20151102NBS生物反应器介绍
生物反应器的原理及类型
总体流动的湍动程度决定漩涡的尺寸和强度，而不同尺寸和 强度的漩涡对液团又有着不同的破碎作用。
通常，总体湍流的湍动程度越高，漩涡的尺寸越小，强度越 高，数量越多。
漩涡尺寸越小，破碎作用越大，所产生的液团也越小。大 尺度的漩涡只能产生较大尺寸的液团，因为尺寸较小的液团 将被大漩涡卷入与其一起旋转而不是被破碎。
总体流动的流行相当复杂，不同形式的搅拌器各不相同。最 典型的螺旋桨式搅拌器和涡轮式搅拌器所形成的流型结构。 两者相比，螺旋桨式搅拌器可提供更大的流量，特别适用于 要求大尺度混合均匀的搅拌。
2）小尺度混合机理
A、互溶液体的混合机理
总体流动可将混合液体中的一种流体破碎成较大的液团，并 同时将液团带至容器的各处，造成宏观上的均匀。但是，但 是总体流动不足以将液团破碎到很小尺寸。尺寸很小的液团 是有总体流动中的湍动造成的，湍流可以看成是由平均流动 与大量不同尺寸、不同强度的漩涡运动叠加而成的。总体流 动中高速旋转的漩涡与液体微团之间会产生很大的相对运动 和剪切力，液团正是在这种剪切力的作用下被破碎的更加小
价的原料被升值了。因此，生物反应器的设计和
操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对
产品的成本和质量有很大影响。
产物
产品提取或液化 副产物
废物
一 般 生 化 反 应 过 程
第一节 生物反应器原理
质量传递 培养液的流变学性质
生物反应器的混合 剪切力
一、生物反应器中的质量传递 混合物中某一组分从其高浓度区域向低浓度 区域方向迁移的过程 .与动量传递、热量传 递并列为三种传递过程。质量传递可以在一 相内进行，也可能在相际进行。
为表示生物反应器中的剪切力，人们提出了多种表示 方法，通常有以下几种。
桨叶尖速度
生物反应器
3种酵母表达系统
• 甲醇营养型酵母表达系统：巴斯德毕赤酵 母(Pichia pastoris)表达系统最为常用；
• 巴斯德毕赤酵母具有翻译后修饰功能，如 信号肽加工、蛋白质折叠、二硫键形成和 糖基化作用等，其糖基化位点其他哺乳动 物细胞相同，适合于生产医药用重组蛋白 质。
3种酵母表达系统
• 裂殖酵母不同于其他酵母菌株，它具有许 多与高等真核细胞相似的特性，它所表达 的外源基因产物具有相应天然蛋白质的构 象和活性。遗憾的是，目前对它的研究较 少。
动物细胞生物反应器
• 昆虫细胞； • 哺乳动物细胞； • 鱼类细胞。
昆虫细胞生物反应器
• 昆虫杆状病毒表达系统( BEVS)： 病毒载体、昆虫细胞、宿主培养基； 与细菌 、酵母、 哺乳动物细胞表达系统相比，
具有易于操作和筛选， 较好的转录后加工 修饰以及安全等优点； 缺点：昆虫细胞的蛋白质加工过程并非同高 等的真核生物完全一致， 最终会影响到表 达产物的生物学活性。
家蚕丝腺生物反应器
• 家蚕是人工养殖的经济昆虫， 蚕的丝腺作 为生物反应器来表达重组的外源蛋白具有 极高的商业价值与应用前景。
家蚕丝腺生物反应器
• 存在的问题： 丝腺中主要以丝蛋白分泌为主，给目的蛋白
的下游分类纯化带来了困难； 与杆状病毒表达系统一样存在蛋白质转录后
修饰的问题； 如何将外源基因稳定的转入家蚕体内，同时
• 真核单细胞、结构简单、 因序列已经完全测 得, 序列结构比较清楚, 利于遗传操作;
• 培养条件简单, 可以大规模培养, 易于工业化 生产; 核转化与叶绿体转化方法成熟;
• 衣藻作为真核生物, 可以对真核蛋白质进行准 确的翻译后加工修饰( 如: 正确的折叠等) ;
• 衣藻本身不带有对人体有害的生物, 如病毒、 细菌等, 这就使得其表达的产物不会含有毒素 等有害物物质, 从而减少纯化步骤, 大大降低成 本。
生物反应器
1．生物细胞反应器的设计、选用及放大的原则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。
采用活细胞(包括微生物、动植物细胞)作为生物催化剂的生物反应过程称为发酵过程或细胞培养过程。
利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程。
生物反应器的作用是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。
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；较高的传质、传热性能；配套而又可靠的检测和控制仪表。
生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。
决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。
生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。
由于反应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过程使其最优化的问题。
对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。
由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品。
