生物工程设备2011ppt课件
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生物工程设备 ppt课件
4 生物工程设备
生物工程：用生物体或其组成成分在最适条件下产生有 益产物及进行有效生产过程的技术。
生物工程包括五大工程，即遗传工程(基因工程)、细胞 工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应 器工程。
在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞 株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表 达超远缘性状的新物种——“工程菌”或“工程细胞株”。
列文∙虎克发现细胞，罗伯特∙胡克发明”cell”，德国的植物学 家施莱登和动物学家施旺证明了细胞是动植物的基本单位 ；
1897年德国的毕希纳发现被磨碎后的酵母细胞仍可进行酒精 的发醉，并认为这是酶的作用，并于1907年因此发现而获得 诺贝尔化学奖；
德国的科赫首先用染色法观察了细菌的形态，并发现了结核
美国的生化学家萨姆纳说明酶是一类蛋白质，在1946年和他 的同事共获诺贝尔化学奖；
我国微生物学家尹光琳等在20世纪70年代完成 维生素C微生物二步转化的方法。
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4 生物工程设备
③ 现代生物技术——基因工程技术，按人们意愿设计，通 过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。
1865年奥地利人孟德尔提出了经典的遗传学说；
一个优良的生物反应器应具有良好的传质、传热和 混合的性能；结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护 方便；有可靠的检测和控制仪表；搅拌及通气所消耗的 动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。
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4.1.1 微生物反应器
发酵罐——进行大规模悬浮培养微生物的反应器。 工业微生物发酵多为好氧发酵，因此发酵罐多采用通气 和搅拌方式来增加氧在培养液中的溶解。 发酵罐的类型：机械搅拌型、外部液体循环式、气升式
生物工程：用生物体或其组成成分在最适条件下产生有 益产物及进行有效生产过程的技术。
生物工程包括五大工程，即遗传工程(基因工程)、细胞 工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应 器工程。
在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞 株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表 达超远缘性状的新物种——“工程菌”或“工程细胞株”。
列文∙虎克发现细胞，罗伯特∙胡克发明”cell”，德国的植物学 家施莱登和动物学家施旺证明了细胞是动植物的基本单位 ；
1897年德国的毕希纳发现被磨碎后的酵母细胞仍可进行酒精 的发醉，并认为这是酶的作用，并于1907年因此发现而获得 诺贝尔化学奖；
德国的科赫首先用染色法观察了细菌的形态，并发现了结核
美国的生化学家萨姆纳说明酶是一类蛋白质，在1946年和他 的同事共获诺贝尔化学奖；
我国微生物学家尹光琳等在20世纪70年代完成 维生素C微生物二步转化的方法。
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4 生物工程设备
③ 现代生物技术——基因工程技术，按人们意愿设计，通 过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。
1865年奥地利人孟德尔提出了经典的遗传学说；
一个优良的生物反应器应具有良好的传质、传热和 混合的性能；结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护 方便；有可靠的检测和控制仪表；搅拌及通气所消耗的 动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。
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4.1.1 微生物反应器
发酵罐——进行大规模悬浮培养微生物的反应器。 工业微生物发酵多为好氧发酵，因此发酵罐多采用通气 和搅拌方式来增加氧在培养液中的溶解。 发酵罐的类型：机械搅拌型、外部液体循环式、气升式
生物工程设备第一章生物质原料处理过程与设备
图1-27
搅拌槽式混合机
图1-29 回转原板式混合机
ZX型双锥高效混合机
CH-系列单浆槽式 混合机
CH-系列双浆槽式 混合机
锥形混合机：锥形内的螺旋推进器既公转也自转。自转使物料自 底部上升，公转作用使物料全范围内产生漩涡和上下循环运动。 流动型混合机：高速回转的搅拌叶对物料产生剪切和离心作用， 形成对流混合。
力大于所受的离心力时落下，对物料产生撞击，同时靠近筒 壁的物料也可为圆球所研磨，转速过快和过慢都没有撞击作
用，粉碎效果差。
通常，球磨机的合适转速可按下式求得：
n
32 D
D —— 转筒直径（m）用鹅卵石。
球磨机
湿法粉碎设备
剪切面 (a)
循环 流
扩散
剪断面 输送 (b)
循环流
图1-25 混合器内混合机理
（2）混合设备 a.回转型混合机
水平圆筒型混合机与倾斜圆筒型混合机
水平圆筒型
倾斜圆筒型
V型
双锥型
立方体型
图1-26
回转型混合机的型式
水平圆筒型混合机仅靠扩散作用混合，效率低。倾斜圆筒型 混合机混合效果较好，有两种倾斜方式，两轴心重合并与水平面 成一定角度，物料作螺旋混合。另一种是圆筒轴和旋转轴成一角 度，物料呈复杂的环状移动。
生物质原料为什么要进行预处理?预处理 包括哪些内容?
