第三章生物反应器设计基础
动物细胞培养生物反应器
•
传统发酵罐
•
酶反应器等
•
固定化酶和细胞反应器
•
动植物细胞培养反应器
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3
生物反应器类型
机械搅拌式反应器 气升式生物反应器 鼓泡塔生物反应器 膜生物反应器
动物生物反应器 植物生物反应器
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一 机械搅拌式生物反应器
医药工业中的第一个大规模的微生物发酵过程青霉 素生产是在机械搅拌式反应器中进行的。且迄今为 止，对新的生物过程，首选的生物反应器仍然是机 械搅拌式反应器。机械搅拌式反应器能适用于大多 数生物过程，是形成标准化的通用产品。
• 显然，反应器的增大有利于降低生产成本。
.
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2 动植物细胞培养反应器得到较大发展
• 由于动植物细胞培养可以得到很多高附加值生物 制品，如干扰素，单克隆抗体等，细胞培养反应 器的开发越来越受到重视。其中关于供氧问题， 快速升温、SIP自动灭菌、CIP自动清洗、机械 密封、排气处理、取样处理等问题等都需很好解 决。
混合不够均匀。
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三 其他类型反应器
• 鼓泡塔生物反应器 • 膜生物反应器 • 固定床和流化床反应器 • 动物植物生物反应器 • 其他
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四 生物反应器的发展趋势
• 生物反应器的研究、开发和设计是生物技 术的一个重要内容，一种好的生物反应器 出现往往能够大规模降低生产成本，成为 生物制品成功商业化的关键。因此，生物 反应器的开发一直很活跃，尤其是最近的 细胞生物反应器开发更是如此。生物反应 器的发展趋势可归纳为以下几个方面：
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7
• 反应器的结构
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几何尺寸
H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 (s/d)2=1.5~2.5 (s/d)3=1~2
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生物反应工程教学设计
生物反应工程教学设计引言生物反应工程是生物工程中的一个重要分支，其研究的核心是生物反应器。
生物反应器在现代工业制药、食品加工、环境保护等领域有广泛应用。
因此，生物反应工程的教学对于生物工程、化工等相关领域的学生具有重要意义。
本文通过对生物反应工程教学的分析和总结，设计了一套完整的教学方案。
教学目标通过生物反应工程的教学，学生能够了解生物反应器的基本原理、设计、运行及监测等方面的基础知识，掌握生物反应工程的相关理论和实践技能，培养学生的创新能力和实践操作能力，为学生今后的工作和研究提供基础知识和技能支持。
教学内容第一章生物反应器的基本原理•生物反应器的定义•生物反应器的分类•生物反应器的组成和结构•生物反应器的工作原理第二章生物反应器的设计与运行•生物反应器的设计原则和方法•生物反应器的运行控制•生物反应器的传热传质•生物反应器的档案管理和文献检索第三章生物反应器的监测与检验•生物反应器的参数监测与检验•生物反应器的卫生、安全和环保管理第四章生物反应工程实验•生物反应器的构造与组装实验•生物反应器的基本参数测定实验•生物反应器的操作实验第五章生物反应器的实践•生物反应器的基础实践课程•生物反应器的综合实践课程•生物反应器的设计实践课程教学方法理论教学通过教师课堂讲授、案例分析、课堂讨论等方式，帮助学生理解生物反应器基本原理、设计原则和实践操作，提高学生对相关理论知识的掌握。
实验教学通过生物反应器构造及组装实验、基本参数测定实验、操作实验等方式，使学生掌握生物反应器的操作方法、实验技能和相关实验仪器的使用，培养其实践操作能力和独立思考能力。
实践教学通过多门课程的课外实践活动，如生物反应器的基础实践课程、综合实践课程、设计实践课程等，加强学生的创新实践能力，提高其对生物反应工程实践问题的解决能力。
教学评估通过课堂测试、实验报告、课程设计等方式，对学生进行教学成果评估。
评估主要包括理论知识掌握情况、实验操作能力、实践课程成果及综合表现等方面。
生物工程设备
反应
生物反应器
生物反应器——大规模培养微生物、动物细胞、植 物细胞，获得其代谢产物或生物体的设备。 生物反应器要满足和调控微生物、动物细胞、植物 细胞的最适宜生长和合成的环境，是工业化大规模细胞 培养过程唯一一个把原料转化为产物的设备。 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。
生物工程设备
生物工程 基因工程 主要操作对象 基因及动物细胞、 植物细胞、微生物 工程目的 改造物种 与其它工程的关系 通过细胞工程、发 酵工程使目的基因 得以表达 可以为发酵工程提 改造物种 获得菌体及各 种代谢产物 供菌种、使基因工 程得以实现 为酶工程提供酶的 来源
细胞工程
动物细胞、植物细
胞、微生物细胞
2.减速期 • Monod方程：
• 二 ）产物形成动力学
（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：
（二）代谢产物形成的动力学模型
• Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种 类型。 • 1 类型Ⅰ称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型。 • 其动力学方程可表示为 • dP/dt=αdX/dt • π＝αμ • 式中 P——产物浓度 • α——系数 • π——产物形成比率即π= dP/dt/X
4）1960~1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80~150m3， 出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交 换问题，计算机广泛应用. 5）1979~今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工 程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展.
