新版生物工程設備ppt

1、生物工程(Cheng)設備 緒論 生物反應器設計基礎(chǔ) 生物反應器 檢測控制(Zhi)及放大 物料處理設備 產(chǎn)物分離純化設備 輔助系統(tǒng)設備第一頁，共七十頁。生物技術(shù)的原理生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化課程作用與任(Ren)務生物工(Gong)程設備 作用 任務 生物工程設備的最佳設計和最適選型，滿足現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的需要；研究開發(fā)新型生物工程設備，使生產(chǎn)過程大型化、多樣化、連續(xù)化和自動化第二頁，共七十頁。典型的分批發(fā)酵工藝流程圖成品第三頁，共七十頁。？活體生物反應器轉(zhuǎn)基因牛機械攪拌反應器植物細胞培養(yǎng)器第四頁，共七十頁。Industrial Fermentation Setting第五頁，共七十頁。第六頁，共七

2、十頁。課(Ke)程內(nèi)容生物(Wu)工程設備生物反應器設計基礎(chǔ)生物反應器檢測控制及放大物料處理設備產(chǎn)物分離純化設備輔助系統(tǒng)設備第七頁，共七十頁。目的(De)與要求 掌握生物工程的設備流程、設備結(jié)構(gòu)及(Ji)工作原理，主要設備的設計計算及(Ji)選型。 初步具有獨立分析和解決試驗研究及工業(yè)生產(chǎn)上的工程設備問題的能力。 了解國內(nèi)外生物工程與設備的新技術(shù)、新設備及發(fā)展動向。 掌握生物反應器的設計基礎(chǔ)。第八頁，共七十頁。第九頁，共七十頁。Laboratory process developmentShake Flask Experiments第十頁，共七十頁。第十一頁，共七十頁。第十二頁，共七十頁。第一

3、章 生物反應器設計(Ji)基礎(chǔ)生物反應器的設計要以生物體為中心需要兩方面的知識化學工程：反應器的傳熱，傳質(zhì)的性能，剪切力，凝聚成顆?，F(xiàn)象，通氣生物工程方程：生物體的生長特性和要求，生物體不同階段對溫度，溶(Rong)氧,pH的要求，無菌要求第十三頁，共七十頁。生物反應器的分類按目(Mu)的分：1。生產(chǎn)細胞2。細胞的代謝產(chǎn)物3。酶催化得到的產(chǎn)物按培養(yǎng)類型分類：動植物細胞,組織，酶，微生物的培養(yǎng)和發(fā)酵生物反應器設計(Ji)基礎(chǔ)第十四頁，共七十頁。常用生物反應器：1）厭氣生物反應器2）通氣生物反應器，又可分為攪拌式，氣升式，自吸式3）光照生物反應器4）膜生物反應器：可分為非循環(huán)(Huan)式，內(nèi)循環(huán)

4、(Huan)式，外循環(huán)(Huan)式生物反應器生物反應器設(She)計基礎(chǔ)第十五頁，共七十頁。生(Sheng)物反應器設計基礎(chǔ) 化學計量基礎(chǔ) 生物反應的質(zhì)量衡算 生物反應過程的得率系數(shù)(Shu) 生物學基礎(chǔ) 細胞數(shù)動力學 無抑制的細胞生長動力學 有抑制的細胞生長動力學 產(chǎn)物形成動力學 環(huán)境因素對生長及代謝的影響 傳質(zhì) 氣-液傳質(zhì) 液體-微生物傳質(zhì) 傳熱 剪切力問題第十六頁，共七十頁。生化反應的特點：活細胞 多營養(yǎng)成分 多途徑代謝 催化劑為蛋白質(zhì)組分的酶因而質(zhì)量和能量守恒定(Ding)律間的關(guān)系復雜生物反應器設計(Ji)基礎(chǔ)第十七頁，共七十頁。第十八頁，共七十頁。三者關(guān)系： 化學計量學是反應器設

