生物工程设备 教学课件 作者 高平刘书志 主编 第六章 动植物细胞培养装置和酶反应器.pptx
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生物工程设备第六章8/11/20191动、植物细胞培养装置和酶反应器动、植物细胞培养装置和酶反应器1.动物细胞培养反应器2.植物细胞培养反应器3.酶反应器8/11/201926.1动物细胞培养反应器8/11/201936.1.1通气搅拌式细胞培养反应器通气搅拌式动物细胞培养反应器顾名思义就是既有机械搅拌又有通气装置,是在微生物发酵反应器基础上改进的一类细胞培养反应器,适用于悬浮细胞的培养或者生长在微载球的贴壁细胞培养。
机械搅拌和通气形式的不同产生了各种各样的通气搅拌反应器。
其中比较典型的是笼式通气搅拌反应器,结构如图6-1所示。
6.1动物细胞培养反应器图6-1笼式搅拌反应器结构图8/11/201946.1动物细胞培养反应器8/11/20195笼式通气搅拌反应器由两大部分组成,罐体和搅拌。
罐体与一般反应器罐体没有大的区别,但其搅拌结构却与众不同,图6-2是图6-1中的两个剖面,2-2和3-3剖面。
从图中可以看出,笼式搅拌结构分为两大部分,搅拌笼体和搅拌支撑。
搅拌笼体由搅拌内筒和其顶端的三个吸管搅拌叶以及套在笼体外面的网状笼壁组成。
搅拌内筒上端密封,下端开口,在其上端外侧联接了三个圆筒。
这三个圆筒向外展开,互成120度,垂直于搅拌内筒,外端为倾斜切口,组成吸管搅拌叶。
如4-4剖面图6-3所示。
6.1动物细胞培养反应器8/11/20196这样,当搅拌沿图6-3所示的方向旋转时,吸管搅拌叶的外端斜切口部分就会产生负压。
在负压的驱动下,罐内的液体就会从搅拌内筒的底部开口进入,从吸管式搅拌叶的斜切口部分回到罐内,形成罐内液体的上下循环。
如图6-4所示,气体从这些小孔中进入内筒和笼壁之间的环状空间,并与从笼外进入的液体混合,形成气液混合室。
搅拌支撑结构由图6-2中的a图所示,由弹簧机械密封和空心柱组成,空心柱作为搅拌轴,同时起到通气的作用,与外面的支撑体用轴承连接。
6.1动物细胞培养反应器图a为上图6-1中的2-2剖面,图b为3-3剖面8/11/20197图6-2笼式搅拌器剖面图6.1动物细胞培养反应器图6-3笼式搅拌的4-4剖面图搅拌叶的结构8/11/201986.1动物细胞培养反应器图6-4图6-1中的6-6剖面8/11/201996.1动物细胞培养反应器8/11/201910此外,搅拌笼体的上部还有气体进口和气体出口,如图6-2b所示,下部连接一个环状磁铁作为磁铁转子,以便外部磁力搅拌带动搅拌体转动。
这样,整个搅拌笼体内部形成两个区域,搅拌内管和吸管搅拌叶的内部空腔构成液体流动区,液体自下而上通过该区域与搅拌外部的液体形成循环;搅拌内管和笼壁之间形成气液混合区,液体和气体在这里混合,由于笼壁上的孔直径非常小,混合的气液笼壁后形不成气泡。
6.1动物细胞培养反应器8/11/201911这种反应器的优点是:
首先,液体在罐体内形成从下到上的循环,罐内液体在比较柔和的搅拌情况下达到比较理想的搅拌效果,罐内各处营养物质比较均衡,有利于营养物质和细胞产物在细胞营养液之间的传递,剪切力对细胞的破坏降低到比较小的程度。
其次,由于搅拌器内单独分出一个区域供气液接触,气体进入时鼓泡产生的剪切力无法伤害到细胞。
最后,这种反应器的气道也可以用于通入液体营养,与出液口滤网配合进行细胞的营养液置换培养增加了反应器的功能。
