生物工程設備緒論省公開課金獎全國賽課一等獎微課獲獎課件

生物工程設備第一章緒論1/43緒論一、相關生物工程及發(fā)酵概念二、發(fā)酵工程在生物技術中地位三、生物反應過程特點四、生物工藝過程共性五、微生物工程產(chǎn)品類型六、本課程內容概述2/43一、相關發(fā)酵工程概念1.生物技術（又稱生物工藝學biotechnolog，有時又稱生物工程）

“應用自然科學及工程學原理，依靠生物作用劑（biologicalagents)作用，將物料進行加工以提供產(chǎn)品或為社會服務”技術(國際經(jīng)濟合作及發(fā)展組織1982年）生物作用劑也稱為生物催化劑

用載體，不溶于水、不易散失。屢次使用3/43生物技術與其它學科關系4/432.生物技術四大支柱5/433.發(fā)酵工程

又稱為“微生物工程”，是指利用微生物特定性狀，經(jīng)過當代工程技術，在生物反應器中生產(chǎn)有用物質一個技術。

當代微生物工程利用發(fā)酵對象除包含傳統(tǒng)天然微生物外，還包含動物和植物細胞、重組細胞、基因工程菌等。6/43微生物發(fā)酵

當前人們把借助微生物在有氧或無氧條件下生命活動來制備微生物菌體本身，或其直接代謝產(chǎn)物或次級代謝產(chǎn)物過程統(tǒng)稱為發(fā)酵。從耗氧情況分為：A厭氧培養(yǎng)生產(chǎn)過程，如酒精、乳酸、甘油、丙酸、丁酸等。B通氣（有氧）培養(yǎng)生產(chǎn)過程，如抗生素、氨基酸、核苷酸、酶制劑等。7/43二、發(fā)酵工程在生物技術中地位

——與基因工程其主要原理——應用人工方法把生物遺傳物質，通常是脫氧核糖核酸（DNA)分離出來，在體外進行切割、拼接和重組。然后將重組了DNA導入某種宿主細胞或個體，從而改變它們遺傳品性；或使新遺傳信息在新宿主細胞或個體中大量表示，以取得基因產(chǎn)物（多肽或蛋白質）。這種創(chuàng)造新生物并給予新生物以特殊功效過程就稱為基因工程，也稱DNA重組技術。（基因水平上遺傳工程）8/439/43在發(fā)酵工程應用基因工程育種將外源基因導入到微生物細胞，使后者取得前者一些優(yōu)良性狀或者利用后者作為表示場所來生產(chǎn)目標產(chǎn)物。因為微生物多為單細胞，結構簡單，是基因工程理想表示載體。所以很多來自于不一樣界別物種（人體、動物、植物等）基因都被成功地克隆到微生物細胞中并取得表示。所以而發(fā)展各種取得異源基因并表示異源基因產(chǎn)物微生物細胞（工程菌）都是新物種，都是微生物基因工程育種產(chǎn)物。10/43應用自1973年以來，世界上已用基因工程方法創(chuàng)造各種工程菌多得難以計數(shù)，僅用工程菌表示并已獲同意新藥品就有40各種。如：胰島素、干擾素和乙肝疫苗等。含有很高藥用價值。這些藥生產(chǎn)一直是經(jīng)過從人血或胚胎中提取，或從動物組織中提取類似物。利用基因工程方法從人或動物中分離出相關基因，經(jīng)過體外重組再轉入到微生物細胞中，使微生物細胞取得表示這些外源基因能力，成為新工程菌。經(jīng)過工程菌發(fā)酵來生產(chǎn)這些藥品，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。此為基因工程領域取得最顯著結果。11/43細胞工程與發(fā)酵工程細胞工程（cellengineering）是應用細胞生物學和分子生物學方法，借助工程學試驗方法或技術，在細胞水平上研究改造生物遺傳特征和生物學特征，以取得特定細胞、細胞產(chǎn)品或新生物體相關理論和技術方法學科。依據(jù)研究對象不一樣，細胞工程可分為動物細胞工程、植物細胞工程和微生物細胞工程12/43酶工程與發(fā)酵工程是利用酶、細胞器所含有特異催化功效，或對酶進行修飾改造，并借助生物反應器和工藝過程來生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品一項技術。酶工程與發(fā)酵：經(jīng)過微生物發(fā)酵得到淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。比如：枯草桿菌發(fā)酵生產(chǎn)α-淀粉酶之前，酶是從動物、植物、微生物細胞和組織中提取。

