第五章 生物反應(yīng)器

第五章

生物反應(yīng)器

01生物反應(yīng)基本知識(shí)02培養(yǎng)基預(yù)處理設(shè)備03發(fā)酵罐04動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備目

錄第一節(jié)

生物反應(yīng)基本知識(shí)§5-1生物反應(yīng)基本知識(shí)知識(shí)目標(biāo)：1.掌握生物反應(yīng)的定義；2.了解細(xì)胞生長(zhǎng)模式及簡(jiǎn)單培養(yǎng)條件；3.了解生物反應(yīng)器的基本類型。技能目標(biāo)：1.能夠運(yùn)用生物反應(yīng)的基本特征等知識(shí)，會(huì)正確選擇生物反應(yīng)器的類型；2.熟練應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，解決實(shí)際生產(chǎn)操作問題。一、生物反應(yīng)過程

生物反應(yīng)在狹義上是指活細(xì)胞中的各種生物化學(xué)反應(yīng)。廣義的生物反應(yīng)是指生物體的新陳代謝過程。（一）概述1.生物反應(yīng)一、生物反應(yīng)過程2.影響生物反應(yīng)的因素

環(huán)境溫度、酸堿度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度、氧氣濃度、二氧化碳濃度、機(jī)械尺寸、流體湍流程度、細(xì)胞的生長(zhǎng)濃度、產(chǎn)物的生成速度等一、生物反應(yīng)過程3.生物藥物的產(chǎn)生細(xì)胞在新陳代謝過程中不斷地同化物質(zhì)和能量，并異化自身物質(zhì)。細(xì)胞的分解產(chǎn)物，部分能用于人類疾病的診斷、預(yù)防和治療，稱之為生物藥物。一、生物反應(yīng)過程

另外，細(xì)胞在生命活動(dòng)過程中對(duì)環(huán)境物質(zhì)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，部分轉(zhuǎn)化產(chǎn)物也是生物藥物；還有用酶工程技術(shù)轉(zhuǎn)化后的部分產(chǎn)物也是生物藥物。（二）分批培養(yǎng)中的細(xì)胞生長(zhǎng)模式

將培養(yǎng)基一次性投入反應(yīng)器中，接入細(xì)胞并維持細(xì)胞生長(zhǎng)的過程叫分批培養(yǎng)。

在分批培養(yǎng)過程中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)物逐漸被消耗，新的細(xì)胞不斷增加，產(chǎn)物的數(shù)量在逐漸累積，細(xì)胞生長(zhǎng)過程處于動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中。一、生物反應(yīng)過程減速生長(zhǎng)期指數(shù)生長(zhǎng)期分批培養(yǎng)細(xì)胞生長(zhǎng)的幾個(gè)階段停滯期

加速生長(zhǎng)期平衡生長(zhǎng)期負(fù)生長(zhǎng)期一、生物反應(yīng)過程

接種后，細(xì)胞需要適應(yīng)環(huán)境后才開始加速生長(zhǎng)，隨后增長(zhǎng)速度不斷加快，以指數(shù)的數(shù)量關(guān)系擴(kuò)大繁殖。但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，容器內(nèi)新生細(xì)胞增多，細(xì)胞的增長(zhǎng)速度逐漸降低。

并且部分細(xì)胞死亡，擴(kuò)大繁殖速度減小，死亡速度增大，死亡與生長(zhǎng)速度達(dá)到平衡。隨后死亡速度不斷加快，打破平衡后成為負(fù)增長(zhǎng)，直至培養(yǎng)過程結(jié)束。

細(xì)胞培養(yǎng)生長(zhǎng)曲線二、生物反應(yīng)器（一）生物反應(yīng)器的分類進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的空間統(tǒng)稱為生物反應(yīng)器1.生物反應(yīng)器生物體生物反應(yīng)器二、生物反應(yīng)器2.分類（1）按反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)體種類微生物反應(yīng)器植物細(xì)胞反應(yīng)器動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器酶反應(yīng)器生物反應(yīng)器二、生物反應(yīng)器（2）按結(jié)構(gòu)特征罐式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器膜式反應(yīng)器生物反應(yīng)器二、生物反應(yīng)器攪拌式反應(yīng)器

