4. 生物反应器的操作模型
《生物反应器》PPT课件
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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
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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)。
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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。
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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
动物细胞培养生物反应器
•
传统发酵罐
•
酶反应器等
•
固定化酶和细胞反应器
•
动植物细胞培养反应器
.
3
生物反应器类型
机械搅拌式反应器 气升式生物反应器 鼓泡塔生物反应器 膜生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
.
4
一 机械搅拌式生物反应器
医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉 素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为 止，对新的生物过程，首选的生物反应器仍然是机 械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多 数生物过程，是形成标准化的通用产品。
• 显然，反应器的增大有利于降低生产成本。
.
31
2 动植物细胞培养反应器得到较大发展
• 由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物 制品，如干扰素，单克隆抗体等，细胞培养反应 器的开发越来越受到重视。其中关于供氧问题， 快速升温、SIP自动灭菌、CIP自动清洗、机械 密封、排气处理、取样处理等问题等都需很好解 决。
混合不够均匀。
.
28
三 其他类型反应器
• 鼓泡塔生物反应器 • 膜生物反应器 • 固定床和流化床反应器 • 动物植物生物反应器 • 其他
.
29
四 生物反应器的发展趋势
• 生物反应器的研究、开发和设计是生物技 术的一个重要内容，一种好的生物反应器 出现往往能够大规模降低生产成本，成为 生物制品成功商业化的关键。因此，生物 反应器的开发一直很活跃，尤其是最近的 细胞生物反应器开发更是如此。生物反应 器的发展趋势可归纳为以下几个方面：
.
7
• 反应器的结构
.
8
几何尺寸
H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 (s/d)2=1.5~2.5 (s/d)3=1~2
生物反应器模型在生物工程中的应用
生物反应器模型在生物工程中的应用生物工程是研究生命系统的应用科学，其目的是利用生命系统进行工业生产、环境保护和医药健康等方面的应用。
而生物反应器则是生物工程中最为重要的装置之一，它是用来利用微生物、酶、细胞或其他生物体进行生物合成、转化、分离、净化等生物反应的核心装置。
而生物反应器模型，作为一种重要的数学模型和计算方法，可以为生物反应器的设计、监控、控制和优化等方面提供重要的理论支持和计算工具。
一、生物反应器模型的基本概念及分类生物反应器模型是指将生物反应器的运动规律和特征，通过数学模型和计算方法进行表达和计算的一种方法。
生物反应器模型通常包括质量平衡、能量平衡、反应动力学、传质和传热等相关方程，以及模型的参数、边界条件和初始条件等。
根据模型的精度要求和应用目的，生物反应器模型可以分为动态模型和静态模型，还可以进一步分为解析模型、数值模拟模型、黑箱模型等。
不同的生产计算环境和需求，确定不同的模型类型，选择合适的方法。
二、生物反应器模型在生物反应器设计中的运用生物反应器的设计目的是根据需要实现反应物质的转化、生产产物或处理废弃物等，使得生产过程可控和规范。
生物反应器设计过程中，不仅要求高的生产效率，而且需要满足物理、化学和微生物学等多领域的要求，因此，生物反应器模型的运用显得尤为必要。
1、提高生产效率通过生物反应器模型的计算和仿真，并进行模型优化，可以确定最佳的反应物投入量、反应器温度、搅拌速度、气体流量、反应器形状和尺寸等参数，以保证最大化产物的生成。
比如，对于生物发酵反应器，模型可以预测酵母细胞数量、培养液pH值、需氧量（OD）等参数，以确定酵母菌的生长速率和产酒精和气体等的产生率。
2、优化反应器结构在生物反应器设计中，需要考虑反应器的结构，例如反应器的形状、大小、轴向和径向的搅拌等。
