第5章生物反應(yīng)器

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(shí)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(guó)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(dòng)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(shí)和技能基礎(chǔ)。

知識(shí)要求掌握機(jī)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(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、常用動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)器的工作原理；了解滅菌、無(wú)菌操作基本原理，了解生物反應(yīng)器參數(shù)檢測(cè)與自動(dòng)控制原理；了解參數(shù)檢測(cè)儀器的工作原理。

能力要求熟練應(yīng)用機(jī)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(huì)培養(yǎng)基滅菌與無(wú)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(guò)程。一、生物反應(yīng)過(guò)程（一）概述第一節(jié)生物反應(yīng)基本知識(shí)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、氧氣濃度、二氧化碳濃度、機(jī)械尺寸、流體湍流程度、細(xì)胞的生長(zhǎng)濃度、產(chǎn)物的生成速度等3.生物藥物的產(chǎn)生細(xì)胞在新陳代謝過(guò)程中不斷地同化物質(zhì)和能量，并異化自身物質(zhì)。細(xì)胞的分解產(chǎn)物，部分能用于人類疾病的診斷、預(yù)防和治療，稱之為生物藥物。

另外，細(xì)胞在生命活動(dòng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境物質(zhì)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，部分轉(zhuǎn)化產(chǎn)物也是生物藥物；還有用酶工程技術(shù)轉(zhuǎn)化后的部分產(chǎn)物也是生物藥物。（二）分批培養(yǎng)中的細(xì)胞生長(zhǎng)模式將培養(yǎng)基一次性投入反應(yīng)器中，接入細(xì)胞并維持細(xì)胞生長(zhǎng)的過(guò)程叫分批培養(yǎng)。在分批培養(yǎng)過(guò)程中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)物逐漸被消耗，新的細(xì)胞不斷增加，產(chǎn)物的數(shù)量在逐漸累積，細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程處于動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中。減速生長(zhǎng)期指數(shù)生長(zhǎng)期分批培養(yǎng)細(xì)胞生長(zhǎng)的六個(gè)階段停滯期加速生長(zhǎng)期平衡生長(zhǎng)期負(fù)生長(zhǎng)期

接種后，細(xì)胞需要適應(yīng)環(huán)境后才開(kāi)始加速生長(zhǎng)，隨后增長(zhǎng)速度不斷加快，以指數(shù)的數(shù)量關(guān)系擴(kuò)大繁殖。但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，容器內(nèi)新生細(xì)胞增多，細(xì)胞的增長(zhǎng)速度逐漸降低。

并且部分細(xì)胞死亡，擴(kuò)大繁殖速度減小，死亡速度增大，死亡與生長(zhǎng)速度達(dá)到平衡。隨后死亡速度不斷加快，打破平衡后成為負(fù)增長(zhǎng)，直至培養(yǎng)過(guò)程結(jié)束。（三）生物反應(yīng)過(guò)程的氧氣供給1.氧氣的傳遞過(guò)程空氣被通入反應(yīng)液后即分散成大量氣泡，氧分子從氣泡內(nèi)穿過(guò)氣液界面進(jìn)入到反應(yīng)液內(nèi)成為溶解氧。（1）氧的氣液傳遞過(guò)程溶解氧穿過(guò)液固界面進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的過(guò)程。（2）氧的液固傳遞過(guò)程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)阻力也越大具體措施：（1）增強(qiáng)攪拌

機(jī)械攪拌可以增加反應(yīng)液的湍流程度，促使分散的氣泡變得更小、分布更均勻，減少液膜厚度、降低傳質(zhì)阻力；增強(qiáng)攪拌還可增加氣液接觸面積，延長(zhǎng)氣泡在反應(yīng)液中的停留時(shí)間。機(jī)械攪拌產(chǎn)生的剪切力會(huì)傷害細(xì)胞，可通過(guò)改變?nèi)~片減小剪切力。（2）提高通氣速率

通氣量越大，反應(yīng)液中的氣泡就越多，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(guò)大，則容易產(chǎn)生大量的泡沫，造成溢罐，產(chǎn)生氣泡“過(guò)載”現(xiàn)象。（3）控制反應(yīng)液體積在同樣攪拌強(qiáng)度下，反應(yīng)液體積增大，會(huì)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。

二、生物反應(yīng)器（一）生物反應(yīng)器的分類進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的空間統(tǒng)稱為生物反應(yīng)器1.生物反應(yīng)器2.分類（1）按反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)體種類微生物反應(yīng)器植物細(xì)胞反應(yīng)器動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器酶反應(yīng)器生物反應(yīng)器（2）按結(jié)構(gòu)特征罐式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器膜式反應(yīng)器生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器在生物制藥過(guò)程中的作用（二）生物反應(yīng)器的操作類型1.簡(jiǎn)單分批培養(yǎng)

