生物工程设备

1、生物工程设备 绪论 生物反应器设计基础 生物反应器 检测控制及放大 物料处理设备 产物分离纯化设备 辅助系统设备生物技术的原理生物技术产业化课程作用与任务生物工程设备 作用 任务 生物工程设备的最佳设计和最适选型，满足现代生物技术产业化的需要；研究开发新型生物工程设备，使生产过程大型化、多样化、连续化和自动化典型的分批发酵工艺流程图菌种提纯琼脂斜面接种摇瓶蒸汽锅炉空气压缩机种子培养种子罐无菌空气空气过滤器通气生物反应主要发酵罐pH调节液蒸汽灭菌连消装置培养基配料罐培养基原料培养基配料去菌体分离及后处理检测控制成品？活体生物反应器转基因牛活体生物反应器转基因牛机械搅拌反应器机械搅拌反应器植物细胞

2、培养器植物细胞培养器Industrial Fermentation Setting课程内容生物工程设备生物工程设备生物反应器设计基础生物反应器设计基础生物反应器生物反应器检测控制及放大检测控制及放大物料处理设备物料处理设备产物分离纯化设备产物分离纯化设备辅助系统设备辅助系统设备目的与要求 掌握生物工程的设备流程、设备结构及工作原理，主要设备的设计计算及选型。 初步具有独立分析和解决试验研究及工业生产上的工程设备问题的能力。 了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。 掌握生物反应器的设计基础。Laboratory process developmentShake Flask Expe

3、riments第一章第一章 生物反应器设计基础生物反应器设计基础生物生物反应器反应器的设计要以的设计要以生物体生物体为中心为中心需要两方面的知识需要两方面的知识化学工程化学工程：反应器的传热，传质的性能，反应器的传热，传质的性能，剪切力，凝聚成颗粒现象，通气剪切力，凝聚成颗粒现象，通气生物工程方程生物工程方程：生物体的生长特性和要求，生物体的生长特性和要求，生物体不同阶段对温度，溶氧生物体不同阶段对温度，溶氧,pH的要求，的要求，无菌要求无菌要求 生物反应器的分类生物反应器的分类按目的按目的分：分： 1。生产。生产细胞细胞 2。细胞的。细胞的代谢产物代谢产物 3。酶催化得到的产物酶催化得到的产

4、物 按按培养类型培养类型分类：分类： 动植物细胞动植物细胞,组织，酶，微生物的培养和发组织，酶，微生物的培养和发酵酵生物反应器设计基础生物反应器设计基础 常用生物反应器：常用生物反应器： 1）厌气生物反应器厌气生物反应器 2）通气生物反应器通气生物反应器，又可分为搅拌式，气，又可分为搅拌式，气升式，自吸式升式，自吸式 3）光照生物反应器光照生物反应器 4）膜生物反应器膜生物反应器：可分为非循环式，内循：可分为非循环式，内循环式，外循环式生物反应器环式，外循环式生物反应器生物反应器设计基础生物反应器设计基础生物反应器设计基础生物反应器设计基础 化学计量基础 生物反应的质量衡算 生物反应过程的得率

5、系数 生物学基础 细胞数动力学 无抑制的细胞生长动力学 有抑制的细胞生长动力学 产物形成动力学 环境因素对生长及代谢的影响 传质 气-液传质 液体-微生物传质 传热 剪切力问题 生化反应的特点：活细胞生化反应的特点：活细胞 多营养成分多营养成分 多途径代谢多途径代谢 催化剂为蛋白质组分的酶催化剂为蛋白质组分的酶 因而质量和能量守恒定律间的关系复杂因而质量和能量守恒定律间的关系复杂生物反应器设计基础生物反应器设计基础 三者关系：三者关系： 化学计量学是反应器设计的关键之一化学计量学是反应器设计的关键之一， 为介质的合理设计提供基本数据为介质的合理设计提供基本数据 质量衡算和化学计量关系可判断过程

6、运质量衡算和化学计量关系可判断过程运行的好坏行的好坏，并获得间接测量的数据，并获得间接测量的数据 最后结合热力学关系，可最后结合热力学关系，可推断出给定系统推断出给定系统的得率的得率生物反应器设计基础生物反应器设计基础营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等）CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组：生物反应的质量衡算 细胞反应的元素衡算：1 . 223 :H221 :O :N 1 :Cpbc rY pYa m d c sY nY

