【生物工艺】反应器的操作模式
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2024-12-24 08:04
北京
一、反应器操作模式概述
反应器操作模式多样，不同模式适用于不同的反应需求，合理选择操作模式能提高反应效率和产物质量。反应器按操作方式可分为间歇釜式反应器、连续釜式反应器和半连续釜式反应器。间歇釜式反应器操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。其优点是设备简单，同一设备可用于生产多种产品，尤其适合于医药、染料等工业部门小批量、多品种的生产。另外，间歇反应器中不存在物料的返混，对大多数反应有利。缺点是需要装卸料、清洗等辅助工序，产品质量不易稳定。连续釜式反应器可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器，以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。大规模生产应尽可能采用连续反应器。连续反应器的优点是产品质量稳定，易于操作控制。其缺点是连续反应器中都存在程度不同的返混，这对大多数反应皆为不利因素，应通过反应器合理选型和结构设计加以抑制。半连续釜式反应器指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。二、分批培养
分批培养是先将细胞和培养液一次性装入反应器内进行培养，待反应达到一定要求后，一次性卸出物料。1. 特点
反应器系统属于封闭式，培养过程中与外部环境没有物料交换，除了控制温度、pH 值和通气外，不进行其他任何控制，因此操作简单，容易掌握。培养周期多在 3 - 5 天，相对较短。由于封闭培养，染菌和细胞突变的风险较小。
培养期间细胞的生长代谢是在一个相对固定的营养环境，不添加任何营养成分，可直观地反应细胞生长代谢的过程，是动物细胞工艺基础条件或 “小试” 研究常用的手段。
培养过程工艺简单，对设备和控制的要求较低，设备的通用性强，反应器参数的放大原理和过程控制，比较其它培养系统较易理解和掌握，在工业化生产中分批式操作是传统的、常用的方法，其工业反应器规模可达 12000L。
三、分批补料培养（流加培养）
分批补料培养是在分批培养的基础上，根据细胞对营养物质的消耗和需求，流加浓缩的营养物或培养基。1. 优势
在分批补料培养中，可以通过限制底物浓度来有效控制分解代谢物抑制和 Crabtree 效应。这种控制方式能够调节细胞的代谢过程，避免因代谢产物积累而对细胞生长和产物合成产生不利影响。分批补料培养能够实现细胞的高细胞密度，通过可控的顺序添加营养物，增加细胞的数量，从而增加与生物质浓度成正比的产品量，在这个过程中可以实现更高的效率。同时，还有可能增加非生长相关代谢物的产生，为特定产物的合成提供更多机会。在分批补料培养过程中，必要时可降低肉汤粘度，使培养体系更加稳定。此外，它还允许通过蒸发来补充水分损失，维持培养环境的相对稳定。与分批培养相比，分批补料培养的生产力更高。通过控制连续添加养分，可以提高产量和生产力，使生物反应器在正常情况下为下一批准备的非盈利时期也能用于生产，提高设备的利用率。四、连续培养（灌注培养）
连续培养是采用有效的措施让微生物在特定环境中保持旺盛生长状态的培养方法。1. 方式
恒浊培养是通过调节培养物流出的速度使培养物的浊度保持恒定的连续培养方式。借助光电系统控制（光密度）。当微生物在恒浊器中培养进入对数期时，不断从外界加入新鲜培养基，同时流出培养物，用光电池信号控制浊度，以维持恒定的细胞密度。恒化培养是控制营养物浓度以保证微生物持续生长。通过流加方式，及时补充微生物所消耗的营养物质，使培养室中的营养物浓度基本恒定。在恒化器中培养微生物，通过控制恒化器中微生物生长所必需营养物的浓度，以确保微生物持续生长。例如，通过恒化培养对 S - 腺苷甲硫氨酸（SAM）产生菌酿酒酵母 HYS98 发酵动力学进行了研究。