反应工程整理

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1、1. 生物技术的定义和特点生物技术的定义 利用生物有机体(从微生物直到高等 动植物)或其组成部分(包括器官、组 织、细胞或细胞器等)发展新产品或 新工艺的一种操作技术体系 应用自然科学及工程学的原理，依靠 生物作用剂的作用将物料进行加工以 提供产品或为社会服务国际经济合作发展组织 (1982)11. 生物技术的定义和特点生物技术的特点 物料可再生资源(碳水化合物、 蛋白质等)：价廉物美 生物作用剂生物催化剂(酶、细 胞)：专一性强、转化率高、条件 温和、机理复杂 产品或服务涉及多领域 知识与技术交叉多学科 21. 生物技术的定义和特点工程生物工程生物化学化学工程生物化学生物技术生物技术（Bio

2、technology）多学科示意图Bioengineering3 “生物工程”（生化工程）是运用化学工程的原理和 方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使 之成为生物反应过程的一门学科。简单地说：是为 生物技术服务的化学工程。 “生物工程”研究生物反应过程中有普遍性意义的特 殊工程技术问题，如大规模细胞培养过程、大规模 培养基和空气的灭菌过程、细胞生长和产物形成动 力学、生物反应器的优化操作和设计、生物反应过 程的参数检测和计算机应用、生化产品的分离纯化 等过程中的工程技术问题。 由于“生物工程”是化学工程的一个分支学科或被认 为是生物学和化学工程相结合的交叉学科而又被称 为“生物化工”。

3、1. 生物技术的定义和特点42. 生物反应过程的意义和特点“生物反应过程”实质上是利用生物催 化剂以 从事生物技术产品的生产过程。 当过程采用游离的整体微生物活细胞 为生物催化剂时，一般称此为发酵过 程（也称微生物培养过程、微生物转 化过程等）。 当生物催化剂为游离或固定化酶时， 此过程则称为酶反应过程。 另外，还有动、植物细胞（组织）培 养过程。52. 生物反应过程的意义和特点一般生物反应过程示意图生物催化剂的制备原材料的预处理反应器及反应条件的选择产物的分离纯化6生物反应过程具有下列特点： n 由于采用生物催化剂，反应过程在常温常压下 进行，且可运用DNA重组技术及原生质体融合等 现代生物

4、技术组建或改造生物催化剂而赋予生 物反应过程以现实和潜在的活力，但生物催化 剂易于失活，易受环境的影响和杂菌的污染， 一般不能长时间使用。 n 以采用可再生资源（renewable resources 碳水化合物、蛋白质等）为主要原材料，来源 丰富、价格低廉，过程中废物的危害性较小， 但原料成分往往难以控制，给产品质量带来一 定影响。2. 生物反应过程的意义和特点7n 与化工生产相比，生产设备较为简单，能量消 耗一般也较少，但由于过高的底物或产物浓度 常导致酶的抑制或细胞不能耐受如此高的渗透 压而失活，因此反应液中的底物（基质）浓度 不能过高，因此导致很大的反应器体积且要求 在无杂菌污染情况下

5、进行操作。 n 酶反应过程的专一性强，转化率高，但成本较 高，发酵过程成本低，应用广，但反应机理复 杂，较难控制，反应液中杂质较多，给提取纯 化带来团难。2. 生物反应过程的意义和特点84. 生物反应过程的生物学与工程 学基础 形成了经典的以动力学为基础的工程学概念生物反应工程：它涉及二方面的内容，即宏观微生物反应动 力学和生物反应器工程。其中反应器工程是指包括影响微生 物反应宏观动力学的生物反应器形式、结构、操作方式、物 料混和传递过程特性等 宏观动力学：但是实际发酵过程是在生物反应器中进行，因 此，从实用意义出发，人们重视一定反应器内检测到的反应 速率即总反应速率及其影响因素，这就是宏观动

