生物反应器时空多尺度复杂系统的理论框架构建共51页文档
合集下载
生物反应器时空多尺度复杂系统的理论框架构建课件
29
发酵工程控制中二个基本问题— ─── 优化与放大
• 数学模型 • 静态和动态优化 • 系统识别 • 自适应控制 • 专家系统、模糊控制、神经元网络 • 各种混沌现象的研究
• 实际工厂生产 ─── 效果不明显
30
背景
过程放大
因次分析法 经验法则法 数学模拟法 时间常数法
几何相似 流体运动学相似
28
▓复杂系统的特征 （1）系统由大量的作用者（或“单元”）组成，少量的单元形成 不了系统，同时，每一个作用者具有相对的独立作用能力。
（2）系统是开放的，受外界影响，从而使系统有连续不断的运 动能力。在多个时空尺度上，生物反应器中物质的及其与外部 系统有着全方位的交流。但在不同时空尺度上物质的交流方式， 存在极大的差别。
• 定量化研究：速率比较和转化率计算 • 过程分离：如何在宏观动力学数据中得到有关本
征动力学特征数据 • 数学模型建立：分批发酵的时变系统可以采用动
态优化方法进行数学处理
25
系统优化
• 奥地利生物学家贝塔朗菲于1937年提出认为"一 个相互作用的诸要素的综合体"，这里强调了相互作 用。
• "系统是由相互作用和相互依颇的若干组成部分 结合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个 整体又是它从属的更大系统的组成部分。"
ρ为流体密度，U为特征速度，L为特征长度， μ为流体的黏度系数 μ= ρcL/3 , c为分子的平均随机速度，L为分子平均自由程
• 经过大、中、小、微等许多尺度上的漩涡，最后转化分子尺度上 的热运动，统计描述仍可能奏效。问题在于以紊乱无规的湍流背 景，流动中还会出现大尺度的、很规则的结构和纹样------贝纳 德对流
• 化学计量学：主要研究有关发酵过程中反应组分组成 变化的规律。
发酵工程控制中二个基本问题— ─── 优化与放大
• 数学模型 • 静态和动态优化 • 系统识别 • 自适应控制 • 专家系统、模糊控制、神经元网络 • 各种混沌现象的研究
• 实际工厂生产 ─── 效果不明显
30
背景
过程放大
因次分析法 经验法则法 数学模拟法 时间常数法
几何相似 流体运动学相似
28
▓复杂系统的特征 （1）系统由大量的作用者（或“单元”）组成，少量的单元形成 不了系统，同时，每一个作用者具有相对的独立作用能力。
（2）系统是开放的，受外界影响，从而使系统有连续不断的运 动能力。在多个时空尺度上，生物反应器中物质的及其与外部 系统有着全方位的交流。但在不同时空尺度上物质的交流方式， 存在极大的差别。
• 定量化研究：速率比较和转化率计算 • 过程分离：如何在宏观动力学数据中得到有关本
征动力学特征数据 • 数学模型建立：分批发酵的时变系统可以采用动
态优化方法进行数学处理
25
系统优化
• 奥地利生物学家贝塔朗菲于1937年提出认为"一 个相互作用的诸要素的综合体"，这里强调了相互作 用。
• "系统是由相互作用和相互依颇的若干组成部分 结合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个 整体又是它从属的更大系统的组成部分。"
ρ为流体密度，U为特征速度，L为特征长度， μ为流体的黏度系数 μ= ρcL/3 , c为分子的平均随机速度，L为分子平均自由程
• 经过大、中、小、微等许多尺度上的漩涡，最后转化分子尺度上 的热运动，统计描述仍可能奏效。问题在于以紊乱无规的湍流背 景，流动中还会出现大尺度的、很规则的结构和纹样------贝纳 德对流
• 化学计量学：主要研究有关发酵过程中反应组分组成 变化的规律。
生物反应器课件PATIntroduction
生物反应器课件PAT Introduction
• 生物反应器概述 • PAT技术介绍 • 生物反应器中的PAT技术应用 • PAT技术在生物反应器中的未来发展
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
总结词
生物反应器是一种用于模拟生物体内环境的装置，用于支持生物或微生物的生长、繁殖或代谢过程。根据用途和 结构，生物反应器有多种分类方式。
详细描述