机械粉碎的5种形式（5种粉碎力）：挤 压、冲击、研磨、劈力和剪切。 常用的粉碎设备 筛选除杂设备
再见！
第一篇 生物质原料处理设备
第一章 生物质原料处理过程与设备
内容
第一节 生物质原料筛选与分级
第十一章生物工程设备课件
第十章 干燥过程与设备
第一节 气流干燥 第二节 喷雾干燥 第三节 沸腾干燥与沸腾造粒干燥 第四节 真空干燥和真空冷冻干燥
概论
利用热能除去固体物料中湿份的单元操 作
产品生产最后工序
常用方法：对流干燥、冷冻干燥、 真空干燥、微波干燥等
主要内容：干燥设备和计算
分类方式
热能传递给湿物料的方式：直接干燥、 间接干燥、介电加热干燥
式中 D——干燥管的直径，m。
第二节 喷雾干燥
喷雾干燥：利用喷雾器将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状，形成具 有较大表面积的分散微粒同热空气发生强烈的热交 换，迅速排除本身的水分，在短时间内获得干燥 。
压力喷雾法（又称机械喷雾法）：利用往复运动的高压泵
气流喷雾法：依靠的压缩空气通过喷嘴时产生的高速度，将液 体吸出并雾化
一、气流干燥流程与设备
概念：
把含有水的块状或粉粒状物料，通过适当的方法使它们分散到热空气中， 在与热气流并流输送的同时进行干燥而获得粉状干燥制品的过程。
流程：
湿物料
加料斗
器
固体产品
风机排走废气经
加料器 锁气管
气流干燥管 出口9卸出，
分离
二、气流干燥器的型式 （一）按照加料方式分类
直接加料型
t 1 ，t 2
2 ——进入和离开干燥器的热空气的温度，℃；
——干燥时的微粒的温度，即湿球温度。
空气传给物料的热量可用下列公式计算：
Q 'Q Q 损 -L (I2'-I0)
Q ——空气加热器的热损失，kJ/h，；
Q 损 ——干燥器的热损失，kJ/h； I 2 ' ——当初始空气湿含量为，离开干燥器的温度为时的热焓量。 I 0 ——初始空气的热焓量，kJ/h；
第一节 气流干燥 第二节 喷雾干燥 第三节 沸腾干燥与沸腾造粒干燥 第四节 真空干燥和真空冷冻干燥
概论
利用热能除去固体物料中湿份的单元操 作
产品生产最后工序
常用方法：对流干燥、冷冻干燥、 真空干燥、微波干燥等
主要内容：干燥设备和计算
分类方式
热能传递给湿物料的方式：直接干燥、 间接干燥、介电加热干燥
式中 D——干燥管的直径，m。
第二节 喷雾干燥
喷雾干燥：利用喷雾器将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状，形成具 有较大表面积的分散微粒同热空气发生强烈的热交 换，迅速排除本身的水分，在短时间内获得干燥 。
压力喷雾法（又称机械喷雾法）：利用往复运动的高压泵
气流喷雾法：依靠的压缩空气通过喷嘴时产生的高速度，将液 体吸出并雾化
一、气流干燥流程与设备
概念：
把含有水的块状或粉粒状物料，通过适当的方法使它们分散到热空气中， 在与热气流并流输送的同时进行干燥而获得粉状干燥制品的过程。
流程：
湿物料
加料斗
器
固体产品
风机排走废气经
加料器 锁气管
气流干燥管 出口9卸出，
分离
二、气流干燥器的型式 （一）按照加料方式分类
直接加料型
t 1 ，t 2
2 ——进入和离开干燥器的热空气的温度，℃；
——干燥时的微粒的温度，即湿球温度。
空气传给物料的热量可用下列公式计算：
Q 'Q Q 损 -L (I2'-I0)
Q ——空气加热器的热损失，kJ/h，；
Q 损 ——干燥器的热损失，kJ/h； I 2 ' ——当初始空气湿含量为，离开干燥器的温度为时的热焓量。 I 0 ——初始空气的热焓量，kJ/h；
生物工程设备_第六章生物反应器的比拟放大
二 生物反应器放大方法
• 生物反应器的传递现象与控制受： 对流和扩散控制 • 对流传递过程的时间常数为： tf=L/v
• 式中 度,m/s L-反应器特征尺寸，m v----反应溶液对流运动速
• 反应器放大前后传递时间常数tf与反应转化常数tc（tc是基质浓度与反应 速度的比值）之比值维持不变，则放大前后反应器的性能可维持不变 • 对剪切敏感易受伤的细胞，放大过程还必须检测生物细胞对剪切作用的 影响
过程的模型
图7-1 数学模拟放大方法示意图
生物反应器的放大目的及方法
•经验放大原则
表2 通气发酵罐放大准则
放大准则 维持P0/V不变 维持kLa不变 所占比例(%) 30 30 放大准则 维持搅拌器叶尖线速度不变 维持培养液溶氧浓度不变 所占比例(%) 20 20
第二节 通气发酵罐的放大设计
• 一 机械搅拌通气发酵罐的经验放大法
通风发酵罐的放大设计
机械搅拌通风发酵罐的经验放大 • 以体积溶氧系数kLa(或kd)相等为基准的放大法 高好氧发酵通常应用等kLa的原则进行反应器放大 通气搅拌发酵罐的主要参数及计算公式：
（1）不通气的搅拌功率P0＝NPρN3Di5
（2）通气搅拌功率Pg＝2.25×10-3（ P0 NDi3/Q0.08)0.39
• 式中 Q-----通气量, ml/min • n-----搅拌叶轮组数 • vs----空截面空气流速 • N----搅拌转速，r/min • Po.Pg--------不通气和通气搅拌功率,kW • 剪切强度视发酵液视湍流还是层流，层流时正比于 μN，湍流时正比于ρ （NDi）2 • 在实际生物反应器的放大过程，是应用亚硫酸钠氧化法的kla值相等的原则
p g 2.25 10 3 P02 nDi3 / Q 0.08