靠攪拌槳提供液相攪拌的動(dòng)力，它有較大的操作范圍、良好的混合性和濃度均勻性，因此在生物反應(yīng)中被廣泛使用。攪拌式生物反應(yīng)器用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)存在的最大缺點(diǎn)是剪切力大，容易損傷細(xì)胞，雖然經(jīng)過各種改進(jìn)，這個(gè)問題仍很難避免。二、生物反應(yīng)器固定床型反應(yīng)器

把催化劑填充在固定床(填充床)中的反應(yīng)器叫做固定床型反應(yīng)器。這一類型反應(yīng)器是當(dāng)前工業(yè)上使用得最廣泛的固定化酶反應(yīng)器缺點(diǎn)：①溫度和pH難控制；②底物和產(chǎn)物濃度會(huì)產(chǎn)生軸向分布，易引起相應(yīng)的酶失活程度也呈軸向分布；③更換部分催化劑相當(dāng)麻煩；④柱內(nèi)壓降相當(dāng)大，底物必須加壓后才能進(jìn)入。二、生物反應(yīng)器流化床型反應(yīng)器

流化床型反應(yīng)器具有傳熱與傳質(zhì)特性好、不堵塞、能處理粉狀底物、壓降較小需要較高的流速才能維持粒子的充分流態(tài)化，而且放大較困難。流化床型反應(yīng)器二、生物反應(yīng)器膜式反應(yīng)器

一類僅適合于生化反應(yīng)的反應(yīng)器，該類反應(yīng)器包括固定化酶膜組裝的平板狀或螺旋卷型反應(yīng)器、轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器、空心酶管反應(yīng)器和中空纖維膜反應(yīng)器等，其中平板狀和螺旋卷型反應(yīng)器具有壓降小、放大容易的優(yōu)點(diǎn)與填充塔相比，反應(yīng)器內(nèi)單位體積催化劑的有效面積較小。二、生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器在生物制藥過程中的作用課堂小結(jié)1、生物反應(yīng)相關(guān)知識(shí)及影響生物反應(yīng)的因素。2、微生物培養(yǎng)中的各個(gè)階段及特征。3、生物反應(yīng)器的種類、使用條件及優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。第二節(jié)

培養(yǎng)基預(yù)處理設(shè)備§5-2培養(yǎng)基預(yù)處理設(shè)備知識(shí)目標(biāo)：1.掌握預(yù)處理設(shè)備及基本類型和功能及操作；2.了解預(yù)處理的工藝流程技能目標(biāo)：1.熟練掌握糖化設(shè)備和滅菌設(shè)備的操作和注意事項(xiàng)；2.熟練應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，解決實(shí)際生產(chǎn)操作問題。一、淀粉糖化設(shè)備1.糊化鍋

糊化鍋用來加熱煮沸淀粉原料使其液化和糊化的設(shè)備糊化鍋的關(guān)鍵部件有鍋蓋、鍋體、夾套和攪拌器等（一）糊化鍋和糖化糊化鍋的結(jié)構(gòu)示意圖一、淀粉糖化設(shè)備

淀粉類原料從下粉管放入鍋內(nèi)溶液中，蒸汽進(jìn)入夾套釋放熱量成冷凝水排出，鍋內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣沿升氣管上升，部分蒸汽形成冷凝水沿升氣管內(nèi)壁流入環(huán)型槽后由排水管排出，為防止鍋內(nèi)局部過熱，開啟電動(dòng)機(jī)對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，促使溶液體系受熱均勻。糊化鍋的工作過程一、淀粉糖化設(shè)備1.淀粉糖化過程

