微生物细胞的固化培养培训课件

微生物微生物细胞的固化培胞的固化培养养A higher cell concentration in the immobilised bioreactor prevents the microbial population from completely washing out.2微生物细胞的固化培养生物膜生物反应器填充床流化床生物转盘生生物物催催化化剂剂在在反反应应器器中中的的分分布布方方式式膜反应器生物团块反应器空心纤维反应器3微生物细胞的固化培养固定化细胞反应器类型：(一)填充床反应器(PBR)(二)连续搅拌罐反应器(CSTR)(三)流化床反应器(FBR)(四)转盘式反应器 (五)空心纤维反应器 4微生物细胞的固化培养(一)填充床反应器(PBR)填充床反应器，又称固定床反应器，是装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。反应过程中，床层静止不动，流体通过床层进行反应。填充床反应器已经被广泛研究用于工业化生产，其优点在于，便于反应物与催化剂的接触及产物与催化剂的分离，可连续生产。与搅拌式反应器相比，催化剂稳定性较好，可重复利用，适于长时间的工业化生产。5微生物细胞的固化培养 缺点：传质、传热以及氧气传输系数相对较低(加上循环装置可以适当改善)，固定化细胞颗粒大小会影响压降和内扩散阻力(颗粒大小应尽可能均匀)，当反应液中含有颗粒物质时，易引起堵塞现象。目前填充床反应器成功应用的例子：包埋法固定化大肠杆菌生产天冬氨酸、固定化重组酵母生产木糖醇，固定化的镰刀菌孢子转化青霉素为6-氨基青霉素烷酸(6-APA)等。6微生物细胞的固化培养 流体在管中流动时由于能量损失而引起的压力降低。这种能量损失是由流体流动时克服内摩擦力和克服湍流时流体质点间相互碰撞并交换动量而引起的，表现在流体流动的前后处产生压力差，即压降压降。压降的大小随着管内流速变化而变化。7微生物细胞的固化培养8微生物细胞的固化培养(二)连续搅拌罐反应器(CSTR)优点：搅拌罐反应器混合度好，易于放大 缺点：搅拌产生较大的剪切力，容易对固定化细胞造成破坏.通过增强固定化颗粒强度或改变搅拌方式可部分解决这一问题，另有改进方法将固定化颗粒装于一定框架内，既便于反应液混匀，又减少对固定化细胞的损伤。9微生物细胞的固化培养 这种反应器适合于有底物抑制的情况。当反应进行至符合生产要求时，可用过滤等办法将固定化细胞从反应液中分离出来，反复利用与回收。搅罐反应器对于间歇式、连续式或半连续式操作都适用。CSTR的开放式结构便于更换固定化生物催化剂，也便于温度和pH的控制。10微生物细胞的固化培养机械搅拌型微生物细胞生物反应器机械搅拌型微生物细胞生物反应器(通用型通用型)主主要要由由壳壳体体、控控温温部部分分、搅搅拌拌部部分分、通通气气部部分分、进进出出料料口口、测测量量系系统统和和附附属属系系统统等等组组成成。11微生物细胞的固化培养 流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。流化床反应器部分克服了填充床反应器的缺点。(三)流化床反应器(FBR)12微生物细胞的固化培养 它利用流动的底物溶液使固定化细胞颗粒在反应器内剧烈搅动，由于混合程度高，使得传质和传热情况良好且不会堵塞。但是流化床反应器操作难，难于扩大生产规模，且费用较高。流化床反应器适用于底物是粘性或颗粒性物质，或反应需供气、排气的情况。由于底物流动速度较大，流化床反应器不适用于需停留时间长的反应。13微生物细胞的固化培养14微生物细胞的固化培养Comparing fluidised bed and fixed reactorsFluidised bed reactors are considerably more efficient than fixed bed reactors for the following reasons:(1)A high concentration of cells can be immobilized in the reactor due to the larger surface area for cell immobilization is available(2)Mass transfer rates are higher due to the larger surface area and the higher levels of mixing in the reactor.