生物反应器
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
生物反应器指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。
生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。
生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。
分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。
另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。
发酵罐发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。
其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。
若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。
前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。
好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有：①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。
所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。
若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。
②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。
在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。
③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。
目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000个喷嘴进料。
目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。
生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
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01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
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。
生物反应器归类
生物反应器归类
生物反应器是一种用于承载和促进生物反应的装置或体系。
根据反应
器的实际应用和操作原理，可以将生物反应器分为几个类别。
1. 发酵反应器：用于微生物发酵过程的反应器，用于生产食品、饲料、药物和生物燃料等。
常见的发酵反应器包括批式发酵罐、连续式发酵
罐和气体提升式发酵罐。
2. 培养反应器：用于细胞培养和组织工程的反应器，用于生产生物药
物和细胞制品。
常见的培养反应器包括摇床培养器、旋转培养器和悬
浮培养反应器。
3. 污水处理反应器：用于处理废水和污水中的有机物和有毒物质。
常
见的污水处理反应器包括活性污泥法反应器、膜分离法反应器和生物
滤池。
4. 生物酶反应器：用于生产酶类产物和催化生物酶反应的反应器。
常
见的生物酶反应器包括固定床反应器、悬浮式反应器和液体-液体界面
反应器。
5. 生物电化学反应器：用于转化生物质和废弃物为电能的反应器。
常
见的生物电化学反应器包括微生物燃料电池、微生物电解池和生物燃