6.1动物细胞培养反应器8/11/2019126.1.2气升式动物细胞培养反应器气升式动物细胞培养反应器利用混有气体的液体与没有气体的液体或含有较少气体的液体之间的比重差异推动一部分液体上升和另一部分液体下降,在导流筒的作用下在反应器内形成培养液循环,起到搅拌的效果,不仅节约了能源,更重要的是去除了机械搅拌有可能对细胞产生的伤害。
其结构如图6-5所示。
6.1动物细胞培养反应器1培养液上升区2培养液下降区3气液分配板4液体上升口5气体导入口6液体引入口7气液分离区8导流筒9液体导入区图6-5气升式反应器结构示意图8/11/2019136.1动物细胞培养反应器8/11/201914从图中可以看出,气升式反应器主要有筒体和导流筒及气液分布板组成。
细胞培养液从管口中进入,装至一定液面后,气体从底部通过气液分布板由细小的出口引入进入上升区。
上升区内的液体由于含有大量气泡,比重减轻,从而沿导流筒上升并吸引下降区内的液体下降。
下降区的液体降到底部后从气液分布板进入上升区,形成液体的上下循环,起到搅拌的作用。
6.1动物细胞培养反应器8/11/2019156.1.3中空纤维细胞培养反应器中空纤维是由聚合物,如聚砜和丙烯共聚物等,制成的非常细的管状物纤维,内径大约在200m500m左右,璧厚50100m左右,管壁布满大量微孔。
中空纤维的内层有一层超滤膜,可以截留相对分子量100,000或者50,000等的物质,因此中空纤维壁能够透过各种营养物质,但是细胞却不能穿过。
此外,由于中空纤维很细,其外壁可以提供非常大的比表面积,每立方米体积的中空纤维能够提供的外表面积可达几千平方米表面积。
6.1动物细胞培养反应器8/11/201916中空纤维最先用于贴壁生长细胞的培养,将中空纤维浸渍在培养液中,细胞贴着中空纤维的外壁生长,细胞培养需要的氧气或二氧化碳通过中空纤维的内腔供给。
图6-6是这种反应器的结构示意图。
由图可见,这种中空纤维细胞反应器在结构上类似列管换热器,其中,成束的中空纤维代替了列管换热器中的列管位置。
这些中空纤维束固定在两个密封端板上,外面分别套上外壳和密封板形成两个区域:
中空纤维内腔区和中空纤维外表面区。
两个接口通向中空纤维的内腔,通过它进出的液体可以全部流过中空纤维内部。
6.1动物细胞培养反应器图6-6一种中空纤维细胞培养反应器结构示意图1中空纤维束;2
(2)反应器外壳;3(3)中空纤维束固定板;4(4)中空纤维内腔进出口;5(5)中空纤维外表面进出口;6(6)密封板8/11/2019176.1动物细胞培养反应器8/11/201918当使用这种中空纤维反应器进行贴壁细胞培养时,细胞和培养液放在中空纤维外表面区,细胞可沿着中空纤维外表面生长,新鲜的培养液可由接口5进出。
细胞培养需要的氧气和二氧化碳通过接口4进入中空纤维内腔区,经过纤维壁上大量的小孔供给细胞生长需要。
这种反应器也可以用来培养悬浮生长细胞,培养液(包括溶解的氧气)通过进出口4进入中空纤维内腔区,再通过纤维壁供给在外腔区生长的细胞。
氧气或需要的其他气体在反应器外的专门装置中预先溶入培养液。
如图6-7所示。
6.1动物细胞培养反应器图6-7利用中空纤维反应器进行悬浮细胞的培养1培养液循环泵;2培养液储槽;3中空纤维反应器;4悬浮细胞加入口8/11/2019196.1动物细胞培养反应器8/11/2019206.1.4微载体细胞培养系统(microcarrier-system)微载体培养系统是专门用于贴壁生长细胞(attachingcells)的一种培养方法,微载体培养系统的基本思路是:
制造一些非常小的球体,贴壁细胞可在这些球体表面生长,将这些表面长有细胞的球体悬浮在培养液中,加上适当的搅拌,实现了贴壁细胞的悬浮培养。
这些小球体就是微载体,有时又称为微载球。
6.1动物细胞培养反应器图6-8一种微载体的放大照片图中的表面布满孔道和起伏8/11/2019216.1动物细胞培养反应器8/11/201922图6-9是细胞在某种微载体上生长情况显微照片,从照片可以看出,细胞在微载体上生长时趋向扁平,大部分单层生长,部分细胞重叠生长。
很多本节提到的通气搅拌式细胞培养反应器都可以用于微载体细胞培养。
利用这些反应器进行微载体细胞培养时,首先向反应器中加入培养液,然后向培养液中加入一定量的微载体,再向反应器中接入细胞进行培养。
如图6-10所示。
培养完成后,培养液和微载体分离,送入下游处理。
6.1动物细胞培养反应器图6-9是细胞在微载体上生长情况的显微照片8/11/2019236.1动物细胞培养反应器图6-10微载体培养系统8/11/2019246.1动物细胞培养反应器8/11/201925比较其他培养系统,微载体培养有下列优点:
1、微载体随意调节培养系统的表面的大小。
2、微载体培养系统能够获得较高的细胞产品浓度。
3、使用设备简单,不需要太多的辅助系统。
4、实现了贴壁细胞的悬浮培养,在搅拌的作用下,培养罐内的培养条件便于监测和控制。
5、反应过程中细胞取样简单容易。
6、由于微载体比培养液比重大,利用沉降分离就可以使之与培养液分开,便于下游过程的处理。
7、可以使用一般的发酵设备经过一定的修改进行微载体细胞培养。
6.1动物细胞培养反应器8/11/201926选择微载体需要考虑以下因素:
1、微载体表面性质。
微载体表面性质必须使细胞能够附着并快速生长。
2、比重。
能够使用的微载体要求有一定的比重,需略大于培养液的比重,但比重也不能太大。
3、微载体的大小分布应该比较集中,以便可以均匀地悬浮在培养液中。
4、微载体不应该对细胞的生长有任何毒性作用,对细胞产品也不能有任何不良作用。
5、微载体需要有一定的强度。
6、理想的微载体应该能够重复使用。
6.1动物细胞培养反应器微载体培养系统的缺点:
1、由于微载体比较重,因而需要一定的搅拌强度以维持微载体悬浮在培养液中,但是过强的搅拌会伤害细胞,因此微载体培养对搅拌要求较高,需找到一个平衡点。
2、由于微载体非常小,大量的微载体悬浮在培养液中,很容易在通气的情况下产生气泡,对细胞培养产生不利影响,因此,微载体培养系统较少单独使用通气搅拌。
返回8/11/2019276.2植物细胞培养反应器8/11/2019286.2.1机械搅拌悬浮培养生物反应器罗氏搅拌器的结构如图6-11所示,它在较低的搅拌速度下有较好的混合效果。
罗式搅拌器有六叶搅拌器和四叶搅拌器,一般常用六叶搅拌器。
搅拌器的个数取决于反应器的高径比,最低端的搅拌器离罐底的距离通常为反应器直径的三分之一,第二个搅拌器与第一个搅拌器的距离约为搅拌器直径的1.2倍,余此类推。
后来,有人使用锚式搅拌器和螺旋式搅拌器进行植物细胞的培养,也取得了较好的效果。
使用这两种搅拌器的植物细胞培养反应器如图6-12所示。
一般认为螺旋式搅拌器效果最优。
6.2植物细胞培养反应器图6-11六叶罗式搅拌实物图8/11/2019296.2植物细胞培养反应器图6-12锚式搅拌器和螺旋搅拌器植物细胞培养反应器8/11/2019306.2植物细胞培养反应器8/11/201931吸筒式搅拌器和帆式搅拌器也常用于植物细胞的悬浮培养中,其结构如6-13所示。