生物反应器模型可以通过仿真和模拟，确定最佳的结构设计，从而提高生产效率，降低生产成本，避免不必要的能量和物料损失。
《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。
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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
生物反应器中微生物生长动力学及其模型研究
生物反应器中微生物生长动力学及其模型研究生物反应器是一种能够用来产生有益产品的重要装置，它的工作原理是利用微生物代谢产物反应，将生物废料转化为有用物质。
微生物生长动力学和模型研究是研究生物反应器的基础，本文将对此进行探讨。
一、微生物生长动力学微生物生长是指微生物在适宜环境下，吸收营养物质，进行代谢和增殖的过程。
微生物在生长过程中会经历增长期、减速期和平衡期等阶段，这样的生长方式称之为生长曲线。
生长曲线是微生物生长动力学的基础，常见的生长曲线有对数生长曲线、S型生长曲线和H型生长曲线。
对数生长曲线是描述细胞密度随着时间增长呈指数增加的曲线，通常在对数纸上呈直线。
S型生长曲线是成熟的微生物在新的环境中生长的曲线，它包含了细胞的适应期、产生新生代的阶段和平稳阶段。
H型生长曲线则是反映细胞增殖和凋亡同时发生的曲线，即当细胞密度达到一定的值时会出现细胞死亡现象。
微生物生长动力学还包括生长速率、半饱和常数和抑制因数等方面的研究。
生长速率是指单位时间内生物体增长的速度，在生物反应器设计和操作中起着重要的作用。
半饱和常数是指生物体对某种物质的最低浓度，此浓度以下时生长速率呈指数增加。
抑制因数则是指在生长过程中某些物质会抑制或促进细胞生长，这些因素对细胞生长动力学的研究也是至关重要的。
二、微生物生长模型微生物生长模型是基于微生物生长动力学研究的一种模型，它可以用来模拟微生物在不同条件下的生长状况。
常见的微生物生长模型有Monod模型、Andrews模型和Moser模型。
Monod模型是最为基础的微生物生长模型，它假设微生物在生长过程中只对某一种限制性营养物质敏感，从而引起生长率和限制物质浓度之间的关系呈现出单底物模型。
Andrews模型则是对Monod模型的改进，它核心思想是基于生长速率和产物形成速率之间的关系，从而将对限制物质的敏感度扩展到更多营养物质上。
Moser模型则是基于生化反应动力学的生物过程模型，它涉及了更为复杂的反应网络，通过对不同营养物质的生化反应过程进行建模，提高了对微生物生长动力学的理解。
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生化反应工程
生化反应工程1.生物技术产品的生产过程主要由哪四个部分组成？答：1）原材料的预处理（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。
2.什么是生化反应工程,生化反应工程的研究的主要内容是什么?定义：以生化反应动力学为基础，运用传递过程原理及工程学原理与方法，进行生化反应过程的工程技术分析、开发以及生化反应器的设计、放大、操作控制等综合边缘学科。
主要内容：建立生物反应过程动力学和生物反应器的设计，优化和放大。
3. 生化反应工程研究方法.经验模型法、半经验模型法、数学模型法；多尺度关联分析模型法（因次分析法）和计算流体力学研究法。
.在建立生物反应过程数学模型时，常按下述几个步骤进行： （1）反应过程的适当简化；（2）定量化研究； （3）过程分离原理；4）数学模型的建立。
理想的模型建立通常要考虑的因素1.要明确建立模型的目的2.明确地给出建立模型的假定条件3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定4.模型应尽可能简单。
第1章 酶催化反应动力学1.有高效的催化活性2.有高度的专一性3.酶反应常需要辅因子的参与4.具有温和的反应条件5.酶的催化活性可被调控6.酶易变性与失活酶反应专一性机制：锁钥学说，诱导契合学说，过渡态学说。
什么叫抑制剂？任何能直接作用于酶并降低酶催化反应速率的物质称为酶的抑制剂1.M-M 方程的建立： E + S 11k k - [E 2k −−→E + P （1）快速平衡假设：2[],p ES r k C =11[],E S ES k C C kC -=[],EO E ES C C C =+得2m axE O S SP S SS S k C C rC r K C K C ==++（2）拟稳态假设：11[]2[]0E S ES ES k C C kC k C ---=得2m axEO S SP m Sm S k C C rC r K C K C ==++2. M-M 方程参数的确定：m ax20E rk C =，mK（1）微分法：* L-B 法 ：m axm ax111m SSK r rC r =+* E-H 法：m axss mSr r rK C =- H-W 法：m axm axSm S sC K C r rr=+E-C-B 法：m ax1m sSrK r C =+（2）积分作图法：m ax0m()lnSO S S S C r t C C KC =-+一级反应时，m axmlnSOSC rt K C = 零级反应时，max 0()S S r t C C =-3.