生物反应器的基本原理是利用生物或微生物的代谢过程。在适宜的条件下，微生物或细胞通过代谢产 生所需的产物或进行某些特定的化学反应。通过控制温度、pH、溶氧等反应条件，可以优化微生物的 生长和代谢过程，从而实现目标产物的最大化生产或副产物的消除。
生物反应器的应用领域
总结词
生物反应器在制药、食品、农业、环保 等领域有广泛应用，可用于药物生产、 酶制剂制备、细胞培养、废水处理等。
03
生物反应器中的PAT技术应用
PAT在细胞培养过程中的应用
实时监测
PAT技术可以实时监测细胞培养 过程中的细胞生长、代谢产物和 底物浓度等参数，有助于及时发
现异常情况并进行调整。
优化培养条件
通过监测细胞培养过程中的关键 参数，可以分析其对细胞生长和 代谢的影响，从而优化培养条件 ，提高细胞培养效率和产物产量
工艺优化
通过监测生产过程中的关键参数，可以分析其对产品质量 和生产效率的影响，从而优化工艺条件，降低生产成本和未来发展
PAT技术的创新与改进
自动化和智能化
通过集成传感器、机器学习等技术，实现生物反应器的自动化和 智能化控制，提高生产效率和产品质量。
新型生物反应器设计
优化反应条件
通过监测酶活性，可以分析不同反应 条件对酶活性的影响，从而优化反应 条件，提高酶促反应的效率和产物产 量。
• 生物反应器概述 • PAT技术介绍 • 生物反应器中的PAT技术应用 • PAT技术在生物反应器中的未来发展
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
总结词
生物反应器是一种用于模拟生物体内环境的装置，用于支持生物或微生物的生长、繁殖或代谢过程。根据用途和 结构，生物反应器有多种分类方式。
详细描述
生物反应器的基本原理是利用生物或微生物的代谢过程。在适宜的条件下，微生物或细胞通过代谢产 生所需的产物或进行某些特定的化学反应。通过控制温度、pH、溶氧等反应条件，可以优化微生物的 生长和代谢过程，从而实现目标产物的最大化生产或副产物的消除。
生物反应器的应用领域
总结词
生物反应器在制药、食品、农业、环保 等领域有广泛应用，可用于药物生产、 酶制剂制备、细胞培养、废水处理等。
03
生物反应器中的PAT技术应用
PAT在细胞培养过程中的应用
实时监测
PAT技术可以实时监测细胞培养 过程中的细胞生长、代谢产物和 底物浓度等参数，有助于及时发
现异常情况并进行调整。
优化培养条件
通过监测细胞培养过程中的关键 参数，可以分析其对细胞生长和 代谢的影响，从而优化培养条件 ，提高细胞培养效率和产物产量
工艺优化
通过监测生产过程中的关键参数，可以分析其对产品质量 和生产效率的影响，从而优化工艺条件，降低生产成本和未来发展
PAT技术的创新与改进
自动化和智能化
通过集成传感器、机器学习等技术，实现生物反应器的自动化和 智能化控制，提高生产效率和产品质量。
新型生物反应器设计
优化反应条件
通过监测酶活性，可以分析不同反应 条件对酶活性的影响，从而优化反应 条件，提高酶促反应的效率和产物产 量。
第一章 生物反应器
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 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
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。
3、产物生成的动力学模型 产物指细胞培养过程中代谢生成的除细胞量以外的 物质。 据其特点分为： 1）、生长藕联型 产物只在细胞生长时才能生成。 2）、非生长藕联型 产物与细胞同时存在。如抗生 素和毒素。 3）混合生长藕联型 既与生长有关也与菌量有关。
4、均衡生长动力学模型
培养过程中基质的消耗、细菌生长及产物的增加互相影响， 交织在一起。故细胞培养整体的动力学模型是他们的微 分方程的联立的结果，已知初始条件即可用合适的数学 方程组求解与分析。 一般尽量采用简化的数学模型。通过代谢曲线分析与菌体 形态观察，提出一些假设，建立数学模型，采集实验数 据求解模型中个参数值，最后用初始条件、参数值和限 制性条件等计算出过程曲线。判断曲线与实验点的符合 程度或可靠性。 如P7青霉素的发酵动力学模型计算。
第三节 生物反应器的基本类型与设计
一、生物反应器的特点和分类