培養(yǎng)液一次性全部加入，接種培養(yǎng)一段時(shí)間后，將培養(yǎng)液一次性全部放出2.補(bǔ)料分批培養(yǎng)

開(kāi)始培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)液沒(méi)有一次性加足，在培養(yǎng)一定時(shí)間后，根據(jù)培養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)成分的消耗情況將部分營(yíng)養(yǎng)成分連續(xù)加入反應(yīng)器內(nèi)（稱之為補(bǔ)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(jiǎn)單分批培養(yǎng)即將結(jié)束時(shí)，放出大部分的培養(yǎng)液，余下少量作為種子液，補(bǔ)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(shí)，再將發(fā)酵液全部放出。4.反復(fù)補(bǔ)料分批培養(yǎng)

又稱為半連續(xù)發(fā)酵，指在補(bǔ)料分批培養(yǎng)中進(jìn)行一段時(shí)間、反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液體積達(dá)到最大無(wú)法再繼續(xù)補(bǔ)料時(shí)，將培養(yǎng)液放出一部分，再繼續(xù)補(bǔ)料，隔一段時(shí)間后再放出同樣體積，如此反復(fù)操作，直到最后將培養(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(guò)程。（二）高壓蒸汽滅菌鍋1.高壓蒸汽滅菌鍋的結(jié)構(gòu)

高壓蒸汽滅菌鍋由內(nèi)鍋、外鍋、門蓋、壓力表、溫度計(jì)、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(shí)，關(guān)閉排氣閥。（4）升壓保溫：待蒸汽壓力升至額定值時(shí)，調(diào)節(jié)熱源，或者微開(kāi)排氣閥，使鍋內(nèi)蒸汽壓力恒定在額定值。維持規(guī)定時(shí)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(shí)，方可打開(kāi)取物。（三）培養(yǎng)基連續(xù)滅菌設(shè)備1.加熱器（1）連消塔的結(jié)構(gòu)

套管式連消塔，全塔高2～3m，由蒸汽導(dǎo)管和外套管組成。蒸汽導(dǎo)管上開(kāi)設(shè)有很多小孔，小孔的分布呈下密上疏，蒸汽可從小孔中噴出。小孔的總截面積等于或小于導(dǎo)入管的截面積。（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(kuò)大段進(jìn)一步混合均勻后排出。（3）維持罐結(jié)構(gòu)

主要由筒體、夾套、進(jìn)料管、出料管、排盡管和測(cè)溫口組成.

維持罐設(shè)計(jì)安裝有無(wú)菌呼吸口，以保證外界微生物不能進(jìn)入維持罐內(nèi)。維持罐的有效體積應(yīng)能滿足維持時(shí)間8～25的需要，填充系數(shù)為85%～90%。2.連續(xù)滅菌流程（1）連消塔加熱連續(xù)滅菌流程

待滅菌的培養(yǎng)基由泵送入連消塔的底部，料液在此被蒸汽加熱到滅菌溫度，再由頂部流出，進(jìn)入維持罐，停留一定時(shí)間后，再送入噴淋冷卻器，冷卻至常溫。（2）噴射加熱連續(xù)滅菌流程

當(dāng)蒸汽從噴嘴中高速噴出時(shí)，與生培養(yǎng)液瞬間混勻并將其加熱到滅菌溫度?；旌弦哼M(jìn)入維持段管道中繼續(xù)保溫滅菌，管道越長(zhǎng)滅菌時(shí)間也越長(zhǎng)，可根據(jù)培養(yǎng)基的性質(zhì)和滅菌要求確定管道的長(zhǎng)度。滅菌后的培養(yǎng)基經(jīng)過(guò)膨脹閥進(jìn)入真空冷卻器瞬間冷卻。滅菌后的培養(yǎng)基經(jīng)過(guò)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(diǎn)是加熱、冷卻過(guò)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(jì)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(guò)程中局部過(guò)熱或滅菌不充分的現(xiàn)象發(fā)生。（3）薄板連續(xù)滅菌流程

培養(yǎng)液在薄板換熱器中可以同時(shí)完成預(yù)熱、加熱滅菌、維持及冷卻過(guò)程。二、淀粉糖化設(shè)備糊化糖化單糖糊化階段，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

