生物反应器
生物反应器
3种酵母表达系统
• 甲醇营养型酵母表达系统：巴斯德毕赤酵 母(Pichia pastoris)表达系统最为常用；
• 巴斯德毕赤酵母具有翻译后修饰功能，如 信号肽加工、蛋白质折叠、二硫键形成和 糖基化作用等，其糖基化位点其他哺乳动 物细胞相同，适合于生产医药用重组蛋白 质。
3种酵母表达系统
• 裂殖酵母不同于其他酵母菌株，它具有许 多与高等真核细胞相似的特性，它所表达 的外源基因产物具有相应天然蛋白质的构 象和活性。遗憾的是，目前对它的研究较 少。
动物细胞生物反应器
• 昆虫细胞； • 哺乳动物细胞； • 鱼类细胞。
昆虫细胞生物反应器
• 昆虫杆状病毒表达系统( BEVS)： 病毒载体、昆虫细胞、宿主培养基； 与细菌 、酵母、 哺乳动物细胞表达系统相比，
具有易于操作和筛选， 较好的转录后加工 修饰以及安全等优点； 缺点：昆虫细胞的蛋白质加工过程并非同高 等的真核生物完全一致， 最终会影响到表 达产物的生物学活性。
家蚕丝腺生物反应器
• 家蚕是人工养殖的经济昆虫， 蚕的丝腺作 为生物反应器来表达重组的外源蛋白具有 极高的商业价值与应用前景。
家蚕丝腺生物反应器
• 存在的问题： 丝腺中主要以丝蛋白分泌为主，给目的蛋白
的下游分类纯化带来了困难； 与杆状病毒表达系统一样存在蛋白质转录后
修饰的问题； 如何将外源基因稳定的转入家蚕体内，同时
• 真核单细胞、结构简单、 因序列已经完全测 得, 序列结构比较清楚, 利于遗传操作;
• 培养条件简单, 可以大规模培养, 易于工业化 生产; 核转化与叶绿体转化方法成熟;
• 衣藻作为真核生物, 可以对真核蛋白质进行准 确的翻译后加工修饰( 如: 正确的折叠等) ;
• 衣藻本身不带有对人体有害的生物, 如病毒、 细菌等, 这就使得其表达的产物不会含有毒素 等有害物物质, 从而减少纯化步骤, 大大降低成 本。
生物反应器
生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。
生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。
生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。
分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。
另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。
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。
若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。
前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。
好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。
所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。
若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。
②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。
在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。
③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。
目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000个喷嘴进料。
目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。
生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。
生物反应工程 第7章 生物反应器
将列管并列焊接在一起，组成挡板; [2]
直接利用列管当挡板
H—筒身高度 D—罐径 W—挡板宽度 HL—液位高度 Di—搅拌器直径 S—两搅拌器间距 B—下搅拌器距底 间距
1.罐体
结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊 接而成。小型发酵罐罐顶和罐身采用法 兰连接。顶部设有清洗用的手孔。
材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用 不锈钢或复合不锈钢制成。小大型发酵 罐可用不锈钢或玻璃钢制成。 刚度和强度：受压容器，空消或实消， 通常灭菌的压力为2.5Kg/m3。
生物催化剂在反应器中的分布方式 生物团块(包括细胞、絮凝物、菌丝体)反应 生物膜反应器两大类。 固相催化剂的运动状态来分类 填充床 流化床 生物转盘等多种型式反应器。 按反应体系的相态来分类 均相——可溶的酶催化反应 非均相
•反应物系在反应器内的流动与混合状态 （反应器内流体的流动类型） 活塞流反应器 (continuous plug flow reactor， CPFR ) 全混流反应器( continuous stirred-tank reactor，
表 通用式发酵罐的几何尺寸与操作条件
几何尺寸与操 作条件范围 H/D=1～4
Di/D=1/2～1/4 W/D=1/8～1/12 B/ Di =0.8～1.0
搅 拌 转 速 N=30 ～ 1000 (r/min) 单位醪液体积的冷却面 积0.6～1.5 (m2/m3)
