《生物反應(yīng)器》課件.ppt

1、第五章 生物反應(yīng)器,目 錄,第一節(jié) 生物反應(yīng)器的基本知識,第二節(jié) 培養(yǎng)基預(yù)處理設(shè)備,第三節(jié) 菌種制備設(shè)備,全國高等學(xué)校高職高專藥品類專業(yè)衛(wèi)生部“十一五”規(guī)劃教材生物制藥設(shè)備,第四節(jié) 發(fā)酵設(shè)備,第五節(jié) 動植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備,學(xué)習(xí)目標(biāo),學(xué)習(xí)目的 學(xué)習(xí)生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，培養(yǎng)生物反應(yīng)器操作技能，為發(fā)酵操作、細(xì)胞培養(yǎng)操作打下知識和技能基礎(chǔ)。 知識要求 掌握機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、鼓泡塔式發(fā)酵罐、膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)； 熟悉機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、常用動植物細(xì)胞培養(yǎng)器的工作原理； 了解滅菌、無菌操作基本原理，了解生物反應(yīng)器參數(shù)檢測與自動控制原理；了解參數(shù)檢測儀器的工作原理。 能力要求

2、 熟練應(yīng)用機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐的基本操作技術(shù)； 學(xué)會培養(yǎng)基滅菌與無菌操作,生物反應(yīng)在狹義上是指活細(xì)胞中的各種生物化學(xué)反應(yīng)。廣義的生物反應(yīng)是指生物體的新陳代謝過程,一、生物反應(yīng)過程,一）概述,第一節(jié) 生物反應(yīng)基本知識,1.生物反應(yīng),2.影響生物反應(yīng)的因素,環(huán)境溫度、酸堿度、營養(yǎng)物質(zhì)濃度、 氧氣濃度、二氧化碳濃度、機械尺寸、 流體湍流程度、細(xì)胞的生長濃度、產(chǎn) 物的生成速度等,2.提高氧氣傳遞速度的途徑,雙膜理論 氣液界面上的傳質(zhì) 阻力主要集中在氣 膜和液膜的滯流底 層，滯流底層越厚 阻力越大，液體的 黏度越大，滯流底 層越厚，傳質(zhì)阻力 也越大,2）提高通氣速率,通氣量越大，反應(yīng)液中的氣

3、泡就越多，溶解氧的濃度就越高。通氣能起到一定的攪拌效果,通氣量過大，則容易產(chǎn)生大量的泡沫，造成溢罐，產(chǎn)生氣泡“過載”現(xiàn)象,3）控制反應(yīng)液體積,在同樣攪拌強度下，反應(yīng)液體積增大，會降低攪拌的效果,4）改善反應(yīng)液的性質(zhì),反應(yīng)液的黏度影響液膜的表面張力，進(jìn)而影響液體中氣泡合并的難易度。液體中氣泡液膜的表面張力加劇氣泡的合并傾向。隨著生物反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)液中細(xì)胞分泌物增加，黏度變大，小氣泡合并成大氣泡，出現(xiàn)起沫現(xiàn)象。加入消泡劑，可以降低液膜的表面張力，阻止氣泡的合并,1.生物反應(yīng)器,2.分類,1）按反應(yīng)器內(nèi)有機體種類,2）按結(jié)構(gòu)特征,生物反應(yīng)器在生物制藥過程中的作用,二）生物反應(yīng)器的操作類型,1.簡單

4、分批培養(yǎng),培養(yǎng)液一次性全部加入，接種培養(yǎng)一段時間后，將培養(yǎng)液一次性全部放出,2.補料分批培養(yǎng),開始培養(yǎng)時，培養(yǎng)液沒有一次性加足，在培養(yǎng)一定時間后，根據(jù)培養(yǎng)液營養(yǎng)成分的消耗情況將部分營養(yǎng)成分連續(xù)加入反應(yīng)器內(nèi)（稱之為補料），培養(yǎng)結(jié)束后一次性全部放出,3.反復(fù)分批培養(yǎng),在簡單分批培養(yǎng)即將結(jié)束時，放出大部分的培養(yǎng)液，余下少量作為種子液，補充新鮮培養(yǎng)液后再重新培養(yǎng)，如此反復(fù)直至培養(yǎng)不能再延續(xù)時，再將發(fā)酵液全部放出,4.反復(fù)補料分批培養(yǎng),又稱為半連續(xù)發(fā)酵，指在補料分批培養(yǎng)中進(jìn)行一段時間、反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液體積達(dá)到最大無法再繼續(xù)補料時，將培養(yǎng)液放出一部分，再繼續(xù)補料，隔一段時間后再放出同樣體積，如此反復(fù)操作，直

