细胞培养工程 06 细胞培养生物反应器(II)
生物反应器原理
生物反应器原理生物反应器是一种用于进行生物反应的设备，它在现代生物工程领域中起着重要作用。
生物反应器原理涉及到物质转化、细胞生长、微生物代谢等多个方面。
本文将介绍生物反应器的原理及其相关内容。
一、生物反应器的基本原理生物反应器是一个封闭的设备，用于控制和模拟生物活性环境，以实现所需的物质转化和生物过程。
其基本原理如下：1. 控制环境参数：生物反应器中的环境参数包括温度、pH值、氧气和营养物质的浓度等。
通过精确控制这些参数，可以提供一个适宜的环境，促进生物反应的进行。
2. 提供合适的生物体：根据所需的反应类型，选择合适的生物体，如细胞、微生物等。
这些生物体可根据具体要求进行培养和添加到反应器中。
3. 提供适宜的培养基：在生物反应器中，需要提供适宜的培养基来满足生物体的生长和代谢需求。
培养基可以包含有机物、无机盐、维生素等。
4. 控制反应过程：生物反应器中的反应过程可以分为两种类型，即静态和动态反应。
静态反应是指保持环境参数不变的情况下进行的反应，而动态反应则是通过改变环境参数来调节反应过程。
二、生物反应器的种类及应用根据不同的应用需求，生物反应器可分为多种类型。
下面介绍几种常见的生物反应器及其应用：1. 批量反应器：批量反应器是最简单的生物反应器类型，适用于小规模实验室研究。
其特点是一次性添加反应物，控制一定的反应时间后停止反应。
2. 连续流反应器：连续流反应器是以连续加入反应物和排出产物的方式进行反应。
由于连续供料和产物排出，使得反应过程更加稳定和持续。
3. 内循环反应器：内循环反应器是在连续流反应器的基础上发展而来的一种类型。
其特点是在反应器内保持较高的物质浓度，以增加反应效率。
4. 固定床反应器：固定床反应器是一种多孔载体上附着生物体进行反应的装置。
通过固定生物体，可提高床内微生物的多样性和稳定性。
5. 喷射式反应器：喷射式反应器是一种通过喷射和混合气体和液体来加速反应速率的装置。
其特点是能够提供高活性和高反应效果。
细胞工程名词解释
细胞工程名词解释名词解释动物细胞培养（animal cell culture）：是将来自动物体的某些器官或组织的细胞，在模拟体内生理条件下在体外进行培养，使之存活并生长。
原代培养(primary culture)：以直接取自生物体细胞、组织、或器官的培养。
传代培养（passage culture）：将原代培养的细胞继续转接培养的过程。
细胞的体外大量增殖是通过传代培养实现的。
细胞系(cell line)由原代培养经传代培养纯化，获得的以一种细胞为主，能在体外生存的不均一细胞群体,。
第一次传代培养后的细胞即为细胞系。
细胞株：从一个经过生物学鉴定的细胞系由单细胞分离培养或通过筛选的方法由单细胞增殖形成的细胞群叫细胞株(cell strain).接触抑制：动物细胞体外培养的方式之一，指由于细胞相互接触而抑制细胞运动性现象。
密度抑制：细胞接触汇合成片后，只要营养充分，细胞仍能进行增殖分裂，但当细胞密度达到一定程度后，营养相对缺乏，代谢产物增多，发生抑制现象。
动物细胞大规模培养：指人工条件下高密度大量培养有用动物细胞生产珍贵药品的技术,是生物工业中大量增殖基因工程、融合或转化细胞所所不可缺少的培养技术。
传代细胞：二倍体细胞，具二倍染色体，具有贴壁和接触依赖性，有限增殖能力，无致瘤性转化细胞：是通过正常细胞转化而来到的分化不成熟、具有无限增殖能力的细胞株。
微载体：依赖贴壁生长的细胞可以附着在微珠的表面繁殖，载体携带细胞在容器中呈悬浮状进行大量培养。
半连续式培养（Semi-continuous culture）：在细胞增长和产物形成过程中，每间隔一段时间从中取出部分培养液或者细胞剩余的细胞作为种子，再用新的培养液补足到原有体积。
灌流式培养（Perfusion culture）：是把细胞和培养基一起加入生物反应器后，在细胞增长和产物形成过程中，不断地将部分培养液取出，同时又连续不断地补充新的培养液。
