生物工程设备省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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: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：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，在悬浮培养时常形成微生物小球，小球内部生长养时常形成微生物小球，小球内部生长细胞受到细胞受到扩散抑制扩散抑制 它生长模型常包含大颗粒（类似包埋它生长模型常包含大颗粒（类似包埋或凝胶固定化细胞）中颗粒同时扩散和或凝胶固定化细胞）中颗粒同时扩散和营养消耗营养消耗 其次其次,丝状细胞还可在潮湿固体表面丝状细胞还可在潮湿固体表面生长，因而生长过程复杂，包含生长动生长，因而生长过程复杂，包含生长动力学，营养扩散和有毒代谢副产物力学，营养扩散和有毒代谢副产物第39页二。生长动力学方程二。生长动力学方程1。Monod方程 第40页 生物生长过程基质传递速率生物生长过程基质传递速率：对于对于球形细胞球形细胞，细胞，细胞面积面积/体积比为体积比为（6/dc），单位反应体积细胞面积），单位反应体积细胞面积（Ac/V）为：）为：第41页 形成形成球形细胞球形细胞不一样，可将不一样，可将基质传递速基质传递速率方程改为：率方程改为：依据依据生物量对基质得率生物量对基质得率定义，受定义，受质量传质量传递控制过程速率递控制过程速率为：为：第42页 高基质浓度时，高基质浓度时，uhm对反应速率影响能够对反应速率影响能够忽略忽略,u=umax，但低浓度时，但低浓度时，uhm可成为速率可成为速率控制原因控制原因普通情况下存在以下公式：普通情况下存在以下公式：第43页 假设细胞壁上基质浓度假设细胞壁上基质浓度SSc，则上式，则上式可变为相当于可变为相当于monod公式：公式：在基质限制范围内在基质限制范围内,uhmumax，此时，此时基质浓度为：基质浓度为：第44页2。其它生长动力学方程。其它生长动力学方程 Monod方程式只描述生长慢，细胞浓度低时方程式只描述生长慢，细胞浓度低时基质限制生长生长速率。基质限制生长生长速率。高细胞浓度，有毒代谢产物时方程式需做改变高细胞浓度，有毒代谢产物时方程式需做改变 Blackman：简单将：简单将Ks加倍加倍，取消，取消monod方方程中给出指数生长和减数生长间平滑转变：程中给出指数生长和减数生长间平滑转变：第45页Blackman方程：Tessier方程Moser方程：Contois方程：它适合于比生长速率随细胞质量增加而降低它适合于比生长速率随细胞质量增加而降低时高密度培养方程时高密度培养方程第46页3。多基质时生长动力学方程多基质时生长动力学方程 此时也是其中一个被作为主要能源或此时也是其中一个被作为主要能源或碳源，只有当这种基质被耗尽时，另一碳源，只有当这种基质被耗尽时，另一个基质消耗所需要酶系统才能发展起来个基质消耗所需要酶系统才能发展起来第47页 采取采取葡萄糖和半乳糖为碳源葡萄糖和半乳糖为碳源建立分批培建立分批培养细胞生长模型时，有：养细胞生长模型时，有：第48页 当营养不作任何改变时，原本存在基质当营养不作任何改变时，原本存在基质中中不一样一个不一样一个变成限制原因（如变成限制原因（如C，N，O2），），umax不会发生改变，此时不会发生改变，此时i-能够限制生长营养物（能够限制生长营养物（G代表碳源，代表碳源，N-代表氮源，代表氮源，O-代表氧）代表氧）第49页四，高浓度基质及产物抑制动力四，高浓度基质及产物抑制动力学学高浓度基质可高浓度基质可抑制抑制生长和产物合成生长和产物合成描述此现象两个非竞争性抑制方程：描述此现象两个非竞争性抑制方程：对于竞争性抑制方程与酶动力学方程相对于竞争性抑制方程与酶动力学方程相类似类似第50页 