工業(yè)生化反應(yīng)器

工業(yè)生化反應(yīng)器第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日工業(yè)生化反應(yīng)器第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日在反應(yīng)器中，通過生物反應(yīng)，廉價的原料升值。生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作，是生物工程中一個極其重要的問題，它對產(chǎn)品的質(zhì)量和成本有很大的影響。據(jù)統(tǒng)計，生化工業(yè)的產(chǎn)品主要涉及到醫(yī)藥工業(yè)，化學(xué)工業(yè)，農(nóng)產(chǎn)品加工工業(yè)。生物反應(yīng)器要適應(yīng)很多的生產(chǎn)過程，在形狀，大小和操作方式上多種多樣。但生物反應(yīng)器設(shè)計的目標(biāo)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，使產(chǎn)品成本最小。第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日一．生物反應(yīng)器設(shè)計的目標(biāo)生物反應(yīng)器設(shè)計的主要目標(biāo)是使產(chǎn)品的質(zhì)量高、成本低。生物反應(yīng)器處于生物過程的中心，它是影響整個過程經(jīng)濟(jì)效益的一個重要方面。在酒精和青霉素生產(chǎn)過程中，據(jù)報道：

原料成本操作成本投資成本酒精生產(chǎn)62%26%12%青霉素生產(chǎn)35%38%22%第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日和反應(yīng)器有關(guān)的是操作成本和投資成本。在操作成本中，動力消耗占主要方面。因此在反應(yīng)器的設(shè)計中，在滿足工藝要求的前提下，節(jié)能是一個重要問題。

原料成本操作成本投資成本酒精生產(chǎn)62%26%12%青霉素生產(chǎn)35%38%22%第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日二生物反應(yīng)器設(shè)計和操作的限制因素我們期望反應(yīng)器的生產(chǎn)能力（g/L·h）越高越好。反應(yīng)器的生產(chǎn)能力主要取決于兩方面的因素：1．

生物催化劑（酶，微生物）的濃度和比活力2．

反應(yīng)器的傳質(zhì)和傳熱能力當(dāng)生物催化劑濃度較低且比活力也較低時，生物催化劑的因素是反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素；但是生物催化劑的濃度較高且比活力也較高時，反應(yīng)器傳質(zhì)和傳熱能力就成為提高反應(yīng)器生產(chǎn)能力的限制因素。

第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日傳質(zhì)問題在高耗氧的生物反應(yīng)過程中非常突出。人們設(shè)計了許多反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，以提高傳質(zhì)效率。一般為了保持溶氧水平在生物臨界溶氧水平之上，常輸入更多的氣體或者設(shè)法更好地分散氣體，從而消耗大量的能量。在熱量傳遞方面，生物反應(yīng)器通常在20~65

oC之間進(jìn)行，為保持某一過程恒溫培養(yǎng)，移出生物熱發(fā)生困難，這個問題在大型反應(yīng)器中表現(xiàn)更為突出第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日三、生物反應(yīng)器開發(fā)的趨勢和未來方向1．開發(fā)活力高和選擇性高的生物催化劑將繼續(xù)占主要地位。主要途徑是利用基因工程技術(shù)改變酶的初級結(jié)構(gòu)，定向改造生物細(xì)胞，改進(jìn)酶和細(xì)胞的固定化技術(shù)，得到更多的酶活性回收，更長的使用壽命。

2．改進(jìn)生物反應(yīng)器熱量、質(zhì)量傳遞的方法隨生物催化劑比活力的提高，生物反應(yīng)器的性能受傳質(zhì)傳熱的限制就急需解決，必須改進(jìn)生物反應(yīng)器傳質(zhì)傳熱的方法和設(shè)施。第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日3.

生物反應(yīng)器正向大型化和自動化方向發(fā)展西德SCP生產(chǎn)反應(yīng)器體積達(dá)2300（高60m，直徑7m）,英國廢水處理反應(yīng)器體積達(dá)到27000m3。國內(nèi)生物反應(yīng)器（好氧）體積在200~300m3之間的較多。兼性厭氧生物反應(yīng)器體積達(dá)到1000m3

（如酒精發(fā)酵罐）。反應(yīng)器體積的放大降低了操作成本，但大型反應(yīng)器的設(shè)計還存在一定的技術(shù)問題。反應(yīng)器的自動檢測和控制系統(tǒng)使反應(yīng)器在最佳狀態(tài)下操作成為可能，近年來獲得廣泛重視，隨著生物工程的迅速發(fā)展，自動檢測和控制系統(tǒng)將會在生物工程中發(fā)揮越來越重要的作用。

第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日4．一些特殊用途生物反應(yīng)器得到較快的應(yīng)用和開發(fā)。例如，動物和植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器，固體發(fā)酵反應(yīng)器，邊發(fā)酵邊分離的特殊反應(yīng)器都得到了不同程度的發(fā)展。第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日四、生物反應(yīng)器的操作類型

