生物制药设备

生物制药设备中国药科大学微生物制药教研室公共邮箱：[e-mail]2013/4/10中国药科大学1校内授课内容2013/4/102•生物反应器基本理论1•培养基灭菌及设备2•空气除菌及设备3•细胞生物反应器4•酶及固定化酶反应器5绪论生物反应器历史简介132MONTH120世纪70年代，Atkinson提出了生化反应器（biochemicalreactor）一词同一时期，Ollis提出了另一术语——生物反应器（biologicalreactor）。20世纪80年代，生物反应器（bioreactor)一词在专业期刊与书籍中大量出现。生物反应器的中心地位生物反应器在生物过程中所处的地位生物催化过程的中心医药工业Antibiotics,SCP,细胞因子等食品工业酶，AA等化学工业乙醇，有机酸，酶等生物反应器基本理论第一章2013/4/10此处添加公司信息7BiostatC-10通用式发酵罐(Fermenter)Bioreactor(生物反应器)2013/4/109生物反应器的基本工程概念第一节一、生物反应器的类型生物反应器的定义：1、利用生物催化剂迚行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器。2、生物反应器是生物化学反应得以迚行的场所。分类间歇连续半连续理想非理想罐式管式塔式膜式均相非均相酶反应器微生物反应器按操作方式分按流体流动和混合程度分按几何构形和结构特征分按相态反应器分按所使用的催化剂分生物反应器的型式和操作方式二、生物反应器设计与开发该怎么设计呢？管式？罐式？连续？半连续？酶？细胞？工业反应器2013/4/10此处添加公司信息15（一）设计内容反应器类型反应器结构确定工艺参数及控制方式确定反应器操作方式、结构类型、传热、流动方式确定反应器内部结构几何尺寸、搅拌器形式、大小、转速、换热方式、换热面积等确定温度、压力、通气量、进料浓度、流量等反应器类型pH控制温度控制工业重要特性主要应用领域批式(通用罐)连续搅拌罐式气升式反应器鼓泡式反应器自吸式反应器通风制曲设备闭气反应器动植物细胞用反应器光合反应器如需如需如需如需如需难控如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需如需人事费用高流速受冲出限制空压机出口压力要高可采用鼓风机需转子高速旋转人事费用高无需通风设备剪切应力小需光源大多数工业生产污水处理、SCP生产等有机酸,如柠檬酸生产等面包酵母等生产乙酸、酵母等生产麸曲、酶制剂和麦芽生产等酒精、啤酒等生产杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞培养等微藻等生产（二）设计目标产品质量高成本低产物浓度高、杂质少（细胞成分－细胞内蛋白、生物合成产物－抗生素、维生素、氨基酸、有机酸）原材料消耗少，转化率高，回收成本低能耗低设备投资与维护成本（三）设计和操作的限制因素限制因素及如何解决生物反应器设计应提供与生产能力有关的因素高效传热高效传质传热传质生物催化剂浓度、比活力生物反应器生产能力的限制因素（四）开发趋势和方向5个方面大型化自动化特殊用途、特殊性能反应器开发与下游过程相联系改进生物反应器中热质传递---限制因素2开发高活性生物催化剂----限制因素12013/4/1023理想反应器第二节一、返混与停留时间分布平均停留时间----连续操作反应器的有效容积VA与通过反应器的体积流量F的比值，即VA/F。停留时间分布----连续反应器中，同时进入反应器的物料粒子，有的很快从出口流出，有的经过很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定的分布，称为停留时间分布。（年龄分布、寿命分布）返混----反应器中停留时间不同的料液之间的混和。涡流与扰动沟流短路与死角倒流速度分布返混产生的原因非理想流动的停留时间分布曲线特征二、停留时间分布的测定停留时间分布函数F(t)停留时间分布密度函数E(t)F(t)=C(t)/C*E(t)=dF(t)/dt脉冲法实验数据eg.t=240s时，C(t)=19.0g/L，C*=50.0g/L，F(t)=C(t)/C*=0.38E(t)=dF(t)/dt=(0.38-0.13)/(240-120)=2.083×10-3(s-1)三、理想反应器模型流动模型----假定反应器内物料是按照某一种模式流动的，这种模式既要能基本反映物料的实际流动状况，又要能比较简便的迚行数学计算，这种合理的简化模式就叫做～。数学模型法----用对模型的分析和计算去代替实际反应器的分析和计算，这种处理问题的方法叫做数学模型法。理想反应器模型种类及分类依据理想反应器模型基本上全混基本无返混介于两者之间多釜串联轴向扩散全混流CSTR平推流PFRCSTR—反应器中所有料液都达到充分混合，即返混无穷大，微生物或酶浓度和培养基组成各点相同，也与出口同，在定常态下不随时间变化。PFR—反应器中没有任何不同停留时间的料液之间的混合，即返混为零，微生物或酶浓度和培养基组成是所处位置的函数。理想CSTR有旁路有(1-α)的死区生物反应器的计算基础第三节一、反应器设计与操作参数（一）反应器的空时（τ）τ=VR/F（二）转化率00tinoutinssssss(间歇)，（连续）（三）反应器的生产能力（生产率）inrtrsPtsstsP，连续间歇00（四）反应能力CRCR=rmaxεVR(五)选择性0[]([][])pPSSS二、间歇反应器的计算物料衡算迚入量-排出量=反应量+积累量00rVR([])RdVSdtR([])V[][]RRdVSrVdtdSrdtdStr液体反应是常数间歇反应器设计的基本方程式三、平推流反应器的计算物料衡算（PFR）进入量=排出量+反应量+积累量F[S]=F([S]+d[S])+rdV+0-Fd[S]=rdV0[][]vdSdVrFdSr平推流反应器的设计方程式阴影面积为停留时间四、全混流反应器的计算底物物料衡算（CSTR）进入量=排出量+反应量+积累量F[S]0=F[S]+rVR+00[][]RSSVFr全混流反应器的基础计算式保持稳态的两种方法：恒化器、恒浊器恒化器（占大多数）：限制性底物的浓度不变（保持适当流速）微生物、底物、产物浓度都维持在某个水平恒浊器：浓度----浊度-----流速阴影面积为停留时间2013/4/10此处添加公司信息52生物反应器的设计基础第四节(一)生物反应器设计基础生物反应器的设计必须以生物体为中心，除了考虑反应器的传热、传质等性能外，还需要了解生物体的生长特性和要求。（二）生物反应的目的可归纳为以下几种：1）生产细胞；2）收集细胞的代谢产物；3）直接用酶催化得到所需产物。通气生物反应器光照生物反应器膜生物反应器生物反应器可归纳为厌气生物反应器（三）生物反应器的化学计量基础(1)维持代谢的化学计量式(2)微生物生长的化学计量式(3)产物合成的化学计量式61262226662814CHOOCOHOkJ6126321.920.610.16220.552.393.422.583.54CHONHOCHONCOHO（四）生物反应器的生物学基础细胞数动力学生长动力学方程产物形成动力学方程高浓度基质及产物的抑制动力学环境因素对生长及代谢的影响