高浓度产物对生长抑制方程为高浓度产物对生长抑制方程为：P-产物浓度产物浓度Kp产物抑制平衡常数产物抑制平衡常数第51页 若产物合成采取依赖于基质浓度混合生若产物合成采取依赖于基质浓度混合生长偶联模型表示，有长偶联模型表示，有：产物抑制可用好几个方法包含：产物抑制可用好几个方法包含：第52页 上式上式n1通常大于通常大于1而而0n2Pmax时，上式和下式已成功用于模时，上式和下式已成功用于模拟柠檬酸合成：拟柠檬酸合成：第53页五。环境原因对生长和代谢影响五。环境原因对生长和代谢影响 生物反应器中大部分微生物是中温菌生物反应器中大部分微生物是中温菌（20TT）或嗜热菌（或嗜热菌（T50 ）温度向最适温度方向增加时，每增高温度向最适温度方向增加时，每增高10 ，生长速率大约增加一倍，超出最适温度，生长速生长速率大约增加一倍，超出最适温度，生长速率下降，最终出现热死率下降，最终出现热死第54页环境原因对生长及代谢影响 温度 pH值 在适宜温度范围内，细胞净增加率方程为：依据Arrhenius方程，有：所以：图2.3 E.coli生长速率Arrhenius图第55页 pH也会影响微生物生长，也会影响微生物生长，通常发酵都通常发酵都是在最适是在最适pH范围内或附近，范围内或附近，大多数微生物大多数微生物可接收可接收pH范围在最正确值左右范围在最正确值左右1-2单位，总单位，总pH改变范围可达改变范围可达3-4个单位个单位 生长最适生长最适pH与产物形成最适与产物形成最适pH是不一是不一样样，哺乳动物对，哺乳动物对pH改变非常敏感改变非常敏感第56页发酵过程中发酵过程中pH值常随基质特征而改变，尤值常随基质特征而改变，尤其是氮源，伴随发酵氨被细胞利用，其是氮源，伴随发酵氨被细胞利用，pH将将下降下降第57页第三节生物反应器质量传递第三节生物反应器质量传递 质量传递在选择质量传递在选择反应器形式反应器形式（搅拌式，搅拌式，鼓泡式，气升式等鼓泡式，气升式等），），生物催化剂生物催化剂状态状态（悬浮或固定化细胞悬浮或固定化细胞）和）和操作参数操作参数（通气通气率，搅拌速度，温度率，搅拌速度，温度）中起决定性作用）中起决定性作用 第58页 反应器中反应器中微生物活动与质量传递及微生微生物活动与质量传递及微生物热量扩散相联络物热量扩散相联络 基质和代谢物扩散基质和代谢物扩散必须要满足以反应器必须要满足以反应器为整体为整体化学计量和质量衡算化学计量和质量衡算 物质物质从实际化学反应点从实际化学反应点传递传递或传递到实或传递到实际化学反应点速率，际化学反应点速率，可影响可影响甚至掩饰甚至掩饰化学化学转化真实速率转化真实速率第59页 好氧微生物物质传递好氧微生物物质传递包含两个方面：包含两个方面：气气-液相液相之间传递之间传递 液相和微生物液相和微生物之间传递之间传递 凝聚细胞凝聚细胞还包含热和质量从液体还包含热和质量从液体传到凝聚物，再传到凝聚物内部传到凝聚物，再传到凝聚物内部 对对固定化细胞固定化细胞还有一个抵达细胞还有一个抵达细胞表面过程表面过程第60页生物反应器质量传递膜厚：GL1传质系数：kGkL1kL2L2COZ图2.4 氧从气泡传递到细胞示意图图2.5 氧从气泡传递到细胞示意图 生物反应体系中氧传质模型双膜理论：（1）气泡中氧经过气相边界层传递气-液界面上（2）氧分子由气相侧经过扩散穿过界面。（3）在界面液相侧经过液相滞流层传递到液相主体。