生物工程设备课程设计课件1PPT课件
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2.2 蛇管换热装置
根据工艺要求温度、总散热量等确定冷却装置 （设管、列管等）的冷却面积、管径、长度、高 度等参数。
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无挡板的涡轮搅拌反应器
蛇管中径与容器直径之比
Dc/D=0.80; 蛇管高度与容器直径之比
Lc/D=1.00; 蛇管管子外径与蛇管中径之比
Dco/Dc=0.042; 每圈蛇管之间距与蛇管管子外 径之比Sc/dco=1.0; 蛇管距器底的高度与容器直径 之比Hc/D=0.10。
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3. 发酵罐搅拌装置设计
搅拌装置由搅拌器、轴及其支承组成。搅拌器的形式主要 有：桨式、推进式、涡轮式等，一般在设计任务书中给定。
当搅拌器型式确定后，设计的主要内容是确定搅拌器直径、 搅拌器与搅拌轴的连接结构，进行搅拌轴的强度设计和临 界转速校核，选择轴的支承结构。
搅拌器的直径Dj与发酵罐D1内径之比根据文献推荐值选取。
（2）培养学生对生物工程设计的技能以及独立分析问题、解决问题 的能力。树立正确的设计思想，掌握机械搅拌通风生物反应器设计的 基本方法和步骤，为今后创造性设计生物反应器和相关技术改造工作 打下一定的基础。
（3）培养学生熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、 标准、图册等设计技术资料；进一步培养学生识图、制图、运算、编 写设计说明书等基本技能；完成作为工程技术人员在机械设计方面所 必备的设计能力的基本训练。
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1 罐体的设计
1．1 罐体的结构设计
罐体由顶盖、筒体和罐底组成，通过支座安装在基础
或平台上，罐底通常采用椭圆形封头，顶盖在受压状态下
操作，常选用椭圆形封头，对直径较小的种子罐，顶盖可
生物工程设备 第一章 绪论ppt课件
精选ppt
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实验室过程
菌种筛选
发酵罐试验
摇瓶试验
精选ppt
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发 酵 工 程 ── 利用微生物进行产品生产
传统生物技术
抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、 有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、 生物农药、生物肥料等
现代生物技术 基因工程菌发酵
基因工程药物、疫苗及抗体产品
医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业
次级代谢产物：抗生素、生物碱、毒素、色素、生长因子 等。
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4、微生物的生物转化
定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部 位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具 有更大经济价值的化合物。
最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一 特定部位进行化学反应而形成的。
如：甾体转化（羟基化反应 ）氢化可的松生产的生物转化 工艺 兰色梨头霉（新月弯孢霉 ）的11β-羟化能力将 21-醋酸化合物S转化成氢化可的松。
化学工程 生物化工 精选ppt 生物加工行业
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生物反应过程的特点：
通常在常温常压下进行，一种设备有多种用途； 通常以糖蜜、淀粉为主要原料，无毒，不必精制；
反应以生命体的自动调节方式进行，因此数十个反应 过程就象单一反应一样，在发酵罐内进行；容易得到 复杂的高分子化合物；
由于生命体特有的反应机制，能够高度选择性的进行 复杂化合物在特定部位的氧化、还原及官能团的导入 等反应；
产品：淀粉酶、果胶酶、纤维素酶、糖化酶、蛋白酶、 脂酶、胆固醇氧化酶等
精选ppt
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3、微生物代谢产物发酵
包括初级代谢产物和次级代谢产物。
对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需 的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。
生物工程设备课程分析26页PPT
1. 课程内容设计
生物反应器设计 基础
通气发酵设备
嫌气发酵设备 植物细胞（组织） 和动物细胞培养反
应器
生物反应器的检测 及控制
知识教学单元
生物反应器的化学计量和生物学基础；生 物反应器的质量和热量传递；生物反应器 的剪切力问题 机械搅拌通气、气升式和自吸式发酵罐； 通气固相发酵设备 酒精和啤酒发酵设备及连续发酵
