《微生物与生物反应器》课件

微生物与生物反应器清华大学生物工程系年春季学期课程，由张教授授课本课程将深入探2025讨微生物学基础知识与生物反应器技术的结合应用，旨在培养学生在生物工程领域的专业技能与创新思维通过系统学习微生物特性、生物反应器设计原理及操作技术，学生将掌握从理论到实践的完整知识体系，为未来在生物技术产业中的发展奠定坚实基础课程内容涵盖微生物基础、生物反应器类型、操作技术、监测与控制系统，以及在抗生素、酶制剂、生物燃料等领域的应用案例，同时探讨行业前沿发展趋势课程简介课程目标与学习成果教材与参考资料通过本课程的学习，学生将掌握主教材《生物反应工程原理》微生物学基本原理，理解各类生（第三版）、《工业微生物学》物反应器的设计与操作特点，能（第二版）辅助材料包括近期够独立分析和解决生物反应工程发表的研究论文、行业技术报告中的实际问题，具备生物工艺放及在线教学资源，涵盖理论基础大与优化的基本能力与前沿应用评分标准实验报告（）包括次实验操作与数据分析；期中考试（）30%530%涵盖微生物基础与反应器原理；期末考试（）综合应用能力评估，40%包含案例分析与工艺设计第一部分微生物基础微生物的多样性探索微生物王国的丰富多样性，包括细菌、真菌、病毒等不同类群的特征与分类系统，理解它们在自然界与工业生产中的重要地位微生物结构与功能深入了解微生物的细胞结构、生理特性与代谢途径，掌握原核生物与真核微生物的区别，建立对微生物功能的系统认识微生物生长与控制掌握微生物生长动力学与环境因素的关系，学习如何通过营养、温度、等参数调控微生物的生长与代谢活动，为工业应用奠定pH基础微生物概述微生物的定义与分类原核生物与真核微生物的区别微生物是肉眼不可见的微小生物，包括细菌、原核生物（如细菌）无核膜与细胞器，古菌、真菌、病毒、原生生物等按照细胞直接存在于细胞质中；而真核微生物DNA结构、代谢方式、遗传特性等不同标准进行（如酵母）具有明确的细胞核与复杂的细胞分类，构成了丰富多样的微生物世界器系统，结构与功能更为复杂工业上重要的微生物种类微生物在生物技术中的应用包括发酵工业中的乳酸菌、酵母菌，抗生素作为生物催化剂，微生物在医药、食品、环生产中的放线菌，氨基酸生产中的棒状杆菌，保、能源等领域发挥着不可替代的作用，是以及用于环境治理的各类特殊功能菌株现代生物技术的核心资源与工具细菌的结构与功能核质区包含环状与DNA RNA细胞膜选择性通透屏障细胞壁提供形态与保护鞭毛与菌毛运动与附着功能细菌作为简单但高效的单细胞微生物，其结构紧凑而功能完善细胞壁是细菌的外层保护结构，根据染色反应可分为革兰氏阳性与阴性两大类，这种区别对抗生素的选择至关重要细胞膜负责物质转运与能量转换，是许多代谢酶的载体核糖体作为蛋白质合成工厂分布于细胞质中菌毛与鞭毛分别负责细菌的附着与运动，是细菌适应环境的重要结构这些组件的协同作用使细菌成为自然界中最适应性强、分布最广的生物类群真菌的结构与功能酵母菌特点丝状真菌特点单细胞结构，通常呈球形或椭圆形多细胞结构，形成分支菌丝网络主要通过出芽方式进行无性繁殖通过孢子进行有性或无性繁殖代谢多样，能进行呼吸与发酵外部消化，分泌酶降解复杂有机物工业应用广泛，如啤酒酿造、面包制作用于抗生素、有机酸生产等领域真菌作为真核微生物，细胞结构比细菌复杂，具有明确的细胞核和细胞器系统真菌的生长特性受温度、、水分活度等因素影响，pH大多数真菌适宜在弱酸性环境中生长在工业发酵中，常用的真菌包括酿酒酵母（）、黑曲霉Saccharomyces cerevisiae（）、青霉（）等，它们在食品、医药、环保等领域具有广泛应用Aspergillus nigerPenicillium sp.微生物的生长动力学延滞期指数期稳定期衰亡期细胞适应环境，合成必要酶系细胞快速分裂，数量呈指数增长新生细胞与死亡细胞数量平衡细胞死亡速率超过生长速率微生物生长动力学是描述微生物群体数量变化规律的重要理论在指数生长期，微生物按照固定的比生长速率（）增殖，倍增时间（）表示细胞数量μtd翻倍所需的时间，两者呈反比关系方程描述了限制性底物浓度与比生长速率之间的关系，其中为底物浓度，为半饱Monodμ=μmax·S/Ks+S SKs和常数理解微生物生长动力学对于工业发酵过程的优化至关重要，可以指导培养条件调整、补料策略设计以及产物形成过程的控制，是生物反应工程的理论基础微生物代谢概述初级代谢维持生命必需的基本代谢过程次级代谢产生非必需但具有特殊功能的代谢产物能量代谢通过底物氧化获取能量的过程合成代谢4利用能量合成细胞组分的过程微生物代谢是维持生命活动和产生有用物质的基础过程初级代谢主要包括糖酵解、三羧酸循环、电子传递链等中心代谢途径，产生细胞生长所需的能量和前体物质次级代谢则在生长后期产生抗生素、色素等特殊化合物，虽非必需但具有重要生态和应用价值微生物的能量获取方式多样，有氧呼吸效率最高，无氧呼吸次之，发酵代谢效率最低但不依赖外部电子受体了解不同微生物的代谢类型和调控机制，对于优化发酵工艺、提高目标产物产量具有重要指导意义微生物遗传与变异基因突变序列的自发或诱导改变，是微生物变异的基本方式物理突变源（紫外线、射线）DNA