料池。
以上是一些常见的生物反应器类别，各类反应器在不同领域有广泛应用，以满足人类对食品、药物、能源和环境保护等方面的需求。
生物反应器技术及其应用
生物反应器技术及其应用生物反应器技术是一种利用生物体系来合成有机化合物或去除有机废水的生产技术。
生物反应器具有环保、高效等优点，因此在医药、化工、食品、环保等领域有着广阔的应用前景。
1.生物反应器技术概述生物反应器是一种生物化学反应器件，它是建立在生命哲学、生物科学、化学工程等基础上，为满足化学工业中合成某些化学品的需要，而人工构造出的一种封闭空间。
生物反应器技术的核心是生物反应器，它是一种用于控制生物体系物理和化学环境的装置；而生物体系则是一种可以代替化学反应剂的、可以利用微生物或植物转化为目的物质的生物催化剂。
对于生物反应器技术而言，其核心组成是生物反应器和生物体系。
生物反应器可以大致分为搅拌式反应器、固定床反应器、流化床反应器、膜反应器、喷雾干燥机等，而生物体系则包括微生物、植物等生物催化剂。
2.生物反应器技术的应用生物反应器技术有广泛的应用领域。
在医药领域，生物反应器技术被用于制造药物的原料、中间体和成品药。
例如，利用生物反应器技术，可以大规模生产青霉素、氨基酸、多糖、酶类等医药中间体和成品药，降低生产成本和减少环境污染。
另外，在化工领域，生物反应器技术可以用于生产生物基材料和化学合成原料等产品。
比如，生物反应器技术可以利用微生物发酵制备乙醇和葡萄糖等化学原料，并提高产品的品质和产量。
在食品领域，生物反应器技术可以用于生产各种功能性食品和保健品。
例如，利用生物反应器技术制作的乳酸菌、酵母等食品添加剂，可以增加食品的营养性、口感和品质。
此外，在环保领域，生物反应器技术可以用于处理含有有机污染物的废水。
生物反应器技术可以利用微生物和植物调节废水的化学成分，降低化学氧化需求量（COD）、氨氮、总磷等有机物排放量和水体中的有害物质，达到净化水体的目的。
3.生物反应器技术的发展趋势随着环保意识的提高和科技发展的不断进步，生物反应器技术及其应用也将迎来新的发展机遇。
其中，人工智能技术的应用将是未来生物反应器技术发展的一个重要趋势，其可以通过智能算法和模拟建模等方法实现反应器过程的优化实现，提高生产效率，节约能源和资源。
生物反应器工作原理
生物反应器工作原理生物反应器的工作原理生物反应器是一种能够利用生物转化过程进行生产的设备，它可以支持和促进生物体内的生化反应。
生物反应器一般由反应容器、搅拌装置、温控系统、通气系统等组成，其工作原理依赖于生物体的生长、代谢和微生物的作用。
1. 生物反应器的基本原理生物反应器是为了在控制条件下促进生物体内的生化反应而设计的。
它提供了一个适合于生物体生长和代谢的环境，以支持其在反应器内进行所需的生化反应。
关键因素包括温度、满足生物体需要的底物和营养物质、pH值的维持和氧气的供给等。
2. 温控系统温控系统是生物反应器中的一个重要组成部分，它通常由温度传感器、加热装置和温度控制器组成。
通过感测反应器内的温度变化，控制器可以自动调节加热装置的输出来维持所需的反应温度。
保持适宜的温度可以提供生物体生长所需的理想环境，加速生化反应速率。
3. 搅拌装置搅拌装置用于保持反应器内物质的均匀混合，促进物质传递过程。
对于生物反应器而言，搅拌装置的设计旨在防止生物体的沉降和死区形成，使反应器内物质分布更加均匀。
搅拌装置的形式多种多样，包括机械搅拌、气体搅拌、涡流搅拌等。
4. 底物和营养物质的供给生物反应器中的底物和营养物质是支持生化反应进行的重要因素。
底物通过给定的供给策略被添加到反应器中，以满足生物体生长和代谢的需求。
供给策略可以根据具体反应的要求进行调节，例如连续供给、批次供给或脉冲供给等。
5. pH值的维持pH值对于生物体内的生化反应非常重要，它可影响酶的活性、细胞壁的稳定性和底物的溶解度等。
生物反应器中通常使用缓冲液来维持适宜的pH值。
pH值的控制可以通过添加酸或碱来调节，通常借助于自动控制系统来维持所需的pH范围。
