第六章 生物反应器 第一节 生物反应基本知识 第二节 培养基预处理设备 第三节 发酵设备 第四节 发酵罐信号控制系统

Presentation on theme: "第六章 生物反应器 第一节 生物反应基本知识 第二节 培养基预处理设备 第三节 发酵设备 第四节 发酵罐信号控制系统"— Presentation transcript:

1 第六章 生物反应器 第一节 生物反应基本知识 第二节 培养基预处理设备 第三节 发酵设备 第四节 发酵罐信号控制系统
第六章 生物反应器 第一节 生物反应基本知识 第二节 培养基预处理设备 第三节 发酵设备 第四节 发酵罐信号控制系统 第五节 动植四细胞培养设备

2 第一节 生物反应基本知识 一、生物反应过程 二、生物反应模式

3 一、生物反应过程 （一）概述 1.生物反应 生物反应在狭义上是指活细胞中的各种生物化学反应。广义的生物反应是指生物体的新陈代谢过程。
在生产上，能够进行生物化学反应的场所，称为生物反应器。

4 2.影响生物反应的因素 一、生物反应过程 环境温度、酸碱度、营养物质浓度、氧气浓度、二氧化碳浓度、机械尺寸、流体湍流程度、细胞的生长浓度、产
物的生成速度等 。

5 一、生物反应过程 生物反应模式分为分批培养和连续培养 （二）分批培养中的细胞生长模式
将培养基一次性投入反应器中，接入细胞并维持细胞生长的过程叫分批培养。 在分批培养过程中，随着时间的延长，营养物逐渐被消耗，新的细胞不断增加，产物的数量在逐渐累积，细胞生长过程处于动态变化的环境中。

6 一、生物反应过程 减速生长期 指数生长期 停滞期 加速生长期 平衡生长期 负生长期 微生物细胞生长过程

7 一、生物反应过程 　　① 迟滞期（The lag phase）。 当生物种子被接入新鲜培养液时，细胞需要一定的时间适应新环境，因而出现一段相对静止的阶段，在这一阶段，细胞的总量和浓度保持不变。这一阶段的长短取决于细胞的个体遗传特性、种龄、接种量和环境等，一般为几个小时。

8 一、生物反应过程 　　② 加速生长期（acceleration phase）。 在这一时期内，一部分细胞已经适应新的环境，开始生长和繁殖。由于细胞个体的差异，这种适应有快有慢，表现为细胞量的逐步增加。 　　③ 指数生长期（logarithmic or experimental phase）。 又称对数生长期。在这一生长期内细胞的各成分以恒定的速度合成，表现在细胞含量的对数值与时间成直线关系，在这一时期内，细胞的生命力最强。 　　④ 减速生长期（deceleration phase）。由于细胞的生长，营养物质越来越少，培养液中积累的有毒代谢物也越来越多，细胞的继续生长受到限制，细胞浓度的增加逐渐减慢进入减速生长期。

9 一、生物反应过程 （三）生物反应过程的氧气供给
在向培养液通风时， 空气在培养液内形成大量的气泡，氧气首先从气泡内进入培养液成为溶解氧，然后从培养液进入生物细胞体内供细胞消耗。因此，氧气从气相传递到微生物细胞内的过程可分为两步：1、氧气从气泡内跨过气液界面到达液体内部； 2、氧气从液体内部跨过液固界面进入生物细胞内。前者称为氧气在发酵液中的气-液传递过程，后者叫做氧气的液-固传递过程。

10 一、生物反应过程 氧在气液间的传递符合双膜理论，其基本论点如下：图3-8 双膜理论示意图
　　① 相互接触的气、液两相存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的滞流膜层，在气相一侧的称为气膜，液相一侧的叫做液膜。氧气分子以扩散的形式通过此二膜层。如图3-8所示。 　　② 在相界面处，气、液两相达到平衡。 　　③ 在膜层以外的气、液两相中，氧气的浓度基本相等，全部浓度变化集中在两个膜层内。

11 一、生物反应过程 2.提高氧气传递速率 （1）增强搅拌 机械搅拌可以增加反应液的湍流程度，促使分散的气泡变得更小、分布更均匀，减少液膜厚度、降低传质阻力；增强搅拌还可增加气液接触面积，延长气泡在反应液中的停留时间。 机械搅拌产生的剪切力会伤害细胞，可通过改变叶片减小剪切力。