课程概况
4. 课程在支撑培养规格要求的知识、能力和 素
质结构方面的作用
通过《生物工程设备》的学习，使学生掌握不同类型的生物产品 生产设备的结构及工作原理，培养学生如何应用这些基本理论去分析 和解决生产过程中具体问题的能力，培养学生改造原有生产过程使其 更符合客观规律的创新能力，培养学生的工程化理念及素质。
蒸发与结晶设备
干燥设备
固体物料的处理与粉碎设备；液体培养基 的制备及灭菌设备
过滤速度的强化；过滤设备；离心分离设 备；膜分离设备
萃取分离方法及设备；离子交换分离原理 及设备；吸附分离方法及设备；色谱分离 方法及设备
常压与真空蒸发设备；结晶设备
物料干燥过程及生物制品干燥的特点；非 绝热干燥设备；绝热干燥设备；冷冻干燥 及其他干燥设备
教师姓名 李瑞
常允康
本科专业 生物工程 生物工程
本科学位 工学学士 工学学士
研究生专业 化学工程与技术
生物工程
研究生学位 工学博士 工学硕士
职称 讲师 讲师
教学内容及条件
4. 教材及参考资料的选 取
教材选用高等学校专业教材《生物 工程设备》（该书由梁世中主编，中国 轻工业出版社，2019年6月出版），教 材内容和课程教学配合密切，教材内容 以通俗易懂的方式强调了生物工程设备 结构及工作原理的基础知识，列举了大 量理论与实际相结合的应用案例，使学 生不仅学到专业知识而且培养分析问题 和解决问题的能力。
生物工程设备第一章
1.1 培养基的灭菌设备
培养基的热灭菌动力学 在一定温度下，活的微生物杂菌细胞 （包括杂菌芽孢），受热死亡过程遵照 分子反应速度理论，与一级化学反应中 未反应分子的减少速度类似。杂菌是一 个复杂的高分子体系，其受热死亡是因 蛋白质高分子物质不活泼，结果导致蛋 白质变性，这种反应同属于一级反应。
辊式粉碎机 辊式粉碎机广泛应用于颗粒状物料的中碎和细 碎。常用的有两辊式、四辊式、五辊式和六辊 式等。 （1）两辊式粉碎机 两辊式粉碎机如图所示，主要的工作构件为两 个直径相同，相向转动的钢辊，辊筒表面形状 有表面光滑的、表面有齿的和表面有凸棱或凹 槽的。粉碎机工作时，把放在钢辊间的物料夹 住拖入两辊之间，物料受到挤压而破碎。两个 辊子中，一个固定，一个辊筒轴承座可以前后 移动，用以调节两辊筒间距，控制粉碎度。
两辊式粉碎机
多辊式粉碎机 为了用一台粉碎机达到下一步生产要 求的粉碎度，同时提高生产能力，往往 使用四辊、五辊、六辊带筛分的辊式粉 碎机。如图所示。
四辊式粉碎机
五辊式粉碎机
六辊式粉碎机
湿式粉碎机 为了避免干法粉碎危害工人的身体健康，在某 些产品的生产过程中，采用湿法粉碎操作。所 使用的机器称为湿式粉碎机。湿式粉碎机主要 包括：输料装置、加料器、粉碎装置和加热器 等，粉碎可采用一级或二级粉碎（两台粉碎机 串联使用）。 砂磨机是湿法粉碎过程中常用的一种机器。工 业上用的砂磨机有盘式砂磨机、双轴立式砂磨 机等。图1-12是德国DRISWERKE公司生产的 PM-DCP型砂磨机，主要由转子、定子、分离 装置、传动装置、液压系统及控制系统组成。
薄板换热器连续灭菌流程
培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维 持及冷却过程。 利用薄板换热器进行连续灭菌时，加热和冷却
生物工程设备.pptx
2，分批灭菌的优缺点
优点
设备投资较少 染菌的危险性较小 人工操作较方便 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜
缺点
灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷 波动大，一般只限于中小型发酵装置。
五、影响灭菌的因素
培养基成分对灭菌的影响
油脂，糖类及一定浓度的蛋白质可增加微生 物的耐热性，另一些物质，如高浓度的盐类， 色素等可削弱其耐热性。
5，灭菌的方法 化学法
化学药品灭菌法
物理法
干热灭菌法 湿热灭菌法 射线灭菌法
6，湿热灭菌的原理
每一种微生物都有一定的最适生长温度范 围。当微生物处于最低温度以下时，代谢 作用几乎停止而处于休眠状态。当温度超 过最高限度时，微生物细胞中的原生质胶 体和酶起了不可逆的凝固变性，使微生物 在很短时间内死亡，加热灭菌即是根据微 生物这一特性而进行的。
培养基的物理状态对灭菌的影响
培养基中微生物数量对灭菌的影响
培养基中氢离子浓度对灭菌的影响
培养基中氢离子浓度直接影响灭菌的效果。 培养基的 酸碱度越大，所需杀灭微生物的 温度越低。
微生物细胞中水分对灭菌的影响
细胞含水越多，蛋白质变性的温度越底
微生物细胞菌龄对灭菌的影响
老细胞水分含量低、低龄细胞水分含量高
空气排除情况对灭菌的影响 搅拌对灭菌的影响 泡沫对灭菌的影响
在发酵过程中，往往要向发酵罐中补入各种不 同的料液。这些料液都必需经过灭菌。
灭菌的方大，而具有连续性时，则采用连 续灭菌较为合适。
也有利用过滤法对另补料液进行除菌。
补料液的分批灭菌，通常是向盛有物料的容器 中直接通入蒸汽。
3，培养基灭菌的目的
杀灭培养基中的微生物，为后续发 酵过程创造无菌的条件。
生物工程设备 第四章生物反应器(1)
按供氧：厌氧/好氧微生物细胞反应器（发酵罐）
按反应器所需的混合与能量输入方式：
过机械搅拌输入能量的搅拌型发酵罐 利用气体喷射动能的气升式发酵罐和 用泵对液体的喷射作用使液体循环的喷射环流式发酵 罐等。
