生物工程設(shè)備.ppt

1、生物工程設(shè)備，生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)簡介生物反應(yīng)器檢測控制和放大材料加工設(shè)備產(chǎn)品分離純化設(shè)備輔助系統(tǒng)設(shè)備，課程作用和任務(wù)，生物工程設(shè)備作用，工業(yè)發(fā)酵設(shè)置，課程內(nèi)容，生物工程設(shè)備，生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)，生物反應(yīng)器檢測控制和放大，材料加工設(shè)備，產(chǎn)品分離純化設(shè)備，輔助系統(tǒng)設(shè)備，目的和要求，掌握生物工程的設(shè)備流程，設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理，主要設(shè)備的設(shè)計計算和選型。初步具備獨立分析和解決實驗研究和工業(yè)生產(chǎn)中工程設(shè)備問題的能力。了解國內(nèi)外生物工程及設(shè)備的新技術(shù)、新設(shè)備和發(fā)展趨勢。掌握生物反應(yīng)器的設(shè)計基礎(chǔ)。實驗室過程開發(fā)搖瓶實驗，第1章，生物反應(yīng)器設(shè)計的基礎(chǔ)，生物反應(yīng)器設(shè)計需要知識和化學(xué)工程的兩個方面：傳熱、傳質(zhì)性能

2、、剪切力、凝聚成顆粒、曝氣生物工程方程：生物的生長特性和要求，生物不同階段的溫度、溶解氧和酸堿度的要求，無菌要求，生物反應(yīng)器的目的分類：1。生產(chǎn)單元2。細(xì)胞的代謝產(chǎn)物。酶催化獲得的產(chǎn)品按培養(yǎng)類型分類：動植物細(xì)胞、組織、酶和微生物的培養(yǎng)和發(fā)酵，生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)，常用生物反應(yīng)器：1)厭氧生物反應(yīng)器2)曝氣生物反應(yīng)器，也可分為攪拌式、氣升式和自吸式生物反應(yīng)器3)光照式生物反應(yīng)器4)膜生物反應(yīng)器：可分為非循環(huán)式、內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式生物反應(yīng)器，生物反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)。生物反應(yīng)器的設(shè)計基礎(chǔ)、化學(xué)計量基礎(chǔ)、生物反應(yīng)的質(zhì)量平衡、生物反應(yīng)過程的產(chǎn)率系數(shù)、生物基礎(chǔ)、細(xì)胞數(shù)量動力學(xué)、無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)、有抑制的細(xì)

3、胞生長動力學(xué)、產(chǎn)物形成動力學(xué)、環(huán)境因素對生長和代謝的影響、傳質(zhì)、氣液傳質(zhì)、液-微生物傳質(zhì)和傳熱剪切力、生化反應(yīng)的特點：活細(xì)胞代謝具有多種營養(yǎng)和多種途徑的酶，因此質(zhì)量和能量守恒定律之間的關(guān)系是復(fù)雜的。生物反應(yīng)器設(shè)計的依據(jù)、以及它們之間的關(guān)系：化學(xué)計量是反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵之一，它為培養(yǎng)基的合理設(shè)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。質(zhì)量平衡和化學(xué)計量之間的關(guān)系可以判斷過程是否運行良好，并獲得間接測量數(shù)據(jù)。最后，結(jié)合熱力學(xué)關(guān)系，給出系統(tǒng)的產(chǎn)量、生物反應(yīng)器的設(shè)計依據(jù)、營養(yǎng)物(碳源、氮源、O2、無機鹽等)。)、細(xì)胞代謝產(chǎn)物(產(chǎn)物、CO2、H2O等)。)、CHmOl aNH3 bO2 YbCH pO nNq(生物量)YpCH

4、rOsNt(產(chǎn)品)CH20DCO2可以推斷，并且通過化學(xué)方程式的元素平衡可以獲得以下方程式。生物反應(yīng)的質(zhì)量平衡和細(xì)胞反應(yīng)的元素平衡：CHmOl aNH3 bO2 YbCH pO nNq(生物質(zhì))YpCH rOsNt(產(chǎn)品)CH20DCO2。根據(jù)細(xì)胞、底物和產(chǎn)物的還原程度，可以列出有效電子平衡方程：還原程度：化合物中每克碳原子的有效電子當(dāng)量數(shù)。化合物中任何元素的還原程度等于化合物的化合價。例如，NH3中氮和氫的還原度為： N=3，H=1，細(xì)胞反應(yīng)過程的產(chǎn)率系數(shù)，底物Yx/s的細(xì)胞產(chǎn)率，氧Yx/o的細(xì)胞產(chǎn)率，底物Yp/s的產(chǎn)物產(chǎn)率，碳YC的細(xì)胞產(chǎn)率，以及底物Yx/s的細(xì)胞產(chǎn)率與比生長率之間的關(guān)系維

5、持定義：YXS細(xì)胞對基質(zhì)的產(chǎn)率；最大產(chǎn)量；Ms維護系數(shù)；特定增長率。當(dāng)沒有乘積時，矩陣的線性方程為：其中矩陣的消耗率為合成單位元；單位電池的產(chǎn)品生產(chǎn)率。如果有產(chǎn)品，底物的線性方程：如果產(chǎn)率已知，可以獲得所需的氨和氧，并且產(chǎn)生的CO2和水可以以相同的方式進料，并且廢氣和氮消耗的測量有助于確定產(chǎn)率。其他：根據(jù)底物和產(chǎn)物的還原程度列出電子平衡方程，并根據(jù)三磷酸腺苷的形成與產(chǎn)量的相關(guān)性建立一系列關(guān)系(生物質(zhì)與產(chǎn)生能量底物產(chǎn)生的三磷酸腺苷直接相關(guān))。細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)基質(zhì)的消耗部分用于生長，部分用于產(chǎn)物形成，部分用于維持生命活動。能量的具體表現(xiàn)如下：蛋白質(zhì)組的轉(zhuǎn)化，保持最佳的細(xì)胞內(nèi)酸堿度，對抗通過細(xì)胞膜的主動運

