生物反應(yīng)工程原理課件

匯報(bào)人:AA2024-01-24生物反應(yīng)工程原理課件目錄CONTENCT生物反應(yīng)工程概述酶催化反應(yīng)原理微生物發(fā)酵過(guò)程原理細(xì)胞培養(yǎng)與基因工程原理生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)原理生物反應(yīng)過(guò)程檢測(cè)與控制原理01生物反應(yīng)工程概述01020304定義綜合性定量性應(yīng)用性生物反應(yīng)工程定義與特點(diǎn)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬等手段，對(duì)生物反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行定量描述和預(yù)測(cè)。涉及生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。生物反應(yīng)工程是應(yīng)用工程學(xué)原理和方法，研究生物體系內(nèi)各種生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及其調(diào)控機(jī)制的一門學(xué)科。廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、生物能源、生物環(huán)保、生物農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。生物醫(yī)藥生物能源生物環(huán)保生物農(nóng)業(yè)生物反應(yīng)工程應(yīng)用領(lǐng)域用于藥物設(shè)計(jì)、合成與優(yōu)化，以及疾病診斷與治療等方面。應(yīng)用于生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化與利用，如生物燃料生產(chǎn)、生物制氫等。用于廢水處理、固體廢棄物資源化利用、大氣污染控制等。應(yīng)用于作物育種、土壤改良、農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用等。學(xué)科交叉融合定量與系統(tǒng)研究智能化與自動(dòng)化綠色可持續(xù)發(fā)展生物反應(yīng)工程發(fā)展趨勢(shì)與合成生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等新興學(xué)科交叉融合，推動(dòng)生物反應(yīng)工程向更高層次發(fā)展。借助人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)過(guò)程的智能化與自動(dòng)化控制，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。加強(qiáng)定量與系統(tǒng)研究，揭示生物反應(yīng)過(guò)程的本質(zhì)和規(guī)律，為工程應(yīng)用提供理論支撐。注重綠色可持續(xù)發(fā)展理念，在生物反應(yīng)工程應(yīng)用中降低能耗和排放，提高資源利用效率。02酶催化反應(yīng)原理酶是一種生物催化劑，能夠加速生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。酶催化反應(yīng)具有高效性、專一性和溫和性等特點(diǎn)。酶的結(jié)構(gòu)與功能密切相關(guān)，其活性中心能夠與底物結(jié)合并催化反應(yīng)。酶催化反應(yīng)基本概念80%80%100%酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型描述酶催化反應(yīng)速率與底物濃度之間的關(guān)系，是酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)模型。反映酶與底物之間的親和力，是評(píng)價(jià)酶催化效率的重要指標(biāo)。某些物質(zhì)能夠抑制或激活酶的活性，影響酶催化反應(yīng)的速率和選擇性。米氏方程米氏常數(shù)抑制與激活溫度酶催化反應(yīng)速率隨溫度升高而加快，但過(guò)高溫度會(huì)導(dǎo)致酶失活。pH值酶的活性受pH值影響，不同酶的最適pH值不同。底物濃度底物濃度增加會(huì)提高酶催化反應(yīng)速率，但過(guò)高濃度可能導(dǎo)致底物抑制。抑制劑與激活劑某些物質(zhì)能夠抑制或激活酶的活性，從而影響酶催化反應(yīng)的進(jìn)行。影響酶催化反應(yīng)因素03微生物發(fā)酵過(guò)程原理微生物發(fā)酵定義發(fā)酵工程發(fā)酵類型微生物發(fā)酵過(guò)程基本概念通過(guò)優(yōu)化微生物發(fā)酵條件，提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量和質(zhì)量的工程技術(shù)。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物的不同，可分為酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵、抗生素發(fā)酵等。利用微生物的代謝活動(dòng)，將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為特定產(chǎn)物的生物化學(xué)過(guò)程。生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型描述微生物在發(fā)酵過(guò)程中的生長(zhǎng)規(guī)律，如Monod方程等。產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)模型描述目標(biāo)產(chǎn)物在發(fā)酵過(guò)程中的生成規(guī)律，如Luedeking-Piret方程等。底物消耗動(dòng)力學(xué)模型描述底物在發(fā)酵過(guò)程中的消耗規(guī)律，如底物消耗速率方程等。微生物發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型0102030405溫度pH值溶氧濃度營(yíng)養(yǎng)物濃度有害物質(zhì)影響微生物生長(zhǎng)速率、代謝活動(dòng)及產(chǎn)物穩(wěn)定性。影響微生物細(xì)胞膜的通透性、酶活性及產(chǎn)物穩(wěn)定性。影響微生物呼吸作用、能量代謝及產(chǎn)物合成。影響微生物生長(zhǎng)速率、代謝途徑及產(chǎn)物產(chǎn)量。影響微生物生長(zhǎng)、代謝及產(chǎn)物質(zhì)量，如重金屬離子、有機(jī)溶劑等。影響微生物發(fā)酵過(guò)程因素04細(xì)胞培養(yǎng)與基因工程原理培養(yǎng)基種類與選擇培養(yǎng)基是細(xì)胞生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來(lái)源，包括天然培養(yǎng)基、合成培養(yǎng)基和無(wú)血清培養(yǎng)基等。選擇培養(yǎng)基時(shí)需考慮細(xì)胞類型、培養(yǎng)目的和實(shí)驗(yàn)要求。細(xì)胞培養(yǎng)定義細(xì)胞培養(yǎng)是指在人工模擬體內(nèi)環(huán)境的條件下，使細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖并維持其結(jié)構(gòu)和功能的技術(shù)。