生物工程設(shè)備演示文稿

生物工程設(shè)備演示文稿本文檔共52頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\3點20分（優(yōu)選）生物工程設(shè)備本文檔共52頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\3點20分緒論三、教材和參考書教學(xué)用書：《生物工程設(shè)備》陳國豪2007

化學(xué)工業(yè)出版社教學(xué)參考書：《生物工程設(shè)備》梁世中2002中國輕工業(yè)出版社《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計》沈自法1994華東理工大學(xué)出版社《新編生物工藝學(xué)》俞俊棠2003化學(xué)工業(yè)出版社《化工原理》陳敏恒1999化學(xué)工業(yè)出版社《生化生產(chǎn)工藝學(xué)》梅樂和2007化學(xué)工業(yè)出版社《AutoCAD2007完全自學(xué)手冊》2007電子工業(yè)出版社本文檔共52頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\3點20分緒論四、考核辦法考核辦法：本課程為專業(yè)必修課，采用閉卷考試的形式；成績合成為平時成績與期末考試成績的比例為40：60（30:70），平時成績主要是以到課率和作業(yè)情況作為考核標(biāo)準(zhǔn)。本文檔共52頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\3點20分生物工程設(shè)備的基本概念生物工程設(shè)備的工作領(lǐng)域為傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的改造和現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)提供高效率的生物反應(yīng)器、現(xiàn)代分離純化材料和技術(shù)以及相關(guān)的工程裝備，還提供單元化生產(chǎn)設(shè)備、工藝過程優(yōu)化、在線自動控制、系統(tǒng)集成設(shè)計等。本文檔共52頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\3點20分生物工程設(shè)備的特點生物工程設(shè)備的特點生物工程設(shè)備與中下游技術(shù)密切相關(guān)。生物技術(shù)的上、中下游技術(shù)劃分標(biāo)志：生物反應(yīng)器上游生物技術(shù)：主要任務(wù)是構(gòu)建或選育出社會需要的、穩(wěn)定的、優(yōu)良的生產(chǎn)細(xì)胞菌株。中下游生物技術(shù)：其主要任務(wù)就是設(shè)計經(jīng)濟上合理、技術(shù)上可行、操作上安全的生物技術(shù)工藝過程與設(shè)備系統(tǒng)。包括培養(yǎng)基制備與滅菌、無菌空氣的制備、細(xì)胞株種子擴大培養(yǎng)、生物反應(yīng)器無菌操作與控制培養(yǎng)、產(chǎn)物的提取、分離純化等。本文檔共52頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\3點20分生物工程設(shè)備的發(fā)展歷程生物技術(shù)的發(fā)展過程是以某一個生物工程設(shè)備成熟為標(biāo)志的。由此，有以下五個發(fā)展階段：（1）傳統(tǒng)經(jīng)驗制造技術(shù)——天然發(fā)酵階段（2）純種培養(yǎng)技術(shù)的成熟——初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)階段（3）通氣攪拌技術(shù)的成熟——好氧培養(yǎng)階段（4）代謝控制發(fā)酵技術(shù)的成熟（5）基因重組技術(shù)的成熟——現(xiàn)代生物技術(shù)階段本文檔共52頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\3點20分（1）傳統(tǒng)經(jīng)驗制造技術(shù)—天然發(fā)酵階段該階段的特點：◆靠自然發(fā)酵，只知其然而不知道所以然；◆歷史悠久；◆工藝獨特；◆經(jīng)驗豐富。發(fā)酵期間的攪拌冷卻，俗稱“開耙”，其作用是調(diào)節(jié)發(fā)酵醪的溫度，補充新鮮空氣，利于酵母生長繁殖。它是整個釀酒工藝中較難控制的一項關(guān)鍵性技術(shù)，一般由經(jīng)驗豐富的老師傅把關(guān)。開耙技術(shù)是釀好酒的關(guān)鍵，開耙技工在酒廠享有崇高的地位，工人們習(xí)慣稱開耙技工為“頭腦”，即釀酒的首要人物。本文檔共52頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\3點20分（2）純種培養(yǎng)技術(shù)的成熟—初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)階段該階段的特點：◆發(fā)酵產(chǎn)品屬于初級代謝產(chǎn)物；◆生產(chǎn)過程簡單，生產(chǎn)規(guī)模?。弧魧Πl(fā)酵設(shè)備要求不高。

