1、生物反應(yīng)器的操作方式化學(xué)反應(yīng)工程課件生物反應(yīng)器的操作方式化學(xué)反應(yīng)工程課件第一章 緒論1.1 生物反應(yīng)工程的研究目的1.2 生物反應(yīng)工程的發(fā)展過程1.3 生物反應(yīng)工程的主要內(nèi)容1.4 生物反應(yīng)工程的研究方法1.5 思考題第一章 緒論1.1 生物反應(yīng)工程的研究目的FERMENTATION生物催化劑- enzyme- microbioass- animal and plant cellDOWNSTREAM PROCESSES- product extraction, purification & assay- waste treatmentby product recovery生物技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程原

2、材料1.1生物反應(yīng)工程的研究目的FERMENTATION生物催化劑DOWNSTREAM PR生物反應(yīng)工程定義： 以生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大和生物反應(yīng)過程的優(yōu)化操作和控制的學(xué)科。 生物反應(yīng)工程定義： 2 反應(yīng)工程的用途、作用 反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 反應(yīng)模式 速率方程 活化能 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析 各因素（T, P, c）的變化規(guī)律 最佳工況2 反應(yīng)工程的用途、作用 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究目的： 提供適宜的動(dòng)力學(xué)方程，以描述微生物（酶、動(dòng)植物等）反應(yīng)體系，確定這些方程在設(shè)計(jì)方面的用途，規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，決定動(dòng)力學(xué)方程所需的速率常數(shù)。研究目的： 提供適宜的動(dòng)力學(xué)方程，以描述一、誕生時(shí)期（20世紀(jì)

3、40年代） 1947年美國(guó)的Merch制藥廠因在建立抗生素工業(yè)中由于解決了高效通氣攪拌技術(shù)、無菌空氣過濾技術(shù)、大型反應(yīng)器滅菌等一系列工程技術(shù)問題，使以青霉素為代表的微生物發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，而被授予“生化工程專題研究”成果獎(jiǎng)，一門反映生物和化學(xué)工程交叉的學(xué)科生物化學(xué)工程誕生，并取得了快速的發(fā)展。1.2生物反應(yīng)工程的發(fā)展過程一、誕生時(shí)期（20世紀(jì)40年代）1.2生物反應(yīng)工程的發(fā)展過程二、發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)50年代以后） 1964年，Aiba等認(rèn)為放大是生化工程的焦點(diǎn)，與微生物代謝反應(yīng)緊密相連，1973年，進(jìn)一步指出，在大規(guī)模研究方面，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步開展對(duì)微生物反應(yīng)本質(zhì)的研究。 1971年，

4、英國(guó)的Atkinson首先采用了生物反應(yīng)工程這一術(shù)語(yǔ)，1974年，在他編著的生物反應(yīng)器一書中指出，生物反應(yīng)工程的目的是描述微生物體系反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的合適表達(dá)式，并能夠通過實(shí)驗(yàn)求出其常數(shù)。二、發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)50年代以后） 1979年，日本山根恒夫生物反應(yīng)工程，生物反應(yīng)工程是一門以速率為基礎(chǔ)，研究酶反應(yīng)、微生物反應(yīng)及廢水處理過程的合理設(shè)計(jì)、操作和控制的工程學(xué)。 1985年，德國(guó)學(xué)者卡爾.許格爾提出生物反應(yīng)工程的研究應(yīng)當(dāng)包括兩個(gè)方面，一是宏觀動(dòng)力學(xué)，它涉及生物、化學(xué)、物理之間的相互關(guān)系；二是生物反應(yīng)器工程，它主要涉及不同的反應(yīng)器對(duì)生物化學(xué)和物理過程的影響。 1979年，日本山根恒夫生物反應(yīng)工程三、新

5、時(shí)期（20世紀(jì)90年代） 基因工程技術(shù)與生物反應(yīng)工程技術(shù)不斷的融合，人類基因組計(jì)劃的完成，后基因組計(jì)劃的進(jìn)行，給生物反應(yīng)工程技術(shù)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。 質(zhì)粒復(fù)制與表達(dá)動(dòng)力學(xué) 超臨界相態(tài)下的生物反應(yīng) 界面微生物生長(zhǎng)模型 雙液相生物反應(yīng)三、新時(shí)期（20世紀(jì)90年代） 1.3生物反應(yīng)工程的主要內(nèi)容 生物反應(yīng)工程是以工業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)過程為主要研究對(duì)象，具體研究中要兼顧可操作性，生物反應(yīng)工程的研究?jī)?nèi)容為下述2項(xiàng)， 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大與縮小 1.3生物反應(yīng)工程的主要內(nèi)容 生物反應(yīng)工程生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究生物反應(yīng)速率和各種因素對(duì)反應(yīng)速率的影響，它是生物反應(yīng)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)

