《發(fā)酵工程與設(shè)備》課件

發(fā)酵工程與設(shè)備在生物技術(shù)和化工行業(yè),發(fā)酵工程與設(shè)備是至關(guān)重要的一環(huán)。它包括發(fā)酵過程中的各種裝置和工藝,如發(fā)酵罐、分離技術(shù)、發(fā)酵控制等,是生產(chǎn)各類生物制品的核心技術(shù)。課程導(dǎo)言課程概述本課程將全面探討發(fā)酵工程與設(shè)備的相關(guān)知識(shí)和技術(shù)。從發(fā)酵工藝、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、培養(yǎng)基配制到發(fā)酵過程控制等方方面面進(jìn)行系統(tǒng)講解。學(xué)習(xí)目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握發(fā)酵工程領(lǐng)域的基本概念和關(guān)鍵技術(shù),為從事相關(guān)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。發(fā)酵工程概述發(fā)酵工程是研究微生物在特定環(huán)境中代謝活動(dòng)規(guī)律,并將這些規(guī)律應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的一門應(yīng)用科學(xué)。它涉及生物化學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)工程等多個(gè)學(xué)科,是生物技術(shù)的重要組成部分。發(fā)酵工程的主要任務(wù)包括發(fā)酵原料的選擇與預(yù)處理、微生物菌種的分離與培養(yǎng)、發(fā)酵工藝的優(yōu)化、發(fā)酵產(chǎn)物的分離與純化等。它在制藥、食品、能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的重要技術(shù)。發(fā)酵工藝1菌種選擇選擇適合的微生物菌種2培養(yǎng)基配置配制合適的發(fā)酵培養(yǎng)基3發(fā)酵工藝參數(shù)控制溫度、pH、溶氧等參數(shù)4產(chǎn)品分離提取采用后處理工藝分離提取產(chǎn)品發(fā)酵工藝是生物技術(shù)的核心內(nèi)容,包括四個(gè)關(guān)鍵步驟:首先選擇合適的微生物菌種,然后配制滿足菌種生長(zhǎng)需求的培養(yǎng)基,在控制好發(fā)酵環(huán)境參數(shù)的同時(shí)進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng),最后采用分離提取等工藝得到所需的最終產(chǎn)品。這些步驟環(huán)環(huán)相扣,缺一不可。發(fā)酵反應(yīng)器發(fā)酵反應(yīng)器是用于進(jìn)行各種生物化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備,是生物工藝的核心裝置。它提供了適宜的環(huán)境條件,如溫度、pH值、溶氧等,以確保發(fā)酵菌株能夠高效生長(zhǎng)和代謝。反應(yīng)器的選型和設(shè)計(jì)直接影響發(fā)酵過程的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。發(fā)酵反應(yīng)器的分類1按結(jié)構(gòu)形式分包括槽型、柱型、球型等不同幾何外形的反應(yīng)器。2按操作方式分有間歇式、連續(xù)式以及半連續(xù)式等不同操作模式。3按加熱/冷卻方式分如內(nèi)加熱、外加熱、夾套加熱、輻射加熱等多種加熱方式。4按培養(yǎng)方式分包括靜態(tài)培養(yǎng)、搖床培養(yǎng)、發(fā)酵罐培養(yǎng)等不同培養(yǎng)系統(tǒng)。發(fā)酵反應(yīng)器的選型1反應(yīng)物質(zhì)與產(chǎn)物根據(jù)發(fā)酵過程中涉及的物質(zhì)種類和特性,選擇合適的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。2反應(yīng)條件溫度、pH值、溶氧等反應(yīng)條件需要與反應(yīng)器的設(shè)計(jì)相匹配。3生產(chǎn)規(guī)模考慮反應(yīng)器的生產(chǎn)能力和擴(kuò)大生產(chǎn)的可能性,選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)模。發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)1目標(biāo)產(chǎn)品明確所需產(chǎn)品性質(zhì)及目標(biāo)產(chǎn)量2反應(yīng)條件確定最佳溫度、pH、溶解氧等3工藝流程設(shè)計(jì)發(fā)酵、分離、純化等工藝4反應(yīng)器選型選擇合適的反應(yīng)器類型及尺寸5配套設(shè)備選擇適用的攪拌、供氣、測(cè)控等設(shè)備發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的工程挑戰(zhàn)。首先需要明確生產(chǎn)目標(biāo)和反應(yīng)條件,并設(shè)計(jì)合理的工藝流程。然后選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器類型和尺寸,配備所需的輔助設(shè)備。整個(gè)過程需要充分考慮生產(chǎn)效率、能耗、成本等因素,以達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。發(fā)酵培養(yǎng)基培養(yǎng)基組成發(fā)酵培養(yǎng)基由碳源、氮源、礦物質(zhì)、維生素等多種營(yíng)養(yǎng)成分組成,為微生物提供生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。