生物工程设备教案

物从内室流出。

一般细胞接种1~3周后可充满外室空隙厚度最终达10层，停止增殖后可维持 高水平代谢功能，达几星期甚至几个月。

4.微囊培养系统重点

20世纪70年代，lin和Sun把生物活性物质、完整的活细胞或组织包在薄的半透 膜中，即称为微囊技术。

操作过程： 介绍

囊内细胞由于得到充分的营养，可获得高达1.4X108/ml的细胞密度。细胞密度大，分泌物产量高。该系统培养周期为2～3周。抗体浓度大，可达110mg/ml，为常规培养的50～100倍

微囊培养系统的特点：

①细胞密度大；②产物单位体积浓度高；③分离纯化操作经济简便；④抗体活性、纯度好。但微囊技术成功率一般只有50％左右，培养液用量大。囊内部分死亡细胞对产物的污染。这些问题还有待进一步研究改进。

5.大载体系统

美国Bellco生物工程公司新设计的大载休培养系统如图 配有先进的主要部件如溶解氧、pH测定以及培养液输入和产物的收获均由微机程控调节。

制作过程 介绍 略 大载体培养系统的优点：

①操作控制方便，可随机取样检测；②附着细胞密度高；③消耗用品价格

低廉，产物收获量大，有明显经济效益。但该系统不具有细胞分泌产物的浓缩装置。

我国1987年引进大载体培养系统，生产单克隆抗体作为人血型定型试清。 6.微载体系统重点

1967年Van Wezel首先创立的一种方法。

基本原理：利用固体小颗粒作为载体，细胞在载休的表面附着，通过连续搅拌悬浮于培养液中，并形成单层生长、繁殖。由于扩大了细胞的附着面．能允分利用生长空间和营养液，因此大大提高细胞的生产效率和产量。微载体由天然葡萄糖聚合物或各种合成聚合物组成。直径50~数百微米，主要有液体微载体、大孔明胶、聚苯乙烯、甲克质、聚氨脂泡沫等

朱德厚1982设计的微载体悬浮培养系统 动画演示

优点：重点①具有较高的表面积体积比；②生长环境均一，条件易于控制，放大容易；③兼具贴壁培养和悬浮培养的优势，而且是均相培养；④取样和细胞汁数简单；⑤细胞和培养液易于分离；⑥大规模培养只需对微生物搅拌式或气升式培养系统稍加改进即可；⑦适合于培养原代细胞、二倍体细胞株，它对生产重组产品来说是必不可少的有效方法。

㈣动物细胞大规模培养的应用 1.疫苗 2.干扰素

3.单克隆抗体

4.其他基因重组产品

【思考题】

1.植物动物细胞培养的特点和反应器的类型？

2.动物细胞培养操作方式及动物细胞反应器类型？ 3.常用动物细胞反应器的培养系统及特点？ 4.举例动植物细胞培养反应器的应用。

【作业】

1.动物细胞培养操作方式 2.微载体培养的优点？ 3.微囊系统的制作过程？

【参考书目】

《生物工程设备》梁世中主编，中国轻工业出版社2002年 《发酵工程设备》 中国轻工业出版社 《生物工艺学》 中国轻工业出版社 【教学效果追记】

本章内容中主要是动植物细胞培养反应器，培养系统较多，掌握微载体培养的优点。同时通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习掌握各种培养系统和特点。

【预习】生化反应器的比拟放大

第八章 生化反应器的比拟放大

【教学目的与要求】了解生化反应器的放大方法，重点掌握几何相似和经验放大法中的单位体积搅拌功率相等的准则的放大。

【教学重点与难点】几何相似和经验放大法中的单位体积搅拌功率相等的准则的放大。

【教学方法】示例讲授为主。 【教学时数】3学时

作业讲评：表扬及指出存在问题 复习提问：搅拌轴功率的计算公式

一、生化反应器放大的目的和方法 新产品的研制开发经历：

a.实验室阶段： 菌种筛选和培养基的研究 1~5L小发酵罐

b.中试规模： 小试—中试 探索工业化生产培养基和培养条件 5~500L发酵罐 c.规模化生产： 试生产—商品生产——市场 500L以上发酵罐 获取最大经济效益 ㈠生化反应器放大的目的

应用理论分析和实验研究想结合，总结生物反应器的内在规律和影响因素，重点解决相 关的质量传递、动量传递和热量传递的问题，使反应器放大过程中能尽可能维持生物细 胞的生长规律、代谢产物的生成速率。

