生物工程设备.ppt

1、本资料由药智网收集整理,生物工程设备,主讲人：甘旭华,安徽农业大学 微生物学教研室,本资料由药智网收集整理,主要参考书,高孔荣发酵设备北京：中国轻工出版社，1991 李艳发酵工业概论北京：中国轻工业出版社,1999 俞俊堂，唐孝宣生物工艺学上海：华东化工学院出版社，1992 章克昌酒精与蒸馏酒工艺学 北京：中国轻工业出版社，1995 顾国贤酿造酒工艺学(第二版)北京：中国轻工业出版社，1996 姚玉英等化工原理北京：科学技术出版社，1992 姚汝华微生物工程工艺原理广州：华南理工大学出版社,1996,本资料由药智网收集整理,Chpter 0 绪论,生物技术是当今最活跃、发展最迅速的、最重要的科

2、学技术之一，在工农业生产、医药工业及环境保护等国民经济领域有着举足轻重的作用。生物技术的基因工程为先导，结合发酵工程、酶工程和生化工程技术，构成了现代生物技术。生物工程设备则是生物工程技术和化学工程与设备交叉的结合体。,本资料由药智网收集整理,本课程将按各种设备的共性，密切结合发酵生产的特征，重点阐述设备的结构、原理、特点、设计计算、选型及保养。包括整个发酵生产过程中所需要用到的物料的处理和输送设备，培养基的制备设备，无菌空气系统、过滤、结晶、干燥、蒸馏及冷却设备。,本资料由药智网收集整理,原料,灭菌 无菌空气（空压机）、动力、蒸汽（锅炉）,发酵（反应） 菌种接种,提取（下游技术）,产品（包装

3、） 市场,粉碎（也有产品的粉碎） 配料、选料 输送,沉淀分离（过滤、离心、超滤、 反渗透）等 干燥、蒸馏,本资料由药智网收集整理,Chapter 1. 生物反应器设计基础,生物反应器的设计必须以生物体为中心，设计者除了要考虑反应器的传热、传质等性能以外，更需要了解生物体的生长特性和要求。 温度、溶氧、PH等。,生物反应的目的： 1） 生产细胞 2） 收集细胞的代谢产物 3） 直接用酶催化得到所需产物,本资料由药智网收集整理,根据细胞或组织生长代谢要求和生物反应的目的，生物反应器可分为：,1） 厌气生物反应器： 酒精生物反应器、啤酒生物反应器、 沼气生物反应器（池） 2） 通气生物反应器： 搅拌

4、式、气升式、自吸式等 3） 光照生物反应器： 4） 膜生物反应器：,本资料由药智网收集整理,第一节. 生物反应器的化学计量,质量守恒定律 能量守恒定律,本资料由药智网收集整理,但生物反应与一般化学反应有着显著区别：,2.活细胞有一定的营养要求，使得参与反应的成分很多；,1.生物反应中存在活细胞，在反应中克将它看作催化剂；,3.生物反应途径通常不是单一的，反应过程往往伴随着生成代谢产物的反应，它受到众多环境因素的影响。,本资料由药智网收集整理,相对机质的得率取决于比生长速率。他是变性蛋白的变换、保持最佳胞内pH、抗衡通过细胞膜的泄漏的主动运输、无用循环及运动所需要的能量。这相当于一个维持的过程，

5、即它是保持细胞一个有序状态、补偿系统中熵的产生、避免造成细胞死亡的平衡状态中花费的能量。,大量的证据表明：,本资料由药智网收集整理,维持的定义：,生物量对机质的得率 得率最大值 维持系数 比生长速率,本资料由药智网收集整理,合成单位生物量的基质消耗速率,上述线性方程显示基质的消耗用于了两个独立的反应， 表明相同的化学计量关系不可能在整个生长过程中都有效。,本资料由药智网收集整理,第二节. 生物反应器的生物学基础,为了完成生物反应器的设计和优化，必须首先确定生物量、基质及产物浓度的变化速率、细胞生长、细胞数分布、产物合成、基质消耗等数据对运行情况的预报、控制及系统优化等。 必须了解环境参数（如：

6、pH、温度、化学成分等）如何影响系统的动力学。 当获得这些参数之后，就可以建立各种生物模型，从而知道生物反应器的设计。,本资料由药智网收集整理,一、细胞数动力学,本资料由药智网收集整理,在特定基质中，细胞数以最大比生长速率增长，生物量（细胞数）可用倍增时间td来表示 。,比生长速率 细胞数（生物量） 生长时间,1. 指数生长期,本资料由药智网收集整理,2. 由于基质耗尽出现减数生长期,Monod方程：,特定基质下 最大比生长速率 饱和常数 当S Ks时，u=umax,本资料由药智网收集整理,3. 当有毒性代谢物积累时,半经验逻辑方程：,反应速率 常数 生物量浓度,本资料由药智网收集整理,二、生

7、长动力学,1. Monod方程： 在考虑到机质从液体流向细胞表面的限制因素、细胞形体改变、基质浓度变化、细胞壁上基质浓度与液体中基质浓度的差异等因素后，得到公式：,本资料由药智网收集整理,2. 其他生长动力学曲线,Monod方程只是描述在生长慢、细胞浓度低情况下的机制限制生长。而在高细胞数水平下，有毒代谢产物变得更重要。,Tessier方程： Moser方程： Contois方程：,本资料由药智网收集整理,3. 多基质时的生长动力学曲线,可限制生长的营养物,本资料由药智网收集整理,三、产物形成动力学方程,细胞代谢产物包括能量代谢产物、次级代谢产物等等，按生产需求而取之。这些细胞产物合成动力学可

8、简单分成两类： 生长偶联性产物合成 非生长偶联性产物合成,本资料由药智网收集整理,=,产物形成比率 产物浓度, P,本资料由药智网收集整理,=,本资料由药智网收集整理,=+,本资料由药智网收集整理,非常高的基质浓度可以抑制细胞生长和产物合成，如以葡萄糖作为碳源，则发酵开始时的浓度不大于150g/L，如果大于350g/L则使大部分微生物不生长，这是由于高渗压下细胞脱水所致。这种现象称为基质抑制。,四、高浓度基质及产物的抑制动力学,本资料由药智网收集整理,代谢最终产物在高浓度下产生抑制是极为普遍的。这些抑制影响生长率，有影响代谢的比率。,本资料由药智网收集整理,五、环境因素对生长及代谢的影响,微生

9、物生长及产物形成动力学受到环境条件（如温度、pH等）的影响。温度是影响细胞特性的关键因素。 中温菌：20 50,本资料由药智网收集整理,37,37 ,本资料由药智网收集整理,本资料由药智网收集整理,质量传递在选择反应器形式（搅拌式、鼓泡式、气升式等）、生物催化剂状态（悬浮或固定化细胞）和操作参数（同期率、搅拌数率、温度）中起决定作用。直接或间接影响生物反应过程中上下各步骤以及系统周期性单元设计的很多方面。 基质在发酵液体积内扩散和代谢物的扩散率必须满足以反应器为整体的化学计量和质量恒算。,第三节. 生物反应器的质量传递,本资料由药智网收集整理,气液质量传递 机械搅拌生物反应器 气体搅拌生物反应器 液体微生物之间的质量传递 微生物活性对吸收率的增强作用 粒子间的质量传递,本资料由药智网收集整理,略,第四节. 生物反应器的热量传递,本资料由药智网收集整理,在大型容器中，通气、搅拌等操作使得剪切流在反应器中