设备管理_发酵设备及工厂设计培训课件

中国生物技术产业现状政策重视 2006年 国家中长期科学和技术发展规划纲要 2006一2020 科技发展的五个战略重点之一2007年 发改委制定 生物产业发展 十一五 规划 2020年 全国生物产业增加值突破2万亿元 占GDP比重达到4 以上 支柱产业和主导产业 2010年 国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定 列入战略性新兴产业途径 坚持发挥市场基础性作用与政府引导推动相结合 科技创新与实现产业化相结合 深化体制改革 以企业为主体 推进产学研结合 把战略性新兴产业培育成为国民经济的先导产业和支柱产业 2009年 国务院 促进生物产业加快发展的若干政策 生物技术强国和生物产业大国 2011年11月 科技部制定 十二五 生物技术发展规划 目标 生物医药 生物农业 生物制造 生物能源 生物环保等产业快速崛起 成为生物技术强国和生物产业大国 发表SCI论文总数达到世界前3位 申请和授权发明专利数总数进入世界前3位 生物技术研发人员达到30万人以上 生物技术人力资源总量位居世界第一 生物产业年均增长率保持在15 以上 2011年12月 科技部 人力资源和社会保障部 教育部等多部委印发 国家中长期生物技术人才发展规划 2010一2020年 目标 3一5名国际顶尖科学家 30一50名国际一流创新人才和若干创新团队 300一500名领军人才 3一5万名学科骨干 30万名生物产业人才 3000一5000名生物技术高级管理人才 2012年 国务院印发 生物产业发展规划 到2015年 生物医药产业超过1万亿元人民币 生物医学工程产业年产值达到4000亿元 生物农业年工业产值达到3000亿元 生物制造产业年产值达到7500亿元 生物能源产业年产值达到1500亿元 生物环保产业年产值达到1500亿元 生物服务产业年产值达到1500亿元 基础好 干细胞 蛋白质组学等领域研究水平较高 杂交水稻等生物育种领域具有一定的优势 研发队伍水平较高 25万余人 资源和市场优势 26万种生物物种 12800种药用动植物资源 32万份农业种质资源 市场巨大 我国发展生物技术产业的优势 时机有利 跨国企业垄断不严重 全球产业成长期 发展迅速 问题突出和制约因素多 研发创新能力不足 全球生物技术创新和专利绝大部分来源于欧美日等 而中国在内的发展中国家仅占5 发展资金严重短缺 国际上一种新药的研发费用已升至12亿美元 而我国仿制一个新药只需几百万元人民币 缺乏龙头企业带动 国内最大生物农业企业年销售收入不足5亿元人民币 而美国孟山都公司年销售收入为55亿美元 专业公共服务缺失市场环境有待完善 工欲善其事 必先利其器 论语 卫灵公 发酵设备及工厂设计 化学与生物工程学院生物工程教研室刘凤红 自我介绍 微信 lfh19880221QQ 1095907100邮箱 qlit liufenghong 电话迎光临 目录 第一篇生物质原料处理设备第二篇生物反应设备第三篇产物分离设备第四篇发酵工厂设计 第一篇生物质原料处理设备 第一章绪论第二章生物质原料预处理设备第三章生物细胞培养基制备设备第四章物料输送设备第五章空气供给工程设备 第六章生物反应器设计基础第七章生物反应器第八章生物反应器的放大与控制 第二篇生物反应设备 第三篇产物分离设备 第九章细胞破碎与料液分离设备第十章萃取设备第十一章离子交换 吸附与层析分离设备第十二章蒸发与结晶设备第十三章干燥设备 第四篇发酵工厂设计 第十四章厂址选择与工厂总平面设计第十五章工艺流程设计第十六章设备的设计与选型第十七章车间布置设计第十八章管道设计与布置第十九章公用工程第二十章清洁生产与末端治理 绪论 1 生物技术的发展过程2 生物过程工程学基本概念3 生物工程设备的基本概念4 生物过程工程概述5 发酵工厂设计概述 1生物技术的发展过程 1 1现代生物技术的产生1 2现代生物技术的前景和发展 KarlEreky 1917 用甜菜 原材料 大规模饲养猪 生物 生物技术 Biotechnology 是应用自然科学及工程学的原理 依靠生物作用剂 biologicalagent 