生物工程設備課件

生物工程設備

緒論生物反應器設計基礎生物反應器檢測控制及放大物料處理設備產(chǎn)物分離純化設備輔助系統(tǒng)設備精品PPT生物技術的原理生物技術產(chǎn)業(yè)化課程作用與任務生物工程設備

作用

任務

生物工程設備的最佳設計和最適選型，滿足現(xiàn)代生物技術產(chǎn)業(yè)化的需要；研究開發(fā)新型生物工程設備，使生產(chǎn)過程大型化、多樣化、連續(xù)化和自動化精品PPT典型的分批發(fā)酵工藝流程圖成品精品PPT？活體生物反應器－轉基因牛機械攪拌反應器植物細胞培養(yǎng)器精品PPTIndustrialFermentationSetting精品PPT精品PPT課程內(nèi)容生物工程設備生物反應器設計基礎生物反應器檢測控制及放大物料處理設備產(chǎn)物分離純化設備輔助系統(tǒng)設備精品PPT目的與要求

掌握生物工程的設備流程、設備結構及工作原理，主要設備的設計計算及選型。

初步具有獨立分析和解決試驗研究及工業(yè)生產(chǎn)上的工程設備問題的能力。

了解國內(nèi)外生物工程與設備的新技術、新設備及發(fā)展動向。

掌握生物反應器的設計基礎。精品PPT精品PPTLaboratoryprocessdevelopment

ShakeFlaskExperiments精品PPT精品PPT精品PPT第一章生物反應器設計基礎生物反應器的設計要以生物體為中心需要兩方面的知識化學工程：反應器的傳熱，傳質的性能，剪切力，凝聚成顆?，F(xiàn)象，通氣生物工程方程：生物體的生長特性和要求，生物體不同階段對溫度，溶氧,pH的要求，無菌要求精品PPT生物反應器的分類按目的分：1。生產(chǎn)細胞2。細胞的代謝產(chǎn)物3。酶催化得到的產(chǎn)物按培養(yǎng)類型分類：動植物細胞,組織，酶，微生物的培養(yǎng)和發(fā)酵生物反應器設計基礎精品PPT常用生物反應器：1）厭氣生物反應器2）通氣生物反應器，又可分為攪拌式，氣升式，自吸式3）光照生物反應器4）膜生物反應器：可分為非循環(huán)式，內(nèi)循環(huán)式，外循環(huán)式生物反應器生物反應器設計基礎精品PPT生物反應器設計基礎

化學計量基礎生物反應的質量衡算生物反應過程的得率系數(shù)生物學基礎細胞數(shù)動力學無抑制的細胞生長動力學有抑制的細胞生長動力學產(chǎn)物形成動力學環(huán)境因素對生長及代謝的影響

傳質氣-液傳質液體-微生物傳質傳熱剪切力問題精品PPT生化反應的特點：活細胞多營養(yǎng)成分多途徑代謝催化劑為蛋白質組分的酶因而質量和能量守恒定律間的關系復雜生物反應器設計基礎精品PPT精品PPT三者關系：

化學計量學是反應器設計的關鍵之一，為介質的合理設計提供基本數(shù)據(jù)

質量衡算和化學計量關系可判斷過程運行的好壞，并獲得間接測量的數(shù)據(jù)最后結合熱力學關系，可推斷出給定系統(tǒng)的得率生物反應器設計基礎精品PPT營養(yǎng)物（C源、N源、O2、無機鹽類等）→細胞+代謝產(chǎn)物（產(chǎn)物、CO2、H2O等）CHmOl+aNH3+bO2→YbCHpO

nNq

(生物量)+YpCHrOsNt

(產(chǎn)物)+cH2O+dCO2對化學方程式進行元素衡算，得下列方程組：生物反應的質量衡算

細胞反應的元素衡算：精品PPTCHmOl+aNH3+bO2→YbCHpO

nNq

(生物量)+YpCHrOsNt

(產(chǎn)物)+cH2O+dCO2根據(jù)細胞、基質和產(chǎn)物的還原度可以列出有效電子平衡方程：

還原度：某化合物中每一克碳原子的有效電子當量數(shù)?；衔镏腥魏卧氐倪€原度等于該化合物的化合價。例如：NH3中氮、氫的還原度為:N=3,H=1精品PPT細胞反應過程的得率系數(shù)

