生物工程设备绪论省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

生物工程设备第一章绪论1/43绪论一、相关生物工程及发酵概念二、发酵工程在生物技术中地位三、生物反应过程特点四、生物工艺过程共性五、微生物工程产品类型六、本课程内容概述2/43一、相关发酵工程概念1.生物技术（又称生物工艺学biotechnolog，有时又称生物工程）

“应用自然科学及工程学原理，依靠生物作用剂（biologicalagents)作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务”技术(国际经济合作及发展组织1982年）生物作用剂也称为生物催化剂

用载体，不溶于水、不易散失。屡次使用3/43生物技术与其它学科关系4/432.生物技术四大支柱5/433.发酵工程

又称为“微生物工程”，是指利用微生物特定性状，经过当代工程技术，在生物反应器中生产有用物质一个技术。

当代微生物工程利用发酵对象除包含传统天然微生物外，还包含动物和植物细胞、重组细胞、基因工程菌等。6/43微生物发酵

当前人们把借助微生物在有氧或无氧条件下生命活动来制备微生物菌体本身，或其直接代谢产物或次级代谢产物过程统称为发酵。从耗氧情况分为：A厌氧培养生产过程，如酒精、乳酸、甘油、丙酸、丁酸等。B通气（有氧）培养生产过程，如抗生素、氨基酸、核苷酸、酶制剂等。7/43二、发酵工程在生物技术中地位

——与基因工程其主要原理——应用人工方法把生物遗传物质，通常是脱氧核糖核酸（DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们遗传品性；或使新遗传信息在新宿主细胞或个体中大量表示，以取得基因产物（多肽或蛋白质）。这种创造新生物并给予新生物以特殊功效过程就称为基因工程，也称DNA重组技术。（基因水平上遗传工程）8/439/43在发酵工程应用基因工程育种将外源基因导入到微生物细胞，使后者取得前者一些优良性状或者利用后者作为表示场所来生产目标产物。因为微生物多为单细胞，结构简单，是基因工程理想表示载体。所以很多来自于不一样界别物种（人体、动物、植物等）基因都被成功地克隆到微生物细胞中并取得表示。所以而发展各种取得异源基因并表示异源基因产物微生物细胞（工程菌）都是新物种，都是微生物基因工程育种产物。10/43应用自1973年以来，世界上已用基因工程方法创造各种工程菌多得难以计数，仅用工程菌表示并已获同意新药品就有40各种。如：胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。含有很高药用价值。这些药生产一直是经过从人血或胚胎中提取，或从动物组织中提取类似物。利用基因工程方法从人或动物中分离出相关基因，经过体外重组再转入到微生物细胞中，使微生物细胞取得表示这些外源基因能力，成为新工程菌。经过工程菌发酵来生产这些药品，实现大规模生产。此为基因工程领域取得最显著结果。11/43细胞工程与发酵工程细胞工程（cellengineering）是应用细胞生物学和分子生物学方法，借助工程学试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特征和生物学特征，以取得特定细胞、细胞产品或新生物体相关理论和技术方法学科。依据研究对象不一样，细胞工程可分为动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程12/43酶工程与发酵工程是利用酶、细胞器所含有特异催化功效，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品一项技术。酶工程与发酵：经过微生物发酵得到淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。比如：枯草杆菌发酵生产α-淀粉酶之前，酶是从动物、植物、微生物细胞和组织中提取。

13/43发酵工程在生物工程中地位基因工程酶工程细胞工程发酵工程产物产品产品14/43发酵工程在生物工程中地位普通认为生物工程包含基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程其中基因工程最引人入胜，它能够依据人们意愿创造新品种。细胞工程中原生质体融合技术也能有效改良生物性状。然而结果或效益必须从成品来表达，基因重组和细胞融合取得微生物新品种，必须进行微生物发酵和产物分离纯化过程，使之取得产品和经济效益才能表达出生物工程优越性。可见基因工程和细胞工程部分结果离开发酵过程就无法最终表达出它新生命力。至于酶工程，当前多数含有工业化意义酶基本上都是微生物发酵取得。离开发酵过程，酶工程将成为无本之木，所以，酶工程与发酵工程有着十分亲密依赖关系。所以，发酵工程是生物技术产业化基础和归宿，是生物工程四大支柱关键，不论传统发酵产品，如抗生素、氨基酸等，还是当代基因工程产品，如疫苗、人体蛋白质等，都需要经过发酵技术进行生产。15/43生物技术发酵工程16/43三、生物反应过程特点1.生物反应过程其实质就是利用生物催化剂从事生物技术产品生产过程17/43组成部分：（1）原料预处理及培养基制备（2）生物催化剂制备（3）生物反应器及反应条件选择（4）产品分离与纯化辅助部分：生物催化剂：假如是酶，通常叫酶反应过程假如是生物细胞，则叫做发酵过程18/43菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验试验室过程19/43

