生物工程设备总结

生物工程设备重点总结

1、生物反应器（Bioreactor）——为适应生物反应的特点而设计的反应装置

2、生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点是：

书本上答案：

（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生长繁育。

（2）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。

PPT上答案：

①生物反应中存在活细胞，在反应中可将他们视为催化剂

②由于细胞是生长着的，它对营养有一定的要求，使参与反应的成分很多

③生物反应的途径通常不是单一的，反应过程往往也伴随着生成代谢产物的反应，它受许多环境因素的影响

3、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，是生物体能更好地生长，得到更多所需的生物量或代谢产物。

4、生物反应器的目的可归纳为：

①生产细胞

②收集细胞的代谢产物

③直接用酶催化得到所要的产物

5、生物反应器的种类

①厌气生物的反应器

②通气生物的反应器

③光照生物的反应器

④膜生物反应器

6、生物反应器设计的主要目的：

（1）最大限度地降低成本

（2）用最少的投资最大限度地增加单位体积产率

7、生物反应器的设计原理是基于：

（1）强化传质、传热等操作

（2）将生物体活性控制在最佳状态

（3）降低总的操作费用

（4）稳定生物反应器内部状态（原文是生物反应器内部状态也是不可忽视的影响因素）8、厌氧生物反应器中加入惰性气体的原因：

（1）保持罐内的正压

（2）防止染菌

（3）以及提高厌氧控制水平

9、一个优良的培养装置应具有：

PPT

（1）严密的结构

（2）良好的液体混合性能

（3）高的传质和传热速率

（4）灵敏的检测和控制仪表

书本

（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐蚀性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响

（2）有良好的气—液—固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能

（3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗

（4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度

（5）有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制

10、剪切力——是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为N/m2或Pa。

11、剪切作用的影响

（1）剪切力对微生物的影响

①细菌

通常认为剪切力对细菌的影响较小，因为它的大小比发酵罐中常见的漩涡要小，而且有坚硬的细胞壁。

②酵母

酵母比细菌大，但仍比常见的湍流漩涡小。酵母的细胞壁也较厚，具有一定抵抗剪切力的能力，但其细胞壁上的芽痕和蒂痕对剪切力的抗性较弱。

③丝状微生物（包括霉菌和放线菌）

a、自由丝状颗粒

自由丝状颗粒导致传质困难。为增强混合和传质，需要强烈的搅拌，但高速的搅拌产生的剪切力会打断菌丝，造成机械损伤。

b、球状颗粒

如果是球状颗粒，则发酵液中黏度较低，混合和传质比较容易，但菌球中心的菌可能因为供氧困难而缺氧死亡。

搅拌会对菌球产生两种物理效果：一种是搅拌消去菌球外围的菌膜，减小粒径，另一种是使菌球破碎。这些效果主要是由于湍流漩涡剪切造成的。

c、自由菌丝体

由于剪切力会使菌丝断裂，所以需要控制搅拌强度。搅拌强度会对菌丝形态、生长和产物生成造成影响，还可能导致胞内物质的释放。

（2）剪切力对动物细胞的影响

动物细胞无细胞壁且尺寸较大，故对剪切力非常敏感。

动物细胞可分为两类：

①贴壁依赖性

剪切力对其的破坏机制是：由点到面的湍流漩涡作用及载体与载体间、载体与浆及反应器壁的碰撞造成的

②非贴壁依赖性的

剪切力对其的破坏机制是：主要是因为气泡的破碎造成的

（3）剪切力对植物细胞的影响

植物细胞因有细胞壁，所以其对剪切力的抗性比动物细胞大，但因其细胞个体相对较大，细胞壁较脆，柔韧性差，所以与微生物相比它对剪切力仍然很敏感，在高剪切力的作用下会受到损伤甚至死亡或解体。

植物细胞在培养的过程中一般会结团，结团会影响产物的释放，细胞结团的大小受到剪切力的影响。

剪切力的大小对细胞的生长也有影响，在同样的剪切力下，细胞在高浓度状态下具有较高的成活率，在细胞浓度较低时，如在反应器操作的起始阶段，剪切力应控制在低水平，以有利于培养。

剪切对次级代谢产物的生产也有影响，同时在高剪切应力下，细胞延迟期缩短，指数生长时间段也缩短。

（4）剪切对酶反应的影响

酶是一种活性蛋白，剪切力会在一定程度上破坏酶蛋白分子精巧的三维结构，影响酶的活性。

一般认为酶活性随剪切强度的增加和时间的延长而减小。在同样的搅拌时间下，酶活力的损失与叶轮尖速度呈线性关系。不同类型的叶轮对酶活性的影响有差异。

12、发酵过程中，始终保持氧从气相到液相的传递（连续）原因：

（1）发酵过程为好氧

（2）氧在水溶液中的溶解度很低

13、氧从气相到微生物细胞内部的传递可分为七个步骤：

（1）从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面

（2）通过气液界面

（3）从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主流

（4）液相溶解氧的传递

（5）从液相主流扩散通过包围细胞的液膜到达细胞表面

（6）氧通过细胞壁

（7）微生物细胞内氧的传递

14、氧传递的三种模型：

（1）双膜理论

①气液两相存在一个界面，界面两侧分别为呈层流状态的气膜和液膜

②在气膜界面上两相浓度相互平衡，界面上不存在传递阻力

③气液两相的主流中不存在氧的浓度差

④氧在两膜间的传递在定态下进行，氧在气膜和液膜间的传递速率是相等的

（2）渗透扩散理论

对双膜理论进行了修正，认为层流或静止液体中气体的吸收是非定态过程。

（3）表面更新理论

对渗透扩散理论进行修正，认为液相各微元中气液接触时间也是不等的，而液面上的各微元被其他微元置换的概率是相等的。

15、体积质量传质系数kLa

（1）定义：在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收的气体。

kL：质量传递系数a：气液比表面积

它取决于系统的物理特性和流体力学，kLa越大，好氧生物反应器的传质性能越好。（2）影响kLa的因素：

①操作条件：通气量大，搅拌功率大，kLa大

并非通气量越大kLa就一定越大，通气量的影响有一定的限度，如果超过这一限度，搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中，而在大量气泡中空转，发生“过载”现象。

搅拌功率也不是越大越好，因为过于激烈的搅拌产生很大的剪切作用，可能对所培养的细胞造成伤害。

搅拌器对物质传递的作用：

a、将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的聚集，从而增大气液相的接