6、力学研究。动力学与反应器工程本征动力学：即没有在生物反应器中各种形式的传递过程等 工程因素影响时的微生物反应的固有反应速率。94. 生物反应过程的生物学与工程 学基础 形成了经典的以化学计量学和热力学研究 为基础的发酵工程生物学从工程学角度研究对生长反应的影响。研究各类微生物 代谢平衡的理论、方法和实际有效的实验量化数据。例 如胞内反应中分解代谢、合成代谢和大分子物质合成之 间的物质和能量的关系。要经过1000多步胞内反应才能转化为代谢产物和细胞成 分，我们不可能对这些反应进行一一定量的计算微生物生长和反应过程研究微生物生长和反应过程研究 必须从基质进入细胞，胞内反应，代谢产物的胞内外分泌 等

7、全过程进行分析10 种子扩大培养 将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于 休眠状态的生产菌种接入试管斜面活 化后，再经扁瓶或摇瓶及种子罐逐级 扩大培养而获得一定数量和质量的纯 种。 种子扩培的目的 获得一定数量和质量的纯种 缩短发酵时间、提高设备利用率、保 证生产水平11种子的要求 总量及浓度能满足要求 生理状况稳定 活力强，移种至发酵后，能够迅速生长 无杂菌污染12种子制备一般工艺流程实验室阶段：不用种子罐，所用的设备为培养箱、摇床等实验 室常见设备，在工厂这些培养过程一般都在菌种室完成，因此形 象地将这些培养过程称为实验室阶段的种子培养。生产车间阶段：种子培养在种子罐里面进行，一般在工程归 为发

8、酵车间管理，因此形象地称这些培养过程为生产车间阶段种 子培养。13 一般手段有： 保持培养基营养成分在最低水平 缺氧状态 干燥 低温 菌种保藏方法： 斜面冰箱保藏法（低温） 沙土管保藏法（缺营养、低温） 石蜡油封存法（缺氧、低温） 真空冷冻干燥保藏法（缺营养、缺氧、干燥、低 温） 液氮超低温保藏法（缺营养、缺氧、干燥、超低 温）2.1.1 种子保藏141）摇瓶液体培养 ：产孢子能力不强 、孢子发芽慢（灰色链霉菌）和不产 孢子的菌种（谷氨酸棒状杆菌、酿酒 酵母）2）茄子瓶固体培养 ：产孢子能力强 的菌种（产黄青霉菌）3）茄子瓶斜面培养 ：不产孢子的菌 种（细菌）2.1.2 菌种移接15孢子悬浮液

9、：微孔接种法摇瓶菌丝体：火焰保护接种或压差法种子罐之间或发酵罐之间：压差法2.2.1 菌种移接16 种子罐级数： 是指制备种子需逐级扩大培养的次数。 发酵级数确定的依据 级数受发酵规模、菌体生长特性、接 种量的影响 级数大，难控制、易染菌、易变异， 管理困难，一般2-4级。 在发酵产品的放大中，反应级数的确 定是非常重要的一个方面2.2.2 种子罐级数的确定17一级种子罐扩大培养（二级发酵） ： 茄子瓶斜面或摇瓶种子经过一次种子罐 扩大培养，接入发酵罐作为种子，这 称为一级种子罐扩大培养。2.2.2 种子罐级数的确定18二级种子罐扩大培养（三级发酵）： 茄子瓶斜面或摇瓶种子经过两次种子罐扩大培

10、 养，接入发酵罐作为种子，这称为二级种子 罐扩大培养。三级种子罐扩大培养（四级发酵）： 一级发酵：孢子或菌丝体直接接入罐中发酵， 称一级发酵。2.2.2 种子罐级数的确定19接种龄： 指种子罐中培养的菌体，移入下一级种子罐或 发酵罐之前 在原种子罐中的培养时间。 通常接种龄以菌体处于生命力极为旺盛的对数生长期，且培养液中菌体量还未达到最高峰时为好。 种子过于年轻会出现： （1）前期生长缓慢（2）整个发酵周期延长 （3）产物开始形成时间晚。 种子过于衰老：引起菌丝过早自溶，生产能力下 降。2.2.3 接种龄与接种量20 接种量：是指移入的种子液体积（V1）和接 种后培养液体积（V1+V2）的比例