吸筒式搅拌器的结构原理在本章动物细胞培养反应器中已有详细介绍,帆式搅拌器结构相对简单,由四片较大的搅拌叶组成。
这两种搅拌在使用时转速都不高,一般在3080转/分。
6.2植物细胞培养反应器图6-13吸管式搅拌和帆式搅拌8/11/2019326.2植物细胞培养反应器8/11/201933机械搅拌生物反应器的优点是:
1、能够使反应器内的培养液组分比较均匀地分布在反应器的各个部分。
2、结构简单,容易操作,放大容易,能够适应更多的植物细胞培养场合。
3、操作弹性大,可以方便的调节搅拌转速。
机械搅拌生物反应器的缺点是:
1、如果控制不当,机械搅拌产生的剪切力容易对植物细胞产生伤害。
2、能耗大。
3、机械搅拌需要相对比较复杂的密封,这些密封使用不当容易产生泄漏造成染菌使细胞培养失败。
6.2植物细胞培养反应器8/11/2019346.2.2气体搅拌悬浮培养生物反应器气体搅拌悬浮培养反应器,也叫鼓泡反应器,结构如图6-14所示。
细胞及培养液装在反应器中,反应器的高径比通常为46。
气体通过底部的气体分配器鼓入。
在这种反应器中,氧气溶入培养液的速度、搅拌混合效果等主要取决于空气鼓入的速率和培养液的流体力学性质,比如粘度等。
空气鼓入的速度越快,粘度越小,氧气进入反应器的速度越快,反应器的混合效果越好。
6.2植物细胞培养反应器图6-14气体搅拌悬浮培养生物反应器8/11/2019356.2植物细胞培养反应器8/11/201936很显然,这种反应器结构简单,节省能量。
向培养液鼓入的空气中不但承担向细胞运送氧气的任务,而且起着重要的搅拌作用。
这种反应器的缺点是操作弹性小,通入空气的速度大小有一定的要求。
另外,这种反应器产生大量的气泡,这些气泡破裂时产生的剪切力会伤害正在生长的细胞,因此只适用于对剪切力不敏感的细胞培养。
气升式反应器也属于气体搅拌悬浮培养反应器的一种。
6.2植物细胞培养反应器8/11/2019376.2.3流化床固定培养生物反应器固定化细胞培养技术是指通过利用化学或物理的方法,将细胞固定在某一支撑物上,比如固体颗粒或者膜上,然后加以培养。
用这种方法进行细胞培养不仅减少了细胞受到剪切力伤害的可能性,而且由于细胞固定在某种支撑物上,可以很容易与培养液分开,既有利于细胞产物的分离,又使细胞能够反复培养利用,降低了生产成本。
6.2植物细胞培养反应器8/11/201938流化床固定培养生物反应器可以用来培养固定在固体颗粒上的细胞。
结构如图6-15。
这种反应器主要由一个圆柱体组成,循环泵从这个圆柱体的底端打入培养液,培养液从下向上流动将反应器内载有细胞的固体颗粒悬浮起来,直至顶端。
在顶部,由于反应器的直径变大,培养液向上流动的速度变慢,这些悬浮的固体颗粒不再上升。
6.2植物细胞培养反应器图6-15流化床固定培养反应器8/11/2019396.2植物细胞培养反应器8/11/2019406.2.4膜反应器膜反应器是另一种固定化植物细胞培养反应器,它利用膜将植物细胞固定起来,然后加以培养。
用膜固定细胞的方式基本上有两种,一种是将细胞固定在一层膜和另一层支撑物之间,如图6-16a所示,营养物质从膜上流过通过膜渗透到细胞层中,利用中空纤维膜进行植物细胞固定化培养属于这种情况。
另一种是将细胞固定在两层膜之间,营养液从膜外流过,通过膜渗透到细胞层中,如图6-16b所示,平板膜反应器或螺旋卷绕膜反应器采用这种方式。