6、之一，這里所討論的生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)包含兩個(gè)層次的動(dòng)力學(xué)。 （1）本征動(dòng)力學(xué)，又稱微觀動(dòng)力學(xué)。 （2）宏觀動(dòng)力學(xué)，又稱反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)。計(jì)算反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)器體積生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究生物反應(yīng)速率和生物反應(yīng)過程的分類及其特征分類酶催化反應(yīng)單一細(xì)胞反應(yīng)過程多細(xì)胞反應(yīng)過程動(dòng)植物細(xì)胞反應(yīng)體系反應(yīng)水平分子水平細(xì)胞水平細(xì)胞水平細(xì)胞或組織水平底物數(shù)量1-2種若干種若干種若干種產(chǎn)物數(shù)量1-2種細(xì)胞和若干種代謝產(chǎn)物若干種菌體和CO2、CH4等細(xì)胞或組織或若干種產(chǎn)物反應(yīng)的復(fù)雜性簡(jiǎn)單一般復(fù)雜很復(fù)雜反應(yīng)速率或生長(zhǎng)速率快一般慢很慢生物反應(yīng)過程的分類及其特征分類酶催化反應(yīng)單一細(xì)胞反應(yīng)過程多細(xì)細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 考慮細(xì)

7、胞之間有無差別可分為概率論和確定論模型 考慮細(xì)胞組成變化可分為結(jié)構(gòu)模型和非結(jié)構(gòu)模型 （1）概率論的結(jié)構(gòu)模型 （2）概率論的非結(jié)構(gòu)模型 （3）確定論的結(jié)構(gòu)模型 （4）確定論的非結(jié)構(gòu)模型 實(shí)際情況理想情況細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 考慮細(xì)胞之間有無差別可分為概率論和確定論模化學(xué)計(jì)量學(xué) 細(xì)胞反應(yīng)中參與反應(yīng)的培養(yǎng)基成分多，反應(yīng)途徑復(fù)雜。必須用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法來處理，可將反應(yīng)器中細(xì)胞的活動(dòng)用元素的平衡式來表示。 碳源+氮源+氧=菌體+有機(jī)產(chǎn)物+CO2+H2OCHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH2O+fCO2 C: 1=c+d+fH: m+3b=cx+ud+2eO: n+2a=cy+v

8、d+e+2fN: b=zc+wd化學(xué)計(jì)量學(xué) 細(xì)胞反應(yīng)中參與反應(yīng)的培養(yǎng)基成分多，反應(yīng)得率系數(shù) 研究細(xì)胞反應(yīng)過程總物質(zhì)和能量變化的規(guī)律，常用得率系數(shù)對(duì)碳源等物質(zhì)生成細(xì)胞或其他產(chǎn)物的潛力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。例如： 細(xì)胞得率 Yx/c=得率系數(shù) 研究細(xì)胞反應(yīng)過程總物質(zhì)和能量變生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與放大 生物反應(yīng)器是使生物技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品生產(chǎn)力的關(guān)鍵設(shè)備，使用高效率生物反應(yīng)器的目的是提高產(chǎn)品生成速率，減少有關(guān)輔助設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，獲得盡可能大的經(jīng)濟(jì)效益。 生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，包括反應(yīng)器型式、結(jié)構(gòu)和操作方式的選擇，以及反應(yīng)器幾何尺寸的確定。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與放大 生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌罐機(jī)械攪拌罐生物反應(yīng)器的

9、操作方式化學(xué)反應(yīng)工程課件 （1）能精確地測(cè)量并控制溫度、 pH 值和溶解氧濃度。 （2）氣流攪拌，剪切力小。 （3）具有可靠的抗污染密封性能；精密氣體過濾器，能有效而可靠地濾除空氣中雜菌； （4）適用于科研、生產(chǎn)單位的新產(chǎn)品開發(fā)、新工藝研究及生物醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)。氣升式發(fā)酵罐 （1）能精確地測(cè)量并控制溫度、 pH 值和溶解 用于新型基因工程藥物、疫苗及抗體等產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)。具有如下特點(diǎn) 磁力驅(qū)動(dòng)攪拌裝置； 根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)專門設(shè)計(jì)的符合動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的攪拌漿葉； 配置符合動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的專用衛(wèi)生級(jí)隔膜閥、取樣閥； 具有符合動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)特點(diǎn)的專用高級(jí)軟件包.動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器 用于新型基因工程藥物、疫