7、b tY qY adYYpbpbpb)2 . 2(32424324tsylmqnppsb产物：基质：细胞：CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程：ppbbsYYb 4ssppsbbaYY41pb1 还原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。 化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢的还原度为: N = 3, H = 1子数的分率。进入胞外产物中有效电分率；进入细胞的有效电子数电子数的分率；基质中传递到氧的有效pb细胞反应

8、过程的得率系数 对基质的细胞得率Yx/sSxx消耗基质的质量生成细胞的质量/sY 对氧的细胞得率Yx/oOxYOX消耗氧的质量生成细胞的质量/ 对基质的产物得率Yp/sSPYSP消耗基质的质量生成代谢产物的质量/ 对碳的细胞得率YCSXSXSXCYSxY/基质含碳量消耗基质的质量细胞含碳量生成细胞量基质的细胞得率基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系与比生长速率的关系)4 . 2(11max/ssxSXmYY)5 . 2(/max/ssxmY6 . 2/max/max/ssxsxmYY比生长速率：生长速度大小的参数。3 . 2ddCXXCtrx维持的定义：式中YXS细胞对基质的得率； max

9、/ sxY最大得率；ms 维持系数； 比生长速率。无产物时，基质的线性方程：式中合成单位细胞的基质消耗速率；单位细胞的产物生产率。有产物时，基质的线性方程： 若知道若知道得率得率，可得，可得所需氨量和氧量，及所所需氨量和氧量，及所产生的产生的CO2和水和水 同样同样进气，排气和氮消耗量进气，排气和氮消耗量的测量有助于的测量有助于确定确定得率得率 其他：其他： 根据基质和产物的还原度列出根据基质和产物的还原度列出电子平衡方程电子平衡方程 根据根据ATP的形成与产率相关的形成与产率相关(生物量直接与生物量直接与生成能量基质产生的生成能量基质产生的ATP相关相关)由此确立一系由此确立一系列关系列关系

10、 细胞内细胞内营养基质的消耗营养基质的消耗一部分用于一部分用于生长生长，一部分用于一部分用于产物形成产物形成，一部分用于，一部分用于维持生维持生命活动命活动 维持能维持能的具体表现是：的具体表现是： 变形蛋白的变换，保持最佳的胞内变形蛋白的变换，保持最佳的胞内pH，抗衡通过细胞膜的主动运输，无用循，抗衡通过细胞膜的主动运输，无用循环及运动所需能量环及运动所需能量第二节生物反应器的生物学基础第二节生物反应器的生物学基础 前言： 生物反应器的设计和优化生物反应器的设计和优化，必须首先确定生生物量物量，基质及产物浓度的变化速率基质及产物浓度的变化速率，细胞生长，细胞生长，细胞数分布，产物合成，基质消

11、耗等数据对运行细胞数分布，产物合成，基质消耗等数据对运行的预报，控制及系统优化的预报，控制及系统优化 了解环境参数（了解环境参数（pH,温度，化学成分等）温度，化学成分等）如何影响系统的动力学一。细胞数动力学一。细胞数动力学 细胞生长动力学模型细胞生长动力学模型 微生物细胞在生长过程中需经历以下微生物细胞在生长过程中需经历以下生长阶段：（没有产物抑制和传递抑制）生长阶段：（没有产物抑制和传递抑制） 停滞期停滞期 对数生长期对数生长期 减速期减速期 平衡期平衡期 衰退期衰退期细胞数动力学细胞生长分为几个阶段：停滞期、对数生长期、减速期、平衡期和死亡期。图2.1 典型的细菌生长曲线8 . 2ddN

12、tN9 . 2)ln(0tCCXX10. 22ln2lnmaxtd7 . 2ddCXtrXx在指数生长期，细胞量生长速度为：细胞数增长速度为：对式2.7在t0t，X0 X积分，得：由式2.9，得倍增时间td： 微生物细胞max值较大，倍增时间约0.55h，而动物细胞max值小得多，动物细胞的倍增时间约15100h，植物细胞倍增时间约2474h。 Monod方程(无抑制的细胞生长动力学)：无抑制的细胞生长动力学11. 2maxSSSCKCMonod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为：(1) 细胞的生长为均衡式生长；(2) 培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生