6. 氧气供给氧气是生物体进行代谢反应所必需的。
在许多生物反应器中，气体搅拌是将氧气与培养基混合的常见方法。
通过气体供给系统，可控制氧气的流速、溶解度和分布，以满足生物体对氧气的需求。
7. 生化反应生物反应器的工作原理依赖于生物体的生长和代谢过程。
生物反应器
流动特性
升、降液管中气含率不同导致的流体密度差是流体循
环的主要动力，通气率大小是影响流体速度的重要因 素。 升、降液管的横切面积相对大小对循环速度也产生影 响。
循环速度？
升液管内氧含量丰富，细胞生长旺盛；降液管氧含量
下降，易产生缺氧。 液体微元体在反应器内循环一周所需时间为一个循环 周期，
组合模型
微观混合的定量描述
微观混合通常用混合程度m和混合时间tm两个参数表示。
tm为达到m时的值，一般采用0.95或0.99。
机械搅拌反应器的混合模型
分室模型
再循环模型
气体搅拌塔式反应器
与机械搅拌通风反应器的不同在于无机械搅拌 特点是结构简单；氧传递效率高；耗能低；减少了剪
反应速率：
对于均相酶促催化反应
单底物酶促反应BSTR的反应器
对于细胞反应
分批培养细胞生长的六个阶段 停滞期
加速生长期 负生长 期 减速生长 期 平衡生长期
指数生长期
对数生长期细胞生长时间的计算
对数生长期，比生长速率达到最大
代入积分式后积分得到
对于间歇操作的反应器，反应物要达到一定的反应程
度，仅与过程的速率有关，而与反应器的大小无关。
产率是优化的目标函数 若以产物浓度最高为目标——总产率；若以最大产物
生成速率时为反应终止时间——最大产率。
连续操作搅拌反应器
操作特点： 进出料速率相同，且保持恒定 反应器内变量不随时间变化，处于稳态操作 反应器内物料在空间上达到完全混合，各处物系组成 相同。
轴流式搅拌器——叶面与轴成一定角度
径向流搅拌器——叶面平行于搅拌轴
反应器内挡板有利于次生流的产生，最佳的挡板设计 数目可根据以下公式：
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加热器
气体交换
统中采用膜气体交换器，能快速提供给高
密度细胞所需的氧，同时排除代谢产物；
反应器中的液体流速足以使细胞微粒悬浮
中空纤维培养
中空纤维培养
中空纤维培养装置：该装置是由中空纤维管组 成，每根中空纤维管内径为200μm，壁厚为 50~70μm，中空纤维管的管壁是半透性的多孔 膜，氧与二氧化碳等小分子可以自由地透过膜 双向扩散，而大分子的有机物则不能透过。
动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可很方 便地获取营养物质和溶氧。由于该装置内可装 置成千根的中空纤维管，故其生长表面积与体 积之比可达40余倍，而起溶氧传质速率也比悬 浮培养器高3倍。
胞高密度培养的常用设备之一, 其特点是结构简单, 操作 方便。
气升式反应器中悬浮微载体培养Vero 细胞, 在加入适 量保护剂、营养供应充足的情况下,细胞可以正常生长至 长满微载体表面, 终密度可达1. 13 ×106 个/ mL 。
2、动物细胞贴壁培养
滚瓶培养：将右图所示 的滚瓶装入培养液并在 接种后，放到一个装置 上，使滚瓶慢慢旋转， 动物细胞就在滚瓶内壁 生长繁殖，到一定时候 将细胞收获。
中空纤维管生物反应器
培养基出口 空气与CO2入口
细胞
中空纤维管生物反应器如图所示， 它的用途较广，既可培养悬浮生长的细 胞，又可培养贴壁依赖性细胞，细胞的 密度最高可达109/ml数量级。如果控制 系统不受污染，能长期运转。已用这种 反应器培养过的细胞型和生产的分泌产 物如表所示。
空气与CO2出口
微生物和动物细胞培养方法的比较
PH控制 搅拌速度 溶氧控制 培养基灭菌方法 培养时间 对水纯度的要求
微生物细胞
添加酸、碱 速度快、范围广 改变搅拌速度、通气量、进气氧浓度
高温蒸煮 几小时—几天
较低
动物细胞
CO2-HCO3缓冲液 较慢
改变进入气体的氧浓度 过滤
几天—3、4周 很高
与微生物细胞培养类似，动物细胞的体外培养有两种类型：一类是非贴
A 柱状中空纤维反应器