典型数值
奥地利某公司 200m3
4.温度控制系统：
电极、热交换装置和及其控制 排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械 搅拌产生的热量的装置 在发酵过程中，放出的热量可用如下的热 平衡方程式：
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射
《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
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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
第四章 生物反应器
3、发酵罐冷却面积的计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：
F
式中
Q K t m
F：冷却面积(米2) Q：总的发酵热(焦耳/小时) K：传热总系数(焦耳/米2.小时.℃) Δtm：对数平均温度差(℃)
二、 啤酒发酵设备
方向发展： 大 型（最大1500吨 ）
室 外（减少投资、易于改造）
内循环
外循环
第二节Biblioteka 厌氧（嫌气）发酵生物反应器
应用范围： 酒精、 啤酒、 丙酮丁醇
发展方向： 罐体——大型化 操作——连续化 控制——自动化
一、酒精发酵设备
（一）对酒精发酵罐的要求
满足工艺要求，有利于发酵热的排出； 从结构上有利于发酵液的排放； 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题； 有利于进行二氧化碳回收。
5、能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。
生物反应器的分类：
1、按培养生物类型：
微生物反应器、动物细胞反应器、植物细胞反应器、酶促反应器 2、按培养方式： 通气生物反应器、厌气生物反应器、光照生物反应器、膜生物反应器 3、按生物反应器结构：
罐式、 管式、 塔式、 池式、膜式
4、按操作方式： 间歇式、连续式、半连续式
由于当代发酵工业的发展，大规模悬浮培养微生物（液 态深层培养）已成为生物工业获得产品的最主要手段，通常 把此类微生物反应器统称为发酵罐。
根据微生物是否应通气培养，将发酵罐分为通风发酵罐 和厌气发酵罐。
发酵罐的基本条件
1. 应具有适宜的径高比。发酵罐的高度与直径比约为1.1- 4 (视具体 的罐型而定。如：由于罐身长，氧的利用率较高，因此对于通风发酵设
生物反应器
生物反应器生物反应器是一种生物技术设备，主要用于生物发酵、生物转化和生物固定化等过程的实现，是生物技术学领域中的核心设备之一。
生物反应器按规模大小可分为实验室规模、小型工业规模、大型工业规模及超大型规模，广泛应用于生物制药、食品工业、环保工程、化工领域及实验室研究等不同领域。
本文主要介绍生物反应器的基本概念、分类、结构、功能与应用等方面的内容。
一、生物反应器的基本概念生物反应器是一种专门用于维持和促进生物体生长繁殖，并对物质能量进行转化的设备。
是利用微生物生长代谢的能力，进行化学制品或生物制品的生产。
反应器内部常温度、氧气含量、pH值、营养物浓度等参数进行监测与控制，以维持接近理想的生长环境，从而提高微生物总体产量和单独化合物的产量。
二、生物反应器的分类按微生物名称分为真菌反应器和细胞反应器两种；按操作条件分为常压和高压反应器两种；按反应器内混合方式分为不同类型，如机械混合反应器、气液混合反应器、液相连续搅拌反应器、固相悬浮式反应器等；按生产工艺分则有批量式反应器、半连续式反应器和连续式反应器等。
三、生物反应器的结构生物反应器结构包括传质层、反应层和生物活性层三个部分。
传质层由反应器外壳和传质器件（气体传输系统与吸收液传输系统）组成，热量传递和质量传递的效率决定于传质器件的选择和设计。
反应层由反应器罐体、搅拌器、传热器、控制仪等组成，其内部环境的压力、温度、营养物浓度、气相浓度、氧含量、pH值等参数决定了反应的产物和效率。
生物活性层是一个重要的环节，是水生生物或微生物参与反应的主要部分。
其中，微生物是生物活性层的核心，它们根据营养状态发生生长、代谢和能量转换等复杂的反应，完成指定的反应目的。
四、生物反应器的功能生物反应器的主要功能是实现微生物生长代谢和化学过程，从而获得所需的生物制品或化学成品。
其次，需要满足反应器内环境的生物学和物理学参数要求，如空气、水、营养物、pH、pO2、温度、压力、流量等参数，确保最大的反应效率和最佳的反应条件。
第一章 生物反应器
测定菌体湿重或干重法：
此法的原理是根据每个细胞有一定的重量而设计的 。它可以用于单细胞、多细胞以及丝状体微生物生长的测 定。将一定体积的样品通过离心或过滤将菌体分离出来， 经洗涤，再离心后直接称重，求出湿重，如果是丝状体微 生物，过滤后用滤纸吸去菌丝之间的自由水，再称重求出 湿重。不论是细菌样品还是丝状菌样品，可以将它们放在 已知重量的平皿或烧杯内，于105℃烘干至恒重，取出放 人干燥器内冷却，再称量，求出微生物干重。 如果要测定固体培养基上生长的放线菌或丝状真菌 ，可先加热至50℃，使琼脂熔化，过滤得菌丝体，再用 50℃的生理盐水洗涤菌丝，然后按上述方法求出菌丝体的 湿重或干重。
(4) 理想流动与非理想流动 ：主要是较大 得反应器由于混和，传热等需要时间，其内部往 往是不均一的。
两种理想流动模式：全混式和活塞流式。
全混式和活塞流式:
全混式:反应器各点浓度及其它 条件均一;
活塞流式:反应器内各物质沿一
定方向流动,完全没有反向混合.