12 通气量过大，则容易产生大量的泡沫，造成溢罐，产生气泡“过载”现象。
一、生物反应过程 （2）提高通气速率 通气量越大，反应液中的气泡就越多，溶解氧的浓度就越高。通气能起到一定的搅拌效果。 通气量过大，则容易产生大量的泡沫，造成溢罐，产生气泡“过载”现象。 （3）控制反应液体积 在同样搅拌强度下，反应液体积增大，会降低搅拌的效果 。

13 一、生物反应过程 （4）改善反应液的性质 反应液的黏度影响液膜的表面张力，进而影响液体中气泡合并的难易度。液体中气泡液膜的表面张力加剧气泡的合并倾向。随着生物反应的进行，反应液中细胞分泌物增加，黏度变大，小气泡合并成大气泡，出现起沫现象。加入消泡剂，可以降低液膜的表面张力，阻止气泡的合并。

14 （一）生物反应器的分类 二、生物反应模式 按有机体种类：细胞反应器（微生物反应器、植物细胞反应器、 动物细胞反应器）酶反应器。
根据操作方式：间歇操作反应器、连续操作反应器和半间歇操作 反应器。

15 二、生物反应模式 根据流体宏观混合状态：理想流动和非理想流动。 根据反应器形态和结构：槽式、塔式、管式和膜式等反应 器 根据反应物系的相态：均相和多相反应器。 根据能量提供方式：机械搅拌和流体搅拌反应器。

16 二、生物反应模式 生物反应器在生物制药过程中的作用

17 培养液一次性全部加入，接种培养一段时间后，将培养液一次性全部放出
二、生物反应模式 （二）生物反应器的操作类型 1.简单分批培养 培养液一次性全部加入，接种培养一段时间后，将培养液一次性全部放出

18 二、生物反应模式 2.补料分批培养 开始培养时，培养液没有一次性加足，在培养一定时间后，根据培养液营养成分的消耗情况将部分营养成分连续加入反应器内（称之为补料），培养结束后一次性全部放出。 3.反复分批培养 在简单分批培养即将结束时，放出大部分的培养液，余下少量作为种子液，补充新鲜培养液后再重新培养，如此反复直至培养不能再延续时，再将发酵液全部放出。

19 二、生物反应模式 4.反复补料分批培养 又称为半连续发酵，指在补料分批培养中进行一段时间、反应器内培养液体积达到最大无法再继续补料时，将培养液放出一部分，再继续补料，隔一段时间后再放出同样体积，如此反复操作，直到最后将培养液一次性全部放出。

20 第二节 培养基预处理设备 一、淀粉糖化设备 二、培养基灭菌设备

21 微生物不能直接将淀粉作为营养物质吸收利用，需要水解成还原糖后作为营养物质。
淀粉水解成还原糖的过程为淀粉的糖化。糖化设备主要是加热和保温设备。

22 一、淀粉糖化设备 (一) 加热设备 1.连消塔 全塔高2～3m，由蒸汽导管和外套管组成。蒸汽导管上开设有很多小孔，小孔的分布呈下密上疏，蒸汽可从小孔中喷出。小孔的总截面积等于或小于导入管的截面积。

23 蒸汽和培养液在喷射器的吸入室中混合均匀，在喉管和扩大段进一步混合均匀后排出。
一、淀粉糖化设备 2.喷射器 蒸汽和培养液在喷射器的吸入室中混合均匀，在喉管和扩大段进一步混合均匀后排出。

24 主要由筒体、夹套、进料管、出料管、排尽管和测温口组成.
一、淀粉糖化设备 3.维持罐结构 主要由筒体、夹套、进料管、出料管、排尽管和测温口组成. 维持罐设计安装有无菌呼吸口，以保证外界微生物不能进入维持罐内。维持罐的有效体积应能满足维持时间8～25的需要，填充系数为85%～90%。