三、生物反应器的分类
生物学八年级上册第三章第二节动物与生物反应器
。
2.设备简单 转基因动物从出生到第一次泌乳，猪、羊、牛 3.效率高 各需12、14、16个月；并且只有雌性动物泌乳且不 4.产品作用效果显著 连续，一般可持续2、6、10个月。牛、羊等大型家 5.减少工业污染 畜能对药用蛋白进行正确的后加工，使之具有较高
的生物活性，同时产奶量大， 而成为乳腺生物反应器理想的动物类型。 ，因
动物生物反应器的应用
• （以动物乳腺生物反应器为主）
动物
绵羊 绵羊 绵羊 绵羊 绵羊 猪 猪 山羊 CFTR
多肽药物(蛋白质)
a1抗胰蛋白酶蛋白 治疗气肿 治疗 囊肿性纤维化 治疗血栓 治疗血友病 伤口愈合 治疗血栓 治疗血友病 治疗血栓
用途
组织型纤溶酶原活化因子 凝血VIII因子、IX因子 纤维蛋白原 组织型纤溶酶原活化因子 凝血VIII因子、IX因子 人蛋白质 C
生物反应器听起来有些陌生，基本原 理却相当简单。举个简单的例子，胃就是 人体内部加工食物的一个复杂生物反应器。 食物在胃里经过各种酶的消化，变成我们 能吸收的营养成分。
发酵工程教案(打印)
发酵工程教案(打印)第一章：发酵工程的概述1.1 发酵工程的定义发酵工程的概念发酵工程的组成1.2 发酵工程的应用领域食品工业制药工业生物化工1.3 发酵工程的发展历程传统发酵技术现代发酵工程技术第二章：发酵过程的微生物学基础2.1 发酵微生物的分类与特性细菌真菌放线菌2.2 发酵微生物的培养与筛选培养基的选择与制备微生物的分离与纯化2.3 发酵微生物的代谢调控微生物的生长曲线微生物的代谢途径第三章：发酵设备的类型与选择3.1 发酵设备的类型大型发酵罐生物反应器膜分离设备3.2 发酵设备的选择原则生产规模产品特性经济效益3.3 发酵设备的运行与维护设备的启动与停止设备的清洗与消毒设备的故障处理第四章：发酵过程的控制与管理4.1 发酵过程的控制参数温度pH值溶氧量营养物质4.2 发酵过程的控制技术自动控制系统反馈控制系统计算机控制系统4.3 发酵过程的管理与优化生产计划的制定发酵条件的优化生产过程的质量控制第五章：发酵工程的案例分析5.1 乳酸菌发酵工程案例酸奶的生产泡菜的制作5.2 酵母菌发酵工程案例啤酒的生产葡萄酒的制作5.3 放线菌发酵工程案例抗生素的生产维生素的生产第六章：发酵工程的安全与环保6.1 发酵工程的安全问题微生物的危害生物安全措施发酵罐的安全操作6.2 发酵过程中的污染控制污染的来源污染的检测与控制清洁生产技术6.3 发酵工程的环保问题废水处理废气处理固体废弃物处理第七章：发酵工程的产业化应用7.1 发酵工程在食品工业的应用面包酵母的生产乳酸菌的产业化7.2 发酵工程在制药工业的应用抗生素的产业化维生素的产业化7.3 发酵工程在其他领域的应用生物燃料的生产生物材料的产业化第八章：发酵工程的研发与创新8.1 发酵工程的新技术发展重组DNA技术基因工程技术合成生物学技术8.2 发酵工程的新设备开发高通量筛选设备生物反应器的设计自动化控制系统8.3 发酵工程的产业化挑战与机遇产业化过程中的问题产业化发展的趋势产业化政策的分析第九章：发酵工程的实例分析与评价9.1 发酵工程案例分析某乳酸菌产品的生产某抗生素的生产9.2 发酵工程项目的评价技术与经济评价环境与社会影响评价风险评价9.3 发酵工程的发展前景与建议行业发展趋势技术创新方向政策与支持措施第十章：发酵工程的实验操作10.1 发酵实验的基本操作菌种的制备与保藏发酵液的制备发酵过程的监控10.2 发酵实验的设计与优化实验设计方法发酵条件的优化实验结果的分析10.3 发酵实验的操作技能培养实验操作的安全规范实验设备的操作与维护实验数据的准确记录与处理重点和难点解析重点环节一：发酵微生物的分类与特性重点掌握不同类型发酵微生物的分类、特点及应用领域。
生物反应器设计及控制技术
生物反应器设计及控制技术生物反应器是一种用于生物系统培养和生产的设备，通常可以控制反应环境的温度、升降速度、液位、搅拌速度和氧气浓度。
随着生物技术的快速发展，生物反应器成为了生产过程中不可或缺的重要设备。
本文将介绍生物反应器的设计及控制技术，以及其在生产中的应用与发展。
一、生物反应器的设计生物反应器的设计通常需要考虑以下几个方面：1、容积：反应器的容积应该适当，既不能过大又不能过小。
容积过大会增加成本，容积过小则会导致生产率下降。
2、搅拌系统：搅拌系统通常包括驱动装置、搅拌器和控制器等部分。
搅拌速度应该适当，过快会造成气泡太小、液体过度搅拌，导致细胞破碎和死亡；过慢则会导致细胞堆积、生产力下降。
3、气体供应：气体通常用于供氧、溶解氧和刺激生产。
气体供应系统通常包括气源、气体调节阀、气体过滤器和气体分配系统。
4、温度控制：温度是生物反应器中重要的环境参数之一。
温度控制通常包括加热和冷却系统。
反应器内的温度应稳定且可控，以保证生产质量。
5、PH值控制：反应器内的PH值应稳定且可控，过高或过低对生产过程会造成不良的影响。
作为控制系统的一部分，PH值调节系统通常由PH电极、控制器和酸碱液供应系统组成。
6、混合控制：反应器中通常有多个相，需要通过混合控制来达到混合均匀的目的。
混合控制系统通常包括流量计、输送泵、混合槽和搅拌器等部分。
二、生物反应器的控制技术生物反应器的控制技术主要包括闭环控制和开环控制两种方式。
闭环控制利用传感器测量反应器内部环境参数并将其与设定值进行比较，通过控制器的反馈作用来调节设备的输出参数，从而使反应器的环境参数得到稳定控制。
开环控制则是在确定好需要达到的反应条件后，直接调节设备的运行参数以达到目的。
