酶工程设备：第七章 细胞破碎与固液分离设备 课件 (2).ppt

第六章第六章 生物反应器生物反应器 生物反应器概述生物反应器概述生物反应器生物反应器 微生物反应器微生物反应器 动物细胞培养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生物反应器的发酵参数检测与控制一、生物反应器概述1 1、定义：、定义：2 2、作用：为细胞代谢提供一个适宜的物理及化、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。多需要的生物量或代谢产物。细胞或酶等生物催化剂细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化游离或固定化）生生 物物 反反 应应 器器空气空气CO2等等冷却水冷却水原材料原材料培养基培养基灭菌灭菌底物底物产物产物废物废物除菌除菌检测和控制检测和控制产物预处理产物预处理产品提取或液化产品提取或液化副产物副产物3 3、一个优良的生物反应器应具备：、一个优良的生物反应器应具备：严密的结构；严密的结构；良好的液体混合性能；良好的液体混合性能；高的传质和传热速率；高的传质和传热速率；灵敏的检测和控制仪表灵敏的检测和控制仪表4 4、分类：、分类：按能量的输入方式分：机械搅拌式、气升按能量的输入方式分：机械搅拌式、气升式、液体循环式式、液体循环式按反应器的操作方式分：间歇式、半间歇按反应器的操作方式分：间歇式、半间歇式、连续式式、连续式按反应器结构特征分：釜式、管式、塔式按反应器结构特征分：釜式、管式、塔式等等二、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（一）嫌气发酵罐酒精发酵罐：酒精发酵罐：密闭式密闭式筒体：筒体：圆柱形，底盖和圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形顶盖均为碟形或锥形罐罐顶顶：人人孔孔、视视镜镜及及二二氧氧化化碳碳回回收收管管、进进料料管管、接接种种管管、压压力力表表和和测测量量仪表接口管等。仪表接口管等。罐底：排料口和排污口罐底：排料口和排污口罐身：取样口、温度计罐身：取样口、温度计接口接口发酵的冷却装置：发酵的冷却装置：中中小小型型发发酵酵罐罐：罐罐顶顶喷喷水水淋淋于于罐罐外外壁壁表表面面进进行行膜状冷却；膜状冷却；大大型型发发酵酵罐罐：罐罐内内装装有有冷冷却却蛇蛇管管或或罐罐内内蛇蛇管管和和罐外壁喷洒联合冷却装置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罐体底部沿罐体四周装有集水槽酒精发酵罐的洗涤：酒精发酵罐的洗涤：水力喷射装置：水力喷射装置：两头装有喷嘴的喷水管；两头装有喷嘴的喷水管；两头有一定的弧度；管两头有一定的弧度；管 上均匀地钻有一定数量上均匀地钻有一定数量 的小孔；水平安装的小孔；水平安装它是借喷水管两头喷嘴它是借喷水管两头喷嘴 以一定喷出速度而形以一定喷出速度而形 成的反作用力，使喷成的反作用力，使喷 水管自动旋转。水管自动旋转。（二）通气发酵罐（二）通气发酵罐1 1、分类、分类按能量的输入方式分：按能量的输入方式分：机械搅拌式、气升式、循环泵发酵罐机械搅拌式、气升式、循环泵发酵罐2 2、通用发酵罐、通用发酵罐（属机械搅拌式最常用的一种）（属机械搅拌式最常用的一种）（1 1）发酵罐体的尺寸比例）发酵罐体的尺寸比例 P34P34（2 2）发酵罐装液量）发酵罐装液量 一般装液高度为圆柱部分高度的一般装液高度为圆柱部分高度的70%70%，泡沫，泡沫少时取少时取90%90%，多时取，多时取60%60%（3 3）发酵罐的结构）发酵罐的结构 罐体：罐体：材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力能力罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。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。管、温度计管和测控仪表接口。搅拌装置搅拌装置 a a、搅拌的作用：、搅拌的作用：使罐内液体混合均匀使罐内液体混合均匀 打碎气泡，使氧气均匀溶解打碎气泡，使氧气均匀溶解b b、搅拌器形式、搅拌器形式 P37P37 涡轮式：涡轮式：径向流型（液体轴向流入，径向流出）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特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于9090 常用：平叶式、弯叶式、箭叶式常用：平叶式、弯叶式、箭叶式 旋浆式：旋浆式：轴向流型（液体轴向流型（液体 轴向流入，轴向流出）轴向流入，轴向流出）特点：搅拌器叶片与旋特点：搅拌器叶片与旋 转平面夹角小于转平面夹角小于9090涡轮式搅拌器：涡轮式搅拌器：剪切力较大，气泡分散效果好；剪切力较大，气泡分散效果好；适用物料粘度范围广适用物料粘度范围广 圆盘作用：避免气泡沿轴上升圆盘作用：避免气泡沿轴上升旋桨式旋桨式搅拌器：搅拌器：剪切力不大，液体混合效果好，剪切力不大，液体混合效果好，气泡分散不好；气泡分散不好；常用于低粘度流体常用于低粘度流体 锚式和框式搅拌器锚式和框式搅拌器:搅动范围很大，转速更低；搅动范围很大，转速更低；适用于较高粘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度液体的搅拌，也常用来防止器壁产生沉积现象象挡板挡板作用：改变液体流动方向，作用：改变液体流动方向，防止搅拌过程中漩防止搅拌过程中漩涡的产生涡的产生通气装置通气装置单孔管：单孔管：管口正对罐底中央，与罐底的距离约管口正对罐底中央，与罐底的距离约40-50mm40-50mm；罐底中央装保护板；罐底中央装保护板多孔环形管：多孔环形管：喷孔向下；环径为搅拌器直径的喷孔向下；环径为搅拌器直径的0.80.8倍较有效倍较有效传热装置：内蛇管，外盘管，夹套传热装置：内蛇管，外盘管，夹套机械消沫装置机械消沫装置 