生物工程设备-课件

4生物工程设备生物工程：用生物体或其组成成分在最适条件下产生有益产物及进行有效生产过程的技术。生物工程包括五大工程，即遗传工程(基因工程)、细胞工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应器工程。在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表达超远缘性状的新物种——“工程菌”或“工程细胞株”。后三者的作用则是为这一有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条件，进行大规模的培养，以充分发挥其内在潜力，为人们提供巨大的经济效益和社会效益。1ppt课件4生物工程设备生物工程技术发展的三个阶段：传统生物技术——酿造技术；苏美尔人和巴比伦人在公元前

6000年就已开始啤酒发酵；说文解字：古者仪狄作酒醪，禹尝之而美，遂疏仪狄。杜康作秫酒。列文∙虎克发现细胞，罗伯特∙胡克发明”cell”，德国的植物学家施莱登和动物学家施旺证明了细胞是动植物的基本单位；1897年德国的毕希纳发现被磨碎后的酵母细胞仍可进行酒精的发醉，并认为这是酶的作用，并于1907年因此发现而获得诺贝尔化学奖；德国的科赫首先用染色法观察了细菌的形态，并发现了结核菌，并因此获1905年的诺贝尔生理学及医学奖。2ppt课件4生物工程设备近代生物技术——生物发酵技术细菌和酵母等微生物在无氧条件下，酶促降解糖分子产生能量的过程。1928年英国的弗莱明发现青霉素，近代生物工程的起始标志是青霉素的工业开发获得成功；1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩因发明和开发了青霉素被授予诺贝尔医学奖；美国的生化学家萨姆纳说明酶是一类蛋白质，在1946年和他的同事共获诺贝尔化学奖；我国微生物学家尹光琳等在20世纪70年代完成维生素C微生物二步转化的方法。3ppt课件4生物工程设备现代生物技术——基因工程技术，按人们意愿设计，通过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。1865年奥地利人孟德尔提出了经典的遗传学说；1911年，美国科学家Morgan和他的助手们第一次将代表某一特定性状的基团同某一特定的染色体联系了起来，创立了遗传的染色体理论；1953年沃森和克里克提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元，1962年，沃森、克里克和威尔金斯获得了诺贝尔医学和生理学奖。4ppt课件4生物工程设备生物工程主要操作对象工程目的与其它工程的关系基因工程基因及动物细胞、植物细胞、微生物改造物种通过细胞工程、发酵工程使目的基因得以表达细胞工程动物细胞、植物细胞、微生物细胞改造物种可以为发酵工程提供菌种、使基因工程得以实现发酵工程微生物获得菌体及各种代谢产物为酶工程提供酶的来源酶工程微生物获得酶制剂或固定化酶为其它生物工程提供酶制剂5ppt课件4生物工程设备生物反应工程技术细胞大规模培养技术：微生物、动物细胞、藻类酶反应技术：生物催化剂、酶反应工程分离技术小分子化合物大分子活性化合物