生物反应工程英文课件：Chapter 9 Heterogeneous Reactions
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反应工程 英文版 课件Chapter 1~3
FA
∫
V
rj dV = rj ⋅ V (put into eqn. A’)
∴V =
F jo − F j − rj
(Design equation of CSTR)
Fj = Cj⋅v (molar flow rate = concentration × volume flow rate)
C. Tubular Reactor or Plug-flow Reactor (PFR)
dN j dt
= F jo + G j − F j ; Nj: number of moles of j species
dG j = r j dV ; G j = ∫ V rj dV ; rj varies with position
∴ dt
dN j
= Fjo − F j + ∫ V rj dV
(A)
Outlines: Introduction & Basic Concepts (Physical Chemistry) Mole Balance & Reactors Design Equations & Conversion Rate Law & Stoichiometry Interpretations of Collected Rate Data Systems Involving Multiple Reactions Kinetics of Non-Elementary Reactions Design of Isothermal Reactors Design of Steady-State Non-Isothermal Reactors Catalysis & Catalytic Reactors Effects of External Diffusion on Heterogeneous Reactions Text Books: H, Scott Fogler, “Elements of Chemical Reaction Engineering”, 3rd. ED., Prentice Hall (1999) ·s¤ë¡C Octave Levenspiel, “Chemical Reaction Engineering”, 3rd, ED. John Wiley & Sons (1999) ¼Ú¨È¡C
生物反应器课件DifferentcellpropertiesSelectcellculturemethod
Perfusion
• Used to achieve high cell densities • Fresh medium added as spent medium is
removed • Cell separation required (spin filters, hollow-fiber
filters, centrifugal separation, BioSep) • Remove toxics
Exponential
Decline
Yeast Mammalian
Minimum 0.0001
density
Lag phase
0.00001
0
50
100
Cell Metabolism
• Toxic metabolites
• Lactate from glucose metabolism (lowers pH)
•
N = RPM of Shaft
•
F = One (1) for one impeller
•
(1.8) for two impellers
•
(2.4) for three impellers
Agitation - turbine impeller
Tip Speed should also be considered because of tendency to shear cells. Do not exceed 1 m/s for cell culture
•Serum composition is poorly defined and the batches vary.
•Expensive
Growth curves in yeasts and mammalian cells are different
生物反应工程原理ppt课件
• 我国正在实行的高技术：生物技术、信息技术 、新材料技术、新能源技术、海洋技术、空间 技术。
• 生物技术（工程）的研究内容：基因工程；酶 工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生 化分离工程；
11
生物技术的特点
多学科、多技术的结合 生物作用剂（生物催化剂）的参与 目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这 一过程称为生物反应过程（ bioprocess)
生化反应器
检测控制系统
产物提取与精制
副产物
产物
废弃物 32
（2）生物反应过程的四个组成部分
• ①原材料的预处理及培养基的制备； • ②生物催化剂的制备； • ③生物反应器及反应条件的选择与监控； • ④产物的分离纯化工程；
33
（3）生物反应过程的特点
• ①采用生物催化剂； • ②采用可再生资源为主要原料； • ③反应器； • ④产物提取、纯化较难、复杂
• 1993年，日本学者川濑义矩出版了《生物反应工程基础》一 书；
• 1994年，丹麦学者尼尔森（Nielsen）等编著了《生物反应工 程原理》一书；
• 在此期间，我国学者也编著出版了《生物反应工程原理》（ 1990）、《生物工艺学》（1992）、《生化工程》（1993） 和《生化反应动力学与反应器》（1996和1998）等书籍。
生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境 因素、操作条件等）
以获得目的产物为目的：
• 从微观看 转录与转译速率=（基因量、…….等) 调控速率=（表达速率、酶活力、……等）
19
工程思维方法 Engineering sense method
• Adaptability 生物适应性(或可行性） • Continuity 可持续性 • Fixed quantity of process 过程的量化 • Economy 经济性 • Efficiency 效率 • ……
• 生物技术（工程）的研究内容：基因工程；酶 工程；细胞工程；发酵工程；生物反应器；生 化分离工程；
11
生物技术的特点
多学科、多技术的结合 生物作用剂（生物催化剂）的参与 目的是建立工业生产过程或进行社会服务，这 一过程称为生物反应过程（ bioprocess)
