满刻度的，其测定范围为。椭圆流量计的流量信号可转换成电信号而被显示。（5）气体流量计检测气体的流量计有质量流量型和体积流量型两类。体积流量型用的是转子流量计，质量流量计是根据对流体的固有性质，如质量、导电性、电磁感应和导热特性的响应而设计的。在发酵罐中用的是利用导热特性设计的流量计。在没有气体流过时，沿着测量管轴向的温度分大体上是左右对称的，而有气体流过时，气流进入端的温度降低，而流

41、出端温度升高。因通过变送器，温度信号可转变为电势信号，经研究发现，的计算公式为：式中 为比例常数； 流过气体的比热容，单位为； 气体质量流量，。由上式可知，输出电势与质量流量成线形关系，因而可通过电势信号测定出气体的温度。这种流量计测定的的流量范围是，测定精度也很高。（6）搅拌转速测定常用搅拌转速测定方法有磁感应式、光感应式和测速发电机三种。前两种是利用了搅拌轴或电机轴上装设的感应片切割磁场或光速而产生电信号，此信号的脉冲频率与搅拌器转速相同。如果在搅拌轴或电机轴上装一小型发电机，此小型发电机的输出电压与搅拌转速成线形关系，因而就可利用输出电压的大小测定转速。（7）电极发酵罐中使用的是复合电极

42、，复合电极结构紧凑，可耐蒸汽加热灭菌，但玻璃易脆容易破裂，所以在使用时要加装不锈钢保护套才能插入发酵罐中。在使用过程中，电极内溶液易损失，故每批发酵灭菌操作前后都要用标准溶液校准。通常电极的测定的范围是，精度是，响应时间数秒至数十秒，灵敏度为。（8）溶解的测定用来测定的仪器是溶解浓度测定仪，其工作原理与计类似，不同的是电极内装的是饱和碳酸氢钠溶液，因而在高温灭菌时会发生分解，故每次灭菌后均需校准才能使用。（9）溶氧浓度()测定仪在好氧发酵过程中，溶解氧的检测使用溶氧电极法。当发酵液里溶解的氧气接触到阴极时将发生被还原反应，从而产生电子流，所产生的电流与被还原的氧量成正比，如果测定出电流值的大小

43、就可确定出发酵液中的溶氧浓度。溶氧电极的溶氧值有两种表示方法，即饱和溶氧的百分数和溶氧值。所谓饱和溶氧百分数是，以最大的溶解氧饱和浓度值为基准，发酵进程中某时刻氧浓度占最大值的百分数。所谓溶氧值是指单体积发酵液中溶解的氧气质量，单位是。通常溶氧电极可测定的范围是，响应时间为，灵敏度为，精度为。为溶氧电极满刻度的读数。溶氧浓度测定仪在工作时，被测液体要有适度的流动，尽量减小滞留层的厚度，并减少气泡和生物细胞在膜上积存，以保证溶氧测定准确。（10）和分压的测定在发酵罐的放空气体中分压（浓度）的检测仪器是磁氧分析仪、极谱电位法和质谱法。应用最广泛的是磁氧分析仪。其测定范围是气体中氧浓度的，精度为，响

44、应时间为数秒至数十秒，灵敏度为。在发酵罐的放空气体中分压（浓度）的测定仪器是红外线二氧化碳测定仪和二氧化碳电极。（11）细胞浓度测定仪器在生物反应中，细胞浓度是控制微生物发酵的重要参数之一，特别是对抗生素次级代谢产物的发酵。它的大小和变化速度对细胞的生化反应都有影响。因此测定细胞浓度具有重要意义。细胞浓度与培养液的表观粘度有关，间接影响发酵液的溶氧浓度。在生产上，常常根据细胞浓度来决定适合的补料量和供氧量，以保证生产达到预期的水平。细胞浓度分为全细胞浓度和活细胞浓度。发酵过程中，在线检测全细胞浓度的仪器是流通式浊度计。其工作原理与分光光度计相同，在一定浓度范围内，全细胞的浓度与光密度（也称消光

45、系数）值成线性关系。若应用激光束作光源，可测定范围是（湿细胞），精度在，响应时间只用一秒。如果检测活细胞浓度可同过检测的浓度来确定。2.智能式变送器智能式变送器是在普通的模拟式变送器的基础上，增加微处理器而形成的一种智能式检测仪表。实际应用的智能变送器种类很多，结构各异。按照被检测变量的不同，分为智能压力变送器、只能温度变送器等等。其主要功能是具有温度、静压的自动补偿功能，在检测温度时，可对非线性自动校正，具有数字、模拟良种输出方式，能够实现双向通讯，可以与现场总线网络和上位计算机连接，可以远程通讯，通过现场通讯器，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能，简化了调整、校准与