有抑制的酶催化反应动力学----由方程推机理，抑制方式（1）竞争性抑制：E + S 11k k - [ES 2k −−→E + PE + I 33k k -−−−→←−−−[EI] 得m ax *SSI Smr C r KC =+，I *m IC 1+)K K mK=（（2）非竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，E + I 33k k -−−−→←−−−[EI]， [ES] + I 4-4k k −−−→←−−−[SEI] , [EI] + S 5-5k k −−→←−− [SEI] 得 *max s m I SSr C r K C =+，I *m ax m ax I C /1+)K r r =（ （3）反竞争性抑制：E + S 11k k - [E2k −−→E + P ，[ES] + I 33k k -−−−→←−−−[SEI] 得m axI m IC 1+)K SSI S rC r K C =+（（4）底物抑制：E + S 11k k - [ES2k −−→E + P ，[ES] + S 33k k - [SES]得m axm 1+)SSS s S SIrC r C K C K =+（，,m axS C =4.双底物酶催化反应（了解）：S 1 + S 2 P 1 +P 2(1)随机机制：E + S 1 11k k - [ES 1]， E + S 2 2-2k k −−−→←−−−[ES 2]， [ES 1] +S 2 12k [ES 1S 2], [ES 2] +S 1 21k [ES 1S 2],[ES 1S 2]K−−→E +P 1+P 2 (2)乒乓机制: E + S 1 11k k - [ES 1]−−→ P 1 +E’,E’ + S 2 2-2k k −−−→←−−−[E’2] −−→ E +P 2(3)顺序机制：E + S 1 11k k - [ES 1]，[ES 1] +S 2 2k −−−→←−−−[ES 1S 2]，[ES 1S 2]3k −−→ E +P 1+P 2 5.酶的失活动力学：E adrk k −−→←−−E i()[]d r E O k k E a r d d rC tC k k ek k -+=++， 若为不可逆失活，Kr=0，0dK Ea E tC C e-=,K d =1/t d =ln2/t 1/2，K d 为衰变常数，t 1/2为半衰期第2章 细胞反应过程计量学1. 呼吸商：在一定时间内放出的二氧化碳量和消耗的氧气量的比 。
生物反应器传质和反应的动力学模型
生物反应器传质和反应的动力学模型生物反应器是一种用于进行生物学反应的设备，其应用范围广泛，如生物发酵、废水处理、生物降解、生物制药等。
传质和反应是其中重要的过程。
为了更好地控制和优化反应器的设计和操作，需要建立传质和反应的动力学模型。
一、传质动力学传质是指物质分子、离子或粒子在液体或气体中的扩散，对于生物反应器中物质的输送和分布具有重要作用。
传质的速率可以用Fick定律进行描述，即流量Q等于扩散系数D、质量浓度梯度ΔC、传质面积A的乘积。
即Q=DΔC A。
传质速率的快慢取决于扩散系数D，而D又受到多种因素的影响，包括流体性质、温度、压力、空气中的气体浓度、颗粒尺寸、折射率等。
生物反应器中还存在由麻醉剂、剧毒性物质、大分子物质等导致传质受到抑制的现象，需要进行相应的研究。
二、反应动力学反应动力学是指反应速率随反应物浓度变化的规律。
其中最常见的是麦克斯韦-泰勒方程和伯诺利方程。
麦克斯韦-泰勒方程描述的是一阶反应动力学模型，即反应速率与反应物浓度之间呈线性关系。
在生物反应器中，通过常数k1来描述反应速率和反应物的关系，即速率常数k1就是反应速率和反应物的浓度之比。
一阶反应动力学模型也通常称为亚偶联反应。
伯诺利方程描述的是二阶反应动力学模型，即反应速率与两种反应物浓度之积的关系。
在生物反应器中，使用反应常数k2来表示反应速率和两个反应物浓度之积的关系。
二阶反应动力学模型在生物反应器中应用较少，但有时会作为一种备选的模型。
三、生物反应器中的传质和反应动力学模型传质和反应是生物反应器中的重要过程，它们的模型参数决定了生物反应器的结构和运行效率。
因此，相应的研究和模型建立成为生物工程领域的热点。
在生物反应器中，还存在很多复杂的问题，如生物质转化、生物膜反应等，因此，需要建立多种反应模型，包括传质-反应模型、生物膜反应模型等。
在这些模型中，生物反应器的传质和反应是生物反应器的核心，对其性能和可靠性有重要影响。
因此，需要进行细致的研究，打造精益高效的传质和反应动力学模型，这对于生物反应器的开发和生产的成功至关重要。
微型生物反应器中微生物动力学模型研究