生化反应器
检测控制系统
产物提取与精制
副产物
产物
废弃物 32
（2）生物反应过程的四个组成部分
• ①原材料的预处理及培养基的制备； • ②生物催化剂的制备； • ③生物反应器及反应条件的选择与监控； • ④产物的分离纯化工程；
33
（3）生物反应过程的特点
• ①采用生物催化剂； • ②采用可再生资源为主要原料； • ③反应器； • ④产物提取、纯化较难、复杂
• 1993年，日本学者川濑义矩出版了《生物反应工程基础》一 书；
• 1994年，丹麦学者尼尔森（Nielsen）等编著了《生物反应工 程原理》一书；
• 在此期间，我国学者也编著出版了《生物反应工程原理》（ 1990）、《生物工艺学》（1992）、《生化工程》（1993） 和《生化反应动力学与反应器》（1996和1998）等书籍。
生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境 因素、操作条件等）
以获得目的产物为目的：
• 从微观看 转录与转译速率=（基因量、…….等) 调控速率=（表达速率、酶活力、……等）
19
工程思维方法 Engineering sense method
• Adaptability 生物适应性(或可行性） • Continuity 可持续性 • Fixed quantity of process 过程的量化 • Economy 经济性 • Efficiency 效率 • ……
Kinetics_Homogenous_reactions 传递理论与反应工程英文版课件
KINETICS OF HOMEGENOUS REACTIONS
1
During a chemical reaction
aA + bB rR + sS
Overall Mass is conserved
Is mass with respect to a species conserved?
The mass of a reactant depletes / disappears when a reaction is in progress.
If i is a reactant, moles of reactant get consumed
and hence the rate is -ve
3
To avoid dealing with both +ve and –ve rates
If i is a product, the rate is defined in terms of rate of appearance (ri)
Solution: 1. Write the rate law for the desired compound
rS = k3[A*] 2. Write the rate for the intermediate compounds
rA* = k1 [A]2 – k2[A*][A] – k3[A*] 3. Use PSSH:
1 V
dN R dt
It may be noted that: rate of disappearance = - (rate of appearance)
4
For the Reaction: aA + bB rR + sS
1
During a chemical reaction
aA + bB rR + sS
Overall Mass is conserved
Is mass with respect to a species conserved?
The mass of a reactant depletes / disappears when a reaction is in progress.
If i is a reactant, moles of reactant get consumed
and hence the rate is -ve
3
To avoid dealing with both +ve and –ve rates
If i is a product, the rate is defined in terms of rate of appearance (ri)
Solution: 1. Write the rate law for the desired compound
rS = k3[A*] 2. Write the rate for the intermediate compounds
rA* = k1 [A]2 – k2[A*][A] – k3[A*] 3. Use PSSH:
1 V
dN R dt
It may be noted that: rate of disappearance = - (rate of appearance)
4
For the Reaction: aA + bB rR + sS
生物反应工程英文课件：Lesson-1
in Pakistan, Sri Lanka, Bangladesh, the Maldives and Somalia.4Biblioteka Color Type Red
Yellow Blue
Green
Brown Dark Purple White Gold
Area of Biotech Activities Health, Medical, Diagnostics Food Biotechnology, Nutrition Science Aquaculture, Coastal and Marine Biotech Agricultural, Environmental Biotechnology – Biofuels, Biofertilizers, Bioremediation, Geomicrobiology Arid Zone and Desert Biotechnology Bioterrorism, Biowarfare, Biocrimes, Anticrop warfare Patents, Publications, Inventions, IPRs Gene-based Bioindustries Bioinformatics, Nanobiotechnology
choke points such as the Strait of Mandeb, the Strait of Malacca, the Strait of
Hormuz and the Lombok Strait, as well as other strategic maritime centers
2
Among about 1 billion tons of crude oil consumed annually in the United States, more than 70% is imported, mainly from the Middle East.
