动物细胞培养生物反应器

• 首先，对反应器内的生物反应建立数学模型，获 得能够反映生物过程规律的较精确的表达式，然 后将该模型应用于反应器的设计和自动控制中， 从而优化反应器的结构和操作，比如温度、pH、 溶氧等的PID自动控制系统。
• 由于微生物可以悬浮培养，对搅拌的剪切力要求 不高，因此，微生物最有条件在大型甚至超大型 反应器内生长。目前，生产抗生素的发酵罐容积 已达到400m3，氨基酸的反应器达到300m3， 单细胞蛋白(SCP)的反应器达到2600m3，用 微生物处理废水的生物反应器甚至高达 27000m3. • 显然，反应器的增大有利于降低生产成本。
• ① 单管
• ② 环形管 • dI = 0.8Di • dI —环径 Di—浆叶直径
二 气升式生物反应器 (airlift bioreactor)
气升式生物反应器是应用较广泛的一类无机械搅拌的生物反 应器。气升式生物反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展 起来的，它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应 液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和氧传递。 气升式生物反应器结构简单，没有其他生物反应器具有的如 有较多泄漏点和死角等等缺点，故早在20世纪70年代开
始，植物细胞发酵培养就已经较多地采用气升式生物，易于清 洗、维修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高，操 作费用低。 • 缺点：缺点相对来说较少，主要是高密度培养时 混合不够均匀。
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
• 反应器的结构
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
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搅拌器
• 搅拌器的作用是混合和传质，使空气与溶液均 匀接触，使氧溶解于发酵液中。 • 搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向 式（平直叶式、弯叶式、箭叶式）两种。
消泡系统
• 发酵过程中由于发酵液中含有大量的蛋白质，故在强烈的 通气搅拌下会产生大量的泡沫，严重时，将导致发酵液外 溢，增加染菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法， 一是加入消泡剂，二是使用机械消泡装置。通常，是两种 方法联合使用。 • 消泡装置可分为两类：一类置于罐内，目的是防止泡沫外 溢，它是在搅拌轴或灌顶另外引入的轴（致搅拌轴由罐底 深入时）上装上消泡浆；另一类置于罐外，目的是从排出 的气体中分离出溢出的泡沫使之破碎后再将液体部分返回 罐内。
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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。
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大量使用现代计算机技术进行生物反应 器的设计和开发
填料函式轴封
• 填料函式轴封是由填料 箱体，填料底衬套，填 料压盖和压紧螺栓等零 件构成，使旋转轴达到 密封的效果。
端面式轴封
• 又称机械轴封，可分为单端面机械密封和双端面 机械密封。密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹 管等）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表 面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。
• 它是借搅拌涡轮输入混合以及相际传质所需要的功率。这 种反应器的适应性最强，从牛顿型流体直到非牛顿型的丝 状菌发酵液，都能根据实际情况和需要，为之提供较高的 传质速率和必要的混合速度。 • 缺点是机械搅拌器的驱动功率较高，一般2~4kw/m3， 这对大型的反应器来说是个巨大负担。
结构
• 机械搅拌反应器的基本结构包括：筒体，机械搅 拌系统（搅拌器、挡板、轴封、联轴器及中间轴 承等），通气系统（空气分散装置），温控系统 （换热装置），消泡系统、pH控制系统等，并在 筒体的适当位置设置排气、取样、接种、进出料 口以及入孔和视镜等部件。
• 挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为 轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。 • 通常，挡板宽度取(0.1~0.2)D（罐体直径） ，装设4~ 6块即可满足全挡板条件；挡板高 度应设计为自罐底到液面高度为止。 • 全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内挡 板数量而轴功率仍保持不变。
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轴封
• 轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以 密封，防止泄漏和污染杂菌。 • 常用的轴封有填料函和端面机械轴封两种。
生物反应器（Bioreactor）
• 定义：是人们对生物有机体进行有控制的 培养以生产某种产品或进行特定的反应的 容器。
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料 能量 原料制备 预处理 灭菌 能量 过程控制
生物 反应器
产品回收 废物
产物
空气
空压机 除菌
热量
• 20世纪80年代
• 生物反应器在专业期刊和书籍中大量出现，成为 一个标准名称 • 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
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
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。
轴向式搅拌器
桨叶式
螺旋桨式
轴向式搅拌器特点
• • • • • • 结构简单 制造方便 整体混合效果较好 搅拌功率小 剪切力小 适用于低粘流体的搅拌
径向式（涡轮式）搅拌器
平直叶 弯叶 箭叶
径向式搅拌器特点
• • • •
功耗较大 局部混合效果较好 剪切力较大 适用于低粘度至高粘度流体的搅拌
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挡板
单端面机械密封
双端面机械密封
温控系统
• 小型的反应器多采用外部夹套作为冷却或加热 的换热装置。其优点是结构简单、加工容易、 反应器内无冷却装置、死角少、容易进行清洗 和灭菌工作；缺点是传热壁较厚、冷却水流速 低、降温效果差。 • 大型的反应器则多采用反应器内装有蛇形管换 热装置，优点是管内冷却水流速大、传热效率 高，但它需占用反应器空间，并给反应器清洗 和灭菌增加了难度。
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：
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微生物反应器朝着大型化发展
通气系统
• 通气装置是指将无菌空气导入罐内的装置。最简单的通 气装置是一单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器 的正下方，开口向下，以免培养液中固体物质在开口处 堆积。管口与罐底的距离约为40mm。 • 第二种形式是开口向下的多孔环形管。环的直径约为搅 拌器直径的0.8倍。小孔直径约5~8mm，孔的总面积 约等于通风管的截面积。在通气量较小的情况下，气泡 的直径与空气喷口直径有关。喷口直径越小，气泡直径 越小，氧的传质系数越大。但在发酵过程中通气量较大 ，气泡直径仅与通气量有关而与通气出口直径无关。又 由于在强烈的机械搅拌的条件下，多孔分布器对氧的传 递效果并不比单孔管好，相反，还会造成不必要的压力 损失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。