微型生物反应器中微生物动力学模型研究微生物动力学模型是微生物学研究领域中的重要内容，通过对微生物的生长、代谢等动态过程进行建模分析，可以探究微生物在不同环境下的生物学行为、优化生产条件等。
而微型生物反应器作为微生物动力学模型研究的重要实验工具，在微生物学研究、工业生产等领域中得到了广泛应用。
本文将探讨微生物动力学模型对微型生物反应器中微生物行为的研究以及其应用。
一、微生物动力学模型微生物动力学模型是对微生物生长、代谢等动态过程进行建模描述的数学工具。
主要包括传统的经验模型和机理模型两类。
经验模型是通过对试验数据的统计分析，得到各个参数之间的经验关系，来描述微生物动态过程的模型。
而机理模型则是基于微生物生长、代谢等基本原理出发，从微观分子层面上研究微生物的生物学过程，通过数学建模来描述其动态过程。
在微生物动力学模型的研究中，最重要的就是对微生物增殖速率的建模。
而微生物在生长过程中最重要的物质是营养物，因此微生物增殖速率与营养物浓度之间的关系是微生物动力学模型中最基本的关键。
通常情况下，微生物动力学模型中常用的营养物浓度模型是Monod模型。
Monod模型是一种基于微生物菌种对营养物的吸收能力和饱和度的模型，其表示形式为：μ=μmaxS/(Ks+S)其中，μ为微生物增殖速率，S为营养物浓度，μmax为定量化的最大增殖速率，Ks为呈对数比例的参数。
二、微型生物反应器微型生物反应器是指体积小于一升，有相应传质、传热装置和高度自动化控制系统的微型反应器。
微型生物反应器的优点在于其体积小，生产效率高，同时能够通过高度自动化的系统来控制反应过程，具有操作方便等特点，因此在微生物学研究、生物制药、微型化技术等领域中得到广泛应用。
微型生物反应器中微生物动力学模型的应用，可以对微生物生长、代谢等动力学行为进行研究。
与传统反应器相比，由于微型反应器体积小，反应速度快，操作简单，因此可以更方便地进行参数测试。
而微生物动力学模型的建模分析，也可以通过对反应器中不同条件下微生物生长、代谢等行为的模拟，预测生产过程中的微生物行为，并进行有针对性的优化。
《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。
细胞培养反应器的几种操作模式
细胞培养反应器的几种操作模式
细胞培养反应器的操作模式主要分为以下五种：
分批式操作（Batch Culture）：这是动物细胞规模培养进程中较早期采用的方式，也是其它操作方式的基础。
该方式采用机械搅拌式生物反应器，将细胞扩大培养后，一次性转入生物反应器内进行培养。
在培养过程中，其体积不变，不添加其它成分。
待细胞增长和产物形成积累到适当的时间，一次性收获细胞、产物、培养基。
流加式操作（Fed-Batch）：这种方式在分批式操作的基础上，定时向生物反应器中添加新鲜培养基，同时取出部分旧的培养基，以保持反应器内培养基的总体积不变。
这样可以提供细胞生长所需的营养物质，同时避免代谢产物的积累对细胞生长产生抑制作用。
半连续式操作（Semi-Continuous）：在半连续式操作中，细胞在生物反应器中连续培养，同时定期取出部分细胞和培养基，然后添加新鲜的培养基。
这种方式可以保持细胞密度和代谢产物的稳定，同时避免细胞过度生长和代谢产物的积累。
连续式操作（Continuous）：在连续式操作中，细胞在生物反应器中连续培养，同时以相同的速率添加新鲜培养基和取出含有细胞的培养基。
这种方式可以维持细胞密度和代谢产物的恒定，但需要精确控制培养基的流速和细胞生长速率。
灌流式操作（Perfusion Culture）：灌流式操作是将细胞和培养基一起加入反应器后，在细胞增长和产物形成过程中，不断地将部分条件培养基取出，同时又连续不断地灌注新的培养基。
这种方式可以保持细
胞在最佳的生长条件下，同时避免代谢产物的积累。
分子生物 工程
qO2 max ——最大氧的比消耗速率mol/(g ·s) ； KO ——氧饱和常数mol/ m3 ；cOL—
—溶氧浓度mol/ m3
q O2
与cOL的关系见图5-13、P229
cOL,C的概念 当cOL＞ cOL,C时，细胞反应不受氧的限制； 当cOL＜ cOL,C时，细胞反应不将受到氧的限制。
呼吸商RQ=0.6。求各系数a,b,c,d,e
细胞生长反应动力学
细胞反应过程的得率系数
对底物的细胞得率系数：
YX / S 生成细胞的质量 mX 消耗底物的质量 mS
对氧的细胞得率系数：
YX / O2 生成细胞的质量 mX 消耗氧的质量 mO2
书上例2-2
细胞生长反应动力学
生物反应器的操作模型
生物反应器的操作模型
生物反应器的操作模型
生物反应器中的氧传递过程
气液界面附近氧传递的双膜理论模型
生物反应器的传递与混合特性
重点
OTR k La(C C)
*
OTR——单位体积反应液中氧的传质速率mol/m3s； kLa——体积传质系数s-1；
k L KD
0 .5 L
生物反应器的传递与混合特性
P VL
0.25
搅拌罐
0 0 k L 0.5DL.5 d B.5 3 8 g 5 8
鼓泡塔
生物反应器的传递与混合特性
