生物反应器课件 bioreactor design Select cell culture method
合集下载
《生物反应器》PPT课件
第二章 生物反应器
编辑ppt
1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
编辑ppt
9
反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
编辑ppt
5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
编辑ppt
24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
编辑ppt
1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
编辑ppt
9
反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
编辑ppt
5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
编辑ppt
24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
THANKS
感谢观看
01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
生物反应器ppt课件
精选编辑ppt
37
技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
35
发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
精选编辑ppt
36
产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
精选编辑ppt
8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
10
（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
精选编辑ppt
11
常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
《生物反应器》PPT课件
酒精发酵罐的洗涤：喷射洗涤装置 酒精发酵罐的计算：
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
完整版课件ppt
8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
完整版课件ppt
6
1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
完整版课件ppt
1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
完整版课件ppt
8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
完整版课件ppt
6
1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
完整版课件ppt
1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
《生物反应器》课件
《生物反应器》PPT课件
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
《生物反应器》课件
生物反应器的设计
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
生物反应器原理 ppt课件
式定义为
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
PPT课件
24
CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
PPT课件
33
结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
PPT课件
34
微生物反应过程的得率系数
得率系数是对碳源等物质生成细胞或其它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
37
YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
PPT课件
作业 ：
PPT课件
39
PPT课件
40
微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
PPT课件
48
(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
PPT课件
49
PPT课件
50
PPT课件
51
PPT课件
52
PPT课件
53
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
PPT课件
24
CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
PPT课件
33
结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
PPT课件
34
微生物反应过程的得率系数
得率系数是对碳源等物质生成细胞或其它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
37
YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
PPT课件
作业 ：
PPT课件
39
PPT课件
40
微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
PPT课件
48
(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
PPT课件
49
PPT课件
50
PPT课件
51
PPT课件
52
PPT课件
53
第三章生物反应器设计基础_PPT幻灯片
生成细胞的质X量 Yx/s 消耗基质的质 量 S
细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是 指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质 量均指干细胞）。
某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YXSddX SrrX S ddX Sddtt
式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢 机能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高；
与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大；
对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； 产物浓度低。
高效生物反应器的特点
设备简单，结构严密； 良好的液体混合性能，较高的三传效率； 能耗低； 易于放大； 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。
YC基 细质 胞消 生 基 细耗 产 质 胞量 量 含 含 YX碳 碳 SX SC C量 量
式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是 指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质 量均指干细胞）。
某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YXSddX SrrX S ddX Sddtt
式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢 机能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高；
与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大；
对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； 产物浓度低。
高效生物反应器的特点
设备简单，结构严密； 良好的液体混合性能，较高的三传效率； 能耗低； 易于放大； 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。