生物反应与一般的化学反应器相似，对生物反应器也要求 能维持一定的温度、pH、反应物（营养物质，包括溶解氧） 浓度，并具有良好的传质、传热和混合性能，以提供合适 的环境条件，确保生物反应的顺利进行。 与一般的化学反应明显不同的是，细胞生物反应器在运行 中要杜绝外界各种微生物的进入，避免杂菌污染造成的损 失。 最简单的反应器是没有机械搅拌和通气系统的反应罐，适 合液相、厌氧催熟型操作，如酿造。
《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
第四章生物反应器
按几何形状或结构特征：釜（罐）式、管式、塔 式、膜式等类型。
按催化剂类型或培养对象：酶促反应器、微生物 培养发酵罐、植物细胞反应器、动物细胞反应 器等。
生物工程设备课件
按供氧：厌氧/好氧微生物细胞反应器（发酵罐） 按反应器所需的混合与能量输入方式： 过机械搅拌输入能量的搅拌型发酵罐 利用气体喷射动能的气升式发酵罐和 用泵对液体的喷射作用使液体循环的喷射环流式发酵
发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐 蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极， 计算机开始进行发酵过程的控制。 发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。
生物工程设备课件
第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风生物反 应器的容积增大到80-150m33。
压力循环和压力喷射型的生物反应器，它可以克 服一些气体交换和热交换问题。
小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于 清洗和配料
材料为碳钢或不锈钢，可用衬不锈钢或复合不锈钢， 衬里不锈钢厚度2-3mm，耐压0.25MPa，壁厚取决 于罐径和罐压。
受内压壁厚计算：
S
PD
230 [ ]
P
C
P-罐压，D-罐径； φ-焊缝系数，双面对接0.8，无焊缝1
C-腐蚀裕度，S-C<10mm时，C=3mm
生物反应器发展历史
第一阶段: 1900年以前，雏形，它带有简单的温度 和热交换仪器。
第二阶段: 1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐 在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器 机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。
生物工程设备课件
第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风、无 菌操作和纯种培养等技术开始完善。
生物工程设备课件
2、发酵罐体的尺寸比例
按催化剂类型或培养对象：酶促反应器、微生物 培养发酵罐、植物细胞反应器、动物细胞反应 器等。
生物工程设备课件
按供氧：厌氧/好氧微生物细胞反应器（发酵罐） 按反应器所需的混合与能量输入方式： 过机械搅拌输入能量的搅拌型发酵罐 利用气体喷射动能的气升式发酵罐和 用泵对液体的喷射作用使液体循环的喷射环流式发酵
发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐 蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极， 计算机开始进行发酵过程的控制。 发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。
生物工程设备课件
第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风生物反 应器的容积增大到80-150m33。
压力循环和压力喷射型的生物反应器，它可以克 服一些气体交换和热交换问题。
小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于 清洗和配料
材料为碳钢或不锈钢，可用衬不锈钢或复合不锈钢， 衬里不锈钢厚度2-3mm，耐压0.25MPa，壁厚取决 于罐径和罐压。