非结构模型
结构模型
(最理想情况） 均衡生长（假设） 细胞之间无差异 细胞内有多个组 非离散模型 把细胞群体处 分（结构） 理为一种溶质
显微镜直接计数法：
显微镜直接计数法是将一定稀释的菌体或孢子悬液注入血球 计数板的计数室中，于显微镜下直接计数的一种简便、快速、直观 的方法。因为计数板是一块特别的载玻片。其上由四条槽构成三个 平台；中间较宽的平台又被一短横槽隔成两半，每一边的平台上各 刻有一个方格网，每个方格网共分为九个大方格，一种是一个大方 格分成25个中方格，而每个中方格又分成16个小方格；另一种是一 个大方格分成16个中方格，每个中方格又分成25个小方格，无论哪 种每个大方格中的小方格都是 400个。每一个大方格边长为 0 ． 1mm， 所以计数室的容积为 0．1mm3。计数时，通常只用5个中格内的菌体 (孢子)数即可。然后求出每个中方格的平均值，再乘上25或16，得 出一个大方格中的总茵数，再换算成lml菌液中的总菌数。若设5个 中方格中总菌数为N，菌液稀释倍数为M，如果是25个中方格计数板， 则计算方法为： lml 菌 液 中 的 总 菌 数 = 平 均 每 个 中 格 中 菌 的 个 数 ×25×104×M=50000N· M(个)
生物反应器归类
生物反应器归类
生物反应器是一种用于承载和促进生物反应的装置或体系。
根据反应
器的实际应用和操作原理，可以将生物反应器分为几个类别。
1. 发酵反应器：用于微生物发酵过程的反应器，用于生产食品、饲料、药物和生物燃料等。
常见的发酵反应器包括批式发酵罐、连续式发酵
罐和气体提升式发酵罐。
2. 培养反应器：用于细胞培养和组织工程的反应器，用于生产生物药
物和细胞制品。
常见的培养反应器包括摇床培养器、旋转培养器和悬
浮培养反应器。
3. 污水处理反应器：用于处理废水和污水中的有机物和有毒物质。
常
见的污水处理反应器包括活性污泥法反应器、膜分离法反应器和生物
滤池。
4. 生物酶反应器：用于生产酶类产物和催化生物酶反应的反应器。
常
见的生物酶反应器包括固定床反应器、悬浮式反应器和液体-液体界面
反应器。
5. 生物电化学反应器：用于转化生物质和废弃物为电能的反应器。
常
见的生物电化学反应器包括微生物燃料电池、微生物电解池和生物燃
料池。
以上是一些常见的生物反应器类别，各类反应器在不同领域有广泛应用，以满足人类对食品、药物、能源和环境保护等方面的需求。
生物反应器的分类与发展
分都可经过人为驯化为生物反应器
动物血液生物反应器
动物膀胱生物反应器
动物生物反应器
外源基因编码产物可直 接从血清中分离
出来,血细胞组分可通 过裂解细胞获得，
外源基因在膀胱中表达的转基因动物 生物反应器,叫动物膀胱生物反应器
动物乳腺生物反应器
动物乳腺生物反应器利用哺
泌尿系统
乳动物乳腺特异性表达的启 动子元件构建转基因动物,
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料
原料制备 预处理
能量 灭菌
过程控制
生物 反应器
能量 产品回收
产物
空气
空压机 除菌
热量
废物
二、生物反应器的分类
机械搅拌式反应器 气升式生生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
生物反应器有很多种,按照不同的分类角度
组织或整株植物，
其中以转基因植物作为生物反应器生产贵重药物和疫
苗已经成为植物基因工程中最有研究前景和商业价值的领
域，
植物生物反应器种类不断增多, 从最初的烟草、拟南
芥到后来的马铃薯、番茄、香蕉、木瓜、豇豆、菠菜、苜
蓿、油菜和芜青等,表达产物包括疫苗、抗体及其片段、
细胞因子、酶及其它药用蛋白和生物活性肽等，
3 生产啤酒 4 生产能源
目前用来生产啤酒的填充 床固定化细胞反应器已完 成中试进入工业生产阶段
光合细菌利用有机物作为电子供 体光敏产氢为工业化生产清洁、 无污染的生物能源提供了具有竞
争力的技术方法
2、动物生物反应器
一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫动 物生物反应器，几乎任何有生命的器官、组织或其中一部
在转基因家畜血液中得到人免疫球蛋白、d 球蛋白、B球蛋白、胰蛋白酶、干扰素和生长激素 等,并且都具有正常的生物活性，美国哺乳动物细 胞表达或生产的生物技术药物有53种，
生物反应器
流动特性
升、降液管中气含率不同导致的流体密度差是流体循