干细胞：具有自我更新，高度增值，多向分化潜能的细胞群体胚胎干细胞：一种全能干细胞，是从着床前胚胎内细胞团经过体外分化抑制培养的一种全能干细胞系，可以分化为任何一种组织类型的细胞成体干细胞：成体组织内能够自我更新分化为一种或几种组织细胞的未成熟细胞可塑性：一种组织的成体干细胞向另一种组织的特化细胞分化的能力组织工程：利用生命科学，医学，工程学原理与技术，单独会是组合的利用生物材料，细胞因子实现组织修复再生的一门技术种子细胞：用于组织修复或是再生的细胞材料支架材料：替代细胞外基质使用的生物医学材料生长因子：细胞对外界环境产生的应答通过感知某种化学信号或刺激，并将之传递到细胞核中，调控基因的表达过程单抗：由一个只识别一种抗原决定簇的B细胞克隆产生的同源抗体胚胎工程：是指所有对胚胎进行认为的干预，使其环境因素，发育模式或局部组织功能，发生变化的综合技术胚胎移植：将一头良种母畜配种后形成的早期胚胎取出，移植到另一头同种的，生理状态相同的母畜生殖器官的相应部位，使之发育成为新的个体体外受精：将哺乳动物卵母细胞取出，在体外与精子结合受精的过程胚胎分割：将一个胚胎分割成1/2或1/4胚，移植后获得同卵双生或多生的后代胚胎融合：将两个或几个胚胎的部分或整体融合在一起，使之发育成一个胚胎，然后移植到受体母畜体内让其继续发育成一种嵌合体的技术试管婴儿：从母体中取出卵母细胞在体外进行体外受精，培养形成在其胚胎以后移植到子宫内，使之在子宫内着床，妊娠克隆动物：指不经过生殖细胞而直接采用体细胞的细胞核移植到去核的卵细胞中的方法，获得遗传性状与供核动物完全相同的后代胚胎核移植：将动物早期的胚胎细胞核或卵裂球通过人工操作，移植到去核卵细胞中，重组成新的胚胎并发育成与供体胚胎基因相同的后代的过程体细胞核移植：将动物体细胞经过抑制培养使其处于休眠状态，利用细胞融合技术将体细胞与去核的卵细胞融合重组成新胚胎。
行业资料植物细胞生物反应器类型及特点
行业资料植物细胞生物反应器类型及特点课程论文课程名称:细胞工程论文名称:植物细胞生物反应器类型及特点姓名:刘珍豆学号:110214208班级:生工1102班2014年4月14日目录一、植物细胞悬浮培养反应器------------------31、机械搅拌式反应器---------------------3器--------------------4 2、非机械搅拌式反应2、1、气升式反应器----------------------42、2、鼓泡式反应器-----------------------52、3、转鼓式反应器----------------------------------------5二、植物细胞固定化生物反应器:-------------------51、流化床生物反应器----------------------------62、填充床生物反应器---------------------------73、膜生物反应器-------------------------------73、1、中空纤维生物反应器---------------------73、2、螺旋卷绕生物反应器--------------------83、3、管式膜反应器--------------------------8三、当前生物反应器的发展前沿 -------------------8一、植物细胞悬浮培养生物反应器1、机械搅拌式生物反应器:其原理是利用机械搅动使细胞得以悬浮和通气;反应器的结构一般由柱状外壁和中心轴上垂直附加的叶轮组成，其主要优点是:搅拌充分，供养和混合效果好，溶氧系数KLa>100/h，反映器中的温度、pH及营养物的浓度较其它反应器容易调节，并可以直接借用微生物培养的经验进行研究和控制。
搅拌式反应器主要适用于对剪切力耐受性较强的细胞，如烟草细胞，水母雪莲细胞等;由于大多数的植物细胞的细胞壁对剪切力较敏感，易造成细胞损伤，所以在利用搅拌式反应器时需要对搅拌桨叶进行改进，一般可以通过改变搅拌形式、叶轮结构与类型等减小因搅拌而产生的剪切力。
细胞培养技术和生物反应器
细胞培养技术和生物反应器是生物技术领域中的两个重要实验技术。
细胞培养技术主要是指将细胞分离并在含有营养物质的培养基上培养，以获得大量同种或异种细胞的方法。
而生物反应器是指将微生物或细胞在恒定的环境条件下进行生长、代谢和产物合成的设备。
两种技术往往是相互关联和相辅相成的，因为细胞培养技术提供了足够的细胞量用于在生物反应器中进行实验。
细胞培养技术广泛应用于医药、生物学、毒理学、病毒学等领域。
细胞培养的根本目的是以体外方式获得细胞或细胞组织，以便于对细胞生物学现象进行研究，为疾病治疗和药物开发提供可靠数据。
培养细胞的关键包括培养条件的控制和细胞的传代。
这些条件包括温度、气氛、营养消耗状态和凝胶基质。
此外，为了维持细胞传代，需要定期添加培养基、DMSO等物质。
生物反应器是一种特殊的装置用于大规模制备蛋白质、抗生素、酶、细胞因子等生物制品。
反应器必须保持一定的环境，使生物体（微生物或细胞）在其中能够不断地生长和繁殖，同时保证生物制品的高产量和纯度。
为了实现这个目的，需要控制反应器的一些关键参数，如温度、PH值、氧气和二氧化碳浓度等。