5、計的關(guān)鍵之一， 為介質(zhì)的合理設計提供基本數(shù)據(jù) 質(zhì)量衡算和化學計量關(guān)系可判斷過程運行的好壞，并獲得間接測量的數(shù)據(jù)最后結(jié)合熱力學關(guān)系，可推斷出給(Gei)定系統(tǒng)的得率生物反(Fan)應器設計基礎(chǔ)第十九頁，共七十頁。營養(yǎng)物（C源、N源、O2、無機鹽(Yan)類等）細胞+代謝產(chǎn)物（產(chǎn)物、C O2、 H2O等）CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq (生物量(Liang)+ YpCH rOsNt (產(chǎn)物)+ c H2O + dC O2對化學方程式進行元素衡算，得下列方程組：生物反應的質(zhì)量衡算 細胞反應的元素衡算：第二十頁，共七十頁。CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq (生

6、物量(Liang)+ YpCH rOsNt (產(chǎn)物)+ c H2O + dC O2根據(jù)細胞、基質(zhì)和產(chǎn)物的還原度可以列出有效電(Dian)子平衡方程： 還原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效電子當量數(shù)。 化合物中任何元素的還原度等于該化合物的化合價。例如：NH3中氮、氫的還原度為: N = 3, H = 1第二十一頁，共七十頁。細胞反應過程的得(De)率系數(shù) 對基質(zhì)的細胞(Bao)得率Yx/s 對氧的細胞得率Yx/o 對基質(zhì)的產(chǎn)物得率Yp/s 對碳的細胞得率YC第二十二頁，共七十頁。基質(zhì)的細胞得率Yx/s與比(Bi)生長速率的關(guān)系比(Bi)生長速率：生長速度大小的參數(shù)。維持的定義：式中YXS細胞

7、對基質(zhì)的得率； 最大得率；ms 維持系數(shù)； 比生長速率。無產(chǎn)物時，基質(zhì)的線性方程：式中合成單位細胞的基質(zhì)消耗速率；單位細胞的產(chǎn)物生產(chǎn)率。有產(chǎn)物時，基質(zhì)的線性方程：第二十三頁，共七十頁。 若知道得率，可得所需氨量和氧量，及所產(chǎn)生的CO2和水 同樣進氣，排氣和氮消耗量的測量有助于確定得率其他：根據(jù)基質(zhì)和產(chǎn)物的還(Huan)原度列出電子平衡方程 根據(jù)ATP的形成與產(chǎn)率相關(guān)(生物量直接與生成能量基質(zhì)產(chǎn)生的ATP相關(guān))由此確立一系列關(guān)系第二十四頁，共七十頁。 細胞內(nèi)(Nei)營養(yǎng)基質(zhì)的消耗一部分用于生長，一部分用于產(chǎn)物形成，一部分用于維持生命活動維持能的具體表現(xiàn)是： 變形蛋白的變換，保持最佳的胞內(nèi)pH，

8、抗衡通過細胞膜的主動運輸，無用循環(huán)及運動所需能量第二十五頁，共七十頁。第二節(jié)生物反應器的生物學基(Ji)礎(chǔ)前言： 生物反應器的設計和優(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，細胞生長，細胞數(shù)分布，產(chǎn)物合成，基質(zhì)消耗等(Deng)數(shù)據(jù)對運行的預報，控制及系統(tǒng)優(yōu)化了解環(huán)境參數(shù)（pH,溫度，化學成分等）如何影響系統(tǒng)的動力學第二十六頁，共七十頁。一。細胞數(shù)(Shu)動力學 細胞生長動力學模型 微生物細胞在生長過程中需經(jīng)歷以下生長階段：（沒有產(chǎn)物抑制和傳遞抑制） 停滯期 對數(shù)生長期 減(Jian)速期 平衡期 衰退期第二十七頁，共七十頁。細胞(Bao)數(shù)動力學細胞生長分為幾個階段：停滯期、對數(shù)

9、生長期、減速期、平(Ping)衡期和死亡期。圖2.1 典型的細菌生長曲線第二十八頁，共七十頁。在指數(shù)(Shu)生長期，細胞量生長速度為：細胞數(shù)增長速(Su)度為：對式2.7在t0t，X0 X積分，得：由式2.9，得倍增時間td： 微生物細胞max值較大，倍增時間約0.55h，而動物細胞max值小得多，動物細胞的倍增時間約15100h，植物細胞倍增時間約2474h。第二十九頁，共七十頁。 Monod方程(無抑制的細胞(Bao)生長動力學)：無(Wu)抑制的細胞生長動力學Monod方程是典型的均衡生長模型，其基本假設為：(1) 細胞的生長為均衡式生長；(2) 培養(yǎng)基中只有一種基質(zhì)是生長限制性基質(zhì)，