13、长；(3) 细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。 Monod方程仅适用于细胞生长较慢和细胞密度较低的环境下。 式中为比生长速率;max为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数, 当 max/2时的限制性基质浓度。有抑制的细胞生长动力学 基质抑制动力学XXSSXkKS2XSKSXSI对反竞争性抑制，其抑制机理可假设为：ISSSSXSXKCCKCCC2max总式中饱和常数XSSXsCCCK抑制常数2XSSSXICCCK细胞比生长速率为：xskC总xkCmax,而ISXSXSSXSSXSXSXxKCCCCCKCCCC2总12. 2/2maxISSSSKCCKC对竞争性抑制

14、，细胞比生长速率为：13. 21ImaxSSSSCKCKC对非竞争性抑制，细胞比生长速率为：14. 21)(ImaxKCCKCSSSS类型米氏公式细胞生长动力学无抑制竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制SSSSCKCKCImax1Imax1)(KCCKCSSSSISSSSKCCKC/2maxSSSCKCmaxSmSCKCVmaxSImSCKCKCVImax1Imax1)(KCCKCVISmSIIISmSCKCCKCVmax表2.1 有无抑制的酶促反应动力学和细胞生长动力学比较 产物的抑制动力学15. 2IImaxPSSSCKKCKC16. 2maxPICKSSSeCKC17. 21maxmaxn

15、PPSSSCCCKC几个经验公式：三。产物形成动力学方程三。产物形成动力学方程 产物形成方式：产物形成方式： 1）是能量代谢的结果）是能量代谢的结果，如酵母酒精发酵，如酵母酒精发酵 2）能量代谢间接结果）能量代谢间接结果：柠檬酸合成：柠檬酸合成 3）二次代谢物）二次代谢物：青霉素生产：青霉素生产 4）产物是胞内或胞外蛋白）产物是胞内或胞外蛋白，这属于蛋白合成，这属于蛋白合成领域，可受到诱导和分解代谢抑制调节，如酶的领域，可受到诱导和分解代谢抑制调节，如酶的合成合成产物形成动力学 Gaden根据产物生成速度与细胞生长速度之间的关系，将代谢产物生成动力学分为三种类型： 类型(相关模型)：是指产物的

16、生成与细胞的生长相关的过程，产物是细胞能量代谢的结果。属于此类型的有乙醇、葡萄糖酸、乳酸的生产等。XdtdCdtdCXP/产物形成动力学：CSCXCPt图2.2 Gaden类型图2.2 Gaden模型分类XdtdCP/XXdtdCP/XdtdCP/CSCXCPt类型(部分相关模型)：该类反应产物的生成与基质消耗仅有间接结果，产物是能量代谢的间接结果。属于此类型的有柠檬酸和氨基酸的生成。类型 (非相关模型)：产物的生成与细胞的生长无直接联系，产物是二次代谢物。属于此类型的有抗生素、微生物毒素等代谢产物的生成。CSCXCPtCSCXCPt 存在产物抑制作用存在产物抑制作用，生长速率公式可表示，生长

17、速率公式可表示为： Rx-反应速率 K常数 积分： 对于丝状微生物如霉菌等，在悬浮培对于丝状微生物如霉菌等，在悬浮培养时常形成微生物小球，小球内部生长养时常形成微生物小球，小球内部生长的细胞受到的细胞受到扩散的抑制扩散的抑制 它的生长模型常包括大颗粒（类似包它的生长模型常包括大颗粒（类似包埋或凝胶固定化细胞）中颗粒的同时扩埋或凝胶固定化细胞）中颗粒的同时扩散和营养消耗散和营养消耗 其次其次,丝状细胞还可在潮湿的固体表丝状细胞还可在潮湿的固体表面生长，因而生长过程复杂，包括生长面生长，因而生长过程复杂，包括生长动力学，营养的扩散和有毒的代谢副产动力学，营养的扩散和有毒的代谢副产物物二。生长动力学

18、方程二。生长动力学方程 1。Monod方程 生物生长过程的基质传递速率生物生长过程的基质传递速率： 对于对于球形细胞球形细胞，细胞的，细胞的面积面积/体积比为体积比为（6/dc），单位反应体积的细胞面积），单位反应体积的细胞面积（Ac/V）为：）为： 形成形成球形细胞球形细胞不同，可将不同，可将基质传递速基质传递速率方程改为：率方程改为： 根据根据生物量对基质得率生物量对基质得率的定义，受的定义，受质量质量传递控制的过程速率传递控制的过程速率为：为： 高基质浓度时，高基质浓度时，uhm对反应速率的影响可对反应速率的影响可以忽略以忽略,u=umax，但低浓度时，但低浓度时，uhm可成为可成为速率

