生物工程设备82376 ppt课件
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生物工程设备
➢ 绪论
➢ 生物反应器设计基础 ➢ 生物反应器 ➢ 检测控制及放大 ➢ 物料处理设备 ➢ 产物分离纯化设备 ➢ 辅助系统设备
• 作用
课程作用与任务
生物工程设备
生物技术的原理
生物技术产业化
• 任务
生物工程设备的最佳设计和最适选型，满足现代生物技 术产业化的需要；研究开发新型生物工程设备，使生产过程 大型化、多样化、连续化和自动化
琼脂斜面
摇瓶
接种
菌种提纯
种子培养
种 子 罐
无菌空气 生物反应
pH调节液
空
气
过
蒸汽
滤
主
器
要
发
酵
锅炉 空气压缩机
罐
通气
检测控制
培养基原料
培养基配料
培养基 配料罐
蒸汽灭菌
连消装置
去菌体分离及后处理
成品
典型的分批发酵工艺流程图
机械搅拌反应器
？
植物细胞培养器
活体生物反应器－转基因牛
Industrial Fermentation Setting
课程内容
生物工程设备
生生 物物 反反 应应 器器 设 计 基 础
检物 测料 控处 制理 及设 放备 大
产辅 物助 分系 离统 纯设 化备 设 备
目的与要求
• 掌握生物反应器的设计基础。 • 掌握生物工程的设备流程、设备结构及工作原理，主要设 备的设计计算及选型。 • 了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。 • 初步具有独立分析和解决试验研究及工业生产上的工程设 备问题的能力。
Laboratory process development Shake Flask Experiments
第一章 生物反应器设计基础
生物反应器的设计要以生物体为中心 需要两方面的知识 化学工程：反应器的传热，传质的性能，
剪切力，凝聚成颗粒现象，通气 生物工程方程：生物体的生长特性和要求，
生物体不同阶段对温度，溶氧,pH的要 求，无菌要求
生物反应器设计基础
• 生物反应器的分类按目的分： • 1。生产细胞 • 2。细胞的代谢产物 • 3。酶催化得到的产物 • 按培养类型分类： • 动植物细胞,组织，酶，微生物的培养和发
酵
生物反应器设计基础
• 常用生物反应器： • 1）厌气生物反应器 • 2）通气生物反应器，又可分为搅拌式，气
升式，自吸式 • 3）光照生物反应器 • 4）膜生物反应器：可分为非循环式，内循
环式，外循环式生物反应器
生物反应器设计基础
• 化学计量基础
• 生物反应的质量衡算 • 生物反应过程的得率系数
• 生物学基础
• 细胞数动力学 • 无抑制的细胞生长动力学 • 有抑制的细胞生长动力学 • 产物形成动力学 • 环境因素对生长及代谢的影响
• 传质
• 气-液传质 • 液体-微生物传质
• 传热 • 剪切力问题
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
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
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
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
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。
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
基 细质 胞： ： bs 44m p22nl 3q(2.2) 产物： p 4y2s3t
根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程：
s4bYbbYpp
1Ybb Ypp 4a
s
s s
1b p
基质中传递到氧电 的子 有数 效的分率； b 进入细胞的有效分 电率 子； 数 p 进入胞外产物中子 有数 效的 电分率。
细胞反应过程的得率系数
• 对基质的细胞得率Yx/s
Yx/s消 生耗 成基 细质 胞的 的＝质 质 x量 量 S
• 对氧的细胞得率Yx/o
YX/O 生 消成 耗细 氧胞 的的 质 ＝质 量 xO量
• 对碳的细胞得率YC
Y C消 生耗 成 基 细 细 基 质 胞 胞 质 的 ＝ 含 量 含 x S 质 碳 XS 碳 量 量 X SY 量 X/S
• 对基质的产物得率Yp/s
YP/S 生消 成耗 代基 谢质 产的 物质 的 ＝量 质 PS量
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
r x d X d C t μ X C 2 . 3
•维持的定义： YX 1/S＝ Y1xm /saxm s (2.4)
式中YXS－细胞对基质的得率；
Y
max x/s
－最大得率；ms
－维持系数；
μ－比生长速率。
•无产物时，基质的线性方程：
＝ /Y x m /s a m x s (2 .5 )
•有产物时，基质的线性方程：
＝ / Y x m / s a / Y x x m / s m a s x 2 . 6
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 生成能量基质产生的ATP相关)由此确立一系 列关系
• 细胞内营养基质的消耗一部分用于生长，
一部分用于产物形成，一部分用于维持生 命活动
• 维持能的具体表现是：
•
变形蛋白的变换，保持最佳的胞内