對基質的細胞得率Yx/s

對氧的細胞得率Yx/o

對基質的產(chǎn)物得率Yp/s

對碳的細胞得率YC精品PPT基質的細胞得率Yx/s與比生長速率的關系比生長速率μ：生長速度大小的參數(shù)。維持的定義：式中YXS－細胞對基質的得率；－最大得率；ms

－維持系數(shù)；μ－比生長速率。無產(chǎn)物時，基質的線性方程：式中σ－合成單位細胞的基質消耗速率；π－單位細胞的產(chǎn)物生產(chǎn)率。有產(chǎn)物時，基質的線性方程：精品PPT

若知道得率，可得所需氨量和氧量，及所產(chǎn)生的CO2和水同樣進氣，排氣和氮消耗量的測量有助于確定得率其他：根據(jù)基質和產(chǎn)物的還原度列出電子平衡方程根據(jù)ATP的形成與產(chǎn)率相關(生物量直接與生成能量基質產(chǎn)生的ATP相關)由此確立一系列關系精品PPT

細胞內(nèi)營養(yǎng)基質的消耗一部分用于生長，一部分用于產(chǎn)物形成，一部分用于維持生命活動維持能的具體表現(xiàn)是：

變形蛋白的變換，保持最佳的胞內(nèi)pH，抗衡通過細胞膜的主動運輸，無用循環(huán)及運動所需能量精品PPT第二節(jié)生物反應器的生物學基礎前言：

生物反應器的設計和優(yōu)化，必須首先確定生物量，基質及產(chǎn)物濃度的變化速率，細胞生長，細胞數(shù)分布，產(chǎn)物合成，基質消耗等數(shù)據(jù)對運行的預報，控制及系統(tǒng)優(yōu)化了解環(huán)境參數(shù)（pH,溫度，化學成分等）如何影響系統(tǒng)的動力學精品PPT一。細胞數(shù)動力學

細胞生長動力學模型微生物細胞在生長過程中需經(jīng)歷以下生長階段：（沒有產(chǎn)物抑制和傳遞抑制）

停滯期對數(shù)生長期減速期平衡期衰退期精品PPT細胞數(shù)動力學細胞生長分為幾個階段：停滯期、對數(shù)生長期、減速期、平衡期和死亡期。圖2.1典型的細菌生長曲線精品PPT在指數(shù)生長期，細胞量生長速度為：細胞數(shù)增長速度為：對式2.7在t0→t，X0→X積分，得：由式2.9，得倍增時間td：

微生物細胞μmax值較大，倍增時間約0.5～5h，而動物細胞μmax值小得多，動物細胞的倍增時間約15～100h，植物細胞倍增時間約24～74h。精品PPTMonod方程(無抑制的細胞生長動力學)：無抑制的細胞生長動力學Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設為：(1)細胞的生長為均衡式生長；(2)培養(yǎng)基中只有一種基質是生長限制性基質，而其他組分為過量，不影響細胞的生長；(3)細胞的生長視為簡單的單一反應，細胞得率為一常數(shù)。

Monod方程僅適用于細胞生長較慢和細胞密度較低的環(huán)境下。

式中μ為比生長速率;μmax為最大比生長速率;CS為限制性基質濃度;KS為飽和常數(shù),當μ＝μmax/2時的限制性基質濃度。精品PPT有抑制的細胞生長動力學

基質抑制動力學對反競爭性抑制，其抑制機理可假設為：∴式中細胞比生長速率μ為：,而∵∴精品PPT對競爭性抑制，細胞比生長速率為：對非競爭性抑制，細胞比生長速率為：精品PPT類型米氏公式細胞生長動力學無抑制競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制表2.1有無抑制的酶促反應動力學和細胞生長動力學比較精品PPT

產(chǎn)物的抑制動力學幾個經(jīng)驗公式：精品PPT三。產(chǎn)物形成動力學方程產(chǎn)物形成方式：

1）是能量代謝的結果，如酵母酒精發(fā)酵

2）能量代謝間接結果：檸檬酸合成

3）二次代謝物：青霉素生產(chǎn)

4）產(chǎn)物是胞內(nèi)或胞外蛋白，這屬于蛋白合成領域，可受到誘導和分解代謝抑制調(diào)節(jié)，如酶的合成精品PPT產(chǎn)物形成動力學

Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速度與細胞生長速度之間的關系，將代謝產(chǎn)物生成動力學分為三種類型：類型Ⅰ(相關模型)：是指產(chǎn)物的生成與細胞的生長相關的過程，產(chǎn)物是細胞能量代謝的結果。屬于此類型的有乙醇、葡萄糖酸、乳酸的生產(chǎn)等。產(chǎn)物形成動力學：Ⅰ圖2.2Gaden類型Ⅰ精品PPTⅡⅢ圖2.2Gaden模型分類類型Ⅱ(部分相關模型)：該類反應產(chǎn)物的生成與基質消耗僅有間接結果，產(chǎn)物是能量代謝的間接結果。屬于此類型的有檸檬酸和氨基酸的生成。類型Ⅲ(非相關模型)：產(chǎn)物的生成與細胞的生長無直接聯(lián)系，產(chǎn)物是二次代謝物。屬于此類型的有抗生素、微生物毒素等代謝產(chǎn)物的生成。Ⅰ精品PPT存在產(chǎn)物抑制作用，生長速率公式可表示為：Rx---反應速率K—常數(shù)積分：精品PPT

對于絲狀微生物如霉菌等，在懸浮培養(yǎng)時常形成微生物小球，小球內(nèi)部生長的細胞受到擴散的抑制

它的生長模型常包括大顆粒（類似包埋或凝膠固定化細胞）中顆粒的同時擴散和營養(yǎng)消耗

其次,絲狀細胞還可在潮濕的固體表面生長，因而生長過程復雜，包括生長動力學，營養(yǎng)的擴散和有毒的代謝副產(chǎn)物精品PPT二。生長動力學方程1。Monod方程

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生物生長過程的基質傳遞速率：對于球形細胞，細胞的面積/體積比為（6/dc），單位反應體積的細胞面積（Ac/V）為：精品PPT

形成球形細胞不同，可將基質傳遞速率方程改為：

根據(jù)生物量對基質得率的定義，受質量傳遞控制的過程速率為：精品PPT

高基質濃度時，uhm對反應速率的影響可以忽略,u=umax，但低濃度時，uhm可成為速率控制因素一般情況下存在以下公式：精品PPT

假設細胞壁上的基質濃度S>>Sc，則上式可變?yōu)橄喈斢趍onod公式：在基質限制的范圍內(nèi),uhm<<umax，此時基質濃度為：精品PPT2。其他生長動力學方程

Monod方程式只描述生長慢，細胞濃度低時基質限制生長的生長速率。

高細胞濃度，有毒代謝產(chǎn)物時方程式需做改變

Blackman：簡單的將Ks加倍，取消monod方程中給出的指數(shù)生長和減數(shù)生長間的平滑轉變：精品PPTBlackman方程：Tessier方程Moser方程：Contois方程：

它適合于比生長速率隨細胞質量增加而減少時的高密度培養(yǎng)方程精品PPT3。多基質時的生長動力學方程此時也是其中一種被作為主要的能源或碳源，只有當這種基質被耗盡時，另一種基質消耗所需要的酶系統(tǒng)才能發(fā)展起來精品PPT

采用葡萄糖和半乳糖為碳源建立分批培養(yǎng)細胞生長模型時，有：精品PPT

當營養(yǎng)不作任何改變時，原本存在的基質中不同的一個變成限制因素（如C，N，O2），umax不會發(fā)生變化，此時i---可以限制生長的營養(yǎng)物（G代表碳源，N-代表氮源，O-代表氧）精品PPT四，高濃度基質及產(chǎn)物的抑制動力學高濃度的基質可抑制生長和產(chǎn)物合成描述此現(xiàn)象的兩個非競爭性抑制方程：對于競爭性抑制方程與酶動力學方程相類似精品PPT

高濃度產(chǎn)物對生長的抑制方程為：P---產(chǎn)物濃度Kp－－－產(chǎn)物抑制平衡常數(shù)精品PPT

若產(chǎn)物合成采用依賴于基質濃度的混合生長偶聯(lián)模型表達，有：產(chǎn)物抑制可用好幾種方法包括：精品PPT

上式n1通常大于1而0<n2<1，這取決于抑制作用的類型通常產(chǎn)物抑制出現(xiàn)時，產(chǎn)物濃度已高至實際上令合成停止，即

dP/dt=0

當P>Pmax時，上式和下式已成功用于模擬檸檬酸的合成：精品PPT五。環(huán)境因素對生長和代謝的影響

生物反應器中的大部分微生物是中溫菌（20℃<T<50℃），有些是嗜冷菌（20℃

>T）或嗜熱菌（T>50℃）溫度向最適溫度方向增加時，每增高10℃，生長速率大約增加一倍，超過最適溫度，生長速率下降，最后出現(xiàn)熱死精品PPT環(huán)境因素對生長及代謝的影響