（4）在液相主体中进行传递。（5）扩散经过生物细胞表面到液相滞流层传递进入生物细胞内。第61页 氧传递方程式 体积质量传递系数kLa：质量传递比速率，在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收气体。该系数由两项产生：(1)质量传递系数kL，它取决于流体物理特征和靠近流体表面流体动力学；(2)通气反应器单位有效体积气泡面积a。质量传递系数kL：质量传递系数是基质（或其它被传递化合物）质量通量Ns与推进这一现象梯度（浓度差）之间百分比因子：氧传递速率：用kLa大小衡量发酵设备通气效率，试验室用摇瓶，其kLa值约为10100h-1；带搅拌发酵罐，其kLa值为200 1000h-1。第62页五。液体五。液体-微生物之间质量传递微生物之间质量传递 细胞所需基质扩散经过围绕它边界层，细胞所需基质扩散经过围绕它边界层，然后进入细胞进行反应然后进入细胞进行反应 要搞清要搞清关键步骤关键步骤是在是在细胞内细胞内还是在还是在细细胞周围胞周围 这么能预测流体物理特征可能对过程这么能预测流体物理特征可能对过程速率影响速率影响第63页六。微生物活性对吸收率增强作用 在表面通气搅拌罐中在表面通气搅拌罐中，当质量传递系，当质量传递系数数kl较小时较小时，氧吸收速率将被微生物活氧吸收速率将被微生物活性所增强，微生物分布性所增强，微生物分布也是一个影响原也是一个影响原因，尤其是当表面浓度远大于主体内浓因，尤其是当表面浓度远大于主体内浓度时度时 第64页 在在传统通气罐传统通气罐，搅拌罐搅拌罐和和鼓泡塔鼓泡塔中，质中，质量传递系数相对较高，微生物所消耗氧对量传递系数相对较高，微生物所消耗氧对氧传递速率氧传递速率不会加强不会加强 尤其是尤其是在非常黏发酵条件在非常黏发酵条件下下须考虑微生须考虑微生物活性对吸收率物活性对吸收率影响影响第65页七。粒子间质量传递七。粒子间质量传递 当微生物凝结成絮状，小丸状或固定于当微生物凝结成絮状，小丸状或固定于一固体支撑物上时，需考虑粒子间质量传一固体支撑物上时，需考虑粒子间质量传递关系递关系 1。扩散限制将对生物催化造成影响扩散限制将对生物催化造成影响 2。扩散限制。扩散限制可成为可成为过程设计者过程设计者人工控人工控制伎俩制伎俩第66页生物反应器热量传递 生物反应器传热过程热量平衡方程：碳源+O2CO2+H2OCO2+H2O+细胞HS完全氧化路径呼吸路径细胞氧化路径HC基质消耗过程热平衡：式中 QE单位体积培养基中除去热量速率，J/(m3。s）；QB单位体积培养基因生化反应放热速率，J/(m3。s）；QA单位体积培养基因搅拌造成放热速率，J/(m3。s）；QS，QV 分别为单位体积培养基因通气带走显热和蒸发烧 速率，J/(m3。s）；QR单位体积培养基向周围环境散失热速率，J/(m3。s）；QA单位体积培养基因搅拌造成放热速率，J/(m3。s）；第67页二。反应器中热量传递二。反应器中热量传递 含有微生物和细胞过程反应速率相对低，含有微生物和细胞过程反应速率相对低，所以所以普通普通在反应器中因在反应器中因热影响热影响造成局部温造成局部温度改变问题度改变问题并不普遍并不普遍 即使高分子产物释放到培养基造成很高即使高分子产物释放到培养基造成很高黏度，因为黏度，因为高粘度培养基妨碍质量传递也高粘度培养基妨碍质量传递也不需将热传递作为控制步骤不需将热传递作为控制步骤第68页第五节生物反应器剪切力问题第五节生物反应器剪切力问题 剪切力作用剪切力作用 1。增加质量与热量传递速率增加质量与热量传递速率 2，对微生物，动植物细胞对微生物，动植物细胞培养培养造成影造成影响响第69页