第一章生物反应器ppt课件.ppt

学习方式 老师课堂讲授同学们分组 分专题讨论 期末考试 小组讨论 作业 考勤 生物工程下游技术 我国发展生物技术产业 迫切需要两方面人才 从事实验室研发的 上游学术人才 能帮助提升中国的生物科技水平 熟悉科技成果产业化操作的 下游工程 人才 能及时将科技成果产业化 重要原因之一 企业管理 市场营销以及 金融投资方面的人才大多不懂生物技术 同时专业的生物技术人才又不懂市场开发 上游开发 仅比国际水平落后3 5年 而 下游工程 却至少相差15年以上 中国生物技术与发达国家的差距之一 研究与市场脱节 第一讲 生物反应器 课时 2节课 主要内容 生物工程下游技术课程的简介 理解 生物反应器的一些概念 掌握 生物反应器的基本类型 掌握 细胞生长及代谢过程动力学 了解 生物反应器的设计 难点 生物工程专业知识体系 上 游 l基因工程 从基因之分子层次 开发生物系統 l菌种分离 鉴定保存与育种技术 l蛋白质工程 蛋白质分析 結构 功能 合成等 以及从分子层次改变酶及蛋白质之特性 中 游 n細胞培养与細胞工程 动植物細胞及微生物培养技术 n发酵工程 发酵最适化 发酵控制 n微生物工程 菌种 培养基 发酵工艺 杂菌 下 游 酶工程 酶催化性质 酶固定化和修饰 新酶开发等 生物反应器 设計 自动化 免疫应用技术 抗原 抗体 生物分离技术 产品回收 纯化 制备 放大 试产生产 生化检测分析技术 生物工程下游技术概念 狭义 专指生物物质产品的分离纯化 技术 主要包括细胞破碎 固液分离 膜分离 层析技术 电泳技术等 广义 生物反应器 生物物质分离 产品分析检测及质量监控 目前尚无明确概念 何谓生物反应过程 广义上一切动植物 微生物的生长繁殖 都可以看作是生物反应过程 狭义上指那些能够应用于生物工业中的过程 生 物 反 应 过 程 原料的预处理及培养基的制备 生物催化剂的制备 生物反应器及反应条件的选择 产品的分离与纯化 上游加 工过程 中游加 工过程 下游加 工过程 细胞或酶等生物催化 剂 游离或固定化 生 物 反 应 器 空气 CO2等 冷却水 原材料培养基 灭菌 底物 产物废物 除菌 检测和控制 产物预处理 产品提取或液化 副产物 一 般 生 化 反 应 过 程 过程分类 酶促反 应过程 微生物反 应过程 动植物细胞 反应过程 废水生物 处理过程 反应水平 分子水 平 细胞水平细胞水平群体水平 反应复杂 性 简单较复杂复杂很复杂 底物 产 物数量 较少较多较多很多 反应速度较快较快较慢很慢 生物反应过程的分类 生物反应过程的特点 生物反应过程的特点 常温常温下进行 操作条件温和 下进行 操作条件温和 勿需防爆 原勿需防爆 原 料以碳水化合物为主 料以碳水化合物为主 不含有毒物质不含有毒物质 以以生命体的自动调节方式生命体的自动调节方式进行 多个反应进行 多个反应 像一个反应一样 可在单一设备中进行 像一个反应一样 可在单一设备中进行 容易进行容易进行复杂的高分子化合物生产复杂的高分子化合物生产 如酶 如酶 光学活性体等 光学活性体等 能高度选择性地进行能高度选择性地进行复杂化合物在特定部复杂化合物在特定部 位的反应位的反应 如氧化 还原 官能团的导入等 如氧化 还原 官能团的导入等 生产生产产品的生物体本身也是产物产品的生物体本身也是产物 富 富 含维生素 蛋白质 酶等 含维生素 蛋白质 酶等 生产过程中需要注意生产过程中需要注意防止杂菌污染防止杂菌污染 尤 尤 其是噬菌体的侵入 以免造成很大的危害 其是噬菌体的侵入 以免造成很大的危害 通过改良生物体生产性能 可在不增加设通过改良生物体生产性能 