X和化学突变源（亚硝酸、）可提高突变频率，但多为随机变异，需通过筛选获得有EMS益突变株基因重组不同分子间的遗传信息交换，包括转化、接合和转导三种自然方式这些过程可使DNA微生物获得新的遗传特性，增强适应性和代谢多样性，也是微生物育种的重要工具代谢调控微生物通过基因表达调控实现对代谢的精确控制，包括转录水平（操纵子系统）和翻译后修饰了解这些机制有助于通过基因工程手段改造菌株，优化目标产物的合成途径质粒是细菌细胞中的额外分子，能够自主复制且可在细胞间传递，是基因工程的重要载体DNA菌种改良方法包括传统的诱变筛选和现代的基因工程技术，后者可实现定向改造，大大提高育种效率在工业生产中，保持菌种的遗传稳定性也至关重要，通常通过严格的保藏条件和定期活化检测来维持第二部分生物反应器基础基本概念与原理探索生物反应器的定义、工作原理与历史演变，了解生物转化过程的基本机制与特点设计与工程要素学习生物反应器的关键设计因素，包括几何形状、混合系统、传质与传热考虑，以及材料选择与结构优化操作与控制系统掌握生物反应器的操作策略与控制方法，包括参数监测、自动调节与过程优化技术工业应用与实践结合实际案例，理解生物反应器在各行业中的具体应用，分析成功经验与挑战生物反应器定义与历史传统发酵时代人类最早利用自然发酵制作酒、奶酪、酱油等食品，虽无现代设备但已掌握经验工艺早期实验阶段世纪巴斯德等科学家研究微生物与发酵关系，建立了微生物纯培养技术基础19工业化起步世纪初期工业发酵兴起，二战期间抗生素大规模生产推动了生物反应器技术发展20现代生物技术时代计算机控制、传感器技术与基因工程结合，生物反应器向智能化、多功能化方向发展生物反应器是为生物转化过程提供最适环境条件的装置，其核心功能是维持微生物生长与代谢活动所需的物理化学环境从最早的木桶、陶罐到现代的不锈钢罐体与一次性系统，生物反应器设计经历了从经验到科学的转变，体现了工艺参数控制的精确化与自动化程度不断提高生物反应过程基本原理能量转换物质转化底物中的化学能转化为微生物生长与产物合底物通过微生物代谢转化为目标产物的过程成所需能量传质传热反应动力学确保反应物和能量在系统内有效传递的物理描述微生物生长速率与产物形成速率的数学过程模型生物反应过程与传统化学反应的最大区别在于催化剂是活的微生物，其活性受多种因素影响且不断变化生化反应动力学通常需要考虑底物抑制、产物抑制以及多底物相互作用等复杂情况，往往通过非结构化模型或结构化模型进行描述在生物反应器中，传质现象尤为重要，特别是氧气等气体底物的传递往往成为限速步骤传热过程则关系到温度控制，需要有效移除微生物代谢产生的热量了解这些基本原理是设计和优化生物反应器的理论基础生物反应器设计关键因素反应体积与几何形状高宽比通常为至•2:13:1圆柱形设计便于混合与放大•工作体积一般为总容积的•70-80%底部形状影响混合效果与清洗难度•混合与传质效率搅拌功率影响混合均匀度•气体分散系统设计影响氧传递•空气过滤与无菌空气供应系统•气泡大小与分布控制值•KLa温度与控制pH夹套或内盘管冷却系统•温度传感器位置与数量•电极选择与校准维护•pH酸碱添加系统设计与控制•无菌操作与污染防控设备材料与连接处密封性•阀门与管路的灭菌设计•采样系统的无菌要求•与系统的集成•CIP SIP生物反应器材料与结构材料类型优点缺点适用场景不锈钢耐腐蚀、强度高、成本高、不透明、工业规模生产、高耐高温灭菌重量大温高压条件玻璃透明可视、化学惰易碎、耐压能力有实验室研究、藻类性好、表面光滑限培养、教学演示塑料轻便、成本低、一耐温性差、老化问细胞培养、一次性次性使用题、可能有渗出物生物反应器生物反应器材料选择需考虑生物相容性、耐腐蚀性、热稳定性以及成本等多方面因素不锈钢（通常为级）是工业规模生物反应器的主要材料，具有优良的机械性能和灭菌适应性316L在接触物料的表面，需进行精细抛光处理以减少微生物附着和产品吸附反应器结构设计需重视密封与连接技术，特别是动态密封部件（如搅拌轴密封）往往是污染的薄弱环节清洗与灭菌设计是关键考虑因素，现代生物反应器通常集成（原位清洗）和CIP（原位灭菌）系统，以确保操作安全和产品质量SIP第三部分生物反应器类型生物反应器类型丰富多样，每种设计都针对特定的生物过程和应用需求进行优化常见类型包括搅拌槽式、气升式、固定床、流化床、膜生物反应器等，它们在混合方式、传质特性、生物载体形式等方面存在显著差异本部分将详细介绍各类生物反应器的工作原理、结构特点、操作参数与适用范围，帮助学生建立系统的认识，并学会根据具体应用需求选择合适的反应器类型我们将结合实际工程案例，分析不同反应器的优缺点与应用限制搅拌槽式生物反应器3-