本文檔共52頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\3點20分醬油固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)本文檔共52頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\3點20分（3）通氣攪拌技術(shù)的成熟——好氧培養(yǎng)階段該階段的特點：◆生物和化工的交叉學(xué)科——生化工程誕生?！舭l(fā)酵工程在微生物學(xué)、生物化學(xué)、生化工程三大學(xué)科基礎(chǔ)上迅速形成一個完整的體系，促進(jìn)抗生素工業(yè)、酶制劑工業(yè)和有機酸工業(yè)迅速發(fā)展?！粞兄瞥龃笮偷膸C械攪拌和無菌通氣裝置的發(fā)酵罐。本文檔共52頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\3點20分大型發(fā)酵罐攪拌裝置本文檔共52頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\3點20分180M3發(fā)酵罐車間大型空氣壓縮機本文檔共52頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\3點20分發(fā)酵車間的空氣過濾器本文檔共52頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\3點20分（4）代謝控制發(fā)酵技術(shù)的成熟該階段的特點：◆對純種發(fā)酵和無菌操作要求嚴(yán)格；◆產(chǎn)品種類多，從初級代謝產(chǎn)物到次級代謝產(chǎn)物；◆對機械攪拌發(fā)酵罐改進(jìn)，研制出氣升式生物反應(yīng)器；研制出多種新型分離介質(zhì)，如新型樹脂材料、超濾等；◆規(guī)模大，攪拌發(fā)酵罐已達(dá)500m3,氣升式發(fā)酵罐為3000m3。本文檔共52頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\3點20分（5）基因重組技術(shù)的成熟——現(xiàn)代生物技術(shù)階段該階段的特點：◆生物技術(shù)可生產(chǎn)動、植物和人類的多種生理活性蛋白，如胰島素、生長激素和多種單克隆抗體；◆生物技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)林牧漁、輕工食品和能源和環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展；◆生物工程設(shè)備得到發(fā)展，如針對大多基因工程菌的表達(dá)產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)，研制超聲細(xì)胞破碎和高壓勻漿新技術(shù)，以及擴張床層析等新方法不斷涌出。本文檔共52頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\3點20分生物工程設(shè)備包括的內(nèi)容-生物反應(yīng)器：通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備，厭氧發(fā)酵設(shè)備，動植物細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備，反應(yīng)器的設(shè)備、控制和比擬放大…-生物反應(yīng)物料處理及產(chǎn)物分離純化設(shè)備：培養(yǎng)基配制，過濾，萃取，蒸發(fā)，結(jié)晶，蒸餾等等-輔助系統(tǒng)設(shè)備：空氣凈化，設(shè)備清洗，物料輸送等等本文檔共52頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\3點20分第一章培養(yǎng)基準(zhǔn)備和培養(yǎng)基滅菌的設(shè)備

第一節(jié)培養(yǎng)基的準(zhǔn)備與要求培養(yǎng)基：供特定的微生物、動物細(xì)胞、植物細(xì)胞、細(xì)胞組織、微藻生物等進(jìn)行生長、繁殖、代謝和合成產(chǎn)物需要的，按一定組成比例配制而成的營養(yǎng)物質(zhì)。培養(yǎng)基按其配方成分可以分成天然培養(yǎng)基和合成培養(yǎng)基。天然培養(yǎng)基：一類具體成分不十分明確的天然產(chǎn)品，大部分是農(nóng)產(chǎn)品。合成培養(yǎng)基：一類完全明確的化學(xué)成分物質(zhì)配制組成。

本文檔共52頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\3點20分微生物培養(yǎng)基

微生物培養(yǎng)基按用途分為孢子培養(yǎng)基（不產(chǎn)孢子的稱斜面培養(yǎng)基）、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基。孢子培養(yǎng)基中的碳源和氮源（特別是有機氮源）的濃度要低，多了會只長菌絲，少長或不長孢子。通常把配制好的培養(yǎng)基裝在扁瓶、三角瓶或試管中，在高壓滅菌鍋中121℃，滅菌20~30min。本文檔共52頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\3點20分微生物培養(yǎng)基

種子培養(yǎng)基是指用于搖瓶種子培養(yǎng)或工業(yè)生產(chǎn)用種子罐種子培養(yǎng)的營養(yǎng)組成。工業(yè)化生產(chǎn)中把配制好的培養(yǎng)基裝在種子罐中，采用高壓蒸汽直接滅菌，控制溫度121℃，滅菌15~20min。

