第一章生物反应器
第一章 第三节 生物反应器的生物学基础-理化条件对微生物生长的影响
µ是流体的动力粘度系数，ρ是流体密度，g是重
力加速度，������������ 为反应器界面气体速率。
生物反应过程剪切力的控制
选择反应器类型
机械搅拌反应器>气升反应器
选择搅拌器类型
涡轮状叶轮>平叶轮>螺旋状叶轮
控制搅拌强度和通气强度
不同微生物对pH要求不同
微生物的生长pH值范围极广，从pH2-8之间都有
微生物能生长。但是绝大多数种类都生活在 pH5.0-9.0之间。
微生物生长的pH值三基点： 各种微生物都有其生长的最低、最适和最高pH值。低于 最低、或超过最高生长pH值时，微生物生长受抑制或导 致死亡。
一些微生物生长的pH值范围
阿伦尼乌斯方程 ������������ = ������ ������������ −������������ /(������������) − ������′ ������ −������������/(������������) ������������
其中������和 ������′ 是经验常数， ������������ 是细胞合成代 谢活化能，������������ 是死亡的活化能，������ 是理想气 体常数，������是凯氏温度。
物理化学因素对微生物生长的影响
温度影响微生物生长速率的阿伦尼乌斯方程 ������������ = ������ µ − ������������ ������������ ������������ = ������ ������������ −������������ /(������������) − ������′ ������ −������������ /(������������) ������������
第1章(4学时) 生物反应器
Taiyuan teachers college Zhang Xiaohong
生物反应器
♣ 慨 述
(1) 流体的输送及混合．其核心问题是流体 之间动量的传递、机械能的转化。
(2) 热量的传递。对于生物反应器要考虑代 谢热的传出以及代谢罐温度的控制。所用的手 段多采用间壁的传热，其传热量大小决定于冷 热两流体的温度差及其接触面积的大小。
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生物反应器
3.动物细胞或植物细胞进行离体大规模培养反应器
近年来随着生物科学的一系列新的突破，人们巳开始利用动物细胞 或植物细胞进行离体大规模培养，以获得大量的分泌产物。 动植物细胞培养所用的生物反应器与前面所介绍的生物反应器(用于 微生物细胞焙养的)基本是一样的。但由于高等细胞比较娇嫩，对培养 条件要求更高一些，因而在选用及设计生物反应器时要特别考虑以下 几点。 1）避免或减低由于机械搅拌而产生的剪切力对细胞的损伤。 2）气泡的表面张力可对细胞造成伤害，在通气时要防止气泡与细胞 接触。 3）在进行pH值调节或补料时要严格防止化学环境的急剧变化对细胞 的伤害。如不能用酸碱直接加入的方式调节pH值，应以改变CO2/O2／N 的比例为主进行调节。 根据这样一些考虑已有悬浮培养或中空纤维细胞培养等不同类型的反 应器。 Taiyuan teachers college Zhang Xiaohong
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生物反应器
这仲发酵罐根据其特点叫做机械搅拌罐，有人包叫它常规 发酵罐，是目前使用最多的一种，适用性好、适应性强， 从小型、中型到大型的细胞培养过程都可以用，放大容易， 缺点： 罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细 胞培养过程减产。 改进： 多级搅拌装置---有利于混合高黏度介质，抗生素生产中菌 丝体发酵。 多级搅拌+底部筛板 ---塔式反应器—耗能大，用于特殊场 合，如油-水乳化。 数个搅拌罐串连使用---仅用于连续操作-----管式反应器 的替代物。
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
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。
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
第一章 生物反应器
测定菌体湿重或干重法：
此法的原理是根据每个细胞有一定的重量而设计的 。它可以用于单细胞、多细胞以及丝状体微生物生长的测 定。将一定体积的样品通过离心或过滤将菌体分离出来， 经洗涤，再离心后直接称重，求出湿重，如果是丝状体微 生物，过滤后用滤纸吸去菌丝之间的自由水，再称重求出 湿重。不论是细菌样品还是丝状菌样品，可以将它们放在 已知重量的平皿或烧杯内，于105℃烘干至恒重，取出放 人干燥器内冷却，再称量，求出微生物干重。 如果要测定固体培养基上生长的放线菌或丝状真菌 ，可先加热至50℃，使琼脂熔化，过滤得菌丝体，再用 50℃的生理盐水洗涤菌丝，然后按上述方法求出菌丝体的 湿重或干重。
(4) 理想流动与非理想流动 ：主要是较大 得反应器由于混和，传热等需要时间，其内部往 往是不均一的。
两种理想流动模式：全混式和活塞流式。
全混式和活塞流式:
全混式:反应器各点浓度及其它 条件均一;
活塞流式:反应器内各物质沿一
定方向流动,完全没有反向混合.