13/43發(fā)酵工程在生物工程中地位基因工程酶工程細胞工程發(fā)酵工程產(chǎn)物產(chǎn)品產(chǎn)品14/43發(fā)酵工程在生物工程中地位普通認為生物工程包含基因工程、細胞工程、酶工程和發(fā)酵工程其中基因工程最引人入勝，它能夠依據(jù)人們意愿創(chuàng)造新品種。細胞工程中原生質體融合技術也能有效改良生物性狀。然而結果或效益必須從成品來表達，基因重組和細胞融合取得微生物新品種，必須進行微生物發(fā)酵和產(chǎn)物分離純化過程，使之取得產(chǎn)品和經(jīng)濟效益才能表達出生物工程優(yōu)越性?？梢娀蚬こ毯图毎こ滩糠纸Y果離開發(fā)酵過程就無法最終表達出它新生命力。至于酶工程，當前多數(shù)含有工業(yè)化意義酶基本上都是微生物發(fā)酵取得。離開發(fā)酵過程，酶工程將成為無本之木，所以，酶工程與發(fā)酵工程有著十分親密依賴關系。所以，發(fā)酵工程是生物技術產(chǎn)業(yè)化基礎和歸宿，是生物工程四大支柱關鍵，不論傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品，如抗生素、氨基酸等，還是當代基因工程產(chǎn)品，如疫苗、人體蛋白質等，都需要經(jīng)過發(fā)酵技術進行生產(chǎn)。15/43生物技術發(fā)酵工程16/43三、生物反應過程特點1.生物反應過程其實質就是利用生物催化劑從事生物技術產(chǎn)品生產(chǎn)過程17/43組成部分：（1）原料預處理及培養(yǎng)基制備（2）生物催化劑制備（3）生物反應器及反應條件選擇（4）產(chǎn)品分離與純化輔助部分：生物催化劑：假如是酶，通常叫酶反應過程假如是生物細胞，則叫做發(fā)酵過程18/43菌種篩選搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗試驗室過程19/43

發(fā)酵工程

──利用微生物進行產(chǎn)品生產(chǎn)抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農藥、生物肥料等醫(yī)藥、輕工、食品、農業(yè)、環(huán)境保護、能源等行業(yè)基因工程藥品、疫苗及抗體產(chǎn)品化學工程生物化工生物加工行業(yè)傳統(tǒng)生物技術當代生物技術基因工程菌發(fā)酵20/43生物反應過程特點：通常在常溫常壓下進行，一個設備有各種用途；通常以糖蜜、淀粉為主要原料，無毒，無須精制；反應以生命體自動調整方式進行，所以數(shù)十個反應過程就象單一反應一樣，在發(fā)酵罐內進行；輕易得到復雜高分子化合物；因為生命體特有反應機制，能夠高度選擇性進行復雜化合物在特定部位氧化、還原及官能團導入等反應；制造發(fā)酵產(chǎn)物菌體本身就是發(fā)酵產(chǎn)品，富含維生素、氨基酸、酶等；發(fā)酵工業(yè)操作上必須預防雜菌污染；經(jīng)過微生物品種改良，能夠利用原有設備及生產(chǎn)條件提升產(chǎn)品質量及產(chǎn)量。21/43四、生物工藝過程共性（1）怎樣選擇作為培養(yǎng)基成份碳源、氮源、微量元素及生長因子等。（2）怎樣確定發(fā)酵級數(shù)，各級培養(yǎng)條件、過程控制參數(shù)。（3）怎樣預防生產(chǎn)過程雜菌污染，確保生產(chǎn)過程正常進行。（4）怎樣選擇適當產(chǎn)品提取、分離、純化工藝。22/43五、微生物工業(yè)產(chǎn)品類型

