第一章 生物反应器..
第一章 第三节 生物反应器的生物学基础-理化条件对微生物生长的影响
µ是流体的动力粘度系数，ρ是流体密度，g是重
力加速度，������������ 为反应器界面气体速率。
生物反应过程剪切力的控制
选择反应器类型
机械搅拌反应器>气升反应器
选择搅拌器类型
涡轮状叶轮>平叶轮>螺旋状叶轮
控制搅拌强度和通气强度
不同微生物对pH要求不同
微生物的生长pH值范围极广，从pH2-8之间都有
微生物能生长。但是绝大多数种类都生活在 pH5.0-9.0之间。
微生物生长的pH值三基点： 各种微生物都有其生长的最低、最适和最高pH值。低于 最低、或超过最高生长pH值时，微生物生长受抑制或导 致死亡。
一些微生物生长的pH值范围
阿伦尼乌斯方程 ������������ = ������ ������������ −������������ /(������������) − ������′ ������ −������������/(������������) ������������
其中������和 ������′ 是经验常数， ������������ 是细胞合成代 谢活化能，������������ 是死亡的活化能，������ 是理想气 体常数，������是凯氏温度。
物理化学因素对微生物生长的影响
温度影响微生物生长速率的阿伦尼乌斯方程 ������������ = ������ µ − ������������ ������������ ������������ = ������ ������������ −������������ /(������������) − ������′ ������ −������������ /(������������) ������������
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。
生物反应器操作规程
生物反应器操作规程第一章总则生物反应器是生物工程中常用的设备，用于培养和控制微生物、细胞或酶等生物体系进行生物转化或生物合成反应。
为了保证生物反应器的正常运行，提高生产效率，特制定此操作规程。
第二章设备准备1. 检查生物反应器设备的完好性，确保各个部件没有损坏或异物；2. 检查反应釜、搅拌器、温控系统等部件是否正常运转；3. 准备所需的培养基、生物体系、调理液等实验物品。
第三章操作流程1. 打开生物反应器的电源开关，启动设备；2. 设置所需的温度、压力、搅拌速度等操作参数；3. 向反应釜中加入适量的培养基，等待培养基温度升至设定温度；4. 加入生物体系或细胞，注意避免空气接触；5. 启动搅拌器进行充分混合；6. 在反应过程中根据需要逐步加入调理液或其他试剂；7. 定时监测反应器内参数，并做好记录。
第四章清洗消毒1. 反应结束后，关闭生物反应器的电源开关；2. 停止搅拌器和冷却系统，排空反应釜中的废液；3. 用适量的清洗液对反应器进行彻底清洗，确保没有残留；4. 使用消毒液进行消毒处理，保证反应器内无细菌残留；5. 反应器彻底干燥后，进行下一批实验前的准备工作。
第五章注意事项1. 操作过程中要注意安全，避免发生事故；2. 必须按照操作规程正确操作，不能私自更改参数；3. 反应器设备要定期保养和检修，确保设备正常运行；4. 反应器内部应保持清洁，避免影响后续实验。
第六章结语生物反应器操作规程的制定是为了保障实验的准确性和安全性，本规程适用于各类生物反应器的操作，并应严格执行。
希望大家能够熟练掌握操作技巧，规范操作流程，提高实验效率和成果质量。
《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
生物工程机械
第一篇生物反应器第一章空气净化除菌与空气调节第一节空气净化除菌的方法与原理自学指导大多数需氧发酵都要通入空气以满足微生物生长和产物生成的需要，而自然界的空气中含有灰尘、水和各种微生物，在将自然界的空气用来进行发酵生产之前，必须加以处理除去其中的有害成份。
本节主要讲述空气除菌的基本理论及其设备。
在学习时要抓住重点，1、空气中微生物的分布，2、发酵对空气无菌程度的要求，3、空气除菌方法，4，介质滤除微生物的机理，只有弄清楚了这此理论，才能设计空气除菌的工艺流程、工艺计算和设备选型。
重点：介质滤除微生物的机理一、通风发酵对无菌空气的要求1. 空气中微生物的分布空气中微生物的含量和种类，随地区，季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。