环的主要动力，通气率大小是影响流体速度的重要因 素。 升、降液管的横切面积相对大小对循环速度也产生影 响。
循环速度？
升液管内氧含量丰富，细胞生长旺盛；降液管氧含量
下降，易产生缺氧。 液体微元体在反应器内循环一周所需时间为一个循环 周期，
组合模型
微观混合的定量描述
微观混合通常用混合程度m和混合时间tm两个参数表示。
tm为达到m时的值，一般采用0.95或0.99。
机械搅拌反应器的混合模型
分室模型
再循环模型
气体搅拌塔式反应器
与机械搅拌通风反应器的不同在于无机械搅拌 特点是结构简单；氧传递效率高；耗能低；减少了剪
反应速率：
对于均相酶促催化反应
单底物酶促反应BSTR的反应器
对于细胞反应
分批培养细胞生长的六个阶段 停滞期
加速生长期 负生长 期 减速生长 期 平衡生长期
指数生长期
对数生长期细胞生长时间的计算
对数生长期，比生长速率达到最大
代入积分式后积分得到
对于间歇操作的反应器，反应物要达到一定的反应程
度，仅与过程的速率有关，而与反应器的大小无关。
产率是优化的目标函数 若以产物浓度最高为目标——总产率；若以最大产物
生成速率时为反应终止时间——最大产率。
连续操作搅拌反应器
操作特点： 进出料速率相同，且保持恒定 反应器内变量不随时间变化，处于稳态操作 反应器内物料在空间上达到完全混合，各处物系组成 相同。
轴流式搅拌器——叶面与轴成一定角度
径向流搅拌器——叶面平行于搅拌轴
反应器内挡板有利于次生流的产生，最佳的挡板设计 数目可根据以下公式：
第6章 生物反应器
第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。
一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。
工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。
6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。
一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。
1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。
3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。
4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。
5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。
6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。
生物反应器是指什么
生物反应器，是指利用酶或生物体(如微生物、动植物细胞等)所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。
生物反应器与化学反应器不同。
化学反应器从原料进入到产物生成，常常需要加压和加热，是一个高能耗过程。
而生物反应器则不同，在酶和微生物的参与下，在常温和常压下就可以进行化学合成。
因此，生物反应器问世之后，就受到化工部门的重视。
化学工程专家认为，应该尽可能多地让化学合成过程由生物去完成。
设计理想的生物反应器，就成了现代生物技术产业的一个重要任务。
设计生物反应器时要考虑两点：一是选择特异性高的酶或适宜的活细胞作为催化剂，尽可能减少副产物，提高产品产量；二是尽可能提高产物的浓度，降低成本。
生物反应器首先在发酵工业中得到应用。
发酵工业中使用的生物反应器，实际上是发酵罐。
另一种是以固定化酶或固定化细胞为催化剂的酶反应器。
世界上最大的发酵罐高达100米，直径7米，容积为4000立方米。
《生物反应器》课件
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。
第四章 生物反应器
生物工程设备课件
生物工程设备课件
郑裕国 王远山 汪钊 陈小龙 朱勍 徐建妙
生物工程设备课件
生物工程设备课件
(4) 圆盘箭叶涡轮搅拌器
其搅拌流型与上述两种涡轮相近，但轴向流动较强 烈，但在同样转速下，剪率低，输出功率也较低。
生物工程设备课件
第二篇 生物反应设备
第四章 生物反应器
生物工程设备课件
内容