受内压壁厚计算：
S
PD
230 [ ]
P
C
P-罐压，D-罐径； φ-焊缝系数，双面对接0.8，无焊缝1
C-腐蚀裕度，S-C<10mm时，C=3mm
生物反应器发展历史
第一阶段: 1900年以前，雏形，它带有简单的温度 和热交换仪器。
第二阶段: 1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐 在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器 机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。
生物工程设备课件
第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风、无 菌操作和纯种培养等技术开始完善。
生物工程设备课件
2、发酵罐体的尺寸比例
生物反应器
基因构建
基因构建
《国外医学》预防、诊断、治疗用生物制品分册1999年第22卷第5期
关键词：转基因动物生物反应器药物基因构建表达
摘要近年来，生物学和分子生物学研究领域的成就促进了转基因动物生物反应器的蓬勃发展。用转基因动物 生物反应器生产药用蛋白是生物技术领域里的又一次革命，它以一个全新生产珍贵药用蛋白的模式区别于传统药 物的生产。本文着重介绍转基因动物生物反应器的基因构建以及转基因动物组织特异性表达的最新进展。
生物反应器
医学器械
01 简介
03 输卵管 05 同源组织
目录
02 内容 04 基因构建 06 生产蛋白
07 乳腺生物
09 应用 011 工程
目录
08 优点 010 发展阶段
基本信息
生物反应器，是指利用自然存在的微生物或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相的反应系统。研究 得最多的两种反应器是“升降机型反应器”和“土壤泥浆反应器”。升降机型反应器是通过水相的流动来提供适 当的营养、碳源和氧气，从而达到降解土壤中污染物质的目的。与固相系统相比，生物反应器能够在更短的时间 内将污染物进行有效降解。该生物反应器技术已经应用于有机污染土壤的生物修复中。
生产蛋白
生产蛋白
转基因动物表达重组蛋白多以乳腺、唾液腺和膀胱为靶位。在这些表达器官中，通过构建合适的载体，选择 适当的启动子和调控序列可产生比正常水平高得多的重组蛋白。不过，生产系统应尽可能与循环系统隔离，以减 少表达产物对宿主动物的影响。
乳腺生物
乳腺生物
将所需目的基因构建入载体，加上适当的调控序列，转入动物胚胎细胞，使转基因动物分泌的乳汁中含有所 需要药用蛋白。从融合基因转入胚胎细胞到收集蛋白质有一个过程，包括胚胎植入、分娩和转基因动物的生长。 转基因动物从出生到第一次泌乳，猪、羊、牛各需12、14、16个月；并且只有雌性动物泌乳且不连续，一般可持 续2、6、10个月。牛、羊等大型家畜能对药用蛋白进行正确的后加工，使之具有较高的生物活性，同时产奶量大， 易于大规模生产，因而成为乳腺生物反应器理想的动物类型。
《制药化工过程与设备》生物反应器
保证产品质量
生物反应器的设计和操作可以保证产品的质量和安全性，例如在制药和食品工业中，通过 生物反应器生产抗生素、疫苗、食品添加剂等产品时，可以控制产品质量和安全性。
生物反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器的分类与发展
分类
生物反应器可以根据不同的标准进行分类，例如根据操作方式可以分为间歇式和 连续式反应器；根据微生物类型可以分为好氧型和厌氧型反应器；根据应用领域 可以分为制药、食品、环保等领域使用的反应器等。
温度
温度对微生物发酵的影响 是多方面的，包括代谢过 程、酶活性、发酵反应速 度、微生物形态、培养基 成分的物理性质和化学成 分等。
温度对酶促反 应速度的影响
温度升高，反应速度加快 ；温度降低，反应速度下 降；最适温度：酶促反应 速度最大时的温度。
pH值
对酶促反应速度的影响； 对微生物生长的影响；对 培养基性质的影响。
生物反应器的制造成本较高，需要降低设备 制造成本，提高设备利用率和降低生产成本 。
未来生物反应器的展望
创新材料与技术
开发新型生物反应器材料和加工技术， 提高设备的性能和可靠性，优化细胞培 养环境。