a的大小取决于所设计的空气分布器、空气流 动速率、反应器的体积、空气泡的直径等。 如果由空气分布器出口流出的空气流动速率为 Fa，气泡在发酵罐中的停留时间为t ，气泡平均直 径为dB，那么a可由下式给出：
酶催化反应动力学
抑制剂 非活性复合物
生物反应器的设计
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
31
32
33
2. 挡板 ● 主要功能：
使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。 ● 尺寸： 挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。 ● 位置： 在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。
34
35
3. 换热装置 ● 主要功能：
将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生 的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。
43
结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，
一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断 形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 类型：
最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。
44
(三) 鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板。
原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升 时的动力带动液体运动，达到混合效果。
8. 按催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器
9. 按培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
3
4
间歇操作
特征： 反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。
适合于：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。
细胞生物反应器操作规程
细胞生物反应器操作规程1. 引言细胞生物反应器是一种用于细胞培养和生物反应的设备，广泛应用于生物技术、药物研发和生物制造等领域。
为了确保细胞生物反应器的安全运行和实验的顺利进行，制定本操作规程，指导操作人员正确操作细胞生物反应器。
2. 设备准备2.1 细胞生物反应器的准备•检查细胞生物反应器的外观，确保无损坏和杂质•清洗细胞生物反应器，使用无菌纯水和无菌洗涤剂进行彻底清洗•消毒细胞生物反应器，使用适当浓度的消毒液，按照消毒液说明书进行消毒2.2 培养基和试剂的准备•准备所需的培养基和试剂，确保其质量合格和纯度符合要求•按照配方和操作规程正确配置培养基和试剂2.3 实验室环境的准备•检查实验室环境，确保无尘、无菌和温度、湿度适宜•细胞生物反应器与其他实验仪器保持适当的距离，避免相互影响3. 细胞生物反应器操作3.1 细胞接种•准备合适的细胞培养物，确保其活性和纯度•将细胞培养物转移到培养基中，按照所需的细胞密度进行接种3.2 培养条件的设置•根据实验要求，设置适宜的温度、气体和培养基流速等培养条件•确保细胞生物反应器的搅拌速度和通气速度符合要求3.3 监测细胞生长和反应过程•定期监测细胞生长情况，记录生长曲线和细胞密度•注意观察细胞状态、代谢产物和废料的积累情况3.4 维持培养条件•定期检查和调整培养基和试剂的浓度和配比•确保培养基的pH值、温度和氧气浓度稳定在适宜范围内3.5 细胞收获和处理•在适当的时间点，根据实验要求采集细胞样品•使用无菌工具和操作方式，将细胞样品抽取或离心收集4. 维护和清洁4.1 细胞生物反应器的维护•定期检查细胞生物反应器的运行状况，确保无故障和损坏•按照使用说明书和操作要求更换消耗品和零配件4.2 细胞生物反应器的清洁•实验结束后，立即清洗细胞生物反应器，避免污垢和细胞残留物的附着•使用适当的清洗剂和工具进行清洁，保持反应器的干净和无菌状态5. 安全注意事项•操作前请佩戴个人防护装备，如实验手套、口罩和防护眼镜等•操作过程中注意细胞生物反应器和培养基的无菌操作，避免污染•注意消毒液和试剂的正确使用和储存，避免危险和污染•遵守实验室操作规程，注意使用细胞生物反应器时的安全操作6. 总结本操作规程对细胞生物反应器的操作流程和注意事项进行了详细介绍，目的在于规范操作流程，确保实验的顺利进行和实验结果的可靠性。
生物反应器的模型建立与仿真
生物反应器的模型建立与仿真随着生物技术的不断发展，生物反应器已经成为生产和研究生物制品的重要工具。