(3)Fluidised bed reactors do not clog as easily as fixed bed reactors.15微生物细胞的固化培养16微生物细胞的固化培养(四)转盘式反应器 这是一种很有特色的生物反应器。Blain等人将丝状真菌的菌丝体生长在一组垂直排列的、可以旋转的聚丙烯圆盘的表面组成固定化细胞生物反应器，可用于固定丝状真菌。居乃琥对此加以改进，将具有吸附能力的各种微生物细胞，生长在多孔的不锈钢丝网盘和泡沫塑料盘上。菌体在接种后，能很快附着在盘表面，并通过空隙，深入到多孔盘的内部，形成均匀的菌膜。在电动机带动下，多孔盘以一定的速度时而进入液体，时而进入空气。因此，非常适合固定好氧的丝状真菌、放线菌等。可以避免它们在传统深层发酵中，形成非牛顿型液体，造成气液质传的困难。17微生物细胞的固化培养 牛顿流体及非牛顿流体：科学家牛顿发现，某些液体流动时切应力与切变率D之比为常数，即：=/D，水和油都是遵循上述规律的液体。这一公式就是牛顿粘度定律。其中，为液体的粘度。粘度是液体流动时内摩擦或阻力的量度。的单位为Pa.s或mPa.s(帕斯卡.秒)遵循牛顿粘性定律的液体称为牛顿流体，凡是流体运动时，其切变率D与切应力不成线性关系的流体称为非牛顿流体。牛顿流体为没有颗粒的混合单一的流体，就全血而言，它是血细胞和血浆的混合物，因此，全血不符合牛顿流体公式，它不是牛顿流体，而血浆可视为牛顿流体范畴。18微生物细胞的固化培养 转盘式生物反应器：固定泰国根霉(Rhizopus thailandcnsis)和泡盛曲霉(Aspergillus awamori)连续生 产糖化酶；固定土曲霉(Aspergillus ferrous)连续生产衣康 酸及固定金黄链霉菌(Streptomyccs aurcofaciens)连 续生产四环素。采用这种固定化细胞生物反应器，糖化酶的活力、农康酸和四环素的浓度，以及单位反应器的生产率，都比传统发酵法和一般固定化方法高。实验结果表明，该反应器具有如下优点：(1)易于供应氧气。(2)细胞浓度高。(3)发酵液的粘度低。(4)所需能量低。(5)操作成本低。其他研究者们近来也陆续研制了一些转盘式反应器。19微生物细胞的固化培养(五)空心纤维反应器 用具有半透性的空心纤维填充的反应器，是一种很有用的反应器。这种空心纤维只能让反应物和产物通过，而不让完整细胞通过。空心纤维在一定的反应器体积中提供很大的催化剂表面积。使用透性不同的空心纤维，可以改变反应器的选择性能。空心纤维在反应器系统中，可按不同方式排列。20微生物细胞的固化培养21微生物细胞的固化培养生长的细生长的细胞型胞型杂交瘤细胞、淋巴细胞、肝癌细胞、结肠癌细杂交瘤细胞、淋巴细胞、肝癌细胞、结肠癌细胞、乳腺组织细胞、小鼠细胞、大鼠细胞、垂胞、乳腺组织细胞、小鼠细胞、大鼠细胞、垂体肿瘤细胞、体肿瘤细胞、CHO细胞、细胞、BHK-2细胞、肺细细胞、肺细胞等胞等分泌的产分泌的产物物EgG、lgM、lgA、干扰素、激素、尿激酶、干扰素、激素、尿激酶、蛋白质蛋白质C、病毒蛋白、乙型肝炎表面抗原、病毒蛋白、乙型肝炎表面抗原、T抑制因子、促细胞生长素、白细胞介素等抑制因子、促细胞生长素、白细胞介素等中空纤维管生物反应器培养的细胞和获得的分泌产物中空纤维管生物反应器培养的细胞和获得的分泌产物22微生物细胞的固化培养(一)细胞存活力的要求 对于一些系统来说，不需要供氧，也没有气体产物，所以使用填充床反应器最为合适另外根据催化剂负载量的要求，其它类型的反应器，如空心纤维反应器，也可以选择。如果要求细胞具有存活力，或者能生长，那么，供氧就很重要，可选择带有充气的流化床反应器。如果要排除大量CO2，可以选择倾斜式填充床。24微生物细胞的固化培养 我们主要根据工艺要求和条件来选择反应器的类型。下列因素将明显地影响反应器类型的选择：1细胞存活力的需要2载体基质的类型及固定化方法3底物性质4工艺操作方面的需要5催化剂更换和再生的难易程度25微生物细胞的固化培养(二)载体的类型 一般说来，在任何一种反应器中均可使用颗粒状催化 剂在填充床反应器中，多使用膜状或纤维状载体在流化 床反应器中，可以使用具有适当密度的小珠形载体。而在空心纤维反应器或超滤反应器中就需要使用表面积大的载体。