細(xì)胞培養(yǎng)條件細(xì)胞培養(yǎng)需要適宜的溫度、pH值、滲透壓、氣體環(huán)境和無(wú)菌操作等條件，以維持細(xì)胞的正常生長(zhǎng)和繁殖。細(xì)胞培養(yǎng)基本概念與技術(shù)基因工程定義基因克隆技術(shù)基因表達(dá)調(diào)控基因工程是指通過(guò)改變生物體的遺傳物質(zhì)來(lái)創(chuàng)造新的性狀或生物類型的技術(shù)?；蚩寺∈腔蚬こ痰暮诵募夹g(shù)之一，包括DNA片段的獲取、載體的構(gòu)建、轉(zhuǎn)化與篩選等步驟?；虮磉_(dá)調(diào)控是基因工程的另一重要技術(shù)，通過(guò)改變基因的表達(dá)水平來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體性狀的調(diào)控?；蚬こ袒靖拍钆c技術(shù)細(xì)胞培養(yǎng)和基因工程技術(shù)在生物制藥領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，如生產(chǎn)疫苗、抗體、重組蛋白等生物藥物。生物制藥組織工程生物催化與轉(zhuǎn)化環(huán)境治理與生物修復(fù)利用細(xì)胞培養(yǎng)和基因工程技術(shù)可以構(gòu)建具有特定功能的組織或器官，為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供新的治療途徑。通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)和基因工程技術(shù)可以優(yōu)化生物催化劑的性能，提高生物轉(zhuǎn)化的效率和產(chǎn)物的純度。利用細(xì)胞培養(yǎng)和基因工程技術(shù)可以構(gòu)建具有特定功能的微生物菌群，用于環(huán)境治理和生物修復(fù)等領(lǐng)域。細(xì)胞培養(yǎng)與基因工程在生物反應(yīng)工程中應(yīng)用05生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用于微生物發(fā)酵過(guò)程。攪拌釜式生物反應(yīng)器利用氣體升力推動(dòng)液體循環(huán)，適用于需氧微生物培養(yǎng)。氣升式生物反應(yīng)器將細(xì)胞固定在載體上，提高細(xì)胞密度和產(chǎn)物濃度，適用于酶催化和細(xì)胞培養(yǎng)等過(guò)程。固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器結(jié)合膜分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的連續(xù)分離和細(xì)胞的截留，適用于高附加值產(chǎn)物的生產(chǎn)。膜生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器類型及特點(diǎn)了解微生物的生長(zhǎng)規(guī)律，確定合適的培養(yǎng)時(shí)間和溫度等參數(shù)。微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)分析反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)傳遞和熱量傳遞過(guò)程，選擇合適的攪拌速度、通氣量等參數(shù)。傳質(zhì)與傳熱根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的需求，選擇合適的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類型及材料。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)綜合考慮設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用及產(chǎn)物價(jià)值等因素，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。經(jīng)濟(jì)性生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)選擇依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略實(shí)例分析生物反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)例分析采用CFD模擬、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法，對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、操作條件等進(jìn)行優(yōu)化。以某生物制藥公司的生物反應(yīng)器為例，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)、操作條件等方面的優(yōu)化，提高了產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。具體優(yōu)化措施包括改進(jìn)攪拌槳形狀、優(yōu)化通氣分布器設(shè)計(jì)、調(diào)整培養(yǎng)溫度和pH值等。06生物反應(yīng)過(guò)程檢測(cè)與控制原理123包括pH值、溶氧、溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)的在線檢測(cè)，以及離線檢測(cè)如滴定法、比色法等。常規(guī)理化檢測(cè)方法利用光譜、熒光、化學(xué)發(fā)光等光學(xué)原理，對(duì)生物反應(yīng)過(guò)程中的物質(zhì)濃度、細(xì)胞生長(zhǎng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光學(xué)檢測(cè)方法基于生物分子識(shí)別元件與信號(hào)轉(zhuǎn)換器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物反應(yīng)過(guò)程中特定物質(zhì)或細(xì)胞狀態(tài)的快速、靈敏檢測(cè)。生物傳感器技術(shù)生物反應(yīng)過(guò)程檢測(cè)方法及技術(shù)01根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)調(diào)整操作條件如溫度、pH值、溶氧等，使生物反應(yīng)過(guò)程保持在最佳狀態(tài)。反饋控制02基于已知的生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和預(yù)測(cè)算法，提前調(diào)整操作條件以優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程。前饋控制03結(jié)合反饋和前饋控制策略，實(shí)現(xiàn)更精確、靈活的過(guò)程控制。復(fù)合控制生物反應(yīng)過(guò)程控制策略及方法生物反應(yīng)過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析根據(jù)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)溫度、pH值等關(guān)鍵參數(shù)的在線檢測(cè)和控制系統(tǒng)，提高酶反應(yīng)效率和產(chǎn)物質(zhì)量。酶反應(yīng)