1、本資料由藥智網(wǎng)收集整理,生物工程設(shè)備,主講人：甘旭華,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 微生物學(xué)教研室,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,主要參考書,高孔榮發(fā)酵設(shè)備北京：中國輕工出版社，1991 李艷發(fā)酵工業(yè)概論北京：中國輕工業(yè)出版社,1999 俞俊堂，唐孝宣生物工藝學(xué)上海：華東化工學(xué)院出版社，1992 章克昌酒精與蒸餾酒工藝學(xué) 北京：中國輕工業(yè)出版社，1995 顧國賢釀造酒工藝學(xué)(第二版)北京：中國輕工業(yè)出版社，1996 姚玉英等化工原理北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1992 姚汝華微生物工程工藝原理廣州：華南理工大學(xué)出版社,1996,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,Chpter 0 緒論,生物技術(shù)是當(dāng)今最活躍、發(fā)展最迅速的、最重要的科

2、學(xué)技術(shù)之一，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥工業(yè)及環(huán)境保護(hù)等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。生物技術(shù)的基因工程為先導(dǎo)，結(jié)合發(fā)酵工程、酶工程和生化工程技術(shù)，構(gòu)成了現(xiàn)代生物技術(shù)。生物工程設(shè)備則是生物工程技術(shù)和化學(xué)工程與設(shè)備交叉的結(jié)合體。,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,本課程將按各種設(shè)備的共性，密切結(jié)合發(fā)酵生產(chǎn)的特征，重點(diǎn)闡述設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算、選型及保養(yǎng)。包括整個(gè)發(fā)酵生產(chǎn)過程中所需要用到的物料的處理和輸送設(shè)備，培養(yǎng)基的制備設(shè)備，無菌空氣系統(tǒng)、過濾、結(jié)晶、干燥、蒸餾及冷卻設(shè)備。,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,原料,滅菌 無菌空氣（空壓機(jī)）、動(dòng)力、蒸汽（鍋爐）,發(fā)酵（反應(yīng)） 菌種接種,提?。ㄏ掠渭夹g(shù)）,產(chǎn)品（包裝

3、） 市場(chǎng),粉碎（也有產(chǎn)品的粉碎） 配料、選料 輸送,沉淀分離（過濾、離心、超濾、 反滲透）等 干燥、蒸餾,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,Chapter 1. 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ),生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須以生物體為中心，設(shè)計(jì)者除了要考慮反應(yīng)器的傳熱、傳質(zhì)等性能以外，更需要了解生物體的生長(zhǎng)特性和要求。 溫度、溶氧、PH等。,生物反應(yīng)的目的： 1） 生產(chǎn)細(xì)胞 2） 收集細(xì)胞的代謝產(chǎn)物 3） 直接用酶催化得到所需產(chǎn)物,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,根據(jù)細(xì)胞或組織生長(zhǎng)代謝要求和生物反應(yīng)的目的，生物反應(yīng)器可分為：,1） 厭氣生物反應(yīng)器： 酒精生物反應(yīng)器、啤酒生物反應(yīng)器、 沼氣生物反應(yīng)器（池） 2） 通氣生物反應(yīng)器： 攪拌

4、式、氣升式、自吸式等 3） 光照生物反應(yīng)器： 4） 膜生物反應(yīng)器：,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,第一節(jié). 生物反應(yīng)器的化學(xué)計(jì)量,質(zhì)量守恒定律 能量守恒定律,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,但生物反應(yīng)與一般化學(xué)反應(yīng)有著顯著區(qū)別：,2.活細(xì)胞有一定的營養(yǎng)要求，使得參與反應(yīng)的成分很多；,1.生物反應(yīng)中存在活細(xì)胞，在反應(yīng)中克將它看作催化劑；,3.生物反應(yīng)途徑通常不是單一的，反應(yīng)過程往往伴隨著生成代謝產(chǎn)物的反應(yīng)，它受到眾多環(huán)境因素的影響。,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,相對(duì)機(jī)質(zhì)的得率取決于比生長(zhǎng)速率。他是變性蛋白的變換、保持最佳胞內(nèi)pH、抗衡通過細(xì)胞膜的泄漏的主動(dòng)運(yùn)輸、無用循環(huán)及運(yùn)動(dòng)所需要的能量。這相當(dāng)于一個(gè)維持的過程，

5、即它是保持細(xì)胞一個(gè)有序狀態(tài)、補(bǔ)償系統(tǒng)中熵的產(chǎn)生、避免造成細(xì)胞死亡的平衡狀態(tài)中花費(fèi)的能量。,大量的證據(jù)表明：,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,維持的定義：,生物量對(duì)機(jī)質(zhì)的得率 得率最大值 維持系數(shù) 比生長(zhǎng)速率,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,合成單位生物量的基質(zhì)消耗速率,上述線性方程顯示基質(zhì)的消耗用于了兩個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)， 表明相同的化學(xué)計(jì)量關(guān)系不可能在整個(gè)生長(zhǎng)過程中都有效。,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,第二節(jié). 生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ),為了完成生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，必須首先確定生物量、基質(zhì)及產(chǎn)物濃度的變化速率、細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞數(shù)分布、產(chǎn)物合成、基質(zhì)消耗等數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)行情況的預(yù)報(bào)、控制及系統(tǒng)優(yōu)化等。 必須了解環(huán)境參數(shù)（如：