25 一、淀粉糖化设备 （二）糊化锅和糖化锅 1.糊化锅 糊化锅用来加热煮沸淀粉原料使其液化和糊化的设备 糊化锅的关键部件有锅盖、锅体、夹套和搅拌器等

26 一、淀粉糖化设备 淀粉类原料从下粉管放入锅内溶液中，蒸汽进入夹套释放热量成冷凝水排出，锅内产生的水蒸气沿升气管上升，部分蒸汽形成冷凝水沿升气管内壁流入环型槽后由排水管排出，为防止锅内局部过热，开启电动机对溶液进行搅拌，促使溶液体系受热均匀。 工作过程 由于糊化锅生产能力大，在制药工业中，主要用于抗生素和氨基酸药物的发酵生产过程，在基因药物中使用少。

27 一、淀粉糖化设备 2. 糖化锅 糖化锅是糊精水解成单糖或二糖的反应容器，将糊化后的浆状料液输送至糖化锅中，加水稀释，并加入糖化酶，将温度保持在哎一定范围内，经一段时间后即可糖化完毕。

28 糖化酶 可作用于α-1,4或 α-1,6葡萄糖苷键，可将糊 精完全水解为葡萄糖或 麦芽糖，即淀粉的糖化。 一、淀粉糖化设备 制糖工艺中的酶
淀粉液化酶 作用于淀粉α-1,4葡萄糖苷键，将长链的淀粉水解成短链糊精，使淀粉液化，产物以短链的糊精为主，含有少量的葡萄糖。

29 双酶制糖工序有调浆、液化、糖化和过滤。生产设备主要有糊化锅、糖化喷射器、维持罐、冷却装置等。
一、淀粉糖化设备 双酶制糖工序有调浆、液化、糖化和过滤。生产设备主要有糊化锅、糖化喷射器、维持罐、冷却装置等。

30 二、培养基灭菌设备 干热灭菌 湿热灭菌 辐射灭菌 过滤灭菌 1.灭菌分类 物理灭菌 灭菌方法 气体灭菌 化学灭菌 化学药剂灭菌

31 二、培养基灭菌设备 灭菌原理 蒸汽能深入到液体内部，并迅速穿透细胞壁，使细胞整体升温，致使细胞内蛋白质凝固失去生物活性，从而终止了细胞的新陈代谢过程。 培养基灭菌高温瞬时灭菌，能够在杀菌的同时，最大程度减少营养物质的破坏程度。

32 高压蒸汽灭菌锅由内锅、外锅、门盖、压力表、温度计、排气阀、安全阀、电热管、蒸汽发生器等部件构成 。
二、培养基灭菌设备 1.高压蒸汽灭菌锅 高压蒸汽灭菌锅由内锅、外锅、门盖、压力表、温度计、排气阀、安全阀、电热管、蒸汽发生器等部件构成 。

33 二、培养基灭菌设备 高压蒸汽灭菌锅分为立式和卧式两种。

34 二、培养基灭菌设备 2.高压蒸汽灭菌锅的操作与维护 （1）使用前应清洗干净，进气阀及排气阀有效，加注水。
（2）装入灭菌物品：间隔合适，扣上门盖，旋紧密封。 （3）预热及排气：加热升温，排除冷空气，当排气阀有蒸汽排出时，关闭排气阀。 （4）升压保温：待蒸汽压力升至额定值时，调节热源，或者微开排气阀，使锅内蒸汽压力恒定在额定值。维持规定时间后，停止加热。 （5）取出灭菌物品：缓慢排气，待其压力下降至零时，方可打开取物。

35 工业生产过程中，培养基灭菌采用连续操作方式进行，根据加热器类型，分为连消塔连续灭菌、喷射加热连续灭菌和薄板加热连续灭菌流程。
二、培养基灭菌设备 工业生产过程中，培养基灭菌采用连续操作方式进行，根据加热器类型，分为连消塔连续灭菌、喷射加热连续灭菌和薄板加热连续灭菌流程。 待灭菌的培养基由泵送入连消塔的底部，料液在此被蒸汽加热到灭菌温度，再由顶部流出，进入维持罐，停留一定时间后，再送入喷淋冷却器，冷却至常温。