反应器的选择取决于微生物或细胞的类型、生长习惯和所需产品的特性等，有很多种类型的反应器可供选择，如搅拌式反应器、柱式反应器、波动式反应器和固定化床反应器等。
细胞培养和生物反应器在生物技术领域中的重要性不言而喻，两者之间的协调和配合相当重要。
细胞培养可以提供充足的细胞数量，以便被用于生物反应器中的实验。
反应器在生产生物制品方面是不可替代的，在大规模生产生物制品时可以加速其生产效率。
与传统制造过程不同，生物制品的生产过程需要一定程度的控制和监测，尤其是在复杂的生产过程中。
生物反应器可以为此提供环境控制和实验数据，使生产过程更加可靠，并提高其生产效率。
但是，细胞培养和生物反应器也存在一些问题。
细胞培养的成功率通常较低，部分细胞不容易适应培养环境并进行繁殖，或者只有特定时期的细胞可以进行繁殖，而对于其他类型的细胞则较难培养。
细胞工程第六章动物细胞培养生物制药
BHK 21细胞（Baby hamster kidney cell）：是1961 年英国从幼地鼠的肾脏分离的细胞。成纤维样，异 倍体。常用于增殖病毒制备疫苗和重组蛋白。
Vero细胞（Vero cell）:是1962年日本从非洲绿猴肾 中分离的细胞。成上皮型，异倍体，贴壁型，是最 常用的大规模培养的动物细胞。
和将产终物体形积成1/积3～累1到/2的适培当养的液时装间入，反一应次器性中收，获适细宜胞
（二）大规、条模产件培物下养、接技培种术养细基胞的。，操培作养方过式程中流加浓缩的营养物 12、 、分流批加式 式培培或细和养养将密在时培胞产细度细间养和物原胞之胞取液培 形有接前增出，养成体种，长部使基过积于以和分细一程，一一产培胞品起中维定定物养持达加，持体速形物续到入不反积度成，生较反断应的连过再长高应将器培续程用至水器部内养添中新较平后 分总基加，培高，培体，新每养密在养积细鲜间液度细基不胞培隔补、胞取变达养一足目增出最基段到标长，大，产
供新鲜培养液流入小室和旧培养液
◆旋转管培养的排方出法，从而使细胞生活在不断更新
的培养液中
◆灌注小室培养法
3． 、培养液的发展 天然培养基(胎汁、血浆和血清)
人工合成培养基（需添加血清）
无血清细胞培养基（用激素、生长因子替代血清）
第三节 动物细胞培养的应用
一、在生物学领域基础研究中的应用 1、在细胞生物学上的应用
始分裂。随着细胞数量增多，细胞间开始接触并 连接成片，出现接触性抑制。 3、停滞期：细胞长满载体表面，随着营养物消耗和 代谢物积累，密度抑制现象出现，细胞开始退化。 如不及时传代培养，细胞脱落死亡。
微载体培养的操作过程：
微载体培养动物细胞也经过以上四步。大致可 以分为五个阶段，即培养初期阶段、黏附贴壁阶段、 维持培养阶段、细胞收获阶段、微载体培养的放大 阶段。
生物反应器
生物反应器生物反应器是一种生物技术设备，主要用于生物发酵、生物转化和生物固定化等过程的实现，是生物技术学领域中的核心设备之一。
生物反应器按规模大小可分为实验室规模、小型工业规模、大型工业规模及超大型规模，广泛应用于生物制药、食品工业、环保工程、化工领域及实验室研究等不同领域。
本文主要介绍生物反应器的基本概念、分类、结构、功能与应用等方面的内容。
一、生物反应器的基本概念生物反应器是一种专门用于维持和促进生物体生长繁殖，并对物质能量进行转化的设备。
是利用微生物生长代谢的能力，进行化学制品或生物制品的生产。
反应器内部常温度、氧气含量、pH值、营养物浓度等参数进行监测与控制，以维持接近理想的生长环境，从而提高微生物总体产量和单独化合物的产量。
二、生物反应器的分类按微生物名称分为真菌反应器和细胞反应器两种；按操作条件分为常压和高压反应器两种；按反应器内混合方式分为不同类型，如机械混合反应器、气液混合反应器、液相连续搅拌反应器、固相悬浮式反应器等；按生产工艺分则有批量式反应器、半连续式反应器和连续式反应器等。
三、生物反应器的结构生物反应器结构包括传质层、反应层和生物活性层三个部分。
传质层由反应器外壳和传质器件（气体传输系统与吸收液传输系统）组成，热量传递和质量传递的效率决定于传质器件的选择和设计。
反应层由反应器罐体、搅拌器、传热器、控制仪等组成，其内部环境的压力、温度、营养物浓度、气相浓度、氧含量、pH值等参数决定了反应的产物和效率。
生物活性层是一个重要的环节，是水生生物或微生物参与反应的主要部分。
其中，微生物是生物活性层的核心，它们根据营养状态发生生长、代谢和能量转换等复杂的反应，完成指定的反应目的。
四、生物反应器的功能生物反应器的主要功能是实现微生物生长代谢和化学过程，从而获得所需的生物制品或化学成品。
其次，需要满足反应器内环境的生物学和物理学参数要求，如空气、水、营养物、pH、pO2、温度、压力、流量等参数，确保最大的反应效率和最佳的反应条件。