智能化与自动化
应用物联网、人工智能等技术，实现生 物反应器的智能化与自动化控制，提高 生产效率和产品质量。
生物反应器的性能优化
01
通过实验研究优化反应条件，提高产品收率和质量。
02
采用新型生物反应器技术，提高设备的生产效率和使用寿命。
针对不同生产工艺和物料特性，开发适用的生物反应器操作规
03
程，提高生产效率及产品质量。
06
生物反应器的发展趋势与挑战
生物反应器的发展趋势
适应环保要求
开发高效、节能、环保的生物反应器， 减少工业废弃物排放，降低环境污染。
生物反应器的设计和操作可以保证产品的质量和安全性，例如在制药和食品工业中，通过 生物反应器生产抗生素、疫苗、食品添加剂等产品时，可以控制产品质量和安全性。
生物反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器的分类与发展
分类
生物反应器可以根据不同的标准进行分类，例如根据操作方式可以分为间歇式和 连续式反应器；根据微生物类型可以分为好氧型和厌氧型反应器；根据应用领域 可以分为制药、食品、环保等领域使用的反应器等。
温度
温度对微生物发酵的影响 是多方面的，包括代谢过 程、酶活性、发酵反应速 度、微生物形态、培养基 成分的物理性质和化学成 分等。
温度对酶促反 应速度的影响
温度升高，反应速度加快 ；温度降低，反应速度下 降；最适温度：酶促反应 速度最大时的温度。
pH值
对酶促反应速度的影响； 对微生物生长的影响；对 培养基性质的影响。
生物反应器的制造成本较高，需要降低设备 制造成本，提高设备利用率和降低生产成本 。
未来生物反应器的展望
创新材料与技术
开发新型生物反应器材料和加工技术， 提高设备的性能和可靠性，优化细胞培 养环境。
智能化与自动化
应用物联网、人工智能等技术，实现生 物反应器的智能化与自动化控制，提高 生产效率和产品质量。
生物反应器的性能优化
01
通过实验研究优化反应条件，提高产品收率和质量。
02
采用新型生物反应器技术，提高设备的生产效率和使用寿命。
针对不同生产工艺和物料特性，开发适用的生物反应器操作规
03
程，提高生产效率及产品质量。
06
生物反应器的发展趋势与挑战
生物反应器的发展趋势
适应环保要求
开发高效、节能、环保的生物反应器， 减少工业废弃物排放，降低环境污染。
《生物反应器》课件
《生物反应器》课件
• 生物反应器概述 • 生物反应器的设计与操作 • 生物反应器的应用实例 • 生物反应器的未来发展 • 结论与展望
目录
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
要点一
总结词
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，根据不 同的分类标准，可以分为不同的类型。
要点二
详细描述
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，它能够 提供适宜的生物反应条件，如温度、压力、pH、溶氧等， 以支持微生物或细胞等的生长和代谢。根据不同的分类标 准，如生物反应器的结构、操作方式、用途等，可以分为 不同的类型。常见的生物反应器类型包括搅拌釜式反应器 、鼓泡塔式反应器、固定床式反应器、流化床式反应器等 。
生物反应器在工业发酵生产中的应用，可以提高生产效率、降低能耗和减少环境污 染，具有显著的经济和社会效益。
生物制药生产
生物制药生产是生物反应器的另一个重 要应用领域，通过生物反应器可以实现 高效、大规模的细胞培养和蛋白质表达
。
在生物制药生产中，生物反应器可以提 供适宜的细胞生长环境和营养物质，促 进细胞的增殖和蛋白质的表达，从而生 产出各种生物药物，如单克隆抗体、疫
苗、细胞因子等。
生物反应器在生物制药生产中的应用， 可以提高药物的产量和质量，降低生产 成本，缩短生产周期，为药物研发和生
产提供有力支持。
环境保护领域
生物反应器在环境保护领域也有广泛应用，如废水处理、废气处理、土 壤修复等。
通过生物反应器可以实现高效、低成本的废水处理，去除废水中的有害 物质，实现废水的净化。同时，生物反应器也可以用于废气处理和土壤
提高安全性
建立健全生物反应器的安全操作规 范，确保生产过程的安全可控。
