生物工程设备总复习

生物工程设备总复习一、生物工程设备概述生物工程设备是生物工程领域中用于生物制品生产、研究、检测等过程的各类仪器、装置和系统的统称。它涵盖了发酵工程设备、细胞工程设备、基因工程设备、酶工程设备以及生物分离工程设备等多个方面。这些设备的正确操作与维护对于生物工程产品的质量、产量以及生产效率起着至关重要的作用。

二、发酵工程设备（一）发酵罐1.结构与工作原理发酵罐一般由罐体、搅拌装置、通气装置、传热装置、检测与控制仪表等部分组成。罐体是发酵的主体，提供无菌的发酵环境。搅拌装置通过搅拌叶的转动，使发酵液充分混合，促进传质传热，保证微生物均匀分布，同时防止菌体沉降。通气装置用于向发酵罐内通入无菌空气，满足微生物生长和代谢对氧气的需求。传热装置可调节发酵过程中的温度，维持适宜的发酵条件。检测与控制仪表实时监测发酵罐内的温度、pH值、溶解氧等参数，并进行自动控制。工作时，将培养基、种子液等装入发酵罐，经灭菌后接入微生物菌种，在合适的温度、pH值、通气量等条件下，微生物进行生长繁殖并代谢产生目标产物。2.类型与特点机械搅拌通风发酵罐：搅拌功率大，能使发酵液充分混合，传质传热效率高，适用于大多数微生物发酵。气升式发酵罐：结构简单，能耗低，依靠气体提升作用实现发酵液循环，剪切力小，有利于对剪切力敏感的细胞生长。自吸式发酵罐：利用搅拌器高速旋转产生的负压自吸空气，无需空气压缩机，操作简便，但吸气量有限。

（二）种子扩大培养设备1.种子罐：其结构与发酵罐相似，但规模较小。用于扩大培养种子，为发酵罐提供足够数量和质量的种子液。种子罐的级数根据发酵工艺要求而定，一般为23级。2.摇瓶机：常用于实验室规模的种子培养，通过摇床的往复或旋转运动，使装有培养基和菌种的摇瓶内的液体不断翻动，提供良好的传质条件，促进种子生长。

三、细胞工程设备（一）细胞培养设备1.生物反应器：用于动物细胞、植物细胞培养。与微生物发酵罐不同，动物细胞培养生物反应器需提供温和的培养条件，减少剪切力对细胞的损伤。常见的有搅拌式生物反应器、气升式生物反应器、中空纤维生物反应器等。植物细胞培养生物反应器则要考虑植物细胞的特性，如细胞团较大、对剪切力敏感等，设计合适的结构和操作参数。2.培养箱：提供细胞培养所需的温度、湿度、气体成分等环境条件。如CO₂培养箱，可精确控制箱内的CO₂浓度、温度和湿度，为细胞生长创造适宜的微环境。

（二）细胞融合设备1.电融合仪：利用交变电场使细胞极化，然后施加瞬间高压脉冲，使细胞膜发生可逆性电击穿，导致细胞融合。具有融合效率高、对细胞损伤小等优点。2.化学融合法相关设备：通过PEG等化学试剂诱导细胞融合，在操作过程中需要一些基本的实验器具，如移液器、离心管等，用于配制试剂、处理细胞等操作。

（三）细胞冻存与复苏设备1.细胞冻存管：用于保存细胞，一般采用耐低温、密封性好的材料制成，可防止细胞在冻存过程中受到损伤。2.液氮罐：提供196℃的超低温环境，用于长期保存细胞。罐内分为多个储存区域，可分层存放不同的细胞样本。3.细胞复苏设备：如恒温水浴锅，用于快速解冻细胞冻存管，使细胞迅速恢复活性。

四、基因工程设备（一）基因扩增设备1.PCR仪：是基因工程中最常用的设备之一，用于体外扩增特定DNA片段。通过变性、退火、延伸三个步骤的循环，使目标DNA片段呈指数级增长。PCR仪具有温度控制精度高、循环次数可设定等特点。2.实时荧光定量PCR仪：不仅能扩增DNA，还能实时监测PCR过程中荧光信号的变化，从而对起始模板DNA进行定量分析。广泛应用于基因表达分析、病原体检测等领域。

