【生物工程设备】第六章 生物反应器

第六章 生物反应器,生物反应器概述 生物反应器 微生物反应器动物细胞培养反应器生物反应器的发酵参数检测与控制,一、生物反应器概述,1、定义： 2、作用：为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。,3、一个优良的生物反应器应具备： 严密的结构； 良好的液体混合性能； 高的传质和传热速率； 灵敏的检测和控制仪表,4、分类： 按能量的输入方式分：机械搅拌式、气升式、液体循环式 按反应器的操作方式分：间歇式、半间歇式、连续式 按反应器结构特征分：釜式、管式、塔式等,二、微生物反应器（发酵罐）,厌氧生物反应器（嫌气发酵罐）：设备结构简单 好氧生物反应器（通气发酵罐）：设备的结构较复杂,（一）嫌气发酵罐 酒精发酵罐： 密闭式 筒体：圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形 罐顶：人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。 罐底：排料口和排污口 罐身：取样口、温度计接口,发酵的冷却装置： 中小型发酵罐：罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却； 大型发酵罐：罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置 罐体底部沿罐体四周装有集水槽,酒精发酵罐的洗涤：水力喷射装置： 两头装有喷嘴的喷水管；两头有一定的弧度；管上均匀地钻有一定数量的小孔；水平安装 它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力，使喷水管自动旋转。,（二）通气发酵罐,1、分类 按能量的输入方式分：机械搅拌式、气升式、循环泵发酵罐 2、通用发酵罐（属机械搅拌式最常用的一种） （1）发酵罐体的尺寸比例 P34 （2）发酵罐装液量一般装液高度为圆柱部分高度的70%，泡沫少时取90%，多时取60%,（3）发酵罐的结构罐体： 材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力 罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。 罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温度计管和测控仪表接口。搅拌装置a、搅拌的作用：使罐内液体混合均匀打碎气泡，使氧气均匀溶解,b、搅拌器形式 P37涡轮式：径向流型（液体轴向流入，径向流出）特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于90°常用：平叶式、弯叶式、箭叶式旋浆式：轴向流型（液体轴向流入，轴向流出）特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于90°,涡轮式搅拌器：剪切力较大，气泡分散效果好；适用物料粘度范围广圆盘作用：避免气泡沿轴上升 旋桨式搅拌器：剪切力不大，液体混合效果好，气泡分散不好；常用于低粘度流体,锚式和框式搅拌器:搅动范围很大，转速更低；适用于较高粘度液体的搅拌，也常用来防止器壁产生沉积现象,挡板 作用：改变液体流动方向，防止搅拌过程中漩涡的产生 通气装置 单孔管：管口正对罐底中央，与罐底的距离约40-50mm；罐底中央装保护板 多孔环形管：喷孔向下；环径为搅拌器直径的0.8倍较有效 传热装置：内蛇管，外盘管，夹套 机械消沫装置 P42 轴封：运动部件和静止部件之间的密封称轴封 作用是防止染菌和泄漏,（4）发酵罐的基本条件 发酵罐应具适宜高径比（一般1.74倍） 发酵罐能承受一定压力：发酵罐搅拌通风装置能使气液充分混合发酵罐应具足够冷却面积搅拌器轴封应严密，尽量减少泄漏 发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌彻底,3、常用几种其它发酵罐 （1）气升式发酵罐（P45） 分为内循环及外循环两种。 （内循环）工作原理：在罐内装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷咀，空气自喷咀喷出后，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解气量，使发酵正常进行。,（2）高位塔式发酵罐 （P46） 特点：高：径=6左右；空气利用率高 工作原理： （3）伍式发酵罐（P33） 主要部件是套筒、搅拌器,工作原理：搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入，经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。,（4）机械搅拌自吸式发酵罐（P44） 不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。 