生物工程設(shè)備

生物工程設(shè)備緒論生物反響器設(shè)計(jì)根底生物反響器檢測控制及放大物料處理設(shè)備產(chǎn)物別離純化設(shè)備輔助系統(tǒng)設(shè)備.生物技術(shù)的原理生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化課程作用與任務(wù)生物工程設(shè)備作用任務(wù)生物工程設(shè)備的最佳設(shè)計(jì)和最適選型，滿足現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的需要；研究開發(fā)新型生物工程設(shè)備，使生產(chǎn)過程大型化、多樣化、連續(xù)化和自動(dòng)化.典型的分批發(fā)酵工藝流程圖成品.？活體生物反應(yīng)器－轉(zhuǎn)基因牛機(jī)械攪拌反應(yīng)器植物細(xì)胞培養(yǎng)器.IndustrialFermentationSetting..課程內(nèi)容生物工程設(shè)備生物反響器設(shè)計(jì)根底生物反響器檢測控制及放大物料處理設(shè)備產(chǎn)物別離純化設(shè)備輔助系統(tǒng)設(shè)備.目的與要求掌握生物工程的設(shè)備流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理，主要設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型。初步具有獨(dú)立分析和解決試驗(yàn)研究及工業(yè)生產(chǎn)上的工程設(shè)備問題的能力。了解國內(nèi)外生物工程與設(shè)備的新技術(shù)、新設(shè)備及開展動(dòng)向。掌握生物反響器的設(shè)計(jì)根底。..Laboratoryprocessdevelopment

