生物工程设备

1、生物工程设备生物工程设备生物工程生物工程：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。 生物工程设备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

2、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。生物工程设备生物工程设备 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

3、，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。生物工程设备生物工程设备 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

4、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。生物工程设备生物工程设备生物工程生物工程主要操作对象主要操作对象工程目的工程目的与其它工程的关系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生物工程设备生物工程设备生物反应工程技术细胞大规模培养

5、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、部件与制造技术目录目录 第一篇第一篇 生物反应器生物反应器 第一章 生物反应器设计基础 第二章 通风发酵设备 第三章 嫌气发酵设备 第四章 植物细胞和动物培养反应器 第五章 生物反应器的检测及控制 第六章 生物反应器的比拟放大第一章第一章 物料处理与培养基制备物料处理与培养基制备第二章第二章 过滤、离心与膜分离设备过滤、离心与膜分离设备第三章第三章 萃取与色谱分离设备萃取与色谱分离设备第四章第四章 蒸发与结晶设备蒸发

6、与结晶设备第五章第五章 干燥设备干燥设备第六章第六章 蒸馏设备蒸馏设备第二篇第二篇 生物反应物料处理及产物分离纯化设备生物反应物料处理及产物分离纯化设备第一章第一章 空气净化除菌与空气调节空气净化除菌与空气调节第二章第二章 设备与管道的清洗与杀菌设备与管道的清洗与杀菌第三章第三章 物料输送系统设备物料输送系统设备第四章第四章 生物工程供水与制冷系统及设备生物工程供水与制冷系统及设备第三篇第三篇 辅助系统设备辅助系统设备生物工程设备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

7、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、橡胶生物工程设备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45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)。生物工程设备生物工程设备生物反应器生物反应器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

8、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。生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一一般生化反应过程一般生化反应过程细胞或酶等生物催化剂细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化游离或固定化）生生 物物 反反 应应 器器空气空气CO2等等冷却水冷却水原材料原材料培养基培养基灭菌灭菌产物产物废物废物除菌除菌检测和控制检测和控制产物预处理产物预处理产品提取精制产品提取精制副产物副产物 辅

9、助设备辅助设备 物料处理与培养基制备、无菌空气制备物料处理与培养基制备、无菌空气制备 发酵液预处理设备（过滤和离心设备）发酵液预处理设备（过滤和离心设备） 产品提取与精制设备产品提取与精制设备 核心部分是生物反应器核心部分是生物反应器绪论绪论一、基本概念一、基本概念二、发展过程二、发展过程三、生物反应器的分类三、生物反应器的分类四、生物反应器设计的目标和原则四、生物反应器设计的目标和原则一、基本概念一、基本概念 生物反应器是指为一个特定生物化学过程的操作提生物反应器是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。供良好而满意的环境的容器。 工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备工

10、业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备 在有些情况下，密闭容器，简单容器在有些情况下，密闭容器，简单容器二、发展过程二、发展过程1）1900年以前，木制容器造酒年以前，木制容器造酒2）19001940年，钢制发酵罐，开始使用空气分布器，年，钢制发酵罐，开始使用空气分布器，机械搅拌开始应用机械搅拌开始应用3）19401960年，青霉素，通风，无菌操作，年，青霉素，通风，无菌操作， 纯培养等纯培养等一系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分一系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分离纯化商业化。离纯化商业化。4）19601979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到年，机械搅拌通风发酵罐的容积

11、增大到80150m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交换问题，计算机广泛应用换问题，计算机广泛应用.5）1979今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展.三、生物反应器的分类三、生物反应器的分类1.1.按代谢要求分：按代谢要求分：u 厌氧生物反应器（酒精发酵罐、啤酒发酵罐、沼气发酵罐）厌氧生物反应器（酒精发酵罐、啤酒发酵罐、沼气发酵罐）u 通气生物反应器（搅拌式、气升式、自吸式

12、等）通气生物反应器（搅拌式、气升式、自吸式等）2.2.按所用的生物催化剂的不同分：按所用的生物催化剂的不同分： 酶催化反应器和细胞生物反应器酶催化反应器和细胞生物反应器3.3.按反应器的操作方式分：按反应器的操作方式分：间歇式生物反应器、连续式生物反应间歇式生物反应器、连续式生物反应器、半间歇式生物反应器器、半间歇式生物反应器4.4.按反应器结构特征分：按反应器结构特征分：罐式、罐式、管式、塔式、膜式等管式、塔式、膜式等 5.5.按能量的输入方式分：按能量的输入方式分： 机械搅拌式机械搅拌式 气流搅拌式气流搅拌式 液体环流式液体环流式6.6.按容积分类按容积分类 0.5m0.5m3 3以下的是