这种方式适用于简单反应器和基础实验研究，一般用于确定物理参数和生化反应过程。
三、生物反应器的应用与发展随着生物技术的快速发展，生物反应器广泛应用于制药、食品、化学和环保等领域。
生产有价值的生物制品，如酶、抗体、生物燃料等，是目前广泛应用反应器的主要领域之一。
生物反应器设计复习资料
判断：15*1'=15' 填空：25空*1'=25' 选择：10*2'=20'计算：2个=15' 简答：4个=25'第一章生物反应器设计基础一、生物反应器的化学计量基础1.生化反应方程式CH m O1+aNH3+bO2 Y b CH p O n N q(生物量)+Y p CH r O s N t（产物）+cH2O+dCO2其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。
平衡式：C:1=Y b+Y p+d N：a=qY b+tY pO：1+2b=nY b+sY p+c+2d H：m+3a=pY b+rY p+2c2、维持定义1/Y XS=1/Y max XS+m s/μ式中: Y XS——生物量对基质的得率；Y max XS——得率最大值；m s——维持系数；μ——比生长速率。
若方程两项乘以μ，得到基质消耗的线性方程：σ=μ/ Y max XS + m s式中：σ——合成单位生物量的基质消耗速率。
当有产物产生时σ=μ/ Y max XS +π/ Y max XS +m s式中：π——单位生物量的产物生成率。
二、生物反应器的生物学基础一）细胞数动力学1．指数生长期μ——比生长速率；X——生长量浓度，以g/L表示；t——生长时间。
对方程求积分：并将t为零时的生物量浓度称为X0，则：ln(X\X0)=μt因此倍增时间(X\X0=2时的时间t)是：t d= ln2/μ2.减速期 Monod 方程： 二 ）产物形成动力学（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：1主要产物是能量代谢的结果（Gaden （分类）Ⅰ型 ）； 例：酵母厌氧生长过程中的酒精合成2主要产物是能量代谢的间接结果（Gaden （分类）Ⅱ型 ）； 例：霉菌好气生长过程中柠檬酸的合成和细胞中PHB 的胞内积累 3产物是二次代谢物（Gaden （分类）Ⅲ型 ） ； 例：霉菌好气发酵中青霉素的生产 4产物是胞内或胞外蛋白。
《生物反应工程》课程笔记
《生物反应工程》课程笔记第一章绪论1.1 定义、形成与展望生物反应工程，简称BRE（Bioreaction Engineering），是一门应用化学工程原理和方法，研究生物反应过程和生物系统的科学。
它涉及到生物学、化学、物理学、数学等多个学科，是一门典型的多学科交叉领域。
生物反应工程的研究对象包括微生物、细胞、酶等生物催化剂，以及它们在生物反应器中的行为和相互作用。
生物反应工程的形成和发展与生物技术的快速崛起密切相关。
生物技术是指利用生物系统和生物体进行物质的生产、加工和转化的技术。
随着生物技术的不断发展，生物反应工程逐渐成为生物技术领域的一个重要分支，为生物制品的生产提供了重要的理论支持和实践指导。
展望未来，生物反应工程将继续在生物技术领域发挥重要作用。
随着科学技术的进步和生物产业的发展，生物反应工程将不断完善和发展，为人类的生产和生活带来更多的便利和福祉。
特别是随着合成生物学、系统生物学等新兴学科的发展，生物反应工程将面临新的机遇和挑战，有望在生物制造、生物医药、生物能源等领域取得更大的突破。
1.2 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容包括以下几个方面：（1）生物反应动力学：研究生物反应过程中反应速率、反应机理和反应物质量的变化规律。
包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、细胞反应动力学等。
（2）生物反应器设计：根据生物反应的特性和要求，设计合适的生物反应器，使其能够高效、稳定地进行生物反应。
包括反应器类型的选择、反应器尺寸的确定、反应器内部构件的设计等。
（3）生物反应器操作：研究生物反应器中生物反应的运行规律，优化操作条件，提高生物反应的效果。
包括分批式操作、流加式操作、连续式操作等。
（4）生物反应器优化：通过对生物反应器的设计和操作进行优化，提高生物反应的产率和质量。
包括过程优化、参数优化、控制策略优化等。
（5）生物反应器控制：研究生物反应过程中的控制策略和方法，实现对生物反应过程的稳定控制。
生物工程设备
• 最后结合热力学关系，可推断出给定系统 的得率
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
• 其次,丝状细胞还可在潮湿的固体表 面生长，因而生长过程复杂，包括生长 动力学，营养的扩散和有毒的代谢副产 物
二。生长动力学方程
• 1。Monod方程
•
maxS Ks S
• 生物生长过程的基质传递速率：
• 对于球形细胞，细胞的面积/体积比为 （6/dc），单位反应体积的细胞面积 （Ac/V）为：
对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组：
C: N: O : H:
1YbYpd
aqYb tYp
2.1
12b nbY sYp c 2d
m3a pbY rYp 2c
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。
为：
rx kX1 X X max
• Rx---反应速率
• K—常数