ShakeFlaskExperiments...第一章生物反響器設(shè)計(jì)根底生物反響器的設(shè)計(jì)要以生物體為中心需要兩方面的知識(shí)化學(xué)工程：反響器的傳熱，傳質(zhì)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(duì)溫度，溶氧,pH的要求，無菌要求.生物反響器的分類按目的分：1。生產(chǎn)細(xì)胞2。細(xì)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(dòng)植物細(xì)胞,組織，酶，微生物的培養(yǎng)和發(fā)酵生物反響器設(shè)計(jì)根底.常用生物反響器：1〕厭氣生物反響器2〕通氣生物反響器，又可分為攪拌式，氣升式，自吸式3〕光照生物反響器4〕膜生物反響器：可分為非循環(huán)式，內(nèi)循環(huán)式，外循環(huán)式生物反響器生物反響器設(shè)計(jì)根底.生物反響器設(shè)計(jì)根底化學(xué)計(jì)量根底生物反響的質(zhì)量衡算生物反響過程的得率系數(shù)生物學(xué)根底細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué)無抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)有抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)環(huán)境因素對(duì)生長及代謝的影響傳質(zhì)氣-液傳質(zhì)液體-微生物傳質(zhì)傳熱剪切力問題.生化反響的特點(diǎn)：活細(xì)胞多營養(yǎng)成分多途徑代謝催化劑為蛋白質(zhì)組分的酶因而質(zhì)量和能量守恒定律間的關(guān)系復(fù)雜生物反響器設(shè)計(jì)根底..三者關(guān)系：化學(xué)計(jì)量學(xué)是反響器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，為介質(zhì)的合理設(shè)計(jì)提供根本數(shù)據(jù)質(zhì)量衡算和化學(xué)計(jì)量關(guān)系可判斷過程運(yùn)行的好壞，并獲得間接測量的數(shù)據(jù)最后結(jié)合熱力學(xué)關(guān)系，可推斷出給定系統(tǒng)的得率生物反響器設(shè)計(jì)根底.營養(yǎng)物〔C源、N源、O2、無機(jī)鹽類等〕→細(xì)胞+代謝產(chǎn)物〔產(chǎn)物、CO2、H2O等〕CHmOl+aNH3+bO2→YbCHpOnNq(生物量)+YpCHrOsNt(產(chǎn)物)+cH2O+dCO2對(duì)化學(xué)方程式進(jìn)行元素衡算，得以下方程組：生物反響的質(zhì)量衡算細(xì)胞反響的元素衡算：.CHmOl+aNH3+bO2→YbCHpOnNq(生物量)+YpCHrOsNt(產(chǎn)物)+cH2O+dCO2根據(jù)細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物的復(fù)原度可以列出有效電子平衡方程：復(fù)原度：某化合物中每一克碳原子的有效電子當(dāng)量數(shù)?；衔镏腥魏卧氐膹?fù)原度等于該化合物的化合價(jià)。例如：NH3中氮、氫的復(fù)原度為:N=3,H=1.細(xì)胞反響過程的得率系數(shù)對(duì)基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/s對(duì)氧的細(xì)胞得率Yx/o對(duì)基質(zhì)的產(chǎn)物得率Yp/s對(duì)碳的細(xì)胞得率YC.基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/s與比生長速率的關(guān)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(xì)胞對(duì)基質(zhì)的得率；－最大得率；ms－維持系數(shù)；μ－比生長速率。無產(chǎn)物時(shí)，基質(zhì)的線性方程：式中σ－合成單位細(xì)胞的基質(zhì)消耗速率；π－單位細(xì)胞的產(chǎn)物生產(chǎn)率。有產(chǎn)物時(shí)，基質(zhì)的線性方程：.假設(shè)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(jìn)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(zhì)和產(chǎn)物的復(fù)原度列出電子平衡方程根據(jù)ATP的形成與產(chǎn)率相關(guān)(生物量直接與生成能量基質(zhì)產(chǎn)生的ATP相關(guān))由此確立一系列關(guān)系.細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)基質(zhì)的消耗一局部用于生長，一局部用于產(chǎn)物形成，一局部用于維持生命活動(dòng)維持能的具體表現(xiàn)是：變形蛋白的變換，保持最正確的胞內(nèi)pH，抗衡通過細(xì)胞膜的主動(dòng)運(yùn)輸，無用循環(huán)及運(yùn)動(dòng)所需能量.第二節(jié)生物反響器的生物學(xué)根底前言：生物反響器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，必須首先確定生物量，基質(zhì)及產(chǎn)物濃度的變化速率，細(xì)胞生長，細(xì)胞數(shù)分布，產(chǎn)物合成，基質(zhì)消耗等數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)行的預(yù)報(bào)，控制及系統(tǒng)優(yōu)化了解環(huán)境參數(shù)〔pH,溫度，化學(xué)成分等〕如何影響系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué).一。細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)模型微生物細(xì)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(duì)數(shù)生長期減速期平衡期衰退期.細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué)細(xì)胞生長分為幾個(gè)階段：停滯期、對(duì)數(shù)生長期、減速期、平衡期和死亡期。圖2.1典型的細(xì)菌生長曲線.在指數(shù)生長期，細(xì)胞量生長速度為：細(xì)胞數(shù)增長速度為：對(duì)式2.7在t0→t，X0→X積分，得：由式2.9，得倍增時(shí)間td：微生物細(xì)胞μmax值較大，倍增時(shí)間約0.5～5h，而動(dòng)物細(xì)胞μmax值小得多，動(dòng)物細(xì)胞的倍增時(shí)間約15～100h，植物細(xì)胞倍增時(shí)間約24～74h。.