北方气候干燥，寒冷，空气中的含菌量较多，离地面越高，含菌量越少；一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000个／立方米。
空气中的微生物种类以细菌和细菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒。
这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上，空气中微生物的含量一般为103~104个／立方米。
2．生物工业生产对空气质量的要求在发酵过程中要求纯种培养，不允许其他微生物与生产菌共存。
微生物的存在，严重的干扰生产菌正常生长和发酵作用，甚至产生倒罐。
空气作为耗氧发酵和微生物在繁殖培养过程中的氧源。
空气中含有各式各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会大量繁殖，消耗大量的营养物质，以及产生各种代谢产物，干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵彻底失败等严重事故。
因此空气的除菌就成为耗氧发酵工程上的一个重要环节。
除菌的方法很多，如过滤除菌、热杀菌、静电除菌，辐射杀菌等，但各种方法的除菌效果、设备条件、经济指标各不相同，所需的除菌程度根据发酵工业要求而定，既要避免染菌，又要尽量简化除菌流程以减少设备投资和正常运转的动力消耗。
八下生物第一章知识点
八下生物第一章知识点一、细胞的结构与功能1. 细胞的定义：细胞是生物体的基本结构和功能单位，所有生物都是由一个或多个细胞组成的。
2. 细胞的基本结构：- 细胞膜：控制物质进出，保护细胞内部结构。
- 细胞核：包含遗传物质DNA，控制细胞的生长和分裂。
- 细胞质：包含各种细胞器和代谢物质。
- 线粒体：能量转换器，进行有氧呼吸，产生能量。
- 叶绿体：植物细胞特有，进行光合作用，转化光能为化学能。
- 内质网和高尔基体：参与蛋白质的合成和加工。
- 溶酶体：含有消化酶，分解废物和有害物质。
- 细胞骨架：维持细胞形状和提供机械支持。
3. 细胞的功能：- 物质交换：通过细胞膜进行物质的进出。
- 能量转换：线粒体和叶绿体进行能量的合成和释放。
- 遗传信息的传递：DNA的复制和转录。
- 生物的生殖和发育：细胞分裂和分化。
二、细胞的分裂与生长1. 细胞分裂的类型：- 有丝分裂：细胞核先分裂，后细胞质分裂，产生两个遗传信息相同的子细胞。
- 无丝分裂：不涉及染色体的变化，细胞直接分裂成两个子细胞。
2. 细胞分裂的过程：- 间期：DNA复制和有关蛋白质合成。
- 前期：染色体凝聚，核膜和核仁消失。
- 中期：染色体排列在细胞中央，形成纺锤体。
- 后期：染色体分离，向两极移动。
- 末期：核膜和核仁重建，细胞质分裂。
3. 细胞生长：- 细胞生长是细胞体积增大的过程，通过合成新的细胞器和细胞物质实现。
- 细胞生长受到营养供应、激素调节和遗传控制的影响。
三、遗传与变异1. 遗传的分子基础：- DNA是主要的遗传物质，通过碱基序列编码遗传信息。
- 基因是DNA上具有特定遗传信息的片段，控制生物体的性状。
2. 遗传信息的传递：- DNA通过复制将遗传信息传递给子代。
- RNA转录和翻译过程将遗传信息转化为蛋白质。
3. 基因突变：- 基因突变是基因序列发生改变的现象。
- 突变可以是自发的，也可以是外界因素诱导的。
- 突变可能导致生物体性状的改变，有的突变有害，有的突变可能有益。
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。
生物反应工程教学设计
生物反应工程教学设计引言生物反应工程是生物工程中的一个重要分支，其研究的核心是生物反应器。
生物反应器在现代工业制药、食品加工、环境保护等领域有广泛应用。
因此，生物反应工程的教学对于生物工程、化工等相关领域的学生具有重要意义。
本文通过对生物反应工程教学的分析和总结，设计了一套完整的教学方案。
教学目标通过生物反应工程的教学，学生能够了解生物反应器的基本原理、设计、运行及监测等方面的基础知识，掌握生物反应工程的相关理论和实践技能，培养学生的创新能力和实践操作能力，为学生今后的工作和研究提供基础知识和技能支持。