培養(yǎng)基配制根據(jù)發(fā)酵菌株的特點(diǎn),采用合理的配方設(shè)計(jì),按照標(biāo)準(zhǔn)流程配置培養(yǎng)基,為發(fā)酵過程奠定良好的基礎(chǔ)。培養(yǎng)基滅菌為避免受到污染,發(fā)酵培養(yǎng)基需要經(jīng)過高壓滅菌或過濾等方式進(jìn)行無菌處理,確保發(fā)酵過程的純度。常見發(fā)酵培養(yǎng)基組分碳源供給微生物生長(zhǎng)和代謝所需能量的有機(jī)化合物,如葡萄糖、麥芽糖、乳糖等。氮源為微生物提供氮元素,如酵母提取物、蛋白胨、尿素等。礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)提供鉀、鈣、鎂、鐵、鋅等微量元素,維持細(xì)胞正常生理活動(dòng)。維生素輔助酶、促進(jìn)生長(zhǎng),如維生素B1、B6、B12、維生素C等。培養(yǎng)基配制組分稱量根據(jù)培養(yǎng)基配方準(zhǔn)確稱量每種成分的用量。使用專業(yè)天平確保最佳配比。溶解混合將稱量好的成分加入適量水中,攪拌混合直至完全溶解。調(diào)節(jié)pH使用酸堿溶液調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH值至最佳范圍,確保微生物生長(zhǎng)環(huán)境合適。滅菌處理采用高溫高壓滅菌,確保培養(yǎng)基無任何污染。保持無菌狀態(tài)至后續(xù)使用。培養(yǎng)基滅菌1高溫滅菌使用高壓蒸汽滅菌法，以121℃的溫度消毒30分鐘。2化學(xué)滅菌使用酒精、氯消毒劑或過氧化氫溶液進(jìn)行表面消毒。3過濾滅菌使用0.22微米或更小孔徑的無菌過濾膜過濾滅菌。培養(yǎng)基滅菌是確保培養(yǎng)環(huán)境無任何微生物污染的關(guān)鍵步驟。高溫、化學(xué)和過濾是常用的滅菌方法，具體選擇要根據(jù)培養(yǎng)基的特性和使用需求而定。發(fā)酵過程控制1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵過程中對(duì)各種關(guān)鍵參數(shù)(如溫度、pH、溶解氧等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,確保工藝指標(biāo)穩(wěn)定。2自動(dòng)化調(diào)節(jié)通過先進(jìn)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程各項(xiàng)參數(shù)的精準(zhǔn)控制,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。3智能優(yōu)化利用數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法,動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)酵條件,最大化產(chǎn)品收率和生產(chǎn)效率。發(fā)酵過程監(jiān)測(cè)與分析5關(guān)鍵參數(shù)及時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、pH、溶氧等關(guān)鍵參數(shù)100+分析指標(biāo)采用各種分析手段全面掌握發(fā)酵過程24/7實(shí)時(shí)監(jiān)控始終保持對(duì)發(fā)酵過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)酵過程監(jiān)測(cè)分析是確保發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種關(guān)鍵參數(shù),如溫度、pH、溶氧等,并采用色譜、質(zhì)譜等先進(jìn)分析手段,全面掌握發(fā)酵過程的動(dòng)態(tài)變化。只有做到全程監(jiān)測(cè)和深入分析,才能最大限度地保證發(fā)酵過程的穩(wěn)定與產(chǎn)品的質(zhì)量。發(fā)酵產(chǎn)物分離與提取1產(chǎn)物分離從發(fā)酵液中分離出目標(biāo)產(chǎn)物的過程2細(xì)胞破碎破壞細(xì)胞壁以釋放細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物3產(chǎn)物富集通過多種分離技術(shù)提高產(chǎn)品純度4最終提取獲得純度高且穩(wěn)定的最終產(chǎn)品發(fā)酵產(chǎn)物分離與提取是發(fā)酵工程的關(guān)鍵步驟之一。首先需要從發(fā)酵液中分離出目標(biāo)產(chǎn)物,并破壞細(xì)胞壁以釋放細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)物。然后通過多種分離技術(shù)如離心、抽濾、萃取等對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行富集。最后獲得純度高且穩(wěn)定的最終產(chǎn)品,為下游應(yīng)用做好準(zhǔn)備。發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵罐發(fā)酵罐是發(fā)酵工藝中的核心設(shè)備,用于培養(yǎng)和培養(yǎng)微生物。其設(shè)計(jì)必須考慮培養(yǎng)條件、能量和物質(zhì)傳遞等因素,確保最佳的發(fā)酵環(huán)境。培養(yǎng)基配制設(shè)備發(fā)酵過程需要特定的培養(yǎng)基,包括碳源、氮源、礦物質(zhì)等成分。專門的配制設(shè)備能確保培養(yǎng)基的配比和滅菌達(dá)標(biāo)。