6.2植物细胞培养反应器图6-16使用膜固定植物细胞的两种方式a细胞固定在膜和另一层支撑物之间b细胞固定在两层膜之间8/11/2019416.2植物细胞培养反应器8/11/201942中空纤维膜植物细胞培养装置如图6-17所示,细胞固定在中空纤维外壁和反应器外壳内壁之间,或者说,细胞填充在反应器内,多束中空纤维从中穿过。
螺旋卷绕膜反应器可以看作为在两层平板膜中间夹着一层细胞,然后将夹着细胞的两层平板膜卷绕成螺旋状,如图6-18所示。
在卷绕过程中,膜与膜之间用支撑物隔开一定的空间,细胞营养液被引入到这个空间里,其中的一部分通过膜进入细胞层,维持细胞生长,细胞的代谢产物也通过膜渗透到营养液中,被下游过程回收。
6.2植物细胞培养反应器图6-17一种中空纤维膜反应器结构示意图8/11/2019436.2植物细胞培养反应器图6-18螺旋卷绕膜反应器的形成过程8/11/2019446.2植物细胞培养反应器膜反应器的缺点是:
1、在膜反应器中由于氧气的供应和二氧化碳的排出都需要经过一层膜,供给和排出的速率慢,尤其是二氧化碳,如果不能及时排出,不仅影响营养物质进入细胞层,导致局部细胞营养物缺乏,而且能使反应器内压力增高,有可能导致膜的破裂。
2、像气体一样,细胞产物也是通过一层膜进入到营养液中,膜的扩散阻力有可能导致细胞产物移出过慢,导致产物在细胞层内积累,大大降低细胞活性和产品产率。
3、由于膜属于一种比较贵重的化工产品,因此,制造膜反应器一次性投资较大。
返回8/11/2019456.3酶反应器8/11/2019466.3.1酶反应器的类型酶反应器有很多类型,按照使用酶的种类分,可分为游离酶反应器,或者称为均相酶催化反应器,和固定化酶反应器,或者称为非均相催化反应器;按照反应器操作模式可分为间歇酶反应器和连续酶反应器;按照反应器内液体流型分可分为全混型酶反应器和柱塞流酶反应器;按照反应器的形式又可分为搅拌罐式酶反应器、流化床酶反应器、固定床酶反应器、中空纤维或超滤膜酶反应器。
下表6-1按照这种方式列出了不同种类的反应器。
6.3酶反应器使用酶的种类8/11/201947操作模式流型反应器类型游离酶间歇、连续全混型搅拌罐式反应器固定化酶间歇全混型批操作搅拌罐式反应器柱塞流全循环反应器连续型全表混6-1连续操酶作搅反拌应罐反器应的器分类(CSTR)柱塞流固定床反应器(PBR)流化床反应器(FBR)中空纤维反应器管式反应器6.3酶反应器8/11/2019486.3.2游离酶反应器游离酶是最早使用的一种酶,它直接来自动植物,不经过分离和纯化过程,因此这种酶一般比较便宜,反应完成后也不进行回收。
游离酶反应器主要是搅拌罐式反应器,如图6-19是这种反应器的一个典型结构。
由图可见,反应器主要由罐体、夹套换热器和搅拌器组成,pH探头和温度探头用于检测反应罐内的温度和酸度,加热或冷却介质流经夹套换热器以维持反应器内的温度,酸碱补料口根据pH探头测量的结果向罐内加入酸碱溶液以保持罐内适当的酸度。
6.3酶反应器图6-19游离酶搅拌式反应器1进料口或人孔;2加套换热器出口;3搅拌器;4加套换热器;5pH探头;6出料口;7温度探头;8酸碱补料口;9搅拌电机8/11/2019496.3酶反应器8/11/201950使用这种反应器进行间歇生产时,酶、反应物从加料口加入,开动搅拌,调节罐内温度和pH至需要的水平,开始反应。
反应经过一段时间后,达到终点。
一般是经过pH值的变化来判断是否达到反应终点。
