生物工程设备.ppt

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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生物技术的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的最佳设计和最适选型，满足现代生物技术产业化的需要；研究开发新型生物工程设备，使生产过程大型化、多样化、连续化和自动化典型的分批发酵工艺流程图成品？活体生物反应器－转基因牛机械搅拌反应器植物细胞培养器IndustrialFermentationSetting课程内容生物工程设备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

2、分离纯化设备辅助系统设备目的与要求掌握生物工程的设备流程、设备结构及工作原理，主要设备的设计计算及选型。初步具有独立分析和解决试验研究及工业生产上的工程设备问题的能力。了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。掌握生物反应器的设计基础。LaboratoryprocessdevelopmentShakeFlaskExperiments第一章生物反应器设计基础生物反应器的设计要以生物体为中心需要两方面的知识化学工程：反应器的传热，传质的性能，剪切力，凝聚成颗粒现象，通气生物工程方程：生物体的生长

3、特性和要求，生物体不同阶段对温度，溶氧,pH的要求，无菌要求生物反应器的分类按目的分：1。生产细胞2。细胞的代谢产物3。酶催化得到的产物按培养类型分类：动植物细胞,组织，酶，微生物的培养和发酵生物反应器设计基础常用生物反应器：1）厌气生物反应器2）通气生物反应器，又可分为搅拌式，气升式，自吸式3）光照生物反应器4）膜生物反应器：可分为非循环式，内循环式，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化学计量基础生物反应的质量衡算生物反应过程的得率系数生物学基础细胞数动力学无抑制的细胞生长动力学有

4、抑制的细胞生长动力学产物形成动力学环境因素对生长及代谢的影响传质气-液传质液体-微生物传质传热剪切力问题生化反应的特点：活细胞多营养成分多途径代谢催化剂为蛋白质组分的酶因而质量和能量守恒定律间的关系复杂生物反应器设计基础三者关系：化学计量学是反应器设计的关键之一，为介质的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行的好坏，并获得间接测量的数据最后结合热力学关系，可推断出给定系统的得率生物反应器设计基础营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、CO2、H2O等）CHmOl+

5、aNH3+bO2→YbCHpOnNq(生物量)+YpCHrOsNt(产物)+cH2O+dCO2对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组：生物反应的质量衡算细胞反应的元素衡算：CHmOl+aNH3+bO2→YbCHpOnNq(生物量)+YpCHrOsNt(产物)+cH2O+dCO2根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程：还原度：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢的还原度为:N=3,H=1细胞反应过程的得率系数对基质的细胞得

6、率Yx/s对氧的细胞得率Yx/o对基质的产物得率Yp/s对碳的细胞得率YC基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系比生长速率μ：生长速度大小的参数。维持的定义：式中YXS－细胞对基质的得率；－最大得率；ms－维持系数；μ－比生长速率。无产物时，基质的线性方程：式中σ－合成单位细胞的基质消耗速率；π－单位细胞的产物生产率。有产物时，基质的线性方程：若知道得率，可得所需氨量和氧量，及所产生的CO2和水同样进气，排气和氮消耗量的测量有助于确定得率其他：根据基质和产物的还原度列出电子平衡方程根据ATP的形成与产

7、率相关(生物量直接与生成能量基质产生的ATP相关)由此确立一系列关系细胞内营养基质的消耗一部分用于生长，一部分用于产物形成，一部分用于维持生命活动维持能的具体表现是：变形蛋白的变换，保持最佳的胞内pH，抗衡通过细胞膜的主动运输，无用循环及运动所需能量第二节生物反应器的生物学基础前言：生物反应器的设计和优化，必须首先确定生物量，基质及产物浓度的变化速率，细胞生长，细胞数分布，产物合成，基质消耗等数据对运行的预报，控制及系统优化了解环境参数（pH,温度，化学成分等）如何影响系统的动力学一。细胞数动力学细胞生

8、长动力学模型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）停滞期对数生长期减速期平衡期衰退期细胞数动力学细胞生长分为几个阶段：停滞期、对数生长期、减速期、平衡期和死亡期。图2.1典型的细菌生长曲线在指数生长期，细胞量生长速度为：细胞数增长速度为：对式2.7在t0→t，X0→X积分，得：由式2.9，得倍增时间td：微生物细胞μmax值较大，倍增时间约0.5～5h，而动物细胞μmax值小得多，动物细胞的倍增时间约15～10