糊化

糖化

單糖

糊化階段，淀粉水解轉(zhuǎn)化成糊精；在糖化階段，糊精被淀粉糖化酶轉(zhuǎn)化成單糖或二糖。（二）雙酶制糖工藝一、淀粉糖化設(shè)備

雙酶制糖工序有調(diào)漿、液化、糖化和過濾。生產(chǎn)設(shè)備主要有糊化鍋、糖化噴射器、維持罐、冷卻裝置等。2.雙酶制糖工藝流程雙酶制糖工藝示意圖二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備蒸汽能深入到液體內(nèi)部，并迅速穿透細(xì)胞壁，使細(xì)胞整體升溫，致使細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)凝固失去生物活性，從而終止了細(xì)胞的新陳代謝過程。1.加熱滅菌原理細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖（一）培養(yǎng)基滅菌設(shè)備二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備2.蒸汽滅菌鍋的結(jié)構(gòu)高壓蒸汽滅菌鍋二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備高壓蒸汽滅菌鍋由內(nèi)鍋、外鍋、門蓋、壓力表、溫度計(jì)、排氣閥、安全閥、電熱管等部件構(gòu)成。

高壓蒸汽滅菌鍋結(jié)構(gòu)示意二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備3.高壓蒸汽滅菌鍋的操作與維護(hù)（1）使用前應(yīng)清洗干凈，進(jìn)氣閥及排氣閥有效，加注水。（2）裝入滅菌物品：間隔合適，扣上門蓋，旋緊密封。（3）預(yù)熱及排氣：加熱升溫，排除冷空氣，當(dāng)排氣閥有蒸汽排出時(shí)，關(guān)閉排氣閥。（4）升壓保溫：待蒸汽壓力升至額定值時(shí)，調(diào)節(jié)熱源，或者微開排氣閥，使鍋內(nèi)蒸汽壓力恒定在額定值。維持規(guī)定時(shí)間后，停止加熱。（5）取出滅菌物品：緩慢排氣，待其壓力下降至零時(shí)，方可打開取物。二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備1.連消塔全塔高2～3m，由蒸汽導(dǎo)管和外套管組成。蒸汽導(dǎo)管上開設(shè)有很多小孔，小孔的分布呈下密上疏，蒸汽可從小孔中噴出。小孔的總截面積等于或小于導(dǎo)入管的截面積。（二）連續(xù)加熱設(shè)備連消塔工作原理二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備蒸汽和培養(yǎng)液在噴射器的吸入室中混合均勻，在喉管和擴(kuò)大段進(jìn)一步混合均勻后排出。2.噴射器

蒸汽噴射器二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備3.維持罐結(jié)構(gòu)主要由筒體、夾套、進(jìn)料管、出料管、排盡管和測(cè)溫口組成。

維持罐設(shè)計(jì)安裝有無菌呼吸口，以保證外界微生物不能進(jìn)入維持罐內(nèi)。維持罐的有效體積應(yīng)能滿足維持時(shí)間8～25的需要，填充系數(shù)為85%～90%。維持罐二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備待滅菌的培養(yǎng)基由泵送入連消塔的底部，料液在此被蒸汽加熱到滅菌溫度，再由頂部流出，進(jìn)入維持罐，停留一定時(shí)間后，再送入噴淋冷卻器，冷卻至常溫。連消塔加熱連續(xù)滅菌流程

連續(xù)滅菌流程二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備當(dāng)蒸汽從噴嘴中高速噴出時(shí)，與生培養(yǎng)液瞬間混勻并將其加熱到滅菌溫度?；旌弦哼M(jìn)入維持段管道中繼續(xù)保溫滅菌，管道越長(zhǎng)滅菌時(shí)間也越長(zhǎng)，可根據(jù)培養(yǎng)基的性質(zhì)和滅菌要求確定管道的長(zhǎng)度。滅菌后的培養(yǎng)基經(jīng)過膨脹閥進(jìn)入真空冷卻器瞬間冷卻。噴射加熱連續(xù)滅菌流程二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備