36 二、培养基灭菌设备 当蒸汽从喷嘴中高速喷出时，与生培养液瞬间混匀并将其加热到灭菌温度。混合液进入维持段管道中继续保温灭菌，管道越长灭菌时间也越长，可根据培养基的性质和灭菌要求确定管道的长度。灭菌后的培养基经过膨胀阀进入真空冷却器瞬间冷却。

37 二、培养基灭菌设备 灭菌后的培养基经过膨胀阀进入真空冷却器瞬间冷却

38 培养液在薄板换热器中可以同时完成预热、加热灭菌、维持及冷却过程。
二、培养基灭菌设备 培养液在薄板换热器中可以同时完成预热、加热灭菌、维持及冷却过程。

39 第三节 发酵罐 一、机械搅拌通风式发酵罐 二、气升式发酵罐 三、自吸式发酵罐 四、鼓泡式发酵罐

40 概述 通风发酵设备是需氧生化反应的最基础设备，应具有良好传质和传热性能，结构严密，防杂菌污染，培养基流动与混合良好，良好的检测与控制，设备较简单，方便维护检修，能耗低等特点。常用的通风发酵罐有机械搅拌式、气升环流式和自吸式等，其中机械搅拌通风发酵罐仍占据着主导地位。

41 发酵罐是微生物大量生长繁殖的空间，是一类重要的生物反应器。
分类 发酵罐是微生物大量生长繁殖的空间，是一类重要的生物反应器。 发酵罐 厌氧式发酵罐 不需要通入氧气 好氧式发酵罐 通氧气 好氧发酵罐 机械搅拌通风发酵罐 气升式发酵罐 自吸式发酵罐 鼓泡塔式发酵罐

42 机械搅拌 通风发酵罐 的主要部件有罐体、 搅拌器、挡板、空气 分布器、换热器、消 泡器、人孔、视镜等.
一、机械搅拌通风发酵罐 机械搅拌 通风发酵罐 的主要部件有罐体、 搅拌器、挡板、空气 分布器、换热器、消 泡器、人孔、视镜等.

43 一、机械搅拌通风发酵罐

44 一、机械搅拌通风发酵罐

45 一、机械搅拌通风发酵罐

46 一、机械搅拌通风发酵罐

47 一、机械搅拌通风发酵罐

48 一、机械搅拌通风发酵罐

49 搅拌器安装在搅拌轴上，起着将空气分散成气泡并与发酵液充分混合，提高溶氧速率的作用。
一、机械搅拌通风发酵罐 2.搅拌器 搅拌器安装在搅拌轴上，起着将空气分散成气泡并与发酵液充分混合，提高溶氧速率的作用。 搅拌器的叶轮有多种形式，有涡轮式和螺旋桨式两种。 （1）涡轮式搅拌器 中央圆盘上设置六个叶片，可分为平叶式和弯叶式两种。

50

51 一、机械搅拌通风发酵罐

52 采用类似螺旋推进器的结构，在发酵罐内形成由下向上的轴向螺旋运动。
一、机械搅拌通风发酵罐 （2）螺旋桨式搅拌器 采用类似螺旋推进器的结构，在发酵罐内形成由下向上的轴向螺旋运动。

53 一、机械搅拌通风发酵罐 （3）两类搅拌器的搅拌效果

54 两类搅拌器组合使用，既强化气泡 的分散，又增强了发酵液的整体混合效果。
一、机械搅拌通风发酵罐 可产生较强的涡流扩散效果，气泡分散性好，但主体对流混合较差，容易产生层流。 涡轮式搅拌器 可在轴向产生较好的主体对流混合，但涡流扩散效果较差，即气泡分散性较弱。 螺旋桨式搅拌器 两类搅拌器组合使用，既强化气泡 的分散，又增强了发酵液的整体混合效果。

55 动环和静环具有导热性能好，摩擦系数小等特性。
一、机械搅拌通风发酵罐 3.轴封 连接搅拌器的搅拌轴在电动机的驱动下转动，搅拌轴与罐体间的缝隙通过轴封实现密闭。发酵罐上常采用端面机械轴封。 端面机械轴封由动环和静环构成 静环由聚四氟乙烯制成 动环由碳化钨钢制成， 动环和静环具有导热性能好，摩擦系数小等特性。