生化反應(yīng)器主要有三種操作類型：

間歇；

半連續(xù)；連續(xù)；

而生物催化劑有兩種基本型式：酶{游離；固定化}，細(xì)胞（生長cell，非生長cell）各種類型的反應(yīng)器和各種生物催化劑組合，形成各種系統(tǒng)可供選擇。第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日Batchoperation間歇反應(yīng)第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日Continuousoperation連續(xù)操作第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日Semi-continuousorfed-batchoperation半連續(xù)操作第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日五、生物反應(yīng)器的種類1、機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日機(jī)械攪拌自吸式反應(yīng)器第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日2、氣升式生物反應(yīng)器第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日氣升塔式生物反應(yīng)器第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日5.2動植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動植物細(xì)胞的培養(yǎng)是指動物或植物細(xì)胞在體外條件下進(jìn)行培養(yǎng)增殖，此時細(xì)胞雖然生長與增多，但不再形成組織。許多要重要價值的生物制品，包括重要的疫苗、診斷試劑、單克隆抗體、干擾素、生物堿、甾體化合物等，必須借助于動植物細(xì)胞的體外培養(yǎng)來實現(xiàn)。

第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日動植物細(xì)胞培養(yǎng)和微生物培養(yǎng)的區(qū)別：（1）動物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，大多數(shù)哺乳動物細(xì)胞需要附壁（固體或半固體）生長；（2）對培養(yǎng)基的營養(yǎng)要求相當(dāng)苛刻，要求含有多種氨基酸、維生素、無機(jī)鹽、血清等物料；（3）對培養(yǎng)環(huán)境十分敏感，對溫度、pH、溶氧濃度等條件都比微生物培養(yǎng)要嚴(yán)格得多；

第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日動植物細(xì)胞培養(yǎng)和微生物培養(yǎng)的區(qū)別：（4）動物細(xì)胞對流體剪切力十分敏感，強(qiáng)烈的機(jī)械與通氣鼓泡所引起的過大剪切力都會損傷細(xì)胞，使細(xì)胞破裂。植物細(xì)胞雖然有細(xì)胞壁，但對流體剪切力的耐受程度也要比微生物差；（5）由于動植物細(xì)胞的生長要比微生物緩慢得多，一般只有在高細(xì)胞密度下，才能得到一定濃度的產(chǎn)物。（6）生長慢，又非常容易染菌，因此需要嚴(yán)格的無菌防范措施。

第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日微生物與動植物細(xì)胞之間的差異項目微生物細(xì)胞哺乳動物細(xì)胞植物細(xì)胞大?。ㄖ睆剑?~20μm10~100μm10~100μm在液體中生長懸浮生長，有時聚集成團(tuán)有些可懸浮生長，多數(shù)依靠表面可懸浮生長，聚集成團(tuán)營養(yǎng)要求簡單極復(fù)雜復(fù)雜生長速率一般較快，倍增時間0.5~5h慢。倍增時間15~100h慢，倍增時間24~74h代謝控制內(nèi)部控制內(nèi)部激素內(nèi)部激素對環(huán)境的敏感性一般耐受范圍大無細(xì)胞壁，對環(huán)境極敏感耐受范圍較大細(xì)胞分化無有有對剪切的敏感性低極高高第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日由于醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對動植物細(xì)胞進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)已經(jīng)成為當(dāng)前的迫切需要，大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)和反應(yīng)器的開發(fā)，就是急需解決的關(guān)鍵課題。培養(yǎng)動植物細(xì)胞的專用反應(yīng)器也有很大發(fā)展，種類越來越多，規(guī)模也逐漸增大。這里僅僅就重要的幾類反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與特性進(jìn)行介紹。第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（1）動植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)生物反應(yīng)器

有少數(shù)動物細(xì)胞，例如雜交瘤細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞可以像微生物那樣在通氣攪拌灌內(nèi)懸浮培養(yǎng)。但動物細(xì)胞缺少細(xì)胞壁的保護(hù)，液體的剪切力應(yīng)小。特點：a、攪拌轉(zhuǎn)數(shù)低（幾十轉(zhuǎn)/分）；

b、通氣方式獨特。第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（2）動物細(xì)胞貼壁培養(yǎng)反應(yīng)器

大部分動物細(xì)胞是屬于貼壁依賴性細(xì)胞，包括非淋巴組織的細(xì)胞和許多異倍體細(xì)胞。

這類細(xì)胞的特點是它需要附著在固體或者半固體的表面才生長，原來是圓形的細(xì)胞一經(jīng)貼壁就迅速鋪展，然后開始有絲分裂，并很快進(jìn)入對數(shù)生長期。一般在數(shù)天后鋪滿表面，形成致密的細(xì)胞單層，所以貼壁培養(yǎng)又稱為單層培養(yǎng)。