使用这种反应器进行连续操作时,酶、反应物从加料口加入,开动搅拌,调节罐内温度和pH至需要的水平,开始反应。
以同样的速度同时加入反应物和放出反应液,经过一段时间后,反应罐内的温度和pH等参数达到稳定,这时进入连续生产状态。
6.3酶反应器8/11/2019516.3.3固定化酶反应器固定化酶反应器包括搅拌罐式反应器、固定床反应器、流化床反应器、中空纤维反应器和罐式反应器。
图6-20是一种工业上使用的搅拌罐式固定化酶反应器示意图,其中a图是正常生产状态,图b是检修状态。
这种反应器与游离酶使用的搅拌罐式反应器不同之处在于它的底部安装了一个滤网,滤网固定在反应器的底封头和罐体之间,由一个多空筛板支撑。
带有滤网的底部封头与罐体以快开方式连接反应器吊装在操作台上,底部与地面隔开一定的距离,以便在检修时打开底盖取出固定化酶,如图b所示。
6.3酶反应器图6-20固定化酶搅拌罐式反应器1加料口(人孔);2反应液;3固定化酶;4加套换热器出口;5pH探头;6底盖快接螺栓;7搅拌;8底封头;9出料口;10过滤网;11快开转动轴;12夹套进口;13温度探头;14夹套换热器;15酸碱液滴入口;16搅拌电机8/11/2019526.3酶反应器8/11/201953这种反映器一般用于间歇反应,其操作过程与游离酶反应器相似,不同之处是在反应完成放出反应物时,由于罐体底部滤网的作用,固定化酶被截留在反应器内,以便下一批次反应重复利用。
当固定化酶使用一段时间后(一般是1000-2000次),其活性降低,需要更换新的固定化酶。
这时,打开底盖,清理出旧酶,然后装好底盖,经洗涤后,在上部加料孔装入新的酶,完成新旧固定化酶的更换。
6.3酶反应器8/11/201954固定床酶反应器是固定化酶反应器另一种形式,其结构如图6-21所示。
固定化酶装在桶状反应器中,酶的上下两端有两个带有滤网的金属板夹紧。
反应时,反应液从上端进口进入,向下流过固定床。
在反应液流过固定床与固定化酶接触的过程中,反应物在酶的催化下转化为产物,从出口放出。
固定床酶反应器还有其他形式,比如,进口在下部,出口在上部,反应液自下而上通过等。
6.3酶反应器图21固定床式酶反应器1固定化酶;2反应器外壁;3支撑板;4反应液出口;5反应液进口8/11/2019556.3酶反应器8/11/201956固定床酶反应器不仅可以用来连续操作,而且可以间歇生产。
当连续操作时,反应液以恒定的速率连续进出,反应器内的条件保持不变;当间歇操作时,从反应器出来的反应液全部回流到反应器中,反应器内的条件逐渐改变直至反应终点。
固定床反应器的优点是:
1、反应器内流型为柱塞流,返混少,反应效率高。
2、结构简单,没有机械搅拌,对固定化酶损伤少,固定化酶使用寿命长。
3、既可以用于连续生产,也可以进行间歇操作,应用范围广。
6.3酶反应器8/11/201957固定床反应器的缺点是:
1、由于没有机械搅拌,反应液与酶的接触强度小,反应时间长。
2、反应罐的清洗及固定化酶的装卸较复杂。
3、反应条件,比如反应液的pH,在固定床内沿反应液流动方向有个梯度,这样就无法使反应罐内各处都在最佳的反应条件内。
此外,能够使用固定化酶的反应器还包括流化床反应器、中空纤维反应器和管式反应器。
前两种反应器已在上节植物细胞培养反应器中有所介绍,结构原理基本一样,只不过在这里固定化植物细胞变成了固定化酶,中空纤维膜成了包埋有酶的中空纤维膜或其他种类的膜。
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