60.3-

1.5搅拌桨叶数量搅拌功率kW/m³根据反应器尺寸与混合需求设置不同发酵工艺的典型搅拌功率范围20-

2000.1-500m³氧传递系数⁻规模范围h¹搅拌槽式反应器可达到的范围从实验室到工业规模的容积变化KLa搅拌槽式生物反应器是最常见的生物反应器类型，其核心特点是机械搅拌与气体鼓泡相结合的混合方式典型结构包括圆柱形罐体、机械搅拌装置、气体分散系统、温控夹套和各种传感器搅拌装置通常采用轴流桨或径流桨，前者适合低黏度培养液，后者适合高黏度条件气体分散系统通常位于搅拌桨下方，通过细孔产生小气泡以提高传质效率在规模放大过程中，需要考虑几何相似性、转速调整、通气量变化等因素，常用恒定搅拌功率、恒定氧传递系数或恒定混合时间等准则进行放大计算搅拌槽式反应器适用范围广，但对于剪切敏感的细胞培养或高黏度发酵可能存在局限性气升式生物反应器内循环气升反应器外循环气升反应器在反应器内部设置导流筒，形成上升区和下降区通过外部管道连接反应器上部和下部，形成循环流优点结构简单，混合均匀，适合实验室规模优点流体流动可控，传质效率高，易于监测缺点传质效率相对较低，放大困难缺点结构复杂，成本较高，管路可能堵塞典型应用微藻培养、动物细胞培养、废水处理典型应用高密度培养、酶转化反应、好氧发酵气升式生物反应器利用气液密度差产生的浮力驱动液体循环，无需机械搅拌，具有能耗低、剪切力小的特点其工作原理基于气体在上升区（充气区）形成气液混合相，密度降低产生上升流动，而在下降区（无气区）液体密度较大形成下降流动，从而建立整体循环气液传质特性主要受气体流速、液体循环速率和反应器几何形状影响气升反应器特别适合剪切敏感的细胞培养和菌丝体发酵，但在高黏度条件下效率下降与搅拌槽相比，其放大相对简单，主要考虑维持相似的气体停留时间和液体循环时间固定床生物反应器载体选择决定系统性能的关键因素流体分布影响传质效率与床层利用率传质限制内外扩散阻力需权衡考虑长期稳定性生物膜形成与再生是关键挑战固定床生物反应器是一种将微生物固定化在固体载体上的反应器系统，液体培养基连续或间歇流过床层进行生物转化微生物固定化技术包括物理吸附、包埋、交联和共价结合等方法，常用载体材料有藻酸盐、卡拉胶、聚丙烯酰胺、活性炭、陶瓷等κ-固定床反应器的关键设计考虑因素包括床层高度与直径比例、载体粒径分布、流体均布系统等其传质特性受到外部传质（流体到载体表面）和内部传质（载体内部扩散）双重限制，操作参数优化需要平衡两者该类反应器特别适用于连续酶促反应、废水处理和二次代谢产物生产，但不适合需要细胞生长的过程或产生大量气体的发酵流化床生物反应器最小流化速度液体上升流速刚好能使颗粒开始悬浮的临界速度，是流化床设计的基础参数颗粒密度越大，所需最小流化速度越高；颗粒直径越小，所需流速越低流化状态维持在最小流化速度与颗粒终端速度之间的操作区间内，床层呈现良好的流化状态此时，颗粒在流体中均匀分散，保持悬浮但不被带出反应器，提供了最佳的传质条件床层膨胀与稳定性随着流速增加，床层高度增加，颗粒间距扩大良好的流化床应维持稳定膨胀而不出现通道效应或团聚现象，这通常需要适当的颗粒密度分布和流体分布器设计流化床生物反应器结合了固定床和全混合反应器的优点，通过上升液流使载体颗粒处于悬浮状态相比固定床，流化床具有更好的传质特性和更低的压降；与全混合反应器相比，它保持了生物催化剂的高浓度和稳定性常用载体包括活性炭、离子交换树脂、多孔陶瓷等具有适当密度和机械强度的材料流化床特别适用于高浓度底物的连续生物转化过程，如乙醇发酵、废水处理等其工业应用实例包括上流式厌氧污泥床（）反应器、扩展床反应器（）等，在环境工程领域UASB EGSB应用广泛膜生物反应器生物处理单元微生物降解有机物，实现污染物转化膜分离单元通过微滤或超滤膜截留生物质循环系统保持高浓度生物量和延长水力停留时间膜污染控制通过气液擦洗、反洗等方式延长膜使用寿命膜生物反应器（）结合了生物降解与膜分离技术，是一种高效的污水处理工艺根据膜组件配置方式，可分为外置式（膜组件位于生物反应器外部）和浸没式（膜组件直接浸入生物反应器中）MBR MBR MBR浸没式能耗较低但膜污染风险高，外置式则易于清洗维护但能耗较高MBR膜污染是运行中的主要挑战，可分为可逆污染（通过物理清洗可恢复）和不可逆污染（需要化学清洗）控制策略包括优化曝气强度、调整通量、定期反洗、合理设置操作循环等在市政废水处理、工MBRMBR业废水处理和水回用领域应用广泛，尤其适合空间受限、出水要求高的场景光生物反应器光照系统设计光生物反应器的核心是提供均匀且适宜强度的光源可采用自然光、人工光或两者结合的方式，人工光源包括荧光灯、、卤素灯等光源因能量效率高、波长可调、热LED