生物工程設(shè)備3課件

1、生物工程設(shè)備第二章 緒論 內(nèi)容介紹一.發(fā)酵工程的主要內(nèi)容發(fā)酵工程是指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的技術(shù)。發(fā)酵工程由于涉及到生物催化劑，因而與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。由于生物技術(shù)的最終目標(biāo)是建立工業(yè)生產(chǎn)過程為社會(huì)服務(wù)，因而該生產(chǎn)過程可稱為生物反應(yīng)過程（亦稱為生化反應(yīng)過程）。在發(fā)酵技術(shù)中一般包括微生物細(xì)胞或動(dòng)植物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)，或利用固定化酶，固定化細(xì)胞所做的反應(yīng)器加工底物（即有生化催化劑參加），以及培養(yǎng)加工后產(chǎn)物大規(guī)模的分離提取等工藝。主要是在生物反應(yīng)過程中提供各種所需的最適環(huán)境條件。如酸堿度、濕度、底物濃度、通氣量以及保證無菌狀態(tài)等研究?jī)?nèi)容。二. 發(fā)酵工程的特點(diǎn)在研究用微生物（生

2、物催化劑）進(jìn)行某種物質(zhì)生產(chǎn)時(shí)，大體上有兩種研究方式：1.一種是各種酶水平上研究微生物細(xì)胞內(nèi)（外）的生物化學(xué)反應(yīng)，如大量搖瓶在實(shí)驗(yàn)室里觀察限制反應(yīng)速率的因素和最適的培養(yǎng)方法，這可以認(rèn)為是一種小規(guī)模的研究形式； 2.大規(guī)模的研究形式，即過程放大。利用小型和中型反應(yīng)器（培養(yǎng)罐）進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)，并進(jìn)一步在工業(yè)規(guī)模上研究生產(chǎn)物的分離和精制方法，以確定在細(xì)胞水平上的綜合的最適培養(yǎng)條件。 一般化學(xué)工業(yè)的放大，可以說僅需對(duì)其放大原理給予充分的研究以及重復(fù)性試驗(yàn)做的好就足夠了。（小、中、大） 發(fā)酵放大則不同，則需要由小試放大到中試逐步進(jìn)行探討。（逐級(jí)發(fā)酵） 小規(guī)模發(fā)酵所獲得的最適條件的各種參數(shù)，能否在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)

3、使用的一百多立方到數(shù)百立方，也同樣保證其最適條件，那就是不是輕而易舉的事了。這是發(fā)酵工程的一個(gè)基本特點(diǎn)。例如，從搖瓶試驗(yàn)到各種規(guī)模的反應(yīng)器試驗(yàn)，即使培養(yǎng)液的成分、溫度、pH值等參數(shù)各種條件完全相同，并且微生物的活性及其培養(yǎng)過程與各個(gè)裝置之間有著必要的相互關(guān)聯(lián)，但一般情況下，反應(yīng)結(jié)果可能完全不一致。盡管目前已有生物傳感器，可以迅速準(zhǔn)確地就位監(jiān)測(cè)罐內(nèi)、塔內(nèi)或反應(yīng)器中的反應(yīng)過程，也有微機(jī)處理幫助大大提高了自動(dòng)化調(diào)控的能力，而這些先進(jìn)裝置確實(shí)是保證在最適條件下進(jìn)行發(fā)酵的有利武器，但如何保證大規(guī)模發(fā)酵在最適條件下進(jìn)行，仍是一個(gè)值得研究的課題，它不僅涉及到發(fā)酵設(shè)備的工程問題，也與各類生物細(xì)胞的生理生化特性

