生物反应器课件.ppt

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，如细胞内外物质的交换、营养物到细胞的传递、氧从气泡到细胞的传递、二氧化碳从细胞到气泡的传出。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。 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。 ⑵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。 ⑶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。 ⑷理想流动和非理想流动 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。 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