LED量产生少而日益流行反应器构型主要包括平板式、管式、圆柱式和柱状气泡塔等类型平板式具有较大的表面积体积比；/管式便于控制流动与混合；柱状反应器操作简单但光分布不均构型选择需平衡光分布、混合效率与能耗培养液循环与混合适当的混合不仅确保营养物质分布均匀，还能防止藻细胞沉降、促进气体交换并使细胞在光照区与暗区之间循环混合强度需平衡剪切力对细胞的影响与传质效率的提高温度与控制pH光合微生物对温度和变化敏感，需精确控制光照产生的热量可能导致温度升高，需pH通过冷却系统调节；光合作用消耗₂会导致升高，需通过₂通入调节CO pHCO一次性生物反应器优势结构与材料特点相较传统不锈钢反应器具有多项优势主要由多层聚合物薄膜制成，通常包括气体屏障层、增强层和接触层减少清洗验证与交叉污染风险•薄膜材质需满足认证缩短建厂周期与转产时间•USP ClassVI•预先灭菌包装，即开即用降低初期投资与操作复杂性••可集成传感器、接口和混合系统提高生产灵活性与产能利用率••生物制药应用局限性在生物药物生产中的广泛应用存在一些应用限制需要考虑单克隆抗体与疫苗生产规模上限（通常小于）••2000L临床试验与小批量生产材料相容性与浸出物风险••细胞与基因治疗产品制备废弃物处理与环境影响••多产品共用设施生产传感与控制精度相对较低••组合式生物反应器串联配置将不同类型或功能的反应器按照工艺流程顺序连接，每个反应器承担特定的生物转化任务适用于多步骤生物转化过程，如乳酸发酵后提纯，或需要不同环境条件的多阶段发酵串联系统可以优化各阶段的操作条件，但需注意反应器之间的接口设计和流量平衡并联配置多个相同或不同类型的反应器同时运行，处理相同任务或互为备份适用于产能扩展、风险分散或批次连续化生产并联系统具有灵活性和可靠性高的优点，但初始投资较大，控制系统复杂度增加，需要精确的流量分配机制混合配置结合串联与并联的优点，形成网络状的反应器系统根据产品特性和工艺要求灵活组合，可实现高度定制化的生产流程这种配置适合复杂的生物制品生产，如需要细胞扩增、分化和产物形成多阶段过程的细胞治疗产品组合式生物反应器系统的设计需要综合考虑工艺需求、设备兼容性、物料平衡和系统控制等多方面因素在实际应用中，工艺流程整合不仅包括反应器本身，还需要考虑上下游处理设备的衔接，如离心机、过滤系统、色谱纯化等优化设计案例通常采用数学模型和流程模拟工具进行预测和评估，以实现系统效率最大化和成本最小化第四部分生物反应器操作准备与灭菌设备清洗、组装与灭菌接种与培养种子扩大与生产发酵监测与控制参数调节与过程优化收获与处理产物分离与纯化生物反应器的操作是确保生物过程顺利进行的关键环节，涵盖从设备准备到产物收获的完整流程有效的操作规程不仅影响产品产量和质量，还关系到生产安全和经济效益本部分将系统介绍生物反应器操作的各个方面，包括灭菌技术、接种方法、培养策略以及过程控制等内容我们将重点讨论批次培养、补料批次培养和连续培养等不同操作模式的特点与应用场景，分析固定化技术的操作要点，以及反应器放大过程中需要注意的关键问题通过案例分析和实际操作指导，帮助学生掌握生物反应器操作的理论与实践技能生物反应器灭菌技术接种技术与种子培养保藏菌种活化从冻干或°保藏条件下取出工作菌种，经过适当的复苏和活化过程，通常在摇瓶-80C中进行初步培养，确认活性和纯度2一级种子培养将活化菌种转接到优化的种子培养基中，在小体积摇瓶或小型发酵罐中培养，控制适宜的温度、和培养时间pH3二级种子培养将一级种子转接到更大体积的培养容器中，进一步扩大培养规模，培养基组成通常与生产发酵相近，为适应生产条件做准备4生产罐接种将处于最佳生理状态的种子培养物通过无菌接种系统转移到生产发酵罐中，通常接种量为生产罐工作体积的5-10%合理的接种量对发酵过程至关重要，过低的接种量会延长发酵周期并增加污染风险，过高则浪费资源且可能导致营养物迅速耗尽接种方法需根据微生物特性和反应器设计选择，可采用直接加入法、压力转移法或泵送法等批次培养操作参数设定确定最优培养条件与控制范围过程监测实时跟踪关键参数变化趋势干预控制及时调整以维持最佳生长环境终点判断确定最佳收获时机批次培养是最基本的生物反应器操作方式，其特点是一次性添加全部培养基，微生物在封闭系统中生长直至培养结束过程控制参数主要包括温度、、溶氧、搅拌速度pH和通气量等，根据微生物种类和产物特性设定控制策略温度通常需要精确控制在±°范围内；控制需要根据微生物的代谢特性设定合理的调控范围；溶氧控制则