26微生物细胞的固化培养 我们主要根据工艺要求和条件来选择反应器的类型。下列因素将明显地影响反应器类型的选择：1细胞存活力的需要2载体基质的类型及固定化方法3底物性质4工艺操作方面的需要5催化剂更换和再生的难易程度27微生物细胞的固化培养(三)底物的性质 如果底物是单相的、清洁的、不带颗粒状杂质的液体，可以有效地应用填充床反应器。对于胶状或颗粒状的底物，CSTR或流化床反应器更为适合。如果希望气体和液体充分 混合，可使用流化床反应器或CSTR，至于选用其中的那一种，这要根据生物催化剂的抗剪切力的情况来决定。28微生物细胞的固化培养 我们主要根据工艺要求和条件来选择反应器的类型。下列因素将明显地影响反应器类型的选择：1细胞存活力的需要2载体基质的类型及固定化方法3底物性质4工艺操作方面的需要5催化剂更换和再生的难易程度29微生物细胞的固化培养 (四)工艺操作要求 为了取得最高的生产率，一些工艺需要严格的控制pH和温度在这些情况下，选用CSTR最为合适，如果要求很高的面积与体积比，可以选用空心纤维反应器。如果供氧是重要的，可以选用流化床反应器或CSTR。30微生物细胞的固化培养 我们主要根据工艺要求和条件来选择反应器的类型。下列因素将明显地影响反应器类型的选择：1细胞存活力的需要2载体基质的类型及固定化方法3底物性质5工艺操作方面的需要6催化剂更换和再生的难易程度31微生物细胞的固化培养 (六)生物催化剂更换和再生的程度 在一个单酶系统中，如果生物催化剂的寿命很短，就要经常更换生物催化剂，在CSTR中，更换催化剂很容易,而在填充床反应器中，必须停止反应才能更换。当然，对于活的固定化细胞来说，也可以用向反应器输送营养物质的办法使生物催化剂复壮如果是这样，选用填充床或流化床也是合适的。32微生物细胞的固化培养(一)在工业方面的应用 1糖类 利用固定在细胞内的葡萄糖异构酶生产高果糖浆，是固定化细胞在工业方面应用规模最大、产值最高的一项。现在有人将糖化酶与含葡萄糖异构酶的链霉菌一起共固定，直接由糊精或淀粉生产高果糖浆，也有人将糖化酶与含 一淀粉酶的细菌、霉菌或酵母细胞一起共固定，直接利用淀粉生产葡萄糖。33微生物细胞的固化培养2 酒精类 生产酒精是国内外固定化细胞应用于工业生产方面研究最活跃最深人的领域之一。使用的菌种一般是酿酒酵母。34微生物细胞的固化培养3氨基酸、多肽和有机酸 L一天门冬氨酸是最早用固定化细胞在工业上大规模生产的氨基酸。用于固定大肠杆菌细胞的方法有聚丙烯酰胺凝胶法、琼脂糖凝胶包埋法、明胶一戊二醛交联法和卡拉胶固定法等 利用固定化细胞生产的有机酸有L一苹果酸、柠檬酸、乳酸、衣康酸、葡萄糖酸等 35微生物细胞的固化培养4抗生素 6一氨基青霉烷酸(6-APA)是固定化细胞用于抗生素生产方面最为成功的实例中国科学院生物化学研究所和中国科学院微生物研究所各自采用不同的固定化方法，实现了APA的连续生产 36微生物细胞的固化培养(二)在医学方面的应用 固定化细胞在医学方面的应用，目前主要用于人工器官一人工胰和人工肝。Sun报道，用高纯海藻酸钙凝胶包埋胰岛细胞，然后用聚L一赖氨酸覆膜，再用海藻酸钠处理，制成微囊化胰岛细胞，可用于大白鼠糖尿病治疗的研究。在疾病诊断方面，主要利用由固定化细胞制成的生物传感器测定各种化合物，如血糖、尿酸、胆固醇、肌酐、氨基酸等。37微生物细胞的固化培养(三)在环境保护和能源开发方面的应用 固定化细胞在环境保护方面的应用，包括环境监测和处理工业废水两个方面。在环境监测方面，主要是利用生物传感器检测BOD和各种有毒化合物 在工业废水处理方面的研究非常活跃目前大多利用在填充床或流化床反应器内由混合菌种在载体表面上形成的生物膜。但是，近来也有人用微囊法包埋纯种微生物细胞来处理工业废水，最近研究的热点在于利用固定化细胞使工业废水发生硝化作用。反硝化作用、破坏和分解酚、苯等芳香族化合物。但是，也有人研究从废水中除去可溶性的有机物质以及利用固定化微生物细胞作为吸附剂，从废水中除去重金属物质 38微生物细胞的固化培养BOD（Biochemical Oxygen Demand的简写）：生化需氧量或生化耗氧量(五日化学需氧量)，表示水中有机物等需氧污染物质含量的一个综合指示。说明水中有机物由于微生物的生化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总数量。39微生物细胞的固化培养40微生物细胞的固化培养