• 积分：
X
X 0ekt
1 X 0 X max 1 ekt
• 对于丝状微生物如霉菌等，在悬浮培 养时常形成微生物小球，小球内部生长 的细胞受到扩散的抑制
• 它的生长模型常包括大颗粒（类似包 埋或凝胶固定化细胞）中颗粒的同时扩 散和营养消耗
第三章 生物反应器总论4一般生物反应器的操作和注意事项
3.4 一般生物反应器的操作和注意事项
连续式发酵操作是指在分批发酵进行到一定阶段，一方 面将培养物质连续不断地加入到反应器内，另一方面又把反 应器内的物料连续不断的取出，如此连续进行，反应器内发 酵液的体积和其他参数达到稳定，不再随时间而变。一些固 定化酶反应器、活性污泥处理废水反应器等都属于这种操作 方式。连续培养过程中生物反应器内发酵液的体积随时间的 变化关系如图3-9e所示。
3.4 一般生物反应器的操作和注意事项
2．补料分批发酵操作 补料分批发酵是在简单分批发酵的基础上的一种变化。 在开始发酵时，并不是一次性地将生物全过程所需要的营养 物的量加足，而是在发酵一定时间后，根据生物反应器内营 养物质的消耗情况，将一种或多种甚至全部营养物质连续流 加到生物反应器内，直至发酵过程结束。然后再将发酵液全 部放出。在发酵过程中补料的流加速度可以由发酵液中营养 物质浓度、排气中的二氧化碳含量和氧含量、pH值、溶氧浓 度等在线检测参数决定，通常用自动控制的方法实现。其优 点：
④ 连续流加的培养液可以起到稀释作用，降低了培养 液粘度，有利于氧的传递和生物合成。
3.4 一般生物反应器的操作和注意事项
3．反复分批发酵操作 反复分批发酵指在简单分批发酵即将结束时，将大部分 发酵液放出，余下的一部分作为种子，然后补充无菌的新鲜 培养液，然后重新发酵，如此反复操作直至发酵不能再延续， 最后将发酵液全部放出。这种操作方法的优点是可以省去很 多种子制备、发酵罐清洗和灭菌操作时间，可以提高生物反 应器的工时利用率；缺点是以剩余发酵液作为下一轮发酵的 种子难以保证质量，也容易造成杂菌污染或者种子变异，导 致生产能力降低。
3.4 一般生物反应器的操作和注意事项
1．简单分批发酵操作 生物反应器经过清洗、灭菌后，将无菌的含有各种营养 物质的培养液一次性加入生物反应器，在一定的温度下接入 种子。培养一段时间后（一般是1至数天），将培养液一次全 部放出。这种发酵操作工艺简单，容易掌握，生产重现性好， 对设备也没有特别的要求，在生物工业发展的初期曾经广泛 采用，但由于生产周期短，产率低，现在大规模工业生产已 经很少应用。
生物反应器的设计
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
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2. 挡板 ● 主要功能：
使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。 ● 尺寸： 挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。 ● 位置： 在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。
34
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3. 换热装置 ● 主要功能：
将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生 的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。
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结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，
一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断 形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 类型：
最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。
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(三) 鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板。
原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升 时的动力带动液体运动，达到混合效果。
8. 按催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器
9. 按培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
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间歇操作
特征： 反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。
适合于：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。
生物工程设备教学大纲