Monod方程(無抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué))：無抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)Monod方程是典型的均衡生長模型，其根本假設(shè)為：(1)細(xì)胞的生長為均衡式生長；(2)培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，而其他組分為過量，不影響細(xì)胞的生長；(3)細(xì)胞的生長視為簡單的單一反響，細(xì)胞得率為一常數(shù)。Monod方程僅適用于細(xì)胞生長較慢和細(xì)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(zhì)濃度;KS為飽和常數(shù),當(dāng)μ＝μmax/2時(shí)的限制性基質(zhì)濃度。.有抑制的細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)基質(zhì)抑制動(dòng)力學(xué)對(duì)反競爭性抑制，其抑制機(jī)理可假設(shè)為：∴式中細(xì)胞比生長速率μ為：,而∵∴.對(duì)競爭性抑制，細(xì)胞比生長速率為：對(duì)非競爭性抑制，細(xì)胞比生長速率為：.類型米氏公式細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)無抑制競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制表2.1有無抑制的酶促反響動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞生長動(dòng)力學(xué)比較.產(chǎn)物的抑制動(dòng)力學(xué)幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：.三。產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)方程產(chǎn)物形成方式：1〕是能量代謝的結(jié)果，如酵母酒精發(fā)酵2〕能量代謝間接結(jié)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(lǐng)域，可受到誘導(dǎo)和分解代謝抑制調(diào)節(jié)，如酶的合成.產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速度與細(xì)胞生長速度之間的關(guān)系，將代謝產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)分為三種類型：類型Ⅰ(相關(guān)模型)：是指產(chǎn)物的生成與細(xì)胞的生長相關(guān)的過程，產(chǎn)物是細(xì)胞能量代謝的結(jié)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(dòng)力學(xué)：Ⅰ圖2.2Gaden類型Ⅰ.ⅡⅢ圖2.2Gaden模型分類類型Ⅱ(局部相關(guān)模型)：該類反響產(chǎn)物的生成與基質(zhì)消耗僅有間接結(jié)果，產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。屬于此類型的有檸檬酸和氨基酸的生成。類型Ⅲ(非相關(guān)模型)：產(chǎn)物的生成與細(xì)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.存在產(chǎn)物抑制作用，生長速率公式可表示為：Rx---反響速率K—常數(shù)積分：.對(duì)于絲狀微生物如霉菌等，在懸浮培養(yǎng)時(shí)常形成微生物小球，小球內(nèi)部生長的細(xì)胞受到擴(kuò)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(xì)胞〕中顆粒的同時(shí)擴(kuò)散和營養(yǎng)消耗其次,絲狀細(xì)胞還可在潮濕的固體外表生長，因而生長過程復(fù)雜，包括生長動(dòng)力學(xué)，營養(yǎng)的擴(kuò)散和有毒的代謝副產(chǎn)物.二。生長動(dòng)力學(xué)方程1。Monod方程

.生物生長過程的基質(zhì)傳遞速率：對(duì)于球形細(xì)胞，細(xì)胞的面積/體積比為〔6/dc〕，單位反響體積的細(xì)胞面積〔Ac/V〕為：.

形成球形細(xì)胞不同，可將基質(zhì)傳遞速率方程改為：

根據(jù)生物量對(duì)基質(zhì)得率的定義，受質(zhì)量傳遞控制的過程速率為：.高基質(zhì)濃度時(shí)，uhm對(duì)反響速率的影響可以忽略,u=umax，但低濃度時(shí)，uhm可成為速率控制因素一般情況下存在以下公式：.假設(shè)細(xì)胞壁上的基質(zhì)濃度S>>Sc，那么上式可變?yōu)橄喈?dāng)于monod公式：在基質(zhì)限制的范圍內(nèi),uhm<<umax，此時(shí)基質(zhì)濃度為：.2。其他生長動(dòng)力學(xué)方程

Monod方程式只描述生長慢，細(xì)胞濃度低時(shí)基質(zhì)限制生長的生長速率。

高細(xì)胞濃度，有毒代謝產(chǎn)物時(shí)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(zhuǎn)變：.Blackman方程：Tessier方程Moser方程：Contois方程：

它適合于比生長速率隨細(xì)胞質(zhì)量增加而減少時(shí)的高密度培養(yǎng)方程.3。多基質(zhì)時(shí)的生長動(dòng)力學(xué)方程此時(shí)也是其中一種被作為主要的能源或碳源，只有當(dāng)這種基質(zhì)被耗盡時(shí)，另一種基質(zhì)消耗所需要的酶系統(tǒng)才能開展起來.

采用葡萄糖和半乳糖為碳源建立分批培養(yǎng)細(xì)胞生長模型時(shí)，有：.當(dāng)營養(yǎng)不作任何改變時(shí)，原本存在的基質(zhì)中不同的一個(gè)變成限制因素〔如C，N，O2〕，umax不會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)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〕.四，高濃度基質(zhì)及產(chǎn)物的抑制動(dòng)力學(xué)高濃度的基質(zhì)可抑制生長和產(chǎn)物合成描述此現(xiàn)象的兩個(gè)非競爭性抑制方程：對(duì)于競爭性抑制方程與酶動(dòng)力學(xué)方程相類似.

高濃度產(chǎn)物對(duì)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).假設(shè)產(chǎn)物合成采用依賴于基質(zhì)濃度的混合生長偶聯(lián)模型表達(dá)，有：產(chǎn)物抑制可用好幾種方法包括：.

