第一章_生物反应器
75页1、第一章生物反应器Bioreactor 第一节概述各种细胞及其代谢产物的生产过程都要通过细胞的培养 而细胞培养所用的装置就是反应器 生物反应器的作用 就是要为细胞代谢提供一个优化的物理及化学环境 使细胞能更快更好地生长 得到更多的需要的生物量或代谢产物 生物反应器 生物反应器是利用酶或生物体 如微生物 所具有的生物功能 在体外进行生化反应的装置系统 是一种生物功能模拟机 如发酵罐 固定化酶或固定化细胞反应器等 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 研究生物反应器的目的 1 确定为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器 什么样的结构更好 2 对已有的生物反应器进行分析 达到优化的目的 3 分析各种生物反应器的数据 从而对细胞的生长 代谢等过程有更加深入的理解 生物反应器是工程学的一部分也是化学工程的一个分支 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
2、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 一 细胞生长的特点 描述方法的分类二 细胞的浓度及其测量三 均衡生长模型四 其它模型 一 细胞生长的特点 一 细胞培养1 细胞培养的一般条件温度pH渗透压营养物水无菌条件光气体 2 动物细胞培养的特殊条件 1 血清 动物细胞离体培养常常需要血清 最常用的是小牛血清 血清提供生长必需因子 如激素 微量元素 矿物质和脂肪 2 支持物 大多数动物细胞有贴壁生长的习惯 离体培养常用玻璃 塑料等作为支持物 3 气体交换 二氧化碳和氧气的比例要在细胞培养过程中不断进行调节 不断维持所需要的气体条件 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 4 微
3、生物细胞培养的特殊条件 微生物多为单细胞生物 野生生存条件比较简单 所以微生物人工培养的条件比动植物细胞简单得多 其中厌氧微生物培养比好氧微生物复杂 微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻 玉米浆 蛋白胨 麦芽汁 酵母膏等成为良好的微生物天然培养基 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 常用的有 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 得率系数 两种物质得失之间的计量比 如 菌体的生成量对基质消耗量的得率系数 比速率 单位浓度的菌体 单位时间引起某物质浓度的变化量 如 菌体的比生长速率 基质的比消耗速率 产物的比生成速率 理想流动和非理想流动 两种理想流动模式 全混式 即反应器内各点浓度及其它条件均一 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 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
4、的特点是 它是一种多相 多组分 非线性的体系 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虑细胞之间的差别 4种模型 非离散的结构模型 文献上简称结构模型 这种模型把细胞分为具有不同生理功能的组分 这种模型考虑到胞内不同的结构单元 对更精细地分析细胞的代谢调控是很重要的 其分析结果对于过程的优化往往具有指导作用 结构模型考虑了胞内各结构单元的代谢及相互作用 因此列出的方程参数多 复杂 不容易解 即使用计算机求解也要花费相当的时间 因此在过程控制中较少用这种模型 离散型非结构模型 把细胞分为几种不同形态或功能的类别 总的细胞量是各类细胞量的和 各类细胞有不同的生理功能 对于培养中细胞有明显差别 形态 功能 的过程用此种离散模型最好 缺点 分别测出各类细胞量是有困难的 离散型结构模型 细胞培养的实际情况 细胞之间不均一 细胞内部多组分 在求解和分析中最繁杂 应用较少 非结构非离散
5、模型 简称均衡生长模型 这种模型没有考虑细胞内部的结构 又不考虑细胞之间有任何差异 因此 可以把细胞用 浓度 这一个量来描述 即把细胞看成一种 溶质 从而简化了胞内外的传递过程分析 也简化了过程的数学描述 对于相当多的微生物过程分析 特别是过程控制来说 均衡生长模型是可以满足要求的 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 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 直接测定法 间接测定法 测定构成细胞的大分子物质来确定细胞浓度 三 均衡生长模型 1 细胞生长模型 均衡生长模型只用一个量来描述细胞的量 即生物量或细胞的浓度 通常用每毫升培养液中菌体个数或干菌重来描述 1 细胞生长动力学曲线 将微生物在一个封闭体系中培养 测定培养过程中细胞浓度的变化 可得到细胞生长的动力学曲线 以间歇培养微生物为例 在培养过程中动力学曲线包括延迟期 指数生长期 禁止期 自溶期等阶段 2 细胞生
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