滅菌后的培養(yǎng)基經(jīng)過膨脹閥進(jìn)入真空冷卻器瞬間冷卻二、培養(yǎng)基滅菌設(shè)備噴射加熱連續(xù)滅菌流程是目前常用的培養(yǎng)基滅菌方法，其特點(diǎn)是加熱、冷卻過程極為短暫，所以將溫度升高到140℃而不引起培養(yǎng)液的嚴(yán)重破壞。因維持設(shè)備是管道，如果設(shè)計(jì)合理，則返混程度很小，可保證物料的先進(jìn)先出，避免了培養(yǎng)基在滅菌過程中局部過熱或滅菌不充分的現(xiàn)象發(fā)生。課堂小結(jié)1、淀粉糖化設(shè)備的結(jié)構(gòu)及原理。2、培養(yǎng)基滅菌相關(guān)知識(shí)。3、常用工廠大規(guī)模連續(xù)加熱/滅菌設(shè)備。第三節(jié)

發(fā)酵罐§5-3發(fā)酵罐知識(shí)目標(biāo)：1.掌握發(fā)酵罐的類型和特點(diǎn)；2.了解不同類型發(fā)酵罐的優(yōu)缺點(diǎn)。技能目標(biāo)：1.熟練掌握和運(yùn)用各種發(fā)酵罐的優(yōu)缺點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)等相關(guān)知識(shí)；2.掌握發(fā)酵過程需要監(jiān)控的參數(shù)；3.了解發(fā)酵罐參數(shù)檢測(cè)儀器。4.能夠熟練運(yùn)用發(fā)酵罐參數(shù)檢測(cè)儀器的種類和使用注意事項(xiàng)等相關(guān)知識(shí)；5.熟練應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，解決實(shí)際生產(chǎn)操作問題。第三節(jié)、發(fā)酵罐

發(fā)酵罐是微生物大量生長(zhǎng)繁殖的空間，是一類重要的生物反應(yīng)器。發(fā)酵罐厭氧式發(fā)酵罐不需要通入氧氣好氧式發(fā)酵罐需要通氧氣好氧發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐鼓泡塔式發(fā)酵罐一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的主要部件有罐體、攪拌器、擋板、空氣分布器、換熱器、消泡器、人孔、視鏡等。

機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐1.罐體罐體是空心圓柱體上下兩底焊接封頭后所構(gòu)成的容器。圓柱體高徑之比為1.7～3。罐體一般采用衛(wèi)級(jí)不銹鋼，要求能耐受130℃的高溫和的絕對(duì)壓力。封頭上設(shè)置有進(jìn)料管、無菌呼吸口、接種管、人孔、視鏡、壓力表和取樣管等。罐側(cè)壁上設(shè)計(jì)有各種檢測(cè)儀器接口以及換熱器的進(jìn)出口。無菌壓縮空氣從罐底部通入，經(jīng)空氣分布管進(jìn)入發(fā)酵液。一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐2.攪拌器攪拌器安裝在攪拌軸上，起著將空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合，提高溶氧速率的作用。攪拌器的葉輪有多種形式，有渦輪式和螺旋槳式兩種。（1）渦輪式攪拌器

中央圓盤上設(shè)置六個(gè)葉片，可分為平葉式和彎葉式兩種。

渦輪結(jié)構(gòu)示意一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2）螺旋槳式攪拌器采用類似螺旋推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)，在發(fā)酵罐內(nèi)形成由下向上的軸向螺旋運(yùn)動(dòng)。

螺旋攪拌槳一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（3）兩類攪拌器的攪拌效果

兩種攪拌器一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐可產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流擴(kuò)散效果，氣泡分散性好，但主體對(duì)流混合較差，容易產(chǎn)生層流。渦輪式攪拌器可在軸向產(chǎn)生較好的主體對(duì)流混合，但渦流擴(kuò)散效果較差，即氣泡分散性較弱。螺旋槳式攪拌器