中空纤维细胞反应器主体是由微孔中空纤维管束 制成的，纤维束由外壳包裹，因此可分为壳体空间 及管体空间两部分，每部分各有其进出口。一般讲， 细胞生长在壳体部分，新鲜培养液从壳体部分导人， 气体在管体部分通过，其中一部分则均匀地扩散至 壳体部分。壳体部分的细胞如是附壁性的，则附着 在纤维外侧，在培养结束后用胰蛋白酶消化液将其 消化并冲出：若是非附壁性的应采用微滤材料将其 截留在壳体内而让废培养液排出。
壁依赖性细胞，这类细胞可以采用与微生物培养类似的方法进行悬浮培养；另一类 是贴壁依赖性细胞，它们需要附着于带适量电荷的固体或半固体表面上生长。
1
大 规
2
模
动 物
3
细
胞
培
养4
工
艺
流 程
5
图
6
8 7
9
10 细胞培养反应器
诱生剂 细胞
细胞
浓缩纯化
提取 纯化
产品（肿瘤抗原）
提取 纯化
产品（干扰素）
产品（单克隆抗体）
动物细胞培养生物反应器
自70年代以来，用于动物细胞培养的生长反应器有了很大的发展，种类越来越
多，规模也越来越大。根据生物反应器的不同用途，有悬浮培养用、贴壁培养用、
包埋培养用生物反应器等，其种类大致上有塑料增殖器、填充床增殖器、多层板增殖 器、螺旋增殖器、管式螺旋增殖器、陶质矩形通道蜂窝状增殖器、流化床反应器、中 空纤维及其他膜式反应器、桨式搅拌反应器、棒式搅拌反应器、船舶推进桨反应器、 倾斜桨叶搅拌反应器、般帆形搅拌反应器、往复振动锥孔筛板搅拌反应器、笼式通气 搅拌反应器、双层笼式通气搅拌反应器、空气提升式反应器等。
流化床生物反应器的基本原理类似于 营养液
应器示意图
流态床化学反应器，不同的是，流态化的
收获
固体是带有细胞的微粒。培养液通过反应
氧气
器垂直向上循环流动不断提供给细胞必要
的营养成分，使细胞得以在微粒中生长；
回流
同时，不断地加入新鲜的培养液，并不断 地排除培养产物或代谢产物。图为生产用 CF-IMMOTM流化床生物反应器的示意图， 这种反应器的传质性能很好，并在循环系 反应塔
B 板框式中空纤维反应器
因柱状中空纤维反应器中营养供应和代谢产物会存 在浓度梯度，所以细胞分布受到影响而不均匀。
人们开发出板框式中空纤维反应器。该反应器的中心 是一束中空纤维浅床，置于两个不锈钢微孔滤板之间。
板框式中空纤维反应器
液营养 中空纤维板
3、流化床生物反应器
生产用CF-IMMOTM流化床生物反
1、气升式细胞培养生物反应器
气升式反应器的基本原理如图所 示。气体混合物从底部的喷射管进入 反应器的中央导流管使得中央导流管 侧的液体密度低于外部区域从而形成 循环。气升式生物反应器主要采用内 循环式，但也有采用外循环式。
气升式生物反应器 气升式生物反应器(airlift bioreactor) 也是实现动物细
汶川地震，“猪坚强”创造了生命奇迹，三年后，华大基 因让“猪坚强”再次创造生命的奇迹――此次克隆“猪坚强” 是首次采用老龄猪体细胞克隆获得成功
第培养生物反应器 二.植物细胞反应器 三.酶生物反应器 四.藻类培养反应器
疫苗 人 动物
单克隆抗体 免疫调节剂 酶 激素
中空纤维反应器示意图
培养基入口
生长的细胞型
分泌的产物
杂交瘤细胞、淋巴细胞、肝癌细胞、结肠癌细胞、胚胎细胞、乳 腺组织细胞、小鼠细胞、大鼠细胞、成纤维细胞、垂体肿瘤细胞、 CHO细胞、BHK-2细胞、肺细胞等
IgG、IgM、IgA、干扰素、激素、尿激酶、蛋白质C、病毒蛋白、 乙型肝炎表面抗原、T抑制因子、促细胞生长素、白细胞介素等
动物细胞培养的产物
小儿麻痹症疫苗、狂犬疫苗、风疹疫苗、脑炎疫苗、疱疹疫 苗等
牛病毒性腹泻疫苗、牛痢疾疫苗、犬传染性肝炎疫苗、鸡痘 病疫苗、猪霍乱疫苗、牛疫狂犬疫苗、草鱼出血热疫苗
IgG、IgM、IgA等
β-细胞生长因子、干扰素、白细胞活化因子、血清胸腺因子、 白细胞介素、胸腺素、巨噬细胞毒力因子等
尿激酶、天门冬氨酰胺酶、胶原酶、细胞色素P、450、纤 维蛋白溶酶原激活剂、胃蛋白酶、胰蛋白酶、酷氨酸脱羟酶 等 绒膜促性腺激素、促红细胞生成素、促滤泡激素、生长激素、 促间质细胞激素、促黄体激素等