0.5C pH需平衡供氧与能耗的关系培养周期管理是批次培养的核心，需要根据生长曲线特征确定各阶段的操作重点适应期应关注微生物活性；指数期需确保充足营养与氧气供应；稳定期和产物形成期则需优化产物积累条件批次培养适用于实验室研究、小规模生产以及产物与生长密切相关的过程，如酵母菌生物量生产、某些抗生素发酵等补料批次培养30-50%产量提升与传统批次培养相比的典型增幅100-200g/L细胞浓度高密度培养可达到的干重浓度⁻

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0.3h¹比生长速率补料控制下的典型生长速率范围40-70%底物转化率优化补料策略可达到的转化效率补料批次培养是批次培养的改进方式，通过在培养过程中持续或间歇添加营养物质，避免底物抑制和产物抑制，实现高细胞密度培养补料策略设计是关键，常见方式包括指数补料（跟随微生物指数生长需求）、恒定补料（固定速率添加）和脉冲补料（间歇大量添加）基于反馈的补料控制更为先进，可根据溶氧波动、变化、营养物浓度或代谢产物积累等信号自动调整补料速率pH补料批次培养在多种产业中显示出显著优势，如重组蛋白生产中实现了大肠杆菌、酵母菌的高密度培养；抗生素发酵中通过分阶段补料策略显著提高了产量；氨基酸生产中采用反馈控制补料减少了副产物积累该操作方式灵活性高，能够适应不同微生物的代谢特点，是目前工业生物技术中应用最广泛的培养方式之一连续培养技术物料平衡生长平衡输入量等于输出量与消耗量之和稀释率等于微生物比生长速率参数调控稳态维持通过改变稀释率控制培养条件各参数在一定范围内保持恒定连续培养是一种开放系统的培养方式，新鲜培养基以恒定速率进入反应器，发酵液以相同速率流出，维持反应器体积恒定其核心参数是稀释率（），定义为单位时间内D流入的培养基体积与反应器总体积之比当等于微生物比生长速率（）时，系统达到稳态，细胞浓度保持恒定化学计量学关系是连续培养设计的基础，需考虑碳源、Dμ氮源等营养物的利用效率和转化率连续培养具有生产效率高、产品质量稳定、自动化程度高等优点，但也存在污染风险增加、菌种遗传稳定性要求高等缺点工业应用实例包括生物处理系统（如废水处理）、某些单细胞蛋白生产以及需要长期稳定条件的酶生产等变种设计如化学平衡控制器（菌种计）和多级连续培养系统在特定领域也有重要应用全细胞固定化技术固定化方法优点缺点适用微生物包埋法保护性好、载体选内部传质受限、细细菌、酵母、动物细择广泛胞生长受限胞吸附法操作简单、传质良好结合力较弱、易脱落丝状真菌、生物膜交联法结合牢固、化学稳可能影响细胞活性、耐受性强的细菌定性好操作复杂膜包封法细胞密度高、易于膜堵塞风险、制备动物细胞、敏感微生分离技术要求高物全细胞固定化技术通过物理或化学方法将微生物细胞固定在特定载体上或限制在特定空间内，使其保持较长时间的催化活性固定化微生物的生理特性往往与自由细胞不同，表现为生长速率降低、代谢模式改变、对环境胁迫的耐受性增强等这些变化源于微环境条件的特殊性，如局部、营养物梯pH度、细胞密度等因素的影响在固定化体系中，传质是影响性能的关键因素，主要包括外部传质（液相到载体表面）和内部传质（载体内部扩散）传质效率受载体材料、粒径、孔隙率以及流体动力学条件的影响固定化反应器的操作策略需考虑流速优化、补料模式设计、再生与更换周期等因素，以平衡生产效率与系统稳定性生物反应器放大几何相似性评估确保大小反应器在关键尺寸比例上保持一致，如高宽比、搅拌桨直径与罐径比、桨叶间距等这是放大设计的第一步，但仅有几何相似往往不足以保证过程性能的一致性关键参数识别根据微生物特性和产品要求，确定影响过程性能的关键参数对于需氧过程，通常是氧传递速率（）；对于敏感细胞，可能是剪切力；对于产热显著的过程，则是散OTR热能力放大准则应用选择合适的放大准则并计算操作参数常用准则包括恒定功率输入（）、恒定氧P/V传递系数（）、恒定混合时间、恒定剪切速率等，不同过程需选择最相关的准则kLa验证与调整在中试规模验证放大效果，收集数据并与实验室结果比较根据差异调整操作参数，必要时修改放大策略，直至获得满意的性能一致性，才能进行工业规模放大第五部分生物反应器监测与控制参数测量与传感使用各类传感器实时监测生物反应过程中的物理、化学和生物参数，为过程控制提供数据基础传感器技术不断发展，从传统的物理化学参数扩展到生物特性的直接监测数据采集与处理通过自动化系统收集、存储和分析监测数据，识别趋势和模式，为过程决策提供依据现代系统能够处理大量实时数据，并通过算法提取有价值的过程信息控制策略实施基于监测数据和生物过程模型，实施适当的控制策略，维持最佳生长环境或引导代谢流向目标产物控制系统从简单的反馈控制发展到基于模型的预测控制生物反应器的监测与控制是确保生物过程稳定高效运行的关键环节与化学反应器相比，生物系统的复杂性和动态变化性对监测控制系统提出了更高要求本部分将详细介绍各类参数的监测技术、控制系统设计及过程自动化方案，帮助学生掌握现代生物反应器的操作管理技能在线监测技术物理参数监测温度铂电阻传感器，精度±°•Pt

1000.1C压力压力传感器，监测反应器内压与过滤系统阻力•液位电导式、电容式或超声波液位计，防止溢出或干运行•泡沫电导探头，及时检测并控制消泡剂添加•化学参数监测玻璃电极，需定期校准并防止生物膜附着•pH溶氧极谱式或光学式传感器，后者无需电解液维护•二氧化碳红外分析或电极，监测代谢活性•Severinghaus底物浓度生物传感器或在线系统，实时监测养分消耗•HPLC生物参数监测生物量浊度计、电容传感器或软传感器估算•代谢活性呼吸商、产热速率或荧光检测•RQ NADH产物浓度选择性电极、光谱分析或在线色谱技术•细胞状态流式细胞术或显微镜图像分析系统•先进传感器技术光谱技术近红外、拉曼光谱实现多参数同时监测•NIR质谱技术分析发酵气体成分，评估代谢状态•生物芯片集成多种生化传感元件，微型化分析系统•无线传感减少污染风险，提高系统灵活性•溶氧与通气控制控制系统pH对微生物的影响pH影响细胞膜电荷、酶活性与代谢途径控制回路设计pH包括传感器、控制器与执行器三部分缓冲系统选择磷酸盐、或等缓冲剂的应用TRIS HEPES自动化控制策略从简单控制到复杂预测性算法PID对微生物生长和代谢具有显著影响，大多数细菌适宜在中性或弱碱性环境生长（），酵母和pH pH

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7.5真菌则偏好弱酸性条件（）偏离最适范围不仅影响生长速率，还可能改变代谢途径，影响pH