• 生物反应器概述 • 生物反应器的设计与操作 • 生物反应器的应用实例 • 生物反应器的未来发展 • 结论与展望
目录
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
要点一
总结词
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，根据不 同的分类标准，可以分为不同的类型。
要点二
详细描述
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，它能够 提供适宜的生物反应条件，如温度、压力、pH、溶氧等， 以支持微生物或细胞等的生长和代谢。根据不同的分类标 准，如生物反应器的结构、操作方式、用途等，可以分为 不同的类型。常见的生物反应器类型包括搅拌釜式反应器 、鼓泡塔式反应器、固定床式反应器、流化床式反应器等 。
生物反应器在工业发酵生产中的应用，可以提高生产效率、降低能耗和减少环境污 染，具有显著的经济和社会效益。
生物制药生产
生物制药生产是生物反应器的另一个重 要应用领域，通过生物反应器可以实现 高效、大规模的细胞培养和蛋白质表达
。
在生物制药生产中，生物反应器可以提 供适宜的细胞生长环境和营养物质，促 进细胞的增殖和蛋白质的表达，从而生 产出各种生物药物，如单克隆抗体、疫
苗、细胞因子等。
生物反应器在生物制药生产中的应用， 可以提高药物的产量和质量，降低生产 成本，缩短生产周期，为药物研发和生
产提供有力支持。
环境保护领域
生物反应器在环境保护领域也有广泛应用，如废水处理、废气处理、土 壤修复等。
通过生物反应器可以实现高效、低成本的废水处理，去除废水中的有害 物质，实现废水的净化。同时，生物反应器也可以用于废气处理和土壤
提高安全性
建立健全生物反应器的安全操作规 范，确保生产过程的安全可控。
第三章 生物反应器总论3生物反应器的通风和溶氧传质
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
4．搅拌罐内部结构 在相同的条件下，如果对生物反应器的内部结构进行改 造，也可以增加溶氧系数。比如，内壁加有挡板的反应器比 不加挡板溶氧系数大，因为挡板增加了反应器内液体的喘动 程度，使传质液膜变薄，减少了传质阻力，同时也改善了反 应器内液体的流型，使各处更加平均。
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
以下两个公式是在空气-纯水和空气-含电解质水两个系
统中溶氧系数计算公式：
纯水-空气混合系统溶氧系数关联公式（式中各参数物理
意义同公式3-10）：
K La
2.6 102 ( pg VL
)0.4 (Vg )0.5
(3-16)
500 pg 10000 VL
VL 2.6m3
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
6．消沫剂 消沫剂对溶氧系数的影响较大，有双重作用。一方面， 消沫剂能够降低表面张力，减小发酵液中气泡的直径，使发 酵液中充满较多的小气泡，从而增加单位体积发酵液中的气 液接触面积，增加溶氧系数； 另一方面，消沫剂附着在气液 接触界面，改变了传质液膜的组成，不但增加了液膜传质阻 力，而且降低了气液界面的流动性，反而降低了溶氧系数。
② 在相界面处，气、液两相达到平衡。 ③ 在膜层以外的气、液两相中，氧气的浓度基本相等， 全部浓度变化集中在两个膜层内。
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
图3-8 双膜理论示意图
3.3 生物反应器的通风和溶氧传质
通过以上的假设，就把整个氧气在气液间的传递过程简化 为经由气液两膜的分子扩散过程。氧气在气液间的传递速度也 就是氧气通过两个膜的扩散速度，可以用下列公式表示：
NA
c* ci 1
或c* ci
1 Hk0
第一章 第四节 生物反应器的质量传递
x、 y 、z ——经验常数
生物反应器的质量传递
加快溶氧传递速率 增加体积溶氧传递系数kLα的方法 改变反应器的控制参数 kLα ＝ x (Pg/VL)y (vg)z 增加搅拌速度 加大Pg
增加通气量
加大vg
生物反应器的质量传递
加快溶氧传递的方法
增加体积溶氧传递系数kLα的方法 增加搅拌速度：