教学内容第一章生物反应器的基本原理•生物反应器的定义•生物反应器的分类•生物反应器的组成和结构•生物反应器的工作原理第二章生物反应器的设计与运行•生物反应器的设计原则和方法•生物反应器的运行控制•生物反应器的传热传质•生物反应器的档案管理和文献检索第三章生物反应器的监测与检验•生物反应器的参数监测与检验•生物反应器的卫生、安全和环保管理第四章生物反应工程实验•生物反应器的构造与组装实验•生物反应器的基本参数测定实验•生物反应器的操作实验第五章生物反应器的实践•生物反应器的基础实践课程•生物反应器的综合实践课程•生物反应器的设计实践课程教学方法理论教学通过教师课堂讲授、案例分析、课堂讨论等方式，帮助学生理解生物反应器基本原理、设计原则和实践操作，提高学生对相关理论知识的掌握。
实验教学通过生物反应器构造及组装实验、基本参数测定实验、操作实验等方式，使学生掌握生物反应器的操作方法、实验技能和相关实验仪器的使用，培养其实践操作能力和独立思考能力。
实践教学通过多门课程的课外实践活动，如生物反应器的基础实践课程、综合实践课程、设计实践课程等，加强学生的创新实践能力，提高其对生物反应工程实践问题的解决能力。
教学评估通过课堂测试、实验报告、课程设计等方式，对学生进行教学成果评估。
评估主要包括理论知识掌握情况、实验操作能力、实践课程成果及综合表现等方面。
生物反应器ppt课件
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技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
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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。（见彩图）
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产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
10
（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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11
常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
生物反应工程与设备(绪论,第一章)to st
C S0 CS
第一章 酶催化反应动力学
作业题
某均相酶催化反应，米氏常数为0.05mol/L 当底物初始浓度为10-6mol/L，反应进行 2min后有4％的底物转化为产物 求当反应进行3min时，产物浓度是多少？
三、动力学参数的求解
1 Km 1 1 L-B法： rS rmax C S rmax
生物反应工程与设备
王炳武
生命科学与技术学院
Office: 科技大厦西408
生物反应工程的定义
以生物反应动力学为基础，进行生物 反应过程的开发、设计、放大、优化 操作与控制的学科
生物反应工程的研究内容
反应过程动力学来自生物反应器
微观动力学（本征 动力学）
分子水平 细胞水平 颗粒水平 反应器水平
BSTR、CSTR、CPFR 间歇操作、连续操作、补料操作 机械搅拌式反应器、气升式反应器
学习本课程的目的
解释现象 实际应用
成绩评定
相对百分制 平时成绩30％（考勤、课堂提问、作业） 期末考试占70％
第一章 (均相)酶催化反应动力学
什么是均相酶催化反应？
酶分子和反应物系(底物分子、产物 分子等)处于同一相－－液相中的反 应
动力学方程式与参数
动力学特点
动力学参数的求解
1 K mI 1 1 rSI rmax CS rmax
动力学参数的求解（续）
二、非竞争性抑制
特点 反应机理
动力学方程式
动力学特点
动力学参数的求解
Km 1 1 1 rSI rI ,max CS rI ,max
三、反竞争性抑制
生物反应器工作原理
生物反应器工作原理生物反应器的工作原理生物反应器是一种能够利用生物转化过程进行生产的设备，它可以支持和促进生物体内的生化反应。
生物反应器一般由反应容器、搅拌装置、温控系统、通气系统等组成，其工作原理依赖于生物体的生长、代谢和微生物的作用。
1. 生物反应器的基本原理生物反应器是为了在控制条件下促进生物体内的生化反应而设计的。
它提供了一个适合于生物体生长和代谢的环境，以支持其在反应器内进行所需的生化反应。
关键因素包括温度、满足生物体需要的底物和营养物质、pH值的维持和氧气的供给等。