需要装备技术来实现先进的装备技术过程原理研究不同领域的先进技术设备原理、设计理念、部件与制造技术6ppt课件4生物工程设备生物工程设备特点：设备操作条件为常温、常压或低压：发酵温度一般为28~50℃；灭菌温度128℃，30min；压力一般常压~0.3MPa无菌操作，设备应考虑消除死角，保证不被杂菌污染设备结构满足工艺要求：通风、pH调节、温度控制、补料等接口材料耐腐蚀性：不锈钢或内衬不锈钢、涂料、橡胶7ppt课件4生物工程设备基本要求：在满足生产工艺、产品质量要求的前提下，尽可能节省投资，降低生产成本。强度和刚度要求；加工费、运转费；生产能力越大，投资越省，罐容增大10倍，投资只增加4~5倍；设备利用率越高，成本越低，尽可能提高利用率(反应器的时空收率)。8ppt课件4生物工程设备公用工程传热分离反应9ppt课件4.1生物反应器生物反应器——大规模培养微生物、动物细胞、植物细胞，获得其代谢产物或生物体的设备。生物反应器要满足和调控微生物、动物细胞、植物细胞的最适宜生长和合成的环境，是工业化大规模细胞培养过程唯一一个把原料转化为产物的设备。一个优良的生物反应器应具有良好的传质、传热和混合的性能；结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护方便；有可靠的检测和控制仪表；搅拌及通气所消耗的动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。10ppt课件4.1.1微生物反应器发酵罐——进行大规模悬浮培养微生物的反应器。工业微生物发酵多为好氧发酵，因此发酵罐多采用通气和搅拌方式来增加氧在培养液中的溶解。发酵罐的类型：机械搅拌型、外部液体循环式、气升式11ppt课件4.1.1微生物反应器12ppt课件4.1.1微生物反应器(1)通用式发酵罐——兼有机械搅拌和压缩空气分布装置的发酵罐，目前最大的通用式发酵罐容积为480m3。13ppt课件4.1.1微生物反应器①通用式发酵罐的几何尺寸：种子罐：H/D=1.7~2.0发酵罐：H/D=2.0~2.5高径比要保证传质效果好、空气利用率高，保证综合经济指标合理和使用方便。影响因素：发酵菌种、发酵工艺条件、厂房的土建等。14ppt课件4.1.1微生物反应器发酵罐的装料容积：筒身体积+底封头体积实际生产中，罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升和发泡，因此罐中实际装料量V不能过大，一般填料系数：15ppt课件4.1.1微生物反应器②发酵罐结构：罐体、搅拌装置、消泡器、轴封、传动装置、传热装置、挡板、人孔、视镜、通气装置、进出料管、取样管等。16ppt课件4.1.1微生物反应器罐体：直径<1m封头用法兰与筒身连接，罐顶设有清洗用手口。直径>1m，封头焊在筒身上，罐顶开人口。筒体要求双面焊接，焊接面要光滑无沙眼、无死角。17ppt课件4.1.1微生物反应器搅拌装置：产生强大的总体流动，将流体均匀分布于容器各处，以达到宏观均匀；产生强烈的湍动，使气体、液体、固体微团尺寸减小。两种作用将有利于混合、传热和传质，特别对氧的溶解具有重要意义。18ppt课件4.1.1微生物反应器气液混合过程：气体分散——剪切