生物反应器的设计和运行对于生产效率和产品质量的影响巨大。
因此，建立生物反应器的数学模型，进行反应器的建模和仿真是非常重要的。
生物反应器模型的构建，需要考虑到反应器内生物体系及其代谢，其生长和代谢调控过程以及进出口质量传递等多因素。
目前，主流的反应器模型主要分为动态模型和静态模型两种。
一、动态模型动态模型对生物反应器内的各个物质含量和反应速率进行了更加精细的分析和计算。
反应器内物质平衡方程、能量平衡方程和代谢过程模型是动态模型的三大核心。
其中，代谢过程模型是构建动态模型的关键。
代谢过程模型可以用不同的数学表达式来描述生物反应过程，其中最常用的模型包括酶动力学模型、物种平衡模型和细胞生长模型。
酶动力学模型是描述酶促反应的常用模型，可用于描述反应器内的代谢过程。
同时，酶动力学模型可以在不同的操作条件下研究反应器内代谢的转化速率和平衡状态，进而优化反应器运行参数。
例如，在生产环节中，可以通过酶动力学模型来确定最适宜的温度、pH值和浓度等工艺条件。
物种平衡模型是基于反应器内物质的平衡情况来展开的模型。
在生物反应器中，不同物种之间的相互作用会影响反应速率以及代谢过程。
物种平衡模型可以帮助我们了解不同物种之间的作用关系，为生产和研究生物制品提供理论基础。
细胞生长模型是描述微生物生长的重要模型。
反应器内细胞的生长是反应器内代谢过程中关键的环节。
细胞生长模型可以描述反应器内细胞的生长和分裂过程，以及不同物质对细胞生长的影响。
例如，在生产乳酸菌等微生物制品时，细胞生长模型可以帮助优化反应器的操作参数，以达到生产效率和产量的最大化。
二、静态模型静态模型是对反应器进行等效处理并建立对应的数学模型，通常简化了反应器内部不同物质参与的动态过程。
静态模型的主要优点是计算简单、易于实现，而且不受操作参数的影响。
静态模型应用于生物反应器的建模和优化，能够帮助我们快速而有效地评估反应器的性能。
小型生物反应器的设计及其应用
小型生物反应器的设计及其应用随着科技的不断发展和人类对生物学的深入研究，越来越多的生物学研究需要用到小型的生物反应器。
而小型生物反应器的设计及其应用也成为了当前生物科技研究的热点。
本文将从小型生物反应器的定义、设计要素与应用等方面进行探讨。
一、小型生物反应器的定义小型生物反应器是指反应器体积较小的一类反应器，一般在50毫升以下。
和传统的生物反应器相比，小型生物反应器具有反应器体积小、操作简便、测试周期短等优点。
同时，小型生物反应器还可以实现自动化控制和在线监测数据等特点。
二、小型生物反应器的设计要素1. 反应器模型：小型生物反应器适合采用圆柱形等简单模型，结构简单，操作方便。
2. 反应器材质：小型生物反应器通常使用聚碳酸酯等材料，具有良好的温度稳定性和化学稳定性。
3. 搅拌方式：小型生物反应器可以采用机械搅拌、气体搅拌等多种方式，但要注意搅拌时对生物体的影响。
4. 控温与保温：小型生物反应器温度控制比较重要，需要有良好的控温与保温设备。
5. 反应器通气：小型生物反应器的氧气供应通常使用气体培养，在保证氧气浓度的情况下，注意控制反应器内压力，避免压力过高导致反应器泄漏。
三、小型生物反应器的应用小型生物反应器的应用领域非常广泛，以下是其主要应用领域：1. 医药研发小型生物反应器可用于生物医药领域，如非对称合成、催化剂设计等等。
通过小型生物反应器的设计，可以大大提高药物合成效率和质量。
2. 生物工程通过小型生物反应器的设计，可以进行基因工程、酶工程等研究。
例如在酵母生产中使用小型生物反应器，可以提高酵母的产量和效率。
3. 食品研发小型生物反应器可以用于食品的开发和改良。
例如用小型生物反应器培养酵母，可以制作出口感更佳的酒类产品。
4. 环境保护小型生物反应器可以用于环境监测和环境污染处理等方面。
例如在污水处理中，可以使用小型生物反应器来加速微生物的生长和分解有机物的速度。
四、结论小型生物反应器的设计和应用领域十分广泛，随着社会的发展和需求的提高，小型生物反应器的应用价值也在不断的提高。
生物反应器总结
生物反应器 （Bioreactor ）
第一节
概述
传统生物工业中使用的生物反应器称为“发酵罐” （fermenter）。20世纪70年代， Atkinson提出了生化反应器（biochemical reactor）一词，其含义除包括原有发酵罐外， 还包括酶反应器、处理废水用反应器等。与此同 时，Ollis提出了另一术语－生物反应器 （biological reactor）。进入80年代，生物 反应器（bioreactor）一词在专业期刊与书籍 中大量出现。
2.间接测定法
从图中可以看出，DNA含量的变化最小。
培养基中存在较多不溶性物质时，可以 通过测定构成细胞的大分子物质（如蛋 白质、RNA、DNA等)来确定细胞浓度。 采用这种方法来估计细胞浓度时，须确 定在培养过程中，这种组分在细胞中的 含量基本保持不变。
第三节 生物反应器的基本类型及其设计
New Brunswick Scientific Co., Inc. (American, NBS Co.)
