生物制药工程设备【3】生物反应器设计基础
《制药化工过程与设备》生物反应器
04
生物反应器的设计与放大
生物反应器设计原则
保证生物反应的顺 利进行
设计合适的生物反应器，提供适 宜的反应条件，如温度、压力、 pH值、溶氧量等，以保证生物 反应的顺利进行。
优化细胞生长和产 物生成
设计生物反应器时应考虑细胞生 长和产物生成的最优化。为此， 需要研究细胞代谢途径和产物生 成机制，以便在反应器中提供适 当的条件。
提高能效与降低成本
能效提升
通过优化反应器设计和操作条件，提高能量转换 效率和资源利用率，降低能源消耗。
成本控制
降低原料、设备维护和运营成本，提高生产效益 和竞争力。
规模效应
通过扩大生产规模，降低单位产品的生产成本， 提高市场竞争力。
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强化细胞膜通透性
通过采用适当的化学物质或物理方法，增加细胞膜的通透 性，促进底物和产物的扩散，提高反应速率和产物收率。
过程优化案例分析
• 某制药公司生产抗生素的过程优化：通过实验研究和实际生 产经验的积累，该公司找到了适合其生产过程的最佳操作条 件，包括温度、湿度、压力和搅拌速度等。此外，该公司还 选择了适宜的微生物菌种，并优化了底物和产物浓度，强化 了细胞膜通透性，最终提高了抗生素的生产效率和收率。
工业规模生物反应 器应考虑环保和…
设计的生物反应器应能够满足环 保和节能的要求，采用环保材料 和设备，同时降低能源消耗。
05
生物反应器的应用实例
酒精生产工艺
总结词
生物反应器在酒精生产工艺中应用广泛，具有提高产量、降低成本、环保等优势。
详细描述
酒精生产过程中，生物反应器可以作为微生物发酵的反应容器，通过控制温度、压力、搅拌速率等参数，提高 酒精的产量和纯度。同时，生物反应器还可以实现连续生产，降低生产成本和能源消耗，减少废水的排放。
生物反应器设计基础
ln(C X C X 0 ) = µt L (2.9)
由式2.9，得倍增时间td：
ln 2 ln 2 td = = L (2.10) µ µ max
微生物细胞μmax值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μmax 值小得多，动物细胞的倍增时间约15～100h，植物细胞倍增时间 约24～74h。
C : N : O : H :
1 = Yb + Yp + d a = qYb + tYp 1 + 2b = nYb + sYp + c + 2d m + 3a = pYb + rY p + 2c LL (2.1)
CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
• 对基质的产物得率Yp/s
YP / S = 生成代谢产物的质量 ∆P ＝ 消耗基质的质量 − ∆S
基质的细胞得率Y 基质的细胞得率 x/s与比生长速率的关系
•比生长速率µ：生长速度大小的参数。
rx = dC X dt = µC X L(2.3)
•维持的定义：
1 YX / S
＝
1 Y
max x/s
与化学反应器不同， 4、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一 些原则： 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 在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接 已灭菌部分与未灭菌部分之间 连通； 连通； • 尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引起 尽量减少法兰连接 因为设备震动和热膨胀， 法兰连接， 法兰连接外移位，从而导致污染； 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 在可能的条件下，应采用全部焊接结构 全部焊接结构， 必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； 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； 防止死角、裂缝等情况； • 某些部分应能单独灭菌； 某些部分应能单独灭菌； • 易于维修； 易于维修； • 反应器可保持小的正压。 反应器可保持小的正压。