(發(fā)酵工程應用)1、以微生物細胞為產(chǎn)物發(fā)酵工業(yè)2、以微生物酶為產(chǎn)品發(fā)酵工業(yè)3、以微生物代謝產(chǎn)物為產(chǎn)品發(fā)酵工業(yè)4、生物轉化或修飾化合物發(fā)酵工業(yè)5、微生物特殊機能利用23/431、生產(chǎn)微生物細胞物質定義：是以取得含有各種用途微生物菌體細胞為目標產(chǎn)品發(fā)酵工業(yè)。包含單細胞酵母和藻類、擔子菌，生物防治蘇云金桿菌以及人、畜防治疾病用疫苗等。特點：細胞生長與產(chǎn)物積累成平行關系，生長速率最大時期也是產(chǎn)物合成速率最高階段，生長穩(wěn)定時產(chǎn)量最高。發(fā)酵食品：菌體蛋白（SCP）、乳酸菌、香菇類等生物藥品（農藥）：蘇云金桿菌（當前世界上用途最廣、產(chǎn)量最大微生物殺蟲劑）24/432、微生物酶發(fā)酵酶特點：易于工業(yè)化生產(chǎn)，便于改進工藝提升產(chǎn)量。分類：胞內酶和胞外酶生物合成特點：需要誘導作用，或受阻遏、抑制等調控作用影響，在菌種選育、培養(yǎng)基配制以及發(fā)酵條件等方面需給予注意。產(chǎn)品：淀粉酶、果膠酶、纖維素酶、糖化酶、蛋白酶、脂酶、膽固醇氧化酶等25/433、微生物代謝產(chǎn)物發(fā)酵包含初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物。對數(shù)生長久形成產(chǎn)物是細胞本身生長所必需，稱為初級代謝產(chǎn)物或中間代謝產(chǎn)物。各種次級代謝產(chǎn)物都是在微生物生長遲緩或停頓生長時期即穩(wěn)定時所產(chǎn)生。初級代謝產(chǎn)物：蛋白質、核酸、多糖、脂質等生命必需物質。

次級代謝產(chǎn)物：抗生素、生物堿、毒素、色素、生長因子等。26/434、微生物生物轉化定義：是利用生物細胞對一些化合物某一特定部位（基團）作用，使它轉變成結構相類似但含有更大經(jīng)濟價值化合物。最終產(chǎn)物是由微生物細胞酶或酶系對底物某一特定部位進行化學反應而形成。如：甾體轉化（羥基化反應

）氫化可松生產(chǎn)生物轉化工藝蘭色梨頭霉（新月彎孢霉

）11β-羥化能力將21-醋酸化合物S轉化成氫化可松。27/435、微生物特殊機能利用利用微生物消除環(huán)境污染（有毒廢棄物降解）

微生物對污染物降解和轉化作用，以到達控制和消除環(huán)境污染目標（假單孢菌屬降解腈綸廢水中丙烯腈）?！獙λ?、固廢物污染控制微生物工程微生物濕法冶金（氧化亞鐵硫桿菌自氧細菌)利用氧化亞鐵硫桿菌自氧細菌，把亞鐵氧化為高鐵、把硫和低價硫化物氧化為硫酸能力。將含硫金屬礦石中金屬離子形成硫酸鹽而放出來。用此法浸出金屬有：銅、鈷、鋅、鉛、鈾、金等28/43發(fā)酵工業(yè)范圍發(fā)酵工業(yè)包括范圍十分廣泛，而且越來越大，大致可分為下面14類：(1)釀酒工業(yè)(啤酒、葡萄酒、白酒等)(2)食品工業(yè)(醬油、食醋、酸乳、面包等)(3)有機溶劑發(fā)酵工業(yè)(酒精、丙酮、丁醇等)(4)抗生素發(fā)酵工業(yè)(青霉素、鏈霉素、土霉素等)(5)有機酸發(fā)酵工業(yè)(檸檬酸、乳酸、醋酸、葡萄糖酸)(6)酶制劑發(fā)酵工業(yè)(淀粉酶、蛋白酶等)(7)氨基酸發(fā)酵工業(yè)(谷氨酸、賴氨酸等)(8)核苷酸類物質發(fā)酵工業(yè)(肌苷酸、肌苷等)29/43(9)微生物發(fā)酵工業(yè)(維生素B2,Vc,VB12等)(10)生理活性物質發(fā)酵(激素等)(11)微生物菌體蛋白發(fā)酵(酵母、單細胞蛋白)(12)微生物環(huán)境凈化工業(yè)(污水、廢水處理)(13)生物能工業(yè)(沼氣、發(fā)酵酒精、乙烯等能源物質)(14)微生物冶金工業(yè)(微生物探礦、冶金、石油脫硫等)30/43本課程主要內容31/43