微生物反应动力学生物反应工程课件共讲详解演示文稿
• 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。
真菌、藻类和原生动物等。
第3页，共53页。
分 类 ： 界 （ Kingdom ） 、 门 （ Phylum ） 、 纲 （ Class ） 、 目 （ Order ） 、 科 （ Family ） 、 属 （Genus）、种（Species）。
种 以 下 有 变 种 （ Variety ） 、 型 （Form）、品系（Strain）等。
第22页，共53页。
不足： 1、副产物的产生不可避免。 2、影响微生物反应的因素多实际控制有难度； 3、原料是农副产品，受价格变动影响大； 4、产前准备工作量大，相对化学反应器而言， 反应器效率低。对于好氧反应，需氧，故增加了 生产成本，且氧的利用率不高； 5、废水有较高BOD值。
第23页，共53页。
第29页，共53页。
• 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
微生物反应动力学生物反应工程课件 共讲详解演示文稿
第1页，共53页。
（优选）微生物反应动力学生物反应 工程课件共讲
第2页，共53页。
反应工程英文版课件Chapter 4
k (T ) = Ae − Ea / RT
Remarks:
A: frequency factor or pre-exponential factor Ea: activation energy
(i) The Arrhenius equation has been verified empirically to give the temperature
Remarks: (i) An irreversible reaction behaves as if no equilibrium condition exists. (ii) No chemical reaction is completely irreversible (but some reactions close to).
− rA = k A , {k A } : mol ⋅ dm −3 ⋅ s −1
− rA = k AC A , {k A } : s −1
2 3 −1 −1 − rA = k AC A , {k A } : dm ⋅ mol ⋅ s 3 6 −2 −1 − rA = k AC A , {k A } : dm ⋅ mol ⋅ s
Chapter 4 Rate Laws
A. Homogeneous reactions: Reactions occur in one phase. (oil/water heterogeneous) B. Heterogeneous reactions: Reactions involve more than one phase, and reactions usually occur at or very near the interface between the phases. (Surface area) C. Irreversible reactions: Reactions proceed in only one direction and continue in the direction until (one of) the reactants are exhausted. D. Reversible reaction: Reaction can proceed in either direction, depending on the concentration of reactants and products relative to their corresponding equilibrium concentrations.
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,
PPT课件
24
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
PPT课件
33
结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
PPT课件
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)
PPT课件
作业 ：
PPT课件
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.
PPT课件
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:
PPT课件
49
PPT课件
50
PPT课件
51
PPT课件
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PPT课件
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CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
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24
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 .
PPT课件
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)
PPT课件
作业 ：
PPT课件
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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生物反应工程-PPT课件
1.3生物反应工程
1.3.1 定义：研究生物反应动力学，反应器的 结构、设计、放大以及反应器优化的一个重要 学科。 实质：生物反应过程中带有共性的工程技术问 题的学科。
如何从生物现象中抽象出共性的内容
从宏观看 以获得生物量为目的： 生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境因 素、操作条件等） 以获得目的产物为目的：
生物反应工程与相关学科的关系
1.4生物反应工程的研究方法
数学模型法——用数学语言表达生物法反应过 程中各个变量之间的关系。 不能替代实验研究。 方法——机理模型或结构模型既过程机理出发推 倒的。 --------可外推使用半经验模型\ 经验模型 经验法
参考资料
国外 1975年日本学者合叶修一等《生物化学工程---反应动力学》 1979年日本学者山根恒夫《生物反应工程》 1985年德国学者许盖特（Schugerl）《生物反应工程》 1993年日本学者川濑义矩《生物反应工程基础》 1994（02）年丹麦学者Nielsen 等《生物反应工程原理》 国内 《生物反应工程原理》（ 1990 和 2019 天津科技大学贾士儒） 《生物工艺学》（1992华东理工大学俞俊棠等） 《生化工程》（1993江南大学伦世仪） 《生化反应动力学与反应器》（2019北京化工大学戚以政等） 《生物反应工程》（2019戚以政等） 《生物反应工程》 2019浙江大学岑沛林等） 《生物反应工程》（2019清华大学邢新会译）
A.