4、相關(guān)。三.生物反應(yīng)過程組成材料的預(yù)處理 包括原材料的選擇，必要的物理和化學(xué)方法加工，此過程是為提供微生物細(xì)胞可以生長和產(chǎn)物形成的基本原料，即培養(yǎng)基的制備過程，包括其配制和滅菌等。生物催化劑的制備 生物反應(yīng)的催化劑酶基本上是由微生物產(chǎn)生的。因此，要選擇高產(chǎn)、穩(wěn)定、高效、容易培養(yǎng)的菌株，并以此菌株再經(jīng)過多次逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)后達(dá)到足夠的數(shù)量并具有理想質(zhì)量的微生物培養(yǎng)液作為“種子”接到反應(yīng)器中。 也可以利用固定化酶或固定化細(xì)胞，這就要通過一定的固定化技術(shù)來制備。產(chǎn)品的分離純化（難點(diǎn)） 這一工序也叫下游加工程序，其目的是用適當(dāng)?shù)姆椒ê褪侄螌⒑枯^低的產(chǎn)物從反應(yīng)液中提取出來（指胞外產(chǎn)物）或從細(xì)胞中（指胞內(nèi)產(chǎn)物

5、）提取出來，并加以精制以達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求。包括物理方法、化學(xué)方法、生物方法等。 生物反應(yīng)過程主要有這樣一些原因：采用可再生資源作為主要原料，因而原料來源豐實(shí)，價(jià)格低廉，過程中廢物的危害性較小，但由于原料的成分復(fù)雜，往往難以控制會(huì)給產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定的影響。由于采用的是生物催化劑，反映過程一般在常溫常壓下進(jìn)行。但生物催化劑易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，因而很易失活，難以長期使用。與一般化工產(chǎn)品相比，其生產(chǎn)設(shè)備比較簡(jiǎn)單，能耗較低。但某些生物反應(yīng)由于其特殊性質(zhì)而使反應(yīng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均不能太高，這是因?yàn)槲⑸锛?xì)胞或生物酶受底物濃度或產(chǎn)物濃度的抑制或不能耐高滲透壓所致，不僅使反應(yīng)器體積增大，而且也加大

6、了提取的困難，因而反應(yīng)器生產(chǎn)效率較低。盡管生物反應(yīng)過程成本低，應(yīng)用廣，但反應(yīng)極為復(fù)雜，較難檢測(cè)與控制。反應(yīng)液中雜質(zhì)多，給分離提純帶來了困難。 隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物反應(yīng)過程的種類和規(guī)模都在不斷的擴(kuò)大。目前已進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)的主要有酶催化反應(yīng)過程，微生物反應(yīng)過程和廢水的生物處理過程。酶催化反應(yīng)過程 采用游離酶或固定化酶為催化劑時(shí)的反應(yīng)過程。生物體中所進(jìn)行的反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。工業(yè)生產(chǎn)中所用的酶，或是經(jīng)提取分離得到的游離酶，或是固定在多種載體上的固定化酶 。微生物反應(yīng)過程 采用活細(xì)胞為催化劑時(shí)的反應(yīng)過程。這既包括一般的微生物發(fā)酵反應(yīng)過程，也包括固定化細(xì)胞反應(yīng)過程和動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)過程。四

7、. 生物反應(yīng)過程的分類五.生物化學(xué)工程的基本內(nèi)容上游加工中還包括原材料的物理和化學(xué)處理、培養(yǎng)基的配制和滅菌等問題，這里包括有物料破碎、混合和輸送等多種化工單元操作以及熱量傳遞、滅菌動(dòng)力學(xué)和設(shè)備等有關(guān)工程問題。生物反應(yīng)器(關(guān)鍵設(shè)備) 它是為特定的細(xì)胞或酶提供適宜的生長環(huán)境或進(jìn)行特定的生化反應(yīng)的設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)、操作方式和操作條件與產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗有著密切的關(guān)系。生物反應(yīng)器存在著物料的混合與流動(dòng)、傳質(zhì)與傳熱等化學(xué)工程問題；存在著氧和基質(zhì)的供需和傳遞、發(fā)酵動(dòng)力學(xué)、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、發(fā)酵液的流變學(xué)以及生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大等一系列帶有共性的工程技術(shù)問題；同時(shí)還包括生物反應(yīng)過程的參數(shù)檢測(cè)和控制。有關(guān)