YC基 细质 胞消 生 基 细耗 产 质 胞量 量 含 含 YX碳 碳 SX SC C量 量
式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
《生物反应器》课件 (2)
废水处理
沼气生产
利用微生物降解有机物，净化废水并减少环境污染。 利用微生物降解有机废弃物，产生可再生能源。
生物反应器：优势和限制
优势
高产量、高效率、可控性、可重复性，对环境友 好。
限制
设备成本高，操作要求严格，底物成本可能较高， 对操作人员的技能要求较高。
生物反应器：设计和操作要点
1 良好的混合和气体传 2 适宜的生物体生长条 3 有效的废物处理
2
调节温度、pH、氧气和搅拌速度等因素，
以优化生物过程。
3
供应营养物质
提供适宜的底物和营养物质，满足生物 体的需求。
收集和分离产物
通过不同的分离技术，将产物分离和纯 化，以获得高纯度的产品。
常见的生物反应器应用
发酵
生物制药
用于生产酒精、乳酸、酢酸等发酵产品的工业过程。
用于生产蛋白质药物、疫苗等生物制药产品的大规 模生产。
递
件
及时处理和回收废物，减
确保生物体充分接触底物
控制温度、pH、营养物质
少对环境的负面影响。
和气体，提高反应效率。
浓度等因素，以最大程度
地促进生物体的生长和产
物生成。
生物反应器的未来发展前景
1
提高反应器率和质量。
2
发展可持续的生物反应器
探索使用可再生能源和生物降解材料制造反应器，减少对环境的影响。
3
应用生物反应器于生物医学领域
利用生物反应器进行组织工程、药物筛选和生物治疗等领域的研究和应用。
《生物反应器》PPT课件 (2)
这份课件将带你深入了解生物反应器，包括其定义和功能，不同种类和结构， 工作原理以及常见的应用。我们还会探讨生物反应器的优势和限制，并介绍 设计和操作的要点，以及生物反应器未来的发展前景。
生物反应器-生物反应工程课件-07-共8讲
人事费用高 流速受冲出限制 空压机出口压力 要高 可采用鼓风机 需转子高速旋转 人事费用高 无需通风设备 剪切应力小 需光源
主要应用领域
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等 面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
酶反应器的选择
游离酶反应器的选择，完全可以采用表（7-2） 一般生物反应器的选择要求来进行。 对于固定化酶反应器的选择，除同样根据使用 的目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传 递速率和反应器制造和运转的成本及难易等因素进 行选择外，还应考虑固定化酶的的形状(颗粒、纤 维、膜等)、大小、机械强度、比重和再生或更新 的难易；操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止 杂菌污染等；反应动力学形式和物质传递特性、内 外扩散的影响；底物的性质；催化剂（固定化酶） 的表面／反应器体积的比值等。
实际生物反应过程中的热量计 算，可采用如下方法：
１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。 根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最大 的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。
7.2.2 理想的酶反应器
一、CPFR型酶反应器 也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。 CPFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作 情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随 时间而变化；反应器内轴向各处的浓度彼此不相 等，反应速率随空间位置而变化；由于径向有严 格均匀的速度分布，即径向不存在浓度分布，故 反应速率随空间位置的变化只限于轴向。
主要应用领域
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等 面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞 培养等 微藻等生产
酶反应器的选择
游离酶反应器的选择，完全可以采用表（7-2） 一般生物反应器的选择要求来进行。 对于固定化酶反应器的选择，除同样根据使用 的目的、反应形式、底物浓度、反应速率、物质传 递速率和反应器制造和运转的成本及难易等因素进 行选择外，还应考虑固定化酶的的形状(颗粒、纤 维、膜等)、大小、机械强度、比重和再生或更新 的难易；操作上的要求，如pH的控制、供氧和防止 杂菌污染等；反应动力学形式和物质传递特性、内 外扩散的影响；底物的性质；催化剂（固定化酶） 的表面／反应器体积的比值等。
实际生物反应过程中的热量计 算，可采用如下方法：
１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。 根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最大 的热量为： 青霉素发酵约为25000kJ/(m3h); 链霉素发酵约为19000kJ/(m3h); 四环素发酵约为20000kJ/(m3h); 肌苷发酵约为18000kJ/(m3h); 谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。
7.2.2 理想的酶反应器
一、CPFR型酶反应器 也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。 CPFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作 情况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随 时间而变化；反应器内轴向各处的浓度彼此不相 等，反应速率随空间位置而变化；由于径向有严 格均匀的速度分布，即径向不存在浓度分布，故 反应速率随空间位置的变化只限于轴向。
生物反应器设计基础PPT课件
第5页/共35页
2、判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合 工艺要求以取得最大的生产效率。
3、生物反应器设计的重要方面包括： 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低。 生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经 济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计 的一个重要因素。
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
•维持的定义：
r x d X d C t μ X C 2 . 3
YX 1/S＝ Y1xm /sa x m s (2.4)
式中YXS－细胞对基质的得率；Y
m x/
as x－最大得率；ms
－维持系数；
μ－比生长速率。
化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1
细 基
胞： b 4p2n3q 质： s 4m2l (2.2)
产物： p 4r2s3t
根据细胞、基质和产物的1Ybb Ypp 4a s s s
1b p
maK x SCSCS2.11
式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。 Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为： (1) 细胞的生长为均衡式生长； (2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长； (3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
细胞比生长速率μ为： kCxs ,而 maxkCx总
∵
C x 总 C X C X SC X2S K C S C SX SC X SC X K C IS S
2、判断生物反应器好坏的唯一标准是：该装置能否适合 工艺要求以取得最大的生产效率。
3、生物反应器设计的重要方面包括： 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低。 生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经 济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计 的一个重要因素。