6、輸，循環(huán)和運動所需的無用能量。第二節(jié)生物反應(yīng)器的生物學(xué)基礎(chǔ)，前言：生物反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化必須首先確定生物量、基質(zhì)和產(chǎn)物濃度的變化率。預(yù)測、控制和系統(tǒng)優(yōu)化細(xì)胞生長、細(xì)胞數(shù)量分布、產(chǎn)物合成、基質(zhì)消耗和其他數(shù)據(jù)，以了解環(huán)境參數(shù)(酸堿度、溫度、化學(xué)成分等)如何。)影響系統(tǒng)的動態(tài)。細(xì)胞數(shù)量動力學(xué)，細(xì)胞生長動力學(xué)模型微生物細(xì)胞在生長過程中需要經(jīng)歷以下生長階段：(無產(chǎn)物抑制和轉(zhuǎn)移抑制)停滯期，對數(shù)生長期，減速期，平衡期，衰退期，細(xì)胞數(shù)量動力學(xué)，細(xì)胞生長可分為幾個階段：停滯期，對數(shù)生長期，減速期，平衡期和死亡期。圖2.1典型的細(xì)菌生長曲線，在指數(shù)生長期，細(xì)胞數(shù)量的生長率為：細(xì)胞數(shù)量的生長率為：增殖時間td:可

7、以通過在t0t和X0 X積分方程2474h得到。微生物細(xì)胞的最大值較大，增殖時間約為0.55小時，而動物細(xì)胞的最大值較小，動物細(xì)胞的增殖時間約為15100小時。Monod方程(無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)):無抑制的細(xì)胞生長動力學(xué)，Monod方程是一個典型的平衡生長模型，其基本假設(shè)是：(1)細(xì)胞生長是平衡生長；(2)只有一種培養(yǎng)基是生長限制培養(yǎng)基，其他成分過量，不影響細(xì)胞生長；(3)細(xì)胞生長被認(rèn)為是一個簡單的單一反應(yīng)，細(xì)胞產(chǎn)量是一個常數(shù)。Monod方程只適用于細(xì)胞生長緩慢和細(xì)胞密度低的環(huán)境。其中是具體的增長率；最大值是最大比增長率；CS是限制性基質(zhì)的濃度；K S是飽和常數(shù)和最大值/2時的極限基質(zhì)濃度

8、。具有抑制細(xì)胞生長動力學(xué)，基質(zhì)抑制動力學(xué)，反競爭抑制的抑制機制可以假設(shè)為：對于競爭抑制，特定細(xì)胞生長速率為：對于非競爭抑制，特定細(xì)胞生長速率為：表2.1酶反應(yīng)動力學(xué)和細(xì)胞生長動力學(xué)的比較，有或沒有抑制，抑制動力學(xué)的產(chǎn)物，幾個經(jīng)驗公式：3。產(chǎn)物形成的動力學(xué)方程如下：1)能量代謝的結(jié)果，如酵母酒精發(fā)酵；2)能量代謝的間接結(jié)果：檸檬酸合成；3)次生代謝產(chǎn)物：青霉素生產(chǎn)；4)產(chǎn)物是細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外的蛋白質(zhì)，屬于蛋白質(zhì)合成領(lǐng)域，Gaden受誘導(dǎo)和分解代謝抑制的調(diào)節(jié)，如酶合成和產(chǎn)物形成動力學(xué)。根據(jù)產(chǎn)物形成速度與細(xì)胞生長速度的關(guān)系，代謝產(chǎn)物形成動力學(xué)可分為三種類型：類型(相關(guān)模型):指產(chǎn)物形成與細(xì)胞生長相關(guān)的

9、過程，產(chǎn)物是細(xì)胞能量代謝的結(jié)果。乙醇、葡萄糖酸和乳酸的生產(chǎn)屬于這一類型。產(chǎn)品形成動力學(xué)：圖2.2 Gaden類型，圖2.2 Gaden模型分類，類型(偏相關(guān)模型):這類反應(yīng)產(chǎn)物的形成與底物消耗只有間接結(jié)果，而產(chǎn)物是能量代謝的間接結(jié)果。屬于這種類型，檸檬酸和氨基酸生產(chǎn)。類型(不相關(guān)模型):產(chǎn)品的生產(chǎn)與細(xì)胞生長沒有直接關(guān)系，產(chǎn)品是次生代謝產(chǎn)物。屬于這種類型，抗生素，微生物毒素和其他代謝物產(chǎn)生。存在產(chǎn)物抑制，生長速率公式可表示為：Rx -反應(yīng)速率常數(shù)k積分：對于絲狀微生物如霉菌，懸浮培養(yǎng)中經(jīng)常形成微生物顆粒，顆粒內(nèi)生長的細(xì)胞受到擴散的抑制。其生長模型通常包括大顆粒(如包埋或凝膠固定化細(xì)胞)中顆粒的同時擴散和營養(yǎng)消耗。其次，絲狀細(xì)胞也可以在潮濕的固體表面生長，因此生長過程是復(fù)雜的，包括生長動力學(xué)方程，1。Monod方程，生物生長過程中的基質(zhì)轉(zhuǎn)移速率：對于球形細(xì)胞，細(xì)胞的面積/體積比為(6/dc)，每單位反應(yīng)體積的細(xì)胞面積為(Ac/V)。如果球形細(xì)胞以不同方式形