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。
细胞生物反应器设备工艺原理
细胞生物反应器设备工艺原理细胞生物反应器是一种用于培养细胞生长和分裂的设备，具体包括反应器、控制系统、传感器、采样系统等组成。
设备构成细胞生物反应器主要由以下几个部分组成：反应器反应器一般应选用高透光的材质制作，如玻璃或者透明塑料。
反应器要具有良好的密闭性，可以防止氧气和废气的泄漏，同时也可以保证细胞培养过程中不会受到外界环境的干扰。
控制系统控制系统主要是用于控制反应器中温度，pH值，营养成分等因素的影响。
这个系统是由生物反应器和电子系统两个部分组成，它们一起负责控制反应温度、压力、搅拌速度、通风速度、液位高度和营养成分等参数。
传感器传感器可以实时监测反应器中的温度、氧气含量、pH值和细胞数量等参数，并通过串口传输到计算机进行记录和处理，同时也可以通过控制系统进行调整。
采样系统采样系统主要是用于在细胞培养过程中采集样本，用于后续分析和检测。
主要工艺过程细胞生物反应器的工艺过程主要包括以下几个步骤：培养基预处理细胞生物反应器使用的培养基必须严格消毒处理，以避免细菌和病毒的污染。
同时还要根据细胞类型和培养需求进行培养基的配方和调整，以保证细胞培养过程中的营养需要得到满足。
细胞接种和培养将处理好的培养基注入反应器中，然后将细胞接种于培养基中，开始进行细胞培养。
在这个过程中，需要根据细胞类型和培养需求设定适当的温度、通风和搅拌速度等参数，并进行实时监测，以保证培养环境的稳定。
生产后处理细胞生物反应器中的细胞不断生长和分裂，最终形成大量细胞，需要进行后续处理。
一般包括细胞分离、提取重要的代谢产物、蛋白质纯化等步骤，以满足后续实验或者生产的需求。
总结细胞生物反应器是一种机械化控制下的细胞培养设备，在细胞培养领域中有着广泛的应用。
通过对反应器的组成和主要工艺过程的了解，我们可以更好的利用这种设备进行细胞培养和生产，同时可以对其进行优化和改进，以满足不同的研究和生产需求。
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限制性底物浓度对 比生长速率（µ ）的影响
Si Ks
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溶解氧作为底物
• 氧是细胞生长和代谢所必需底物之一 • 氧在水溶液中的溶解度极低 • 为了满足细胞的生理 要求，反应器操作 （主要是搅拌转速和 通气流量）必须及时 向培养体系提供氧气， 避免耗尽
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扩散
• 菲克第一定律（Fick’s first law）
– 在单位时间内，通过垂直于扩散方向的单位截面积的 扩散物质流量与该截面处的浓度梯度成正比，即浓度 梯度越大，扩散通量越大 – 扩散物质流量：单位时间内，分子 L 通过单位面积 的净数量 分子 L 沿扩 dC L 散方向的 Flux D dx 浓度梯度 分子 L 的 有效扩散系数
（Doran：Bioprocessing Engineering Principles）
意义：边界层的存在，不仅影响流体流动的性质，而且会 影响各相之间传热和传质。
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对流：粘度概念
• 内部同心圆柱体的转动能否带动外圆筒的转动？ • 液体的性质：拉拽作用力的传导介质 • 液体介质的作用面积直接影响作用力大小 • Brookfield 粘度计工作原理
圆形横截面管道 搅拌式发酵罐搅拌桨
D υ ρ μ
管径 平均线性流速 流体密度 流体粘度
Ni Di ρ μ
搅拌桨转速 搅拌桨管径 流体密度 流体粘度
层流：小于 2,100 过渡：2,100 - 4,000 湍流：4,000
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搅拌桨形状对液体流动状态影响 很大，层流状态一般低于 10
计算（以1000 毫升计算）： 1. 1000 毫升培养液中 DO 的总量为 (1.0 mM x 21% - 0) = 0.21 (mmoles) = 0.21 x 10-3 2. 1000 毫升培养液中总活细胞数量为 5 x 106 (cells/mL) x 1000 (mL) = 5 x 109 (cells) 3. 活细胞每小时的需氧量（假设不随 DO 降低而变化） 5 x 109 (cells) x 3.2 x 10-13 (moles/cell/hour) = 1.6 x 10-3 (moles/hour) 4. 耗尽 DO 所需时间为 0.21 x 10-3 (mles) /1.6 x 10-3 (moles/hour) = 0.13 (hour)