按反应器的操作方式：间歇式生物反应器、连续式生 物反应器和半间歇式生物反应器。
按生物催化剂在反应器中的分布方式：可以 分为生物团块反应器和生物膜反应器。 按反应物系在反应器内的流动和混合状态： 全混流型生物反应器和活塞流型生物反应 器。 按发酵培养基质的物料状态：液态生物反应 器与固态生物反应器。
3、发酵罐的结构 （1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接 种管和压力表接管。 罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温 度计管和测控仪表接口。
小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于 清洗和配料 材料为碳钢或不锈钢，可用衬不锈钢或复合不锈钢， 衬里不锈钢厚度2-3mm，耐压0.25MPa，壁厚取决 于罐径和罐压。 受内压壁厚计算：
通风量在0.02～0.5ml/s时，气泡直径与空气喷口 直径的1/3次方成正比，也就是喷口直径越小，气 泡直径越小，而氧气的传质系数也越大。但是生 产实际的通风量均超过上述范围，此时气泡直径
与风量有关，而与喷口直径无关，所以单管
的分布装臵的分布效果不低于环形管。
(7)轴封
防止染菌和泄漏。搅拌轴的密封为动密封，基本要
机械搅拌通风式生物反应器光照式生物反应器大型啤酒发酵罐内容第一节机械搅拌式生物反应器第二节气升式生物反应器第三节鼓泡塔生物反应器第四节膜生物反应器第五节动植物细胞培养装臵和酶反应器第六节微藻培养反应器第七节嫌气生物反应器第八节固态发酵生物反应器生物反应器的作用生物反应器是生物反应过程中的主要设备在生物反应过程中具有中心的作用是实现生物技术产品产业化的关键设备
《生物工程》课件
酶的稳定性
酶在一定的条件下可以保持 稳定，但在某些条件下可能 会失活。
酶工程的基本技术
01
酶的分离与纯化
通过物理、化学或生物的方法将 酶从原料中分离出来，并进行纯
化，得到高纯度的酶。
03
酶的修饰
通过化学或基因工程技术对酶进 行修饰，以提高其稳定性、改变 其催化特性或降低生产成本。
02
酶的固定化
将游离酶或细胞固定在一定载体 上，使其保持活性并可重复使用
总结词
细胞工程的应用包括制备单克隆抗体、干细胞治疗、 转基因动物和植物的培育等。
详细描述
制备单克隆抗体是细胞工程的重要应用之一，通过杂 交瘤技术将免疫细胞与肿瘤细胞融合，制备出能够产 生单一抗体的杂交瘤细胞。干细胞治疗是利用干细胞 的分化能力，将干细胞移植到病变组织中，以修复和 替代受损的细胞和组织。转基因动物和植物的培育是 通过基因转移技术，将外源基因导入动物或植物的受 精卵中，培育出具有新性状的转基因动物或植物。
资源环境问题
生物工程在生产过程中可能产生环境 污染和资源浪费问题。
如何应对生物工程的挑战
加强伦理道德规范
制定严格的伦理道德规范，确保生物工程技 术的合理应用。
加强技术监管
建立完善的技术监管体系，防止技术误用或 滥用。
完善知识产权制度
制定合理的知识产权制度，保护创新成果， 促进技术转移转化。
推动可持续发展
04
CATALOGUE
酶工程
酶工程的定义与原理
酶工程的定义
酶工程是利用酶的催化性质 ，通过生物技术手段将原料 转化为有用物质的一门技术 。
酶工程的基本原理
酶是一种具有高效催化能力 的蛋白质，能够在温和的条 件下催化化学反应，具有高 度的专一性和选择性。
《生物工程》PPT课件
该技术的基本原理是植物细胞的全能性。珊已得到 广泛的应用。如繁殖名贵优良的农作物品种，培养脱毒 苗等。
完整版课件ppt
17
细胞工程的应用
• ３、试管婴儿
是指将精子和卵子从人体内取出来，在人工 提供的生活条件下（通常是试管内）进行受精， 并让其发育到一定的阶段形成早期胚胎，再将其 移植到“代理母亲”的子宫内继续发育，直至诞 生。
完整版课件ppt
23
细胞工程应用例1、多莉羊答案3
⑶白色、多莉羊的全部核 基因来自白色绵羊。
完整版课件ppt
24
细胞工程应用例1、多莉羊答案4
⑷全能性
完整版课件ppt
25
细胞工程应用例1、多莉羊答案5
⑸保护濒危物种，繁育优育 品种，医学上克隆器官等。
完整版课件ppt
26
完整版课件ppt
27
9
•酶工程的内容
酶的生产、提取和分离纯化
制成酶制剂 直接利用
制成固定化 酶后利用
酶制剂生产
用于治疗疾病 用于加工和生产
一些产品 用于化验诊断和
水质监控 用于生物工程其
他分支领域
酶制剂的应用
应用
糖尿试纸 酶传感器
葡萄糖氧化酶，过氧化氢酶， 无色化合物
固定化酶膜，变化器
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10
发酵和发酵工程的概念
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13
微生物的生长
调整期：体积增大，合成微生物所需要的各 种酶、ATP
及细胞组成成分（初级代谢产物）
对数期：细胞数目以等比数列的形式增加，
获得菌种
稳定期：微生物数量最多，获得次级代谢产
物的时期
衰亡期：细胞出现畸形，多种形态，开始裂
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细胞工程的应用
• ３、试管婴儿
是指将精子和卵子从人体内取出来，在人工 提供的生活条件下（通常是试管内）进行受精， 并让其发育到一定的阶段形成早期胚胎，再将其 移植到“代理母亲”的子宫内继续发育，直至诞 生。