2. 温控系统温控系统是生物反应器中的一个重要组成部分，它通常由温度传感器、加热装置和温度控制器组成。
通过感测反应器内的温度变化，控制器可以自动调节加热装置的输出来维持所需的反应温度。
保持适宜的温度可以提供生物体生长所需的理想环境，加速生化反应速率。
3. 搅拌装置搅拌装置用于保持反应器内物质的均匀混合，促进物质传递过程。
对于生物反应器而言，搅拌装置的设计旨在防止生物体的沉降和死区形成，使反应器内物质分布更加均匀。
搅拌装置的形式多种多样，包括机械搅拌、气体搅拌、涡流搅拌等。
4. 底物和营养物质的供给生物反应器中的底物和营养物质是支持生化反应进行的重要因素。
底物通过给定的供给策略被添加到反应器中，以满足生物体生长和代谢的需求。
供给策略可以根据具体反应的要求进行调节，例如连续供给、批次供给或脉冲供给等。
5. pH值的维持pH值对于生物体内的生化反应非常重要，它可影响酶的活性、细胞壁的稳定性和底物的溶解度等。
生物反应器中通常使用缓冲液来维持适宜的pH值。
pH值的控制可以通过添加酸或碱来调节，通常借助于自动控制系统来维持所需的pH范围。
6. 氧气供给氧气是生物体进行代谢反应所必需的。
在许多生物反应器中，气体搅拌是将氧气与培养基混合的常见方法。
通过气体供给系统，可控制氧气的流速、溶解度和分布，以满足生物体对氧气的需求。
7. 生化反应生物反应器的工作原理依赖于生物体的生长和代谢过程。
生物反应器课程设计报告
.生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）XX：高金利班级：生工2072学号：3072106245时间：2010年11月20日第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
二、啤酒发酵罐的特点1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；6、制作相应要比其他发酵罐简单；7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。
三、露天圆锥发酵罐的结构（一）罐体部分露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。
生物反应动力学生物反应器的设计放大与缩小-化学反应工程
生物反应过程的分类及其特征
分类 反应水平 酶催化反 应 分子水平 单一细胞反 应过程 细胞水平 多细胞反应过 程 细胞水平 动植物细胞 反应体系 细胞或组织 水平
底物数量
产物数量 反应的复杂性 反应速率或生 长速率
1-2种
1-2种
若干种
细胞和若干 种代谢产物
若干种
若干种菌体和 CO2、CH4等
若干种
三、新时期（20世纪90年代）
基因工程技术与生物反应工程技术不断 的融合，人类基因组计划的完成，后基因 组计划的进行，给生物反应工程技术带来 新的发展机遇。 质粒复制与表达动力学 超临界相态下的生物反应 界面微生物生长模型 双液相生物反应
1.3生物反应工程的主要内容
生物反应工程是以工业规模的生物反应 过程为主要研究对象，具体研究中要兼顾可 操作性，生物反应工程的研究内容为下述2项，
1979年，日本山根恒夫《生物反应工 程》，生物反应工程是一门以速率为基础， 研究酶反应、微生物反应及废水处理过程 的合理设计、操作和控制的工程学。 1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生 物反应工程的研究应当包括两个方面，一 是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理 之间的相互关系；二是生物反应器工程， 它主要涉及不同的反应器对生物化学和物 理过程的影响。
2 反应工程的用途、作用
反应动力学
反应模式 速率方程 活化能
反应器的设计与分析
各因素（T, P, c）的变化规律 最佳工况
研究目的：
提供适宜的动力学方程，以描 述微生物（酶、动植物等）反应体 系，确定这些方程在设计方面的用 途，规划实验室的实验，决定动力 学方程所需的速率常数。
1.2生物反应工程的erch制药厂因在建立抗 生素工业中由于解决了高效通气搅拌技术、 无菌空气过滤技术、大型反应器灭菌等一 系列工程技术问题，使以青霉素为代表的 微生物发酵工业进入一个新的发展阶段， 而被授予“生化工程专题研究”成果奖， 一门反映生物和化学工程交叉的学科—— 生物化学工程诞生，并取得了快速的发展。
第一章_生物反应器.