细胞袋预先消毒，一次性使用，不必清洗 通过支架的摇摆实现主体混合 DO/CO2/pH 控制 0.1 - 500L
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特殊细胞营养物质 - 溶解氧（DO）
• 细胞生理代谢需要量最大的必需营养物质： 1 C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O • 氧气以溶解氧（DO）形式在水溶液中存在，常温下溶解度非常低 • 一个大气压 • 空气（其中 O2 占 21%） • 37oC 培养基溶液（盐类溶质的存在降低其溶解度） • 饱和浓度约为 0.21 mM • 相较于葡萄糖浓度（如 25 mM），溶解氧不足以满足细胞生长需要， 需要不断提供通氧（向反应器内部鼓气，或培养基顶部界面换气） (25 - 0) x 6 / (0.21 - 0) = 714.3 (倍) • 细胞膜对氧分子具有通透性，氧分子通过被动扩散进入细胞内部
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扩散
• 在流体（气体或液体）内部，分子间每秒钟发生数 以万亿次碰撞，每次碰撞都会导致溶质和溶剂分子 的运动方向改变； • 分子的扩散速度取决于其大小、形状、温度和流体 粘度（流动阻力）； • 宏观效果：分子从浓度较高区域迁移至较低区域； • 可类比物理现象 – 热量（温度） – 流体流动（压力）
• 定义
– 沿着流路，并显示流速与相对位置关系的表示方法； – 线条的疏密程度表示流速的相对大小。
恒定流速 低流速中有障碍物 发酵罐挡板区域
湍流 层流
漩涡
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（Doran：Bioprocessing Engineering Principles）
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对流：雷诺准数（Re）
• 流体的流动状态，取决于流体的流速、粘度、密度、以及 流路的几何形状； • 雷诺准数是用来描述流体的流动特点的参数（无物理单位）
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对流（流动）
• 由于重力、压力或剪切力的存在，流体（气体或液 体）主体发生流动，溶于其中的溶质随之移动； • 溶质的扩散现象同时存在 – 如果流体流动相对比较慢，溶质的扩散现象对 其传递起主导作用； – 如果流体流动相对比较快，液体主体流动对溶 质的传递起主导作用； • 粘度：流体对流动的摩擦阻力，受温度和压力影响 • 密度：显示物质内部分子之间的紧密程度
O2 (mM) 2.18
1.70 1.54 1.38 1.26 1.16 1.09 1.03
1.0
2.0
1.16
1.12
1.12
1.02
0.89
0.71
来源： Bailey & Ollis (1986), Biochemical Engineering Fundamentals (2nd ed.), p 463
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扩散：室温下物质的扩散系数范围
物质与扩散媒介 Gases in gases Gases in liquids Small molecules in liquids Proteins in liquids Proteins in tissues Lipids in lipid membranes Proteins in lipid membranes 扩散系数 (cm2s-1) 0.1 to 0.5 1 x 10-7 to 7 x 10-5 1 x 10-5 1 x 10-7 to 7 x 10-7 1 x 10-10 to 7 x 10-7 1 x 10-9 1 x 10-12 to 7 x 10-10
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在不通氧的条件下，DO 耗竭需要多久？