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细胞工程应用例1、多莉羊答案3
⑶白色、多莉羊的全部核 基因来自白色绵羊。
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细胞工程应用例1、多莉羊答案4
⑷全能性
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细胞工程应用例1、多莉羊答案5
⑸保护濒危物种，繁育优育 品种，医学上克隆器官等。
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9
•酶工程的内容
酶的生产、提取和分离纯化
制成酶制剂 直接利用
制成固定化 酶后利用
酶制剂生产
用于治疗疾病 用于加工和生产
一些产品 用于化验诊断和
水质监控 用于生物工程其
他分支领域
酶制剂的应用
应用
糖尿试纸 酶传感器
葡萄糖氧化酶，过氧化氢酶， 无色化合物
固定化酶膜，变化器
完整版课件ppt
10
发酵和发酵工程的概念
完整版课件ppt
13
微生物的生长
调整期：体积增大，合成微生物所需要的各 种酶、ATP
及细胞组成成分（初级代谢产物）
对数期：细胞数目以等比数列的形式增加，
获得菌种
稳定期：微生物数量最多，获得次级代谢产
物的时期
衰亡期：细胞出现畸形，多种形态，开始裂
生物工程设备ppt课件
• 传质
• 气-液传质 • 液体-微生物传质
• 传热 • 剪切力问题
16
生物反应器设计基础
• 生化反应的特点：活细胞
•
多营养成分
•
多途径代谢
•
催化剂为蛋白质组分的酶
• 因而质量和能量守恒定律间的关系复杂
17
18
生物反应器设计基础
• 三者关系： • 化学计量学是反应器设计的关键之一，
为介质的合理设计提供基本数据 • 质量衡算和化学计量关系可判断过程运
2.6
23
式中σ－合成单位细胞的基质消耗速率；π－单位细胞的产物生产率。
• 若知道得率，可得所需氨量和氧量，及所 产生的CO2和水
• 同样进气，排气和氮消耗量的测量有助于 确定得率
• 其他： • 根据基质和产物的还原度列出电子平衡方程 • 根据ATP的形成与产率相关(生物量直接与
行的好坏，并获得间接测量的数据 • 最后结合热力学关系，可推断出给定系统
的得率
19
生物反应的质量衡算
• 细胞反应的元素衡算：
营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等） CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
• 还原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。
化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1
细胞： 基质：
b s
4 p 2n 4 m 2l
3q (2.2)
产物： p 4 y 2s 3t
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第一节 培养基的准备与要求
• 培养基：供特定的微生物、动物细胞、植物细胞、 细胞组织、微藻生物等进行生长、繁殖、代谢和合 成产物需要的，按一定组成比例配制而成的营养物 质。 • 培养基按其配方成分可以分成天然培养基和合成培 养基。 天然培养基：一类具体成分不十分明确的天然 产品，大部分是农产品。 合成培养基：一类完全明确的化学成分物质配 制组成。
（2）纯种培养技术的成熟—初级代谢产物 生产阶段 该阶段的特点： ◆发酵产品属于初级代谢产物； ◆生产过程简单，生产规模小； ◆对发酵设备要求不高。
酱油固态发酵生产
（3）通气搅拌技术的成熟——好氧培养阶段 该阶段的特点： ◆生物和化工的交叉学科——生化工程 诞生。 ◆发酵工程在微生物学、生物化学、生 化工程三大学科基础上迅速形成一个完整的体 系，促进抗生素工业、酶制剂工业和有机酸工 业迅速发展。 ◆研制出大型的带机械搅拌和无菌通气 装置的发酵罐。
（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段
该阶段的特点： ◆生物技术可生产动、植物和人类的多种生理活性蛋白，如 胰岛素、生长激素和多种单克隆抗体； ◆生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品和能 源和环境领域的发展； ◆生物工程设备得到发展，如针对大多基因工程菌的表达产 物在细胞内，研制超声细胞破碎和高压匀浆新技术，以及扩张床 层析等新方法不断涌出。
生物工程设备的特点
生物工程设备的特点 生物工程设备与中下游技术密切相关。 生物技术的上、中下游技术 划分标志：生物反应器 上游生物技术：主要任务是构建或选育出社会需要的、 稳定的、优良的生产细胞菌株。 中下游生物技术：其主要任务就是设计经济上合理、技 术上可行、操作上安全的生物技术工艺过程与设备 系统。包括培养基制备与灭菌、无菌空气的制备、 细胞株种子扩大培养、生物反应器无菌操作与控制 培养、产物的提取、分离纯化等。
生物工程设备包括的内容