的作用将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术 生物作用剂 酶 生物细胞或生物体 1 1现代生物技术的产生 生物工程与生物技术异同 国外 生物工程不涉及化学催化反应过程 仅生物过程与物理过程的结合 生物技术指生物催化反应过程 国内 前者为广义概念 为技术系统 后者为狭义的概念 指工艺操作方法与技能 生物技术三大特点 1 多学科性和综合性 2 依靠生物为生物催化剂 自催化 3 体现了生物反应过程 生物学 化学工程 工程学 化学 生物工程 生物化学 生物技术 新兴 前沿学科往往在学科交叉中产生 21世纪部分诺贝尔奖2012年 成熟细胞制备干细胞2010年 试管婴儿2009年 端粒和端粒酶2008年 绿色荧光蛋白2007年 干细胞研究2006年 RNA干扰机制 底物 生物反应器 检测控制仪表 培养基 灭菌 经加工原料 酶 细胞 生物催化剂 游离或固定化 机械能 除菌 空气 产品提取纯化 副产品产品废物 热能 原材料 营养物 典型工业生物技术过程 核心技术 工业生物技术 生物技术的第三次浪潮 社会需求 科学 技术 人类基因组学及相关科学 动物基因组学及相关科学 微生物基因组学及相关科学 医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 人口健康 食品 资源能源环境 能源生物技术 生物乙醇 环保生物技术 生物降解 生物材料 聚乳酸 聚谷氨酸 提升传统产业 化学工业 制药工业 发酵工业 工业生物技术的应用范围 国际现状与趋势 发展潜力巨大 OECD对6个发达国家进行分析的结果表明 生物工程技术的应用可以降低工业能耗15一80 原料消耗35一75 空气污染50一90 水污染33一80 生产成本降低9一90 投资额30亿 二氧化碳基生物降解塑料项目落户吉林 相关案例 装备水平促进生物产业进步普遍采用智能化的大型生物反应器 我国柠像酸年产能占世界的70 左右 年产量占世界的65 左右 所用发酵罐 300m3 国外1000m3 1000m3反应器与300m3反应器相比 单位产品电耗减少35 反应器单位体积建造成本降低70 大规模反应器的应用显著降低发酵成本 国际现状与趋势 现代生物技术是随着DNA重组技术发展而提出来的 前者的研究是以后者为有效手段的 现代生物技术是以DNA重组技术为手段 依靠清洁经济的生物反应器 利用可再生资源加工人类所需产品的可持续发展技术 现代生物技术的产生 1 2现代生物技术的前景和发展 21世纪的朝阳产业生物技术的研究是以商业化产品为导向的 生物技术同时也推动着经济的发展 现代生物技术产品可广泛应用于医药卫生 农林牧渔 海洋 轻工食品 化工 能源等领域 可以解决面临的人口 资源和环境等一系列可持续发展问题 现代生物技术最新进展 1 人类基因组序列工作框架图的完成 HGP 2 生物芯片 Biochips DNAchips proteinchips 3 动植物生物反应器 Bioreactor 工业生物技术 能源生物技术 生物乙醇环保生物技术 生物降解生物材料 聚乳酸 聚谷氨酸提升传统产业 化学工业 制药工业 发酵工业 Renewablerawmaterials BiofuelsBiomaterialsChemicals CellFactory Industrialbiotechnology Gatewaytoamoresustainablefuture 工业生物机器 理想的生物炼制厂 一种太阳能利用大型机器 制造成本最低 净化空气与清洁环境 运行成本最低 2生物过程工程学基本概念 生物反应过程是整个生物生产过程的核心 其它过程都是为生物反应过程服务的 2 1工程理念2 2工程学基本概念 2 1工程理念 工程学是研究工业生产过程系统规律性的科学 探索如何有效的用合理的生产设备将原料转变为工业产品的科学 必须有以下四种工程理念 engineeringthought 理论上的正确性 validtheory 技术上的可行性 technicalfeasibility 操作上的安全性 safetyoperation 经济上的合理性 economicalrationality 工程学的观点 