非结构模型
结构模型
(最理想情况） 均衡生长（假设） 细胞之间无差异 细胞内有多个组 非离散模型 把细胞群体处 分（结构） 理为一种溶质
显微镜直接计数法：
显微镜直接计数法是将一定稀释的菌体或孢子悬液注入血球 计数板的计数室中，于显微镜下直接计数的一种简便、快速、直观 的方法。因为计数板是一块特别的载玻片。其上由四条槽构成三个 平台；中间较宽的平台又被一短横槽隔成两半，每一边的平台上各 刻有一个方格网，每个方格网共分为九个大方格，一种是一个大方 格分成25个中方格，而每个中方格又分成16个小方格；另一种是一 个大方格分成16个中方格，每个中方格又分成25个小方格，无论哪 种每个大方格中的小方格都是 400个。每一个大方格边长为 0 ． 1mm， 所以计数室的容积为 0．1mm3。计数时，通常只用5个中格内的菌体 (孢子)数即可。然后求出每个中方格的平均值，再乘上25或16，得 出一个大方格中的总茵数，再换算成lml菌液中的总菌数。若设5个 中方格中总菌数为N，菌液稀释倍数为M，如果是25个中方格计数板， 则计算方法为： lml 菌 液 中 的 总 菌 数 = 平 均 每 个 中 格 中 菌 的 个 数 ×25×104×M=50000N· M(个)
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。
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使采用化学反应工程的原理和方法解决生物反应器的设计放大问题存在较大困难。
生物反应器的分类
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，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
➢ 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。
这两者的区别在于前者的生成只是在细胞生长时才能生成，而后者则只要有细胞存在就 能生成。
4、均衡生长动力学模型应用实例
青霉素球状菌发酵（P6页） 实际在生物培养过程中，菌体的生长、基质的消耗及产物的生成三个方面是交织在一起
的。菌体的生长消耗了基质，而基质浓度的变化又影响菌体的生长速度，对于产物也是 这样。 因此，细胞培养整体的动力学模型是上述几个微分方程联立的结果。已知初始条件即可 以应用合适的数学方法对过程求解及分析。
SY-3000E发酵监控软件的主要功能：显示并记录发酵时间、温度、pH、溶解氧、转速、空气流 量、 压力、补料量、泡敌量、酸碱剂量等发酵过程参数；手动、自动、顺序和关联四种控制方式； 可实现数据记录和输出、动态曲线历史曲线显示和打印等功能 12、配套设备：空气压缩机：静音无油，50L/min以上；高压灭菌锅：内容量50L以上
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
10、控制系统： 采用两级控制体系: 上位机(PC机)+下位机(发酵罐现场控制器)；通过网线连接；上位机和下位机
都可以单独对发酵罐进行控制；上位机接入局域网时,可实现远程控制；发酵罐现场控制器采用进 口嵌入式控制核心，大屏幕液晶显示屏、轻触式薄膜键盘，全中文菜单式操作界面 11、发酵监控软件（免费赠送）：
2、基质消耗的模型
基质包括细胞生长所需各种营养成分，其消耗主要有三个方面：
一.是细胞的生长，合成新的细胞； 二.是细胞维持生命要消耗的能源物质； 三.是合成次级代谢产物。
3、产物生成动力学模型
产物主要指的是细胞培养过程中代谢生成的除细胞量以外的产品。
按照其生成特点，产物可分为两类：生长偶联型及非生长偶联型。
（一）按照生物反应过程来分
1、发酵过程用的反应器称为发酵罐； 2、酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。 3、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。（见彩图）
产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
技术参数：
标准配置：