兩類攪拌器組合使用，既強(qiáng)化氣泡的分散，又增強(qiáng)了發(fā)酵液的整體混合效果。一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐3.軸封連接攪拌器的攪拌軸在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌軸與罐體間的縫隙通過軸封實(shí)現(xiàn)密閉。發(fā)酵罐上常采用端面機(jī)械軸封。端面機(jī)械軸封由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成動(dòng)環(huán)由碳化鎢鋼制成，靜環(huán)由聚四氟乙烯制成動(dòng)環(huán)和靜環(huán)具有導(dǎo)熱性能好，摩擦系數(shù)小等特性。一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

動(dòng)環(huán)和靜環(huán)一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐4.空氣分布器通常有單管式和環(huán)管式兩種結(jié)構(gòu)，管上密布了直徑約2～3㎜的噴氣孔，其作用是使空氣分布均勻。單管式是大型發(fā)酵罐中經(jīng)常采用的形式，管口正對(duì)發(fā)酵罐的底部，與罐底距離約40㎜。環(huán)管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由一根環(huán)形管道制成，其上也分布有噴氣孔，常固定在罐體底部，其噴氣孔應(yīng)向下，以減少發(fā)酵液在分布管上滯留。一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐5.消泡器通氣攪拌條件下的發(fā)酵經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵液外溢，增加染菌機(jī)會(huì)。消泡法化學(xué)消泡法機(jī)械消泡法

耙式消泡器渦輪消泡器

離心式消泡器

耙式和渦輪式消泡器安裝在罐內(nèi)上部，離心式消泡器則安裝于發(fā)酵罐的排氣口處。

一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐耙式消泡器渦輪消泡器

消泡器一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐6.換熱器換熱器有夾套式和豎管式兩種。小型罐采用夾套式，以減少罐內(nèi)的結(jié)構(gòu)，但傳熱效果差。大型罐中，常采用豎管式，分組對(duì)稱安裝在罐內(nèi)壁上。依據(jù)豎管的排列結(jié)構(gòu)，可分為蛇管和列管等形式。

豎管式換熱器二、氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐由罐體、導(dǎo)流筒、循環(huán)管、空氣噴嘴等部件組成。在氣升式發(fā)酵罐中沒有機(jī)械攪拌器及相關(guān)裝置，采用高速氣流和密度差帶動(dòng)發(fā)酵液流動(dòng)、混合。有環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等氣升發(fā)酵罐。按發(fā)酵液流動(dòng)方式，環(huán)流式發(fā)酵罐又可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)方式中，又有中央導(dǎo)流筒式和雙帶導(dǎo)流式二、氣升式發(fā)酵罐1.氣升式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)

氣升式發(fā)酵罐二、氣升式發(fā)酵罐

潔凈空氣以250～300m/s，的速度從噴嘴噴出，并以氣泡的形式分散于液體中。含大量氣泡的發(fā)酵液沿循環(huán)管上升。在上升過程中，氣泡中的氧氣溶解于發(fā)酵液內(nèi)，過量的氣泡在罐的頂部釋放出來，發(fā)酵液氣含率下降，形成富含溶氧和較少氣泡的液體。由于發(fā)酵罐上部液體氣泡少密度大，下部液體氣泡多密度小，在密度差和重力作用下，上部液體沿循環(huán)管下降，下部液體上升，形成發(fā)酵液在發(fā)酵罐內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，空氣噴嘴高速噴出的空氣也推動(dòng)發(fā)酵液沿循環(huán)管流動(dòng)。二、氣升式發(fā)酵罐

氣升式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、液體中的剪切作用小。在同樣的能耗下，氧的傳遞能力比機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐要高得多。氣升式發(fā)酵罐不適用于黏度高或固含量大的發(fā)酵液。

氣升式發(fā)酵罐三、自吸式發(fā)酵罐

不需要壓縮空氣，利用特殊的機(jī)械攪拌吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置，將無菌空氣吸入罐中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液的混合與溶氧傳質(zhì)。