13、实验室发酵罐以下的是实验室发酵罐 0.5-50m0.5-50m3 3 是中试发酵罐是中试发酵罐 50m50m3 3以上是生产规模的发酵罐以上是生产规模的发酵罐 大型发酵罐大型发酵罐动物细胞反应器动物细胞反应器液态深层白醋发酵设备液态深层白醋发酵设备氨基酸生产设备氨基酸生产设备四、生物反应器设计的目标和原则四、生物反应器设计的目标和原则1 1、一个优良的生物反应器应具备的条件：、一个优良的生物反应器应具备的条件： 生物反应器的作用：生物反应器的作用： 为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物细胞能更快更好地生长

14、，并得到更多需要的生物量或代谢产物。量或代谢产物。一个优良的生物反应器应具备：一个优良的生物反应器应具备： 严密的结构严密的结构 良好的液体混合性能良好的液体混合性能 高的传质和传热速率高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表灵敏的检测和控制仪表2 2、判断生物反应器好坏的唯一标准是：、判断生物反应器好坏的唯一标准是： 该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。 生物反应器设计的主要目标：生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本低使产品的质量高、成本低 生物反应器设计的重要方面包括：生物反应器设计的重要方面包括： 1 1）改善生物催化剂；）改

15、善生物催化剂； 2 2）好的过程控制；）好的过程控制； 3 3）好的无菌条件；）好的无菌条件； 4 4）克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。）克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。3、生物反应器设计的重要方面包括：、生物反应器设计的重要方面包括： 在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接连通；接连通； 尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引起法兰连接外移位，从而导致污染；起法兰连接外移位，从而导致污染； 在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接在可能的条件下，应采用全部焊接结构

16、，所有焊接点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所；点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所； 防止死角、裂缝等情况；防止死角、裂缝等情况； 某些部分应能单独灭菌；某些部分应能单独灭菌； 易于维修；易于维修； 反应器可保持小的正压。反应器可保持小的正压。4、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一些原则：、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一些原则：5、生物反应器开发的趋势和未来方向、生物反应器开发的趋势和未来方向（1）开发）开发活性高、选择性好及寿命长活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂的生物催化剂 开发主要途径是利用基因工程技术，实现生物细胞的定向改造，以及改开发主要途径是

17、利用基因工程技术，实现生物细胞的定向改造，以及改进酶和细胞的固定化技术进酶和细胞的固定化技术（2）改进生物反应器的）改进生物反应器的传质、传热传质、传热的方法的方法（3）生物反应器向）生物反应器向大型化和自动化大型化和自动化方向发展。反应器的放大降低了操作方向发展。反应器的放大降低了操作成本，自动化检测和控制系统控制使反应器在最佳条件下操作成为可成本，自动化检测和控制系统控制使反应器在最佳条件下操作成为可能能（4）特殊要求的新型生物反应器特殊要求的新型生物反应器的研制开发，如基因产品生产、细胞固的研制开发，如基因产品生产、细胞固定化及动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵边分定化及

18、动植物细胞培养的工业反应器，固体发酵反应器、边发酵边分离反应器等的开发研制已获得广泛重视离反应器等的开发研制已获得广泛重视（5）降低设备投资方面，对）降低设备投资方面，对连续过程连续过程更加重视。更加重视。教材及参考文献教材及参考文献 教材：教材： 生物工程设备生物工程设备 梁世中梁世中 主编主编 轻工业出版社轻工业出版社参考文献：参考文献：发酵设备发酵设备 高孔荣高孔荣 轻工业出版社轻工业出版社发酵工程与设备发酵工程与设备 四校合编四校合编 轻工业出版社轻工业出版社抗生素生产设备抗生素生产设备 俞俊棠俞俊棠 化学工业出版社化学工业出版社发酵生产设备发酵生产设备 刘雁然刘雁然 轻工业出版社轻工

19、业出版社生化工程生化工程 伦世仪伦世仪 轻工业出版社轻工业出版社啤酒工程原理及设备啤酒工程原理及设备 吴佩倧吴佩倧 江西科学技术出版社江西科学技术出版社 第一章第一章 生物反应器设计基础生物反应器设计基础 生物反应器的化学计量基础生物反应器的化学计量基础 生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递 生物反应器的热量传递生物反应器的热量传递 生物反应器的剪切力问题生物反应器的剪切力问题 生物反应的特点生物反应的特点 首先生物反应存在活细胞，在反应中可将它看作催化剂；首先生物反应存在活细胞，在反应中可将它看作催化剂； 其次，由于细胞是生长着的，它对营养有