46、维护过程，使维护和使用都很方便。智能变送器主要由硬件和软件两大系统组成。硬件部分包括传感器、微处理器电路、输入输出电路、人机联系部件；软件部分包括系统程序和用户程序。几乎大多数变送器的组成基本上相同，只是传感器类型、电路形式、程序编码和软件功能各有所异。智能变送器的电路系统部分包括传感器部件和电子部件，传感器可以是热电偶或热电阻的温度测定仪变送器，也可以是电容式、压力式或差压式变送器。变送器的部件均由微处理器、模数转换或数模转换器等组成。传感器获取某种信号被变送器转换为可显示的电信号等，从而达到检测的目的。第五节 动植物细胞培养设备教学目标：了解细胞生长特点及影响细胞生长的因素。掌握动物细胞贴

47、壁培养反应器、悬浮培养反应器、微载体悬浮培养反应器的结构和性能。掌握植物细胞培养器的结构和性能。教学重点：动物细胞贴壁培养反应器、悬浮培养反应器、微载体悬浮培养反应器的结构和性能。教学难点：悬浮培养反应器、微载体悬浮培养反应器的结构和性能。教学内容：一、细胞生长特点动植物细胞的培养是指动物或植物细胞在离体的条件下进行的增殖，所形成的是细胞而不是动植物组织。动植物细胞在生长过程中对环境条件要求严格，主要表现在对无杂菌、恒温、弱剪切力、和适当的氧气等条件的要求。首先，动植物细胞生长周期长，一般须要45天才完成一个生长周期，因此动植物细胞反应器密封性要好，在培养过程中不能染杂菌。其次，动植物细胞对剪

48、切力比较敏感，动物细胞在较小的剪切力作用下都容易受到损伤，植物细胞耐受性较动物细胞强一点，但仍然低于微生物。因此，动植物细胞培养液的混合过程中不能产生较大的剪切力。在细胞培养过程中，环境温度应控制为恒温，温度波动会使细胞生长受到阻碍，因此在生物细胞培养器中要设置恒温控制系统。另外，动植物细胞的培养过程是一个耗氧的过程，但耗氧量不及微生物大，因此，细胞培养系统必须设计有适宜的无菌空气输送装置。二、动物细胞培养器动物细胞无细胞壁，耐受剪切力弱，而且，动物细胞在生长时必须要帖附在固体或半固体壁上，即具有贴壁培养的特性。因此，对动物细胞培养器的要求就更加严格。动物细胞培养器要能提供大面积的固体壁，在溶

49、氧传质时产生弱小的剪切应力。由于动物细胞生长过程的特殊性，目前在生物制药工业中，适合于动物细胞培养的生物反应器有贴壁培养反应器、悬浮培养反应器、贴壁悬浮培养反应器三大类。1.贴壁培养反应器动物细胞贴壁培养反应器可分为培养瓶和膜反应器两类。（1）培养瓶动物细胞培养瓶有扁瓶和滚瓶两种。扁瓶容量小，适合于实验室使用，滚瓶的容积从大小不等，是目前我国许多生物制品厂生产疫苗时的生产设备。（2）膜反应器由于滚瓶表面积与体积之比为0.35左右，因而，手工操作劳动强度大，限制了动物细胞大规模的培养。在该装置中，每根中空纤维管内径为，壁厚为。中空纤维管的管壁是半透性多孔膜，氧与二氧化碳等小分子可以自由地穿过膜进

50、行双向扩散，大分子有机物不能通过。动物细胞贴附在中空纤维管外壁上生长，可方便地获取营养物质。由于中空纤维膜设备在单位体积内提供的面积大，是体积的几十至几百倍，且能够把细胞限制在一定的空间区域内生长繁殖，便于把细胞同培养液等物料分开，因而在生产上逐渐被人们采用。中空纤维膜的缺点是染杂菌后整台设备无法再生而报废，由此会带来较大的经济损失。2.悬浮培养反应器实验发现，杂交瘤细胞和肿瘤细胞等少数动物细胞可以在通气机械搅拌式发酵罐中悬浮培养。但是，由于动物细胞无细胞壁保护，所以，为了减小剪切应力对动物细胞的损伤，同时防止泡沫大量产生，用于动物细胞培养的发酵罐搅拌器是特制的，一般采用尼龙绳编织的帆形搅拌器

51、，其搅拌轴采用磁力驱动旋转，转速控制在，氧气通过插入到培养液中的硅胶管扩散，维持一定溶氧水平。实验室规模的培养装置，其容积为左右，采用连续流加新鲜培养液，流出的培养液经旋转过滤器分离出细胞后排出，这种培养系统又叫灌注系统。目前，工业上已采用的悬浮培养装置生产杂交瘤单克隆抗体，如果用螺旋桨替代圆盘蜗轮式搅拌器，用扩散式渗透替代传统的通气管，则普通的发酵罐也可用来进行动物细胞的悬浮培养。3.微载体悬浮培养反应器动物细胞的贴壁培养和悬浮培养反应器都各有其优点和不足，在此基础上，将两者结合起来，优势互补，形成一种更理想更适合于工业化大生产的贴壁悬浮培养反应器。在贴壁悬浮培养反应器中，有微小、多孔、惰性和与动物细胞有较好亲和性的珠子供动物细胞贴附生长增殖，该微珠称为微载体。通常，其球体直径一般为，经溶胀后其直径可以达到，球体均匀，直径差不大于，为了使载体在搅拌时能