發(fā)酵培養(yǎng)基含有供菌絲體迅速生長繁殖和合成產(chǎn)物需要的營養(yǎng)物質(zhì)。工業(yè)化生產(chǎn)中發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌方法把配制好的培養(yǎng)基裝在種子罐中，采用高壓蒸汽直接滅菌，控制溫度121℃，滅菌15~20min。本文檔共52頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\3點20分發(fā)酵培養(yǎng)基的要求①培養(yǎng)基的原料應(yīng)因地制宜，價格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購運輸，適合大規(guī)模儲藏，能保證生產(chǎn)上的供應(yīng)。②培養(yǎng)基能滿足產(chǎn)物最經(jīng)濟的合成，最大限度地利用原料,使原料全部轉(zhuǎn)化成某種產(chǎn)物。③發(fā)酵后所形成的副產(chǎn)物盡可能的少。例如酒精發(fā)酵。④所選用的培養(yǎng)基應(yīng)滿足總體工藝的要求，如不影響通氣、提取、純化和廢物處理。本文檔共52頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\3點20分微生物培養(yǎng)基在高溫滅菌時，糖類物質(zhì)容易被破壞且易和有機氮發(fā)生美拉德反應(yīng)，即氨基酸和還原糖及還原糖的分解物反應(yīng)，經(jīng)過復(fù)雜的歷程最終生成棕色甚至是黑色的大分子物質(zhì)擬黑素。這些物質(zhì)會對微生物產(chǎn)生毒性，嚴(yán)重時抑制微生物的生長。本文檔共52頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\3點20分動物細(xì)胞培養(yǎng)基動物細(xì)胞培養(yǎng)對培養(yǎng)基要求較高。動物細(xì)胞培養(yǎng)基的特性是營養(yǎng)豐富，含有氨基酸（13種以上）、維生素、碳水化合物、無機鹽和其它成分（如生長因子、激素、貼壁因子等），許多成分是熱敏物質(zhì)，不能用高溫蒸汽滅菌法，通常采用微孔濾膜過濾滅菌法來處理動物細(xì)胞培養(yǎng)基，保證培養(yǎng)基無菌，營養(yǎng)成分不被破壞。本文檔共52頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\3點20分植物細(xì)胞培養(yǎng)基植物細(xì)胞培養(yǎng)基與動物細(xì)胞培養(yǎng)基相比，相對較為簡單，培養(yǎng)基的組分由無機鹽類、碳源、維生素、植物生長激素、有機氮源、有機酸和一些復(fù)合物。培養(yǎng)基中的熱敏化合物（如植物生長激素）不能用高溫蒸汽滅菌法，通常采用微孔濾膜過濾滅菌法來處理，然后再按無菌操作方法混入經(jīng)高溫滅菌好的培養(yǎng)基中。本文檔共52頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\3點20分第二節(jié)培養(yǎng)基的滅菌方法和設(shè)備

大規(guī)模微生物、動物細(xì)胞、植物細(xì)胞培養(yǎng)過程都是純種培養(yǎng)過程，不允許有雜菌的污染。滅菌是用物理或化學(xué)方法殺死或除去環(huán)境中所有微生物，包括營養(yǎng)細(xì)胞、細(xì)菌芽孢和孢子。消毒是指用物理或化學(xué)方法殺死物料、容器、器具內(nèi)外的病原微生物。一般只能殺死營養(yǎng)細(xì)胞而不能殺死細(xì)菌芽孢。例如，巴氏消毒法，是將物料加熱至60℃維持30min，以殺死不耐高溫的微生物營養(yǎng)細(xì)胞。消毒不一定能達(dá)到滅菌要求，而滅菌則可達(dá)到消毒的目的。本文檔共52頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\3點20分1.化學(xué)試劑滅菌法