8、這一中游加工過程的工程問題已發(fā)展成為生化工程的重要學(xué)科分支生物反應(yīng)工程。生物反應(yīng)過程的下游是對(duì)目的產(chǎn)物的提取與精制。 難點(diǎn)： 1. 產(chǎn)物的濃度低微。 例如，濃度最高的乙醇僅為10%左右，氨基酸不超過8%，抗生素不超過5%，酶制劑不超過1%，胰島素不超過0.01%，單克隆抗體不超過0.0001%； 2.反應(yīng)液雜質(zhì)常與目的產(chǎn)物有相似的結(jié)構(gòu)。 3.生物活性的產(chǎn)品對(duì)溫度、酸堿度都十分敏感。 4.一些作為藥物或食品的產(chǎn)品對(duì)純度、有害物質(zhì)要求嚴(yán)，標(biāo)準(zhǔn)高。 總之，下游加工過程步驟多，要求嚴(yán)，其生產(chǎn)費(fèi)用往往占生產(chǎn)成本的一半以上。怎樣提高產(chǎn)量？1.在設(shè)備上下功夫(工藝條件）2.Stran 優(yōu)選： a化學(xué)誘變 b

9、紫外誘變 c輻照誘變 通過傳統(tǒng)的方法提高產(chǎn)量的幅度是非常有限的如果一個(gè)突變了的菌株某一組分合成太多，那么其他一些代謝物的合成就會(huì)受到影響，因此這反過來又會(huì)影響微生物在大規(guī)模發(fā)酵過程中的生長。傳統(tǒng)的誘變和選擇的方法過程繁瑣、耗時(shí)過長、費(fèi)用極高，需要篩選和檢測(cè)大量的克隆。用傳統(tǒng)的方法能提高微生物一種已有的遺傳性質(zhì)，并不能賦予這種微生物以新的遺傳特性。 第三章 菌種擴(kuò)大培養(yǎng)菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)就是把保藏的菌種，即砂土管，冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化，再經(jīng)過扁瓶或藥瓶和種子罐，逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)后達(dá)到一定的數(shù)量和質(zhì)量的純種培養(yǎng)過程，這是一個(gè)從實(shí)驗(yàn)室制備到車間生產(chǎn)的過程 。然而，菌種種類不同，

10、生產(chǎn)產(chǎn)品品種不同，其生產(chǎn)方法和生產(chǎn)條件均有所差別，如營養(yǎng)、溫度、酸堿度、氧等條件。因此，種子擴(kuò)大培養(yǎng)應(yīng)根據(jù)菌種的生理特性，選擇合適的培養(yǎng)條件來獲得代謝旺盛和數(shù)量足夠的種子。這種種子接入發(fā)酵罐后，會(huì)使發(fā)酵生產(chǎn)周期縮短，設(shè)備利用率提高，對(duì)雜菌的抵抗能力增加，對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)起到了關(guān)鍵性的作用。所以種子質(zhì)量的好壞至關(guān)重要。種子必須具備的條件： 菌種細(xì)胞的生長活力強(qiáng)，接種后在發(fā)酵罐中能迅速生長；生理性狀穩(wěn)定；菌體總量和濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的要求；無雜菌污染（不帶雜菌）；生產(chǎn)能力穩(wěn)定。（一）實(shí)驗(yàn)室種子制備在砂土管或冷凍干燥管內(nèi)保藏的菌種以無菌的方式接至適合的斜面培養(yǎng)基上，培養(yǎng)成熟后挑選正常的菌落再接一次試管

11、斜面。 對(duì)那些產(chǎn)孢能力強(qiáng)、孢子發(fā)芽生長繁殖快的菌種可以采取在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)的方法，孢子可直接接入種子罐，從而簡(jiǎn)化了操作，減少了操作步驟，同時(shí)也減少了染菌的機(jī)會(huì)。例如生產(chǎn)青霉素的產(chǎn)黃青霉菌，采用大米或小米作為固體培養(yǎng)基，取一定量裝入250ml茄子瓶中進(jìn)行滅菌，米粒含水量一定要控制好，米粒不能粘也不能散，滅菌冷卻后接入孢子懸浮液，在2528 培養(yǎng)414天。培養(yǎng)期間，經(jīng)常翻動(dòng)，保持通氣均勻。培養(yǎng)結(jié)束后，或接入種子罐，或以真空抽去水分至10以下，于4冰箱中保存?zhèn)溆谩?對(duì)于產(chǎn)孢子能力不強(qiáng)或孢子發(fā)芽慢的菌種，如產(chǎn)鏈霉素的灰色鏈霉菌，產(chǎn)卡那霉素的卡那鏈霉菌都是以搖瓶液體培養(yǎng)法。孢子接入含液體培養(yǎng)基的搖瓶中