1、罐体系统： 罐体全容积：5L；工作容积：2~4L 罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质：316L不锈钢 罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力：0.25Mpa 罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2
个；接种口1个；排气口1个；取样管口1个 表面处理：不锈钢内外镜面抛光，抛光精度Ra0.4
2、灭菌方式：高压灭菌锅灭菌 3、搅拌系统：直联机械搅拌；0.1KW直流电机；两层六平叶发酵专用标准桨；
控制范围：50~1000rpm，控制精度：±1%
4、温度控制：冷却水温度+5 ~ 65℃；精度±0.1℃； 5、pH控制：瑞士梅特勒pH电极及屏蔽导线；范围：2 ~ 12pH，控制精度：±0.02pH 6、溶氧控制：瑞士梅特勒DO电极及屏蔽导线；范围：5 ~ 100%，控制精度：±2% 7、泡沫控制：自动检测泡沫添加消泡剂；灵敏度100 ~ 100000Ω 8、补料控制：蠕动泵自动流加；范围：0~120 ml/min ， 控制精度：± 2% 9、空气流量控制：转子流量计手动调节；范围：0 ~ 10L/min
第一章生物反应器
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。
对于相当多的微生物过程分析，特别是过程控制来说，均衡生长模型是可以满足要求的。
二、细胞浓度及其测量
➢ 细胞浓度在培养过程中是一个十分重要的参数。 ➢ 在定量研究生物反应之前，首先需要说明微生物的浓度即菌体浓度的表示方法。 （g/l, kg/m3)
直接测定法
细胞干重法：测量细胞浓度的最基本方法。 显微计数法：显微镜和血球计数器。 平板计数法：生理盐水稀释，记录菌斑。 浊度法：波长600-700nm范围测量。
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。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
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）
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
非离散模型
4种模型
非结构模型
（最理想情况） 把细胞群体处理为 一种溶质
均衡生长（假设）
结构模型
细胞之间无差异，细 胞内有多个组分（结 构）
“平均细胞”近似
离散模型
不考虑细胞结构， 但各种细胞不均一
均衡生长（假设）
“平均细胞”近似
细胞之间不均一，细胞 内部多组分（实际情况）
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。
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
以间歇培养微生物为例，在培养过程中动 力学曲线包括延迟期、指数生长期、禁止期、 自溶期等阶段。
（2）细胞生长动力学描述： 细胞生长速率的一个重要参数是比生长速率。 比生长速率：比生长速率表示在单位体积内单位量细胞经过单位时间增加的细胞量。这种增加
包括生长和繁殖两个部分。 比生长速率表示菌体增长的能力，它也受菌株及各种物理化学环境因素的影响。
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。
一、生物反应器的特点及其分类
➢ 微生物的种类很多，特点各异，生物反应器也五花八门，各以不同的方式提供适宜的生长环境， 反应器的设计涉及采用的工艺、搅拌和通气系统及主要基质的状态。
➢ 通气系统的基本形式有浸没式鼓泡器（有或没有机械搅拌）、表面通气装置和膜反应器。
生物反应器的特点：与一般化学过程的反应器相比，其基本原理和结构应是相近的，但有 如下特点：
四、其它模型
均衡生长模型把细胞看成一个‘溶质’，没有考虑胞内的结构和细胞之间的差别。在分 析胞内的诱导作用、对工程菌进行动力学描述以及细胞的形态和功能有较大差异时，应 用这个模型是不合适的。