目的产物中心观点能量最小的观点细胞经济与生产经济矛盾的观点细胞代谢调控机制使其代谢反应有序进行 处于平衡生长则无代谢物积累 称为细胞经济 通过改变细胞基因型改变代谢途径或改变培养条件控制代谢 过量表达代谢产物对细胞能量利用和细胞组成物质的合成都是不经济的 这种细胞叫做 病态 细胞 衡算概念质量衡算 热量衡算和动量衡算速率概念速率问题是理论上的正确性合技术上的可行性的一个重要的衡量标志和判断标准 过程速率 过程的推动力 过程的阻力 2 2工程学基本概念 最优化概念最优化方法所研究的中心问题是如何根据系统的特性去选择满足控制规律的参数 使得系统按照要求运转或工作 同时使系统的性能或指标达到最优化 以动力学为基础的最佳工艺控制点的静态操作方法向以细胞代谢流的分析与控制为核心的生物反应最优化 技术经济概念不管是在小试 中试还是示范工程建设中都必须始终贯穿着技术经济概念 这样才能保证所开发的生物技术方案的科学性和合理性 上游生物技术工程化的概念随着基因重组技术 蛋白质修饰技术 细胞融合技术和固定化技术的逐步成熟 其上游生物技术已进入工程化阶段 细胞代谢和培养工艺过程一体化的概念 转入GFP基因的动物细胞 3 1生物技术工艺与设备3 2生物工程设备 3生物工程设备的基本概念 3 1生物技术工艺与设备 生物技术工艺包含了一系列的生物反应过程 化学反应过程和物理操作过程 需在相应设备中进行 其核心为生物反应过程 生物工程设备的发展可以促进生物技术产品的开发和生产 生物工程设备技术在现代生物技术产业中具有十分重要的地位 3 2生物工程设备 生物工程设备的特点生物工程设备的发展历程生物工程设备的工作领域生物工程过程与设备 生物工程设备的特点 1 对于所有微生物或动植物细胞来讲 提供必要和足够的营养和能量 才能维持其生命代谢活动 2 培养基原料的预处理不仅影响细胞代谢生长 而且对于培养基原料成本大小和是否造成环境污染等具有决定性影响 3 如何合理的设计种子培养系统 以及各级种子培养时间和接种比例 达到种子系统与生产培养过程合理配套 获得最大的得率 4 生物反应过程中的细胞培养一般都是纯种培养过程 5 如何保证足够的氧气供给 又尽可能节省能量 是好氧培养过程的重要组成部分 6 从培养液中得到所需产品的合适 高效 低成本的分离纯化方法 是决定生产成败的关键 生物工程设备的发展历程 生物技术的发展过程是以某一个生物过程工程与设备成熟为标志的 有以下六个发展阶段 1 传统经验制造技术 天然发酵阶段 坛坛罐罐 2 纯种培养技术的成熟 初级代谢产物生产阶段 简单设备 3 通气搅拌技术的成熟 好氧培养阶段 机械通风培养设备 4 代谢控制发酵技术的成熟 气升式生物器等反应器出现及配套设备出现 5 基因重组技术的成熟 现代生物技术阶段 分离提取 动植物细胞培养反应器等出现 自动化控制 6 生物催化工程发展阶段 生物催化的新型设备及设备流程在工业生产中得到应用 生物工程产业范例 青霉素 1928 09 15 弗莱明发现青霉素 效价很低 后来放弃二战中对青霉素需求量极大 弗洛里和钱恩发明工业化生产盘尼西林 采用表面培养 1L锥形瓶 200mL培养液 40U mL 提取纯度20 收率35 1kg需80 000培养瓶 售价几万美元 黄金价格 通气搅拌发酵 5m3发酵罐 200U mL目前 发酵罐体积可达100m3以上 80 000U mL以上 青霉素结构 培养中的青霉菌 二战中青霉素发酵场景 Bioreactorforaerobiccultivationwithimpellerandmechanicalfoamdisruptor ColorfulBioreactor fromgenetoprotein Establishmentofplantcellcultures 动物细胞一次性培养装置 生物工程设备的工作领域 为传统生物技术产业的改造和现代生物技术产业提供高效率的生物反应器 现代分离纯化材料和技术以及相关的工程装备技术 还提供单元化生产设备 工艺过程最优化 在线自动控制 系统集成设计等工程概念与技术 4生物过程工程概述 生物医药技术 Biotechnology todayandtomorrow Gist brocades 1991 规模化白酒液态发酵设备 小型生物反应器 