10、苗及抗體等產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)。具有植物細(xì)胞反應(yīng)器植物細(xì)胞反應(yīng)器 適用于藻類的培養(yǎng)，反應(yīng)過程中提供了充足的光照，比表面積大。光生物反應(yīng)器分扁平箱式光培養(yǎng)器（ LLS ）和圓筒形光培養(yǎng)器（ LLG ）。扁平箱式光培養(yǎng)器兩側(cè)外部窄面是溫度控制循環(huán)水夾套，兩側(cè)外部寬面內(nèi)配光源，培養(yǎng)器內(nèi)有氣流導(dǎo)板，通入空氣使培養(yǎng)液混合均勻。圓筒形光培養(yǎng)器的透明玻璃筒體外裝有人造光源，筒體下部是溫度控制循環(huán)水夾套，同時(shí)裝備有機(jī)械攪拌槳，特別適用于藻細(xì)胞濃度較高的培養(yǎng)。 光生物反應(yīng)器 適用于藻類的培養(yǎng)，反應(yīng)過程中提供膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器 特別適用于如基因工程菌高密度高表達(dá)需要的高供氧、快速均勻升溫

11、等要求，能迅速實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化，也是各高校和研究所用于發(fā)酵初步試驗(yàn)研究的首選裝備。 臺(tái)式發(fā)酵罐 特別適用于如基因工程菌高密度高表達(dá)需要的高供氧、大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐國(guó)內(nèi)、外反應(yīng)器設(shè)備公司德國(guó)貝朗 占中國(guó)80%以上的市場(chǎng)瑞士比歐 美國(guó)NBS 韓國(guó) 日本 華東理工大學(xué) 江蘇理工大學(xué)國(guó)內(nèi)、外反應(yīng)器設(shè)備公司德國(guó)貝朗 占中國(guó)80%以上的市場(chǎng)生物反應(yīng)器的操作方式： 分批式操作(batch operation)：是指將新鮮的培養(yǎng)基一次性加入發(fā)酵罐中，在適宜的條件下接種后開始培養(yǎng)，培養(yǎng)結(jié)束后，將全部發(fā)酵液取出的培養(yǎng)方法。 連續(xù)式操作(continuous operation)：是指以一定的速率不斷向

12、發(fā)酵罐中供給新鮮的培養(yǎng)基，同時(shí)等量地排出發(fā)酵液，維持發(fā)酵罐中液量一定的培養(yǎng)方法。 流加式操作(semi-batch operation)：是指發(fā)酵罐中先進(jìn)行分批培養(yǎng)，之后連續(xù)加入培養(yǎng)基質(zhì)至培養(yǎng)結(jié)束，而過程中間不取出發(fā)酵液的培養(yǎng)方法。生物反應(yīng)器的操作方式： 分批式操作(batc平板培養(yǎng)搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)生物反應(yīng)器的優(yōu)化與放大工業(yè)生產(chǎn)平板培養(yǎng)搖瓶試驗(yàn)發(fā)酵罐試驗(yàn)生物反應(yīng)器的優(yōu)化與放大工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代生物反應(yīng)工程規(guī)模低值工業(yè)品大型化以規(guī)模來取勝（幾十?dāng)?shù)百噸）。如味精、氨基酸、有機(jī)酸、抗生素、飼料、食品工業(yè)用產(chǎn)品等； 高價(jià)值轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品小型化（幾十?dāng)?shù)百升）?；蚬こ檀竽c桿菌、酵母菌高密度培養(yǎng)；動(dòng)物細(xì)胞植物細(xì)胞培養(yǎng)； 研究中心智能化、全能性。 現(xiàn)代生物反應(yīng)工程規(guī)模低值工業(yè)品大型化以規(guī)模來取勝（幾十?dāng)?shù)百噸1.4生物反應(yīng)工程的研究方法 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停涸谕耆涣私饣虿豢紤]過程機(jī)理的情況下，僅根據(jù) 一定條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)。 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停簩?duì)過程機(jī)理有一定了解基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。 數(shù)學(xué)模型：應(yīng)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來表