56 一、机械搅拌通风发酵罐 端面机械轴封的优点是：（1）清洁；（2）密封可靠，在一个较长的使用周期中，不会泄漏或很少泄漏；（3）无死角，可以防止杂菌感染；（4）使用寿命长，质量好的可用2～5年不需要维修；（5）摩擦功率耗损小；（6）轴或轴套不受磨损；（7）对轴的精度和光洁度要求不很严格，对轴的震动敏感性小。缺点是：结构比较复杂，装拆不便，对动环和静环的表面光洁度及平直度要求高。

57 通常有单管式和环管式两种结构，管上密布了直径约2～3㎜的喷气孔，其作用是使空气分布均匀。
一、机械搅拌通风发酵罐 4.空气分布器 通常有单管式和环管式两种结构，管上密布了直径约2～3㎜的喷气孔，其作用是使空气分布均匀。 单管式是大型发酵罐中经常采用的形式，管口正对发酵罐的底部，与罐底距离约40㎜。 环管式结构简单，由一根环形管道制成，其上也分布有喷气孔，常固定在罐体底部，其喷气孔应向下，以减少发酵液在分布管上滞留。

58 通气搅拌条件下的发酵经常会产生大量的泡沫，严重时会导致发酵液外溢，增加染菌机会。
一、机械搅拌通风发酵罐 5.消泡器 通气搅拌条件下的发酵经常会产生大量的泡沫，严重时会导致发酵液外溢，增加染菌机会。 消泡法 化学消泡法 机械消泡法 耙式消泡器 涡轮消泡器 离心式消泡器 耙式和涡轮式消泡器安装在罐内上部，离心式消泡器则安装于发酵罐的排气口处。

59 一、机械搅拌通风发酵罐 耙式消泡器 涡轮消泡器

60 一、机械搅拌通风发酵罐 6.换热器 换热器有夹套式和竖管式两种。小型罐采用夹套式，以减少罐内的结构，但传热效果差。大型罐中，常采用竖管式，分组对称安装在罐内壁上。依据竖管的排列结构，可分为蛇管和列管等形式。

61 气升式发酵罐由罐体、导流筒、循环管、空气喷嘴等部件组成。在气升式发酵罐中没有机械搅拌器及相关装置，采用高速气流和密度差带动发酵液流动、混合。
二、气升式发酵罐 气升式发酵罐由罐体、导流筒、循环管、空气喷嘴等部件组成。在气升式发酵罐中没有机械搅拌器及相关装置，采用高速气流和密度差带动发酵液流动、混合。 有环流式、鼓泡式、空气喷射式等气升发酵罐。 按发酵液流动方式，环流式发酵罐又可分为内循环和外循环两种。内循环方式中，又有中央导流筒式和双带导流式

62 二、气升式发酵罐 1.气升式发酵罐结构

63 洁净空气以250 ～300m/s，的速度从喷嘴喷出，并以气泡的形式分散于液体中。含大量气泡的发酵液沿循环管上升。
二、气升式发酵罐 工作原理 洁净空气以250 ～300m/s，的速度从喷嘴喷出，并以气泡的形式分散于液体中。含大量气泡的发酵液沿循环管上升。 由于发酵罐上部液体气泡少密度大，下部液体气泡多密度小，在密度差和重力作用下，上部液体沿循环管下降，下部液体上升，形成发酵液在发酵罐内的循环流动，空气喷嘴高速喷出的空气也推动发酵液沿循环管流动。

64 二、气升式发酵罐 特点 气升式发酵罐的优点是结构简单、能耗低、液体中的剪切作用小。在同样的能耗下，氧的传递能力比机械搅拌式发酵罐要高得多。气升式发酵罐不适用于黏度高或固含量大的发酵液。

65 不需要压缩空气，利用特殊的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置，将无菌空气吸入罐中，同时实现发酵液的混合与溶氧传质。
二、自吸式发酵罐 不需要压缩空气，利用特殊的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置，将无菌空气吸入罐中，同时实现发酵液的混合与溶氧传质。