自吸式發(fā)酵罐三、自吸式發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐三、自吸式發(fā)酵罐攪拌器的關(guān)鍵部件是吸氣轉(zhuǎn)子，吸氣轉(zhuǎn)子由三棱空心葉輪與固定導(dǎo)輪組成，攪拌軸為中空，與進(jìn)氣管相連，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，軸上的空心葉輪快速旋轉(zhuǎn)，液體被甩出，在葉輪中心形成負(fù)壓，將罐外的無菌空氣吸到罐內(nèi)。隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，吸入的氣體在葉輪周圍分散成細(xì)碎的氣泡，形成了強(qiáng)烈的氣液湍流，氣泡中的氧氣隨之?dāng)U散到發(fā)酵液中，在攪拌的同時(shí)完成了氧氣的溶解過程。自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)和工作原理三、自吸式發(fā)酵罐優(yōu)點(diǎn)：抽吸力不強(qiáng)，吸程不高，適用于對(duì)氧氣需要量較低的醋酸和酵母的發(fā)酵生產(chǎn)。機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐的葉輪轉(zhuǎn)速較高，在轉(zhuǎn)子周圍形成較強(qiáng)烈的剪切區(qū)，不適用于對(duì)剪切力敏感的微生物。缺點(diǎn)：氣液固三相混合均勻，分散度高，溶氧速率高，傳熱性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，附屬設(shè)施少，投資省，能耗低。四、鼓泡塔式發(fā)酵罐

鼓泡塔式發(fā)酵罐由塔體、篩板、空氣分布器、降液管組成

鼓泡塔式發(fā)酵罐四、鼓泡塔式發(fā)酵罐泡塔式發(fā)酵罐的高徑比約為7左右，罐內(nèi)安裝有篩板和空氣分布器，降液管具有液封的作用。壓縮空氣由罐底導(dǎo)入，經(jīng)空氣分布器后，穿過篩板氣孔，逐板上升。發(fā)酵液充滿塔體。在空氣泡上升的過程中，密度小的含氣發(fā)酵液也隨之上升，上升后的發(fā)酵液釋放空氣泡，密度增大，在密度差和重力作用下又沿降液管下降，從而形成循環(huán)?？諝馀莸纳仙桶l(fā)酵液的循環(huán)流動(dòng)，產(chǎn)生氣液混合效果，促進(jìn)了氧氣的溶解。四、鼓泡塔式發(fā)酵罐鼓泡式發(fā)酵罐省去了機(jī)械攪拌裝置，造價(jià)低，又不會(huì)產(chǎn)生液封導(dǎo)致的染菌問題，因而使用范圍較廣。如果培養(yǎng)液濃度適宜，操作得當(dāng)，在不增加空氣流量的情況下，基本上可達(dá)到通用發(fā)酵罐的發(fā)酵水平。生物反應(yīng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，營(yíng)養(yǎng)成分、新的細(xì)胞以及代謝過程產(chǎn)物等因素都在改變。必須對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行監(jiān)控，適時(shí)調(diào)節(jié)各參數(shù)。需要監(jiān)控的內(nèi)容:①物理參數(shù)，包括溫度、壓力、攪拌速度等；②化學(xué)參數(shù)，包括液相pH、氧氣和二氧化碳的濃度；③生化參數(shù)，生物體量、生物體營(yíng)養(yǎng)和代謝產(chǎn)物濃度等。五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)在線檢測(cè):將檢測(cè)儀器安裝在系統(tǒng)中直接測(cè)試生產(chǎn)過程各參數(shù)的過程發(fā)酵過程在線檢測(cè)儀器:溫度傳感器、pH電極、溶氧電極、轉(zhuǎn)速測(cè)定儀等1.發(fā)酵液中溫度的調(diào)控溫度傳感器感應(yīng)罐內(nèi)溫度，將信號(hào)傳遞至溫度控制儀，經(jīng)與設(shè)定溫度進(jìn)行比較后，由溫度控制儀發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，冷卻水閥門和加熱裝置相機(jī)動(dòng)作，調(diào)節(jié)發(fā)酵液溫度。（一）發(fā)酵控制系統(tǒng)五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)2.發(fā)酵液中pH的調(diào)控發(fā)酵罐pH的控制是依靠向罐內(nèi)滴加酸或者堿來完成。

