生物工程设备省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、生物工程设备 绪论 生物反应器设计基础 生物反应器 检测控制及放大 物料处理设备 产物分离纯化设备 辅助系统设备第1页生物技术原理生物技术产业化课程作用与任务生物工程设备 作用 任务 生物工程设备最正确设计和最适选型,满足当代生物技术产业化需要;研究开发新型生物工程设备,使生产过程大型化、多样化、连续化和自动化第2页经典分批发酵工艺流程图成品第3页?活体生物反应器转基因牛活体生物反应器转基因牛机械搅拌反应器机械搅拌反应器植物细胞培养器植物细胞培养器第4页Industrial Fermentation Setting第5页第6页课程内容生物工程设备生物工程设备生物反应器设计基础生物反应器设计基础
2、生物反应器生物反应器检测控制及放大检测控制及放大物料处理设备物料处理设备产物分离纯化设备产物分离纯化设备辅助系统设备辅助系统设备第7页目与要求 掌握生物工程设备流程、设备结构及工作原理,主要设备设计计算及选型。初步含有独立分析和处理试验研究及工业生产上工程设备问题能力。了解国内外生物工程与设备新技术、新设备及发展动向。掌握生物反应器设计基础。第8页第9页Laboratory process developmentShake Flask Experiments第10页第11页第12页第一章第一章 生物反应器设计基础生物反应器设计基础生物生物反应器反应器设计要以设计要以生物体生物体为中心为中心需要
3、两方面知识需要两方面知识化学工程化学工程:反应器传热,传质性能,剪切反应器传热,传质性能,剪切力,凝聚成颗粒现象,通气力,凝聚成颗粒现象,通气生物工程方程生物工程方程:生物体生长特征和要求,生物体生长特征和要求,生物体不一样阶段对温度,溶氧生物体不一样阶段对温度,溶氧,pH要求,要求,无菌要求无菌要求第13页生物反应器分类生物反应器分类按目标按目标分:分:1。生产。生产细胞细胞2。细胞。细胞代谢产物代谢产物3。酶催化得到产物酶催化得到产物按按培养类型培养类型分类:分类:动植物细胞动植物细胞,组织,酶,微生物培养和发酵组织,酶,微生物培养和发酵生物反应器设计基础生物反应器设计基础第14页惯用生物
4、反应器:惯用生物反应器:1)厌气生物反应器厌气生物反应器2)通气生物反应器通气生物反应器,又可分为搅拌式,气,又可分为搅拌式,气升式,自吸式升式,自吸式3)光照生物反应器光照生物反应器4)膜生物反应器膜生物反应器:可分为非循环式,内循:可分为非循环式,内循环式,外循环式生物反应器环式,外循环式生物反应器生物反应器设计基础生物反应器设计基础第15页生物反应器设计基础生物反应器设计基础 化学计量基础 生物反应质量衡算 生物反应过程得率系数 生物学基础 细胞数动力学 无抑制细胞生长动力学 有抑制细胞生长动力学 产物形成动力学 环境原因对生长及代谢影响 传质 气-液传质 液体-微生物传质 传热 剪切力
5、问题第16页生化反应特点:活细胞生化反应特点:活细胞 多营养成份多营养成份 多路径代谢多路径代谢 催化剂为蛋白质组分酶催化剂为蛋白质组分酶因而质量和能量守恒定律间关系复杂因而质量和能量守恒定律间关系复杂生物反应器设计基础生物反应器设计基础第17页第18页三者关系:三者关系:化学计量学是反应器设计关键之一化学计量学是反应器设计关键之一,为介质合理设计提供基本数据为介质合理设计提供基本数据 质量衡算和化学计量关系可判断过程运质量衡算和化学计量关系可判断过程运行好坏行好坏,并取得间接测量数据,并取得间接测量数据最终结合热力学关系,可最终结合热力学关系,可推断出给定系统推断出给定系统得率得率生物反应器
6、设计基础生物反应器设计基础第19页营养物(C源、N源、O2、无机盐类等)细胞+代谢产物(产物、C O2、H2O等)CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq(生物量)+YpCH rOsNt(产物)+c H2O+dC O2对化学方程式进行元素衡算,得以下方程组:生物反应质量衡算 细胞反应元素衡算:第20页CHmOl+aNH3+bO2 YbCH pO nNq(生物量)+YpCH rOsNt(产物)+c H2O+dC O2依据细胞、基质和产物还原度能够列出有效电子平衡方程:还原度 :某化合物中每一克碳原子有效电子当量数。化合物中任何元素还原度等于该化合物化合价。比如:NH3中氮、氢还原度为
7、:N=3,H=1第21页细胞反应过程得率系数 对基质细胞得率Yx/s 对氧细胞得率Yx/o 对基质产物得率Yp/s 对碳细胞得率YC第22页基质细胞得率基质细胞得率Yx/s与比生长速率关系与比生长速率关系比生长速率:生长速度大小参数。维持定义:式中YXS细胞对基质得率;最大得率;ms 维持系数;比生长速率。无产物时,基质线性方程:式中合成单位细胞基质消耗速率;单位细胞产物生产率。有产物时,基质线性方程:第23页 若知道若知道得率得率,可得,可得所需氨量和氧量,及所所需氨量和氧量,及所产生产生CO2和水和水 一样一样进气,排气和氮消耗量进气,排气和氮消耗量测量有利于确测量有利于确定定得率得率其它