第一节 机械搅拌式生物反应器 第二节 气升式生物反应器 第三节 鼓泡塔生物反应器 第四节 膜生物反应器 第五节 动植物细胞培养装置和酶反应器 第六节 微藻培养反应器 第七节 嫌气生物反应器 第八节 固态发酵生物反应器
生物工程设备课件
罐等。
按反应器的操作方式：间歇式生物反应器、连续式生 物反应器和半间歇式生物反应器。
生物工程设备课件
按生物催化剂在反应器中的分布方式：可以 分为生物团块反应器和生物膜反应器。
按反应物系在反应器内的流动和混合状态： 全混流型生物反应器和活塞流型生物反应 器。
按发酵培养基质的物料状态：液态生物反应 器与固态生物反应器。
（1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接 种管和压力表接管。
罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温 度计管和测控仪表接口。
生物工程设备课件
生物工程设备课件
2009.10
郑裕国 王远山 汪钊 陈小龙 朱勍 徐建妙
生物工程设备课件
大型发酵罐中竖立的蛇管、列管、排管也可以起 挡板作用。
2009.10
生物反应器
机械搅拌式生物反应器的进展
细胞提升桨生物反应器（1990） 双圆筒筛搅拌式生物反应器（1992） 脉冲混合式生物反应器（1993） 泡床式搅拌生物反应器（1994） 离心桨生物反应器（1996） 固定化酶搅拌桨反应器（2005）
微藻培养中光生物反应器的研究进展
开放式光生物反应器
(1)易受外界环境影响，难以保持较适宜的温度与光 照； (2)会受到灰尘、昆虫及杂菌的污染，不易保持高质 量的单藻培养 (3)光能及CO2 利用率不高，无法实现高密度培养
软骨组织工程生物反应器研究进展
软骨组织工程技术的发展已进入体外构建的关键阶段。生物 反应器能在体外动态模拟体内微环境中物质转运和流体应力刺激 反应,从而实现体外经生物力学途径调控软骨细胞的基因表达和增 殖。传统的二维或静态压力型生物反应器难以构建功能接近于正 常的软骨,各种可即时智能调控的微重力、灌流液压、微载体等新 型生物反应器使得培养基环境的调控更加高效、精确化,培养的三 维软骨组织在形态、基因表达及力学特性上均更接近于正常软骨 组织。
研究方向
1.利用生物反应器, 特别是植物反应器生产药用蛋白和疫苗已成为制 药产业重点开发的热点领域。 2.开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂。 3.改进生物反应器的传质、传热的方法。 4.生物反应器向大型化和自动化方向发展。 5.特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因产品生产、细胞固 定化及动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵 边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视。 6.降低设备投资方面，对连续过程更加重视。
进展情况
空间生物反应器的进展
早期发展成熟的空间生物培养反应器的操作方式主要是灌流 式。
旋转壁式生物反应器、细胞培养单元反应器、单 环路细胞培养反应器、微型连续培养反应器。
生物反应器
生物反应器设计的基本原理
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。 1、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， pH和温度 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。 易受杂菌污染等。 确定适宜的反应器形式。 2、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。 3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 4、传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 5、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。 6、材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 7、检验与控制装置。 安全性。 8、安全性。 经济性。 9、经济性。