- 生物反应器：通风发酵设备，厌氧发酵设 备，动植物细胞培养设备，反应器的设备、 控制和比拟放大… - 生物反应物料处理及产物分离纯化设备： 培养基配制，过滤，萃取，蒸发，结晶，蒸 馏等等 - 辅助系统设备：空气净化，设备清洗，物 料输送等等
第一章 一、相关课程
生物化学、微生物、化工原理、物理化学、生物 工艺学、 机械制图、AutoCAD
二、本课程要求、目的 1、要求：掌握设备结构、工作原理、设备类 型、用途、特点、影响设备性能的因素、参数 计算 2、达到的目的：标准设备选型组成生产线、 非标准设备设计、分析设备结构与产品质量的 关系并改进、分析故障原因并排除故障。
绪 论
三、教材和参考书
教学用书：
《生物工程设备》 陈国豪 2007 化学工业出版社
教学参考书：
《生物工程设备》 梁世中 2002 中国轻工业出版社 《发酵工厂工艺设计》沈自法 1994 华东理工大学出版社 《新编生物工艺学》 俞俊棠 2003 化学工业出版社 《化工原理》 陈敏恒 1999 化学工业出版社 《生化生产工艺学》梅乐和 2007 化学工业出版社 《AutoCAD 2007 完全自学手册》2007 电子工业出版社
微生物培养基
微生物培养基按用途分为孢子培养基（不产孢 子的称斜面培养基）、种子培养基和发酵培养基。
孢子培养基中的碳源和氮源（特别是有机氮源） 的浓度要低，多了会只长菌丝，少长或不长孢子。 通常把配制好的培养基装在扁瓶、三角瓶或试管中， 在高压灭菌锅中121℃，灭菌20~30min。
微生物培养基
种子培养基是指用于摇瓶种子培养或工业生产用 种子罐种子培养的营养组成。工业化生产中把配 制好的培养基装在种子罐中，采用高压蒸汽直接 灭菌，控制温度121℃，灭菌15~20min。 发酵培养基含有供菌丝体迅速生长繁殖和合成产 物需要的营养物质。工业化生产中发酵培养基灭 菌方法把配制好的培养基装在种子罐中，采用高 压蒸汽直接灭菌，控制温度121℃，灭菌15~20min。
发酵培养基的要求
①培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能 稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储 藏，能保证生产上的供应。 ②培养基能满足产物最经济的合成，最大限度地 利用原料,使原料全部转化成某种产物。 ③发酵后所形成的副产物尽可能的少。例如酒精 发酵。 ④所选用的培养基应满足总体工艺的要求，如不 影响通气、提取、纯化和废物处理。
（1）传统经验制造技术—天然发酵阶段 该阶段的特点： ◆靠自然发酵，只知其然而不知道所以然； ◆历史悠久； ◆工艺独特； ◆经验丰富。 发酵期间的搅拌冷却，俗称“开耙”，其作用是调 节发酵醪的温度，补充新鲜空气，利于酵母生长繁殖。 它是整个酿酒工艺中较难控制的一项关键性技术，一般 由经验丰富的老师傅把关。开耙技术是酿好酒的关键， 开耙技工在酒厂享有崇高的地位，工人们习惯称开耙技 工为“头脑”，即酿酒的首要人物。
绪 论
四、考核办法
考核办法： 本课程为专业必修课，采用闭卷考试的形 式；成绩合成为平时成绩与期末考试成绩 的比例为40：60（30:70），平时成绩主要 是以到课率和作业情况作为考核标准。
生物工程设备的基本概念
• 生物工程设备的工作领域 为传统生物技术产业的改造和现代生物技术 产业提供高效率的生物反应器、现代分离纯化材 料和技术以及相关的工程装备，还提供单元化生 产设备、工艺过程优化、在线自动控制、系统集 成设计等。
生物工程设备的发展历程
生物技术的发展过程是以某一个生物工程设备 成熟为标志的。由此，有以下五个发展阶段： （1）传统经验制造技术——天然发酵阶段
（2）纯种培养技术的成熟——初级代谢产物生产阶段
（3）通气搅拌技术的成熟—— 好氧培养阶段
（4）代谢控制发酵技术的成熟
（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段
大型发酵罐搅拌装置
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
（4）代谢控制发酵技术的成熟 该阶段的特点： ◆对纯种发酵和无菌操作要求严格； ◆产品种类多，从初级代谢产物到次级代谢产物；
◆对机械搅拌发酵罐改进，研制出气升式生物反应
器；研制出多种新型分离介质，如新型树脂材 料、超滤等； ◆规模大，搅拌发酵罐已达500m3,气升式发酵罐为 3000m3。
• 培养基：供特定的微生物、动物细胞、植物细胞、 细胞组织、微藻生物等进行生长、繁殖、代谢和合 成产物需要的，按一定组成比例配制而成的营养物 质。 • 培养基按其配方成分可以分成天然培养基和合成培 养基。 天然培养基：一类具体成分不十分明确的天然 产品，大部分是农产品。 合成培养基：一类完全明确的化学成分物质配 制组成。
（2）纯种培养技术的成熟—初级代谢产物 生产阶段 该阶段的特点： ◆发酵产品属于初级代谢产物； ◆生产过程简单，生产规模小； ◆对发酵设备要求不高。
酱油固态发酵生产
（3）通气搅拌技术的成熟——好氧培养阶段 该阶段的特点： ◆生物和化工的交叉学科——生化工程 诞生。 ◆发酵工程在微生物学、生物化学、生 化工程三大学科基础上迅速形成一个完整的体 系，促进抗生素工业、酶制剂工业和有机酸工 业迅速发展。 ◆研制出大型的带机械搅拌和无菌通气 装置的发酵罐。
（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段