生物反应动力学
动力学——研究工业生产中生物反应速率问题；影响 生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结 果。 本征动力学（微观动力学） 反应器动力学（宏观动力系学）
(生物工艺学双语课件)Chapter 09Immobilization of Biocatalyst
Captopril
zofenopril
S-(-)-3-benzoylthio-2- methylpropanoic acid is a key chiral intermediate for the synthesis of captopril or zofenopril;
both are antihypertensive drugs.
脂肪酶拆分生产拟除虫菊酯的工艺
① Anticancer(paclitaxel semisynthesis)
OAc
Lipase
OAc
NH O
Pseudomonas sp. Hydrolysis
O
+
NH 49% yield (max.50%)
Racemic acetate
(3R)-Acetate99.8% ee
Organic
Polyethylene Polysty;rene Polyacrylate Nylon Polyacrylamide Polymethacrylate Polypyrrole Polyaniline Polyphenol Polyester Polyvinyl alcohol
-
Biological
O
Lipase
Geotrichum candidum
tolune Acylation
O
HO
P
EtO OEt
Recamic alcohol
O
O
yield 38%
(max. 50%)
95% ee.
O
AcO
P
EtO OEt
S-(+)-Acetate
O
HO
P
有机化学英文课件chapter9
A guiding principle is the freer the nucleophile, the greater its nucleophilicity Polar aprotic solvents (e.g., DMSO, acetone, acetonitrile, DMF)
• are very effective in solvating cations, but not nearly so effective in solvating anions.
Solvent Increasing Nucleophilicity Polar aprotic I- < Br- < Cl- < FPolar protic F- < Cl- < Br- < I-
How do we account for these differences?
9-21
Nucleophilicity
• S = substitution • N = nucleophilic • 2 = bimolecular (two species are involved in the rate-
determining step)
9-9
Mechanism - SN2
• both reactants are involved in the transition state of the rate-determining step
9-19
Nucleophilicity
M acintosh PICT im age form at is not supported
9-20
Nucleophilicity
Relative nucleophilicities of halide ions in polar aprotic solvents are quite different from those in polar protic solvents
• are very effective in solvating cations, but not nearly so effective in solvating anions.
Solvent Increasing Nucleophilicity Polar aprotic I- < Br- < Cl- < FPolar protic F- < Cl- < Br- < I-
How do we account for these differences?