6、pH、溫度、化學(xué)成分等）如何影響系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)。 當(dāng)獲得這些參數(shù)之后，就可以建立各種生物模型，從而知道生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,一、細(xì)胞數(shù)動(dòng)力學(xué),本資料由藥智網(wǎng)收集整理,在特定基質(zhì)中，細(xì)胞數(shù)以最大比生長(zhǎng)速率增長(zhǎng)，生物量（細(xì)胞數(shù)）可用倍增時(shí)間td來表示 。,比生長(zhǎng)速率 細(xì)胞數(shù)（生物量） 生長(zhǎng)時(shí)間,1. 指數(shù)生長(zhǎng)期,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,2. 由于基質(zhì)耗盡出現(xiàn)減數(shù)生長(zhǎng)期,Monod方程：,特定基質(zhì)下 最大比生長(zhǎng)速率 飽和常數(shù) 當(dāng)S Ks時(shí)，u=umax,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,3. 當(dāng)有毒性代謝物積累時(shí),半經(jīng)驗(yàn)邏輯方程：,反應(yīng)速率 常數(shù) 生物量濃度,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,二、生

7、長(zhǎng)動(dòng)力學(xué),1. Monod方程： 在考慮到機(jī)質(zhì)從液體流向細(xì)胞表面的限制因素、細(xì)胞形體改變、基質(zhì)濃度變化、細(xì)胞壁上基質(zhì)濃度與液體中基質(zhì)濃度的差異等因素后，得到公式：,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,2. 其他生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線,Monod方程只是描述在生長(zhǎng)慢、細(xì)胞濃度低情況下的機(jī)制限制生長(zhǎng)。而在高細(xì)胞數(shù)水平下，有毒代謝產(chǎn)物變得更重要。,Tessier方程： Moser方程： Contois方程：,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,3. 多基質(zhì)時(shí)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線,可限制生長(zhǎng)的營養(yǎng)物,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,三、產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)方程,細(xì)胞代謝產(chǎn)物包括能量代謝產(chǎn)物、次級(jí)代謝產(chǎn)物等等，按生產(chǎn)需求而取之。這些細(xì)胞產(chǎn)物合成動(dòng)力學(xué)可

8、簡(jiǎn)單分成兩類： 生長(zhǎng)偶聯(lián)性產(chǎn)物合成 非生長(zhǎng)偶聯(lián)性產(chǎn)物合成,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,=,產(chǎn)物形成比率 產(chǎn)物濃度, P,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,=,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,=+,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,非常高的基質(zhì)濃度可以抑制細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成，如以葡萄糖作為碳源，則發(fā)酵開始時(shí)的濃度不大于150g/L，如果大于350g/L則使大部分微生物不生長(zhǎng)，這是由于高滲壓下細(xì)胞脫水所致。這種現(xiàn)象稱為基質(zhì)抑制。,四、高濃度基質(zhì)及產(chǎn)物的抑制動(dòng)力學(xué),本資料由藥智網(wǎng)收集整理,代謝最終產(chǎn)物在高濃度下產(chǎn)生抑制是極為普遍的。這些抑制影響生長(zhǎng)率，有影響代謝的比率。,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,五、環(huán)境因素對(duì)生長(zhǎng)及代謝的影響,微生

9、物生長(zhǎng)及產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)受到環(huán)境條件（如溫度、pH等）的影響。溫度是影響細(xì)胞特性的關(guān)鍵因素。 中溫菌：20 50,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,37,37 ,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,質(zhì)量傳遞在選擇反應(yīng)器形式（攪拌式、鼓泡式、氣升式等）、生物催化劑狀態(tài)（懸浮或固定化細(xì)胞）和操作參數(shù)（同期率、攪拌數(shù)率、溫度）中起決定作用。直接或間接影響生物反應(yīng)過程中上下各步驟以及系統(tǒng)周期性單元設(shè)計(jì)的很多方面。 基質(zhì)在發(fā)酵液體積內(nèi)擴(kuò)散和代謝物的擴(kuò)散率必須滿足以反應(yīng)器為整體的化學(xué)計(jì)量和質(zhì)量恒算。,第三節(jié). 生物反應(yīng)器的質(zhì)量傳遞,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,氣液質(zhì)量傳遞 機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器 氣體攪拌生物反應(yīng)器 液體微生物之間的質(zhì)量傳遞 微生物活性對(duì)吸收率的增強(qiáng)作用 粒子間的質(zhì)量傳遞,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,略,第四節(jié). 生物反應(yīng)器的熱量傳遞,本資料由藥智網(wǎng)收集整理,在大型容器中，通氣、攪拌等操作使得剪切流在反應(yīng)器中