4.5-

6.0pH产物类型和产量不同阶段可能需要不同的值，如酵母菌产乙醇阶段适宜低，而细菌产氨基酸则需要较pH pH高pH控制回路通常包括电极、信号变送器、控制器和加酸碱泵系统电极保护与定期校准是确保测量准确性pH pH的关键缓冲系统可以减少波动，但也可能增加离子强度，影响微生物活性加酸碱控制可采用简单的开pH关控制（小规模）或比例积分微分控制（精确需求），高级系统还可集成自适应算法和模糊逻辑，在非PID线性区域提供更好的控制效果温度控制技术发酵热计算冷却系统设计微生物代谢产热量与底物消耗直接相关，可通过以下公式估算根据最大产热量设计冷却能力，常见冷却系统包括××夹套冷却简单可靠，适合中小规模Q=YQ/S rSV•内盘管冷却传热效率高，但可能影响混合•其中外部热交换器适合大规模，便于清洗维护•产热速率•Q:kJ/h蒸发冷却利用培养液表面蒸发带走热量•产热系数底物•YQ/S:kJ/g冷却系统应考虑最大热负荷、温度均匀性、清洁灭菌适应性、控制精度和能/底物消耗速率•rS:g/L·h源效率等因素反应器体积•V:L产热系数因微生物和代谢途径而异，需通过量热测定确定温度梯度与混合问题是大型生物反应器的主要挑战在高细胞密度培养中，局部产热显著，若混合不足会形成温度不均，影响微生物生长和产物形成温度梯度分析通常借助计算流体动力学模拟和多点温度测量进行改善策略包括优化搅拌设计、调整冷却表面分布、增加循环流速等CFD温度控制策略优化需考虑多方面因素控制算法选择（、自适应控制、前馈控制等）；加热冷却介质流量调节（采用比例控制阀而非开关阀）；多区域控PID/制（大型反应器可能需要分区控制）；温度波动容限评估（不同微生物对温度波动的敏感性不同）；热应激响应机制（某些情况下可通过短期温度调整诱导特定响应）过程自动化与数据采集高级分析与智能控制自适应算法与人工智能应用数据管理与模型应用大数据分析与数字孪生技术监督控制与数据采集系统与过程历史数据库SCADA基础自动化与仪表控制与传感器网络PLC现代生物反应器自动化控制系统通常采用分层架构，从底层的现场仪表、中间层的控制器到顶层的监督系统与管理信息系统可编程逻辑控制器或分布式控制系统PLC是核心控制单元，负责执行控制算法和协调各子系统数据采集系统记录所有过程变量，典型采样频率从几秒到几分钟不等，数据存储既用于实时控制，也为后续分DCS析和工艺优化提供依据过程分析技术旨在通过实时测量关键质量属性来实现过程理解和控制，是生物制药行业的重要发展方向工具包括光谱技术（近红外、拉曼）、色谱分析、生物PAT PAT传感器和多变量数据分析等实时监控与报警系统对异常情况快速响应，设定关键参数的安全范围和报警级别，并提供故障诊断和应急处理方案未来趋势包括人工智能控制、云平台集成和移动监控等技术的广泛应用第六部分生物反应器应用生物反应器技术已广泛应用于医药、食品、能源、环保等多个领域，成为现代生物制造的核心设备不同应用领域对生物反应器的设计和操作有特定要求，需根据产品特性、微生物特点和经济因素进行优化本部分将详细介绍生物反应器在抗生素、酶制剂、有机酸、氨基酸、生物燃料、重组蛋白和疫苗等产品生产中的具体应用案例通过分析不同行业的成功实践和技术挑战，学生将深入理解如何将微生物学原理与工程设计相结合，实现高效、稳定的工业生产我们将特别关注生物反应器操作的优化策略、放大问题的解决方案以及新技术的应用前景，为学生提供全面的应用视角抗生素生产青霉素生产工艺青霉素生产采用青霉菌深层发酵，属典型的二级代谢产物生产过程Penicillium chrysogenum发酵温度通常控制在°，在初期维持在，后期降至关键工艺控25-28C pH

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6.

55.8-

6.2制点包括前体物质苯乙酸的分批补加、通气强化以确保充分供氧，以及碳源限制策略促进抗生素合成头孢菌素生产特点头孢菌素主要由产酸克拉维菌生产，与青霉素相比对溶氧要求更Acremonium chrysogenum高，通常需维持在⁻以上发酵周期较长小时，采用分阶段控制策略KLa200h¹120-150先促进菌丝生长，再诱导抗生素合成氨基酸添加蛋氨酸、赖氨酸和甾醇调控对提高产量至关重要放线菌发酵技术链霉素、红霉素等抗生素由放线菌生产，其特点是菌丝体生长导致培养液高黏度，对搅拌与通气设计提出挑战反应器通常采用强力搅拌桨配置，几何形状优化以减少死区培养基通常使用复杂成分豆粉、玉米浆，发酵控制以溶氧和碳源进给率为核心参数抗生素提取与分离是下游工艺的关键环节，通常包括初步过滤（分离菌体和发酵液）、溶剂萃取（对于脂溶性抗生素）或离子交换（对于水溶性抗生素）、浓缩纯化和结晶等步骤青霉素提取通常采用溶剂萃取，控制是关键；而链霉素则多采用离子交换树脂技术工业规模生产案例显示，反应器容积从到pH50m³不等，放大过程中混合与传质效率维持是核心挑战，通常采用多重搅拌器和优化气体分散系统解500m³决酶制剂生产菌种选择与改良1高表达工程菌开发与优化发酵工艺优化2高密度培养与诱导表达策略分离纯化技术多步骤纯化与浓缩处理制剂化与稳定性固定化技术与配方优化工业酶的生产工艺需根据酶的来源和特性进行设计细菌来源的酶（如枯草杆菌蛋白酶、淀粉酶）通常采用批次或补料批次培养，控制关键点是溶氧和培养基组成；真菌来源α-的酶（如葡萄糖氧化酶、纤维素酶）则多采用固态发酵或低剪切力的深层发酵诱导表达是提高产量的关键策略，如淀粉酶生产中添加淀粉或麦芽糊精作为诱导物，纤维素酶生产中添加纤维素或乳糖作为诱导物酶活性保持是下游处理的核心挑战，常用策略包括温度控制（避免热失活）、缓冲（维持最适环境）、添加稳定剂（如甘油、山梨糖醇）以及避免蛋白酶降解下游处理通常pH采用多步骤纯化，包括离心或过滤（去除菌体）、沉淀（初步浓缩）、层析（进一步纯化）和超滤（最终浓缩）制剂化技术包括喷雾干燥、冷冻干燥或液体浓缩，根据应用需求和酶特性选择合适方法有机酸生产柠檬酸生产工艺乳酸发酵技术柠檬酸主要由黑曲霉乳酸由乳酸菌如或工程菌Aspergillus nigerLactobacillus生产，是循环的中间产物生产过程株生产，是重要的食品添加剂和生物可降TCA通常采用批次培养方式，关键条件包括碳解塑料原料发酵过程需要中性至弱酸性源糖蜜或葡萄糖高浓度环境，产物抑制明显，常采用控制中140-pH、氮源和磷酸盐限制、低环和生成的乳酸，或使用膜分离技术在线去180g/L pH境以及微量元素铁、锰、锌除产物高产工艺可采用细胞循环膜生物