10、而其他組分為過量，不影響細胞的生長；(3) 細胞的生長視為簡單的單一反應，細胞得率為一常數(shù)。 Monod方程僅適用于細胞生長較慢和細胞密度較低的環(huán)境下。 式中為比生長速率;max為最大比生長速率;CS為限制性基質(zhì)濃度;K S為飽和常數(shù), 當 max/2時的限制性基質(zhì)濃度。第三十頁，共七十頁。有抑制的細胞生長(Chang)動力學 基質(zhì)抑制(Zhi)動力學對反競爭性抑制，其抑制機理可假設為：式中細胞比生長速率為：,而第三十一頁，共七十頁。對競爭性抑制，細胞比生長速(Su)率為：對非競爭性抑制，細胞比生長速(Su)率為：第三十二頁，共七十頁。類型米氏公式細胞生長動力學無抑制競爭性抑制非競爭性抑制反競

11、爭性抑制表2.1 有無抑制的酶(Mei)促反應動力學和細胞生長動力學比較第三十三頁，共七十頁。 產(chǎn)(Chan)物的抑制動力學幾個(Ge)經(jīng)驗公式：第三十四頁，共七十頁。三。產(chǎn)物形成動力學(Xue)方程產(chǎn)物形成方式： 1）是能量代謝的結(jié)果，如酵母酒精發(fā)酵 2）能量代謝間接結(jié)果：檸檬酸合成 3）二次代謝物：青霉素生產(chǎn) 4）產(chǎn)物是胞內(nèi)或胞外蛋白，這屬于蛋白合成領(lǐng)域(Yu)，可受到誘導和分解代謝抑制調(diào)節(jié)，如酶的合成第三十五頁，共七十頁。產(chǎn)物形成動力(Li)學 Gaden根據(jù)產(chǎn)物生成速度與細胞生長速度之間的關(guān)系，將代謝產(chǎn)物生成動力學分為三種類型： 類型(相關(guān)模型)：是指產(chǎn)物的生成與細胞的生長相關(guān)的過程，

12、產(chǎn)物是細胞能量代謝的結(jié)果。屬于(Yu)此類型的有乙醇、葡萄糖酸、乳酸的生產(chǎn)等。產(chǎn)物形成動力學：圖2.2 Gaden類型第三十六頁，共七十頁。圖(Tu)2.2 Gaden模型分類類型(部分相關(guān)模型)：該類反應產(chǎn)物的生成與基質(zhì)消耗僅有間接結(jié)果，產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。屬于此類型的有檸檬酸和氨基酸的生成。類型 (非(Fei)相關(guān)模型)：產(chǎn)物的生成與細胞的生長無直接聯(lián)系，產(chǎn)物是二次代謝物。屬于此類型的有抗生素、微生物毒素等代謝產(chǎn)物的生成。第三十七頁，共七十頁。存在產(chǎn)物抑制作(Zuo)用，生長速率公式可表示為：Rx-反應速率K常數(shù)積分：第三十八頁，共七十頁。 對于絲狀微生物如霉菌等，在懸浮(Fu)培養(yǎng)

13、時常形成微生物小球，小球內(nèi)部生長的細胞受到擴散的抑制 它的生長模型常包括大顆粒（類似包埋或凝膠固定化細胞）中顆粒的同時擴散和營養(yǎng)消耗 其次,絲狀細胞還可在潮濕的固體表面生長，因而生長過程復雜，包括生長動力學，營養(yǎng)的擴散和有毒的代謝副產(chǎn)物第三十九頁，共七十頁。二。生長動力學方(Fang)程1。Monod方(Fang)程 第四十頁，共七十頁。 生物生長過程(Cheng)的基質(zhì)傳遞速率： 對于球形細胞，細胞的面積/體積比為（6/dc），單位反應體積的細胞面積（Ac/V）為：第四十一頁，共七十頁。 形成球形細胞不同，可將基質(zhì)傳遞速率方程改為： 根據(jù)生物(Wu)量對基質(zhì)得率的定義，受質(zhì)量傳遞控制的過程速