生物工程设备教学大纲《生物工程设备与实验操作技术》教学大纲【课程名称】《生物工程设备与实验操作技术》【课程类别】专业基础课【教学时数】 72 学时【课程学分 4学分【开设专业】生物制药、生化制药【开设学期】第五学期【选用教材】《生物工程设备与实验操作技术》.黄亚东.中国轻工业出版社，2008.8.【参考教材】1(梁世中《生物工程设备》北京:中国轻工业出版社，2002，22(段开红《生物工程设备》北京:科学出版社，2008，23(鲍新华《生物工程》北京:化学工业出版社，2008，7【教学性质和目的】本学科为校企合作开发的高职教育教材，较为全面地阐述了生物工程操作原理及典型设备，旨在培养生物技术应用领域高技能应用型专门人才。
全书共分为四篇，第一篇为原料预处理设备，主要包括原料的筛选与分级设备、粉碎设备、水处理系统及设备、空气除菌设备、培养基制备设备;第二篇为生物反应器，主要包括生物反应器设计基础、通风发酵设备、厌氧发酵设备、固态发酵生物反应器、动植物细胞培养反应器、酶反应器、生物反应器的放大与参数检测;第三篇为产物分离提纯设备，主要包括细胞的破碎与分离设备、沉降设备、过滤设备、离心分离设备、压榨设备、膜分离设备、萃取设备、液体吸附设备、浸出设备、离子交换设备、蒸发设备、结晶设备、干燥设备、蒸馏设备;第四篇为附属设备，主要包括物料输送设备、设备与管道的清洗与灭菌、产品包装设备及制冷设备。
【课程的基本要求】《生物工程设备与实验操作技术》是一门实践性很强的课程，要求学生在学过生物工程类基础课的基础上，通过本课程的学习，了解生物工程操作的基本概念和基本原理，掌握典型设备的结构、工作原理、性能特点、操作要点、选用及保养方法，并懂得运用所学知识和技能分析、分析和解决生物工业生产中的一般性技术问题，同时培养学生的工程意识、职业意识和责任意识。
【各章节内容及学时分配】备注(教学方法如:一般讲授，课堂讨论，章节教学内容学时作业，实际操作等) 第一篇一般讲授、课堂讨论、作业原料预处理设备 12 第二篇一般讲授、课堂讨论、作业生物反应器 30产物分离提纯设第三篇一般讲授、课堂讨论、作业 20备第四篇一般讲授、课堂讨论、作业附属设备 10合计 72第一篇，原料预处理设备第一章原料的筛选与分级设备【目的要求】1(掌握磁力除铁器的结构和工作原理;筛分的基本概念;常用筛分设备的操作要点 2(熟悉精选机的结构和工作原理;常用筛分设备的结构和工作原理;筛分设备的选用 3(了解磁力除铁的意义和方法;物料粒度分布的测定方法;【教学重点、难点】重点:磁力除铁器的结构和工作原理难点:常用筛分设备的结构和工作原理;筛分设备的选用【教学内容】第一节原料的除铁设备第二节原料的精选设备第三节物料筛分设备第二章粉碎设备【目的要求】1( 掌握原料粉碎的目的和意义;常用粉碎设备的结构和工作原理 2( 熟悉物料粉碎机理;常用粉碎设备的特点、操作要点及有关注意事项 3( 了解粉碎操作在生物工业中的应用;粉碎方法的分类;粉碎设备的选择【教学重点、难点】重点:常用粉碎设备的结构和工作原理难点:常用粉碎设备的特点、操作要点及有关注意事项【教学内容】第一节粉碎的基本概念和理论第二节常用粉碎设备第三章水处理系统及设备【目的要求】1.掌握生物工业中常用的水处理方法;常用水处理装置的结构和工作原理 2(熟悉培养基制备对水的质量要求;常用水处理装置的特点及操作要点 3(了解水的质量分级及质量要求;根据水源状况及生产工艺要求明确水处理方法【教学重点、难点】重点:常用水处理装置的结构和工作原理难点:常用水处理装置的特点及操作要点【教学内容】第一节水质分级及水质要求第二节水的过滤装置第三节水的软化及脱盐第四节水的杀菌第四章空气除菌设备【目的要求】1(掌握生物工业生产对空气质量要求;染菌几率;典型的空气过滤除菌流程2(熟悉空气过滤除菌的机理;空气过滤除菌流程中各附属设备的作用 3(了解空气洁净度等级及要求;空气除菌方法;常用的过滤介质及特点【教学重点、难点】重点:典型的空气过滤除菌流程难点:空气过滤除菌的机理;空气过滤除菌流程中各附属设备的作用【教学内容】第一节空气除菌方法第二节空气过滤除菌流程第三节空气过滤除菌设备培养基制备设备第五章【目的要求】1(掌握淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;培养基连续灭菌设备的结构及灭菌过程2(熟悉淀粉质原料间歇蒸煮糖化设备结构、特点;培养基制备中间灭菌设备、固体培养基制备中的润水设备的结构及操作要点3(了解蒸煮锅数量的确定方法;糖蜜稀释器的类型与结构【教学重点、难点】重点:淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;难点:淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;【教学内容】第一节淀粉质原料蒸煮与糖化设备第二节糖蜜稀释器第三节淀粉水解制糖设备第四节培养基灭菌设备第五节固体培养基制备设备第二篇生物反应器第一章生物反应器设计基础【目的要求】1( 掌握生物反应器的化学计量与动力学基础;生物反应器的质量传递与热量传递2( 熟悉生物反应器的特点及作用3.