细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命 活动，通常每毫升培养液中含104-108个细胞。 而且，像任何有生命的东西一样，细胞也经历 着新生、成长、成熟直至衰老的过程，在其生 命的循环中，也存在退化与变异的问题。
细胞群体进行简化假设
是否考虑细胞内部复杂的结构
是否考非理想流动 两种理想流动模式
①全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一。
②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。
实际反应装置常常介于两者之间。
⑸细胞生长的特点及细胞群体的描述
细胞的生长、代谢是一个复杂的生物化学过程 与一般的化学过程不同，这个反应体系的特点 是，它是一种多相、多组分、非线性的体系。
二、细胞浓度及其测量
细胞浓度在培养过程中是一个十分重要的参数。
在定量研究生物反应之前，首先需要说明微生 物的浓度即菌体浓度的表示方法。 （g/l, kg/m3)
直接测定法
细胞干重法：测量细胞浓度的最基本方法。 显微计数法：显微镜和血球计数器。 平板计数法：生理盐水稀释，记录菌斑。 浊度法：波长600-700nm范围测量。
化学工程还包括下面几个重要的内容
1、流体的输送及混合。核心问题是流体之间动量 的传递、机械能的转化。 2、热量的传递。生物反应器要考虑发酵热的传 出以及发酵罐温度的控制。 3、物质的传递。生物反应器内进行着各种物质 传递过程，这些传递过程的强度主要由浓度差 以及扩散的面积决定。
第二节 细胞生长及代谢过程动力学
如何使细胞生长的更快更好？
一、好的细胞株系 二、良好的环境条件
1、良好的物理环境：最主要的有温度、pH、溶氧量、合 适的混合强度以保证细胞与营养物的接触及细胞的悬 浮等。 2、合适的化学环境：要求有合适的各种营养物的浓度， 并限制各种妨碍生长代谢的有毒物质的浓度。
《生物反应器》课件
通过本课件，我们将深入探讨生物反应器的全貌。从定义，分类，结构和原 理，应用领域，优点和挑战，以及未来的发展趋势，让我们一起探索这个令 人着迷的领域。
什么是生物反应器？
生物反应器是一种用于控制和维持特定生物反应过程的装置。它提供了理想的环境条件，以促进 生物反应的进行。
1 定义
生物制药
环境修复
生物反应器在生产生物药物和医 疗相关产品方面发挥着重要作用。
通过利用生物反应器来处理和净 化废水和废气等环境污染物。
生物燃料
生物反应器可用于生产可再生能 源，如生物柴油和生物乙醇。
生物反应器的优点和挑战
优点
生物反应器具有高效、环保、可控性强等优点， 适用于多种生物反应过程。
挑战
生物反应器的设计和操作需要专业知识和精细 调控，同时面临成本和规模扩展的挑战。
生物反应器是指能够维持生物反应过程的操作设备。
2 分类
根据反应器操作方式和反应类型，生物反应器可以分为不同的类别。
生物反应器的结构和原理
结构
生物反应器通常由反应容器、搅拌装置、进出料口 和传感器等组成。
原理
生物反应器的原理基于对生物过程中必要因素的控 制，如温度、氧气供应、营养物质和pH值。
生物反应器的应用领域
生物反应器的发展趋势
1
自动化与智能化
生物反应器将趋向自动化操作，并结合人工智能技术实现更智能的反应器将更加注重资源的有效利用和环境的可持续性。
3
多功能和定制化
生物反应器将能够满足不同反应过程的需求，实现定制化设计。
总结和展望
生物反应器作为一种核心技术，将不断推动生物科学和工程的进步。我们期 待未来的创新和发展，以应对全球的挑战。
生物反应器设计复习资料
判断：15*1'=15' 填空：25空*1'=25' 选择：10*2'=20'计算：2个=15' 简答：4个=25'第一章生物反应器设计基础一、生物反应器的化学计量基础1.生化反应方程式CH m O1+aNH3+bO2 Y b CH p O n N q(生物量)+Y p CH r O s N t（产物）+cH2O+dCO2其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。
平衡式：C:1=Y b+Y p+d N：a=qY b+tY pO：1+2b=nY b+sY p+c+2d H：m+3a=pY b+rY p+2c2、维持定义1/Y XS=1/Y max XS+m s/μ式中: Y XS——生物量对基质的得率；Y max XS——得率最大值；m s——维持系数；μ——比生长速率。
若方程两项乘以μ，得到基质消耗的线性方程：σ=μ/ Y max XS + m s式中：σ——合成单位生物量的基质消耗速率。
当有产物产生时σ=μ/ Y max XS +π/ Y max XS +m s式中：π——单位生物量的产物生成率。
二、生物反应器的生物学基础一）细胞数动力学1．指数生长期μ——比生长速率；X——生长量浓度，以g/L表示；t——生长时间。
对方程求积分：并将t为零时的生物量浓度称为X0，则：ln(X\X0)=μt因此倍增时间(X\X0=2时的时间t)是：t d= ln2/μ2.减速期 Monod 方程： 二 ）产物形成动力学（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：1主要产物是能量代谢的结果（Gaden （分类）Ⅰ型 ）； 例：酵母厌氧生长过程中的酒精合成2主要产物是能量代谢的间接结果（Gaden （分类）Ⅱ型 ）； 例：霉菌好气生长过程中柠檬酸的合成和细胞中PHB 的胞内积累 3产物是二次代谢物（Gaden （分类）Ⅲ型 ） ； 例：霉菌好气发酵中青霉素的生产 4产物是胞内或胞外蛋白。
生物反应器原理 ppt课件
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
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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
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结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
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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.
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YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
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作业 ：
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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.