14、率為：第四十二頁，共七十頁。 高基質(zhì)濃度時，uhm對反應速率的影響可以忽略(Lue),u=umax，但低濃度時，uhm可成為速率控制因素一般情況下存在以下公式：第四十三頁，共七十頁。 假設細胞壁上的基質(zhì)濃度SSc，則上式可變?yōu)橄喈?Dang)于monod公式： 在基質(zhì)限制的范圍內(nèi),uhmumax，此時基質(zhì)濃度為：第四十四頁，共七十頁。2。其他生長動力學方程 Monod方程式只描述生長慢，細胞濃度低時基質(zhì)(Zhi)限制生長的生長速率。 高細胞濃度，有毒代謝產(chǎn)物時方程式需做改變 Blackman：簡單的將Ks加倍，取消monod方程中給出的指數(shù)生長和減數(shù)生長間的平滑轉(zhuǎn)變：第四十五頁，共七十頁。Bl

15、ackman方程：Tessier方程Moser方程：Contois方程： 它適合于比生長速率隨細胞質(zhì)量增加而減少時的高密度(Du)培養(yǎng)方程第四十六頁，共七十頁。3。多基質(zhì)時的生長動力學方程 此時也是其中一種被作為主要的能源或碳源，只有當這種基質(zhì)被耗盡時，另一種基質(zhì)消耗所(Suo)需要的酶系統(tǒng)才能發(fā)展起來第四十七頁，共七十頁。 采用葡萄糖和半乳糖為碳源建立分批培養(yǎng)細胞生長模型時(Shi)，有：第四十八頁，共七十頁。 當營養(yǎng)不作任何改變時，原本存在的基質(zhì)中不同的一個變成限制因素（如C，N，O2），umax不會發(fā)(Fa)生變化，此時i-可以限制生長的營養(yǎng)物（G代表碳源，N-代表氮源，O-代表氧）第四

16、十九頁，共七十頁。四，高濃度(Du)基質(zhì)及產(chǎn)物的抑制動力學高濃度(Du)的基質(zhì)可抑制生長和產(chǎn)物合成描述此現(xiàn)象的兩個非競爭性抑制方程：對于競爭性抑制方程與酶動力學方程相類似第五十頁，共七十頁。 高濃度產(chǎn)物對生(Sheng)長的抑制方程為：P-產(chǎn)物濃度Kp產(chǎn)物抑制平衡常數(shù)第五十一頁，共七十頁。 若產(chǎn)物合成采用依(Yi)賴于基質(zhì)濃度的混合生長偶聯(lián)模型表達，有：產(chǎn)物抑制可用好幾種方法包括：第五十二頁，共七十頁。 上式n1通常大于1而0n2Pmax時，上式和下式已成功用于模擬檸檬酸的合成：第五十三頁，共七十頁。五(Wu)。環(huán)境因素對生長和代謝的影響 生物反應器中的大(Da)部分微生物是中溫菌（20TT）

17、或嗜熱菌（T50 ） 溫度向最適溫度方向增加時，每增高10 ，生長速率大約增加一倍，超過最適溫度，生長速率下降，最后出現(xiàn)熱死第五十四頁，共七十頁。環(huán)境因素對生長及代謝的影(Ying)響 溫(Wen)度 pH值 在適宜的溫度范圍內(nèi)，細胞凈增長率方程為：根據(jù)Arrhenius方程，有：所以：圖2.3 E.coli生長速率的Arrhenius圖第五十五頁，共七十頁。 pH也會影響微生物的生長，通常發(fā)酵都是在最適pH范圍內(nèi)或附近，大多數(shù)微生物可接受的pH范圍在最佳值左右1-2單位，總的pH變化范圍可達3-4個單位 生長最適pH與產(chǎn)物形成最適pH是不同的，哺乳動(Dong)物對pH變化非常敏感第五十六頁

18、，共七十頁。發(fā)酵過程中pH值常隨基質(zhì)特性而改變，尤其是氮源，隨著發(fā)酵氨被細胞利用(Yong)，pH將下降第五十七頁，共七十頁。第三節(jié)生物反應器的質(zhì)量(Liang)傳遞 質(zhì)量傳遞在選擇反應器形式（攪拌式，鼓泡式，氣升式等），生物催(Cui)化劑狀態(tài)（懸浮或固定化細胞）和操作參數(shù)（通氣率，攪拌速度，溫度）中起決定性的作用 第五十八頁，共七十頁。 反應器中微生物的活動與質(zhì)量傳遞及微生物的熱量擴散相聯(lián)系 基質(zhì)和代謝物的擴散必須要滿足以反應器為整體的化(Hua)學計量和質(zhì)量衡算 物質(zhì)從實際化學反應點傳遞或傳遞到實際化學反應點的速率，可影響甚至掩飾化學轉(zhuǎn)化的真實速率第五十九頁，共七十頁。 好氧微生物的物質(zhì)