大型生物反应器外观及内部结构 A50literanimalcellculturebioreactorbuiltbyABECInc 天然发酵 典型的生物技术工艺 啤酒酿造流程 聚乳酸规模化生产 生物技术产业化过程与生物过程工程与设备之间的关系 Engineering 生物工程企业车间 5发酵工厂设计概述 是一门以生物工艺学 生物制药学 GMP和工程学及相关科学理论和工程技术为基础 综合性 实践性很强的应用性工程学科 是一门综合性 实践性很强的专业课 是在学生基本学完大学全部课程 扎实地掌握专业相关的基础理论 工程技能以及专业理论 专业知识的基础上开设的 5 1工厂设计 就是运用先进的生产工艺技术 通过工艺主导专业与工程地质勘察和工程测量 土木建筑 供电 给水排水 供热 采暖通风 自控仪表 三废处理 工程概预算以及技术经济等配套专业的协作配合 用图样并辅以文字作出一个完整的工厂建设蓝图 按照国家规定的基本建设程序 有计划按步骤地进行工厂建设 把科学技术转化为生产力的一门综合性学科 完成设计任务需要掌握的知识及技能 具有计算 绘图 表达等基本功和专业理论 专业知识 掌握和熟悉生物工程工厂设计的理论 方法和有关设计规范 5 2生物工程工厂设计的重要性 1 设计工作是把科学技术转化为生产力的一门综合性科学 生物工程产业的生产规模 产品 产量等的发展 需要继续建立工厂 工厂新建 扩建 改建设计工作必不可少 科研中 新工艺 新技术 新设备的开发 均与设计有密切关系 2 设计工作是扩大再生产 更新改造原有企业 增加产品品种 提高产品质量 节约能源和原材料 促进国民经济和社会发展的重要技术经济活动的组成部分 3 工厂设计在工程项目建设的整个过程中 是核心内容 建设项目立项后 设计前期工作是建设的关键 设计决定工厂建立后能否获得最大经济效益 环境效益和社会效益 5 3工厂设计的任务和内容 基本任务 作出体现国家有关方针政策 切合实际 安全适用 技术先进 经济效益好的设计 为建设服务 1 基本任务 2 工厂设计的内容 设计工作 总体设计和局部设计 总体设计 凡是设计范围涉及到整个工业企业的全部内容的设计 称为 例 总平面设计 工艺设计 给排水设计 供电 供汽 土建等设计 另外还包括厂址选择 生产检测与控制仪表 环境保护技术经济概算等内容 例 扩建厂的设计一般属于局部设计 参加建设项目的决策 编制各个阶段设计文件 配合施工和参加验收 进行总结的全过程 5 4工艺设计在总体设计中的重要地位 1 生物工程工厂总体设计范围包括了企业内应该配置的一切单项工程的完整设计 总平面布置 生产车间设计 动力车间设计 厂内外运输设计 自控仪表设计 空气净化设计 采暖通风设计 环境保护工程 福利设施 办公楼设计 技术经济与概算 2 生产工艺设计是总体设计的主导设计 生产工艺专业是主导专业 其他配套专业是根据生产工艺提出的要求来进行设计的 生产工艺设计的范围 负责全厂生产工艺流程设计和各生产车间的设计 并向配套专业人员提供设计依据 提出设计要求 例 工艺专业根据生产用水的要求 对工艺用水 冷却用水 提出水质 水温等要求 供水专业在设计中就要考虑离子交换 电渗析 冷却塔等水处理流程和设备 以满足生产用水的水质 水温等要求 例 在车间布置设计时 工艺专业根据工艺流程 设备配置对厂房 门 办公和生活服务用房的位置提出要求 土建在符合国家有关政策同时 要尽量满足要求 3 生产工艺设计起着主导的决定性作用 工艺生产技术是否先进可靠 安全适用 在经济上是否合理 通过施工投产后 在产品的产量和质量上均达到规定标准 各项经济指标应达到国内同类工厂的先进水平或国际先进水平 在 三废 治理和环境保护方面 都必需符合国家有关规范 4 车间设计是总体设计的组成部分 总体设计或车间设计的组成 工艺设计 车间工艺设计 非工艺设计 土建 采暖通风 供水 供电 供热等 5 5工艺设计的依据 内容和深度 1 以批准可行性研究报告中规定的生产纲领和任务为依据 可行性研究报告 项目工程师或项目总负责人下达的设计工作提纲和总工程师作出的技术决定 如采用新原料品种 新技术和新设备时 必须在技术上有切实的把握并且依据了正式的试验研究报告和技术鉴定书 经设计院领导核准后方可作为设计依据 2 工艺设