生物工程设备概论

1、生物工程设备生物工程设备Bioengineering equipment 李玉芹李玉芹 (Yuqin Li, Ph D) 湘潭大学湘潭大学 化工学院化工学院 (College of Chemical Engineering) Tel:E-mail: 教材教材 到课到课 考试考试绪 论 一、现代生物技术产生的背景一、现代生物技术产生的背景 生物技术三个发展阶段：生物技术三个发展阶段： 传统生物技术传统生物技术-酿造技术（酒、醛、酱）第一次世界大战酿造技术（酒、醛、酱）第一次世界大战前。前。 绪 论 一、现代生物技术产生的背景一、现代生物技术产生的背景 生物技术三个发展阶

2、段：生物技术三个发展阶段： 近代生物技术近代生物技术-微生物发酵技术微生物发酵技术 (醋、柠檬酸、青霉素等醋、柠檬酸、青霉素等)一战后至一战后至20世纪七十年代。世纪七十年代。 绪 论 一、现代生物技术产生的背景一、现代生物技术产生的背景 生物技术三个发展阶段：生物技术三个发展阶段： 现代生物技术现代生物技术-DNA重组及转基因、细胞和原生质体融合、重组及转基因、细胞和原生质体融合、酶和细胞固定化、动植物细胞培养、动物胚胎工程、现代酶和细胞固定化、动植物细胞培养、动物胚胎工程、现代微生物发酵、现代生物反应和分离工程、蛋白质工程等微生物发酵、现代生物反应和分离工程、蛋白质工程等绪 论 一、现代生

3、物技术产生的背景一、现代生物技术产生的背景 生物技术三个发展阶段：生物技术三个发展阶段： （新物种、转基因动植物、克隆动物、新型酶制剂、新型发（新物种、转基因动植物、克隆动物、新型酶制剂、新型发酵产品、新型反应器、基因工程药物等）酵产品、新型反应器、基因工程药物等）20世纪七十年代世纪七十年代后。后。多利和它的孩子多利和它的孩子 绪 论 一、现代生物技术产生的背景一、现代生物技术产生的背景 生物技术生物技术成为成为21世纪科技发展的带头学科，是世界高新技世纪科技发展的带头学科，是世界高新技术的制高点。术的制高点。 人口、食物、资源、环保、能源是人口、食物、资源、环保、能源是21世纪困扰人类的大

4、问世纪困扰人类的大问题。题。 解决上述难题的根本出路在于解决上述难题的根本出路在于生物技术生物技术。 生物科学带动行为科学、生态学发展，生物科学与信息论、生物科学带动行为科学、生态学发展，生物科学与信息论、控制论、系统论、核技术结合，推动社会进步。控制论、系统论、核技术结合，推动社会进步。 生物技术生物技术是是21世纪对我国经济产生巨大贡献的产业，世纪对我国经济产生巨大贡献的产业，20世世纪是研究为主，产业处于初级阶段，纪是研究为主，产业处于初级阶段， 21世纪进入大规模产世纪进入大规模产业化阶段。业化阶段。绪 论一、现代生物技术产生的背景一、现代生物技术产生的背景 主要体现在三大领域：主要体

5、现在三大领域：生物农业生物农业、生物制药生物制药、生物工业生物工业。 21世纪预期几大突破：世纪预期几大突破：人的寿命将延长，对长寿基因和老年生态学的研究人的寿命将延长，对长寿基因和老年生态学的研究.农业工厂化初具规模，如高产、改性、抗性、功能品种等农业工厂化初具规模，如高产、改性、抗性、功能品种等.医药卫生领域取得巨大突破，基因工程药物和基因工程治疗，医药卫生领域取得巨大突破，基因工程药物和基因工程治疗，DNA药物和药物和DNA疫苗大量面世。疫苗大量面世。绿色能源初具规模，如光合细菌生产氢能源，液体黄金之称绿色能源初具规模，如光合细菌生产氢能源，液体黄金之称的乙醇。的乙醇。绪 论二、生物工程

6、设备重要性二、生物工程设备重要性 实验室实验室 产业化产业化 涉及工程技术问题：涉及工程技术问题： 生物质原料处理生物质原料处理 生物反应过程的设计生物反应过程的设计 生物产物的分离纯化等生物产物的分离纯化等第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备概念：概念： 培养基培养基是供特定的微生物、动物细胞是供特定的微生物、动物细胞 、植物细胞、植物细胞 、细、细胞组织胞组织 、微藻生物等进行生长、繁殖、微藻生物等进行生长、繁殖 、代谢和合成产、代谢和合成产物需要的，按一定组成比例配制而成的营养物质。物需要的，按一定组成比例配制而成的营养物质。 第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备主要用于增菌主要用于增菌

7、用于检测动力及保存菌种用于检测动力及保存菌种用于分离鉴定细菌用于分离鉴定细菌第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备双糖铁培养基双糖铁培养基SSSS培养基培养基普通琼脂培养基普通琼脂培养基血液琼脂培养基血液琼脂培养基 庖肉培养基庖肉培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备1.微生物培养基微生物培养基培养基的制备程序：培养基的制备程序：调配调配 过滤过滤 矫正矫正pH（7.0-7.6） 分装过滤分装过滤 灭菌（灭菌（121.3，20-30分钟）分钟） 鉴定是否有菌鉴定是否有菌 放入冰箱冷藏备用放入冰箱冷藏备用因高压之后因高压之后pH值会下降值会下降0.1左右，