9-21
Nucleophilicity
• S = substitution • N = nucleophilic • 2 = bimolecular (two species are involved in the rate-
determining step)
9-9
Mechanism - SN2
• both reactants are involved in the transition state of the rate-determining step
9-19
Nucleophilicity
M acintosh PICT im age form at is not supported
9-20
Nucleophilicity
Relative nucleophilicities of halide ions in polar aprotic solvents are quite different from those in polar protic solvents
生物反应工程ppt课件
19
• (2)温度
• 在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的 上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利 影响，如温度继续提高，细胞功能急剧下降，以至死亡。 各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温 度，并且，最适、最高和最低温度会因环境条件变化而变 化。
微生物细胞生长繁殖的温度范围
35
生物反应器
生物反应器的特点：
• （1）生物(酶除外)反应都以“自催化”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
• （2）由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积 反应速率不高；
• （3）与其他相当生产规模的加工过程相比，所需 反应器体积大；
• （4）对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ；产物浓度低。
7
酶的稳定性
引起酶失活的原因： （1）酶活性中心特定氨基酸(或其他)残基被
化学修饰； （2）外部环境的影响，酶活性中心出现空间
障碍，使其不能与底物相结合； （3）酶的高级结构发生变化，相对而言是一
种宏观变化； （4）多肽链的断裂，可以说是一种“激烈的
分解作用”。
8
确保酶活力稳定的主要方法
9
酶的固定化技术
酶的固定化技术就是将水溶性酶分子通过一定的 方式。如静电吸附、共价键等与载体，如角叉菜 胶、离子交换树脂等材料结合，制成固相酶．即 固定化酶的技术。
10
酶或多酶复合体系固定化后引起酶性质 改变的原因
• 一是：酶自身的变化—活性中心的氨基酸 残基、空间结构和电荷状态发生了变化；
• 二是：载体理化性质的影响—固定化酶的 周围形成了能对底物传递产生影响的应器设计的基本原理
生物反应器的设计原理是基于强化传质、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。生物反 应器选型与设计的要点：
• (2)温度
• 在一定范围内，微生物的代谢活动与生长繁殖随着温度的 上升而增加，温度上升到一定程度，开始对机体产生不利 影响，如温度继续提高，细胞功能急剧下降，以至死亡。 各种生物有其最适生长温度、最高生长温度与最低生长温 度，并且，最适、最高和最低温度会因环境条件变化而变 化。
微生物细胞生长繁殖的温度范围
35
生物反应器
生物反应器的特点：
• （1）生物(酶除外)反应都以“自催化”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
• （2）由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积 反应速率不高；
• （3）与其他相当生产规模的加工过程相比，所需 反应器体积大；
• （4）对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高 ；产物浓度低。
7
酶的稳定性
引起酶失活的原因： （1）酶活性中心特定氨基酸(或其他)残基被
化学修饰； （2）外部环境的影响，酶活性中心出现空间
障碍，使其不能与底物相结合； （3）酶的高级结构发生变化，相对而言是一
种宏观变化； （4）多肽链的断裂，可以说是一种“激烈的
分解作用”。
8
确保酶活力稳定的主要方法
9
酶的固定化技术
酶的固定化技术就是将水溶性酶分子通过一定的 方式。如静电吸附、共价键等与载体，如角叉菜 胶、离子交换树脂等材料结合，制成固相酶．即 固定化酶的技术。
10
酶或多酶复合体系固定化后引起酶性质 改变的原因
• 一是：酶自身的变化—活性中心的氨基酸 残基、空间结构和电荷状态发生了变化；
• 二是：载体理化性质的影响—固定化酶的 周围形成了能对底物传递产生影响的应器设计的基本原理
生物反应器的设计原理是基于强化传质、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。生物反 应器选型与设计的要点：
生物反应工程基础1_PPT幻灯片
1
• 1857年巴斯德 （Pasteur）证明酒精 发酵是由活酵母引起的
2
20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。 • 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。
农业生物技术的发展
1983年转基因植物问世 ,1986年被批准进入田间试验 ,根据美 国农业部动植物检疫局 (APHIS)的数据 ,1997年 1月 31日 , 美国已批准的转基因植物田间试验达 2500多例。
转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病的甜菜， 抗腐能力强、耐贮性高的番茄
16世纪中， Robert Hooke发明显微镜。 17世纪末， Antoine van Leeuwenhoek
对于fungi, bacteria and protozoa等进行 了最早的纪录和描述。 微生物真正的突破在19世纪： o Louis Pasteur 纯种发酵 一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始： 乙醇, 乳酸, 丙酮，...