式中 为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h] [L/h]； F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]； 下标i 分别表示相应的细胞、 下标 i 、 j 和 k 分别表示相应的细胞 、 基质和产 下标ƒ表示基质的流加流量。 物,下标ƒ表示基质的流加流量。 当采用分批式操作时,Fƒ=F=0；采用流加式操 当采用分批式操作时,Fƒ=F=0； ,F 作时， ƒ≠F=0 采用连续式操作时,F =F≠ F=0； ,Fƒ 作时，Fƒ≠F=0；采用连续式操作时,Fƒ=F≠0
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生产能力P 三、生产能力Pr
反应器生产能力P 反应器生产能力Pr（productivity）的定义是单 ） 位时间、单位反应器体积内生产的产物量。 位时间、单位反应器体积内生产的产物量。 分批式操作中， 分批式操作中， 12） （7-12） 式中P 为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。 式中Pt为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。 连续式操作中， 连续式操作中， 13） （7-13）
生物反应器类型
生物反应器类型生物反应器是指一个用来模拟和控制生物过程的装置，常用于生物学、生化工程等领域。
生物反应器广泛应用于制药、化工和环保等领域，是一个非常重要的工具。
生物反应器一般分为多种类型，本文将详细介绍这些类型。
一、批式反应器批式反应器是最简单最基本的类型，它是一个封闭的容器，里面装有生物材料、培养基和所需的气体。
通常情况下，反应器会以一定温度、pH值和氧气浓度下进行反应。
时间到后，反应器会被打开，产物被取出。
批式反应器优点：操作简单，成本较低。
批式反应器缺点：生产周期长，产量小。
二、连续搅拌式反应器连续搅拌式反应器对批式反应器进行了改进，其关键在于通过搅拌系统不断输入新鲜的培养基和气体，同时也会将产物不断排出。
这种类型通常用于生产大量的微生物和酶。
连续搅拌式反应器优点：生产周期短，产量大。
连续搅拌式反应器缺点：会对微生物和酶产生一定的压力，需要考虑控制温度和pH值等，生产成本较高。
三、柱床反应器柱床反应器通常被用于某些特殊的生产需求，如病毒制备、蛋白质纯化等。
这种类型的反应器是通过填充物质，如树脂、磁性珠等构成一定的反应体系。
当培养基流过柱床时，反应体系中的微生物或酶与培养基发生反应，产生物质被吸附在柱床材料上。
柱床反应器优点：高效、高纯度。
柱床反应器缺点：成本高昂。
四、固定床反应器固定床反应器类似于柱床反应器，只是其填充物是生物材料。
在固定床反应器中，微生物或酶被固定在固体支架上，并与流经反应器的培养基相互作用。
固定床反应器优点：生产周期短，产量大，适用于大规模生产。
固定床反应器缺点：操作和控制比较复杂，成本较高。
五、膜反应器膜反应器是将微生物或酶放在半透膜上进行反应。
通过这种方式，微生物或酶可以在两个不同介质之间进行反应，并且可以控制分子的输送速度。
膜反应器常用于生产分离、浓缩或净化蛋白质、细胞等物质。
膜反应器优点：高效、产物纯度高、操作简单。
膜反应器缺点：膜的选择非常关键，成本较高。
综上所述，各种类型的生物反应器都有其优点和缺点，在实际应用中需要根据不同生产需求和特殊情况进行选择。
生物反应器
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生物 反应器 生物 反应器
• 生物反应器潜在的社会价值是 无可估量的。在未来几年内， 将有多种动物乳腺生物反映器 重组蛋白上市，从而形成市场 前景广阔和利润巨大的新生物 制药行业。
张 鑫
王 吟
霍 博 超
目
录
• • • • • 概念 动物反应器 微生物反应器 植物反应器 家蚕反应器
概
•
念
