生化工程第一章导言.ppt

,生化工程,伦世仪,中国轻工业出版社,生物工程专业课程,一.生化工程概述:,1.概念,研究利用生物催化剂(酶或细胞)从事生物技术产品的生产的过程，即生化反应工程； 生物反应工程是化学工程与生物技术的交叉。是应用化学工程的原理与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发。,生化工程 第一章 导言,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,是为生物技术服务的化学工程。它是利用化学工程原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程，是生物化学与工程学相互渗透所形成的一门新学科。它应用工程学这一实践技术，以生物体细胞（包括微生物、动植物细胞）作为研究的主角、生物化学作为理论基础，从动态、定量、微观的角度，广泛而深刻地揭示生物工业的过程。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,可以把生化工程看成是化学工程的一个分支，也可以认为是生物工程的一个重要组成部分。生化工程的任务就是要处理与生物学有关的工艺过程中的特殊性工程技术问题。在工业规模生产中，如何以较少的原料和能量，高效率地获得产物，以及如何将实验室中新发现的物质和过程迅速而经济地推向工业生产。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,2.特点 综合性学科 反应过程使用生物催化剂 采用可再生资源为主要原料 生产设备比较简单、能耗低,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,3.生化工程中反应过程分类,酶催化反应,细胞反应过程,废水生物处理过程,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,反应动力学,反应器,生化工程,代谢动力学,细胞生长动力学,生化反应器的流动模型,工业化反应器,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,二、历史,1.早期发酵生产,2.近代发酵,20世纪40年代，第二次大战中青霉素大规模工业化生产而诞生了生化工程。美国科学家盖顿关于通风搅拌传质的论文，作为生化工程的诞生的标志。1959年生化工程杂志Biotech & Bioengineering创刊。1965年出现第一本生化工程的书Biochemical engineering。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,早期的青霉素生产技术,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,40年代的青霉素工厂,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,青霉素工业化生产的意义,时间：20世纪4060年代 大规模液体发酵罐相关技术突破： 搅拌装置(搅拌桨、轴封) 通气装置(空气除菌、分散器) 灭菌装置(管路、阀门、罐内) 无菌状态(接种、采样、隔离) 控制装置(温度、pH、溶氧、消泡) 流加装置(碱、葡萄糖、前体) 目前规模：百吨至千吨级发酵罐,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,关于反应器 在线测量还未解决。仅有少量发表的关于细胞培养过程局部湍流、湍动尺度、功耗范围等的在线测量的文献。但这些还不能作为程序使用。非接触的如激光、多普勒测速或超声波测量则很有价值。,就生产方式来看，分为间隙操作、连续操作、半连续操作；,现代生化工程基本情况：,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,间歇操作的缺点是： 非生产的惰性时间长。(原料、加热灭菌、冷却)； 由于频繁的灭菌，检测仪器的负担较重； 由于预备各种继代培养以接种的花费较高；,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,为了控制非稳定过程而需要更多的人员或过程的计算机控制而花费较高； 因此，间歇反应器适用于： 产品批量较小 一个反应器可用作多种产品的生产 易染茵 易突变 产品从培养液中间歇分离。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,连续操作的特点是培养液连续地加入生物反应器，如果系稳定操作，整个过程恒定。加入的培养液经过灭菌或含有使用的菌种。反应混合物连续从反应器中除去。所以反应变量的控制参数应不随时间改变。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,连续操作的优点： 更高的机械化与自动化程度； 低的工资支出； 反应器的体积因无非生产性阶段(加料、反应器灭菌等)比较小； 因操作条件是不变的故产品质量恒定； 由于机械化程度高，减少了人员接触致癌微生物和有毒物质的危险； 减少了灭菌时造成仪器的损伤。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,连续操作的缺点是： 操作弹性小，流量、介质浓度、氧浓度、温度等只能稍稍改变； 原料质量必须稳定； 设备投资高(主要是设备的控制与自动化、介质的连续灭菌)；,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,连续除去不溶物(固体底物如稻草)是昂贵的； 由于很长的培养时间，染菌的风险大； 由于长期的培养、微生物突变的风险大。 以上可见,连续操作适于生产能力大，微生物变异的稳定性很高的系统。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,半连续操作可视为间歇与连续操作的组合。半连续操作的优点是： 操作弹性大。 即使在稍有微生物变异以及可能有染茵危险时可以实现半稳定操作； 收率高，因为非常有限的培养时间(在半连续操作整个培养阶段无细胞的加入或渗出。因此就微生物而言，反应器却是间歇方式操作的)。 微生物的环境条件可以优化以适应生长期或生产期、以及培养阶段。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,半连续操作的缺点是： 有非生产的惰性时间，即用于加料，加热，灭菌，冷却放空与清洗反应器； 工资费用高。由于使用更多的人员，或过程中采用计算机，以及重要昂贵的仪器(如维持底物浓度恒定)； 人员接触致癌微生物或有毒物质危险性较大；,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,由于频繁灭菌造成仪器的损伤。 半连续操作常在不能采用连续操作(由于生物一定程度的变异和染茵)以及间歇操作造成低的生产率指标时采用。与间歇操作反应器一样，半连续操作反应器也是非稳定的。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,中试,摇瓶试验,三、生化工程的研究方法,生化工程的典型程序：,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,主要内容,生化工程是一门边缘交叉学科，研究的内容非常丰富。生化工程按所处理的对象分为微生物生化工程、植物生化工程、动物生化工程和酶生化工程等。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,按对细胞处理的方式大致分胞外控制部分和胞内控制部分两大部分。胞外控制部分包括：培养基的灭菌、通气搅拌、固定化技术、空气除菌、比拟放大、产品分离和纯化、发酵动力学、发酵优化控制和细胞培养技术等。胞内控制部分包括：遗传育种、代谢控制、培养基平衡等。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,以上内容包含了生化工程的4个主要的分支：即生化反应工程、生化控制工程、生化分离工程和生化系统工程；,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,本课程以微生物为对象，从基本原理和应用技术两个方面讨论微生物代谢过程中所涉及的各种基本资料和技术参数，诸如 代谢过程的化学计量、热力学参数、生长过程的营养需求、发酵环境因素影响等。,生物工程专业课程,生化工程 第一章 导言,研究方法：,经