生物反应器的原理及类型109页PPT
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《生物反应器》PPT课件
第二章 生物反应器
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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5
生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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24
连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
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1
生物反应器：是指有效利用生物反应机能的系统（或 场所），不仅包括传统得发酵罐（fermenter）、酶反 应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反 应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器等。
生物反应器：为生物催化剂进行反应而提供良好反应 环境的核心设备。
对细胞生长： 累积量=进入量-流出量+生长量-死亡量
对底物消耗： 累积量=进入量-流出量-反应消耗量
对产物生成： 累积量=进入量-流出量+反应生成量
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反应器设计和操作参数
停留时间τ 反应器体积VR 转化率φ=(S0-S)/S0 生产能力(生产强度)PX: 单位时间单位体积 的细胞的生产量(kg *m-3 *h-1)。
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生物反应器选型与设计的要点
选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反 应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧 和易受杂菌污染等。
确定适宜的反应器形式。 确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。 传热面积的计算。 通风与搅拌装置的设计计算。 材料的选择与确保无菌操作的设计。 检验与控制装置。 安全性。 经济性。
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连续活塞流反应器
平稳，等速流动，不存在返混，所有微元体在反应器 中的停留时间都是相同的。
返混：反应器内停留时间不同的微元流体之间的“混 合”。
CSTR反应器可使这种返混的程度达到最大，常称为全 混流反应器；CPFR是另一个极端，在反应器中不存在 返混，是活塞流反应器。
主要用途：对剪切敏感的组织培养过程，废水处理过 程，固定化酶和固定化细胞的反应过程。
优点：较高的产率，易优化控制
生物酶反应器讲座PPT
Байду номын сангаас
优点：混合良好，各部分组成均一，并与输出组分一致
Advantages
It is simple to use and so is very versatile. In this kind of reactor the enzyme is either added to the solution in the tank, or an immobilised enzyme is dispersed in the reaction solution. A variation is to retain the immobilised enzyme in baskets attached to the impeller shaft, leading to low mass-transfer resistance. This kind of reactor can be used for substrate-inhibited enzymes where substrate is continuously added at a low concentration (fed-batch operation).
BATCH
2. 连续流搅拌反应器（Continuous flow stirred tank reactor， CSTR)
主向要反用应于器中固投定入化固的定生化物酶催和化底剂物溶液，不断搅拌，反应达到平衡后，再以
恒定流速连续流入底物溶液，同时以相同流速输出反应液（含产物）
The continuous flow stirred tank reactor (CSTR) is essentially a stirred tank with a continuous feed of substrate and an outflow of product:
优点：混合良好，各部分组成均一，并与输出组分一致
Advantages
It is simple to use and so is very versatile. In this kind of reactor the enzyme is either added to the solution in the tank, or an immobilised enzyme is dispersed in the reaction solution. A variation is to retain the immobilised enzyme in baskets attached to the impeller shaft, leading to low mass-transfer resistance. This kind of reactor can be used for substrate-inhibited enzymes where substrate is continuously added at a low concentration (fed-batch operation).
BATCH
2. 连续流搅拌反应器（Continuous flow stirred tank reactor， CSTR)
主向要反用应于器中固投定入化固的定生化物酶催和化底剂物溶液，不断搅拌，反应达到平衡后，再以
恒定流速连续流入底物溶液，同时以相同流速输出反应液（含产物）
The continuous flow stirred tank reactor (CSTR) is essentially a stirred tank with a continuous feed of substrate and an outflow of product:
生物反应器ppt课件
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技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
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发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
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（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
《生物反应器》PPT课件
酒精发酵罐的洗涤：喷射洗涤装置 酒精发酵罐的计算：
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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6