生物反应器是利用生物体所具有的生物功能，在体外或 体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装 置系统、细胞、组织器官等等。 生物反应器听起来有些陌生，基本原理却相当简单。 生物工程上的生物反应器是在体外模拟生物体的功能， 设计出来用于生产或检测各种化学品的反应装置。或者 说，生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有 的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种 生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反 应器等。
家蚕 反应器
桑蚕生物反应器主要有两种形式
1.转基因桑蚕(transgenic silkworm) 2.杆状病毒表达载体系统(Baculovirus Expression Vector System,BEVS)。
技术
力量
• 国内现有技术力量包括中科院上海生化与细胞研 究所、浙江理工大学、浙江大学、中山大学、中 科院武汉病毒所、中国农科院、南京大学、西北 农业大学等单位已基本建立工作基础。 • 中科院上海生化所在昆虫（家蚕）杆状病毒系统 和高效表达载体等上游工作具有较强优势。浙江 理工大学在家蚕生物反应器生产基因工程口服药 物及产业化和家蚕蛋白功能组学研究积累许多工 作基础，“家蚕生物反应器生产生物制品的方法” 获得了2004年国家技术发明二等奖。
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植物
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生物反应器
光生物反应器（ Physcomitrella patens）
生物反应器的概念
• 能够产生生物活性物质的生物体，也称为生 物反应器。 • 生物反应器包括以下几种: 细菌生物反应器； 酵母生物反应器； 发酵罐 细胞生物反应器； 藻类基因工程； 转基因动物生物反应器。
细菌生物反应器
• 细菌作为反应器，是最早使用的转基因生 产技术。目前，细菌仍然作为一种廉价高 效的表达重组外源蛋白的宿主在广泛使用。 大肠杆菌表达目的基因遗传背景比较清楚， 易于控制。另外，大肠杆菌容易培养，可 以获得高产量的目的蛋白。
酵母生物反应器的缺点
• 在酵母表达系统中部分外源基因不能表达； • 内部降解和多聚体形成； • 蛋白质高级结构不正确、翻译后加工、修 饰等不正确限制。
3种酵母表达系统
• 酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)表达系 统：酿酒酵母难于高密度培养，分泌效率 低，几乎不分泌分子量大于30 kD的外源蛋 白质，也不能使所表达的外源蛋白质正确 糖基化，而且表达蛋白质的C端往往被截短。 因此，一般不用酿酒酵母做重组蛋白质表 达的宿主菌。
3种酵母表达系统
• 甲醇营养型酵母表达系统：巴斯德毕赤酵 母(Pichia pastoris)表达系统最为常用；
• 巴斯德毕赤酵母具有翻译后修饰功能，如 信号肽加工、蛋白质折叠、二硫键形成和 糖基化作用等，其糖基化位点其他哺乳动 物细胞相同，适合于生产医药用重组蛋白 质。
3种酵母表达系统
• 裂殖酵母不同于其他酵母菌株，它具有许 多与高等真核细胞相似的特性，它所表达 的外源基因产物具有相应天然蛋白质的构 象和活性。遗憾的是，目前对它的研究较 少。
鸡输卵管生物反应器
优点：鸡具有世代周期短、低成本、繁殖力 高、卵中天然存在着蛋白酶抑制剂和良好 的无菌环境； • 鸡的蛋清是一种相对简单的混合物，单个 鸡蛋卵清蛋白含量约为3.6 g，仅包括约11 种主要的蛋白，因此利于纯化；
• 与哺乳动物相比，一些鸡蛋白的糖基化方 式比哺乳动物更近似人类。
鸡输卵管生物反应器
质粒表达载体
• Invitrogen公司的pcDNA系列载体。
CMV: Cytomegalovirus, 能在哺乳动物细 胞中表达，不具 有组织或细胞特 异性。
细胞系和细胞株
• 原代培养物经首次传代成功即称为细胞系 （Cell Line），因此细胞系可泛指一般可能 传代的细胞。 • 其中能够连续传代的细胞叫做连续细胞系 或无限细胞系，不能连续培养的称为有限 细胞系。
• 缺点：蛋白质高级结构不正确、无翻译后 加工、无修饰等限制。
表达载体
• Novagen公司的PET系列载体。
异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（简称IPTG）是经 常被用来作为乳糖操纵子的诱导物。
乳糖操纵子的应用