生物材料
PHAs、聚L-乳酸、壳聚糖
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
生物化学品 丙烯酰胺、手性药物前体、1，3－丙二醇
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
能源类
乙醇、甲醇、丁醇、生物柴油（脂肪酸甲酯）、甲烷、氢气
8
1.生物技术的第一阶段－－从艺术到科学
9
2. 生物技术的第二阶段－－工程化的过程
Alexander Fleming(1928)发现Staphylococcus 培养受到Penicillium notatum的抑制
• 1857年巴斯德 （Pasteur）证明酒精 发酵是由活酵母引起的
2
20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。 • 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。
农业生物技术的发展
1983年转基因植物问世 ,1986年被批准进入田间试验 ,根据美 国农业部动植物检疫局 (APHIS)的数据 ,1997年 1月 31日 , 美国已批准的转基因植物田间试验达 2500多例。
转基因植物进入市场：如抗除草剂的大豆，抗病毒病的甜菜， 抗腐能力强、耐贮性高的番茄
16世纪中， Robert Hooke发明显微镜。 17世纪末， Antoine van Leeuwenhoek
对于fungi, bacteria and protozoa等进行 了最早的纪录和描述。 微生物真正的突破在19世纪： o Louis Pasteur 纯种发酵 一批纯种（厌氧）发酵的产品的生产开始： 乙醇, 乳酸, 丙酮，...
生物材料
PHAs、聚L-乳酸、壳聚糖
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
生物化学品 丙烯酰胺、手性药物前体、1，3－丙二醇
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
能源类
乙醇、甲醇、丁醇、生物柴油（脂肪酸甲酯）、甲烷、氢气
8
1.生物技术的第一阶段－－从艺术到科学
9
2. 生物技术的第二阶段－－工程化的过程
Alexander Fleming(1928)发现Staphylococcus 培养受到Penicillium notatum的抑制
《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。
谢谢您的聆听
THANKS
GelTorrent堞油烟-毡, mehizer 油烟 coat,毡:,毡,毡:a毡毡,长安一 层 chip,长安一体的 MARS Coast陲:11,毡:,毡:蔫 (1 *1毡,毡, 悟,毡_毡,毡:K毡,毡*,毡毡长安毡 股市道实战 on, on, on-悟/
生物反应器课件Bioreactordesignforanimalcellcultures：cGMPaspects
– The responsibility and implementation of cGMP is left up to Audited recipient
– GMPs were established before validation was common practice
cGMP
• Validation
DP37: Control of Measurement devices DP46: QA system management
Improvement tools
DP28: Draw ing Update DP32: Disapproved materials DP33: Complaints DP47: Board Audit DP48: Internal audits
Customer satisfactory
Internal Organisation
Quality Handbook
DP38: Document control
DP30: Control of Basic Files
DP39: Netw ork control
DP31: ESD-operations
• Understand the background of cGMP • Document only what is useful according cGMP • cGMP documents are not free of charge • Working according GMP is never finished: it needs
7 E n g in eerin g
V alid ated S ystem
15 MQ
14 PQ
– GMPs were established before validation was common practice
cGMP
• Validation
DP37: Control of Measurement devices DP46: QA system management
Improvement tools
DP28: Draw ing Update DP32: Disapproved materials DP33: Complaints DP47: Board Audit DP48: Internal audits
Customer satisfactory
Internal Organisation
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7 E n g in eerin g
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生物反应器课件Newtechnologiesincellculture
µ-Flask’s Integrate with the SensorDishReader®
1. Eliminate Well-plate inconsistency. 2. Reduce and equalize evaporative losses across well-plates. 3. Obtain online pH or dissolved oxygen data for all wells.
Resonant Acoustic Mixing
• All energy goes into mixing the contents of the flask • 6 fold better OTR’s than orbital shakers due to increased headspace exchange • Up to 50% fill volume in standard flasks
• Bluetooth range of >15ft. • Battery life >3 months on a single charge.
(platform can operate on single battery)
The RAMBIO1000
(Resonant Acoustic Mixing)
DO profiles
(all 24 for each well-plate)
Polystyrene
u-Flask
SensorFlaskReader ®, SFR
The SensorFlask Reader, SFR
• Shaker-mounting blue-tooth sensor platform. • Shake Flasks with DO and pH sensors.
1. Eliminate Well-plate inconsistency. 2. Reduce and equalize evaporative losses across well-plates. 3. Obtain online pH or dissolved oxygen data for all wells.