12、，在搖床上恒溫振蕩培養(yǎng)，生長出的菌絲體作為種子。不產(chǎn)孢子的細(xì)菌，如生產(chǎn)谷氨酸的棒狀桿菌屬，短桿菌屬，以32培養(yǎng)1824小時(shí)的斜面移入250ml 茄子瓶斜面培養(yǎng)基上，或搖瓶培養(yǎng)基上，32培養(yǎng)，12小時(shí)后可接入種子罐。（二）生產(chǎn)車間種子制備 實(shí)驗(yàn)室制備的孢子斜面或搖瓶種子移接到種子罐進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。種子罐培養(yǎng)一方面使菌種獲得足夠的數(shù)量，另一方面種子罐中的培養(yǎng)基更接近發(fā)酵罐培養(yǎng)的醪液成分和培養(yǎng)條件，譬如通無菌空氣，攪拌形式等等，以使菌體適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境。 種子罐的接種方法一般根據(jù)菌種種類而異。 孢子懸浮液一般用微孔接種法接種，搖瓶懸浮液種子可在火焰保護(hù)下接入種子罐，也可以用差壓法接入。 種子罐之間或種子罐

13、與發(fā)酵罐之間的移種，主要用差壓法，通過種子接種管道進(jìn)行移種，移種過程中要防止接受罐表壓降為零，因?yàn)闊o壓會(huì)引起染菌。1. 種子罐級(jí)數(shù)的確定 種子罐的級(jí)數(shù)是指制備種子需逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)，這要根據(jù)菌種生長的特性、孢子發(fā)芽速度和菌體繁殖速度，以及發(fā)酵罐的容積而定。對(duì)于生長快的細(xì)胞，種子用量的比例少，即需要的接種量少，所以相應(yīng)的種子罐也少。 例如，谷氨酸生產(chǎn)中，茄子瓶斜面或搖瓶種子接入種子罐于32培養(yǎng)710小時(shí)，菌體濃度達(dá)到108109個(gè)/ml，即可作為種子接入發(fā)酵罐，這稱為一級(jí)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，也可叫作二級(jí)發(fā)酵。生長較慢的菌種，如青霉素生產(chǎn)菌，就需要二級(jí)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，也可稱為三級(jí)發(fā)酵。 一般50m3

14、發(fā)酵罐都采取三級(jí)發(fā)酵。如果是實(shí)驗(yàn)室的中試（530L），可以通過直接孢子或菌體接入罐中發(fā)酵，即一級(jí)發(fā)酵。注：種子罐級(jí)數(shù)越少，越有利于簡(jiǎn)化工藝，便于控制，而且可以減少多次移種可能發(fā)生的染菌機(jī)會(huì)。同時(shí)，也要考慮盡可能地延長菌體在發(fā)酵罐中生產(chǎn)產(chǎn)物的時(shí)間，縮短種子增殖的非生產(chǎn)時(shí)間，提高發(fā)酵罐的生產(chǎn)率（產(chǎn)物/mlh）。 此外，種子罐的級(jí)數(shù)的減少也可通過改善工藝條件，改變種子培養(yǎng)條件，加速菌體的增殖。2. 接種種齡和接種量接種齡： 接種齡是指種子罐中培養(yǎng)的菌體從開始移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐時(shí)的培養(yǎng)時(shí) 間。 在種子罐中，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，菌體量增加，基質(zhì)消耗和代謝產(chǎn)物積 累，菌體量不再增加，逐漸老化。因此，