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(shí)，產(chǎn)物濃度已高至實(shí)際上令合成停止，即dP/dt=0當(dāng)P>Pmax時(shí)，上式和下式已成功用于模擬檸檬酸的合成：.五。環(huán)境因素對(duì)生長和代謝的影響生物反響器中的大局部微生物是中溫菌〔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(shí)，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.環(huán)境因素對(duì)生長及代謝的影響溫度

pH值在適宜的溫度范圍內(nèi)，細(xì)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.pH也會(huì)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范圍在最正確值左右1-2單位，總的pH變化范圍可達(dá)3-4個(gè)單位生長最適pH與產(chǎn)物形成最適pH是不同的，哺乳動(dòng)物對(duì)pH變化非常敏感.發(fā)酵過程中pH值常隨基質(zhì)特性而改變，尤其是氮源，隨著發(fā)酵氨被細(xì)胞利用，pH將下降.第三節(jié)生物反響器的質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞在選擇反響器形式〔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(xì)胞〕和操作參數(shù)〔通氣率，攪拌速度，溫度〕中起決定性的作用

.反響器中微生物的活動(dòng)與質(zhì)量傳遞及微生物的熱量擴(kuò)散相聯(lián)系基質(zhì)和代謝物的擴(kuò)散必須要滿足以反響器為整體的化學(xué)計(jì)量和質(zhì)量衡算物質(zhì)從實(shí)際化學(xué)反響點(diǎn)傳遞或傳遞到實(shí)際化學(xué)反響點(diǎn)的速率，可影響甚至掩飾化學(xué)轉(zhuǎn)化的真實(shí)速率.好氧微生物的物質(zhì)傳遞包括兩個(gè)方面：氣-液相之間的傳遞液相和微生物之間的傳遞凝聚細(xì)胞還包括熱和質(zhì)量從液體傳到凝聚物，再傳到凝聚物內(nèi)部對(duì)固定化細(xì)胞還有一個(gè)到達(dá)細(xì)胞外表的過程.生物反響器的質(zhì)量傳遞膜厚：δGδL1傳質(zhì)系數(shù)：kGkL1kL2δL2COZ圖2.4氧從氣泡傳遞到細(xì)胞的示意圖圖2.5氧從氣泡傳遞到細(xì)胞的示意圖生物反響體系中的氧傳質(zhì)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(cè)通過擴(kuò)散穿過界面?！?〕在界面液相側(cè)通過液相滯流層傳遞到液相主體?！?〕在液相主體中進(jìn)行傳遞。〔5〕擴(kuò)散通過生物細(xì)胞外表到液相滯流層傳遞進(jìn)入生物細(xì)胞內(nèi)。.氧傳遞方程式體積質(zhì)量傳遞系數(shù)kLa：質(zhì)量傳遞比速率，在單位濃度差下，單位時(shí)間、單位界面面積所吸收的氣體。該系數(shù)由兩項(xiàng)產(chǎn)生：(1)質(zhì)量傳遞系數(shù)kL，它取決于流體的物理特性和靠近流體外表的流體動(dòng)力學(xué)；(2)通氣反響器單位有效體積的氣泡面積a。質(zhì)量傳遞系數(shù)kL：質(zhì)量傳遞系數(shù)是基質(zhì)〔或其他被傳遞的化合物〕的質(zhì)量通量Ns與推動(dòng)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(shè)備的通氣效率，實(shí)驗(yàn)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。.五。液體-微生物之間的質(zhì)量傳遞細(xì)胞所需基質(zhì)擴(kuò)散通過環(huán)繞它的邊界層，然后進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)行反響要弄清關(guān)鍵步驟是在細(xì)胞內(nèi)還是在細(xì)胞周圍這樣能預(yù)測流體物理特性可能對(duì)過程速率的影響.六。微生物活性對(duì)吸收率的增強(qiáng)作用在外表通氣攪拌罐中，當(dāng)質(zhì)量傳遞系數(shù)kl較小時(shí)，氧的吸收速率將被微生物的活性所增強(qiáng)，微生物的分布也是一個(gè)影響因素，尤其是當(dāng)外表濃度遠(yuǎn)大于主體內(nèi)的濃度時(shí)

.

在傳統(tǒng)的通氣罐