大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。
生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高、成本低。
生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计的一个重要因素。
生物反应器设计应具有以下一些原则：在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接连通；尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引起法兰连接外移位，从而导致污染；在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所；防止死角、裂缝等情况；某些部分应能单独灭菌；易于维修；反应器可保持小的正压；与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封，如采样口的阀门在不使用时，其出口处应有流动蒸汽通过；发酵罐应始终保持在正压以排除渗漏；几乎所有的发酵罐都由玻璃或不锈钢制成。
生物反应器的研究及应用
生物反应器的研究及应用生物反应器是一种生化过程发生的器具，可以用于细胞培养、微生物发酵、酶反应、蛋白质合成等各种生物学和化学实验中。
相对于传统的实验方法，生物反应器可以在比较短的时间内进行复杂的反应，控制反应参数，更好地模拟生物体内的环境，并且可以批量化生产，具有广泛的应用前景。
一、生物反应器的概述生物反应器是一种器具，通常由反应釜、联接管道、控制系统等部件组成。
生物反应器的核心是反应釜，釜内的容积可以根据需要调节，并通过控制温度、氧气和营养液等反应参数，达到模拟生物体内环境的目的，从而促进生化反应的进行。
生物反应器按照反应方式可分成静态反应器和动态反应器两种类型。
其中，静态反应器主要用于培养细胞和组织工程，包括完整的器官和组织构建；而动态反应器则更加灵活，可以控制多种参数的变化，因此可以用于微生物、动物细胞和植物细胞等方面的实验。
二、生物反应器的运作原理生物反应器将反应物料混合在反应釜中，并对反应釜中的环境进行调节，例如糖、氨基酸、脂肪酸、酒精、维生素、激素和外在压力等。
通常，生物反应器的目标是允许细胞或微生物在温度、pH值和气压等控制的环境下生长和繁殖。
生物反应器在运行过程中需要严格控制参数，如温度、氧气、营养液的流速等。
这些参数可通过传感器和控制器进行精确的调节，以便维持反应体系的状态，从而促进反应的进行。
三、生物反应器的应用生物反应器是一种重要的研究工具，可用于各种生物学和化学实验。
特别是在医学和生物技术领域中应用广泛，一些具有临床前景的新药物、生物材料和基因工程产品的开发也需要借助于生物反应器。
在医学方面，生物反应器可以用于实验室的细胞培养，可以培养出大量、完整的、在外部环境下无法维持的组织，可以进一步进行细胞生物学、组织学和生理学研究，探索人体生物化学反应的机制。
生物反应器也可以用于生物制药的生产，如异肉病毒疫苗、人血促性腺激素、血液凝固因子等生物技术产品，可通过生物反应器实现规模化生产。
生物反应器
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
大型发酵罐搅拌装臵
一个优良的培养装臵应具有：
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
第一节
一. 发酵罐 1. 基本概念
朝日罐
排酵母 冷却
循环
（1）利用离心机回收酵母；（2）利用薄板换热器控制发酵温度 （3）利用循环泵把发酵液抽出又送回去。
优点： 三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵 母浓度的控制问题，加速了酵母的成熟； 使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉 淀慢的缺点； 利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵浓接 触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其 含量。可加速啤酒的成熟； 后酵时罐的装量可达96％，提高了设备利用率 减少了排除酵母时发酵液的损失； 缺点：动力消耗较大。
第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大 到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了 压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服一些气体交换
和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。
第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发 酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运 而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。