pH電極感知酸堿性，以電信號(hào)傳遞到放大控制儀，啟動(dòng)并控制酸、堿泵動(dòng)作，向罐內(nèi)滴加酸、堿液，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值。五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)圖5-25酸度控制系統(tǒng)五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)3.發(fā)酵液溶氧濃度的調(diào)控發(fā)酵過程中通過改變參數(shù)影響溶氧的可變因素主要是攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量。罐壓影響發(fā)酵液中溶氧濃度。在發(fā)酵過程中，通過調(diào)節(jié)控制通風(fēng)量和攪拌轉(zhuǎn)速的方法達(dá)到對(duì)溶氧濃度的調(diào)控。五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)

溶解氧控制系統(tǒng)（1）五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)溶解氧控制系統(tǒng)（2）五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)條件：無污染BECDA耐高壓F反應(yīng)靈敏快速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔無死角選擇性高耐腐蝕耐高溫（二）發(fā)酵罐的檢測(cè)儀器五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)1.溫度計(jì)培養(yǎng)基滅菌和發(fā)酵過程溫度的檢測(cè)范圍是0—150℃熱電偶半導(dǎo)體熱敏電阻鉑電阻溫度傳感器鉑電阻溫度傳感器是當(dāng)前生物反應(yīng)器的標(biāo)準(zhǔn)配置。鉑金屬的電阻值與溫度的變化成正比關(guān)系，具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，輸出線性好的優(yōu)點(diǎn)。圖5-28溫度傳感器五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)2.壓力表發(fā)酵罐一般采用隔膜式壓力表。為了便于遠(yuǎn)距離監(jiān)控，常把壓力表上的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

壓力表五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)3.pH電極

發(fā)酵罐pH值檢測(cè)電極是玻璃氫電極，是復(fù)合電極。在使用玻璃電極時(shí)要加裝不銹鋼保護(hù)套，電極與發(fā)酵罐壁之間使用“O”形環(huán)密封。PH電極及安裝套件五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)PH電極PH監(jiān)控顯示屏五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)4.溶氧濃度（Do）電極

原電池溶氧電極采用一對(duì)不同金屬材質(zhì)制作的兩個(gè)電極，將其浸沒在發(fā)酵液中，溶解氧得電子所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度與氧氣的濃度成正比，電信號(hào)經(jīng)變送器輸送，并在顯示器上顯示出溶解氧濃度。有原電池溶氧電極和極譜溶氧電極

溶氧電極五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)原電池電極在測(cè)量之前無需預(yù)熱就可對(duì)溶液中的溶解氧濃度改變作出快速響應(yīng)，系統(tǒng)只需40～50秒就可以達(dá)到實(shí)際讀數(shù)的95％。

極譜溶氧電極采用金、鉑等金屬和Ag/AgCl構(gòu)成的電解池系統(tǒng)，需要在電極兩端加上一恒定的極化電壓。當(dāng)氧分子滲透過隔膜后，在陰極被還原，從陽極到陰極的電流與電解液中溶解氧的濃度成正比。五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)

溶氧電極在使用前，必須進(jìn)行原位標(biāo)定。在發(fā)酵罐的安裝位置上，取發(fā)酵過程中最大和最小的氧飽和條件作為溶氧值的零及飽和濃度條件進(jìn)行校正稱為原位校正。

溶氧電極五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)5.消泡電極

常用的消泡電極有電容電極和電阻電極。電容電極由兩部分組成，分別安裝于罐內(nèi)反應(yīng)液的上方，當(dāng)泡沫出現(xiàn)時(shí)，在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生與泡沫量呈正比關(guān)系的電容變化，從而可以定量測(cè)出泡沫量；電阻電極利用泡沫與電極接觸構(gòu)成電流回路的特點(diǎn)來檢測(cè)泡沫，只能定性檢測(cè)泡沫的生成與否。