甲醛、乙醇或新潔爾滅、高錳酸鉀等適用范圍：環(huán)境、皮膚及器械的表面消毒2.射線滅菌法3.干熱滅菌法

電磁波、紫外線或放射性物質(zhì)適用范圍：無菌室、接種箱常用烘箱，滅菌條件：160℃下保溫1h適用范圍：金屬或玻璃器皿4.濕熱滅菌法

利用飽和蒸汽滅菌，條件：121℃，30min適用范圍：生產(chǎn)設(shè)備及培養(yǎng)基滅菌5.過濾除菌法

利用過濾方法阻留微生物適用范圍：制備無菌空氣

6.火焰滅菌法

火焰適用范圍：接種針、玻璃棒、三角瓶口

本文檔共52頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\3點20分

培養(yǎng)基的濕熱滅菌

濕熱滅菌原理滅菌條件滅菌不利方面蒸汽具有很強的穿透能力，而且在冷凝時會放出大量的冷凝熱，很容易使蛋白質(zhì)凝固而殺死各種微生物。

121℃，30min。

同時會破壞培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分，甚至產(chǎn)生不利于菌體生長的物質(zhì)。本文檔共52頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\3點20分

將配制好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐或其他裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進(jìn)行加熱滅菌的過程，也稱實罐滅菌。間歇滅菌本文檔共52頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\3點20分間歇滅菌全過程包括升溫、保溫、降溫三個過程本文檔共52頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\3點20分

培養(yǎng)基中微生物受熱死亡的速率與殘留的微生物數(shù)量成正比。微生物的熱死規(guī)律—對數(shù)殘留定律式中N：表示培養(yǎng)基殘留的活菌數(shù),個

t：受熱時間，s

K：反應(yīng)速度常數(shù)（比死亡速率），s-1

本文檔共52頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\3點20分培養(yǎng)基實罐滅菌時間的計算根據(jù)對數(shù)殘留定律，滅菌所需的時間可用下式計算：τ為滅菌時間，s；K為滅菌速率常數(shù)，s-1，與滅菌溫度和滅菌的菌種類型有關(guān)；N0為開始滅菌時原有菌個數(shù)，個；Ns為結(jié)束滅菌時殘留菌的個數(shù)，個；本文檔共52頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\3點20分在計算過程中，N0和Ns如何取值？

對于Ns，如果取Ns

=0，那么，t=∞，這顯然是與現(xiàn)實情況不符。對于如何Ns取值？通常取Ns=0.001個/罐，這個數(shù)值如何理解？滅菌1000次，有一次是失敗的，殘留了一個活菌體。這個數(shù)值的取值的大小，也間接反應(yīng)了該生產(chǎn)過程中的技術(shù)管理水平。本文檔共52頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\3點20分由于滅菌速率常數(shù)K與滅菌溫度和滅菌的菌種類有下列關(guān)系：式中A為系數(shù)，s-1；E為滅菌時所需活化能，J/mol;在一般計算中都以培養(yǎng)基中最難殺滅耐熱桿菌的芽孢作為滅菌對象。A=1.34×1036，E=284219.12J/molK值本文檔共52頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\3點20分例1有一發(fā)酵罐內(nèi)裝培養(yǎng)基40m3，采用實罐滅菌，滅菌溫度121℃，問滅菌需要多長？解：一般設(shè)滅菌前每毫升培養(yǎng)基含有耐熱菌的芽孢為2×107，不考慮培養(yǎng)基升溫階段的滅菌效應(yīng)。N0=40×106×2×107=8×1014Ns=0.001個lgK=-14845/T+36.172=-14845/(273+121)+36.127=-1.55K=0.0281(s-1)本文檔共52頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\3點20分若考慮培養(yǎng)基加熱升溫階段的滅菌效應(yīng)，由于K是溫度的函數(shù)，求升溫階段從溫度T1到滅菌溫度T2的平均滅菌速度常數(shù)Km，可以用下式求?。和瑫r培養(yǎng)基升溫至T2時菌的總數(shù)由N0減少至Np由公式求取Np：本文檔共52頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\3點20分