Biostat B2
Biostat ED10
Pilot Biostat UD50
各类生物反应器
机械搅拌式反应器
气升式反应器
鼓泡反应器 膜生物反应器 固定床和流化床反应器
生物反应器
细胞 生物反 培养液（养分） 应器
蛋白质、疫苗…
组织…
转基因动物是指 通过实验方法，人工 地把外源基因导入动 物的受精卵（或早期 胚胎细胞），使外源 基因与动物本身的基 因组整合在一起，因 而外源基因能随细胞 的分裂而增殖，并能 稳定地遗传给下一代 的一类动物。
1982年，R.D.Palmiter 等科学家将金属硫蛋白 基因的启动子和大白鼠 生长激素基因拼接成融 合基因，把这种基因导 入小白鼠的受精卵，再 将这一受精卵移植到一 借腹怀孕的母鼠体内， 生下来的小鼠比正常小 鼠体格大一倍，称为 “巨鼠”。
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对代谢产物作衡算，
当CS K S , max dC p dt q pCx q pC X 0 exp( max t )
当 q p 为常数时，则有:
max 1 tr ln[1 (C p f CP 0 )] max CX 0 q p
4-3 在一间歇发酵罐内，厌氧条件下利用Zymomonas mobilis进行葡萄糖转化为乙醇的反应，细胞对基质的得 率YX/S＝0.06，产物对细胞得率YP/X=7.7，细胞维持系 数ms＝2.2h-1，与代谢产物生成比速率qp有关的常数mp ＝1.1h-1，Z.mobilis的最大比生长速率μmax=0.3h-1。在 50L培养基中接种5g菌种，培养基中葡萄糖浓度为12g/L。 试确定下述情况下所需间歇培养的时间：
Continuous
Packed bed
Cycle immobilized bed
Piping Fluid flow immobilized bed bed
Stir vessel—superfilter integration set
Multi-cascade semioperation
4.1.2 基础方程 生物反应器设计目标：寻求目的产物的高 生成速率和高浓度，从而达到优质高产低 成本的目的。 选择合适的反应器型式与操作方式 确定最佳的操作条件与控制方式 计算所需的反应器体积，设计各种结 构参数等 核心内容：确定反应器有效体积
cs K m cs
Cs0 X s dX s Km t r Cs 0 (1 )dX s 0 0 rmax Cs rmax Cs K m Cs 1 rmax tr Cs X s K m ln 1 X s Cs0 或 rmax tr (Cs0 Cs ) Km ln Cs
第4章 生物反应器的操作模型
基本要求：
掌握BSTR、CSTR、CPFR生化反应器的基本设计方程、及其 操作特点以及操作模型得到的主要结果 操作模型得到的主要结果 （1）BSTR:tr、VR的有关计算 （2）单级CSTR：D,Dopt,DC和CX,Cs,DCx以及 的计算 m 的关系 和 CX,Cs 的计算 （3）带循环的CSTR：D, DC与R， （4）CPFR：带循环CPFR模型的特点及 Ropt 和 P的确定 （5) CSTR 与CPFR的比较与组合 （6）FBC：恒速流加与指数流加的主要特征 （7）反应-分离耦合操作的主要特征 （8）研究CSTR动态特性的意义
L tr 1 L dCS CS 0 L CS 0 rS 1 L
CS
XS
0
dX S rS
tr CS0
VL VP
XS
0
dX S rs
反应速率以单位催化剂的质量来定义：rSW
VL tr CS0 W
XS
0
dX S rsw
cS0<<Km：η为常数
（2）能量衡算式
单位时间 单位时间 单位时间 单位时 内输入的 ＝ 内输出的 + 间内的 ＋ 内的热量 热量 热量 反应热 累积
输入＝输出+消耗+累积
4.1.3 操作参数
1.停留时间
分批操作:t=tr VR 连续操作 : F
3.选择性 指能够转化为目的产物 的底物的变化量与底物 变化的总量之比
rmax tr
1 L
L
1 Kmln Kmln CS 1 X S
CS0
如果固定化酶颗粒很小，反应为动力学控制，η ＝1，则可表示为
1 L 1 rmax tr CS0 X S Kmln L 1 X S
例4-1 某酶催化反应，该反应符从M-M方程。已知 其rmax=9mmol/(L· h)，Km=8.9mmol/L， Cs0=12mmol/L，酶失活半衰期为4.4h，试求若反应 在一间歇操作反应器中进行，当底物转化率为0.90 时，所需要的反应时间是多少？
（2）间歇式操作反应器的应用特点： 适合多品种、小批量的生产过程 适合反应速率较慢的生物反应 分批进行的过程染菌率较低 需要一定的辅助操作时间，生产效率 低；细胞或酶的反应环境随时间改变， 产物生成速率与反应时间有关；下游产 物分离必须分批进行