三、联合罐
是一种具有较浅锥底的大直径 (高径比为1：1~1.3)发酵罐 能在罐内进行机械搅拌，并具 有冷却装臵。 联合罐在发酵生产上的用途与 锥形罐相同，既可用于前、后 发酵，也能用于多罐法及一罐 法生产。因而它适合多方面的 需要，故又称该类型罐为通用 罐。
生物反应工程原理(生物反应器)
生物反应器微生物反应器微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。
①厌氧生物反应器：其反应器不需供氧，设备结构一般较为简单。
应用于乙醇、啤酒、丙酮、丁醇的生产;②好氧生物反应器：生产过程中需不断通入无菌空气，因而其设备的结构比厌氧生物反应器复杂。
应用于氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞蛋白SCP等的生产。
根据反应器通风和搅拌的方式不同可分为三类：机械搅拌通风式、自吸式和通风搅拌式。
酶反应器酶反应器是根据酶的催化特性而设计的反应设备。
其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。
酶反应器的种类有常用于饮料和食品加工工业的搅拌罐型反应器，使用最广泛的固定化酶反应器的固定床型反应器，适合于生化反应的膜式反应器等。
每种类型的反应器各有优缺点，应根据不同需要进行选择。
目前，全世界正致力于第二代酶反应器的研究，随着一些相关技术问题的解决，酶反应器技术将在各行各业得到更为广泛的应用。
动植物细胞反应器动植物生物反应器产生于19世纪80年代，此中生物反应器的主体是动植物细胞，主要是按照动植物细胞的生长要求，控制各种生化条件，促进动植物细胞的新陈代谢，以获得人们所需要的代谢产物。
由于动物细胞培养的难度，目前所用的最理想的动植物细胞反应器是哺乳动物的乳腺，由此可以生产抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品，有非常好的前景。
生物反应器的特点：①生物反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。
决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。
②生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。
生物反应器原理
一个新生物反应过程的开发。
最初阶段是认识与发现新的生物反应，
然后才进入工程阶段，在工程阶段中，开发工 作者首先遇到的是生物反应器的选型，确定 选型后，进入操作条件的选择和反应器的工 程设计。
生物反应过程与化学过程的本质区别在于有生 化催化剂参与反应。
本课程，通过生物反应过程分析和生物反应器 的选型与设计,阐明细胞反应过程的动力学规
为了了解生物反应器的基本原理，有必要了解 ：
1.生物反应体系的流变学特性，氧传递与微生 物呼吸，体积溶氧系数与相关因素，溶氧方 程与溶氧速率的调节。
2.酶反应器及其设计，机械搅拌式发酵罐及其 设计，气升式生化反应器设计，生物废水处 理设备及动植物细胞培养用反应器等。
3.分批式，流加式，连续式操作，以及动植物 细胞培养技术等。
延迟期的长短与种子的种龄及接种量的大小有 关。年轻的种子产生的延迟期较短，而种龄 较老的种子需要较长的延迟期。
B指数生长期
在这一阶段中，由于培养基中的营养物质比较充 足，有害代谢物很少。所以，细胞的生长相对 不受到限制，细胞浓度随培养时间指数增长， 称为指数生长期，也称为对数期。
3.因原料是农副产品,所以受价格变动影响大.
4.生产前的准备工作(开发新菌种,扩大培养等)量 大,且花费高.对于好氧反应,需氧,故增加了生产 成本,且氧的利用率不高.
5.一般的,废水需进行处理.
微生物反应过程的质量与能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应与化学反应的主要区别是:微生物
反应中参与反应的培养基成分多,反应途径 复杂.
课程简介：
生物反应器的型式
生物反应器主要有三种类型：间歇式、半连续式 （流加）、连续式反应器。连续反应器进而又 可分为连续搅拌罐反应器（CSTR）和活塞流 反应器（PFR).
生物反应器的工作原理及应用
生物反应器的工作原理及应用生物反应器是一种用于生物工程学实验和研究的仪器设备，它使用微生物、细胞或其他生物体来生产有用化合物和产品。
生物反应器在制药、食品、化学等领域都有着广泛的应用，成为了现代生物技术行业必不可少的设备之一。
一、生物反应器的基本原理生物反应器的基本原理是利用微生物在适宜的环境中进行代谢，从而生产有用的活性物质。
这个过程中，微生物进入反应器中，通过呼吸代谢过程吸收营养，释放废物。
营养成分是微生物繁殖和生产的原料，而废物是代谢产物，必须及时排出反应器，以避免毒性产物的积累。
反应器的外部有一套控制系统，可清除废物，维持反应器内部的温度、压力和物质的浓度。
对反应器的控制非常重要，如果控制失误，反应器内部会出现废物积聚、温度失控等问题，严重时会使微生物死亡，导致产品销毁或者严重缩水。
二、生物反应器的基本组成生物反应器基本由反应室、进料系统、排出系统、控制系统和取样系统组成。
这些系统分别完成进料、排出、控制、采样等操作，在反应器的正常运行过程中扮演着重要的角色。
