生物反应器优秀课件

空气
除菌
CO2等
检测和控制
生物反应器
原材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
灭菌 培养基
冷却水
产物预处理
底物
由图可见，利用生物催化剂进行反应 的生物反应器在生物过程中，具有中心的 作用，是实现生物技术产品产业化的关键 设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应 器中，通过产物的合成，廉价的原料被升 值了。因此，生物反应器的设计和操作， 是生物工程中一个及其重要的问题，它对 产品的成本和质量有很大影响。
产品提取或液化
产物
副产物
废物
一 般 生 物 反 应 过 程
一、细胞生长的特点、描述方法和分类
细胞生长代谢动力学：定量描述细胞生长代谢过程之速 率及其影响因素的科学。 重要的概念 ⑴ 反应速率：单位时间物质浓度的变化量 dx/dt ⑵ 得率系数：2种物质得失之间的计量比 YP/S＝－dp/ds ⑶ 比速率：单位浓度菌体单位时间内引起物质浓度的变 化 代表菌体活力和能力的大小。 菌体比生长速率： μ＝1dx/Xdt 基质利用： qs＝- 1 ds/Xdt 基质比消耗速率 产物形成： qp＝1dp/Xdt 产物比生成速率
益最大化 生物反应器是生物学和化工科学的交叉，许
多方法需应用化学工程的知识。如 流体传输与混合；物质传递；热量传递等
第二节 细胞生长代谢动力学
生物反应过程
由生物工程所引出的生产过程
目前最常见的是利用发酵罐培养工程菌，生产目的产 物。
动、植物生物反应器发展迅速
细胞或酶等生物催化剂 （游离或固定化）
二、细胞浓度及浓度测量
细菌细胞浓度常用干菌质量浓度（g/L，kg/m3）描述而不 是量浓度（mol/L）。所用测量方法
⑴ 直接测量法
① 细胞干重法 一定体积培养液中收集菌体，洗净 干燥 ，称重。测出的是细胞浓度，不适用于含 不溶性固体成分的培养液。最常用方法。
②显微记数法 显微镜下用细胞计数器测定单位体 积培养液内细胞个数。不能用于多细胞和丝状生 物体记数，细菌培养液也难以使用，并且无法区 别死和活细胞。
自溶期4，环境恶化，细胞开始死亡，活细胞浓度下降，细
胞生长速率为负值。4个典型生长阶段。如下图。
细胞生长动力学描述 用比生长速率μ表示，比生 长速率就是菌体生长速率与培养基中菌体浓度之比， μ=1dx/xdt，单位是时间的倒数h-1，m-1，s-1。表示 菌体生长能力大小。描述的是单位体积内单位细胞 量细胞单位时间内增加（一倍）的细胞量。培养过 程中如果速率不再变化了，上式的菌体浓度变化为 X=X0exp（μt）X0为 t=0 时的菌体浓度。在对数生 长期，μ是一个常数，由此计算出一段均衡生长过 程中的平均生长速率，
生物反应器优秀课件
第一节 概述
生物反应器: 培养细胞生产所需产品的装置。 自然生物、实验室设备和工业装置 提供细胞生长生活所需良好环境： ①物理环境 温度、pH、 氧浓度等 ②化学环境 营养物、 生长调节物
研究生物反应器的目的：
① 确定所需生物反应器大小和结构 ② 优化已有生物反应器 ③ 更好的了解细胞生长、代谢过程，生产效
基于细胞培养体系的复杂性，几乎无法对其进行描 述。从工程化角度描述细胞群体，首先进行简化， 然后建立物理模型，最后建立数学模型。
对细胞群体的简化，必须考虑如下2方面的因素： ⑴ 细胞内部复杂的结构 ⑵ 细胞之间的差别 因此，工程上应用最多的是非结构非离散模型——均衡
生长模型。 该模型不考虑细胞内部的（组分）结构和细胞间的差异，
如果细胞物质或细胞数增长一倍的时间间隔是常数， 则微生物是以指数速度增长，可用数学模型来描述。
dX X
dt ：比生长速率 X：细胞浓度(g/L)
dN dt
n N
：比生产速率
Nn：每升细胞数
• 讨论反应动力学常假设生物反应在理想状 态下进行，按流动特点，分两种理想流动 模式：
• ① 全混式 反应器内各点浓度、条件完全一 致
③平板记数法 含细胞培养液系列稀释，取一定量 稀释液涂布于平板固体培养基上培养，计算长出 菌落数，在还原成原培养液的细胞浓度。测出的 是活细胞数。可用于细菌、酵母等单细胞微生物 或微生物孢子悬浮液，不适用丝状微物。
④浊度法 用比色法测定，A600-700nm，快速简单， 也不能区别活/死细胞，实践常用。丝状微生物 可先破碎再比色，过高浓度需稀释后再比色。
• ② 活塞流式 反应器内物质沿一定方向流动， 全无反向混合。 实际反应器流动特点界于 这两者之间。
细胞生长的特点与群体描述
① 多相 体系气、液、固相混合存在 ② 多组分 细胞外和细胞内各种营养成分，代谢
产物 ③ 非线性 不能用线性方程准确描述 ④ 群体性 细胞培养和代谢表现为群体性活动，
细胞之间互相影响。104-8个/ml，遵循普遍的生 命活动规律。
长动力学曲线。细胞生长需经历延迟期1 ，细胞增加少，培养基 浓度对其长短影响不大； 指数生长期2，细胞的生长不受限制， 细胞浓度随时间呈指数生长，细胞分裂繁殖最为旺盛，生理活性 最高，实践中常转接处于指数生长期中期的细胞，以保证转接后 细胞能迅速生长，微生物反应能快速进行；静止期3营养物（限 制性基质）耗尽，有害物大量积累，细胞浓度达最大值；
把细胞看成一种溶质（质点），便于用浓度描述，便 于数学描述 可满足大部分微生物过程及过程控制分析的需要
细胞群体模型
非结构模型不考虑细胞内部结构，每个细 胞之间无差别，细胞群体作为一种溶质；
结构模型是指每个细胞之间无差别，细胞 内部有多个组分存在；
一般的微生物生长动力学模型认为细胞为 单一组分，在这种理想状况下建立的动力 学模型称为非结构模型。由于细胞组成是 复杂的，当微生物细胞内部的蛋白质、脂 肪、碳水化合物、核酸、维生素等含量随 环境条件的变化而变化时，建立起的动力 学模型称为结构模型。
⑵ 间接测定法 测定细胞内结构成分的含量。在培养液内含较多 不溶性固体物时采用，细胞成分在细胞中含量基 本衡定才适用。如测DNA。RNA ，蛋白质，或 者代谢产物等。
三、均衡生长模型
均衡生长模型只用一个量描述细胞含量——生物量/浓度 ，单位体积中细胞个数/干重表示。 1、细胞生长模型 细胞生长动力学曲线 测定培养过程中细胞浓度变化得到的细胞生