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1、生物工程设备 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 生物工程技术发展的三个阶段： 传统生物技术酿造技术； 苏
2、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 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
3、现青霉素，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 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
4、森和克里克提出了DNA的双螺旋结构模型，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 主要操作对对象工程目的 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
5、制剂 生物工程设备 生物反应工程技术 细胞大规模培养技术：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 第一篇 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 物料处理与培养基制备 第二章 过滤、离心与膜分离设备 第三章 萃取与色谱分离设备 第四章 蒸发与结晶设备 第五章 干燥设备 第六章
6、蒸馏设备 第二篇 生物反应物料处理及产物分离纯化设备 第一章 空气净化除菌与空气调节 第二章 设备与管道的清洗与杀菌 第三章 物料输送系统设备 第四章 生物工程供水与制冷系统及设备 第三篇 辅助系统设备 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 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
7、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
8、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 一般生化反应过程 细胞或酶等生物催化剂 （游离或固定化） 生 物 反 应 器 空气 CO2等 冷却水 原材料 培养基 灭菌 产物废物 除菌 检测和控制 产物预处理 产品提取精制 副产物 辅助设备 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） 产品提取与精制设备 核心部分是生物反应器 绪论 一、基本概念 二、发展过程 三、生物反应器的分类 四、生物反应器设计的目标和原则 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 在有些情况下，
9、密闭容器，简单容器 二、发展过程 1）1900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， 机械搅拌开始应用 3）19401960年，青霉素，通风，无菌操作， 纯培养 等一系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产 物分离纯化商业化。 4）19601979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到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 1.按代谢要求分： u 厌氧生物反应器（酒精发
10、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、自吸式等） 2.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 3.按反应器的操作方式分：间歇式生物反应器、连续式生物反 应器、半间歇式生物反应器 4.按反应器结构特征分：罐式、管式、塔式、膜式等 5.按能量的输入方式分： 机械搅拌式 气流搅拌式 液体环流式 6.按容积分类 0.5m3以下的是实验室发酵罐 0.5-50m3 是中试发酵罐 50m3以上是生产规模的发酵罐 大型发酵罐 动物细胞反应器 液态深层白醋发酵设备 氨基酸生产设备 四、生物反应器设计的目标和原则 1、一个优良的生物反应器应具备的条件： 生物反应器
11、的作用： 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 生物量或代谢产物。 一个优良的生物反应器应具备： 严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表 2、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。 生物反应器设计的主要目标：使产品的质量高、成本 低 生物反应器设计的重要方面包括： 1）改善生物催化剂； 2）好的过程控制； 3）好的无菌条件； 4）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： 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； 尽量减少
12、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； 在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接 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； 某些部分应能单独灭菌； 易于维修； 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： 5、生物反应器开发的趋势和未来方向 （1）开发活性高、选择性好及寿命长的生物催化剂 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 改进酶和细胞的固定化技术 （2）改进生物反应器的传质、传热的方法 （3）生物反应器向大型化和自动化方向发展。反应器的放大降低了操 作成本，自动化检测
13、和控制系统控制使反应器在最佳条件下操作成 为可能 （4）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，对连续过程更加重视。 教材及参考文献 教材： 生物工程设备 梁世中 主编 轻工业出版社 参考文献： 发酵设备 高孔荣 轻工业出版社 发酵工程与设备 四校合编 轻工业出版社 抗生素生产设备 俞俊棠 化学工业出版社 发酵生产设备 刘雁然 轻工业出版社 生化工程 伦世仪 轻工业出版社 啤酒工程原理及设备 吴佩倧 江西科学技术出版社 第一章 生物反应器设计基础 生物反
14、应器的化学计量基础 生物反应器的生物学基础 生物反应器的质量传递 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 ； 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； 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。 一、生物反应器的化学计量基础 1.生化反应方程式 CHmO1+aNH3+bO2 YbCHpOnNq(生物量)+YpCHrOsNt（产 物）+cH2O+dCO2 其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。 平衡式： 1=Yb+Yp
15、+d a=qYb+tYp 1+2b=nYb+sYp+c+2d m+3a=pYb+rYp+2c C N O H 1/YXS=1/YmaxXS+ms/ 式中: YXS生物量对基质的得率； YmaxXS得率最大值； ms维持系数； 比生长速率。 若方程两项乘以，得到基质消耗的线性方程： =/ YmaxXS + ms 式中：合成单位生物量的基质消耗速率。 当有产物产生时 =/ YmaxXS +/ YmaxXS +ms 式中：单位生物量的产物生成率。 2.维持定义 二、生物反应器的生物学基础 二、生物反应器的生物学基础 一 ）细胞数动力学 1指数生长期 比生长速率； X生长量浓度，以g/L表示； t生长时间。 对方程求积分：并将t为零时的生物量浓度称为X0，则： ln(XX0)=t 因此倍增时间(XX0=2时的时间t)是： td= ln2/ 2.减速期 Monod方程： 二 ）产物形成动力学 （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 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 种类型。 1 类型称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型。 其动力学方程可表