20、一定的要求，使其次，由于细胞是生长着的，它对营养有一定的要求，使得参与反应的成分很多；得参与反应的成分很多； 第三，生物反应的途径通常不是单一的，反应过程常伴随第三，生物反应的途径通常不是单一的，反应过程常伴随着生成代谢产物的反应，受到多种环境因素的影响。着生成代谢产物的反应，受到多种环境因素的影响。一、生物反应器的化学计量基础一、生物反应器的化学计量基础 1.生化反应方程式生化反应方程式CHmO1+aNH3+bO2 YbCHpOnNq(生物量生物量)+YpCHrOsNt（产（产物）物）+cH2O+dCO2其中：其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。分别是生物量和产物相对单位

21、碳源量的产率。平衡式：平衡式：1=Yb+Yp+da=qYb+tYp1+2b=nYb+sYp+c+2dm+3a=pYb+rYp+2cCNOH1/YXS=1/YmaxXS+ms/式中式中: YXS生物量对基质的得率；生物量对基质的得率； YmaxXS得率最大值；得率最大值； ms维持系数；维持系数； 比生长速率。比生长速率。若方程两项乘以若方程两项乘以，得到基质消耗的线性方程：，得到基质消耗的线性方程： =/ YmaxXS + ms 式中：式中：合成单位生物量的基质消耗速率。合成单位生物量的基质消耗速率。当有产物产生时当有产物产生时 =/ YmaxXS +/ YmaxXS +ms 式中：式中：单位

22、生物量的产物生成率。单位生物量的产物生成率。2.维持定义维持定义二、生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础二、生物反应器的生物学基础生物反应器的生物学基础 一一 ）细胞数动力学）细胞数动力学1指数生长期指数生长期 比生长速率；比生长速率； X生长量浓度，以生长量浓度，以g/L表示；表示； t生长时间。生长时间。 对方程求积分：并将对方程求积分：并将t为零时的生物量浓度称为为零时的生物量浓度称为X0，则：，则： ln(XX0)=t 因此倍增时间因此倍增时间(XX0=2时的时间时的时间t)是：是： td= ln2/2.减速期减速期 Monod方程：方程： 二二 ）产物形成动力学）产物形成动力

23、学（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：（二）代谢产物形成的动力学模型（二）代谢产物形成的动力学模型Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型。类型。1 类型类型称为相关模型，或称称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型。伴随生长的产物形成模型。其动力学方程可表示为其动力学方程可表示为dP/dt=dX/dt 式中式中 P产物浓度产物浓度 系数系数 产物形成比率即产物形成比率即= dP/dt/X2类型类型称为部分相关模型，或称不完全伴随生长称为部分相关模型，或称不完全伴随生长的产物形

24、成模型。的产物形成模型。其中其中 、系数系数 3 类型类型称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成称为非相关模型或称不伴随生长的产物形成模型。模型。dP/dt=X三三) 高浓度基质抑制动力学高浓度基质抑制动力学基质抑制：高浓度的基质抑制生长及产物合成。基质抑制：高浓度的基质抑制生长及产物合成。两个非竞争性抑制方程：两个非竞争性抑制方程：=maxS/( Ks+S+S2/K)=maxS/( Ks+S)e(-S/K)式中式中 Ks基质的平衡常数基质的平衡常数 K抑制剂的平衡常数抑制剂的平衡常数 四四) 环境因素对生长的影响环境因素对生长的影响 温度：一般温度：一般20-50 pH：通常发酵应在最适：通

25、常发酵应在最适pH范围或附近，不同细胞最范围或附近，不同细胞最适适pH不同。不同。1. 假如通过实验测定，反应底物葡萄糖中假如通过实验测定，反应底物葡萄糖中2/3的碳转化的碳转化为细胞的碳，为细胞的碳，（1）计算该反应的计量系数）计算该反应的计量系数C6H12O6+aO2+bNH3 cC4.4H7.3O1.2N0.86 +dH2O+eCO2(2)计算上述反应的得率系数计算上述反应的得率系数YX/S（g干细胞干细胞/ g底物）和底物）和YX/O （g干细胞干细胞/ g氧）。氧）。解解: (1)1mol葡萄糖含有的碳为葡萄糖含有的碳为6mol 转化为细胞的碳为转化为细胞的碳为 6*2/3=4mol