5、到最后將培養(yǎng)液一次性全部放出,第二節(jié) 培養(yǎng)基預(yù)處理設(shè)備,一、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備,一）蒸汽滅菌原理,蒸汽能深入到液體內(nèi)部，并迅速穿透細(xì)胞壁，使細(xì)胞整體升溫，致使細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)凝固失去生物活性，從而終止了細(xì)胞的新陳代謝過程,高壓蒸汽滅菌鍋由內(nèi)鍋、外鍋、門蓋、壓力表、溫度計、排氣閥、安全閥、電熱管、蒸汽發(fā)生器等部件構(gòu)成,2.高壓蒸汽滅菌鍋的操作與維護(hù),1）使用前應(yīng)清洗干凈，進(jìn)氣閥及排氣閥有效，加注水。 （2）裝入滅菌物品：間隔合適，扣上門蓋，旋緊密封。 （3）預(yù)熱及排氣：加熱升溫，排除冷空氣，當(dāng)排氣閥有蒸汽排出時，關(guān)閉排氣閥。 （4）升壓保溫：待蒸汽壓力升至額定值時，調(diào)節(jié)熱源，或者微開排氣閥，使鍋內(nèi)蒸汽壓

6、力恒定在額定值。維持規(guī)定時間后，停止加熱。 （5）取出滅菌物品：緩慢排氣，待其壓力下降至零時，方可打開取物,2）噴射器結(jié)構(gòu),蒸汽和培養(yǎng)液在噴射器的吸入室中混合均勻，在喉管和擴大段進(jìn)一步混合均勻后排出,滅菌后的培養(yǎng)基經(jīng)過膨脹閥進(jìn)入真空冷卻器瞬間冷卻,噴射加熱連續(xù)滅菌流程是目前常用的培養(yǎng)基滅菌方法，其特點是加熱、冷卻過程極為短暫，所以將溫度升高到140 而不引起培養(yǎng)液的嚴(yán)重破壞。因維持設(shè)備是管道，如果設(shè)計合理，則返混程度很小，可保證物料的先進(jìn)先出，避免了培養(yǎng)基在滅菌過程中局部過熱或滅菌不充分的現(xiàn)象發(fā)生,糊化階段，淀粉水解轉(zhuǎn)化成糊精； 在糖化階段，糊精被淀粉糖化酶轉(zhuǎn)化成單糖或二糖,一）糊化鍋,糊化鍋

7、用來加熱煮沸淀粉原料使其液化和糊化的設(shè)備,糊化鍋的關(guān)鍵部件有鍋蓋、鍋體、夾套和攪拌器等,二）糖化鍋,糖化鍋是糊精水解成單糖或二糖的反應(yīng)容器，其結(jié)構(gòu)與糊化鍋基本相同，單體積更大，約為糊化鍋體積的兩倍,將糊化后的漿狀料液輸送到糖化鍋中，加水稀釋混合，并加入糖化酶，將溫度保持在一定的范圍內(nèi)，經(jīng)一段時間后料漿即可糖化完畢,三、雙酶制糖工藝,淀粉液化酶 作用于淀粉-1,4葡萄糖苷鍵，將長鏈的淀粉水解成短鏈糊精，使淀粉液化，產(chǎn)物以短鏈的糊精為主，含有少量的葡萄糖,糖化酶 可作用于-1,4或 -1,6葡萄糖苷鍵，可將糊 精完全水解為葡萄糖或 麥芽糖，即淀粉的糖化,雙酶制糖工序有調(diào)漿、液化、糖化和過濾。生產(chǎn)設(shè)