生物制药生产设备 生物反应器设备
生物反应器—进行生物化学反应的空间。
体外生物反应器可分为微生物反应器、植物细胞反应器和动物细胞反应 器等类型。
微生物反应器常常是罐式反应器，又称为发酵罐。发酵罐是微生物大量
生长繁殖的空间，是一类重要的生物反应器。
设备分类
根据结构不同，可分为好氧式发酵罐和厌氧式发酵罐。在生物制药工业中所使 用的主要是好氧式发酵罐，又叫做通风发酵罐。通风发酵罐可分为机械搅拌通 风发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐、鼓泡塔式发酵罐等类型。
设备结构
由立式罐体、电动机、联轴器、搅拌轴、空心涡轮搅拌器、夹套冷水进 口、发酵液出口、折流挡板、承重支座、夹套冷水出口、吸气管和吸气 口等组成。
罐体结构与通用式发酵罐相同，但搅拌器的形状和结构不同。 自吸式发酵罐使用带中央吸气口的搅拌器。
工作原理
空心涡轮搅拌器的内部空间与吸气管相通，且凿刻有微小气孔与发酵罐内胆空间相通。在搅拌轴 带动下，空心涡轮搅拌器在旋转过程中将内部的空气甩出后成真空，在压力差作用下，外部的大 气不断从吸气口经吸气管进入空心涡轮搅拌器内部空间，随后被离心力甩出并在搅拌下扩散到发 酵液中。在发酵过程中，空心涡轮搅拌器既起着搅拌的作用，又起着输送和分散空气的作用。 空气靠发酵液高速流动形成的真空自行吸入，气液接触十分良好，气泡分散较细，提高了氧在发 酵液中的溶解速率。
机械搅拌通风发酵罐
气升式发酵罐
机械搅拌发酵罐结构和工作原理
设备结构
机械搅拌式发酵罐是发酵工厂常用类型之一。 主要由直筒体、上封头、下封头、挡板、搅拌器、轴封、换热器、 空气分布器等部件组成。
设备结构
换热器
小型发酵罐采用夹套间壁换热。在发酵罐直筒体外壁覆盖不锈钢 板形成夹套换热器。
大型发酵罐常采用蛇管或列管式换热器。
生物反应器的设计
机械性能：材料应具备足够的强度和韧性，以承受生物反应器中的压力和振动。
热稳定性：材料应能在生物反应器所需的工作温度下保持稳定，不易变形或分解。
定义：材料与生物体的相互作用关系，包括材料对生物体的适应性、安全性和有效性
重要性：生物相容性是生物反应器设计中的关键因素，直接关系到产品的质量和安全性 考虑因素：材料的化学稳定性、物理稳定性、生物活性、无毒性和可加工性等 常用材料：不锈钢、钛合金、硅橡胶、高分子材料等
微藻生物反应器：利用微藻光合作用生产生物燃料和有用物质，具有高光能利用率、 生长快速的优点。
智能化控制：通过先进的传感器和算法实现生物反应器的智能化控制，提高生产效率和降低能耗。
新型生物反应器设计：开发新型生物反应器，如光合生物反应器、微藻生物反应器等，以满足不断增长的需求。
生物反应器集成化：将多个生物反应器集成在一起，实现连续化、规模化生产，提高生产效率。
生物反应器的设计应考虑反应速度、产物 浓度、细胞生长和产物形成等多个因素。
生物反应器的基本类型包括微生物反应器、 动物细胞反应器和植物细胞反应器等。
生物反应器的应用范围广泛，包括医药、 食品、化工和环境保护等领域。
按照微生物的种类分类：厌氧反应器、好氧反应器等 按照操作方式分类：分批式反应器、连续式反应器等 按照搅拌方式分类：机械搅拌反应器、气流搅拌反应器等 按照传热方式分类：自然散热反应器、强制散热反应器等
传热系数：提高传热系数可以有效降低能耗，常用的方法包括改善流体流动状态、增加湍流 等。
生物反应器的操作 优化
温度优化：选 择适宜的温度 范围，以提高 生物反应的效
率
溶氧浓度：调 整溶氧浓度， 以满足微生物