產(chǎn)品分離提取設(shè)備發(fā)酵過程結(jié)束后,需要通過離心、膜分離等技術(shù)從發(fā)酵液中分離出目標(biāo)產(chǎn)品。這些分離提取設(shè)備是發(fā)酵工藝的重要組成部分。工藝控制設(shè)備為確保發(fā)酵過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量,需要溫度、pH、溶氧等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控設(shè)備,以及先進(jìn)的工藝控制系統(tǒng)。發(fā)酵罐發(fā)酵罐是發(fā)酵過程中用于培養(yǎng)微生物和進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備。它需要滿足溫度、pH、溶氧等條件的精確控制,以確保發(fā)酵反應(yīng)順利進(jìn)行。發(fā)酵罐的選型和設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的發(fā)酵工藝和產(chǎn)品要求進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)酵罐的構(gòu)造罐體發(fā)酵罐的罐體通常采用圓柱形結(jié)構(gòu),材質(zhì)選用不銹鋼或玻璃鋼,以確保良好的耐腐蝕性。密封系統(tǒng)罐體上設(shè)有各種密封門、儀表和管路接頭,采用高性能密封件確保發(fā)酵環(huán)境的密閉性。攪拌系統(tǒng)發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)有高效攪拌裝置,可確保培養(yǎng)基均勻混合,促進(jìn)氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)。溫控系統(tǒng)發(fā)酵罐配備精密的加熱制冷裝置,可根據(jù)發(fā)酵過程要求精準(zhǔn)控制溫度。發(fā)酵罐的機(jī)械密封密封原理發(fā)酵罐需要可靠的機(jī)械密封裝置，以防止氣體和液體泄漏。通過使用旋轉(zhuǎn)軸上的動(dòng)密封和靜密封結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。常見密封形式常見的密封形式包括機(jī)械密封、動(dòng)密封和靜密封。它們各有優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)具體應(yīng)用條件選擇合適的密封方式。密封性能要求良好的密封性能是確保發(fā)酵罐穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。密封件需要耐高溫、耐腐蝕、耐磨損,確保密封可靠。密封維護(hù)保養(yǎng)定期檢查密封件狀態(tài),及時(shí)更換磨損部件,是確保密封性能的關(guān)鍵。合理的維護(hù)保養(yǎng)能延長(zhǎng)密封件使用壽命。發(fā)酵罐的加熱制冷系統(tǒng)加熱系統(tǒng)發(fā)酵罐通常采用蒸汽或電加熱系統(tǒng),確保反應(yīng)器內(nèi)部能維持適宜的發(fā)酵溫度。精確控制溫度是關(guān)鍵。制冷系統(tǒng)制冷系統(tǒng)通過管道循環(huán)冷卻劑,可快速調(diào)節(jié)反應(yīng)器溫度,避免過熱對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物造成損害。溫度監(jiān)測(cè)配備精準(zhǔn)的溫度傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)部溫度變化,并反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。發(fā)酵罐的氣體供給系統(tǒng)1供氧系統(tǒng)提供充足的氧氣以滿足需氧發(fā)酵微生物的呼吸需求。通常使用空氣壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)供應(yīng)。2氣體交換系統(tǒng)控制罐內(nèi)氣體的進(jìn)出,確保有害氣體及時(shí)排出,保持合適的發(fā)酵環(huán)境。3氣體過濾系統(tǒng)使用高效過濾器去除空氣中的微生物和顆粒污染物,保證無菌操作。4氣體調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)酵過程的需要,調(diào)節(jié)氣體流量、壓力和溫度等參數(shù),確保最佳發(fā)酵條件。發(fā)酵罐的測(cè)量控制系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)采用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵罐內(nèi)部溫度,確保發(fā)酵過程中溫度穩(wěn)定。pH監(jiān)控使用pH電極測(cè)定培養(yǎng)液pH值,并通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)基添加劑來維持最佳pH范圍。溶解氧監(jiān)測(cè)溶解氧傳感器可實(shí)時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)液中的溶解氧含量,確保有氧發(fā)酵需求。自動(dòng)化控制利用PLC等先進(jìn)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)發(fā)酵參數(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控。