㈡生化反应器放大的方法 1.理论放大法 2.半理论放大法 3.因次分析法 3.经验放大规则

二、通风发酵罐的经验放大法 重点和难点

㈠以体积溶氧系数kla或kd值相等为基准的放大法：

高耗氧的发酵采用此法进行反应器放大，实践证明效果良好。 计算公式：1.不通气搅拌公式：Po= ni NpρN3Di5

Re=Di2nρ/μ

2.通气搅拌功率：

Pg=2.25×10-3（Po2nDi3/Q 0.08）0.39

3.溶氧系数：kla=k(Pg/V)αυsβ

kd=（2.36＋3.3ni）（Pg/V）0.56υs 0.7 n 0.7×10-9

举例：某厂在100L机械通风发酵罐中进行淀粉酶生产试验， 所用的菌种为枯草杆菌，取得良好发酵效果。拟放大至20m3生产罐，已知此发酵液为牛顿型流体，黏度μ=0.00225Pa.s，密度ρ=1020kg/m3。试验罐尺寸；直径D=375mm，搅拌叶轮直径Di=125mm，高径比H/D=2.4，液深HL=1.5D，装四块标准档板，装掖量为60L，通气速率1.0VVm，使用两挡圆盘六直叶涡轮搅拌器，转速n=350r/min。通过实验证明，此发酵液为高耗氧的生物反应，可按体积溶氧系数相等的原则进行放大。 解：

1.计算小罐的kd值 先求搅拌雷诺准数

Re?Di2n??0.1252??350/60??1020?2.25?10?3?4.13?104Re＞104 所以 Np=6.0

不通气的搅拌功率：

Po=2NpDi5n3ρ

=2×6.0×1020×0.1255×(350/60)3 =74.1(W)=0.0741kW

通气搅拌功率：Pg=2.25×10－3(Po2n Di3/Vg0.08)0.39

=2.25×10－3(0.7412×350×12.53/600000.08)0.39 =0.0395 (kW)

求小罐的溶氧系数 先求出空截面流速:

0.06vs??0.543?m/min??54.3cm/min0.785?0.3752小罐的溶氧系数

?Pg?kd??2?2.36?3.3???V?L?0.560.56?vs0.7?n0.7?10?9?0.0395?0.70.7?9?8.96???54.3?350?10?0.06??7.01?10?6?molO2/ml.min.atm?2.按几何相似的原则放大到20m3生产罐尺寸：重点和难点 VL=20×60%=12m3=0.785D22×HL =0.785D22×1.5D2 则：D2=2.17m

H=2.4D2=2.4×2.17=5.2m， HL=1.5D2=3.26m Di=(0.125/0.375)×D2=0.72m 3.按单位体积相等的原则放大风量：通气强度不变

大罐风量Q=12m/min 通风气速

Q12vs???3.42?m/min??342cm/min0.785D20.785?2.172气速比原来的54.3m/min增加6倍，气速过大，容易引起泡沫增加，逃料。根据经验及小罐的试验情况，取vs=150cm/min，则放大罐的风量为： 通气强度为：5.55/12=0.462

?Q2?D2vs?0.785?2.172?1.5?5.55m3/min4大罐的溶氧系数

3

?P?kd??2.36?3.30Ni??g??VL??Pg???2.36?3.30?2????12??7.434?10?8Pg0.56n0.7应等于小罐的溶氧系数即：

0.56vs0.07n0.7?10?91500.07n0.7?10?90.56kd?7.43?10?8?Pg0.56n0.7?7.01?10?6Pg?3356n?1.254.求大罐的搅拌轴功率和搅拌转速

现有两个未知数，不能求出，再根据通气搅拌功率计算

?o2nDi3??3PPg?2.25?10?0.08??V??g?0.39Po2n0.723??3??2.25?10??60.08??(5.55?10)??0.206Po0.78n0.39可得

0.39Pg?3356n?1.25?0.206PO0.78n0.39则PO?2.51?10n5?2.1?kW?

再根据不通气的搅拌功率的计算

Po=2NpDi5n3ρ W

=2×6×(n/60)30.725×1020×10-3(kW ) =1.096×105n3 =2.51×105 n-2.1

得:n=108r/min Po=13.86kW Pg=9.64kW放大结果见教材P151表1-6-4。

由表中可知,尽管试验罐和放大罐的溶氧系数相同,几何尺寸相似,但放大后大罐的 通气强度和搅拌转速大大降低.此放大结果经试验可行。