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(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:
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生物反应器的设计
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
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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。
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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。
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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。
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(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
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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。
机械搅拌式动物细胞培养罐
CLAVORUS®机械搅拌式动物细胞培养罐（生物反应器）北京清大天一科技有限公司CLAVORUS®目录第一章生物反应器简介..................................................................................................................- 1 - 1-1 生物反应器概念................................................................................................................- 1 - 1-2 生物反应器分类................................................................................................................- 2 -第二章机械搅拌式生物反应器的原理和结构..............................................................................- 2 - 2-1机械搅拌式生物反应器原理.............................................................................................- 2 - 2-2机械搅拌式生物反应器的结构.........................................................................................- 3 - 2-3生物反应器的基本功能.....................................................................................................- 4 - 第三章生物反应器的选择..............................................................................................................- 6 - 3-1 反应器设备的选择............................................................................................................- 6 - 3-2 供应商的选择....................................................................................................................- 7 - 3-3机械搅拌式生物反应器安装条件.....................................................................................- 8 - 第四章机械搅拌式生物反应器的质量标准..................................................................................- 9 - 4-1 与同类产品检验指标的对比..........................................................................................- 10 - 4-2重要质量指标说明...........................................................................................................- 10 - 第五章机械搅拌式生物反应器悬浮培养生产线的设计............................................................- 13 - 5-1 悬浮培养生产线的建立流程..........................................................................................- 13 - 5-2 反应器生产效率计算......................................................................................................- 14 - 第六章机械搅拌式生物反应器的应用案例................................................................................- 15 - 6-1反应器全悬浮无血清培养BHK21细胞生产口蹄疫病毒.............................................