关键部件：中空的叶轮为搅拌器 工作原理：叶轮启动前，先用液体将之浸没，启动后由于叶轮高速旋转，液体或空气在离心力作用下，被甩向叶轮外缘，在叶轮中心处形成负压，转速愈大，所成负压也愈大，由于叶轮空腔与导气管相连通，因此空气被不断吸入并与高速流动的液体相接触，形成细小的气泡后分散在液体之中,三、动物细胞培养反应器,1、动物细胞培养的特点 2、大规模动物细胞培养方法：悬浮培养：让细胞悬浮于培养基内生长繁殖；贴壁培养：让细胞贴附于某种基质上生长繁殖的培养方法；贴壁-悬浮培养：微载体培养,3、常用动物细胞培养生物反应器 （1）、气升式细胞培养生物反应器 气体混合物从底部的喷射管进入反应器的中央导流管使得中央导流管侧的液体密度低于外部区域从而形成循环。气升式生物反应器主要采用内循环式，但也有采用外循环式。,（2）、中空纤维管生物反应器 既可培养悬浮生长的细胞，又可培养贴壁依赖性细胞,（3）微载体悬浮培养反应器以微珠为载体，让贴壁依赖型细胞生长于微珠表面，同时通过持续搅动使微珠悬浮于培养基中，将贴壁培养与悬浮培养结合起来优点：比表面积大，单位体积培养液的细胞产率高；将贴壁培养和悬浮培养结合起 来，培养基利用率高 缺点：搅拌时细胞易损伤，不适合悬浮培养细胞,四、生物加工过程的参数,设定参数：压强、温度、通气量、液位（或装液量）、搅拌转速与搅拌功率、泡沫高度、培养基流加速度、冷却介质流量与速度、培养基质浓度和产物浓度 状态参数：黏度、pH、溶氧浓度、发酵液中溶解CO2浓度、细胞浓度及酶活特性、菌体形态 间接参数：氧利用速率、二氧化碳释放速率、比生产速率,五、主要参数的检测仪器,检测仪器分为：在线检测和离线检测 传感器：将各种非电量（物理量、化学量、生物量）按一定规律转换为便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的器件，即将来自外界的各种信号转变为电信号。 传感器一般包括：1、敏感元件；2、转换元件；3、测量电路,用于生物反应器的传感器应具有以下特点： 1、测量准确可靠分辨能力高，能长时间工作，稳定性好，具有可维修性； 2、用于罐内的传感器必须能耐热，经受高温灭菌，不能耐热的传感器可在罐外用其它方法灭菌后无菌装入； 3、材料上选用不易污染的材料，结构上选择无死角的形状和结构，防止被培养基或微生物污染或附着； 4、传感器要有除被测变量外不受其他变量和周围环境条件变化影响的能力，如抗气泡或泡沫干扰； 5、反应器与传感器的密封应严密,1温度的测量 常用的温度检测仪表有热电阻检测器、半导体热敏电阻、热电偶和玻璃温度计等。其中热电阻是中低温区最常用的温度检测元件，热电阻的测温范围为-200850 大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式表示： Rt=R01+(t-t0)式中:Rt，R0分别为热电阻在t和t0的电阻值 热电阻的电阻温度系数，1/。 测温电阻材料最合适的原材料是铂（Pt），此外还有铜和镍等金属,2压强的检测 P74 工业上常用的为弹性压力计， 原理：压力与弹性体的变形应力相平衡，并转换成弹性体的位移 3液位和泡沫高度的检测 常用液位检测方法：电容式液面计、压差法、称重法 泡沫高度常用电极探针测定,4流量测量 P75 （1）液体质量流量计 （2）电磁流量计 （3）转子流量计 5发酵液黏度的测量 常用的黏度测定仪：毛细管黏度计、回转式黏度计和振动式黏度计等 6搅拌转速和搅拌功率 搅拌转速检测的常用方法有磁感应式、光感应式和测速发电机等三种。 搅拌功率只是测定驱动电机的电压与电流，或直接测定电机搅拌功率,7pH值的测量 pH复合电极：利用玻璃电极与参比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电位 8溶氧浓度的检测 玻璃极谱电极：氧分子在阴极上还原产生电流，所产生的电流和被还原的氧量成正比，故测出此电流值就可以确定发酵液的溶氧浓度。 9溶解CO2浓度的检测 CO2电极：利用对CO2可选择通过特性的微孔膜，通过的CO2进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的pH与溶解的CO2浓度成正比，由此原理并通过变换就可测出溶解CO2浓度。,10细胞浓度的测定 全细胞浓度：测量方法可分为湿重法、干重法、浊度法、湿细胞体积法等。其中干重法准确度最高；常用的在线检测全细胞浓度仪为流通式浊度计：原理为在一定的细胞浓度范围内，全细胞浓度与光密度（OD）值成线性关系。 活细胞浓度：利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身特有的物质而使用生物发光或化学发光法进行测定。,六、发酵过程控制,1、温度的控制 温度控制系统组成：温度测量元件（温度传感器）温度控制器调节阀被控过程的生化反应器（发酵罐）。,2、pH的控制 系统由pH测量电极和变送器、pH控制器、空气开关和气动开关阀组成,3、溶氧控制 系统由溶解氧电极和变送器、溶解氧多路控制器、压力控制系统和空气流量控制系统组成。,4、补料控制系统由流量测量环节、流量控制器和调节阀组成,