了解生物反应器的含义和分类方法【教学重点、难点】重点:生物反应器的化学计量与动力学基础难点:生物反应器的质量传递与热量传递【教学内容】第一节生物反应器概述第二节生物反应器设计基础第二章通风发酵设备【目的要求】1( 掌握种子罐空实消的操作要点;机械搅拌发酵罐罐体结构及设计要求;机械搅拌发酵罐搅拌器的类型;发酵罐换热装置的类型及特点2( 熟悉培养箱的使用注意事项;种子培养罐的结构及特点;轴封的作用及结构;常用联轴器的形式;自吸式发酵罐的结构及充气原理2( 了解培养箱的结构特点;影响带升式发酵罐性能的主要因素;塔式发酵罐的特点;文氏发酵罐的结构、工作机理及优缺点【教学重点、难点】重点:机械搅拌发酵罐罐体结构及设计要求;机械搅拌发酵罐搅拌器的类型;发酵罐换热装置的类型及特点难点:升式发酵罐、塔式发酵罐、文氏发酵罐的特点与结构、工作机理及优缺点【教学内容】第一节菌种培养设备第二节机械搅拌通风种子培养罐第三节机械搅拌通风发酵罐第四节其他通风发酵罐第三章厌氧发酵设备【目的要求】1( 掌握密闭式酒精发酵罐的结构、特点及操作要点;酵母扩大培养罐的结构及操作要点;啤酒锥底罐的结构、特点、安装及使用要求2(熟悉酒精捕集器的作用、类型、工作原理及结构;糖蜜原料制酒精连续发酵的设备组成、特点及操作要点;啤酒大直径露天贮酒罐和朝日罐的结构及特点 3(了解淀粉质原料制酒精连续发酵的设备组成、特点;啤酒连续发酵特点、流程及设备组成。
第三章 生物反应器设计基础
①使反应器具有较好的生物相容性 ②应具有较好的传质性能 ③应具有较好的传热性能 ④安全性能
微生物反应过程的质量和能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达
基质到产物的反应过程非常困难。
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H2O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间 的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡 算。
n
jiVXi
j 1
Ff S jf
FSj
( j 1,2,.....n. ) （3-2）
产物：
dVPk dt
n
kiVX i FPk
k 1
（3-(k3） 1,2,...... n)
反应液体积：
dV dt
Ff
F
（4-4）
生长速率
平衡生长条件下微生物细胞的生长速率rx的定义式
为
ln 2 rxtd
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机 能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
好氧反应中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol 的ATP， 31×38/2871 = 0.41，也就是说41% 的能量以ATP的形式储存起来。乳酸发酵（厌 氧时）的能量效率为（31×2）/2871 = 0.022， 即2.2%。一般厌氧培养中YATP约为10.5g细胞 /molATP，好氧培养中为6～29g细胞/molATP 。
生物工程设备复习大纲
1．1生物反应器设计基础1、发酵罐数的确定。
可参考课件作业1．2通风发酵罐1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。
答：1. 机械搅拌发酵罐(TRC) 工作原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供氧。
优点：高生产效率，高经济效益。
2. 气升式发酵罐(ALR) 工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
特点： 1）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便3. 自吸式发酵罐 工作原理： 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高(4)设备便于自动化、连续化。
缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％。
4. 通风固相发酵罐 优点：设备简单，投资省。
2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。
1－轴封 ； 2、20－人孔；3－梯； 4－联轴；5－中间轴承； 6－温度计接口；7－搅拌叶轮； 8－进风管；9－放料口； 10－底轴承；11－热电偶接口； 12－冷却管；13－搅拌轴； 14－取样管；15－轴承座； 16－传动皮带；17－电机； 18－压力表；19－取样口； 21－进料口；22－补料口； 23－排气口；b p t t t +=24－回流口； 25－视镜；3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算（非通气状态和通气状态注意参数单位）。
非通气状态： 通气状态：1．3嫌气发酵罐1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。
生物反应器
•
•
生物 反应器 生物 反应器
• 生物反应器潜在的社会价值是 无可估量的。在未来几年内， 将有多种动物乳腺生物反映器 重组蛋白上市，从而形成市场 前景广阔和利润巨大的新生物 制药行业。
张 鑫
王 吟
霍 博 超
目
录
• • • • • 概念 动物反应器 微生物反应器 植物反应器 家蚕反应器
概
•
念