下部采用圆盘涡轮式，上部采用平桨式
生物反应器的质量传递
加快溶氧传递的方法
增加体积溶氧传递系数kLα的方法 改进反应器设计参数
搅拌器组数及挡板的影响 搅拌器组数和间距要根据发酵液的特性确定
当HL/D=2.5时，用多组搅拌器可提高溶氧系数10% 当HL/D=4并采用较大的空气流速和较大的功率时，多组搅拌
1 ������ ∗ − ������ ������ ∗ − ������������ ������������ − ������ ������∗ − ������������ ������������ − ������ = = + = + ������������ ������ ������ ������ ������������ ������
增加体积溶氧传递系数kLα的方法
增加反应器控制温度 溶氧传递系数kLa和温度T的关系可用下式来表示： ������������ ������ ∝ ������ 上式可以看出， kLa随温度升高而增大。
微观分析，温度能高，分子扩散速度加快，从而增加������������ 。
生物反应器的质量传递
加快溶氧传递的方法
以滞流流动着的膜 通气搅拌中在剧烈的骚动着的气液两相界面上，传质并 不是单纯的分子扩散
双膜理论以微生物只能利用溶解于液体中的氧为依
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。
生物反应器总论
3.1 生物反应器概述
3.1.4 一般生物反应器的结构原理 这里的一般生物反应器指机械搅拌罐式反应器
（Stirred-tank bioreactor），这种反应器作为一般反应器 是因为：首先，这是一类工业上最重要，应用最广泛的生物 反应器，它具有双重优势，较低的制造成本和操作成本。 其 次，这类反应器是较为普遍接受的标准生物反应器，除了因 为它比较经济和容易放大外，大部分生物有机体都可以使用 这种反应器进行培养，它们的生长环境在这种反应器内也比 较容易得到满足和调节。图3-3是这种反应器的结构。
全混流反应器（backmix）指流体在反应器内经过了充 分混合，搅拌罐式反应器是一种典型的全混流反应器。
3.1 生物反应器概述
表3-1 生物反应器的分类
按照反应器内流型 按照操作方式 按照结构特征
理想反应器
非理想反应器 间歇反应器
连续式反应器 半连续式反应器
罐式反应器 管式反应器 塔式反应器 膜反应器
柱塞流反应器 全混流反应器
3.1 生物反应器概述
表3-1(续) 生物反应器的分类
按照反应器内相态
按照生物反应器 内有机体种类
按照反应器内 气液混合方式
按照是否通氧
均相反应器 非均相反应器 微生物反应器 植物细胞反应器 动物细胞反应器
酶反应器 机械搅拌混合反应器 泵循环混合反应器 直接通气混合反应器
连续气相反应器 通风发酵设备 嫌气发酵设备
3.1 生物反应器概述
罐式反应器高径比在1：3之间，管式反应器高径比一般 大于30， 塔式反应器高径比通常大于10。膜式反应器使用 各种膜作为反应器内部关键组件，有时膜起分离作用，有时 膜起固定化细胞和酶的作用。
均相反应器指反应器内只有一相，如均相酶反应器，酶 作为催化剂溶解在反应液中，形成单一的液相。非均相反应 器内反应物质有两相以上，比如，一般的生物反应器内有固 相（生物体）、液相（培养液）、气相（空气），固定床和 流化床也属于典型的非均相反应器。
- 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)。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
生物反应器时空多尺度复杂系统的理 论框架构建
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不ห้องสมุดไป่ตู้文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
生物反应器时空多尺度复杂系统的理 论框架构建
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不ห้องสมุดไป่ตู้文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克