培養(yǎng)基加熱升溫階段有滅菌效應(yīng)，培養(yǎng)基達(dá)到滅菌保溫時間后，由滅菌溫度冷卻至發(fā)酵培養(yǎng)溫度的過程也有滅菌效應(yīng)，所以在滅菌操作時不要人為地再延長滅菌時間作為安全系數(shù)，這樣會導(dǎo)致培養(yǎng)基營養(yǎng)成分破壞過大，導(dǎo)致發(fā)酵單位下降。本文檔共52頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\3點20分培養(yǎng)基實罐滅菌的熱量計算分別計算出發(fā)酵車間每個使用蒸汽設(shè)備的蒸汽消耗量，然后把在同一時刻不能錯開的用汽設(shè)備疊加起來求得這個車間的最大用蒸汽負(fù)荷量。在發(fā)酵車間，培養(yǎng)基實罐滅菌蒸汽用量最大，實罐滅菌可以分為升溫、保溫滅菌和冷卻三個階段。本文檔共52頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\3點20分培養(yǎng)基實罐滅菌的熱量計算升溫階段①間接加熱τ為間歇加熱時間，h；G為培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；c為培養(yǎng)基比熱容，kJ/(kg·℃)；K為平均傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；ts為加熱蒸汽溫度,℃；t1為培養(yǎng)基開始加熱溫度,℃；t2為培養(yǎng)基加熱結(jié)束時溫度,℃；S為蒸汽消耗量，kg；r為蒸汽汽化熱，η為加熱過程的熱損失。本文檔共52頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期二\3點20分例2有一40m3發(fā)酵罐內(nèi)裝培養(yǎng)基28m3，不銹鋼蛇管傳熱面積30m2，采用實罐滅菌，培養(yǎng)基原始溫度25℃，用196kPa（表壓）蒸汽通過蛇管間接加熱培養(yǎng)基至90℃。①求加熱時間和蒸汽用量各多少？解：已知G=28000kg，F(xiàn)=30m2查196kPa（表壓）時ts=132.9℃，t1=25℃，t2=90℃，K=1674

kJ/(m2·h·℃)，c=4.18kJ/(kg·℃)本文檔共52頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期二\3點20分培養(yǎng)基實罐滅菌的熱量計算升溫階段①直接加熱i為蒸汽熱焓，kJ/kg；G為培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；cs為冷凝水的蒸汽比熱容，kJ/(kg·℃)；t1為培養(yǎng)基開始加熱溫度,℃；t2為培養(yǎng)基加熱結(jié)束時溫度,℃；S為蒸汽消耗量，kg；η為加熱過程的熱損失。本文檔共52頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期二\3點20分培養(yǎng)基實罐滅菌的熱量計算保溫階段S為蒸汽消耗量，kg；F為蒸汽排出管的總截面積，cm2；τ為蒸汽排出時間，即保溫時間，min；P為發(fā)酵罐蒸汽的絕對壓，Pa，

為蒸汽的比容，m3/kg?；蛘吒鶕?jù)經(jīng)驗估算：S=（30%~50%）×直接加熱蒸汽消耗量小于5m3發(fā)酵罐取50%，大于5m3發(fā)酵罐取30%左右。本文檔共52頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期二\3點20分培養(yǎng)基實罐滅菌的熱量計算τ為冷卻所需時間，h；W為冷卻水的用量，kg/h；G為培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；c1為培養(yǎng)基的比熱容，kJ/(kg·℃)；c2為冷卻水比熱容，kJ/(kg·℃)；t1s為培養(yǎng)基開始冷卻溫度,℃；t1f為培養(yǎng)基冷卻結(jié)束時溫度,℃；t2s為冷卻水進(jìn)口溫度,℃；t1為培養(yǎng)基冷卻過程中某時刻的溫度,℃；t2為對應(yīng)培養(yǎng)基t1溫度時冷卻水出口溫度,℃；K為平均傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)；F為傳熱面積，m2。降溫階段本文檔共52頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期二\3點20分（二）連續(xù)滅菌（又稱連消）

培養(yǎng)基連續(xù)滅菌工藝是把發(fā)酵罐預(yù)先滅菌好，將培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外采用高效設(shè)備連續(xù)不斷地進(jìn)行加熱，保溫滅菌和冷卻，然后連續(xù)進(jìn)入已滅菌的發(fā)酵罐里，這種培養(yǎng)基滅菌方法稱為連續(xù)滅菌，工廠里也稱連消。本文檔共52頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期二\3點20分發(fā)酵罐蒸汽蒸汽冷卻水無菌培養(yǎng)基預(yù)熱罐連消泵加熱器維持罐冷卻管（二）連續(xù)滅菌（又稱連消）

連續(xù)滅菌的基本設(shè)備有哪些？問題配料罐送料泵本文檔共52頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期二\3點20分連續(xù)滅菌的流程與設(shè)備（1）配料預(yù)熱罐，將配制好的料液預(yù)熱到7590℃以免連續(xù)滅菌時由于料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊聲；（2）加熱器，用高溫蒸汽使料液溫度很快升高到滅菌溫度（130140℃），目前使用最廣泛的加熱器有塔式加熱器和噴射式加熱器。本