- 16 - 6-2反应器全悬浮无血清培养CHO细胞.............................................................................- 17 -1）主要材料...................................................................................................................- 18 -2）实验结果...................................................................................................................- 18 - 6-3反应器微载体培养Vero细胞生产人狂犬病毒..............................................................- 18 - 1）主要材料...................................................................................................................- 18 -2）培养结果...................................................................................................................- 19 - 参考文献.................................................................................................................................- 20 - 附件一清大天一公司机械搅拌式动物细胞培养罐产品介绍............................................- 21 -1）CLAVORUS PJ 120型反应器..................................................................................- 21 -2）CLAVORUS PJ 650型反应器..................................................................................- 23 -3）CLAVORUS PJ 1200型反应器................................................................................- 25 - 附件二国家制药机械行业标准《机械搅拌式动物细胞培养罐》（审批稿）..................- 29 -CLAVORUS®前言机械搅拌式动物细胞培养罐是指在设有机械搅拌装置的罐体内，利用动物细胞的生物学特性，采用批培养或灌流培养方式使细胞增殖的培养设备。
生物反应器操作规程
生物反应器操作规程第一章引言1.1 目的和范围本操作规程旨在确保生物反应器的正常运行，并保证操作的可重复性和高效性。
该规程适用于所有生物反应器的操作人员。
1.2 定义和缩写词1.2.1 生物反应器：指用于培养和控制生物体反应的设备或系统。
1.2.2 操作人员：指对生物反应器进行操作和监控的相关人员。
1.2.3 反应物：指生物反应器中用作原料的物质。
1.2.4 产物：指生物反应器所产生的物质。
第二章生物反应器操作要求2.1 设备准备2.1.1 确保生物反应器处于正常状态，并进行必要的清洁和消毒。
2.1.2 根据需要，准备所需的反应物、培养基和其他相关试剂。
2.2 反应物投入2.2.1 根据工艺配方，准确称量所需的反应物。
2.2.2 在生物反应器中逐步添加反应物，确保均匀混合。
2.3 参数设置2.3.1 根据所需生物反应的要求，设置适当的温度、pH值、气体流量、搅拌速率等参数。
2.3.2 确保设备的温度、pH值、气体流量和搅拌速率的稳定性，并进行必要的调整。
2.4 反应过程监控2.4.1 定期监测化学物质浓度、生物体密度和产物浓度等关键指标。
2.4.2 如有异常情况或指标超出设定范围，及时采取措施进行调整。
2.5 反应结束2.5.1 根据工艺要求，确定反应结束的标志。
2.5.2 关闭反应器，并进行必要的清理和维护。
第三章安全措施3.1 个人防护3.1.1 操作人员应佩戴适当的防护装备，包括手套、护目镜和防护服。
3.1.2 避免直接接触化学物质和生物体，如有接触，应立即用清水冲洗。
3.2 废弃物处理3.2.1 将生物反应过程中产生的废弃物和污染物妥善处理，防止对环境造成污染。
3.2.2 根据相关规定，正确分类和处理废弃物。
3.3 紧急情况应对3.3.1 操作人员应熟悉紧急情况的应对措施和急救程序。
3.3.2 在发生火灾、泄漏等紧急情况时，应立即采取应急措施，并及时报告相关负责人。
第四章文件记录4.1 操作记录4.1.1 操作人员应详细记录生物反应器的操作过程，包括添加反应物的时间和量、参数设置、关键指标监测结果等。
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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（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。
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。
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
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
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
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
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。
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。
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；
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。
二、细胞浓度及浓度量
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。
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。