P42P42轴封：运动部件和静止部件之间的密封称轴封轴封：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作用是防止染菌和泄漏（4 4）发酵罐的基本条件）发酵罐的基本条件 发酵罐应具适宜高径比（一般发酵罐应具适宜高径比（一般1.71.74 4倍）倍）发酵罐能承受一定压力：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，避免藏垢积发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌彻底污，灭菌彻底3 3、常用几种其它发酵罐、常用几种其它发酵罐（1 1）气升式发酵罐（）气升式发酵罐（P45P45）分为内循环及外循环两种。分为内循环及外循环两种。（内循环）（内循环）工作原理：工作原理：在罐内装设上升管，上升管两端与罐底及在罐内装设上升管，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，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。使发酵正常进行。（2 2）高位塔式发酵罐）高位塔式发酵罐 （P46P46）特点：高：径特点：高：径=6=6左右；空气利用率高左右；空气利用率高工作原理：工作原理：（3 3）伍式发酵罐（）伍式发酵罐（P33P33）主要部件是套筒、搅拌器主要部件是套筒、搅拌器工作原理：工作原理：搅拌时液体沿着套筒外向上升至液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。升，由套筒内部下降，形成循环。（4 4）机械搅拌自吸式发酵罐（）机械搅拌自吸式发酵罐（P44P44）不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。气的发酵罐。关键部件：中空的叶轮为搅拌器关键部件：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，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后分散在液体之中三、动物细胞培养反应器三、动物细胞培养反应器1 1、动物细胞培养的特点、动物细胞培养的特点2 2、大规模动物细胞培养方法：、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；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贴壁培养：让细胞贴附于某种基质上生长繁殖 的培养方法；的培养方法；贴壁贴壁-悬浮培养：微载体培养悬浮培养：微载体培养3 3、常用动物细胞培养生物反应器、常用动物细胞培养生物反应器 （1 1）、气升式细胞培养生物反应器）、气升式细胞培养生物反应器 气气体体混混合合物物从从底底部部的的喷喷射射管管进进入入反反应应器器的的中中央央导导流流管管使使得得中中央央导导流流管管侧侧的的液液体体密密度度低低于于外外部部区区域域从从而而形形成成循循环环。气气升升式式生生物物反反应应器器主主要采用内循环式，但也有采用外循环式。要采用内循环式，但也有采用外循环式。（2 2）、中空纤维管生物反应器）、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既可培养悬浮生长的细胞，又可培养贴壁依赖性细胞细胞细胞细胞培养基入口培养基入口培养基出口培养基出口空气与空气与CO2出口出口空气与空气与CO2入口入口（3 3）微载体悬浮培养反应器）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率高；将贴壁培养和悬浮培养结合起 来，培养基利用率高来，培养基利用率高 缺点：搅拌时细胞易损伤，缺点：搅拌时细胞易损伤，不适合悬浮培养细胞不适合悬浮培养细胞 四、生物加工过程的参数四、生物加工过程的参数设定参数：设定参数：压强、温度、通气量、液位（或装液量）、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、培养基质浓度和速度、冷却介质流量与速度、培养基质浓度和产物浓度产物浓度状态参数：状态参数：黏度、黏度、pHpH、溶氧浓度、发酵液中溶解、溶氧浓度、发酵液中溶解COCO2 2浓度、浓度、细胞浓度及酶活特性、菌体形态细胞浓度及酶活特性、菌体形态间接参数：间接参数：氧利用速率、二氧化碳释放速率、比生产速氧利用速率、二氧化碳释放速率、比生产速率率五、主要参数的检测仪器五、主要参数的检测仪器检测仪器分为：在线检测和离线检测检测仪器分为：在线检测和离线检测传感器：传感器：将各种非电量（物理量、化学量、生将各种非电量（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。外界的各种信号转变为电信号。