11、（V1/ V1+V2）。 一般接种量：515过大过小都不好，最终 以实践定，如大多数抗生素为7-15%。但是一般 认为大一点好。 接种量较大： 接种量过多： 接种量过少： 获得高产的其它措施： 双种法：两个种子罐接种到一个发酵罐中。 倒种法：一部分种子来源于种子罐，一部分来源 于发酵罐。 2.2.3 接种龄与接种量21生产中通常测定的参数： pH值； 磷、糖及氨基氮的含量； 菌丝形态、菌丝浓度、培养液外观（色素 、颗粒等）； 其它如酶活等；2.2.4 种子质量判断222.3.1 原材料质量 质量波动： 1）产地、品种、加工方法及用量； 2）无机离子含量不同（起主要作用） ； 2.3.2 培养条

12、件 1）温度 2）湿度 3）通气量 2.3.3斜面冷藏时间2.3 影响种子质量 的因素232.4 种子质量控制措施种子质量的最终指标：考察其在发酵罐中 所表现出来的生产能力。 1）保证生产菌种的稳定性 检查稳定性方法：242）保证无杂菌侵入通常方法： 种子液显微镜观察 种子液 琼脂斜面：无菌试验 生化分析：营养消耗速度、pH变化、溶氧利用、 色泽气味等25培养基：广义上讲培养基是指一切可供微生物 细胞生长 繁殖所需的一组营养物质和原料。同 时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它 所必须的条件。 发酵培养基的作用： 满足菌体的生长 促进产物的形成26发酵培养基的要求 培养基能够满足产物最经济的

13、合成。 发酵后所形成的副产物尽可能的少。 培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性 能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模 储藏，能保证生产上的供应。 所选用的培养基应能满足总体工艺的要求， 如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等。27第二节 发酵培养基的成分及来源 一、碳源1、作用 提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源 合成菌体所必需的碳成分 提供合成目的产物所必须的碳成分2、来源糖类、油脂、有机酸、正烷烃283、工业上常用的糖类 葡萄糖 几乎所有的微生物都能利用葡萄糖 但是会引起葡萄糖效应q 工业上常用淀粉水解糖，但是糖液必须达到一定的 质量指标 糖蜜糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖

14、工业的副产物。 糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%75%。一般糖蜜分甘 蔗糖蜜和甜菜糖蜜、葡萄糖蜜。29糖蜜使用的注意点：除糖份外，含有较多的杂质，其中有些是有用的，但是许 多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。例：谷氨酸发酵有害物资：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶）生物素（发酵控制）预处理：澄清脱钙脱除生物素例：柠檬酸发酵有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成）预处理：黄血盐30 淀粉、糊精使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类缺点：难利用、发酵液比较稠、一般2.0%时加入一定的 -淀粉酶成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等等。优点：来源广泛、价格低、可以解除葡萄糖效应3

15、1二、氮源氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白 质、核酸等）和含氮代谢物。 常用的氮源可分为两大类：有机氮源和无机氮源。 1、无机氮源种类：氨盐、硝酸盐和氨水特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利 用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化 如：(NH4)2SO4 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 NH3 + 2H2O + NaOH 32无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留 下了酸性或碱性物质，这种经微生物生理作用（代谢 ）后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质，如 硫酸胺，若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机 氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。正

16、确使用生理酸 碱性物质，对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。 所以选择合适的无机氮源有两层意义：q 满足菌体生长q 稳定和调节发酵过程中的pH332、有机氮源 来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，花生 饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白 胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟。成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还提供大量 的无机盐及生长因子。例 玉米浆： 可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸较多的乳酸硫、磷、微量元素等34有机氮源成分复杂可以从多个方 面对发酵过程进行影响，而另一方面 有机氮源的来源具有不稳定性。所以 在有机氮源选取时和使用过程中，必 须考虑