66 二、自吸式发酵罐 自吸式发酵罐工作原理 搅拌器的关键部件是吸气转子，在电动机的驱动下，轴上的空心叶轮快速旋转，液体被甩出，在叶轮中心形成负压，将罐外的无菌空气吸到罐内。随着叶轮的转动，吸入的气体在叶轮周围分散成细碎的气泡，形成了强烈的气液湍流，气泡中的氧气随之扩散到发酵液中，在搅拌的同时完成了氧气的溶解过程。

67 气液固三相混合均匀，分散度高，溶氧速率高，传热 性能好，结构简单，附属设施少，投资省，能耗低。
二、自吸式发酵罐 优点： 抽吸力不强，吸程不高，适用于对氧气需要量较低的醋酸和酵母的发酵生产。不适用于对剪切力敏感的微生物。 缺点： 气液固三相混合均匀，分散度高，溶氧速率高，传热 性能好，结构简单，附属设施少，投资省，能耗低。

68 四、鼓泡式发酵罐 鼓泡塔式发酵罐由塔体、筛板、空气分布器、降液管组成

69 四、鼓泡式发酵罐 工作原理 压缩空气由罐底导入，经空气分布器后，穿过筛板气孔，逐板上升。发酵液充满塔体。在空气泡上升的过程中，密度小的含气发酵液也随之上升，上升后的发酵液释放空气泡，密度增大，在密度差和重力作用下又沿降液管下降，从而形成循环。空气泡的上升和发酵液的循环流动，产生气液混合效果，促进了氧气的溶解。

70 四、鼓泡式发酵罐 特点 鼓泡式发酵罐省去了机械搅拌装置，造价低，又不会产生液封导致的染菌问题，因而使用范围较广。如果培养液浓度适宜，操作得当，在不增加空气流量的情况下，基本上可达到通用发酵罐的发酵水平。

71 第四节 发酵罐信号控制系统 一、发酵罐的信号传递 二、发酵罐的检测仪器

72 生物反应是一个动态的过程，随着反应的进行，营养成分、新的细胞以及代谢过程产物等因素都在改变。为了获得质和量都比较好的产品，必须对反应过程进行监控，适时调节各参数。
需要监测的参数 ①物理参数，包括温度、压力、搅拌速度等； ②化学参数，包括液相pH、氧气和二氧化碳的浓度； ③生化参数，生物体量、生物体营养和代谢产物浓度等。

73 一、发酵罐的信号传递 发酵罐信号传递包括两个环节，首先通过在线检测仪器获得系统中各种数据，转换成电信号输入数据处理器；其次是在数据处理器中，各种电信号被处理成各种指令，以执行信号形式自动指挥控制系统，实现调节。

74 一、发酵罐的信号传递 1.发酵液中温度的调控 温度传感器感应罐内温度，将信号传递至温度控制仪，经与设定温度进行比较后，由温度控制仪发出调节信号，冷却水阀门和加热装置相机动作，调节发酵液温度。

75 发酵罐pH的控制是依靠向罐内滴加酸或者碱来完成。
一、发酵罐的信号传递 2.发酵液中pH的调控 发酵罐pH的控制是依靠向罐内滴加酸或者碱来完成。 pH电极感知酸碱性，以电信号传递到放大控制仪，启动并控制酸、碱泵动作，向罐内滴加酸、碱液，实时调节发酵液pH值。

76 一、发酵罐的信号传递

77 在发酵过程中，通过调节控制通风量和 搅拌转速的方法达到对溶氧浓度的调控。
一、发酵罐的信号传递 3.发酵液溶氧浓度的调控 发酵过程中通过改变参数影响溶氧的可变因素主要是搅拌转速和通气量。罐压影响发酵液中溶氧浓度。 在发酵过程中，通过调节控制通风量和 搅拌转速的方法达到对溶氧浓度的调控。

78 一、发酵罐的信号传递

79 一、发酵罐的信号传递

80 一、发酵罐的信号传递 例如赖氨酸发酵时，当用10%糖浓度的培养基，操作罐压为0.1Mpa表压（0.2Mpa绝对压力）时，溶解氧浓度为8ppm。各种微生物的呼吸强度是不同的，而且呼吸强度随着培养基中溶解氧的浓度而加强，到一个临界值为止，该临界值称为临界氧浓度。在整个发酵过程中并不需要氧的浓度达到饱和溶解度，但必须保持在临界氧浓度之上，提高培养基中氧的浓度，使菌能达到最大呼吸率，对产物形成有利。