Resonant Acoustic Mixing
• All energy goes into mixing the contents of the flask • 6 fold better OTR’s than orbital shakers due to increased headspace exchange • Up to 50% fill volume in standard flasks
• Bluetooth range of >15ft. • Battery life >3 months on a single charge.
(platform can operate on single battery)
The RAMBIO1000
(Resonant Acoustic Mixing)
DO profiles
(all 24 for each well-plate)
Polystyrene
u-Flask
SensorFlaskReader ®, SFR
The SensorFlask Reader, SFR
• Shaker-mounting blue-tooth sensor platform. • Shake Flasks with DO and pH sensors.
生物反应工程原理 PPT课件
第九章 生物反应工程原理
9.1 概述
生物反应工程研究的目的
生物反应过程的特征在于有生物催化剂参与反应。与化学反应相比，生物反 应所需的条件比较温和、反应速率有时比化学反应过程慢得多；反应的复杂 性有时难以预计等。自然界中的生物现象可以说是千变万化，但是其中起主 导作用的便是生物催化反应。微生物的生长繁殖，细胞个数增加，形态不断 变化，这些可以用微生物的生长速率来描述。
rP (rS )
k cat e[S ] rP,max [S ] K S [S ] K S [S ]
（9-12）
式中：rS——底物的消耗速率(负号表示减少)； rP——产物的生成速率； KS——平衡常数KS=k-1/k+1，其又称饱和常数(saturationconstant)。 利用稳态法求解(9-12)式，在这段时间里，生成速率与消耗速率相等， 达到动态平衡，即所谓“稳态”。基于此，可获得如下米氏方程：
9.2 酶促反应动力学
酶和细胞的固定化技术
固定化技术是针对在实际应用中，无论采用何种操作方式，酶都 难以回收利用的问题而研究开发的新技术。 酶的固定化会引起酶性质的改变。主要表现在： ① 底物专一性的改变 由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化后的酶分子，使酶的 底物特异性发生变化，导致底物专一性改变。 ② 稳定性增强 一般来说，固定化酶比游离酶的稳定性好，主要表现在热稳定性、保 存和使用稳定性的增加。 ③ 动力学常数的变化 米氏常数的减小，对固定化酶的实际应用是很有利的，可保证反应进 行得更完全。固定化酶的催化反应中，若有扩散阻力，则表观米氏常 数变大。
kcat e[S ] rP,max [S ] rP (rS ) K m [S ] K m [S ]
式中：Km——米氏常数，mol／L，
9.1 概述
生物反应工程研究的目的
生物反应过程的特征在于有生物催化剂参与反应。与化学反应相比，生物反 应所需的条件比较温和、反应速率有时比化学反应过程慢得多；反应的复杂 性有时难以预计等。自然界中的生物现象可以说是千变万化，但是其中起主 导作用的便是生物催化反应。微生物的生长繁殖，细胞个数增加，形态不断 变化，这些可以用微生物的生长速率来描述。
rP (rS )
k cat e[S ] rP,max [S ] K S [S ] K S [S ]
（9-12）
式中：rS——底物的消耗速率(负号表示减少)； rP——产物的生成速率； KS——平衡常数KS=k-1/k+1，其又称饱和常数(saturationconstant)。 利用稳态法求解(9-12)式，在这段时间里，生成速率与消耗速率相等， 达到动态平衡，即所谓“稳态”。基于此，可获得如下米氏方程：
9.2 酶促反应动力学
酶和细胞的固定化技术
固定化技术是针对在实际应用中，无论采用何种操作方式，酶都 难以回收利用的问题而研究开发的新技术。 酶的固定化会引起酶性质的改变。主要表现在： ① 底物专一性的改变 由于形成立体障碍，高分子底物难以接近固定化后的酶分子，使酶的 底物特异性发生变化，导致底物专一性改变。 ② 稳定性增强 一般来说，固定化酶比游离酶的稳定性好，主要表现在热稳定性、保 存和使用稳定性的增加。 ③ 动力学常数的变化 米氏常数的减小，对固定化酶的实际应用是很有利的，可保证反应进 行得更完全。固定化酶的催化反应中，若有扩散阻力，则表观米氏常 数变大。
kcat e[S ] rP,max [S ] rP (rS ) K m [S ] K m [S ]
式中：Km——米氏常数，mol／L，
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Because rate of reaction is generally dependent on substrate concentration, when concentrations in the system vary, kinetic analysis becomes much more complex. The principles of homogeneous reaction and the equations outlined before remain valid for heterogeneous systems; however, the concentrations used in these equations must be those actually prevailing at the site of reaction. For solid biocatalysts, we must know the concentration of substrate at each point inside the solid in order to determine the local rate of conversion. In most cases these concentrations cannot be measured; fortunately, they can be estimated using diffusion-reaction theory.