生物反应器是利用生物体所具有的生物功能，在体外或 体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装 置系统、细胞、组织器官等等。 生物反应器听起来有些陌生，基本原理却相当简单。 生物工程上的生物反应器是在体外模拟生物体的功能， 设计出来用于生产或检测各种化学品的反应装置。或者 说，生物反应器是利用酶或生物体（如微生物）所具有 的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是一种 生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反 应器等。
家蚕 反应器
桑蚕生物反应器主要有两种形式
1.转基因桑蚕(transgenic silkworm) 2.杆状病毒表达载体系统(Baculovirus Expression Vector System,BEVS)。
技术
力量
• 国内现有技术力量包括中科院上海生化与细胞研 究所、浙江理工大学、浙江大学、中山大学、中 科院武汉病毒所、中国农科院、南京大学、西北 农业大学等单位已基本建立工作基础。 • 中科院上海生化所在昆虫（家蚕）杆状病毒系统 和高效表达载体等上游工作具有较强优势。浙江 理工大学在家蚕生物反应器生产基因工程口服药 物及产业化和家蚕蛋白功能组学研究积累许多工 作基础，“家蚕生物反应器生产生物制品的方法” 获得了2004年国家技术发明二等奖。
• •
植物
生化工程知识点
生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。
技术产品的生产过程。
生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。
重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。
反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。
2）反应条件温和。
3）生物催化剂易失活，难以长期使用。
4）生产设备较简单、能耗较低。
5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。
6）反应机理复杂，较难检测与控制。
7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。
该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。
②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。
研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。
第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。
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准的名称 现在：发酵罐、酶反应器、固定化酶和细胞反
应器、动植物细胞培养反应器Leabharlann 生物反应器与化学反应器的比较
生物（酶除外）反应都以“自催化” （autocalalysis）方式进行，即在目的产物生成 的过程中生物自身要生长繁殖。
YC
细胞生产量 基质消耗量
细胞含碳量 基质含碳量
YX
S
XC SC
式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中 所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式 （3-1）中的系数c实际就是Yc。
微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传 递）氧化磷酸化生成ATP。在氧化过程中，可 通过有效电子数来推算碳源的能量。当1mol碳 源完全氧化时，所需要氧的mol数的4倍称为该 基质的有效电子数。
第二篇 生物反应设备
第三章 生物反应器设计基础
内容
概述 第一节 生物反应过程的剪切力 第二节 生物反应器的传质问题 第三节 生物反应器的混合
概述
生物反应器（bioreactor ）是一个人们对生物 有机体进行有效控制和培养以生产某种产品， 或进行特定反应的容器。
发酵罐（fermentator）：厌氧发酵罐 1970’s :生化反应器（biochemical reactor）和
反应器类型
通用罐 连续搅拌罐 气升式反应器 鼓泡式反应器 自吸式反应器 固体发酵设备
pH控 温度 工业重要特性 制 控制 如需 如需 人事费用高 如需 如需 流速受冲出限制 如需 如需 空压机出口压力要高 如需 如需 可采用鼓风机 如需 如需 需转子高速旋转 如需 如需 人事费用高
嫌气反应器
动植物细胞用反 应器 光合反应器
某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时 细胞得率）
YX
S
dX dS
rX rS
dX dS
dt dt
式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消 耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的 Yx/s比厌氧培养的大的多 。
当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳 源的一部分被同化（assimilate or anabolism）为 细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilate or catabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳源 到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc 可由下式表示
