[自然科学]第五章 生物反应器及其检测与控制系统.ppt

第五章 生物反应器及其检测与控制系统 第一节 概 述 一、生物反应器的含义 广义：利用微生物、动植物细胞或酶等生物催化剂的功能进行生物化学反应的容器称为生物反应器。小至一支斜面和一只培养皿，达到几千立方米的发酵罐。 按所使用的催化剂，可将其分为酶反应器和细胞生物反应器。通常只把那些能控制各种参数的比较完善的容器系统才称为生物反应器，尽管它的体积有时也可以有0.5L或更小。 目前市场上有各种规模的生物反应器供应，按其规模一般可以分为 实验室规模：小于20L的反应器，主要用于培养工艺的研究； 中试规模：20~100L为中试规模，它主要用于提供一定量的产品，供纯化、临床前的各种检测和临床观察，也包括进一步的工艺优化实验； 生产规模：大于100L则为生产规模用生物反应器，它主要用于生产，提供产品。 划分不是绝对的，尤其是对生物细胞培养和微生物培养是有一定区别的，对于前者来说，10L也可以称为中试规模，而用于培养微生物的反应器，有人将100L甚至1000L还看做中试规模。 二、生物反应器的基本要求 生物反应器的用途：给动植物细胞或微生物的生长代谢提供一个最优的环境，从而促使其生长并在其生长代谢过程中产生出最大量最优质的所需产物。 理想生物反应器必须具备基本要求： ①制造生物反应器所采用的一切材料，尤其是与培养基，细胞直接接触的材料对细胞必须无毒。 ②生物反应器的结构必须使之具有良好的传质、传热和混合的性能。 ③密封性能良好，可避免一切外来的不需要的微生物污染。 ④对培养环境中多种物理化学参数能自动检测和控制调节，控制的精确度高，而且能保持环境质量的均一。 ⑤可长期连续运转，这对用于培养动植物细胞的生物反应器尤为重要。 ⑥容器加工制造时要求内壁光滑，以减少细胞或微生物的沉积。 ⑦拆装、连接和清洗方便，能耐高压蒸汽消毒，便于操作维修。 ⑧设备成本要求尽可能低。 第二节 生物反应器的类型及其基本结构 随着微生物发酵工业和动植物细胞大量培养技术的发展，在传统的搅拌式生物反应器的基础上， 出现的新型生物反应器： 气升式生物反应器 固定床式生物反应器 流化床式生物反应器 袋式或模式生物反应器 中空纤维生物反应器 固定化培养的生物反应器等。 一、搅拌式生物反应器 搅拌式生物反应器是最经典和最早被采用的一种生物反应器，医药工业中第一个大规模微生物发酵生产青霉素的过程即是在机械搅拌式反应器内进行。 到目前为此，对于新的生物过程，首先的生物反应器仍然是搅拌式反应器。它适用于大多数的生物过程，形成标准化的大量培养。它主要有以下一些部分组成（见下图P81） 1.罐体 小于5L的实验规模是生物反应器一般用玻璃制作，大于5L的则用不锈钢。为了获得较好的混合和溶氧效果，用于培养微生物的罐体其高径（H/D)一般为2~3:1.但在培养动物细胞时，由于它对搅拌的剪切力敏感，搅拌速度一般较低，因此其径比一般采用1~1.5:1,以便增大液体与空气的接触面。 采用不锈钢制作罐体时，为便于观察，内部培养情况，常在罐体上装有视孔。 在培养微生物时，由于搅拌速度较高，为防止形成湍流，在罐体上常装有挡板。 2.搅拌系统 搅拌的目的是使细胞和养分在培养基中均匀分布，使养分能充分地被细胞利用，同时还可以使气体分散成较小的气泡，增大气液界面，有利于氧的传递。 目前采用的搅拌系统主要有两种，一种是机械搅拌系统，另一种磁力搅拌系统，后者有利于罐体的密封，但不是用于大容量的搅拌式反应器。在培养微生物的发酵罐内，多数采用多层扁平叶片的涡轮式搅拌器，但在培养动物细胞的生物反应器内，一般倾向于采用较大的倾斜桨式搅拌器，特别在培养微载体时更是如此，它可在较低的搅拌式速度下使载体悬浮。 3.加温和冷却系统 多数采用夹套和盘管系统，用于进行加热或冷却，以满足不同微生物和动植物细胞生长对温度的要求。 4.进出气系统 除厌氧菌的发酵培养外，其他的微生物和动植物细胞都需要不断供氧才能生长，空气需过滤除菌。培养微生物空气经装在罐体底部的气体分布器喷嘴形成气泡进入培养基。 培养基内一般均含有蛋白质，在鼓泡通气时可产生大量泡沫，在罐体内常装有消泡桨。 在培养动植物细胞时，气泡对细胞有一定的损坏，除改进分布器使气泡减少外，以开发多种无气泡的通气装置。或采用聚丙烯中空纤维膜或透气的硅胶管。采用孔径0.33μｍ的聚丙烯中空纤维膜，2.3m/L，其氧传递率为8~10.6mg O2/(L.h)。为避免排出气体中的水汽使过滤器潮湿，在排气管路中加有冷凝装置。 5.进出也系统 生物反应器生物反应器的培养和连续培养，具体可分为5种： ①批式培养：即将细胞和培养液一次性加入反应器内，待整个反映结束后将产物取出， ②流加或补料培养：即在培养过程中根据培养物质的代谢需要，补充某种