气泡分散——循环

传质——剪切

混合——循环

传热——循环19ppt课件4.1.1微生物反应器涡流式搅拌器：液体在搅拌器内做径向和切向运动——径向流流量小、压头高。Rushton涡流半圆管圆盘涡流CD-6弧叶圆盘涡流BT-620ppt课件4.1.1微生物反应器径向流涡流搅拌器能产生很大的剪切力，有利于气泡的破碎，但不利于微生物的生长。通用式微生物反应器的搅拌为了更好的溶解氧，气体分散是属于小尺度的混合，因此广泛采用涡流式搅拌器。为了避免气体沿轴上升，在搅拌器中央设有圆盘。搅拌器按叶片形式可分为平叶式、弯叶式、箭叶式、斜叶式和半圆管式，叶片数量一般为6个。桨叶背面形成较为稳定的气穴，气穴在尾部破裂，形成富含小气泡的分散区，随液体的流动分散至罐内。21ppt课件4.1.1微生物反应器六平叶涡流六弯叶涡流六箭叶涡流RushtonD-6圆弧叶叶片涡流半圆叶圆盘涡流ChemineeBT-6

ChemineeCD-622ppt课件4.1.1微生物反应器气泛载气完全分散23ppt课件4.1.1微生物反应器旋桨式搅拌器：液体做轴向和切向运动——轴向流循环量大、压头低四宽叶螺旋式叶轮机翼螺旋式叶轮四斜叶开启涡流24ppt课件4.1.1微生物反应器旋桨式搅拌器循环量大，尤其适用于要求容器上下均匀的场合。四宽叶螺旋叶轮机翼螺旋叶轮四斜叶开启涡轮扇形圆弧叶轮推进式叶轮25ppt课件4.1.1微生物反应器在相同搅拌功率下不同搅拌器破碎气泡的能力和翻动液体的能力不同。由于发酵罐的H/D值较大，为了使发酵液充分被搅动，可在同一搅拌轴上配置多个不同搅拌器。考虑因素：罐内装料高度、发酵液特性、搅拌器直径等。对于抗生素生产发酵罐，一般在搅拌轴上层采用轴流式搅拌器以强化混合效果，下层采用径流式搅拌器以利于粉碎气泡强化氧的传递。26ppt课件4.1.1微生物反应器大型发酵罐搅拌装置27ppt课件4.1.1微生物反应器搅拌功率与混合效果：为了达到宏观上的均匀，必须有足够大的总体流动，即翻动量要大；为了达到小尺度上的均匀，必须提高总体流动的湍动程度，即压头要足够大。搅拌器施加于液体内的剪切力，相当于单位体积液体中的动压头H(v2/2)与液体密度ρ的乘积。搅拌器对液态的翻动量Q28ppt课件4.1.1微生物反应器轴封装置：搅拌轴一般从罐顶深入罐内，但对容积大于100m3的大型发酵罐，采用下伸轴以降低发酵罐重心，缩短轴的长度，降低传动噪声。同时顶部空间可以安装高效的机械消沫器及其他自控部件。采用下伸轴时要求双端面轴封，轴封要设计可用蒸汽灭菌，用无菌空气保压防漏及冷却。而上伸轴可采用单端面轴封。29ppt课件双端面机械密封*机械密封(端面密封)：由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。30ppt课件4.1.1微生物反应器挡板：作用——改变被搅拌液体的流动方向，使之产生纵向运动，从而消除液面中央部分的下凹漩涡。全挡板条件——罐内加了挡板使漩涡基本消失，或者说是指消除液面漩涡的最低挡板数全挡板条件下的挡板数和挡板宽度W-挡板宽度；D-罐径；mb-挡板数一般发酵罐中安装4块挡板，W=1/8~1/12D31ppt课件4.1.1微生物反应器进气装置：在最下层搅拌桨的正下方，开口向下，距罐底40~50mm32ppt课件4.1.1微生物反应器传热装置：夹套(<5m3)、内蛇管、外盘管发酵热因品种、发酵时间不同而异，不能通过简单的计算求得，要靠实验测定。33ppt课件4.1.1微生物反应器机械消泡装置：发酵液中含有大量的蛋白质等易发泡物质，在强烈的通气和搅拌条件下会产生大量的泡沫，将导致发酵液外溢和增加染菌机会，进而导致装料系数降低。减少发酵液泡沫比较有效的方法是加入消沫剂，也可采用机械装置来破碎泡沫。天然油脂是最早采用的化学消泡剂，但是其消泡能力弱，作用时间短。目前，分子量>2000的聚醚、聚二甲基硅烷广泛用于各种抗生素发酵的泡沫抑制中。