81 一、发酵罐的信号传递 在发酵罐中，氧的供给是通过向发酵中通入无菌空气并利用机械搅拌混合，提高氧的溶解能力。由于微生物生长的各个阶段对于氧气的需求量不同，在发酵的后期氧气的需求量逐步降低。因此在发酵的各个时期，可以采用不同的供氧量（通风量），以达到降低成本减少泡沫的目的。同时要调节发酵罐中溶解氧浓度也必须通盘考虑搅拌器转速和通气量，才能取得更好的效果。 为降低成本和避免染菌，空气流量计和控制空气流量的调节阀均安装在进气管上预过滤器前。

82 铂电阻温度传感器是当前生物反应器的标准配 置。铂金属的电阻值与温度的变化成正比关系， 具有精度高、稳定性强，输出线性好的优点。
二、发酵罐的检测仪器 1.温度计 培养基灭菌和发酵过程温度的检测范围是0—150℃ 热电偶 半导体热敏电阻 铂电阻 温度传感器 铂电阻温度传感器是当前生物反应器的标准配 置。铂金属的电阻值与温度的变化成正比关系， 具有精度高、稳定性强，输出线性好的优点。

83 为了便于远距离监控，常把压力表上的压力信号转换成电信号。
二、发酵罐的检测仪器 2.压力表 发酵罐一般采用隔膜式压力表。 为了便于远距离监控，常把压力表上的压力信号转换成电信号。

84 二、发酵罐的检测仪器 3.pH电极 发酵罐pH值检测电极是玻璃氢电极，是复合电极。在使用玻璃电极时要加装不锈钢保护套，电极与发酵罐壁之间使用“O”形环密封。 金属外套 电极金属安装附件 耐高温PH玻璃电极

85 4.溶氧浓度（Do）电极 有原电池溶氧电极和极谱溶氧电极
二、发酵罐的检测仪器 4.溶氧浓度（Do）电极 有原电池溶氧电极和极谱溶氧电极 原电池溶氧电极采用一对不同金属材质制作的两个电极，将其浸没在发酵液中，溶解氧得电子所产生的电流强度与氧气的浓度成正比，电信号经变送器输送，并在显示器上显示出溶解氧浓度。

86 溶氧电极在使用前，必须进行原位标定。发酵罐的安装位置上，取发酵过程中最大和最小的氧饱和条件作为溶氧值的零及饱和浓度条件进行校正称为原位校正。
二、发酵罐的检测仪器 溶氧电极在使用前，必须进行原位标定。发酵罐的安装位置上，取发酵过程中最大和最小的氧饱和条件作为溶氧值的零及饱和浓度条件进行校正称为原位校正。

87 二、发酵罐的检测仪器 5.消泡电极 常用的消泡电极有电容电极和电阻电极。电容电极由两部分组成，分别安装于罐内反应液的上方，当泡沫出现时，在两个电极之间产生与泡沫量呈正比关系的电容变化，从而可以定量测出泡沫量；电阻电极利用泡沫与电极接触构成电流回路的特点来检测泡沫，只能定性检测泡沫的生成与否。

88 6.流量计 测定酸、碱和培养基的流量时，采用是椭圆齿轮流量计和科里奥利质量流量计，流量信号可转换成电信号而被显示。 二、发酵罐的检测仪器

89 检测气体的流量计有质量流量型和体积流量型两类。体积流量型用的是转子流量计，转子流量计可以直接读数，不能输出电信号。
二、发酵罐的检测仪器 检测气体的流量计有质量流量型和体积流量型两类。体积流量型用的是转子流量计，转子流量计可以直接读数，不能输出电信号。 玻璃转子流量计

90 二、发酵罐的检测仪器 发酵罐中用的质量流量计是热式气体质量流量计。无气体流过时，沿测量管轴向的温度分布左右对称，有气体流过时，进入端的温度降低，流出端温度升高。温度差通过变送器转变为与质量流量成线形关系的电信号，从而获得流量测定值。 热式气体质量流量计