传感器一般包括：传感器一般包括：1 1、敏感元件；、敏感元件；2 2、转换元件；、转换元件；3 3、测量电路、测量电路用于生物反应器的传感器应具有以下特点：用于生物反应器的传感器应具有以下特点：1 1、测量准确可靠分辨能力高，能长时间工作，稳定性好，、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；具有可维修性；2 2、用于罐内的传感器必须能耐热，经受高温灭菌，不能、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；耐热的传感器可在罐外用其它方法灭菌后无菌装入；3 3、材料上选用不易污染的材料，结构上选择无死角的形、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；状和结构，防止被培养基或微生物污染或附着；4 4、传感器要有除被测变量外不受其他变量和周围环境条、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；件变化影响的能力，如抗气泡或泡沫干扰；5 5、反应器与传感器的密封应严密、反应器与传感器的密封应严密1 1温度的测量温度的测量常用的温度检测仪表有常用的温度检测仪表有热电阻检测器、半导体热敏电热电阻检测器、半导体热敏电阻、热电偶和玻璃温度计等阻、热电偶和玻璃温度计等。其中。其中热电阻热电阻是中低温区是中低温区最常用的温度检测元件，热电阻的测温范围为最常用的温度检测元件，热电阻的测温范围为 -200-200850850 大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可由下式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：表示：RtRt=R=R0 01+1+(t-t(t-t0 0)式中式中:RtRt，R R0 0分别为热电阻在分别为热电阻在tt和和t t0 0的的 电阻值电阻值 热电阻的电阻温度系数，热电阻的电阻温度系数，1/1/。测温电阻材料最合适的原材料是铂（测温电阻材料最合适的原材料是铂（PtPt），此外还有），此外还有铜和镍等金属铜和镍等金属2 2压强的检测压强的检测 P74P74工业上常用的为弹性压力计，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，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并转换成弹性体的位移 3 3液位和泡沫高度的检测液位和泡沫高度的检测常用液位检测方法：电容式液面计、压常用液位检测方法：电容式液面计、压差法、称重法差法、称重法 泡沫高度常用电极探针测定泡沫高度常用电极探针测定4 4流量测量流量测量 P75P75（1 1）液体质量流量计）液体质量流量计（2 2）电磁流量计）电磁流量计（3 3）转子流量计转子流量计 5 5发酵液黏度的测量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度计和振动式黏度计等 6 6搅拌转速和搅拌功率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。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直接测定电机搅拌功率 7 7pHpH值的测量值的测量pHpH复合电极：利用玻璃电极与参比电极浸泡于某复合电极：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一溶液时具有一定的电位8 8溶氧浓度的检测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，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。电流值就可以确定发酵液的溶氧浓度。9 9溶解溶解COCO2 2浓度的检测浓度的检测COCO2 2电极：利用对电极：利用对COCO2 2可选择通过特性的微孔膜，可选择通过特性的微孔膜，通过的通过的COCO2 2进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡进入饱和碳酸氢钠缓冲溶液中，平衡后显示的后显示的pHpH与溶解的与溶解的COCO2 2浓度成正比，由此原理浓度成正比，由此原理并通过变换就可测出溶解并通过变换就可测出溶解COCO2 2浓度。浓度。1010细胞浓度的测定细胞浓度的测定全细胞浓度：全细胞浓度：测量方法可分为湿重法、干重法、浊度法、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；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常用的在线检测全细胞浓度仪为流通式浊流通式浊度计度计：原理为在一定的细胞浓度范围内，全细：原理为在一定的细胞浓度范围内，全细胞浓度与光密度（胞浓度与光密度（ODOD）值成线性关系。）值成线性关系。活细胞浓度：活细胞浓度：利用活生物细胞催化的反应或活细胞本身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特有的物质而使用生物发光或化学发光法进行测定。测定。六、发酵过程控制六、发酵过程控制1 1、温度的控制、温度的控制温度控制系统组成：温度控制系统组成：温度测量元件（温温度测量元件（温度传感器）度传感器）温度控温度控制器制器调节阀调节阀被控被控过程的生化反应器过程的生化反应器（发酵罐）。（发酵罐）。2 2、pHpH的控制的控制系统由系统由pHpH测量电极和变送器、测量电极和变送器、pHpH控制器、控制器、空气开关和气动开关阀组成空气开关和气动开关阀组成 3 3、溶氧控制、溶氧控制系统由溶解氧电极和变送器、溶解氧多路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。器、压力控制系统和空气流量控制系统组成。4 4、补料控制、补料控制 系统由流量测量环节、流量控制器和调节系统由流量测量环节、流量控制器和调节阀组成阀组成