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
•维持的定义：
r x d X d C t μ X C 2 . 3
YX 1/S＝ Y1xm /sa x m s (2.4)
式中YXS－细胞对基质的得率；Y
m x/
as x－最大得率；ms
－维持系数；
μ－比生长速率。
化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1
细 基
胞： b 4p2n3q 质： s 4m2l (2.2)
产物： p 4r2s3t
根据细胞、基质和产物的1Ybb Ypp 4a s s s
1b p
maK x SCSCS2.11
式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。 Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为： (1) 细胞的生长为均衡式生长； (2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长； (3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。
细胞比生长速率μ为： kCxs ,而 maxkCx总
∵
C x 总 C X C X SC X2S K C S C SX SC X SC X K C IS S
生物反应器课件DifferentcellpropertiesSelectcellculturemethod-PPT精品文档
Different cell properties
Select cell culture method
Content
• Introduction • Cell culture specification • Selection of bioreactor
Micro organisms
Bacteria (0.5 – 2 µm) • Escherichia coli (lower intestine) Yeast (2 – 5 µm) • Saccharomyces cerevisiae (baker’s yeast) Fungi (2 – 15 µm) • Penicillium spec. (Cheese and antibiotic) Mammalian (7 – 20 µm) • Chinese Hamster Ovary Cells (Insuline)
Lag phase 0 50 100
Cell Metabolism
• Toxic metabolites • Lactate from glucose metabolism (lowers pH) • Ammonia from catabolism of glutamate and amino acids
• Platform to investigate normal physiology and biochemistry
• Test the effects of drugs and compounds in vitro • Tissue engineering • Synthesize valuable products • Models for studying diseases
Insect
Select cell culture method
Content
• Introduction • Cell culture specification • Selection of bioreactor
Micro organisms
Bacteria (0.5 – 2 µm) • Escherichia coli (lower intestine) Yeast (2 – 5 µm) • Saccharomyces cerevisiae (baker’s yeast) Fungi (2 – 15 µm) • Penicillium spec. (Cheese and antibiotic) Mammalian (7 – 20 µm) • Chinese Hamster Ovary Cells (Insuline)
Lag phase 0 50 100
Cell Metabolism
• Toxic metabolites • Lactate from glucose metabolism (lowers pH) • Ammonia from catabolism of glutamate and amino acids
• Platform to investigate normal physiology and biochemistry
• Test the effects of drugs and compounds in vitro • Tissue engineering • Synthesize valuable products • Models for studying diseases
Insect
生物反应器设计课件
VL）（a J
）
G
高黏度流体的适当通气是非常困难的，在这些情况下需要多叶 片搅拌器及特殊设计的搅拌叶。
1.3 生物反应器的质量传递
三、气体搅拌生物反应器的质量传递
1. 鼓泡塔
从结构及操作的观点看，鼓泡塔是最简单的一种反应器，属于气体 搅拌反应器的种类。它们是简单的容器，容器内气体喷人液体中，没有 运动部件，容器内物料搅拌所需要的所有能量及培养所需要的氧均由喷 人容器中的气体(通常为空气)提供。
1 Yxs
1 Y m ax
xs
ma
qs
Ymax
qp Ymax
ma
xs
xs
基质和氧消耗德尔线性方程式生物反应器设计的重要 工具。在设计的过程中速率是进行人为预测的，而培养的 过程得率系数的改变则是用比生长速率的函数得到的。
1.2 生物反应器的生物学基础
一、细胞学动力学
细胞在分 批间歇式培养 的过程中，其 生长过程主要 分为了四个阶 段，分别为停 滞期、对数期 、减数期以及 衰退期。图为 典型的生长曲 线。
一般来说，反应器中发生的反应虽然有所不同，但最 后都可以通过精确的质量和能量衡算式计算出相应的物质 和反应程度。
化学平衡式可表示为：
CH mOl aNH 3 bO2 YbCH pOnN（q 生物量） YpCH rOS H t(产物） cH 2O dCO2
这里Yb、Yp分别是生物量和产物的相对单位碳源量的 产率，氮和氧的需求量分别用系数a和b表示，所产生的水 和二氧化碳系数分别为c和d。
max/（1 ks/S）（1 S/k1)
竞争性抑制：
maxS/ ks (1 S/k1) S
1.2 生物反应器的生物学基础
五、 环境因素对生长及代谢的影响
《生物反应器》PPT课件 (2)
精选PPT
40
（1E-1）
(1) 菌体均衡生长，用单一参数生物量 来描述菌体生长。
(2) 发酵中菌体呈丝状，浓度较大，最 高达40g/L，因此采用contois方程来关 联比生长速率，即:
（1E-1）
精选PPT
41
(3) 在发酵过程中菌丝缠绕成球，菌球 直径为50一300µm，球内基质浓度受到 扩散阻碍，因此用基质的有效浓度来代替
一是全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一；
二是活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动，完全 没有反向混合。讨论反应动力学时常常假定生物反应 是在全混的状态下进行的。而实际反应装置因其流动 特点常常介于上述两种理想流动之间，讨论及计算比 较复杂。
精选PPT
14
生物反应过程的核心问题是细胞的生长
细胞的生长(繁殖)、代谢是一个复杂的 生物化学过程，既包括有各种细胞内的生 化反应、胞内与胞外的物质交换，也包含 有胞外的物质传递及生化反应。与一般化 学工程不同，这个反应体系的特点是多相、 多组分、非线性的体系。多相指的是体系 内常含有气相、液相以及菌体(固)相，而 各相状态及物理性质不同，相内的反应及 传递各有特点，相间还有复杂的相互作用。
发酵液中浓度，即：
s＝S－KixΒιβλιοθήκη (1E一2)精选PPT
42
(4) 青霉素的合成受到糖的非竞争性抑制 作用。
(5) 在合适的条件下氮源、溶氧均不是限 制性基质。
基于上述假设(亦即物理模型)可以建立数 学模型。
(1E－3)
精选PPT
43
上式中V表示发酵的体积，因此各式中最后一项表示由 于流加物料导致体积变化而引起的各组分的“稀释”作
上述3种模型在实际过程分析中应用较少， 本章不作详细讨论。
生物反应器课件Bioreactordesignforanimalcellcultures：cGMPaspects
– The responsibility and implementation of cGMP is left up to Audited recipient