91 二、发酵罐的检测仪器 8.二氧化碳电极 二氧化碳电极工作原理与PH计类似，不同的是电极内装的是饱和碳酸氢钠。二氧化碳电极经高温灭菌后必须校准才能使用。

92 9.尾气成分分析仪 二、发酵罐的检测仪器 发酵罐排放气体含有O2、CO2和其他气体成分。测定O2含量广泛采用的是顺磁氧分析仪。
顺磁氧分析仪的工作原理是：O2分子有很强的顺磁性，容易被磁场吸引而造成磁场强度的变化；气体中O2含量越高，气体的磁效应越强。磁效应可以通过抗磁性物体受到的排斥扭力表现出来，两者间具有线性关系，因而可以测出气体中O2含量。CO2含量可以用红外线二氧化碳测定仪测定。

93 细胞浓度与培养液表观粘度有关，间接影响发酵 液的溶氧浓度，生产上，常常根据细胞浓度来决 定适合的补料量和供氧量。
二、发酵罐的检测仪器 10.细胞浓度检测 细胞浓度与培养液表观粘度有关，间接影响发酵 液的溶氧浓度，生产上，常常根据细胞浓度来决 定适合的补料量和供氧量。 检测可采用流通式浊度计，原理与分光光度计相同，在一定范围内，全细胞浓度与光密度成正比。

94 第五节 动植物细胞培养设备 一、动物细胞培养设备 二、植物细胞培养设备

95 适合于动物细胞培养的生物反应器有贴壁培养反 应器、悬浮培养反应器和贴壁—悬浮培养反应器。
动植物细胞培养是指动物或植物细胞在离体的条件下增殖的过程，所产生的是细胞。 动物细胞无细胞壁，耐受剪切力弱，动物细胞要贴附在固体或半固体壁上才能生长。动物细胞培养器要能提供大面积的固体壁，在溶氧传质时不产生或产生弱小的剪切力。 适合于动物细胞培养的生物反应器有贴壁培养反 应器、悬浮培养反应器和贴壁—悬浮培养反应器。

96 一、动物细胞培养设备 有培养瓶和膜反应器两种形式 1.培养瓶

97 滚瓶及培养架

98 一、动物细胞培养设备 2.膜反应器 中空纤维膜是半透性多孔膜，氧气与二氧化碳等小分子可以自由地穿过膜进行双向扩散，细胞和其他大分子有机物则不能通过。将成束的中空纤维管以列管方式密封在一矩形容器中，再从容器的两端分别安装管程和壳程流体的进出口，即可制成培养细胞的膜反应器。

99 一、动物细胞培养设备 中空纤维膜反应器

100 中控纤维管非常细小，平均每1m3可提供表面 积达数千平方米，可以进行大规模培养。
一、动物细胞培养设备 特点 中控纤维管非常细小，平均每1m3可提供表面 积达数千平方米，可以进行大规模培养。 膜反应器反应空间狭小使得细胞生长速度缓慢、 容易堵塞而降低通透性，已经不易清洗和维护等 缺点。

101 一、动物细胞培养设备 （二）悬浮培养设备 笼式通气搅拌反应器

102 一、动物细胞培养设备 笼式通气搅拌反应器内有一个电磁驱动的圆筒状旋转搅拌笼，搅拌笼由中空的搅拌内筒、内筒顶端3个中空的吸管搅拌桨叶、和内筒外侧由不锈钢丝网构成网状笼壁组成的环状区。吸管搅拌桨叶在旋转中使内筒顶部形成负压，将反应液从内筒底部吸入。经过内筒的液流上升，由顶部搅拌桨排除，进入搅拌笼外部的下降去向下流动，再从搅拌器底部进入内筒，构成循环流动。

103 （一）机械搅拌式设备 二、植物细胞培养设备
植物细胞有细胞壁，其抗剪切性能高于动物细胞，无贴壁生长特性，与微生物培养过程相似。植物细胞的培养设备主要有机械搅拌式、鼓泡塔式、气升式、转鼓式和固定化式生物反应器。 （一）机械搅拌式设备 将各式发酵罐的搅拌器和通气系统改造后，即可用来进行植物细胞培养。

104 二、植物细胞培养设备 常见植物细胞培养反应器搅拌叶片

105