1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
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1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
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第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
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1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
生物反应器原理 ppt课件
式定义为
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
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CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
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33
结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
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34
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它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
37
YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
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作业 ：
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39
PPT课件
40
微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
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48
(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
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CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
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CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
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结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
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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它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
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YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
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作业 ：
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微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
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48
(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
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第5章生物反应器共102页
停滞期
指数生长期 减速生长期
平衡生长期
负生长期
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接种后，细胞需要适应环境后才开始加速生长，随后增 长速度不断加快，以指数的数量关系扩大繁殖。但随着时间 的延长，容器内新生细胞增多，细胞的增长速度逐渐降低。
并且部分细胞死亡，扩大 繁殖速度减小，死亡速度增 大，死亡与生长速度达到平 衡。随后死亡速度不断加快， 打破平衡后成为负增长，直 至培养过程结束。
学习目标
学习目的 学习生物反应器的结构和工作原理，培养生物反应器操作技能，为发酵 操作、细胞培养操作打下知识和技能基础。 知识要求 掌握机械搅拌通风发酵罐、气升式发酵罐、鼓泡塔式发酵罐、膜反应器 的结构； 熟悉机械搅拌通风发酵罐、气升式发酵罐、常用动植物细胞培养器的工 作原理； 了解灭菌、无菌操作基本原理，了解生物反应器参数检测与自动控制原 理；了解参数检测仪器的工作原理。 能力要求 熟练应用机械搅拌通风发酵罐、气升式发酵罐的基本操作技术； 学会培养基灭菌与无菌操作。
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4.反复补料分批培养
又称为半连续发酵，指在 补料分批培养中进行一段时间、 反应器内培养液体积达到最大 无法再继续补料时，将培养液 放出一部分，再继续补料，隔 一段时间后再放出同样体积， 如此反复操作，直到最后将培 养液一次性全部放出。
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高压蒸汽灭菌锅 由内锅、外锅、门盖、 压力表、温度计、排 气阀、安全阀、电热 管、蒸汽发生器等部 件构成。
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2.高压蒸汽灭菌锅的操作与维护 （1）使用前应清洗干净，进气阀及排气阀有效，加注水。
层黏阻层膜阻气
越度力，和力液
也 越 大
乳腺生物反应器ppt课件
国内研究进展
20世纪80年代初，施履吉院士就提出乳腺生物反应器的构
想 ，并成功获得表达乙肝病毒表面抗原的转基因兔 ，为
我国通过转基因动物的途径获得珍贵药物奠定了基础。
1995年，我国首次在小鼠乳腺中成功地表达了人的基因；
1996年10月上海医学遗传研究所与复旦大学合作研制成功的 能在乳腺中表达人凝血因子Ⅳ的转基因羊。
原理:
应用重组 DNA技术和转基因技术， 将目的基因转移到尚处于原核阶段的动物胚胎中， 经胚胎移植得到转基因乳腺表达多肽药物、工业 酶、疫苗和抗体等蛋白的技术。
外源基因在乳腺特异性表达需要乳 蛋白基因的一个启动子和调控区，即需要一个引 导泌乳期乳蛋白基因表达的序列，这样才能将外 源基因置于乳腺特异性调节序列控制之下，使其 在乳腺中表达再通过回收奶获得具有生物活性的 目的蛋白。
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根据目的蛋白表 达部位的不同可
分为乳腺生物反 应器、血 液生物
反 应 器 、卵 生 物 反 应 器 、尿 生 物 反 应器、精 囊腺生物反应器、 唾液腺生物反应 器等。
乳腺生物反应器的原理及步骤
乳腺生物反应器的研究进展
乳腺生物反应器的优点及其应用
乳腺生物反应器的存在的问题