發(fā)酵罐的清洗消毒系統(tǒng)自動(dòng)化清洗發(fā)酵罐配備先進(jìn)的自動(dòng)化清洗系統(tǒng),能夠高效、徹底地清潔罐體內(nèi)部表面,確保罐內(nèi)潔凈無菌。高溫消毒通過罐內(nèi)加熱至高溫,實(shí)現(xiàn)對(duì)罐體和培養(yǎng)液的高效殺菌,預(yù)防交叉感染。CIP清洗采用CIP(CleanInPlace)自動(dòng)清洗技術(shù),無需人工拆卸,大大提高了清洗效率和安全性。發(fā)酵過程的數(shù)學(xué)模型建立動(dòng)力學(xué)方程對(duì)發(fā)酵過程中的物質(zhì)平衡、能量平衡等進(jìn)行建模,得到一組微分方程描述發(fā)酵動(dòng)力學(xué)。參數(shù)識(shí)別與估計(jì)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合,確定動(dòng)力學(xué)方程中各參數(shù)的取值,為模型提供準(zhǔn)確的參數(shù)輸入。模型仿真與優(yōu)化利用數(shù)學(xué)模型對(duì)發(fā)酵過程進(jìn)行模擬,分析關(guān)鍵變量對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率和收率的影響,優(yōu)化工藝條件。發(fā)酵過程的優(yōu)化1數(shù)學(xué)建模運(yùn)用數(shù)學(xué)方法建立發(fā)酵過程的動(dòng)力學(xué)模型,描述各反應(yīng)參數(shù)的關(guān)系,為優(yōu)化提供依據(jù)。2參數(shù)分析識(shí)別影響發(fā)酵效果的關(guān)鍵參數(shù),如溫度、pH、溶氧等,并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的分析與優(yōu)化。3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用正交實(shí)驗(yàn)或響應(yīng)面法等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)方案,有效地進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用醫(yī)藥生產(chǎn)發(fā)酵技術(shù)在抗生素、蛋白質(zhì)和其他醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)中扮演重要角色。食品生產(chǎn)酒類、乳制品、發(fā)酵蔬菜等食品生產(chǎn)都依賴于發(fā)酵過程。生物燃料以生物質(zhì)為原料的乙醇、沼氣等生物燃料的生產(chǎn)需要利用發(fā)酵過程。酶制品生產(chǎn)各類工業(yè)酶的生產(chǎn)通常采用微生物發(fā)酵的方式。乳酸發(fā)酵乳酸發(fā)酵是利用微生物代謝的過程將葡萄糖等碳水化合物轉(zhuǎn)化為乳酸的一種重要生物化學(xué)過程。乳酸是一種在食品、化工等行業(yè)廣泛應(yīng)用的有機(jī)化合物，對(duì)人體有益且易降解。通過精心控制發(fā)酵條件，如pH值、溫度、溶氧等參數(shù)，可以最大化乳酸的產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。乳酸發(fā)酵技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等多個(gè)領(lǐng)域。酒精發(fā)酵酒精發(fā)酵是一種利用酵母菌將糖類轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳的生物化學(xué)過程。這種發(fā)酵過程廣泛應(yīng)用于釀酒、啤酒、酒精化工等領(lǐng)域,在人類社會(huì)中扮演著重要的角色。酒精發(fā)酵反應(yīng)需要適當(dāng)?shù)奶窃?、溫度、pH值等條件,通過對(duì)這些參數(shù)的精細(xì)控制,可以提高酒精產(chǎn)量和發(fā)酵效率。發(fā)酵過程中,酵母菌會(huì)經(jīng)歷一系列代謝反應(yīng),最終生產(chǎn)出高純度的乙醇產(chǎn)品?？股匕l(fā)酵抗生素發(fā)酵是利用微生物的生理活性產(chǎn)生具有抑制活性的有機(jī)化合物的生物化學(xué)過程。常見的抗生素發(fā)酵包括青霉素、鏈霉素、四環(huán)素等。這些抗生素廣泛應(yīng)用于臨床治療及預(yù)防感染性疾病?？股匕l(fā)酵需要進(jìn)行嚴(yán)格的培養(yǎng)基配制、反應(yīng)條件控制等關(guān)鍵步驟。蛋白質(zhì)發(fā)酵蛋白質(zhì)發(fā)酵是通過微生物代謝活動(dòng)來生產(chǎn)蛋白質(zhì)的重要生物工藝。這一過程可制備多種重要的蛋白質(zhì)產(chǎn)品,如酶、疫苗、抗體等。通過優(yōu)化發(fā)酵條件、培養(yǎng)基配方和后處理技術(shù),可以大幅提高蛋白質(zhì)的產(chǎn)量和質(zhì)量。生物反應(yīng)器工藝放大1反應(yīng)器設(shè)計(jì)根據(jù)工藝要求和原理縮小的實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2操作條件控制溫度、pH、溶氧等關(guān)鍵參數(shù)需要精確控制。3生產(chǎn)能力提升通過調(diào)整操作參數(shù)和工藝流程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力的大幅提升。4數(shù)據(jù)分析優(yōu)化采集和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù),持續(xù)優(yōu)化工藝參數(shù)。生物反應(yīng)器工藝放大是將實(shí)驗(yàn)室或小型試驗(yàn)裝置的