假设条件： 1. 活细胞密度为 5 x 106 (cells/mL) 2. 细胞比需氧量为 3.2 x 10-13 (moles/cell/hour) 3. 培养基为 100% 空气饱和（一般为 50% 左右），纯氧饱和溶解度为 1.0 mM。
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对流：边界层概念
定义
• 当流体与静止物体相接触时，受 到影响的流体薄层被称作边界层； • 在静止物体表面，流速为零，称 作静止层； • 由于流体粘度作用，边界层内部 与静止层相邻的液层流速会降低 （粘滞阻力）；离静止层越远，粘 滞阻力越弱，流速越高，逐渐接近 主体流速。因此，在边界层内部存 在一个速度梯度。
动物细胞培养 生物反应器
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4. 分子传递现象
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分子传递的基本物理现象
扩散（Diffusion） • 由于分子碰撞而 传递热能所引起 的分子随机运动 • 举例：气泡外周 液体滞流层内溶 解氧分子的扩散 对流（Convection） • 由于流体主体的运 动所引起的传递 • 举例：滞流层被从 气泡外周置换离开 气泡之后，溶解氧 分子随液体流动而 位移至反应器的其 它位置
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搅拌式生物反应器 – 通氧方式
（1）底部通氧（主要） • 通氧效率高 • 产生气泡，需要采取保护措施 （2）顶部通氧（辅助） • 通氧效率较低，适合细胞浓度低的接种初期阶段 • 不产生气泡
（2）
（1）
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WAVE Bioreactor - Cellbags
• • • •
粘度
F A
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dv dy
dv dy
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流 体 的 流 变 学 分 类
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对流：粘度的意义
• 粘度是影响流体行为最重要的流体性质，相当于流 体本身对流动所施加的摩擦阻力，损耗机械能 • 粘度对流体的泵送、搅拌混合、传质、传热和液体 通气，都有显著作用，因此，对于生物过程设计以 及经济成本也有重要影响 • 培养液的粘度受细胞、底物和空气影响。
流体 薄层
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对流：粘度（µ ）
1. 将液体注入上下两块平板之间， 距离 D，面积为 A 2. 当下板发生移动时，流体随其 运动，但上板表面液体速度为 零，因此形成速度梯度 3. 剪切力 F 与速度梯度成正比
dv F dy
4. 剪切应力定义
Doran：Bioprocessing Engineering Principles
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氧的溶解度
一个大气压下，温 度对纯氧在水中溶 解度的影响
温度 (oC) 0
10 15 20 25 30 35 40
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一个大气压下（25oC）, 纯氧在 不同浓度电解质溶液中的溶解度
电解质 （M) 0.0 0.5 O2 (mM) HCl 1.26 1.21 H2SO4 1.26 1.21 NaCl 1.26 1.07
搅拌桨作用 扩散作用
较小 漩涡
最小 漩涡
0.25
较大 漩涡
cell
æn 3 ö Kolmogorov scale（cm） h = ç ÷ èe ø
n e
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培养基运动粘性系数 (cm2/s) 单位质量流体能量耗散速率 (cm2/s3)
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搅拌式生物反应器 – 混合效果评估
• 方法：在固定位点跟踪标示物浓度
粘度（常温） 密度 Gases 10－4 0.001 运动粘度 0.1
Water Glycerol