该阶段的特点： ◆生物技术可生产动、植物和人类的多种生理活性蛋白，如 胰岛素、生长激素和多种单克隆抗体； ◆生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品和能 源和环境领域的发展； ◆生物工程设备得到发展，如针对大多基因工程菌的表达产 物在细胞内，研制超声细胞破碎和高压匀浆新技术，以及扩张床 层析等新方法不断涌出。
生物工程设备的特点
生物工程设备的特点 生物工程设备与中下游技术密切相关。 生物技术的上、中下游技术 划分标志：生物反应器 上游生物技术：主要任务是构建或选育出社会需要的、 稳定的、优良的生产细胞菌株。 中下游生物技术：其主要任务就是设计经济上合理、技 术上可行、操作上安全的生物技术工艺过程与设备 系统。包括培养基制备与灭菌、无菌空气的制备、 细胞株种子扩大培养、生物反应器无菌操作与控制 培养、产物的提取、分离纯化等。
生物工程设备包括的内容
- 生物反应器：通风发酵设备，厌氧发酵设 备，动植物细胞培养设备，反应器的设备、 控制和比拟放大… - 生物反应物料处理及产物分离纯化设备： 培养基配制，过滤，萃取，蒸发，结晶，蒸 馏等等 - 辅助系统设备：空气净化，设备清洗，物 料输送等等
第一章 一、相关课程
生物化学、微生物、化工原理、物理化学、生物 工艺学、 机械制图、AutoCAD
二、本课程要求、目的 1、要求：掌握设备结构、工作原理、设备类 型、用途、特点、影响设备性能的因素、参数 计算 2、达到的目的：标准设备选型组成生产线、 非标准设备设计、分析设备结构与产品质量的 关系并改进、分析故障原因并排除故障。
绪 论
三、教材和参考书
教学用书：
《生物工程设备》 陈国豪 2007 化学工业出版社
教学参考书：
《生物工程设备》 梁世中 2002 中国轻工业出版社 《发酵工厂工艺设计》沈自法 1994 华东理工大学出版社 《新编生物工艺学》 俞俊棠 2003 化学工业出版社 《化工原理》 陈敏恒 1999 化学工业出版社 《生化生产工艺学》梅乐和 2007 化学工业出版社 《AutoCAD 2007 完全自学手册》2007 电子工业出版社
微生物培养基
微生物培养基按用途分为孢子培养基（不产孢 子的称斜面培养基）、种子培养基和发酵培养基。
孢子培养基中的碳源和氮源（特别是有机氮源） 的浓度要低，多了会只长菌丝，少长或不长孢子。 通常把配制好的培养基装在扁瓶、三角瓶或试管中， 在高压灭菌锅中121℃，灭菌20~30min。
微生物培养基
种子培养基是指用于摇瓶种子培养或工业生产用 种子罐种子培养的营养组成。工业化生产中把配 制好的培养基装在种子罐中，采用高压蒸汽直接 灭菌，控制温度121℃，灭菌15~20min。 发酵培养基含有供菌丝体迅速生长繁殖和合成产 物需要的营养物质。工业化生产中发酵培养基灭 菌方法把配制好的培养基装在种子罐中，采用高 压蒸汽直接灭菌，控制温度121℃，灭菌15~20min。
发酵培养基的要求
①培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能 稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储 藏，能保证生产上的供应。 ②培养基能满足产物最经济的合成，最大限度地 利用原料,使原料全部转化成某种产物。 ③发酵后所形成的副产物尽可能的少。例如酒精 发酵。 ④所选用的培养基应满足总体工艺的要求，如不 影响通气、提取、纯化和废物处理。
（1）传统经验制造技术—天然发酵阶段 该阶段的特点： ◆靠自然发酵，只知其然而不知道所以然； ◆历史悠久； ◆工艺独特； ◆经验丰富。 发酵期间的搅拌冷却，俗称“开耙”，其作用是调 节发酵醪的温度，补充新鲜空气，利于酵母生长繁殖。 它是整个酿酒工艺中较难控制的一项关键性技术，一般 由经验丰富的老师傅把关。开耙技术是酿好酒的关键， 开耙技工在酒厂享有崇高的地位，工人们习惯称开耙技 工为“头脑”，即酿酒的首要人物。
绪 论
四、考核办法
考核办法： 本课程为专业必修课，采用闭卷考试的形 式；成绩合成为平时成绩与期末考试成绩 的比例为40：60（30:70），平时成绩主要 是以到课率和作业情况作为考核标准。
生物工程设备的基本概念
• 生物工程设备的工作领域 为传统生物技术产业的改造和现代生物技术 产业提供高效率的生物反应器、现代分离纯化材 料和技术以及相关的工程装备，还提供单元化生 产设备、工艺过程优化、在线自动控制、系统集 成设计等。
生物工程设备的发展历程
生物技术的发展过程是以某一个生物工程设备 成熟为标志的。由此，有以下五个发展阶段： （1）传统经验制造技术——天然发酵阶段
（2）纯种培养技术的成熟——初级代谢产物生产阶段
（3）通气搅拌技术的成熟—— 好氧培养阶段
（4）代谢控制发酵技术的成熟
（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段
大型发酵罐搅拌装置
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
（4）代谢控制发酵技术的成熟 该阶段的特点： ◆对纯种发酵和无菌操作要求严格； ◆产品种类多，从初级代谢产物到次级代谢产物；
◆对机械搅拌发酵罐改进，研制出气升式生物反应
器；研制出多种新型分离介质，如新型树脂材 料、超滤等； ◆规模大，搅拌发酵罐已达500m3,气升式发酵罐为 3000m3。