2.0-

3.5的精确控制发酵周期通常为天，产反应器，提高细胞密度并延长生产周期5-7量可达以上150g/L琥珀酸与其他有机酸琥珀酸生产可采用厌氧细菌如或工程大肠杆菌，是生物基化Actinobacillus succinogenes学品的重要平台分子与传统有机酸不同，琥珀酸发酵需要严格的厌氧环境，通常添加₂CO作为碳源补充，同时需要精确控制氧化还原电位其他工业有机酸如富马酸、甲酸等生产工艺各有特点，但核心均为发酵条件优化和高效分离技术有机酸生产过程的优化主要集中在以下几个方面菌种改良（通过诱变或基因工程提高产酸能力和耐酸性）；培养条件优化（碳氮比、微量元素浓度、控制策略等）；补料策略（防止底物抑制和过pH度代谢）；以及发酵模式选择（批次、补料批次或连续）提高产量的创新技术包括在线产物去除（减少产物抑制）、共底物发酵（提供额外能量或碳源）和固定化全细胞技术（提高细胞稳定性和密度）氨基酸生产菌种改良发酵优化1代谢通路与调控机制的定向改造培养条件与补料策略的精确控制2过程集成分离提纯能源回收与副产物利用的循环经济离子交换与结晶工艺的高效处理谷氨酸是产量最大的氨基酸，主要由棒状杆菌生产其生产工艺特点包括生物素限制条件（影响细胞膜通透性）、中性控制（Corynebacterium glutamicumpH

5.5-）、温度适中（°）以及溶氧充足发酵过程采用补料批次方式，葡萄糖浓度保持在，氨源则根据氨基酸合成需求补加谷氨酸合成酶活性和

7.530-33C10-30g/Lα-酮戊二酸脱氢酶复合体抑制是关键调控点赖氨酸发酵同样使用棒状杆菌，但菌种改良策略不同，主要针对反馈抑制机制和分支代谢通路关键改良包括解除同源丝氨酸脱氢酶对赖氨酸的反馈抑制，减少苏氨酸分支代谢，以及增强赖氨酸外排系统发酵过程中，氧气和控制尤为重要，通常采用补料控制策略氨基酸产品提取主要采用离子交换色谱，利用等电点特性进行pH DO-Stat分离，然后进行浓缩结晶，最终得到高纯度产品生物燃料生产生物乙醇生产生物柴油生产生物气与沼气工程生物乙醇主要由酵母菌生物柴油主要通过植物油或微生物油脂的生物气通过厌氧微生物群落分解有机物产Saccharomyces发酵淀粉或糖类原料生产工转酯化反应制备酶法生产使用固定化脂生，主要组分为甲烷和二氧化cerevisiae50-70%艺特点包括高糖浓度、温肪酶作为催化剂，反应条件温和碳沼气工程采用上流式厌氧污泥150-300g/L30-UASB度控制°、维持°，产物质量高，但成本较高反应床或完全混合反应器配置，操作30-35C pH