糊化鍋用來(lái)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。

淀粉類原料從下粉管放入鍋內(nèi)溶液中，蒸汽進(jìn)入夾套釋放熱量成冷凝水排出，鍋內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣沿升氣管上升，部分蒸汽形成冷凝水沿升氣管內(nèi)壁流入環(huán)型槽后由排水管排出，為防止鍋內(nèi)局部過(guò)熱，開(kāi)啟電動(dòng)機(jī)對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，促使溶液體系受熱均勻。糊化鍋的工作過(guò)程（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(shí)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α-1,4葡萄糖苷鍵，將長(zhǎng)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α-1,4或α-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(guò)濾。生產(chǎn)設(shè)備主要有糊化鍋、糖化噴射器、維持罐、冷卻裝置等。第三節(jié)發(fā)酵罐發(fā)酵罐是微生物大量生長(zhǎng)繁殖的空間，是一類重要的生物反應(yīng)器。發(fā)酵罐厭氧式發(fā)酵罐不需要通入氧氣好氧式發(fā)酵罐通氧氣好氧發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐鼓泡塔式發(fā)酵罐一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的主要部件有罐體、攪拌器、擋板、空氣分布器、換熱器、消泡器、人孔、視鏡等。1.罐體罐體是空心圓柱體上下兩底焊接封頭后所構(gòu)成的容器。圓柱體高徑之比為1.7～3。

罐體一般采用衛(wèi)級(jí)不銹鋼，要求能耐受130℃的高溫和的絕對(duì)壓力。

封頭上設(shè)置有進(jìn)料管、無(wú)菌呼吸口、接種管、人孔、視鏡、壓力表和取樣管等。罐側(cè)壁上設(shè)計(jì)有各種檢測(cè)儀器接口以及換熱器的進(jìn)出口。無(wú)菌壓縮空氣從罐底部通入，經(jīng)空氣分布管進(jìn)入發(fā)酵液。2.攪拌器

攪拌器安裝在攪拌軸上，起著將空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合，提高溶氧速率的作用。攪拌器的葉輪有多種形式，有渦輪式和螺旋槳式兩種。（1）渦輪式攪拌器

中央圓盤上設(shè)置六個(gè)葉片，可分為平葉式和彎葉式兩種。（2）螺旋槳式攪拌器

采用類似螺旋推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)，在發(fā)酵罐內(nèi)形成由下向上的軸向螺旋運(yùn)動(dòng)。（3）兩類攪拌器的攪拌效果

可產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流擴(kuò)散效果，氣泡分散性好，但主體對(duì)流混合較差，容易產(chǎn)生層流。渦輪式攪拌器

可在軸向產(chǎn)生較好的主體對(duì)流混合，但渦流擴(kuò)散效果較差，即氣泡分散性較弱。螺旋槳式攪拌器兩類攪拌器組合使用，既強(qiáng)化氣泡的分散，又增強(qiáng)了發(fā)酵液的整體混合效果。3.軸封

連接攪拌器的攪拌軸在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌軸與罐體間的縫隙通過(guò)軸封實(shí)現(xiàn)密閉。發(fā)酵罐上常采用端面機(jī)械軸封。端面機(jī)械軸封由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成靜環(huán)由聚四氟乙烯制成動(dòng)環(huán)由碳化鎢鋼制成，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)具有導(dǎo)熱性能好，摩擦系數(shù)小等特性。4.空氣分布器

通常有單管式和環(huán)管式兩種結(jié)構(gòu)，管上密布了直徑約2～3㎜的噴氣孔，其作用是使空氣分布均勻。

單管式是大型發(fā)酵罐中經(jīng)常采用的形式，管口正對(duì)發(fā)酵罐的底部，與罐底距離約40㎜。

環(huán)管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由一根環(huán)形管道制成，其上也分布有噴氣孔，常固定在罐體底部，其噴氣孔應(yīng)向下，以減少發(fā)酵液在分布管上滯留。5.消泡器

通氣攪拌條件下的發(fā)酵經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵液外溢，增加染菌機(jī)會(huì)。消泡法化學(xué)消泡法機(jī)械消泡法

耙式消泡器渦輪消泡器離心式消泡器

耙式和渦輪式消泡器安裝在罐內(nèi)上部，離心式消泡器則安裝于發(fā)酵罐的排氣口處。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(duì)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(méi)有機(jī)械攪拌器及相關(guān)裝置，采用高速氣流和密度差帶動(dòng)發(fā)酵液流動(dòng)、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(dòng)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)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(guò)程中，氣泡中的氧氣溶解于發(fā)酵液內(nèi)，過(guò)量的氣泡在罐的頂部釋放出來(lái)，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(dòng)，空氣噴嘴高速噴出的空氣也推動(dòng)發(fā)酵液沿循環(huán)管流動(dòng)。氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)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。三、自吸式發(fā)酵罐