（3）间歇式操作反应器的设计
理想间歇反应器（BSTR）：反应器内物 料的浓度达到分子尺度进行反应所需 要的时间和辅助时间（进料、灭菌、卸料、 清洗等） 间歇操作反应器设计的重点：确定反应时 间（过程反应速率）和辅助时间（生产经 验）；有效体积由总操作时间与单位时间 内反应物的处理量共同确定。
酶失活的反应：
rmax k2CE k2CE0 exp(kd tr )
dc S rs dt
1 kd 1 tr ln{ 1 [Cs0 X s Km ln ]} kd k2CE0 1 X s
（2）固定化酶催化反应
dCs (1 L )VR rs LVR dt
c X c X 0
1
K s cS 0
YX / S
c X c X 0
YX / S cS 0 c X c X 0 max YX / S K s YX / S cS 0 c X c X 0
YX / S K s YX / S cS 0 cX cX 0 1 max tr dcX cX 0 YX / S cS 0 cX cX 0 cX
如果无代谢产物，则： Cs0 Cs f 1 tr ln[1 ] ms 1 max ( m )Cx0 YX / S max 如果维持能也可忽略，则有：
Y tr ln[1 (Cs0 Cs f )] max Cx0 1
m X /S
4.2.2.3 以产物的生成确定反应时间
2、反应时间的计算
物料衡算：反应组分的转化速率＝－反应组分
的累积速率
dnS VR rS dt
1 dns 1 d VR cS rs VR dt VR dt
dc S rs dt
2、反应时间的计算 dc S rs dt
t＝0，cS＝cS0
dcs tr cs 0 r s
KS 其中, K 1 CS0 CX0 YX / S
4.2.3.2以底物的消耗程度确定反应时间
如果对反应基质做衡算，则有：
qp dCs ( m m ms )C X dt YX / S YP / S
当 max，且 VR 维持恒定时则有：
dCs max q p ( m m ms )C X dt YX / S YP / S
cs
t r cs 0
Xs
0
dX s rs
cs 0 cs Xs cs 0
对于单底物酶促反应BSTR的反应器
t r cs 0
Xs
0
dX s rs
BSTR图解法求反应时间t，对细胞生成过程
1 rs
CS
CS0
（1）均相酶反应过程
t r cs 0
Xs
Xs
0
dX s rs
rs rmax
cX
分部积分可得反应时间的计算式
cS cX max tr A ln B ln cX 0 cS 0
YX / S K s YX / S cS 0 c X 0 A YX / S cS 0 c X 0 YX / S K s B YX / S cS 0 c X 0
K s CX1 K s CS1 即max tr (1 )ln ln K C X 0 K CS 0
很难确定，而 CX2值很易确定，因此采用一种近似的计算方法，
即从指数开始到减速期末，总的反应时间用一个统一公式来计 算：
4.2.3.1 以达到一定细胞浓度确定tr
dc X rX c X dt
cS cS 0
max
cS 0 1 YX / S
1 YX / S
cX cX 0
反应器设计基本方程
• 物料衡算式 基质 产物 细胞 • 能量衡算式
要考虑的主要项目：反应动力学方程，物料 衡算式，能量衡算式和各种传递过程参数的 计算式
（1）物料衡算式 组分进入 组分流出 体积单元内 体积单元 该体积单 ＝ 该体积单 ± 组分的转化 ＋ 内组分的 元的量 元的量 或生成量 累积量 细胞进入 细胞流出 体积单元内 体积单元 该体积单 ＝ 该体积单 － 细胞的生长 ＋ 内细胞的 元的量 元的量 量 累积量
若 C C exp( t ) X X0 max
(4-51)
并且式（4-51）中括号内各项在细胞培养时都为常 数，该式可积分为： Cs0 CS f 1 tr ln[1 ] qp ms 1 max ( m )CX 0 m YX / S maxYP / S max
所求 t r 为最终基质浓度为 Cs f 时所需的间歇培养 时间.
CP CS 0 X S Pr t t
YP , Pr , CP是三个重要参数, 通常用作优化的目标函数
4.2 分批操作的搅拌槽式反应器(BSTR)
1、BSTR（间歇操作）的特点 （1）反应过程主要特点： 封闭系统进行的过程 非稳态过程 反应器内物料具有相同的停留时间 和反应时间 反应器的效率随反应的进行而降低
0
1 rmax tr Cs0 X s K m ln 1 X s
或
rmaxtr (Cs0 Cs ) Km ln
Cs0 Cs
Cs0 Km
Cs0 Km
Cs0 1 rmax tr Km ln Km ln 1 X s Cs
rmaxtr Cs0 X s Cs0 Cs
解：由题意可知，此为存在酶失活情况下的间歇反应酶转化时 间的问题，可利用