19、控制因素速率控制因素 一般情况下存在以下公式：一般情况下存在以下公式： 假设细胞壁上的基质浓度假设细胞壁上的基质浓度SSc，则上，则上式可变为相当于式可变为相当于monod公式：公式： 在基质限制的范围内在基质限制的范围内,uhmumax，此时，此时基质浓度为：基质浓度为： 2。其他生长动力学方程。其他生长动力学方程 Monod方程式只描述生长慢，细胞浓度低时方程式只描述生长慢，细胞浓度低时基质限制生长的生长速率。基质限制生长的生长速率。 高细胞浓度，有毒代谢产物时方程式需做改高细胞浓度，有毒代谢产物时方程式需做改变变 Blackman：简单的将：简单的将Ks加倍加倍，取消，取消monod方程

20、中给出的指数生长和减数生长间的平滑转变：方程中给出的指数生长和减数生长间的平滑转变： Blackman方程： Tessier方程 Moser方程： Contois方程： 它适合于比生长速率随细胞质量增加而减少它适合于比生长速率随细胞质量增加而减少时的高密度培养方程时的高密度培养方程 3。多基质时的生长动力学方程多基质时的生长动力学方程 此时也是其中一种被作为主要的能此时也是其中一种被作为主要的能源或碳源，只有当这种基质被耗尽时，源或碳源，只有当这种基质被耗尽时，另一种基质消耗所需要的酶系统才能发另一种基质消耗所需要的酶系统才能发展起来展起来 采用采用葡萄糖和半乳糖为碳源葡萄糖和半乳糖为碳源建立

21、分批培建立分批培养细胞生长模型时，有：养细胞生长模型时，有： 当营养不作任何改变时，原本存在的基当营养不作任何改变时，原本存在的基质中质中不同的一个不同的一个变成限制因素（如变成限制因素（如C，N，O2），），umax不会发生变化，此时不会发生变化，此时 i-可以限制生长的营养物（可以限制生长的营养物（G代表碳源，代表碳源，N-代表氮源，代表氮源，O-代表氧）代表氧）四，高浓度基质及产物的抑制动四，高浓度基质及产物的抑制动力学力学 高浓度的基质可高浓度的基质可抑制抑制生长和产物合成生长和产物合成 描述此现象的两个非竞争性抑制方程：描述此现象的两个非竞争性抑制方程： 对于竞争性抑制方程与酶动力学

22、方程相对于竞争性抑制方程与酶动力学方程相类似类似 高浓度产物对生长的抑制方程为高浓度产物对生长的抑制方程为： P-产物浓度产物浓度 Kp产物抑制平衡常数产物抑制平衡常数 若产物合成采用依赖于基质浓度的混合若产物合成采用依赖于基质浓度的混合生长偶联模型表达，有生长偶联模型表达，有： 产物抑制可用好几种方法包括：产物抑制可用好几种方法包括： 上式上式n1通常大于通常大于1而而0n2Pmax时，上式和下式已成功用于模时，上式和下式已成功用于模拟柠檬酸的合成：拟柠檬酸的合成： 21max1nnsPPSKSXdtdXdtdP五。环境因素对生长和代谢的影五。环境因素对生长和代谢的影响响 生物反应器中的大部

23、分微生物是中温菌生物反应器中的大部分微生物是中温菌（20TT）或嗜热菌（或嗜热菌（T50 ） 温度向最适温度方向增加时，每增高温度向最适温度方向增加时，每增高10 ，生长速率大约增加一倍，超过最适温度，生长速生长速率大约增加一倍，超过最适温度，生长速率下降，最后出现热死率下降，最后出现热死环境因素对生长及代谢的影响 温度 pH值 在适宜的温度范围内，细胞净增长率方程为：18. 2XkdtdCdX根据Arrhenius方程，有：19. 2/XeAAedtdCRTERTEXdaRTEaAeRTEddeAk所以：图2.3 E.coli生长速率的Arrhenius图 pH也会影响微生物的生长，也会影响