8、備主要有糊化鍋、糖化噴射器、維持罐、冷卻裝置等,3）兩類攪拌器的攪拌效果,耙式消泡器 渦輪消泡器,6.換熱器,換熱器有夾套式和豎管式兩種。小型罐采用夾套式，以減少罐內(nèi)的結(jié)構(gòu)，但傳熱效果差。大型罐中，常采用豎管式，分組對稱安裝在罐內(nèi)壁上。依據(jù)豎管的排列結(jié)構(gòu)，可分為蛇管和列管等形式,二、氣升式發(fā)酵罐,氣升式發(fā)酵罐由罐體、導(dǎo)流筒、循環(huán)管、空氣噴嘴等部件組成。在氣升式發(fā)酵罐中沒有機械攪拌器及相關(guān)裝置，采用高速氣流和密度差帶動發(fā)酵液流動、混合,有環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等氣升發(fā)酵罐,按發(fā)酵液流動方式，環(huán)流式發(fā)酵罐又可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)方式中，又有中央導(dǎo)流筒式和雙帶導(dǎo)流式,1.氣升式發(fā)酵罐結(jié)

9、構(gòu),潔凈空氣以250 300m/s，的速度從噴嘴噴出，并以氣泡的形式分散于液體中。含大量氣泡的發(fā)酵液沿循環(huán)管上升。在上升過程中，氣泡中的氧氣溶解于發(fā)酵液內(nèi)，過量的氣泡在罐的頂部釋放出來，發(fā)酵液氣含率下降，形成富含溶氧和較少氣泡的液體。由于發(fā)酵罐上部液體氣泡少密度大，下部液體氣泡多密度小，在密度差和重力作用下，上部液體沿循環(huán)管下降，下部液體上升，形成發(fā)酵液在發(fā)酵罐內(nèi)的循環(huán)流動，空氣噴嘴高速噴出的空氣也推動發(fā)酵液沿循環(huán)管流動,氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、液體中的剪切作用小。在同樣的能耗下，氧的傳遞能力比機械攪拌式發(fā)酵罐要高得多。氣升式發(fā)酵罐不適用于黏度高或固含量大的發(fā)酵液,攪拌器的關(guān)鍵部

10、件是吸氣轉(zhuǎn)子，吸氣轉(zhuǎn)子由三棱空心葉輪與固定導(dǎo)輪組成，攪拌軸為中空，與進(jìn)氣管相連，在電動機的驅(qū)動下，軸上的空心葉輪快速旋轉(zhuǎn)，液體被甩出，在葉輪中心形成負(fù)壓，將罐外的無菌空氣吸到罐內(nèi)。隨著葉輪的轉(zhuǎn)動，吸入的氣體在葉輪周圍分散成細(xì)碎的氣泡，形成了強烈的氣液湍流，氣泡中的氧氣隨之?dāng)U散到發(fā)酵液中，在攪拌的同時完成了氧氣的溶解過程,自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)和工作原理,泡塔式發(fā)酵罐的高徑比約為7左右，罐內(nèi)安裝有篩板和空氣分布器，降液管具有液封的作用,壓縮空氣由罐底導(dǎo)入，經(jīng)空氣分布器后，穿過篩板氣孔，逐板上升。發(fā)酵液充滿塔體。在空氣泡上升的過程中，密度小的含氣發(fā)酵液也隨之上升，上升后的發(fā)酵液釋放空氣泡，密度增大，在

11、密度差和重力作用下又沿降液管下降，從而形成循環(huán)?？諝馀莸纳仙桶l(fā)酵液的循環(huán)流動，產(chǎn)生氣液混合效果，促進(jìn)了氧氣的溶解,鼓泡式發(fā)酵罐省去了機械攪拌裝置，造價低，又不會產(chǎn)生液封導(dǎo)致的染菌問題，因而使用范圍較廣。如果培養(yǎng)液濃度適宜，操作得當(dāng)，在不增加空氣流量的情況下，基本上可達(dá)到通用發(fā)酵罐的發(fā)酵水平,第四節(jié) 發(fā)酵罐信號控制系統(tǒng),生物反應(yīng)是一個動態(tài)的過程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，營養(yǎng)成分、新的細(xì)胞以及代謝過程產(chǎn)物等因素都在改變。必須對反應(yīng)過程進(jìn)行監(jiān)控，適時調(diào)節(jié)各參數(shù),需要監(jiān)控的內(nèi)容,物理參數(shù)，包括溫度、壓力、攪拌速度等； 化學(xué)參數(shù)，包括液相pH、氧氣和二氧化碳的濃度； 生化參數(shù)，生物體量、生物體營養(yǎng)和代謝產(chǎn)物濃