溫度pH值

在適宜的溫度范圍內(nèi)，細胞凈增長率方程為：根據(jù)Arrhenius方程，有：所以：圖2.3E.coli生長速率的Arrhenius圖精品PPT

pH也會影響微生物的生長，通常發(fā)酵都是在最適pH范圍內(nèi)或附近，大多數(shù)微生物可接受的pH范圍在最佳值左右1-2單位，總的pH變化范圍可達3-4個單位

生長最適pH與產(chǎn)物形成最適pH是不同的，哺乳動物對pH變化非常敏感精品PPT發(fā)酵過程中pH值常隨基質特性而改變，尤其是氮源，隨著發(fā)酵氨被細胞利用，pH將下降精品PPT第三節(jié)生物反應器的質量傳遞

質量傳遞在選擇反應器形式（攪拌式，鼓泡式，氣升式等），生物催化劑狀態(tài)（懸浮或固定化細胞）和操作參數(shù)（通氣率，攪拌速度，溫度）中起決定性的作用

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反應器中微生物的活動與質量傳遞及微生物的熱量擴散相聯(lián)系

基質和代謝物的擴散必須要滿足以反應器為整體的化學計量和質量衡算

物質從實際化學反應點傳遞或傳遞到實際化學反應點的速率，可影響甚至掩飾化學轉化的真實速率精品PPT

好氧微生物的物質傳遞包括兩個方面：

氣-液相之間的傳遞

液相和微生物之間的傳遞

凝聚細胞還包括熱和質量從液體傳到凝聚物，再傳到凝聚物內(nèi)部對固定化細胞還有一個到達細胞表面的過程精品PPT生物反應器的質量傳遞膜厚：δGδL1傳質系數(shù)：kGkL1kL2δL2COZ圖2.4氧從氣泡傳遞到細胞的示意圖圖2.5氧從氣泡傳遞到細胞的示意圖

生物反應體系中的氧傳質模型雙膜理論：（1）氣泡中的氧通過氣相邊界層傳遞氣-液界面上（2）氧分子由氣相側通過擴散穿過界面。（3）在界面液相側通過液相滯流層傳遞到液相主體。（4）在液相主體中進行傳遞。（5）擴散通過生物細胞表面到液相滯流層傳遞進入生物細胞內(nèi)。精品PPT

氧傳遞方程式

體積質量傳遞系數(shù)kLa：

質量傳遞比速率，在單位濃度差下，單位時間、單位界面面積所吸收的氣體。該系數(shù)由兩項產(chǎn)生：(1)質量傳遞系數(shù)kL，它取決于流體的物理特性和靠近流體表面的流體動力學；(2)通氣反應器單位有效體積的氣泡面積a。

質量傳遞系數(shù)kL：

質量傳遞系數(shù)是基質（或其他被傳遞的化合物）的質量通量Ns與推動這一現(xiàn)象的梯度（濃度差）之間的比例因子：

氧的傳遞速率：

用kLa的大小衡量發(fā)酵設備的通氣效率，實驗室用搖瓶，其kLa值約為10～100h-1；帶攪拌的發(fā)酵罐，其kLa值為200～1000h-1。精品PPT五。液體-微生物之間的質量傳遞

細胞所需基質擴散通過環(huán)繞它的邊界層，然后進入細胞進行反應要弄清關鍵步驟是在細胞內(nèi)還是在細胞周圍這樣能預測流體物理特性可能對過程速率的影響精品PPT六。微生物活性對吸收率的增強作用

在表面通氣攪拌罐中，當質量傳遞系數(shù)kl較小時，氧的吸收速率將被微生物的活性所增強，微生物的分布也是一個影響因素，尤其是當表面濃度遠大于主體內(nèi)的濃度時

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在傳統(tǒng)的通氣罐，攪拌罐和鼓泡塔中，質