C :1 c d f
H : m 3b xc ud 2e O : n 2a yc vd e 2 f N : b zc wd
(3-2)
方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六个未 知数，需六个方程才能解。
微生物反应过程的得率系数 得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H2O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间 的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡 算。
如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分 子式定义为CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和 灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的 计量关系是可行的。
生物反应器设计的主要目的和设计原理
目的：最大限度地降低成本，用最少的投资来 最大限度地增加单位体积产率
原理：基于强化传质、传热等操作，将生物体 活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。
微生物反应过程的质量和能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达
基质到产物的反应过程非常困难。
如需 如需
如需
如需 如需
如需
无需通风设备 剪切力应小
需光源
主要应用领域
大多数工业生产 污水处理、SCP生产等 有机酸,如柠檬酸生产等 面包酵母等生产 乙酸、酵母等生产 麸曲、酶制剂和麦芽生产 等 酒精、啤酒等生产 杂交瘤单克隆抗体、烟草 细胞培养等 微藻等生产
高效生物反应器的特点
设备简单，结构严密； 良好的液体混合性能，较高的三传效率； 能耗低； 易于放大； 具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。
由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应 速率不高；
与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应 器体积大；
对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高； 产物浓度低。
生物反应器的作用
为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境， 使生物体能更好地生长。
得到更多需要的生物量或代谢产物。
生物反应器的操作特性
Y ATP
X [ g cell ATP
m ol ATP] Y X S M S Y ATP S
式中 YATP为相对于基质的ATP生成得率（mol ATP/mol基质），Ms为基质的分子量。
微生物反应中可以用YkJ表示微生物对能量的利用情 况，
YkJ
X E
X (细胞生产量) Ea (细胞储存的自由能 ) Eb (分解代谢所释放的自由 能)
潜力进行定量评价的重要参数。消耗1g基质生成 细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s （Cell yield或Growth yield）。
生成细胞的质量 X Yx / s 消耗基质的质量 S
细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是 指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质 量均指干细胞）。
式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所 保持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干
细胞的燃烧热 ，后者可采用所消耗的碳源和代谢产
物各自的燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培
养时的YKJ值为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ
的平均值为0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物， 如藻类的YKJ约等于0.002 g细胞/kJ。
CH mOn aO2 bNH3 cCH xOy N z dCHuOv Nw eH2O fCO2
式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞 的元素组成，CHuOvNw为产物的元素组成。下标 m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相 对应的氢、氧、氮的原子数。
对各元素做元素平衡，得到如下方程：