19、傳遞包括兩個方面： 氣-液相(Xiang)之間的傳遞 液相和微生物之間的傳遞 凝聚細胞還包括熱和質(zhì)量從液體傳到凝聚物，再傳到凝聚物內(nèi)部 對固定化細胞還有一個到達細胞表面的過程第六十頁，共七十頁。生物反應器的質(zhì)量(Liang)傳遞膜厚：GL1傳質(zhì)系數(shù)：kGkL1kL2L2COZ圖2.4 氧從氣泡傳遞到細胞的示意圖圖2.5 氧從氣泡傳遞到細胞的示意圖 生物反應(Ying)體系中的氧傳質(zhì)模型雙膜理論：（1）氣泡中的氧通過氣相邊界層傳遞氣-液界面上（2）氧分子由氣相側(cè)通過擴散穿過界面。（3）在界面液相側(cè)通過液相滯流層傳遞到液相主體。（4）在液相主體中進行傳遞。（5）擴散通過生物細胞表面到液相滯流層傳遞

20、進入生物細胞內(nèi)。第六十一頁，共七十頁。 氧傳遞方(Fang)程式 體積質(zhì)量傳遞系數(shù)kLa： 質(zhì)量傳遞比速率，在單(Dan)位濃度差下，單(Dan)位時間、單(Dan)位界面面積所吸收的氣體。該系數(shù)由兩項產(chǎn)生：(1)質(zhì)量傳遞系數(shù)kL，它取決于流體的物理特性和靠近流體表面的流體動力學； (2)通氣反應器單位有效體積的氣泡面積a。 質(zhì)量傳遞系數(shù)kL： 質(zhì)量傳遞系數(shù)是基質(zhì)（或其他被傳遞的化合物）的質(zhì)量通量Ns與推動這一現(xiàn)象的梯度（濃度差）之間的比例因子： 氧的傳遞速率： 用kLa的大小衡量發(fā)酵設備的通氣效率，實驗室用搖瓶，其kLa值約為10100h-1；帶攪拌的發(fā)酵罐，其kLa值為200 1000h-

21、1 。第六十二頁，共七十頁。五。液體-微生物之間的質(zhì)量(Liang)傳遞 細胞所需基質(zhì)擴散通過環(huán)繞它的邊界層，然后進入細胞進行反應 要弄清關(guān)鍵步驟是在細胞內(nèi)還是在細胞周圍 這樣能預測流體物理特性(Xing)可能對過程速率的影響第六十三頁，共七十頁。六。微生物活(Huo)性對吸收率的增強作用 在表面通氣攪拌罐中，當質(zhì)量傳遞系數(shù)kl較小時，氧的吸收速率將被微生物的活性所增強，微生物的分布也是(Shi)一個影響因素，尤其是(Shi)當表面濃度遠大于主體內(nèi)的濃度時 第六十四頁，共七十頁。 在傳統(tǒng)的通氣罐，攪拌罐和鼓泡塔中，質(zhì)量傳遞系數(shù)相對較高(Gao)，微生物所消耗的氧對氧的傳遞速率不會加強 尤其是在非常黏的發(fā)酵條件下須考慮微生物活性對吸收率的影響第六十五頁，共七十頁。七。粒(Li)子間的質(zhì)量傳遞 當微生物凝(Ning)結(jié)成絮狀，小丸狀或固定于一固體支撐物上時，需考慮粒子間的質(zhì)量傳遞關(guān)系 1。擴散限制將對生物催化造成影響 2。擴散限制可成為過程設計者的人工控制手段第六十六頁，共七十頁。生(Sheng)物反應器的熱量傳遞 生物(Wu)反應器的傳熱過程熱量平衡方程：碳源+O2CO2+H2OCO2+H2O+細胞HS完全氧化途徑呼吸途徑細胞氧化途徑HC基質(zhì)消耗過程的熱平衡：式中 QE單位體積培養(yǎng)基中除去熱量速率，J/(m3。s）；QB單位體積培