（二）核酸提取与纯化设备1.核酸提取仪：利用物理、化学等方法从生物样本中提取核酸。常见的方法有磁珠法、硅胶柱法等。核酸提取仪可实现自动化操作，提高提取效率和纯度。2.离心机：用于核酸提取过程中的样品离心分离，去除杂质和沉淀，获得纯净的核酸溶液。不同类型的离心机适用于不同的离心转速和容量需求。

（三）基因克隆与表达设备1.载体构建相关设备：如限制性内切酶、DNA连接酶等工具酶的使用需要在合适的反应体系中进行，同时还需要移液器、PCR仪等设备辅助构建重组载体。2.表达系统相关设备：将重组载体导入宿主细胞进行表达时，对于原核表达系统，需要合适的培养条件和诱导剂添加设备；对于真核表达系统，如酵母表达系统或哺乳动物细胞表达系统，需要相应的生物反应器、培养箱等设备来满足细胞生长和蛋白表达的要求。

五、酶工程设备（一）酶的生产设备1.酶发酵生产设备：与微生物发酵设备类似，通过发酵罐培养产酶微生物，生产各种酶制剂。在发酵过程中，要根据酶的特性优化培养条件，如温度、pH值、通气量等，以提高酶的产量和活性。2.酶提取与分离设备：发酵结束后，需要从发酵液中提取和分离酶。常用的设备有离心机、超滤设备、离子交换柱等。离心机用于固液分离，超滤设备可根据分子大小截留酶蛋白，离子交换柱则利用离子交换原理对酶进行分离纯化。

（二）酶的固定化设备1.包埋法固定化设备：将酶包埋在高分子凝胶等载体中，常用的设备有注射器、模具等，通过将酶液与载体材料混合后注入特定模具中，形成固定化酶颗粒。2.吸附法固定化设备：利用吸附剂对酶的吸附作用进行固定化，如将酶液与活性炭、离子交换树脂等吸附剂混合，通过简单的搅拌、静置等操作即可实现酶的固定化，不需要复杂的设备。3.共价偶联法固定化设备：涉及一些化学反应，需要在特定的反应容器中进行，如带有搅拌装置的反应釜，以保证反应充分进行，使酶与载体通过共价键结合形成固定化酶。

（三）酶反应器1.搅拌罐式酶反应器：结构与搅拌式发酵罐相似，通过搅拌使底物与固定化酶充分接触，适用于多种酶促反应。2.填充床式酶反应器：将固定化酶填充在柱形反应器中，底物溶液自上而下流动，与固定化酶接触反应，具有流速稳定、酶不易流失等优点。3.流化床式酶反应器：利用流体使固定化酶颗粒呈流化状态，增加底物与酶的接触面积和传质效率，但设备结构相对复杂。

六、生物分离工程设备（一）过滤设备1.板框压滤机：由交替排列的滤板和滤框组成，通过液压或机械压力使悬浮液在滤框内过滤，固体颗粒被截留在滤框内形成滤饼，滤液则通过滤板流出。适用于处理固体含量较高、颗粒较大的悬浮液。2.真空抽滤机：利用真空泵产生的负压使滤液通过过滤介质，实现固液分离。操作简便，过滤速度较快，常用于实验室和小型生产规模的过滤操作。3.微孔膜过滤设备：采用孔径为0.0210μm的微孔膜作为过滤介质，能截留细菌、微粒等杂质，具有过滤精度高、过滤速度快等优点，广泛应用于生物制品的除菌、除微粒等预处理。

（二）离心设备1.管式离心机：转速高，分离因数大，适用于分离细小的固体颗粒和乳浊液，常用于生物制品的澄清和分离。2.碟片式离心机：具有多个碟片，增加了沉降面积，提高了分离效率，可用于分离不同密度的液体或固体颗粒，在生物制药中常用于血浆分离、细胞碎片分离等。3.连续流离心机：能够连续进料和出料，适用于大规模生产中的固液分离，如工业发酵液的分离。