pH，抗衡通过细胞膜的主动运输，无用循
环及运动所需能量
第二节生物反应器的生物学基础
➢ 绪论
➢ 生物反应器设计基础 ➢ 生物反应器 ➢ 检测控制及放大 ➢ 物料处理设备 ➢ 产物分离纯化设备 ➢ 辅助系统设备
• 作用
课程作用与任务
生物工程设备
生物技术的原理
生物技术产业化
• 任务
生物工程设备的最佳设计和最适选型，满足现代生物技 术产业化的需要；研究开发新型生物工程设备，使生产过程 大型化、多样化、连续化和自动化
琼脂斜面
摇瓶
接种
菌种提纯
种子培养
种 子 罐
无菌空气 生物反应
pH调节液
空
气
过
蒸汽
滤
主
器
要
发
酵
锅炉 空气压缩机
罐
通气
检测控制
培养基原料
培养基配料
培养基 配料罐
蒸汽灭菌
连消装置
去菌体分离及后处理
成品
典型的分批发酵工艺流程图
机械搅拌反应器
？
植物细胞培养器
活体生物反应器－转基因牛
Industrial Fermentation Setting
课程内容
生物工程设备
生生 物物 反反 应应 器器 设 计 基 础
检物 测料 控处 制理 及设 放备 大
产辅 物助 分系 离统 纯设 化备 设 备
目的与要求
• 掌握生物反应器的设计基础。 • 掌握生物工程的设备流程、设备结构及工作原理，主要设 备的设计计算及选型。 • 了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。 • 初步具有独立分析和解决试验研究及工业生产上的工程设 备问题的能力。
Laboratory process development Shake Flask Experiments
第一章 生物反应器设计基础
生物反应器的设计要以生物体为中心 需要两方面的知识 化学工程：反应器的传热，传质的性能，
剪切力，凝聚成颗粒现象，通气 生物工程方程：生物体的生长特性和要求，
生物体不同阶段对温度，溶氧,pH的要 求，无菌要求
生物反应器设计基础
• 生物反应器的分类按目的分： • 1。生产细胞 • 2。细胞的代谢产物 • 3。酶催化得到的产物 • 按培养类型分类： • 动植物细胞,组织，酶，微生物的培养和发
酵
生物反应器设计基础
• 常用生物反应器： • 1）厌气生物反应器 • 2）通气生物反应器，又可分为搅拌式，气
升式，自吸式 • 3）光照生物反应器 • 4）膜生物反应器：可分为非循环式，内循
环式，外循环式生物反应器
生物反应器设计基础
• 化学计量基础
• 生物反应的质量衡算 • 生物反应过程的得率系数
• 生物学基础
• 细胞数动力学 • 无抑制的细胞生长动力学 • 有抑制的细胞生长动力学 • 产物形成动力学 • 环境因素对生长及代谢的影响
• 传质
• 气-液传质 • 液体-微生物传质
• 传热 • 剪切力问题
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
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
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
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
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。
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
基 细质 胞： ： bs 44m p22nl 3q(2.2) 产物： p 4y2s3t
根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程：
s4bYbbYpp
1Ybb Ypp 4a
s
s s
1b p
基质中传递到氧电 的子 有数 效的分率； b 进入细胞的有效分 电率 子； 数 p 进入胞外产物中子 有数 效的 电分率。
细胞反应过程的得率系数
• 对基质的细胞得率Yx/s
Yx/s消 生耗 成基 细质 胞的 的＝质 质 x量 量 S
• 对氧的细胞得率Yx/o
YX/O 生 消成 耗细 氧胞 的的 质 ＝质 量 xO量
• 对碳的细胞得率YC
Y C消 生耗 成 基 细 细 基 质 胞 胞 质 的 ＝ 含 量 含 x S 质 碳 XS 碳 量 量 X SY 量 X/S
• 对基质的产物得率Yp/s
YP/S 生消 成耗 代基 谢质 产的 物质 的 ＝量 质 PS量
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
r x d X d C t μ X C 2 . 3
•维持的定义： YX 1/S＝ Y1xm /saxm s (2.4)
式中YXS－细胞对基质的得率；
Y
max x/s
－最大得率；ms
－维持系数；
μ－比生长速率。
•无产物时，基质的线性方程：
＝ /Y x m /s a m x s (2 .5 )
•有产物时，基质的线性方程：
＝ / Y x m / s a / Y x x m / s m a s x 2 . 6
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 生成能量基质产生的ATP相关)由此确立一系 列关系
• 细胞内营养基质的消耗一部分用于生长，
一部分用于产物形成，一部分用于维持生 命活动
• 维持能的具体表现是：
•
变形蛋白的变换，保持最佳的胞内
pH，抗衡通过细胞膜的主动运输，无用循
环及运动所需能量
第二节生物反应器的生物学基础