可在不增加设 备投资的条件下 备投资的条件下 利用原有的生产设备利用原有的生产设备 使生产能力飞跃上升使生产能力飞跃上升 第一节 基本概念 一 生物反应器 利用酶或生物体 如微生物 动植物细胞 所具有的特殊功能 在体外进行生 物化学反应的装置系统 如实验室或工业生产中用于 细胞培养的装置 方瓶 锥形瓶 发酵装置 琼脂斜面 作用 为细胞代谢提供一个 优化的物理化学环境 使细胞 更快更好地生长 得到更多的 需要的生物量或代谢产物 生物反应器与化学反应器的区别 化学反应器 u从原料进入到产 物生成 需要加压 和加热 u高能耗过程 生物反应器 u有酶和微生物的参 与 常温和常压下进 行化学合成 u生物 酶除外 反 应都以 自催化 方 式进行 超大发酵罐 高100米 直径7 米 容积为4000立方米 犹如 一座壮观的圆形塔 生物反应器首先在发酵工业 中得到应用 发酵罐 另一种是以固定化酶或固定化 细胞为催化剂的酶反应器 生物反应器的应用 Food additivesFood additives AntibodiesAntibodies Protein DrugsProtein Drugs Health foodHealth food Natural spiceNatural spice Animal feed Animal feed additivesadditives Industrial enzymeIndustrial enzyme Cosmetics materialCosmetics material 衔接实验室技术与工厂实际生长的桥梁 使用高效率生物反应器的目的 l提高产品的生成速率 l减少辅助设备 l降低生产成本 l获得最大的经济效益 17 二 研究生物反应器的目的 内容 确定为达到一定的生产目的需要多大的生 物反应器 什么样的结构更好 设计 对已有的生物反应器进行分析 达到优化 的目的 优化 分析各种生物反应器的数据 从而对细胞 的生长 代谢等过程有更深入的理解 第二节 生物反应器的基本类型 一 根据培养对象的不同 微生物培养反应器 动植物细胞培养反应器 二 按操作方式 批式培养 连续培养 半连续培养 一 微生物培养反应器 壳体 控温部分 搅拌部分 通气部分 进料口 量测系统 附属系统 基本通气方式 浸没式鼓泡器 表面通气装置 膜反应器 二种常见的微生物发酵装置 常规发酵罐 机械搅拌式 气 体提升式发酵罐 形式最简单的反应器 没有 机械搅拌和通气系统的反应 罐 机械搅拌装置 1 机械搅拌式发酵罐 具有机械搅拌及压缩空气 分布装置的发酵罐 目前最大 的通用式发酵罐容积约为480m3 罐的混合 机械搅拌 促使培养基混合均匀 有利于 增加气液接触面积 提高溶氧 速率 对于双液相反应体系可提高 液 液接触面积 另外还可促进传热 与固形物料的悬浮 P11图1 8 常规 机械 发酵罐是促使微生物生长的一种反应 设备 广泛应用于制药 化工 食品等行业 日本味之素发 酵罐 500M3 周口味精厂发 酵罐 200M3 益力味精厂发 酵罐 630M3 台湾味丹发酵 罐 660M3 李锦记 新会 食品有限公司包装生产线 李锦记 新会 食品有限公司酱油发酵罐 2 气升式反应器 l特点 无机械搅拌 减少了剪 切作用对细胞伤害 易于清洗 维修 不易染菌 能耗低 溶氧 效率高 气体从罐下部通入 借 气体的升力带动流体在整个反应 器内循环流动造成良好的混合 见P11图1 9 l 目前已广泛应用于生物工程领域 的好氧发酵方面 由此生产的产 品有单细胞蛋白 酒精 抗生素 生物表面活性剂等 以 甲 醇 为 原 料 