乳糖操纵子的应用
最早应用基因工程生产人的蛋白
质的方法是在细菌中表达人的胰 岛素(1982)。
转基因动物乳腺特异性表达的启动子
• 乳球蛋白( BLG) 基因启动子； • 酪蛋白基因调控序列， 常用牛 αS1-酪蛋白 基因和羊β -酪蛋白基因的调控序列； • 乳清酸蛋白( WAP) 基因启动子； • 乳清白蛋白基因启动子。
乳腺生物反应器产业化
• 重组人抗凝血酶Ⅲ ( ATryn)已经被美国FDA批准 上市；
哺乳动物细胞、鱼类 细胞生物反应器
• 表达具有天然活性蛋白的最佳宿主。
• 其优势在于能正确有效地识别真核蛋白的 合成、 加工和分泌信号 , 能准确地完成糖 基化、磷酸化 ，形成链内和链间二硫键以 及蛋白水解等翻译后加工过程 ,因而产生的 完整蛋白和天然蛋白一样。
• 缺点：产量低、成本高、需要严格灭菌的 培养条件。
生物反应器（Bioreactor）
生物反应器的概念
• 用微生物、植物、动物、人细胞或者专一性 酶， 通过生物方法将原料转化为特定产品 的容器称为生物反应器( Bioreactor) 。
• 胃就是人体内部加工食物的一个复杂生物反 应器。食物在胃里经过各种酶的消化，变成 我们能吸收的营养成分。
生物反应器
家蚕丝腺生物反应器
• 家蚕是人工养殖的经济昆虫， 蚕的丝腺作 为生物反应器来表达重组的外源蛋白具有 极高的商业价值与应用前景。
家蚕丝腺生物反应器
• 存在的问题：
丝腺中主要以丝蛋白分泌为主，给目的蛋白 的下游分类纯化带来了困难；
与杆状病毒表达系统一样存在蛋白质转录后 修饰的问题；
如何将外源基因稳定的转入家蚕体内，同时 能高效稳定地在丝腺细胞中表达也是亟待 解决的技术难关。
• 真核单细胞、结构简单、 因序列已经完全测 得, 序列结构比较清楚, 利于遗传操作; • 培养条件简单, 可以大规模培养, 易于工业化 生产; 核转化与叶绿体转化方法成熟; • 衣藻作为真核生物, 可以对真核蛋白质进行准 确的翻译后加工修饰( 如: 正确的折叠等) ; • 衣藻本身不带有对人体有害的生物, 如病毒、 细菌等, 这就使得其表达的产物不会含有毒素 等有害物物质, 从而减少纯化步骤, 大大降低成 本。
• 蛋清的一半蛋白来自两个卵清蛋白等位基 因，其特异表达于输卵管膨大部的管腺细 胞。
现状： 研究还处于初级阶段。
乳腺生物反应器
通过转基因技术 将乳腺组织特异性启动子
驱动的外源基因 在动物乳腺组织高效表达 通过乳汁分泌到体外 该方式不会对动物自 身机体造成损害通过回收乳汁就可以提取 有重要价值的生物活性酶 III( ATryn) ，每年市值7 亿美元；
• 5种药进入临床Ⅲ期试验；
• 37 种进入Ⅱ期临床研究阶段。
乳腺生物反应器面临的问题
• 生产周期长、基因整合效率不高； • 转基因动物死亡率较高； • 常出现不育导致转基因动物续代难。
莱茵衣藻生物反应器
动物细胞生物反应器
• 昆虫细胞； • 哺乳动物细胞； • 鱼类细胞。
昆虫细胞生物反应器
• 昆虫杆状病毒表达系统( BEVS)： 病毒载体、昆虫细胞、宿主培养基； 与细菌 、酵母、 哺乳动物细胞表达系统相比， 具有易于操作和筛选， 较好的转录后加工 修饰以及安全等优点；
缺点：昆虫细胞的蛋白质加工过程并非同高 等的真核生物完全一致， 最终会影响到表 达产物的生物学活性。
胰岛素是一种控制糖代谢的 蛋白质激素。缺乏糖尿病， 注射胰岛素。 现已在细菌中生产10多种 药品，例如表皮生长因子、 人生长激素、干扰素、乙 型肝炎工程疫苗等。
不同目的选择不同的菌株
• • • • DH5α; JM109; TOP10; BL21(DE3)……
酵母生物反应器
• 单细胞低等真核生物、遗传背景清晰、培养条 件普通、生长繁殖速度迅速、表达量高； • 用于表达基因工程产品时，可以大规模生产， 有效降低了生产成本； • 我国目前肝疫苗主要还是以酵母作为反应器来 生产的； • 酵母表达外源基因具有一定的翻译后加工能力， 收获的外源白质具有一定程度上的折叠加工和 糖基化修饰， 性质较原核表达的蛋白质更加 稳定。
植物生物反应器
• 以植物悬浮细胞培养或整株植物为加工场 所大量生产具有重要功能或药用价值的蛋 白、人或动物的疫苗 抗体、重要的氨基酸 等；
• 相关植物生物反应器产品可通过种子、果 实或块茎表达，便于贮藏 运输和利用。
利用植物生物反应器制备抗体
• 抗肿瘤抗体； • 肿瘤疫苗； • 其它抗肿瘤药物。 缺点： • 重组蛋白表达量低； • 重组蛋白的免疫原性不够强；