第一章 生物反应器..

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。
：比生长速率 X：细胞浓度(g/L)
：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 • 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。
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。 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。
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
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Hale Waihona Puke Baidu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（μ t）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， μ =1/△t lnx/X0。
第一章
生物反应器
掌握细胞生长代谢动力学、生物反应器、相关 概念与特点 生物反应器的控制与放大的方法 生物反应器的优化 了解生物反应器分类与设计 难点：生物反应动力学分析
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
产品提取或液化
一 般 生 物 反 应 过 程
产物
副产物
废物
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
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
空气 细胞或酶等生物催化剂 （游离或固定化）
除菌
CO2等 检测和控制
生物反应器
冷却水
原材料 底物
培养基
灭菌
产物预处理
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。
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。
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。 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。
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， 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
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 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；
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。
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。