1
When heterogeneous reactions occur in solid catalysts, not all reactive molecules are available for immediate conversion. Reaction takes place only after reactants are transported to the site of reaction.
Chapter 9 Heterogeneous Reactions
In the previous chapter, bioreaction systems were assumed to be homogeneous; local variation in concentration and rate of conversion were not examined. However, in many bioprocesses, concentrations of substrates and products differ from point to point in the bioreaction mixture. Concentration gradients arise in singlephase systems when mixing is poor; if different phases are present, local variations in composition can be considerable.
2
9.1 Heterogeneous Reaction in Bioprocesses
Reactions involving solid-phase are important in bioprocessing engineering. Macroscopic flocs, clumps and pellets are produced naturally by some bacteria and fungi; mycelial pellets are common in antibiotic fermentations. Some cells grow as biofilms on bioreactor walls; others form slims such as in wastewater biotreatment processvariably contain aggregates; microorganisms in soil crumps play a crucial role in environmental bioremediation. Animal tissues are now being cultured on three-dimensional scaffolds for surgical transplantation and organ repair. More traditionally, many food fermentations involve microorganisms
3
attached to solid particles. In all of these systems, rate of bioreaction depends on the rate of mass transfer outside or within the solid catalysts.
As described before, concentration gradients occur within phase boundary layers around bubbles and solids. More severe gradients are found inside solid biocatalysts such as cell flocs, pellets, biofilms, and immobilized-cell and –enzyme beads. Reactions occurring in the presence of significant concentration gradient is called heterogeneous reactions.
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When heterogeneous reactions occur in solid catalysts, not all reactive molecules are available for immediate conversion. Reaction takes place only after reactants are transported to the site of reaction.
Chapter 9 Heterogeneous Reactions
In the previous chapter, bioreaction systems were assumed to be homogeneous; local variation in concentration and rate of conversion were not examined. However, in many bioprocesses, concentrations of substrates and products differ from point to point in the bioreaction mixture. Concentration gradients arise in singlephase systems when mixing is poor; if different phases are present, local variations in composition can be considerable.
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9.1 Heterogeneous Reaction in Bioprocesses
Reactions involving solid-phase are important in bioprocessing engineering. Macroscopic flocs, clumps and pellets are produced naturally by some bacteria and fungi; mycelial pellets are common in antibiotic fermentations. Some cells grow as biofilms on bioreactor walls; others form slims such as in wastewater biotreatment processvariably contain aggregates; microorganisms in soil crumps play a crucial role in environmental bioremediation. Animal tissues are now being cultured on three-dimensional scaffolds for surgical transplantation and organ repair. More traditionally, many food fermentations involve microorganisms
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attached to solid particles. In all of these systems, rate of bioreaction depends on the rate of mass transfer outside or within the solid catalysts.
As described before, concentration gradients occur within phase boundary layers around bubbles and solids. More severe gradients are found inside solid biocatalysts such as cell flocs, pellets, biofilms, and immobilized-cell and –enzyme beads. Reactions occurring in the presence of significant concentration gradient is called heterogeneous reactions.