4.5-

5.550CCSTR和低溶氧条件发酵过程采用批次或补料器设计需考虑两相系统的混合与传质，常温度分为中温°和高温35-40C50-批次操作，产物浓度可达，采用循环床或固定床反应器配置，反应周°两种关键控制参数包括有机负荷10-12%v/v60C产物回收通常采用蒸馏技术期通常为小时率、水力停留时间和值24-48pH重组蛋白生产100g/L10g/L细胞密度蛋白产量高密度培养可达干重浓度优化工艺可达蛋白浓度85%70%蛋白活性回收率优化折叠条件下的活性保留率下游纯化过程的典型总回收率表达系统选择是重组蛋白生产的第一步，常用系统包括大肠杆菌（简单高效，适合结构简单蛋白）、酵母（分泌表达，糖基化修饰）、哺乳动物细胞（复杂糖基化，适合抗体生产）和昆虫细胞（高表达量，适中修饰）宿主选择需考虑蛋白特性、产量要求、成本限制和下游处理便利性大肠杆菌表达系统中，高细胞密度培养是提高产量的关键策略，通常采用指数补料或控制方案，可实现干重以上的细DO-Stat100g/L胞浓度蛋白质表达优化涉及多方面因素启动子选择（如、、等）；表达调控（诱导时机与强度）；密码子优化（提高翻译效率）；融合标签设计（提高溶解度或便于纯化）蛋白质折叠与活性维持是挑T7AOX1CMV战性问题，策略包括降低表达温度（减缓合成速率）、添加分子伴侣（辅助折叠）、氧化还原环境优化（促进二硫键形成）以及分泌表达（利用天然分泌途径）膜蛋白和包涵体处理是特殊挑战，需要专门的可溶化和复性技术疫苗生产技术传统疫苗生产重组疫苗与新型技术灭活疫苗和减毒活疫苗是传统技术路线，主要通过培养病原体后进重组亚单位疫苗、病毒样颗粒和载体疫苗是现代技术路线，主要通行灭活或减毒处理获得生产特点包括过基因工程技术生产特点包括需要生物安全等级较高的生产设施安全性高，无需处理活的病原体••通常采用鸡胚或细胞培养获得病毒可在标准生物反应器中生产••灭活过程使用甲醛或丙内酯等试剂适用多种表达系统（细菌、酵母、动物细胞）•β-•质量控制严格，需证明完全灭活可实现高度纯化和标准化••生产工艺包括上游培养、病毒收获、灭活减毒处理、纯化、制剂疫苗是最新技术路线，基于体外转录技术制备编码抗原的/mRNA化等步骤，然后包裹在脂质纳米颗粒中递送mRNA细胞培养与病毒增殖是传统疫苗生产的核心环节悬浮细胞培养通常采用搅拌槽或气升式生物反应器，而贴壁细胞则使用转瓶、多层细胞工厂或微载体技术优化细胞生长和病毒产量需平衡多种因素无血清培养基设计、精确控制感染时机和（感染复数）、收获策略优MOI化等生物安全考虑贯穿整个生产过程，包括设施设计（气密性、负压梯度）、设备选择（密闭系统）、人员培训和废物处理等方面环境污染治理应用活性污泥法最广泛应用的好氧生物处理技术厌氧消化技术处理高浓度有机废水并产生沼气膜生物反应器结合生物降解与膜分离技术生物修复技术利用微生物治理受污染土壤和地下水废水生物处理技术是环境工程中最成功的生物反应器应用领域活性污泥法采用曝气池培养微生物絮体，处理城市和低浓度工业废水；工艺变体包括氧化沟、（序批式反应器）和（厌氧好氧）工艺等，针对不同水质和SBR A/O/处理目标优化设计厌氧技术包括（上流式厌氧污泥床）、（扩展颗粒污泥床）和（内循环）反应UASB EGSBIC器等，适用于高浓度有机废水处理，具有能耗低、产沼气等优势微生物固定化在环境应用中表现出特殊优势，如生物滤池利用填料表面生物膜降解污染物；滴滤池通过自然通风提供氧气；生物转盘结合固定生物膜与机械转动，适合中小规模处理实际工程案例分析显示，生物处理技术在造纸废水（采用反应器去除高浓度）、农药制造废水（采用特种菌群降解有毒有机物）和垃圾渗滤液（采用膜生IC COD物反应器实现高效处理）等领域取得显著成效，处理效率可达以上，且运行成本明显低于物理化学方法90%第七部分前沿发展与未来趋势微生物组学与系统生物学人工智能与数字化转型连续生物制造高通量测序和多组学分析技术正在彻底改机器学习算法正在生物过程优化中发挥越从批次生产向连续生产的转变是行业重要变对生物反应器中微生物群落的认识，使来越重要的作用，能够从海量数据中提取趋势，集成化的端到端生物制造系统能够我们能够在分子水平理解和操控复杂生物规律并预测最佳操作条件数字孪生技术提高生产效率、降低成本并改善产品质量过程代谢流分析和计算模型正在帮助预将虚拟模拟与实际操作紧密结合，为生物一致性新型反应器设计和过程分析技术测并优化微生物的生物转化能力制造带来革命性变化是实现这一转变的关键微生物组学与系统生物学1组学技术应用基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学技术已成功应用于生物反应器研究，实现对微生物在不同环境条件下的全面分析新一代测序技术使我们能够实时监测混合菌群的组成变化，特别是在环境处理和食品发酵领域具有重要意义2代谢流分析通过同位素标记和质谱技术，研究人员能够精确测量和计算微生物细胞内的代谢流分布，识别潜在的瓶颈步骤这种分析为定向改造提供了理论基础，如通过增强限速步骤或减少副产物形成途径来提高目标产物产量3合成生物学应用设计构建测试学习循环是合成生物学的核心方法，通过系统性改造微---DBTL生物代谢网络，创造出具有新功能的生物催化剂基因线路设计、模块化组装和全基因组合成等技术已用于开发高效生产生物燃料、精细化学品和医药中间体的工程菌系统生物学模型在生物反应器优化中的应用越来越广泛，从简单的代谢模型发展到全细胞动态模型，能够预测不同条件下的细胞生长和产物形成这些模型与实验数据相结合，通过迭代优化，可以指导实验设计和生产过程改进未来发展方向包括多尺度模型的构建（从分子到反应器水平）、实时预测控制系统的建立以及人工智能与生物信息学的深度融合人工智能与数字化转型机器学习在生物过程优化中的应用监督学习用于建立过程变量与产品质量的关联模型•非监督学习识别数据模式和异常检测•强化学习优化动态控制策略•深度学习从图像和光谱数据中提取信息•数字孪生技术虚拟复制物实时映射物理生物反应器状态•多物理场模拟整合流体动力学、传质传热和生物反应•预测性分析指导过程干预和优化•虚拟试验减少实验成本和时间•智能生物反应器设计自适应控制系统根据细胞状态调整参数•高度集成的传感器网络实现全方位监测•软传感器技术推断难以直接测量的参数•先进材料和模块化设计提高适应性•工业与生物制造

4.0物联网技术连接设备和系统形成数据网络•区块链技术确保供应链透明度和产品可追溯性•云计算和边缘计算支持分布式智能决策•增强现实辅助操作和维护活动•课程总结与展望关键知识点回顾本课程系统介绍了微生物学基础、生物反应器设计原理、操作技术、监测控制系统以及各领域应用案例通过理论学习与实验实践相结合，建立了从微观微生物代谢到宏观工程应用的完整知识体系，为学生未来从事生物工程相关工作奠定坚实基础微生物与生物反应器的未来发展微生物工程与反应器技术正朝着更精准、更高效、更智能的方向发展合成生物学和基因编辑技术使微生物设计日趋精准；微生物组学研究拓展了复杂菌群应用的可能性；而生物反应器设计则更注重模块化、智能化与可持续性，以适应多变的生产需求生物制造产业前景生物制造正成为全球战略性新兴产业，市场规模持续扩大医药、化工、食品、能源、环保等传统领域继续深化应用，而生物基材料、细胞治疗、精准农业等新兴领域也展现出巨大潜力国家政策支持和资本投入将进一步加速产业发展，创造大量就业机会学生科研与创新方向建议建议学生关注以下研究方向微生物合成生物学与代谢工程；连续生物制造工艺与设备开发；人工智能辅助的生物过程优化；生物反应器小型化与个性化定制；以及生物制造的绿色化与循环经济融合跨学科知识结构将成为未来竞争优势，建议加强计算机科学、材料学、自动化等领域的学习。