– GMPs were established before validation was common practice
cGMP
• Validation
DP37: Control of Measurement devices DP46: QA system management
Improvement tools
DP28: Draw ing Update DP32: Disapproved materials DP33: Complaints DP47: Board Audit DP48: Internal audits
Customer satisfactory
Internal Organisation
Quality Handbook
DP38: Document control
DP30: Control of Basic Files
DP39: Netw ork control
DP31: ESD-operations
• Understand the background of cGMP • Document only what is useful according cGMP • cGMP documents are not free of charge • Working according GMP is never finished: it needs
7 E n g in eerin g
V alid ated S ystem
15 MQ
14 PQ
– GMPs were established before validation was common practice
cGMP
• Validation
DP37: Control of Measurement devices DP46: QA system management
Improvement tools
DP28: Draw ing Update DP32: Disapproved materials DP33: Complaints DP47: Board Audit DP48: Internal audits
Customer satisfactory
Internal Organisation
Quality Handbook
DP38: Document control
DP30: Control of Basic Files
DP39: Netw ork control
DP31: ESD-operations
• Understand the background of cGMP • Document only what is useful according cGMP • cGMP documents are not free of charge • Working according GMP is never finished: it needs
7 E n g in eerin g
V alid ated S ystem
15 MQ
14 PQ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Bioreactor design considerations
ASME Head(s)
Hemispherical Head(s)
Agitation
• Seals
– Mechanical Face Seals – Lip Seals
• Magnetic Drives • Impellers
– Turbine – Marine – Pitched Blade – Others
Blinded by Water
Depth Cartridges
•
Advantages -- Not blinded by Water
Relatively efficient
•
Disadvantages -- Not easily validated
Integrity testing:
– W.I.T. or bubble point
Bioreactor design considerations
Goals: Max growth or max productivity
• Need stringently maintained process conditions • Agitation (max transfer) • Homogenous condition
• Time • Temperature • Moisture
Air Removal
Sterility Considerations
Sterility Considerations – Killing rate
•
Di = Impeller Diameter inShaft
•
F = One (1) for one impeller
•
(1.8) for two impellers
•
(2.4) for three impellers
Agitation - turbine impeller
Agitation
Agitation - turbine impeller
• For unaerated water @ 20 C in a fully baffled tank the following formula applies:
• P= 4.5 x 10-13 * Di5 * N3 * F
Bioreactor design considerations
Bioreactor design considerations for cell culture
• Top driven agitator • Marine impellers • Tipspeed up to 1 m/s • No baffles • Micro porous sparger • Gas flows up to 0.1 vvm • Headspace aeration • Aspect ratio = 1 at working volume • CIP-able design
Temperature control
Cooling System: • remove 50 to 100 Watts/Liter of Volume.
Heating Systems: • One (1) degree C per minute between 25 and 45 C
Ring Type
Bioreactor design considerations
• Shape
– ASME Bottoms – Hemispherical Bottoms
• Jacket Design
– Conventional – Dimpled – Half Pipe
• Ports
– Tri-Clamp, DN, NA-connect, Ingold Type, Flange type
Bioreactor design considerations
Repeatable transfer of energy, substrates, metabolites.
- Good mixing depends on:
• nature medium • rheology of the broth • airflow rate/ type of aeration • kind and number of impellers/baffles • organism behaviour (shearstress) • geometry of vessel (H/D) • accurate speed control
Spargers
Single Orifice
Sintered
Filters
Membrane (0.2/0.45 micron pore size)
•
Usually made of Teflon
•
Advantages -- Validatable
•
Disadvantages -- Relatively Expensive
Bioreactor design
Select cell culture method
Content
• Introduction • Cell culture specification • Agitation • Temperature control • Sterilization • CIP
Sterility Considerations
• Killing Rates • Dead Legs • Fitting Types • Piping Considerations
Sterility Considerations
Critical Elements of Steam Sterilization
Tip Speed should also be considered because of tendency to shear cells. Do not exceed 1 m/s for cell culture
And 5 - 6 m/s for microbial cultures.
Temperature control