8、:其它:依据基质和产物还原度列出依据基质和产物还原度列出电子平衡方程电子平衡方程 依据依据ATP形成与产率相关形成与产率相关(生物量直接与生生物量直接与生成能量基质产生成能量基质产生ATP相关相关)由此确立一系列关由此确立一系列关系系第24页 细胞内细胞内营养基质消耗营养基质消耗一部分用于一部分用于生长生长,一部分用于一部分用于产物形成产物形成,一部分用于,一部分用于维持生维持生命活动命活动维持能维持能详细表现是:详细表现是:变形蛋白变换,保持最正确胞内变形蛋白变换,保持最正确胞内pH,抗衡经过细胞膜主动运输,无用循环及,抗衡经过细胞膜主动运输,无用循环及运动所需能量运动所需能量第25页第二节
9、生物反应器生物学基础第二节生物反应器生物学基础序言:生物反应器设计和优化生物反应器设计和优化,必须首先确定生物生物量量,基质及产物浓度改变速率基质及产物浓度改变速率,细胞生长,细胞细胞生长,细胞数分布,产物合成,基质消耗等数据对运行预报,数分布,产物合成,基质消耗等数据对运行预报,控制及系统优化控制及系统优化了解环境参数(了解环境参数(pH,温度,化学成份等)温度,化学成份等)怎样影响系统动力学第26页一。细胞数动力学一。细胞数动力学 细胞生长动力学模型细胞生长动力学模型 微生物细胞在生长过程中需经历以下微生物细胞在生长过程中需经历以下生长阶段:(没有产物抑制和传递抑制)生长阶段:(没有产物抑
10、制和传递抑制)停滞期停滞期 对数生长久对数生长久 减速期减速期 平衡期平衡期 衰退期衰退期第27页细胞数动力学细胞生长分为几个阶段:停滞期、对数生长久、减速期、平衡期和死亡期。图2.1 经典细菌生长曲线第28页在指数生长久,细胞量生长速度为:细胞数增加速度为:对式2.7在t0t,X0 X积分,得:由式2.9,得倍增时间td:微生物细胞max值较大,倍增时间约0.55h,而动物细胞max值小得多,动物细胞倍增时间约15100h,植物细胞倍增时间约2474h。第29页 Monod方程(无抑制细胞生长动力学):无抑制细胞生长动力学Monod方程是经典均衡生长模型,其基本假设为:(1)细胞生长为均衡式
11、生长;(2)培养基中只有一个基质是生长限制性基质,而其它组分为过量,不影响细胞生长;(3)细胞生长视为简单单一反应,细胞得率为一常数。Monod方程仅适合用于细胞生长较慢和细胞密度较低环境下。式中为比生长速率;max为最大比生长速率;CS为限制性基质浓度;K S为饱和常数,当 max/2时限制性基质浓度。第30页有抑制细胞生长动力学 基质抑制动力学对反竞争性抑制,其抑制机理可假设为:式中细胞比生长速率为:,而第31页对竞争性抑制,细胞比生长速率为:对非竞争性抑制,细胞比生长速率为:第32页类型米氏公式细胞生长动力学无抑制竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制表2.1 有没有抑制酶促反应动力学和细胞
12、生长动力学比较第33页 产物抑制动力学几个经验公式:第34页三。产物形成动力学方程三。产物形成动力学方程产物形成方式:产物形成方式:1)是能量代谢结果)是能量代谢结果,如酵母酒精发酵,如酵母酒精发酵 2)能量代谢间接结果)能量代谢间接结果:柠檬酸合成:柠檬酸合成 3)二次代谢物)二次代谢物:青霉素生产:青霉素生产 4)产物是胞内或胞外蛋白)产物是胞内或胞外蛋白,这属于蛋白合成,这属于蛋白合成领域,可受到诱导和分解代谢抑制调整,如酶合领域,可受到诱导和分解代谢抑制调整,如酶合成成第35页产物形成动力学 Gaden依据产物生成速度与细胞生长速度之间关系,将代谢产物生成动力学分为三种类型:类型(相关
13、模型):是指产物生成与细胞生长相关过程,产物是细胞能量代谢结果。属于这类型有乙醇、葡萄糖酸、乳酸生产等。产物形成动力学:图2.2 Gaden类型第36页图2.2 Gaden模型分类类型(部分相关模型):该类反应产物生成与基质消耗仅有间接结果,产物是能量代谢间接结果。属于这类型有柠檬酸和氨基酸生成。类型(非相关模型):产物生成与细胞生长无直接联络,产物是二次代谢物。属于这类型有抗生素、微生物毒素等代谢产物生成。第37页存在产物抑制作用存在产物抑制作用,生长速率公式可表示,生长速率公式可表示为:Rx-反应速率K常数积分:第38页 对于丝状微生物如霉菌等,在悬浮培对于丝状微生物如霉菌等,在悬浮培养时
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