培養(yǎng)基配置滅菌設備發(fā)酵設備分離提純設備

空氣凈化原料預處理及固體物料輸送設備空氣凈化設備生物反應器放大離心與過濾蒸發(fā)與結晶干燥蒸餾好氧反應器嫌氣發(fā)酵罐動植物細胞培養(yǎng)反應器固體培養(yǎng)反應器32/43（二）各工序所包含基本設備：1、原料前處理設備：如除雜、粉碎、輸送、培養(yǎng)基制備（滅菌、液化、糖化）；2、生物反應器：種子罐、發(fā)酵罐；3、后處理設備：過濾、濃縮、干燥、結晶、蒸餾、離交、脫色、萃取等；4、輔助生產(chǎn)設備：無菌空氣系統(tǒng)、冷凍系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)；33/43（三）發(fā)酵設備分類1、專業(yè)設備：只用在生物工程專業(yè)上，如：、生物反應器（發(fā)酵罐、種子罐）、液化、糖化設備、連消設備；2、通用設備：除在本專業(yè)上使用外，在其它工業(yè)上也使用，如：泵、風機、粉碎機、管件、閥門、過濾、換熱設備。3、非標準設備：依據(jù)實際工藝需要定做，無統(tǒng)一標準，如：儲罐、計量罐等；34/43（四）發(fā)酵工程設備特點及要求1、設備特點：

a、在常溫、常壓或低壓下操作發(fā)酵溫度普通在25-45℃之間，滅菌普通在121-135℃，30分鐘。壓力：普通在3kg/m2b、無菌下操作，設備應考慮死角消除，確保不被污染。如：正壓操作、蒸汽密封、專用閥門等。c、設備結構應滿足工藝要求，如：通氣（攪拌）、PH調整、溫度、補料。（發(fā)酵罐）

d、制作材料應確保它耐受酸堿腐蝕。如：有機酸發(fā)酵罐可采取A3鋼內襯不銹鋼或橡膠、陶瓷、涂料。（紫銅）35/432、基本要求在滿足工藝要求、確保產(chǎn)品質量和收得率前提下，生產(chǎn)成本最低。

a、強度和剛度b、加工費用、運行費用（能耗、原料生產(chǎn)消耗、設備折舊）

c、生產(chǎn)能力：罐越大，投資越省、運行越穩(wěn)定，但不能染菌，不然損失慘重。d、設備利用率：利用率高，設備投資越省、設備生產(chǎn)能力越大、生產(chǎn)成本越低。36/43（五）生物工程設備發(fā)展趨勢1、設備材料越用越好：地缸、木桶水泥池碳鋼、低合金鋼優(yōu)質合金鋼2、發(fā)酵設備容積逐步增大：由傳統(tǒng)木桶200-400L逐步發(fā)展到現(xiàn)在:啤酒320m3、谷氨酸700m3、單細胞蛋白1500m3、廢水處理生化反應器27000m3。噴霧干燥塔由蒸發(fā)能力50kg/h發(fā)展到5000kg/h。37/433、自動化程度越來越高：由手動及人工看罐，發(fā)展到溫度、攪拌、風量、風壓、PH、溶氧、消泡、補料全部能夠進行自控，應用微機管理。4、設備趨于標準化：由自行設計、加工發(fā)展到廠家可提供標準圖紙及可訂購加工。5、工藝流程更簡單化：設備整合使得單元操作合并，縮短了工藝流程；先進設備應用，完全改變了原有復雜工藝流程。38/43如：L-乳酸發(fā)酵后提取工藝流程：發(fā)酵液中和過濾濃縮結晶過濾酸解過濾離交濃縮脫色高真空蒸餾L-乳酸改進后提取工藝流程：發(fā)酵液粗過濾微濾超濾

納濾分子蒸餾L-乳酸39/436、由分批生產(chǎn)向連續(xù)化生產(chǎn)過渡連續(xù)化生產(chǎn)同分批生產(chǎn)相比較，含有優(yōu)點操作簡單、生產(chǎn)能力大、

設備利用率高、（滅菌）