第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日

目前有不少生物制品廠是用4~30L大小的滾瓶進(jìn)行動物細(xì)胞貼壁培養(yǎng)來生產(chǎn)疫苗。

特點：

a、結(jié)構(gòu)簡單，投資少，技術(shù)成熟；

b、勞動強(qiáng)度大，單位體積所能提供的細(xì)胞生長的表面積小，按體積計算細(xì)胞產(chǎn)率低；

c、檢測和控制環(huán)境條件受到限制。第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日動物細(xì)胞培養(yǎng)用中空纖維反應(yīng)器該裝置由中空纖維管組成，每根中空纖維管內(nèi)徑200μm。中空纖維的管壁是半透性的多孔膜。氧和CO2等小分子可以自由地通過膜雙向擴(kuò)散，而大分子有機(jī)物則不能通過。動物細(xì)胞貼附于中空纖維外壁生長，可很方便地獲取營養(yǎng)物質(zhì)和溶氧，生長面積與容積之比達(dá)40余倍，其溶氧傳質(zhì)速率也可達(dá)到0.6mmol/l·h，是大規(guī)模動物細(xì)胞培養(yǎng)的好方法。

第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（3）動物細(xì)胞微載體懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器

用微珠做載體，使單層動物細(xì)胞生長于微珠表面，并在培養(yǎng)液中進(jìn)行懸浮培養(yǎng)。這種培養(yǎng)方式是將單層培養(yǎng)和懸浮培養(yǎng)相結(jié)合，這是大規(guī)模動物細(xì)胞培養(yǎng)的最有前途的方法。第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日微載體可用交聯(lián)葡聚糖、纖維素、聚丙稀酰胺、明膠、硅橡膠做為基質(zhì)而制成。微載體球徑約為40~280μm。其密度在1.03~1.05g/ml，以便在反應(yīng)器內(nèi)緩慢攪拌后，微載體能懸浮起來。

微載體懸浮培養(yǎng)可以采用多種反應(yīng)器型式，如氣腔式反應(yīng)器，流化床反應(yīng)器。第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日流化床反應(yīng)器反應(yīng)器內(nèi)支持細(xì)胞生長的微載體呈流化狀態(tài)。接種后不斷提供營養(yǎng)成分，產(chǎn)物不斷排出。安裝了膜式氣體交換器，提供高密度細(xì)胞需要的氧氣，同時能及時排出CO2

，特點是可進(jìn)行高密度細(xì)胞的培養(yǎng)。第四十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日采用微載體懸浮培養(yǎng)的優(yōu)點：

1．

單位體積具有的表面積大，如1.0g微載體，有的能提供5000~6000cm2的表面積，因此它的單位體積培養(yǎng)基的細(xì)胞產(chǎn)率高；2．由于把懸浮培養(yǎng)和貼壁培養(yǎng)融合在一起，具有兩種培養(yǎng)的優(yōu)點，有利于培養(yǎng)環(huán)境條件的檢測和控制，培養(yǎng)系統(tǒng)重現(xiàn)性好；

3.放大容易，現(xiàn)已經(jīng)有用1000L的規(guī)模來生產(chǎn)β-干擾素用的二倍體細(xì)胞。第四十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日（4）植物細(xì)胞培養(yǎng)和反應(yīng)器

鑒于某些產(chǎn)物的唯一來源是植物，而有些植物從種植到收獲花費時間過長，難以滿足要求。采用大規(guī)模（plantcellculturetechniche）就可以直接快速生產(chǎn)這些產(chǎn)物。日本專賣公司已經(jīng)用21m3的反應(yīng)器進(jìn)行煙草細(xì)胞的連續(xù)培養(yǎng)，細(xì)胞的生產(chǎn)率每日可達(dá)5.82kg/m3

。日本三井石油株式會社用750L植物細(xì)胞反應(yīng)器生產(chǎn)染料紫草寧，已可滿足國內(nèi)需要量的43%。

第四十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點：1．生產(chǎn)速率慢；2．有堅固的細(xì)胞壁，代謝產(chǎn)物不分泌到胞外而留在細(xì)胞內(nèi)，因此要得到大量次級代謝產(chǎn)物，必須進(jìn)行高密度培養(yǎng)。method收獲時間紫草寧濃度（干重）plantcell2~3year1~2plantcellculture21d14植物細(xì)胞培養(yǎng)和從完整的植物生產(chǎn)紫草寧的比較第四十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期日因此，利用植物細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)的物質(zhì)，一般僅僅限于那些難于化學(xué)合成，無法用微生物合成和附加值很高的物質(zhì)。大多數(shù)植物細(xì)胞可采用間歇式反應(yīng)器來進(jìn)行培養(yǎng)。搖瓶、通用式發(fā)酵罐、鼓泡式、氣升式和旋轉(zhuǎn)圓筒式的生物反應(yīng)器都可用于植物細(xì)胞培養(yǎng)。植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器已從