34ppt课件4.1.1微生物反应器耙式消泡桨：装于搅拌轴上，齿面略高于液面，桨直径约为罐径的0.8~0.9。转速低，效果比较差。半封闭涡轮消沫器：常用于顶部空间比较大的下伸轴发酵罐，在高速旋转下泡沫可以直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到壁面而破碎，消沫效果好。35ppt课件4.1.1微生物反应器③离心消沫器：利用离心力将泡沫粉碎蛇形栅消泡桨：泡沫上升与栅条反复碰撞，搅破液面上的气泡，抑制泡沫增加。目前广泛采用。36ppt课件4.1.1微生物反应器通用机械搅拌反应器的发展趋势：容积：扩大至100~350m3材质：有碳钢改为不锈钢(304，316L)传热：由单一的罐内蛇管传热改为罐内直管和罐壁半圆管相组合减速：将皮带减速改用机械式减速搅拌：从单一径向涡轮式搅拌改为径、轴双向流式搅拌。0Cr18Ni900Cr17Ni14Mo237ppt课件4.1.1微生物反应器38ppt课件4.1.2动物细胞培养反应器随着生物技术的发展，动植物细胞培养已逐渐从实验室培养过渡到工业化规划的生物反应器中。通过动物细胞的大规模培养，可以得到疫苗、诊断试剂、单克隆抗体、酶等贵重药品和生物制品。动物细胞无细胞壁，不能承受剪切力；对培养基的营养要求十分苛刻，对环境十分敏感；生长缓慢，一般只有在高细胞密度条件下才能得到一定浓度的产物。39ppt课件4.1.2动物细胞培养反应器分类：按动物细胞培养时的特性——象微生物一样悬浮培养，为非贴壁依赖型，包括血液、淋巴组织细胞、肿瘤细胞只能在固体或半固体表面生长，形成单层细胞，为贴壁依赖型，多数哺乳动物细胞属于这一类。按设备结构——螺旋膜反应器、流化床反应器、中空纤维及其他膜反应器、搅拌式反应器、空气提升式反应器等。搅拌式反应器——桨式搅拌器、棒状搅拌器、船帆形搅拌器、往复震动锥孔筛板搅拌器、笼式通气搅拌器等40ppt课件4.1.2动物细胞培养反应器动物细胞悬浮培养生物反应器带帆形搅拌器的连续灌注系统培养反应器实验室规模反应器，4~40L，搅拌桨是用尼龙丝编织带制成帆形，搅拌轴用磁力驱动旋转，转速为20~50r/min，氧气通过插入溶液中的硅胶管扩散到培养液内，以维持培养液内一定的溶解氧水平。采用新鲜培养液连续加流，流出培养液通过旋转过滤器分离细胞后排出。用于培养鼠类肿瘤细胞，每升培养液得到1.7×1012个细胞。41ppt课件4.1.2动物细胞培养反应器中试和工业规模的动物细胞悬浮培养反应器：目前已有10m3规模的动物细胞培养反应器用来培养杂交瘤细胞，生产单克隆抗体。关键是改进搅拌桨和通气装置，减小剪切力。用螺旋桨取代涡轮式搅拌器，用扩散渗透通气装置代替鼓泡空气分散器。42ppt课件4.1.2动物细胞培养反应器空气提升式(气升式)生物反应器，最初被用于生产单细胞蛋白，后来用于培养动植物细胞，特别适用于生产次级代谢产物的分泌型细胞。优点：结构简单，避免使用轴承而造成微生物培养的污染；传质性能好，尤其是氧的传递效率高；产生的湍动温和，剪切力小，循环量大，使细胞营养成分均布于培养基中。43ppt课件4.1.2动物细胞培养反应器气升式发酵罐(外循环)气升式发酵罐(内循环)常州市三高生物技术工程设备有限公司44ppt课件4.1.2动物细胞培养反应器动物细胞贴壁培养反应器大部分动物细胞必须附着在固体或半固体表面才能生长，细胞在载体表面上生长并扩展成一个单层，又称单层培养。传统方法：滚瓶用4~30L大小的成千上万个滚瓶进行动物细胞培养，来生产疫苗。比表面积小，0.35手工操作45ppt课件4.1.2动物细胞培养反应器中孔纤维培养器：由成束的中孔纤维管组成，每根中孔纤维管的内径为200μm，壁厚为50~75μm，管壁是半透性的多孔膜，O2与CO2可以自由地透过膜双向扩散，而大分子有机物不能透过。动物细胞帖附在中空纤维管外壁生长，可以方便地获取营