发酵工程

──利用微生物进行产品生产抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环境保护、能源等行业基因工程药品、疫苗及抗体产品化学工程生物化工生物加工行业传统生物技术当代生物技术基因工程菌发酵20/43生物反应过程特点：通常在常温常压下进行，一个设备有各种用途；通常以糖蜜、淀粉为主要原料，无毒，无须精制；反应以生命体自动调整方式进行，所以数十个反应过程就象单一反应一样，在发酵罐内进行；轻易得到复杂高分子化合物；因为生命体特有反应机制，能够高度选择性进行复杂化合物在特定部位氧化、还原及官能团导入等反应；制造发酵产物菌体本身就是发酵产品，富含维生素、氨基酸、酶等；发酵工业操作上必须预防杂菌污染；经过微生物品种改良，能够利用原有设备及生产条件提升产品质量及产量。21/43四、生物工艺过程共性（1）怎样选择作为培养基成份碳源、氮源、微量元素及生长因子等。（2）怎样确定发酵级数，各级培养条件、过程控制参数。（3）怎样预防生产过程杂菌污染，确保生产过程正常进行。（4）怎样选择适当产品提取、分离、纯化工艺。22/43五、微生物工业产品类型

(发酵工程应用)1、以微生物细胞为产物发酵工业2、以微生物酶为产品发酵工业3、以微生物代谢产物为产品发酵工业4、生物转化或修饰化合物发酵工业5、微生物特殊机能利用23/431、生产微生物细胞物质定义：是以取得含有各种用途微生物菌体细胞为目标产品发酵工业。包含单细胞酵母和藻类、担子菌，生物防治苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用疫苗等。特点：细胞生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定时产量最高。发酵食品：菌体蛋白（SCP）、乳酸菌、香菇类等生物药品（农药）：苏云金杆菌（当前世界上用途最广、产量最大微生物杀虫剂）24/432、微生物酶发酵酶特点：易于工业化生产，便于改进工艺提升产量。分类：胞内酶和胞外酶生物合成特点：需要诱导作用，或受阻遏、抑制等调控作用影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。产品：淀粉酶、果胶酶、纤维素酶、糖化酶、蛋白酶、脂酶、胆固醇氧化酶等25/433、微生物代谢产物发酵包含初级代谢产物和次级代谢产物。对数生长久形成产物是细胞本身生长所必需，称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长迟缓或停顿生长时期即稳定时所产生。初级代谢产物：蛋白质、核酸、多糖、脂质等生命必需物质。

次级代谢产物：抗生素、生物碱、毒素、色素、生长因子等。26/434、微生物生物转化定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）作用，使它转变成结构相类似但含有更大经济价值化合物。最终产物是由微生物细胞酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成。如：甾体转化（羟基化反应