不需要壓縮空氣，利用特殊的機(jī)械攪拌吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置，將無(wú)菌空氣吸入罐中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液的混合與溶氧傳質(zhì)。攪拌器的關(guān)鍵部件是吸氣轉(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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(wú)菌空氣吸到罐內(nèi)。隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，吸入的氣體在葉輪周圍分散成細(xì)碎的氣泡，形成了強(qiáng)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(shí)完成了氧氣的溶解過(guò)程。自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)和工作原理優(yōu)點(diǎn)：抽吸力不強(qiáng)，吸程不高，適用于對(duì)氧氣需要量較低的醋酸和酵母的發(fā)酵生產(chǎn)。機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐的葉輪轉(zhuǎn)速較高，在轉(zhuǎn)子周圍形成較強(qiáng)烈的剪切區(qū)，不適用于對(duì)剪切力敏感的微生物。缺點(diǎn)氣液固三相混合均勻，分散度高，溶氧速率高，傳熱性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，附屬設(shè)施少，投資省，能耗低。四、鼓泡塔式發(fā)酵罐

鼓泡塔式發(fā)酵罐由塔體、篩板、空氣分布器、降液管組成

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(guò)篩板氣孔，逐板上升。發(fā)酵液充滿塔體。在空氣泡上升的過(guò)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(dòng)，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(jī)械攪拌裝置，造價(jià)低，又不會(huì)產(chǎn)生液封導(dǎo)致的染菌問(wèn)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(hào)控制系統(tǒng)生物反應(yīng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，營(yíng)養(yǎng)成分、新的細(xì)胞以及代謝過(guò)程產(chǎn)物等因素都在改變。必須對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，適時(shí)調(diào)節(jié)各參數(shù)。需要監(jiān)控的內(nèi)容:①物理參數(shù)，包括溫度、壓力、攪拌速度等；②化學(xué)參數(shù)，包括液相pH、氧氣和二氧化碳的濃度；③生化參數(shù)，生物體量、生物體營(yíng)養(yǎng)和代謝產(chǎn)物濃度等。一、發(fā)酵罐的信號(hào)傳遞在線檢測(cè):將檢測(cè)儀器安裝在系統(tǒng)中直接測(cè)試生產(chǎn)過(guò)程各參數(shù)的過(guò)程。發(fā)酵過(guò)程在線檢測(cè)儀器:溫度傳感器、pH電極、溶氧電極、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀等。1.發(fā)酵液中溫度的調(diào)控溫度傳感器感應(yīng)罐內(nèi)溫度，將信號(hào)傳遞至溫度控制儀，經(jīng)與設(shè)定溫度進(jìn)行比較后，由溫度控制儀發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，冷卻水閥門和加熱裝置相機(jī)動(dòng)作，調(diào)節(jié)發(fā)酵液溫度。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(lái)完成。

pH電極感知酸堿性，以電信號(hào)傳遞到放大控制儀，啟動(dòng)并控制酸、堿泵動(dòng)作，向罐內(nèi)滴加酸、堿液，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值。3.發(fā)酵液溶氧濃度的調(diào)控

發(fā)酵過(guò)程中通過(guò)改變參數(shù)影響溶氧的可變因素主要是攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量。罐壓影響發(fā)酵液中溶氧濃度。

在發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)控制通風(fēng)量和攪拌轉(zhuǎn)速的方法達(dá)到對(duì)溶氧濃度的調(diào)控。二、發(fā)酵罐的檢測(cè)儀器條件：無(wú)污染BECDA耐高壓F反應(yīng)靈敏快速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔無(wú)死角選擇性高耐腐蝕耐高溫1.溫度計(jì)培養(yǎng)基滅菌和發(fā)酵過(guò)程溫度的檢測(cè)范圍是0～150℃熱電偶半導(dǎo)體熱敏電阻鉑電阻溫度傳感器鉑電阻溫度傳感器是當(dāng)前生物反應(yīng)器的標(biāo)準(zhǔn)配置。鉑金屬的電阻值與溫度的變化成正比關(guān)系，具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，輸出線性好的優(yōu)點(diǎn)。2.壓力表發(fā)酵罐一般采用隔膜式壓力表。

為了便于遠(yuǎn)距離監(jiān)控，常把壓力表上的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。3.pH電極