结果表明，该菌株的生长与限制性基质蔗糖浓度之间符合 Monod 关系式，最大比生长速率 μmax 为 0.28h^-1，饱和常数 Ks 为 1.27g/L；当 0.005h^-1≤μ≤0.11h^-1，产物生成模型为 qSAM=-1.39μ^2 + 0.19μ，底物消耗动力学模型为 qS=μ/0.62 + 0.012。基于建立的动力学模型，提出了分阶段控制菌体比生长速率的流加培养策略，据此策略在 5L 反应器中发酵 24h，SAM 浓度达 3.56g/L，而 SAM 产率达 0.15g/（L・h），比文献报道的最高水平高 67%。对甲醇营养型毕赤酵母基因工程菌以碳源甘油为限制性基质进行恒化培养动力学试验，结果显示：细胞光密度与其干、湿重呈线性关系；基因工程菌 P.pastoris 的生长与限制性基质甘油残留浓度的关系符合 Monod 关系式；从氨水的消耗速率和呼吸商（RQ）的变化认为随着比生长速率（μ）的增长，甘油代谢流从糖原异生和磷酸戊糖途径线性地向糖酵解和三羧酸循环途径进行代谢迁移。对毕赤酵母进行恒化培养研究，以甲醇为唯一碳源时，在稀释率较低时（D＜0.048h^-1），连续培养系统操作很稳定。但在稀释率高时（D＞0.048h^-1），连续培养系统的定态点不止一个，实验不能维持，故采用比生长速率恒定的分批流加培养进行研究。结果表明，毕赤酵母的生长符合 Andrew 普遍化底物抑制模型。综合考虑水蛭素的生成、底物的消耗，在生产中维持甲醇浓度为限制性浓度（0.5g/L），且维持比生长速率为 0.02h^-1 时，水蛭素 Hir65 的比生成速率达到最大值 0.2mg/（g・h），R 甲醇的比消耗速率为 0.04g/（g・h）。![]()
五、其他操作模式
1. 半连续釜式反应器
半连续釜式反应器是一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器。其特性介于间歇釜和连续釜之间，兼具两者的部分特点。在一些特定的化学反应中，半连续釜式反应器能够发挥独特的作用。例如，在某些反应中，一种原料需要在反应开始时一次性加入以提供特定的反应环境，而另一种原料则需要在反应过程中持续加入，以控制反应的速率和进程。这种操作方式既不像间歇釜那样需要频繁的装卸料操作，又不像连续釜那样完全连续运行，而是在两者之间找到一个平衡，满足特定反应的需求。2. 细胞培养反应器的其他操作模式
半连续式操作，兼具连续和间歇操作特点。半连续式培养又称为重复分批式培养或换液培养。采用机械搅拌式生物反应器系统，悬浮培养形式。在细胞增长和产物形成过程中，每间隔一段时间，从中取出部分培养物，再用新的培养液补足到原有体积，使反应器内的总体积不变。这种操作方式既具有间歇操作的灵活性，又有连续操作的部分稳定性，能够在一定程度上提高细胞培养的效率和产物质量。连续式操作，产品质量稳定，劳动生产率高。连续式培养是一种常见的悬浮培养模式，采用机械搅拌式生物反应器系统。将细胞接种与一定体积的培养基后，为了防止衰退期的出现，在细胞达最大密度之前，以一定速度向生物反应器连续添加新鲜培养基；同时，含有细胞的培养物以相同的速度连续从反应器流出，以保持培养体积的恒定。理论上讲，该过程可无限延续下去。连续式操作能够使细胞在稳定状态下生长，产品质量更加稳定，同时劳动生产率也较高。灌流式操作，适用于动物细胞大规模培养。灌流式培养是把细胞和培养基一起加入反应器后，在细胞增长和产物形成过程中，不断地将部分条件培养基取出，同时又连续不断地灌注新的培养基。灌流式培养常使用的生物反应器主要有搅拌式生物反应器悬浮培养细胞和中空纤维生物反应器等形式。细胞截流系统可使细胞或酶保留在反应器内，维持较高的细胞密度，提高产品的产量；连续灌流系统使细胞稳定处在较好的营养环境中，有害代谢废物浓度积累较低；反应速率容易控制，培养周期较长，可提高生产率，目标产品回收率高；产品在罐内停留时间短，可及时回收到低温下保存，有利于保持产品的活性。🎁
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