完整版课件
3
乳腺生物反应器的原理及步骤
的重视，研究和开发的力度加 强，前景非常乐观。
完整版课件
8
乳腺生物反应器的优点及其应用
➢表达产物能充分修饰且具有稳定的生物活性
利用DNA重组技术的微生物来生产的药用蛋白, 由于细菌等微生物不能进行蛋白质合成后的加工, 因而生物活性低, 并且具有免疫原性。
➢产品成本低,可以大规模生产
药物其效率是利用以大肠杆菌和动物细胞培养 技术的100倍
6-农业生物反应器 PPT课件
动物蛋清→ →外源蛋白。
利用鸡蛋生产重组蛋白的研究正在开展。 鸡的成熟期短，饲养管理简单；250枚/年， 成本低廉；蛋清蛋黄分离，提取简单。 转禽类白血病病毒的外壳蛋白基因的转基 因鸡。
2018/9/10
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第三节
植物生物反应器
植物具有易于生长；管理粗放；技术要求 低的特点。 总费用更为低廉。 主要目的：生产具有商业价值的蛋白质及 具有特殊化学性质的物质。 美国，植物基因药物90亿美元/年。
2018/9/10
9
2、血液生物反应器
动物血液→ →外源蛋白。
优点：①血液可再生； ②采血较容易； ③无须杀死动物。 肝脏→→外源蛋白质→→血液。 缺点：①采血量受限制； ②某些外源蛋白质进入血液会影响 动物的健康。
2018/9/10 10
应用优势
转基因动物→ →人血红蛋白 解决血液来源问题； 避免血液途径的疾病感染。
2018/9/10
19
4、生产甘露醇的烟草
大肠杆菌的甘露醇-1-磷酸脱氢酶基因，转 入烟草，甘露醇含量6µmol/g。
海藻糖，食品鲜味添加剂。 酵母提取，成本每公斤200美元。Mogen 公司和Calgene公司正在尝试在转基因 植物中生产海藻糖。
2018/9/10 20
二、生产生物降解塑料的原料
2018/9/10 3
生物反应器评价
各系统都有其特定的优势和劣势。 原核生物和植物：基因改造容易、成本低，繁 殖速度快。但所生产的蛋白生物活性不完善。 昆虫生物反应器：产量往往不高。 转基因动物：生产的蛋白具有生物活性，且纯 化简单、投资少、成本低，对环境没有污染。 但获得较困难。 最有前途的生产系统还是转基因动物。
循环系统障碍药 5～25（全世界）
利用鸡蛋生产重组蛋白的研究正在开展。 鸡的成熟期短，饲养管理简单；250枚/年， 成本低廉；蛋清蛋黄分离，提取简单。 转禽类白血病病毒的外壳蛋白基因的转基 因鸡。
2018/9/10
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第三节
植物生物反应器
植物具有易于生长；管理粗放；技术要求 低的特点。 总费用更为低廉。 主要目的：生产具有商业价值的蛋白质及 具有特殊化学性质的物质。 美国，植物基因药物90亿美元/年。
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2、血液生物反应器
动物血液→ →外源蛋白。
优点：①血液可再生； ②采血较容易； ③无须杀死动物。 肝脏→→外源蛋白质→→血液。 缺点：①采血量受限制； ②某些外源蛋白质进入血液会影响 动物的健康。
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应用优势
转基因动物→ →人血红蛋白 解决血液来源问题； 避免血液途径的疾病感染。
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4、生产甘露醇的烟草
大肠杆菌的甘露醇-1-磷酸脱氢酶基因，转 入烟草，甘露醇含量6µmol/g。
海藻糖，食品鲜味添加剂。 酵母提取，成本每公斤200美元。Mogen 公司和Calgene公司正在尝试在转基因 植物中生产海藻糖。
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二、生产生物降解塑料的原料
2018/9/10 3
生物反应器评价
各系统都有其特定的优势和劣势。 原核生物和植物：基因改造容易、成本低，繁 殖速度快。但所生产的蛋白生物活性不完善。 昆虫生物反应器：产量往往不高。 转基因动物：生产的蛋白具有生物活性，且纯 化简单、投资少、成本低，对环境没有污染。 但获得较困难。 最有前途的生产系统还是转基因动物。
循环系统障碍药 5～25（全世界）
《生物反应工程》课件
04
生物反应工程的应用实例
生物燃料的生产
生物燃料的生产是生物反应工程的重要应用之一。通过利用 微生物或酶，将植物油、废弃油脂、二氧化碳等转化为可再 生能源，如生物柴油和生物乙醇。
生物燃料的生产有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气 体排放，并促进可持续能源的发展。
生物塑料的生产
生物塑料是利用生物反应工程生产的 可降解塑料，具有环保、可持续的优 点。
农药的生产等。
生物反应工程的重要性
提高生产效率
通过优化生物反应过程， 可以提高生产效率，降低
生产成本。
保护环境
优化生物反应过程可以减 少废物的产生，降低对环
境的污染。
促进可持续发展
生物反应工程的进步有助 于推动可持续发展，促进 人类社会与自然环境的和
谐共生。
02
生物反应工程的基本原理
生物反应工程的基本原理
酶的生产和应用
酶是生物反应工程中的关键物质，具 有高效催化的特点。
通过微生物培养或酶的提取，可以生 产出各种酶，用于催化各种化学反应 ，如水解、酯化、氧化还原等。酶在 制药、化工、食品等领域有广泛应用 。
05
生物反应工程的未来发展
提高生物反应的效率
优化微生物菌种
通过基因工程技术对微生物菌种 进行改良，提高其代谢效率和产 物产量。
节能减排
研究节能减排技术，降低 生物反应过程中的能耗和 排放，减少对环境的负面 影响。
绿色生产
研究绿色生产技术，减少 对原材料和能源的消耗， 降低生产过程中的环境污 染，实现可持续发展。
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THANKS
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《生物反应器》PPT课件 (2)
精选PPT
40
（1E-1）
(1) 菌体均衡生长，用单一参数生物量 来描述菌体生长。
(2) 发酵中菌体呈丝状，浓度较大，最 高达40g/L，因此采用contois方程来关 联比生长速率，即:
（1E-1）
精选PPT
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(3) 在发酵过程中菌丝缠绕成球，菌球 直径为50一300µm，球内基质浓度受到 扩散阻碍，因此用基质的有效浓度来代替
一是全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一；
二是活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动，完全 没有反向混合。讨论反应动力学时常常假定生物反应 是在全混的状态下进行的。而实际反应装置因其流动 特点常常介于上述两种理想流动之间，讨论及计算比 较复杂。
精选PPT
14
生物反应过程的核心问题是细胞的生长
细胞的生长(繁殖)、代谢是一个复杂的 生物化学过程，既包括有各种细胞内的生 化反应、胞内与胞外的物质交换，也包含 有胞外的物质传递及生化反应。与一般化 学工程不同，这个反应体系的特点是多相、 多组分、非线性的体系。多相指的是体系 内常含有气相、液相以及菌体(固)相，而 各相状态及物理性质不同，相内的反应及 传递各有特点，相间还有复杂的相互作用。
发酵液中浓度，即：
s＝S－KixΒιβλιοθήκη (1E一2)精选PPT
42
(4) 青霉素的合成受到糖的非竞争性抑制 作用。
(5) 在合适的条件下氮源、溶氧均不是限 制性基质。
基于上述假设(亦即物理模型)可以建立数 学模型。
(1E－3)
精选PPT
43
上式中V表示发酵的体积，因此各式中最后一项表示由 于流加物料导致体积变化而引起的各组分的“稀释”作
上述3种模型在实际过程分析中应用较少， 本章不作详细讨论。