15、選擇適當(dāng)?shù)姆N齡接種量是一個(gè)至關(guān)重 要的因素。接種齡一般以菌體處于生長旺盛期，即對(duì)數(shù)生長期最合適。如果種 子過于年幼。接入發(fā)酵罐后，會(huì)出現(xiàn)前期生長緩慢，整個(gè)發(fā)酵周期拉長，產(chǎn)物 開始形成的時(shí)間推遲，而過老的種子也會(huì)出現(xiàn)使生產(chǎn)能力下降而使菌體自溶的 現(xiàn)象。 對(duì)于不同菌種，不同產(chǎn)品品種，不同工藝條件，其接種齡也不相同，具體的生產(chǎn)，接種齡要進(jìn)行多次試驗(yàn)，從發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)量的多少，即產(chǎn)率大小來確定最適接種齡。接種量 接種量指的是移入的種子懸浮液體積和接種后培養(yǎng)液體的體積的比例。 抗生素的工業(yè)生產(chǎn)，大多數(shù)發(fā)酵的最適接種量為715或更多。 啤酒生產(chǎn)發(fā)酵的接種量為510，谷氨酸發(fā)酵接種量?jī)H為1。 接種量大小取決于生

16、產(chǎn)菌的生長繁殖速度。大接種量可以縮短發(fā)酵罐中菌體數(shù)達(dá)到高峰的時(shí)間，可以提早形成產(chǎn)物。這是因?yàn)榉N子液中含有胞外水解酶類，種子量大，酶量也多，有利于對(duì)基質(zhì)的作用和利用，同時(shí)菌體量多，占有絕對(duì)生長優(yōu)勢(shì)，可以相對(duì)減少雜菌的污染生長機(jī)會(huì)。但接種量太大，也會(huì)造成菌體生長過速，溶氧跟不上，從而影響產(chǎn)物的合成。（三）影響種子質(zhì)量的因素怎樣判斷種子的質(zhì)量？ 菌種在種子罐中的培養(yǎng)時(shí)間較短，使種子的質(zhì)量不容易控制，因?yàn)榭煞治龅膮?shù)不多。一般，在培養(yǎng)過程中要定期取樣，測(cè)定其中的部分參數(shù)來觀察基質(zhì)的代謝變化以及菌體形態(tài)是否正常。例如酒精酵母的種子罐，一般定時(shí)測(cè)酸度變化、還原糖含量、耗糖率、鏡檢等，鏡檢內(nèi)容包括測(cè)酵母細(xì)胞

17、數(shù)、酵母出芽率、酵母形態(tài)（整齊、大小均勻、橢圓形或圓形）、是否有雜菌等。影響種子質(zhì)量的因素1.原材料質(zhì)量 生產(chǎn)過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)種子的質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象，這主要是由于原材料的質(zhì)量不一致造成 的。有些原材料如麩皮，是用來配制產(chǎn)孢子斜面培養(yǎng)基的。制備霉菌培養(yǎng)基的大米、小 米等會(huì)因產(chǎn)地、品種、加工方法及顆粒大小不同而使孢子質(zhì)量受到影響；蛋白胨、瓊脂 的質(zhì)量、水質(zhì)的硬度、污染程度等對(duì)生產(chǎn)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。2培養(yǎng)條件 培養(yǎng)條件對(duì)種子質(zhì)量的影響最直觀，最顯著。如培養(yǎng)溫度高于或低于種子的培養(yǎng)溫度范 圍，會(huì)使菌種生長過快或過慢，造成菌體過早衰老自溶或拉長培養(yǎng)時(shí)間，而影響生產(chǎn)。 所以要控制菌體的培養(yǎng)溫度在最適的范圍內(nèi)。濕度對(duì)產(chǎn)孢子的菌種影響很大，這一濕度 是指培養(yǎng)基的濕度，有時(shí)也包括空氣濕度。如制白酒酒曲時(shí)，空氣濕度會(huì)影響曲中各種 不同微生物的生長。在生產(chǎn)抗生素菌種時(shí)，孢子就會(huì)受濕度的影響而使其生長快慢不一 通氣量對(duì)于好氣性菌體的生長和質(zhì)量是一個(gè)很重要的影響因素。有