1. 反应室：生物反应器的核心设备，相当于一个容器或者瓶子，微生物在其中进行生长、繁殖、代谢等过程。
2. 进料系统：用于提供反应室内的养分原料、营养液等，进料系统包括喷泉、泵、管道、阀门等，可根据实际需要配置。
3. 排出系统：用于收集反应室中的废物产物和副产物，排出系统包括泵、管道、阀门等，需要定期清理和检修。
4. 控制系统：主要用于对反应器的温度、压力、气体含量、搅拌速度、pH值等进行调节控制，避免微生物死亡和产物损失。
5. 取样系统：用于取出反应室内的样品，以进行后续的分析和实验研究。
三、生物反应器的应用生物反应器在生物制药、食品工程、环境保护、合成化学等领域都有着广泛的应用。
1. 生物制药：生物反应器广泛应用于生产抗生素、酶、蛋白质等。
比如生产人胰岛素，就需要利用生物反应器培养细胞系统合成，随后分离纯化及检测。
2. 食品工程：大量的食品和饮料都需要微生物或酵素发酵才能制成，而反应器则是此过程的关键。
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中试及生产
19.5L，40.0L
GelliGen Pro 可定制模块 生产规模 化原位灭菌生物反应器
75L，150L，300L， 650L
Eppendorf China
5
> CelliGen115
> BioFlo320
Eppendorf China
6
> CelliGen510
> CelliGen Pro
Eppendorf China
4
生物反应器种类
型号 CelliGen115 可高温灭菌 生物反应器 适用范围 研发 规格（罐体总容积） 1.3L，3.0L，7.5L， 14.0L
BioFlo320可高温灭菌搅 拌桨固定床式生物反应器
研发及中试
2.5L，5.0L，7.5L， 14.0L
CelliGen510 原位灭菌生 物反应器
载体类型
微载体：以交联葡聚糖为基质，或 偶联变性胶原，提供良好的细胞贴 壁生长环境。
片状载体：材质为聚丙烯及聚酯纤 维。对贴壁细胞培养时，相较其它 微载体，培养细胞浓度及产量可达 10倍以上。
Eppendorf China
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ12
BioFlo320生物反应器介绍
> BioFlo320生物反应器可用于玻璃罐体或一次性罐体。 > 有五种搅拌桨可供选择，用于，贴壁/悬浮细胞的批次，流加或灌流 培养。
Eppendorf – In touch with life
®
Eppendorf生物反应器介绍
李婷
> 生物反应器发展历史 > 生物反应器种类 > 搅拌桨种类 > 载体种类 > BioFlo320生物反应器介绍
生物反应器发展历史
艾本德生物反应器，前身是美国NEW BRUNSWICK SCIENSE （简称NBS公司） 生物物反应器，是世界上最早开发出实用性生物反应器和进入商品化生 物反应器的公司。在竞争激烈的生物反应器市场，艾本德生物反应器凭 借其自身的特点和功能来立于不败之地。 > 第一台“细胞培养工厂”，1970年为美国阿拉巴马大学量身定制 > 第一家将发酵罐系统与计算机结合的公司 > 第一家推出籍由个人电脑操控发酵罐的公司 > 第一家推出用片状载体进行大规模细胞培养的公司 Eppendorf发酵罐/生物反应器已广泛运用在大规模培养应用上，例如：生产疫 苗，基因工程产品等。
Eppendorf AG | Projec t | Presentation Title | Author | Date
14
谢谢！
Eppendorf AG | Projec t | Presentation Title | Author | Date
13
> 15英寸电容触摸屏 > 水套式罐体 > 无碳刷磁力驱动马达，可正转/ 反转 > Waston-Marlow蠕动泵，变速/ 定速，正转/反转 > 无菌取样装置 > 整合梅特勒智能电极平台，可 用模拟/数字/光学电极 > 功能强大的模块化控制器
细胞提升式 搅拌桨
篮式 搅拌桨
斜叶桨
螺旋桨
搅拌桨适用范围
悬浮培养 适用细胞种类 悬浮/半悬浮细胞 转化后的稳定细胞 病毒感染后细胞 细胞融合病毒 最终产物 最适搅拌桨 细胞本身 斜叶、螺旋桨搅拌桨 斜叶、螺旋桨、 细 胞提升式搅拌桨 微载体培养 贴壁细胞 转化后的稳定细胞 转化后的稳定细胞 病毒感染后细胞 病毒感染后细胞 细胞释放病毒 细胞分泌产物洗脱 至培养液内 篮式搅拌桨 填充床(篮式)培养 悬浮/贴壁细胞(分 泌型细胞系)
Eppendorf China
8
搅拌桨种类
> 用于细胞培养：斜叶搅拌桨，推进式搅拌桨，旋转过滤器搅拌桨， 细胞提升式搅拌桨，填充床篮式搅拌桨
Eppendorf AG | Projec t | Presentation Title | Author | Date
9
NBS搅拌桨种类
消泡装置
旋转过滤器
Eppendorf AG | Projec t | Presentation Title | Author | Date
7
CelliGen BLU 一次性生物反应器
CelliGenTM BLU 是一款一次性使用便利且可靠的高性能生物 反应器。其高级流程 控管和可调式搅拌罐设计，是科研及工 业用户的理想选择。有5.0L，14.0L， 50.0L 三种规格可选