生物医学工程中的生物反应器设计
生物医学工程中的生物反应器设计随着卫生医疗事业的不断发展和水平的提高，生物医学工程在现代医学领域中越来越受到关注，而生物反应器则是生物医学工程的一个重要组成部分。
生物反应器是一个能够控制生物过程的设备，通过调节反应器中的温度、pH值、营养液等因素来实现对生物反应的控制，可用于生产生物制品、研究生物学现象等众多方面。
在生物医学领域中，生物反应器已经成为了制药工程和生物技术的重要工具。
一、生物反应器设计的重要性生物反应器设计是生物制品制造中最重要的环节之一，它不但对于生产成本和产品质量的影响巨大，同时其设计方案也决定了生物反应的成败。
以生物制品制造为例，对于不同类型的生物制品，反应器的设计方案会有很大的不同。
比如，对于单一微生物发酵的生产，反应器的设计需要控制好发酵速率、氧气气体的传递以及产物的分离和提取；而对于白细胞培养的生产，反应器的设计则会更加复杂，需要考虑到细胞数的控制、营养液的供给以及高密度培养条件的优化。
二、生物反应器设计要考虑的因素生物反应器设计是一个非常复杂的过程，需要兼顾生物、化学、流体力学等方面的知识。
下面将简要介绍一些设计生物反应器时需要考虑的因素：1、物质利用率：生物反应器的物质利用率是较重要的指标。
反应器环境需要能够提供良好的温度、营养物质、废物排放等。
此外，反应器的设计需要尽可能降低生物反应中的部分消耗和废物排放。
2、设备要素：设备要素是生物反应器设计的重要部分，其中包括容器的大小、材料、形状、稳定性等。
需要保证反应器的内部工作环境是相对稳定和均匀的，反应器的结构和材质也需要具备耐腐蚀性、耐压性、耐高温性等特性。
3、进口、出口：反应器的进口和出口是关键的部分。
需要保证物料进出反应器的均匀性以及高质量的出品。
同时还要考虑反应器本身的防震性能和承受能力。
4、操作系统：反应器的操作系统应该能够生成准确的控制和监视信号，以实现实时信息反馈和控制。
需要利用反应器的实时数据来处理反馈信息并适时进行反应器的操作调整。
生物反应器设计及控制技术
生物反应器设计及控制技术生物反应器是一种用于生物系统培养和生产的设备，通常可以控制反应环境的温度、升降速度、液位、搅拌速度和氧气浓度。
随着生物技术的快速发展，生物反应器成为了生产过程中不可或缺的重要设备。
本文将介绍生物反应器的设计及控制技术，以及其在生产中的应用与发展。
一、生物反应器的设计生物反应器的设计通常需要考虑以下几个方面：1、容积：反应器的容积应该适当，既不能过大又不能过小。
容积过大会增加成本，容积过小则会导致生产率下降。
2、搅拌系统：搅拌系统通常包括驱动装置、搅拌器和控制器等部分。
搅拌速度应该适当，过快会造成气泡太小、液体过度搅拌，导致细胞破碎和死亡；过慢则会导致细胞堆积、生产力下降。
3、气体供应：气体通常用于供氧、溶解氧和刺激生产。
气体供应系统通常包括气源、气体调节阀、气体过滤器和气体分配系统。
4、温度控制：温度是生物反应器中重要的环境参数之一。
温度控制通常包括加热和冷却系统。
反应器内的温度应稳定且可控，以保证生产质量。
5、PH值控制：反应器内的PH值应稳定且可控，过高或过低对生产过程会造成不良的影响。
作为控制系统的一部分，PH值调节系统通常由PH电极、控制器和酸碱液供应系统组成。
6、混合控制：反应器中通常有多个相，需要通过混合控制来达到混合均匀的目的。
混合控制系统通常包括流量计、输送泵、混合槽和搅拌器等部分。
二、生物反应器的控制技术生物反应器的控制技术主要包括闭环控制和开环控制两种方式。
闭环控制利用传感器测量反应器内部环境参数并将其与设定值进行比较，通过控制器的反馈作用来调节设备的输出参数，从而使反应器的环境参数得到稳定控制。
开环控制则是在确定好需要达到的反应条件后，直接调节设备的运行参数以达到目的。
这种方式适用于简单反应器和基础实验研究，一般用于确定物理参数和生化反应过程。
三、生物反应器的应用与发展随着生物技术的快速发展，生物反应器广泛应用于制药、食品、化学和环保等领域。