消泡電極五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)6.流量計(jì)測(cè)定酸、堿和培養(yǎng)基的流量時(shí)，采用是橢圓齒輪流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，流量信號(hào)可轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而被顯示。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)

橢圓齒輪流量計(jì)五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)

玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)

檢測(cè)氣體的流量計(jì)有質(zhì)量流量型和體積流量型兩類。體積流量型用的是轉(zhuǎn)子流量計(jì)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)可以直接讀數(shù)，不能輸出電信號(hào)。五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)

發(fā)酵罐中用的質(zhì)量流量計(jì)是熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。無氣體流過時(shí)，沿測(cè)量管軸向的溫度分布左右對(duì)稱，有氣體流過時(shí)，進(jìn)入端的溫度降低，流出端溫度升高。溫度差通過變送器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c質(zhì)量流量成線形關(guān)系的電信號(hào)，從而獲得流量測(cè)定值。五、發(fā)酵罐控制系統(tǒng)7.尾氣成分分析儀發(fā)酵罐排放氣體含有O2、CO2和其他氣體成分。測(cè)定O2含量廣泛采用的是順磁氧分析儀。順磁氧分析儀的工作原理是：O2分子有很強(qiáng)的順磁性，容易被磁場(chǎng)吸引而造成磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化；氣體中O2含量越高，氣體的磁效應(yīng)越強(qiáng)。磁效應(yīng)可以通過抗磁性物體受到的排斥扭力表現(xiàn)出來，兩者間具有線性關(guān)系，因而可以測(cè)出氣體中O2含量。CO2含量可以用紅外線二氧化碳測(cè)定儀測(cè)定。圖5-38氣體成分分析儀課堂小結(jié)1、發(fā)酵罐的種類及結(jié)構(gòu)。2、不同發(fā)酵罐的應(yīng)用場(chǎng)景及特征和優(yōu)缺點(diǎn)。3、發(fā)酵過程控制的控制參數(shù)。4、發(fā)酵罐中的檢測(cè)裝置。第四節(jié)

動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備∮5-4動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備知識(shí)目標(biāo)：1.掌握動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備種類；2.了解培養(yǎng)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)。技能目標(biāo)：1.能夠運(yùn)用動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備相關(guān)知識(shí)進(jìn)行設(shè)備的選擇和優(yōu)劣對(duì)比；2.熟練應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，解決實(shí)際生產(chǎn)操作問題?！?-4動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備

細(xì)胞培養(yǎng)是指在體外模擬體內(nèi)環(huán)境（無菌、適宜溫度、酸堿度和一定營(yíng)養(yǎng)條件等），使之生存、生長(zhǎng)、繁殖并維持主要結(jié)構(gòu)和功能的一種方法。細(xì)胞培養(yǎng)一般只是指細(xì)胞的增殖過程，形成的并非動(dòng)植物的組織，而是一堆細(xì)胞。

動(dòng)物細(xì)胞無細(xì)胞壁，耐受剪切力弱，動(dòng)物細(xì)胞要貼附在固體或半固體壁上才能生長(zhǎng)。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)器要能提供大面積的固體壁，在溶氧傳質(zhì)時(shí)不產(chǎn)生或產(chǎn)生弱小的剪切力。

適合于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)器有貼壁培養(yǎng)反應(yīng)器、懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器和貼壁—懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器?！?-4動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備一、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備（一）培養(yǎng)瓶和膜反應(yīng)器

1.培養(yǎng)瓶

各種形式的培養(yǎng)瓶一、動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備

滾瓶及培養(yǎng)架2.膜反應(yīng)器中空纖維膜是半透性多孔膜，氧氣與二氧化碳等小分子可以自由地穿過膜進(jìn)行雙向擴(kuò)散，細(xì)胞和其他大分子有機(jī)物則不能通過。將成束的中空纖維