8、所以矫正左右，所以矫正pH时应比所需的时应比所需的pH高高鉴定是否有菌可将培养基置于鉴定是否有菌可将培养基置于37 培养培养24小时，然后观察。小时，然后观察。第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备2. 动物培养基动物培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备2. 动物培养基动物培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备2. 动物培养基制

9、备动物培养基制备第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备2. 动物培养基制备动物培养基制备第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备2. 动物培养基动物培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备2. 动物培养基制备动物培养基制备第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备3. 植物培养基植物培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备3. 植物培养基植物培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基

10、的制备3. 植物培养基植物培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备3. 植物培养基植物培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备3. 植物培养基植物培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备4. 微藻培养基微藻培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备4. 微藻培养基微藻培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第一节第一节 培养基的制备培养基的制备4. 微藻培养基微藻培养基第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第二节第二节 培养基的灭菌方法及

11、设备培养基的灭菌方法及设备灭菌灭菌方法方法 所有的生物细胞都要不断地同外界进行所有的生物细胞都要不断地同外界进行物质和能量交换，都要进行新陈代谢，物质和能量交换，都要进行新陈代谢，才能表现出生命活动，这时，就需要营才能表现出生命活动，这时，就需要营养物质。生物技术产业中大多数都利用养物质。生物技术产业中大多数都利用纯种培养技术，这就要求对培养基中已纯种培养技术，这就要求对培养基中已有的杂菌进行去除或杀灭。有的杂菌进行去除或杀灭。第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第二节第二节 培养基的灭菌方法及设备培养基的灭菌方法及设备一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素 营养成分

12、的减少将影响菌种的培养和产物的生成，所以灭菌程度营养成分的减少将影响菌种的培养和产物的生成，所以灭菌程度和营养成分的破坏成为灭菌工作中的主要矛盾，恰当掌握加热温度和营养成分的破坏成为灭菌工作中的主要矛盾，恰当掌握加热温度和受热时间是灭菌工作的关键。和受热时间是灭菌工作的关键。第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第二节第二节 培养基的灭菌方法及设备培养基的灭菌方法及设备一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素（1）灭菌动力学）灭菌动力学微生物受热而破坏是指其生活能力微生物受热而破坏是指其生活能力丧失，微生物受热死亡原因是细胞丧失，微生物受热死亡原因是细胞内的反应。内的反应

13、。（2）温度对死亡速率的影响）温度对死亡速率的影响图2-1 大肠杆菌在不同温度下的死亡曲线t(min)-5-4-3-2-1101010101054566058 8 6 410204.03.02.00.10.20.40.60.81.02.642.622.602.582.562.54斜率= -E/R 微生物死亡与温度的关系微生物死亡与温度的关系第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第二节第二节 培养基的灭菌方法及设备培养基的灭菌方法及设备一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素连续灭菌流程连续灭菌流程及设备及设备 时间(min)温度图2-3 培养基连续灭菌过程中温度的变化20

14、s20s2-3min14427培养基灭菌应尽量采用高温短时间的培养基灭菌应尽量采用高温短时间的连续灭菌。培养基经连续加热、维持连续灭菌。培养基经连续加热、维持和冷却后进入发酵罐。培养基的连续和冷却后进入发酵罐。培养基的连续灭菌，就是将配好的培养基在向发酵灭菌，就是将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行灭菌。保温和冷却而进行灭菌。 第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第二节第二节 培养基的灭菌方法及设备培养基的灭菌方法及设备一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素连续灭菌流程及连续灭菌流程及设备设备 (一一)

15、连消塔连消塔-喷淋冷却流程喷淋冷却流程1连消塔又称加热器，连消塔又称加热器，是培养基于蒸汽混合加是培养基于蒸汽混合加热至灭菌温度的设备。热至灭菌温度的设备。生产中一般用生产中一般用0.50.8Mpa的活蒸汽与的活蒸汽与预热后的料液直接接触预热后的料液直接接触而加热。而加热。 图 2-4 连 续 灭 菌 设 备 流 程 示 意 图1-配 料 罐 （ 拌 料 罐 ） 2-蒸 汽 入 口 3-连 消 塔 4-维 持 罐 5-培 养 基 出 口 6-喷 淋 冷 却 7-冷 却 水1234567第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第二节第二节 培养基的灭菌方法及设备培养基的灭菌方法及设备一、湿热灭菌原理

16、和影响灭菌的因素一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素连续灭菌流程及连续灭菌流程及设备设备 (二二)喷射加热喷射加热-真空冷却流程真空冷却流程图2-5 加热-真空冷却连续灭菌流程生培养液蒸汽喷射加热器维持管膨胀阀急聚蒸发室灭菌好的培养液真空 第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第二节第二节 培养基的灭菌方法及设备培养基的灭菌方法及设备一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素连续灭菌流程及连续灭菌流程及设备设备 (三三) 板式换热器灭菌流程板式换热器灭菌流程图2-6 薄板换热器连续灭菌流程维持段蒸汽加热段热回收段水冷却段生培养液冷却水灭菌好的培养液第一章 培养基制备与培养基灭菌的设备第二节第二节 培养基的灭菌方法及设备培养基的灭菌方法及设备一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素分批灭菌过程与设备分批灭菌过程与设备 培养基的分批灭菌就是将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽培养基的分