12、度等,2.發(fā)酵液中pH的調(diào)控,發(fā)酵罐pH的控制是依靠向罐內(nèi)滴加酸或者堿來完成,pH電極感知酸堿性，以電信號傳遞到放大控制儀，啟動并控制酸、堿泵動作，向罐內(nèi)滴加酸、堿液，實時調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值,二、發(fā)酵罐的檢測儀器,條件,原電池電極在測量之前無需預(yù)熱就可對溶液中的溶解氧濃度改變作出快速響應(yīng)，系統(tǒng)只需4050秒就可以達(dá)到實際讀數(shù)的95,極譜溶氧電極采用金、鉑等金屬和Ag/AgCl 構(gòu)成 的電解池系統(tǒng)，需要在電極兩端加上一恒定的極化電 壓。當(dāng)氧分子滲透過隔膜后，在陰極被還原，從陽 極到陰極的電流與電解液中溶解氧的濃度成正比,一）貼壁培養(yǎng)設(shè)備,有培養(yǎng)瓶和膜反應(yīng)器兩種形式,1.培養(yǎng)瓶,滾瓶及培養(yǎng)架,2.膜

13、反應(yīng)器,中空纖維膜是半透性多孔膜，氧氣與二氧化碳等小分子可以自由地穿過膜進(jìn)行雙向擴散，細(xì)胞和其他大分子有機物則不能通過。將成束的中空纖維管以列管方式密封在一矩形容器中，再從容器的兩端分別安裝管程和殼程流體的進(jìn)出口，即可制成培養(yǎng)細(xì)胞的膜反應(yīng)器,中空纖維膜反應(yīng)器,實驗室中空纖維膜細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器,中空纖維膜,細(xì)胞培養(yǎng)器模型,二）懸浮培養(yǎng)設(shè)備,籠式通氣攪拌反應(yīng)器,籠式通氣攪拌反應(yīng)器內(nèi)有一個電磁驅(qū)動的圓筒狀旋轉(zhuǎn)攪拌籠，攪拌籠由中空的攪拌內(nèi)筒、內(nèi)筒頂端3個中空的吸管攪拌槳葉、和內(nèi)筒外側(cè)由不銹鋼絲網(wǎng)構(gòu)成網(wǎng)狀籠壁組成的環(huán)狀區(qū)。吸管攪拌槳葉在旋轉(zhuǎn)中使內(nèi)筒頂部形成負(fù)壓，將反應(yīng)液從內(nèi)筒底部吸入,三）微載體培養(yǎng)設(shè)備,

14、在攪拌式通氣發(fā)酵罐、氣升式通氣發(fā)酵罐、中空纖維培養(yǎng)裝置、多級流化床和固定床等反應(yīng)器中，放入不銹鋼、玻璃、光面陶瓷、塑料等材料做成多孔載體，即構(gòu)成細(xì)胞懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器,多孔載體對動物細(xì)胞有很好的親和性，可使動物細(xì)胞貼附在載體上。貼附了細(xì)胞的多孔載體懸浮在培養(yǎng)液中，細(xì)胞吸收營養(yǎng)成分不斷生長。這種培養(yǎng)方式結(jié)合了貼壁與懸浮兩種培養(yǎng)方法特點，適合于大規(guī)模動物細(xì)胞培養(yǎng),二、植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備,植物細(xì)胞有細(xì)胞壁，其抗剪切性能高于動物細(xì)胞，無貼壁生長特性，與微生物培養(yǎng)過程相似。植物細(xì)胞的培養(yǎng)設(shè)備主要有機械攪拌式、鼓泡塔式、氣升式、轉(zhuǎn)鼓式和固定化式生物反應(yīng)器,一）機械攪拌式設(shè)備,將各式發(fā)酵罐的攪拌器和通氣系統(tǒng)改造后，即可用來進(jìn)行植物細(xì)胞培養(yǎng),常見植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器攪拌葉片,二）氣升式設(shè)備,目前在各式植物細(xì)胞培養(yǎng)過程中，使用得較多的是氣升式發(fā)酵罐，其結(jié)構(gòu)已介紹過,氣升式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡明，沒有泄露點和死角，既有較好地防止雜菌污染性能，又能在低剪切力下達(dá)到較好的混合與較高的氧傳遞效果，且操作費用較低，但進(jìn)行高密度培養(yǎng)時混合不夠均勻,三）鼓泡塔式設(shè)備,鼓泡塔式生物反應(yīng)器依靠噴嘴及多孔板實現(xiàn)氣體滲透擴散作用，可以在很低的氣速下培養(yǎng)植物細(xì)胞（詳見第三節(jié)）。由于沒有運動部