生物反应工程-绪论本科PPT课件

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13ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
早期的青霉素生产技术
➢Research restricted due to WWII
➢Initially produced in milk bottles
➢Production shifted to America to avoid German bombs
Early penicillin culture facility at the Sir William Dunn Schoo. l of Pathology, Oxford, England. 14
反应速率的影响因素有哪些？
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40年代的青霉素 工厂
One of the first Penicillin factories
Terre Haute Indiana
June 1944
青霉素工业化生产了替代低效的 实验室生产方法，以满足军用需 求及少量的民用需求。
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青霉素工业化发酵 － 生物化学工程诞生
时间：20世纪40－60年代 大规模液体发酵罐 搅拌装置（搅拌桨、轴封） 通气装置（空气过滤、分散器） 灭菌装置（管路、阀门、罐内） 无菌状态（接种、采样、隔离） 控制装置（温度、pH、溶氧、消泡） 流加装置（碱、葡萄糖、前体） 目前规模：百吨至千吨级发酵罐
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固定化生物催化剂反应动力学 固定化酶催化反应动力学：反应物传质速率对酶 催化反应过程速率的影响。 固定化细胞反应动力学：反应物传质速率对细胞 反应过程速率的影响。
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生物反应器操作动力学
分批 连续 补料分批
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生物反应器
生物反应器的传递特性(传质、传热、动量 传递)
生物反应器的设计与放大
考试权重：
平时 30 %； 期末考试 70 %； （闭卷考试）
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各章学时分配
总学时 46
绪论：2 第一章 酶催化反应动力学：8 第二章 细胞反应动力学：8 第三章 固定化生物催化剂反应过程动力学：6 第四章 生物反应器的操作模型：6 第五章 生物反应器的传递特性 6 第六章 生物反应器的混合特性 4 第七章 生物反应器的设计与放大 6
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反应器的类型
搅拌槽式反应器 管式反应器 气体搅拌塔式反应器（气升式反应器） 动、植物细胞培养反应器
贴壁培养
光合作用
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Stirred tank reactor
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Air lift reactor
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生物反应器的优化与控制
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讨论
说说你知道的生物反应器有哪些类型？
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绪论
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0.1 生物反应过程的主要特征
生物技术：应用自然科学和工程学原理， 依靠生物催化剂的作用，将物料进行加工 或为社会服务的技术。
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典型的生物产品生产过程
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生物反应过程特点
采用生物催化剂 独特反应特性 反应条件温和 原料为可再生资源 细胞反应连续操作困难 分离复杂，产物浓度较低
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工程放大
小试 摇瓶试验
工业化生产
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中试
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青霉素分离流程图
青霉素发酵液，过滤，溶剂萃取，活性炭处理，过滤去. 除炭，结晶，晶体过滤，晶体洗涤，晶体过滤和1干8 燥。
20世纪后期（1970～80年）生物反应工程学科的 形成：英国学者阿特金逊（1971）首次提出生化 反应工程。
20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断融合、 发展。
生物学
工程学
生物化工 (生物反应工程)
化学
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The Story of Penicillin
Alexander Fleming
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Penicillin Inhibits the Bacterial Growth
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More Penicillin = More Life Survived
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0.3 生物反应工程的重点内容
建立反应动力学
酶反应动力学 细胞反应动力学 固定化催化剂反应动力学 反应器操作动力学
生物反应工程
生物反应器操作
选择与设计反应器 生物反应器传递与混合
生物反应器放大
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需要的前提知识
生物工艺学
化工原理
物理化学(化学反应动力学)
高等数学(微积分)
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生物反应过程动力学
研究生物反应过程的速率及其影响因素
包括两个层次
本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力学）
传递因素
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生物反应过程动力学的几个方面
均相酶催化反应动力学：分子水平描述动力学， 由反应机理建立模型方程，模型参数具有明确的 物理意义。
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细胞反应动力学
结构模型：考虑胞内组成变化和代谢网络，反映 胞内部分本质和机理。 黑箱模型：完全经验模型，不考虑过程机理，模 型不具有明确的物理意义。 非结构模型：理论定量与经验公式结合，状态变 量与模型参数有限，模型参数具有明确的物理意 义。
生物反应工程
参考书：
Shuler M L and Kargi F. Bioprocess Engineering, Prentice Hall Press, 2002, New Jersey. 戚以政, 汪叔雄. 生化反应动力学与反应器. 化学工业 出版社, 北京. 日本 山根恒夫《生物反应工程》
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0.2 生物反应工程学的任务
生物反应工程：以生物反应动力学为基础, 将传递过程等化学工程原理与方法和生物反 应过程特点结合，研究生物反应器的设计、 放大和生物反应过程的优化操作与控制的学 科。（生物反应过程开发涉及的内容）
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将实验室的研究成果放大到工业规模装置上 进行工业化生产。（生物反应过程开发的过程） 多学科交叉 （生物反应工程学涉及的学科）