）氢化可松生产生物转化工艺兰色梨头霉（新月弯孢霉

）11β-羟化能力将21-醋酸化合物S转化成氢化可松。27/435、微生物特殊机能利用利用微生物消除环境污染（有毒废弃物降解）

微生物对污染物降解和转化作用，以到达控制和消除环境污染目标（假单孢菌属降解腈纶废水中丙烯腈）。——对水、气、固废物污染控制微生物工程微生物湿法冶金（氧化亚铁硫杆菌自氧细菌)利用氧化亚铁硫杆菌自氧细菌，把亚铁氧化为高铁、把硫和低价硫化物氧化为硫酸能力。将含硫金属矿石中金属离子形成硫酸盐而放出来。用此法浸出金属有：铜、钴、锌、铅、铀、金等28/43发酵工业范围发酵工业包括范围十分广泛，而且越来越大，大致可分为下面14类：(1)酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等)(2)食品工业(酱油、食醋、酸乳、面包等)(3)有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等)(4)抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等)(5)有机酸发酵工业(柠檬酸、乳酸、醋酸、葡萄糖酸)(6)酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)(7)氨基酸发酵工业(谷氨酸、赖氨酸等)(8)核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等)29/43(9)微生物发酵工业(维生素B2,Vc,VB12等)(10)生理活性物质发酵(激素等)(11)微生物菌体蛋白发酵(酵母、单细胞蛋白)(12)微生物环境净化工业(污水、废水处理)(13)生物能工业(沼气、发酵酒精、乙烯等能源物质)(14)微生物冶金工业(微生物探矿、冶金、石油脱硫等)30/43本课程主要内容31/43

培养基配置灭菌设备发酵设备分离提纯设备

空气净化原料预处理及固体物料输送设备空气净化设备生物反应器放大离心与过滤蒸发与结晶干燥蒸馏好氧反应器嫌气发酵罐动植物细胞培养反应器固体培养反应器32/43（二）各工序所包含基本设备：1、原料前处理设备：如除杂、粉碎、输送、培养基制备（灭菌、液化、糖化）；2、生物反应器：种子罐、发酵罐；3、后处理设备：过滤、浓缩、干燥、结晶、蒸馏、离交、脱色、萃取等；4、辅助生产设备：无菌空气系统、冷冻系统、水处理系统、蒸汽系统；33/43（三）发酵设备分类1、专业设备：只用在生物工程专业上，如：、生物反应器（发酵罐、种子罐）、液化、糖化设备、连消设备；2、通用设备：除在本专业上使用外，在其它工业上也使用，如：泵、风机、粉碎机、管件、阀门、过滤、换热设备。3、非标准设备：依据实际工艺需要定做，无统一标准，如：储罐、计量罐等；34/43（四）发酵工程设备特点及要求1、设备特点：

a、在常温、常压或低压下操作发酵温度普通在25-45℃之间，灭菌普通在121-135℃，30分钟。压力：普通在3kg/m2b、无菌下操作，设备应考虑死角消除，确保不被污染。如：正压操作、蒸汽密封、专用阀门等。c、设备结构应满足工艺要求，如：通气（搅拌）、PH调整、温度、补料。（发酵罐）

d、制作材料应确保它耐受酸碱腐蚀。如：有机酸发酵罐可采取A3钢内衬不锈钢或橡胶、陶瓷、涂料。（紫铜）35/432、基本要求在满足工艺要求、确保产品质量和收得率前提下，生产成本最低。

a、强度和刚度b、加工费用、运行费用（能耗、原料生产消耗、设备折旧）

c、生产能力：罐越大，投资越省、运行越稳定，但不能染菌，不然损失惨重。d、设备利用率：利用率高，设备投资越省、设备生产能力越大、生产成本越低。36/43（五）生物工程设备发展趋势1、设备材料越用越好：地缸、木桶水泥池碳钢、低合金钢优质合金钢2、发酵设备容积逐步增大：由传统木桶200-400L逐步发展到现在:啤酒320m3、谷氨酸700m3、单细胞蛋白1500m3、废水处理生化反应器27000m3。喷雾干燥塔由蒸发能力50kg/h发展到5000kg/h。37/433、自动化程度越来越高：由手动及人工看罐，发展到温度、搅拌、风量、风压、PH、溶氧、消泡、补料全部能够进行自控，应用微机管理。4、设备趋于标准化：由自行设计、加工发展到厂家可提供标准图纸及可订购加工。5、工艺流程更简单化：设备整合使得单元操作合并，缩短了工艺流程；先进设备应用，完全改变了原有复杂工艺流程。38/43如：L-乳酸发酵后提取工艺流程：发酵液中和过滤浓缩结晶过滤酸解过滤离交浓缩脱色高真空蒸馏L-乳酸改进后提取工艺流程：发酵液粗过滤微滤超滤

纳滤分子蒸馏L-乳酸39/436、由分批生产向连续化生产过渡连续化生产同分批生产相比较，含有优点操作简单、生产能力大、

设备利用率高、（灭菌）