生产有价值的生物制品，如酶、抗体、生物燃料等，是目前广泛应用反应器的主要领域之一。
第三章 生物反应器设计和操作基础
据传质理论分析和实验研究结果证明溶 氧传质的总推动力就是气相与细胞内的氧 浓度之差，在大多数的通气发酵场合，氧 由气泡传递到液相中是生物通气发酵过程 中的限速步骤。 在实际的生物反应系统，溶氧浓度是细 胞的耗氧速率(OUR)和氧传递溶氧速率 (OTR)的函数。
溶氧浓度
OTR
OUR
单位体积培养液溶氧 速率为：
α、β的值受培养装置的规模 、搅拌器的形 式
2．液体性质的影响
两个搅拌叶轮的小型玻璃发酵罐、牛顿流体
NDi K L aDi 0.00460 DL
2 2
1.65
N 2 Di g
0.127
ws D L
a
四、生物反应器的类型
(1)厌气生物反应器：发酵过程不需要通人氧气或空气， 有时可能通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正 压，防止染菌，以及提高厌氧控制水平。此类反应器有 酒精发酵罐、啤酒发酵罐、沼气发酵罐(池)、双歧杆菌厌 氧反应器等。 (2)通气生物反应器：又可分为搅拌式、气升式、自吸式 等；前两者需要在反应过程中通人氧气或空气，后者则 可自行吸人空气满足反应要求。搅拌式反应器靠搅拌器 提供动力使物料循环、混合，气升式则以通入的空气上 升产生动力，自吸式反应器是利用特殊搅拌叶轮在搅拌 过程中产生真空而将空气吸人反应器内，毋须另外供气 动力。
图3—2生物反应器生产能力的限制因素
三、 生物反应器开发的趋势和未来 发展方向
1、3、开发和应用特殊用途的和具有特殊 性改进生物反应器中热量、质量传递的方 法和装置就成为生物反应器开发的趋势。 2、生物反应器正向大型化和自动化方向发 展。 能的生物反应器。 4、连续生物反应器 开发。 5、把生物反应器和后面的产物回收过程联 系起来将行合理开发。
生物工程设备1.1 生物反应器设计基础
基质消耗过程的热平衡：
碳源+O2
Ⅱ呼吸途径
Ⅰ完全氧化途径
△HS △H C
CO2+H2O
Ⅲ细胞氧化途径
CO2+H2O+细胞
微生物细胞μ max值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μ max 值小得多，动物细胞的倍增时间约15～100h，植物细胞倍增时间 约24～74h。
无抑制的细胞生长动力学
• Monod方程(无抑制的细胞生长动力学)：
式中μ为比生长速率;μmax为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当μ ＝μmax/2时的限制性基质浓度。
• 基质抑制动力学 对反竞争性抑制，其抑制机理可假设为：
式中
细胞比生长速率μ为：
kCxs ,而 max kCx总
K S C XS C C C XS XS S CS KI
∵
C x总 C X C XS C XS 2
∴
∴
对竞争性抑制，细胞比生长速率为：
对非竞争性抑制，细胞比生长速率为：
图2.5 氧从气泡传递到细胞的示意图
双膜理论： （1）气泡中的氧通过气相边界层传递气-液界面上 （2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面。 （3）在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体。*** （4）在液相主体中进行传递。 （5）扩散通过生物细胞表面到液相滞流层传递进入生物细胞内。***
氧传递方程式
过程，产物是细胞能量代谢的结果。属于此类型的有乙醇、 葡萄糖酸、乳酸的生产等。
Ⅰ
图2.2 Gaden类型Ⅰ
产物形成动力学：
类型Ⅱ(部分相关模型)：该类反应产物的生成与基质消耗仅有
间接结果，产物是能量代谢的间接结果。属于此类型的有柠檬 酸和氨基酸的生成。 类型Ⅲ (非相关模型)：产物的生成与细胞的生长无直接联系， 产物是二次代谢物。属于此类型的有抗生素、微生物毒素等代 谢产物的生成。