發(fā)酵罐pH值檢測(cè)電極是玻璃氫電極，是復(fù)合電極。在使用玻璃電極時(shí)要加裝不銹鋼保護(hù)套，電極與發(fā)酵罐壁之間使用“O”形環(huán)密封。金屬外套電極金屬安裝附件耐高溫pH玻璃電極在線pH顯示器耐高溫pH電極4.溶氧濃度（Do）電極原電池溶氧電極采用一對(duì)不同金屬材質(zhì)制作的兩個(gè)電極，將其浸沒(méi)在發(fā)酵液中，溶解氧得電子所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度與氧氣的濃度成正比，電信號(hào)經(jīng)變送器輸送，并在顯示器上顯示出溶解氧濃度。有原電池溶氧電極和極譜溶氧電極溶氧電極

原電池電極在測(cè)量之前無(wú)需預(yù)熱就可對(duì)溶液中的溶解氧濃度改變作出快速響應(yīng)，系統(tǒng)只需40～50秒就可以達(dá)到實(shí)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(guò)隔膜后，在陰極被還原，從陽(yáng)極到陰極的電流與電解液中溶解氧的濃度成正比。溶氧電極在使用前，必須進(jìn)行原位標(biāo)定。在發(fā)酵罐的安裝位置上，取發(fā)酵過(guò)程中最大和最小的氧飽和條件作為溶氧值的零及飽和濃度條件進(jìn)行校正稱為原位校正。常用工業(yè)溶氧電極5.消泡電極

常用的消泡電極有電容電極和電阻電極。電容電極由兩部分組成，分別安裝于罐內(nèi)反應(yīng)液的上方，當(dāng)泡沫出現(xiàn)時(shí)，在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生與泡沫量呈正比關(guān)系的電容變化，從而可以定量測(cè)出泡沫量；電阻電極利用泡沫與電極接觸構(gòu)成電流回路的特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)泡沫，只能定性檢測(cè)泡沫的生成與否。6.流量計(jì)測(cè)定酸、堿和培養(yǎng)基的流量時(shí)，采用是橢圓齒輪流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，流量信號(hào)可轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而被顯示。橢圓齒輪流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)氣體的流量計(jì)有質(zhì)量流量型和體積流量型兩類。體積流量型用的是轉(zhuǎn)子流量計(jì)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)可以直接讀數(shù)，不能輸出電信號(hào)。玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)發(fā)酵罐中用的質(zhì)量流量計(jì)是熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。無(wú)氣體流過(guò)時(shí)，沿測(cè)量管軸向的溫度分布左右對(duì)稱，有氣體流過(guò)時(shí)，進(jìn)入端的溫度降低，流出端溫度升高。溫度差通過(guò)變送器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c質(zhì)量流量成線形關(guān)系的電信號(hào)，從而獲得流量測(cè)定值。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)7.尾氣成分分析儀發(fā)酵罐排放氣體含有O2、CO2和其他氣體成分。測(cè)定O2含量廣泛采用的是順磁氧分析儀。順磁氧分析儀的工作原理是：O2分子有很強(qiáng)的順磁性，容易被磁場(chǎng)吸引而造成磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化；氣體中O2含量越高，氣體的磁效應(yīng)越強(qiáng)。磁效應(yīng)可以通過(guò)抗磁性物體受到的排斥扭力表現(xiàn)出來(lái)，兩者間具有線性關(guān)系，因而可以測(cè)出氣體中O2含量。CO2含量可以用紅外線二氧化碳測(cè)定儀測(cè)定。第五節(jié)動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)是指動(dòng)物或植物細(xì)胞在離體的條件下增殖的過(guò)程，所產(chǎn)生的是細(xì)胞。動(dòng)物細(xì)胞無(wú)細(xì)胞壁，耐受剪切力弱，動(dòng)物細(xì)胞要貼附在固體或半固體壁上才能生長(zhǎng)。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)器要能提供大面積的固體壁，在溶氧傳質(zhì)時(shí)不產(chǎn)生或產(chǎn)生弱小的剪切力。適合于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)器有貼壁培養(yǎng)反應(yīng)器、懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器和貼壁—懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器。（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(guò)膜進(jìn)行雙向擴(kuò)散，細(xì)胞和其他大分子有機(jī)物則不能通過(guò)。將成束的中空纖維管以列管方式密封在一矩形容器中，再?gòu)娜萜鞯膬啥朔謩e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(shí)驗(yàn)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(gè)電磁驅(qū)動(dòng)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(gè)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

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(jí)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(duì)動(dòng)物細(xì)胞有很好的親和性，可使動(dòng)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