26、 则有则有 4=4.4c, c=0.909 转化为转化为CO2的碳量为的碳量为2mol 则有则有 2=e, e=2 N平衡平衡 b=0.86c ,b=0.782 H平衡平衡 12+3b=7.3c+2d, d=3.854 O平衡平衡 6+2a=1.2c+d+2e a= 1.473X/SX/O0.9094.4 12+7.3+1.2 16+0.86 14Y =0.461g/g1800.909 (4.4 12+7.3+1.2 16+0.86 14)Y =1.76g/g32 1.473（）干细胞 底物干细胞 氧(2)2.一发酵罐基质浓度为一发酵罐基质浓度为225g/L，细胞浓度，细胞浓度0.15g/L，

27、dX/dt=1.5g/h,当基质浓度为当基质浓度为175g/L，细胞浓度为，细胞浓度为0.1g/L，此，此时，时， dX/dt=0.875g/h,若细胞生长可用若细胞生长可用Monod方程描述，求方程描述，求动力学参数动力学参数max、Ks？解：已知解：已知 S1=225g/L X1=0.15g/L dX/dt=1.5g/h, S2= 175g/L X2= 0.1g/L dX/dt=0.875g/h,由由Monod方程：方程：dXXdtSSS maxK +SS maxK +S得：max=20h-1 Ks=225g/L1.50.150.8750.1SS225 maxK +225225 maxK

28、+225 3.已知发酵罐内细胞总浓度为已知发酵罐内细胞总浓度为400g/m3 ，此时细胞浓，此时细胞浓度随时间变化率为度随时间变化率为0.02g/Lh， 则求则求（1）细胞比生长速率）细胞比生长速率;（2）若此时细胞处于对数生长期，细胞数量倍增时间）若此时细胞处于对数生长期，细胞数量倍增时间td 。解：解：已知：已知：X=400g/m3，dX/dt=0.02g/Lh(1)由由30.02100.05400dXXdt h-1(2)td=ln2/0.693/0.05=13.86h 4. 已知某发酵过程动力学可用下述公式描述，已知某发酵过程动力学可用下述公式描述， XSKStXSmaxddtXYtSX

29、Sdd1ddd1 dddXPPXtYt（2）（1）（3） 基质初始浓度为基质初始浓度为S0=100g/L，产物的初始浓度，产物的初始浓度P0=0，细胞初始浓度细胞初始浓度X04g/L，基质饱和常数，基质饱和常数KS25 g/L，最大潜在比生长速率最大潜在比生长速率max0.25h-1，细胞对基质的得，细胞对基质的得率系数率系数YXS0.06，单位产物的细胞质量系数，单位产物的细胞质量系数YXP0.16. 试求试求:细胞质量倍增时间细胞质量倍增时间td及此时的基质浓度及此时的基质浓度S和产物浓和产物浓度度P。 解：由（解：由（2）式）式 得：得： ，积分得：，积分得： 有：有： （4） 则细胞质

30、量加倍后的基质浓度为则细胞质量加倍后的基质浓度为 tXYtSXSdd1dddXYdSXS1)(100XXYSSXSXSXSYXYXSS0010033.3306. 0806. 04100LgYXYXSSXSXS （4）代入（）代入（1）：）：XXXSYYKXXSYtXXSXSSXS0000maxdd令 XSSXSYKabXSYa,00，则上式变为：，则上式变为： XbXXatX)(ddmax 分离变量积分分离变量积分tdtXdXXaXbtXXmax0max0)(即即tdXXaabXabXXmax0111所以有所以有tXaXaabXXabmax00ln1ln 即即tXaXaXSYYKXXXSYYK

31、XSXSSXSXSSmax000000lnln1从而有从而有tXXX106ln6 . 0ln6 . 40则细胞质量倍增时间则细胞质量倍增时间htd85. 38106ln6 . 02ln6 . 4 第三节第三节 生物反应器的质量传递生物反应器的质量传递 第四节第四节 生物反应器的热量传递生物反应器的热量传递 第五节第五节 生物反应器的剪切力问题生物反应器的剪切力问题 第三节 生物反应器的质量传递 一、一、 气气-液质量传递液质量传递 kLA体积质量传递系数，它是质量传递的比速率，指体积质量传递系数，它是质量传递的比速率，指在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收的在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收的气体。气体。kLA有两项产生：有两项产生：kL ：质量传递系数，它取决于流体的物理特性和靠近流体表：质量传递系数，它取决于流体的物理特性和靠近流体表面的流体动力学，对动力输入的依赖很弱；面的流体动力学，对动力输入的依赖很弱；A ：通气反应器单位有效体积的气泡面积。是一个集总参数，：通气反应器单位有效体积的气泡面积。是一个集总参数，不能定义为一点，具有物理特