24、微生物的生长，通常发酵通常发酵都是在最适都是在最适pH范围内或附近，范围内或附近，大多数微生大多数微生物可接受的物可接受的pH范围在最佳值左右范围在最佳值左右1-2单位，单位，总的总的pH变化范围可达变化范围可达3-4个单位个单位 生长最适生长最适pH与产物形成最适与产物形成最适pH是不同是不同的的，哺乳动物对，哺乳动物对pH变化非常敏感变化非常敏感 发酵过程中发酵过程中pH值常随基质特性而改变，尤值常随基质特性而改变，尤其是氮源，随着发酵氨被细胞利用，其是氮源，随着发酵氨被细胞利用，pH将将下降下降第三节生物反应器的质量传递第三节生物反应器的质量传递 质量传递在选择质量传递在选择反应器形式反

25、应器形式（搅拌式，搅拌式，鼓泡式，气升式等鼓泡式，气升式等），），生物催化剂生物催化剂状态状态（悬浮或固定化细胞悬浮或固定化细胞）和）和操作参数操作参数（通气通气率，搅拌速度，温度率，搅拌速度，温度）中起决定性的作用）中起决定性的作用 反应器中反应器中微生物的活动与质量传递及微生物的活动与质量传递及微生物的热量扩散相联系微生物的热量扩散相联系 基质和代谢物的扩散基质和代谢物的扩散必须要满足以反应必须要满足以反应器为整体的器为整体的化学计量和质量衡算化学计量和质量衡算 物质物质从实际化学反应点从实际化学反应点传递传递或传递到或传递到实际化学反应点的速率，实际化学反应点的速率，可影响可影响甚至掩饰

26、甚至掩饰化学转化的真实速率化学转化的真实速率 好氧微生物的物质传递好氧微生物的物质传递包括两个方面：包括两个方面： 气气-液相液相之间的传递之间的传递 液相和微生物液相和微生物之间的传递之间的传递 凝聚细胞凝聚细胞还包括热和质量从液体还包括热和质量从液体传到凝聚物，再传到凝聚物内部传到凝聚物，再传到凝聚物内部 对对固定化细胞固定化细胞还有一个到达细胞还有一个到达细胞表面的过程表面的过程生物反应器的质量传递气泡滞流区 气-液界面液相主体液-细胞团界面滞流区 细胞团 细胞膜 细胞 生化反应 COGCOLCOS液液相相气气相相固固相相膜厚：GL1传质系数：kGkL1kL2L2COZ图2.4 氧从气泡

27、传递到细胞的示意图图2.5 氧从气泡传递到细胞的示意图 生物反应体系中的氧传质模型双膜理论：（1）气泡中的氧通过气相边界层传递气-液界面上（2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面。（3）在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体。（4）在液相主体中进行传递。（5）扩散通过生物细胞表面到液相滞流层传递进入生物细胞内。 氧传递方程式)(OTRLccak 体积质量传递系数kLa： 质量传递比速率，在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收的气体。该系数由两项产生：(1)质量传递系数kL，它取决于流体的物理特性和靠近流体表面的流体动力学； (2)通气反应器单位有效体积的气泡面积a。 质量传递系数kL： 质

28、量传递系数是基质（或其他被传递的化合物）的质量通量Ns与推动这一现象的梯度（浓度差）之间的比例因子：)(21LSSkNs 氧的传递速率： 用kLa的大小衡量发酵设备的通气效率，实验室用摇瓶，其kLa值约为10100h-1；带搅拌的发酵罐，其kLa值为200 1000h-1 。五。液体五。液体-微生物之间的质量传递微生物之间的质量传递 细胞所需基质扩散通过环绕它的边界细胞所需基质扩散通过环绕它的边界层，然后进入细胞进行反应层，然后进入细胞进行反应 要弄清要弄清关键步骤关键步骤是在是在细胞内细胞内还是在还是在细细胞周围胞周围 这样能预测流体物理特性可能对过程这样能预测流体物理特性可能对过程速率的影响速率的影响六。微生物活性对吸收率的增强作用 在表面通气搅拌罐中在表面通气搅拌罐中，当质量传递，当质量传递系数系数kl较小时较小时，氧的吸收速率将被微生氧的吸收速率将被微生物的活性所增强，微生物的分布物的活性所增强，微生物的分布也是一也是一个影响因素，尤其是当表面浓度远大于个影响因