（三）萃取设备1.液液萃取设备：如分液漏斗，常用于实验室小规模的液液萃取操作，通过静置分层实现两相分离。在工业生产中，有填料塔、筛板塔等萃取塔设备，利用逆流接触原理，使两相充分接触传质，实现溶质从一相转移到另一相。2.超临界萃取设备：利用超临界流体（如二氧化碳）作为萃取剂，在接近临界温度和压力的条件下，对生物活性物质进行萃取。超临界萃取设备包括萃取釜、分离釜、压缩机、泵等部分，能在低温下进行萃取，减少对热敏性成分的破坏。

（四）色谱分离设备1.柱色谱设备：包括填充有固定相的色谱柱以及进样系统、洗脱系统、检测系统等。根据不同的色谱原理，如吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱等，用于分离和纯化生物大分子，如蛋白质、核酸等。2.高效液相色谱仪（HPLC）：具有分离效率高、分析速度快等优点，可用于分析和制备生物活性成分。配备有高压输液泵、进样器、色谱柱、检测器等部件，能对复杂生物样品进行准确的分离和定量分析。3.气相色谱仪（GC）：主要用于分析易挥发有机化合物，在生物工程领域可用于检测发酵过程中的挥发性代谢产物等。由载气系统、进样系统、色谱柱、检测器等组成。

（五）干燥设备1.真空干燥箱：通过抽真空降低箱内压力，使物料在低温下干燥，适用于热敏性生物制品的干燥。2.喷雾干燥设备：将液体物料通过雾化器喷成雾滴，在热空气流中迅速蒸发水分，干燥速度快，可连续生产，常用于酶制剂、生物制品等的干燥。3.冷冻干燥设备：先将物料冷冻至冰点以下，然后在高真空下使冰直接升华，从而干燥物料。能较好地保留生物制品的活性成分，常用于疫苗、生物活性蛋白等的干燥保存。

七、设备的操作与维护（一）设备操作规范1.开机前检查：检查设备各部件是否完好，连接是否正确，电源、气源等是否正常。2.操作规程执行：严格按照设备操作规程进行操作，设定合适的参数，如温度、压力、转速等。3.运行过程监控：在设备运行过程中，密切观察设备的运行状态，如仪表显示、声音、振动等，及时发现异常情况并处理。4.关机操作：按照规定的顺序关闭设备，如先停止进料、搅拌等运行部件，再关闭电源、气源等。

（二）设备维护保养1.日常维护：包括设备的清洁、润滑、紧固等工作。定期擦拭设备表面，保持设备整洁；检查各润滑点的润滑情况，及时添加润滑剂；紧固松动的螺栓等连接件。2.定期检修：按照设备的使用说明书要求，定期对设备进行全面检修。检查设备的性能指标，如发酵罐的溶解氧测定仪的准确性、离心机的分离效果等；对设备的关键部件进行检查和更换，如发酵罐的搅拌轴密封件、色谱柱的固定相填料等。3.故障维修：当设备出现故障时，及时进行维修。维修人员应具备专业的知识和技能，准确判断故障原因，采取有效的维修措施，确保设备尽快恢复正常运行。同时，对故障原因进行分析总结，采取预防措施，防止类似故障再次发生。

八、生物工程设备的发展趋势（一）智能化随着自动化控制技术和信息技术的发展，生物工程设备将越来越智能化。能够实现自动监测、自动控制、故障诊断与预警等功能，提高生产过程的稳定性和生产效率，减少人为误差。

（二）小型化与便携化为满足生物工程研究和现场检测的需求，设备将朝着小型化和便携化方向发展。例如，小型的PCR仪、细胞培养箱等可在实验室外甚至野外使用，方便快捷地进行生物检测和分析。

（三）多功能集成化将多种生物工程操作功能集成在一台设备中，如集