生 产 单 细 胞 蛋 白 高密度培养时混合不够均匀 河南莲花味精集团公司使用的气升式发酵罐 实验用气升式玻璃发酵罐 实物 气升式反应器 种子罐 实物 某抗菌素制药车间的一级种子罐和二级种子罐 右边为300L一级种子罐 左边为3000L二级种子罐 10L台式发酵罐 从人孔向发酵罐内鸟瞰图 二 动植物细胞培养反应器 与微生物培养基本一样 动植物细胞比较娇嫩 有贴壁生长需要 对培 养要求高 因而在选用及设计时要特别考虑 避免或减低机械搅拌产生的剪切力 气泡表面张力可对细胞造成伤害 通气时要防 止气泡与细胞接触 进行pH调节或补料时要严格防止化学环境急 剧变化对细胞的伤害 载体选择尤其重要 机械搅拌式生物反应器 连续搅拌釜式反应器 干扰素生产用动物细胞培养设备 高效内循环生物反应器 HCR 新疆紫草细胞培养流程 细胞在培养周期中的变化 丹参发根生物反应器大规模培养技术 丹参 Salvia miltiorrhiza 活血化淤 通经止痛 丹参 有效成分在原植物根中含量低 生长周期长 药用植物发根大规模培养的关键 在于其生物反应器培养技术 发 根培养已在搅拌 气升 喷淋床 雾化等形式的生物反应器中进 行 南阳天冠酒精集团公司 中央两个酒精发酵罐 小型和大型生物反应器设计的不同点 项目 实验用小型反应器 生产用反应器 功率消耗 不必考虑 需认真对待 反应器内 空间因大量的控制 无此影响 检测装置占去一定空间 混合特性 可不必考虑 需认真对待 换热系统 较易解决 较难解决 中空纤维管式动物细胞微载体悬浮培养反应器 中空纤维作为通气装置 空气在管内 氧分子通过半 透性的管壁溶透到培养液中 供给动物细胞生长 培养 液中不会产生气泡 可避免 损伤动物细胞 若在中空纤 维管束中通入纯氧 则传递 能力还可以提高 培养液通 过下层螺旋桨搅拌器缓慢搅 动循环 微载体在培养液中 保持悬浮状态 工业用生物反应器 机械搅拌式反应器 气举式反应器 固定化酵素 细胞反应器 流动床生物反应器 膜反应器 搅拌式发酵槽 填充床反应器 装填有固 体催化剂或固体反应物用以实 现多相反应过程的一种反应器 固体物通常呈颗粒状 粒径 2 15mm左右 堆积成一定高度 或厚度 的床层 床层静止 不动 流体通过床层进行反应 它与流化床反应器的区别在 于固体颗粒处于静止状态 固 定床反应器主要用于实现气固 相催化反应 如氨合成塔 二 氧化硫接触氧化器 烃类蒸汽 转化炉等 底物 产物 底物 产物 流化床反应器 二 生物反应器按操作方式分 批式培养 连续培养 半连续培养 1 批式反应器 营养物与菌种一次加入进行培 养 直到结束放出 中间除了空气进入和尾气排 出 与外部没有物料交换 以机械搅拌式和气升 式为最多 如实验室摇瓶培养 优点 操作简单 缺点 细胞所处化学环境在培养过程中明显改变 营养物质在培养过程分布不合理 初期细胞浓 度低增长慢 后期虽细胞浓度升高 但营养物浓 度低而使生长不快 总的设备生产效率不高 2 连续培养反应器 不断地往反应器中加入营 养物 利用罐中的菌体增殖得到产物 并不断 采出 在良好的控制下 罐内菌体的增殖速度 可以与采出速度相同而达到稳态 分为二类 恒化器连续培养 通过控制培养基中某种营养物 质的浓度基本恒定的方式 保持细菌的比生长速率恒定 使生长 不断 进行 恒浊器连续培养 通过光电系统控制培养液中菌 体浓度恒定 使细菌生长连续进行 3 半连续反应器 介于批式和连续培养之间 分二种方式 补料批式或流加过程 在批式培养过程中不 断补入营养物 近年来常用 可解决营养物抑 制及不足问题 提高设备效率 在补料的同时间断采出一定量的发酵液体 产物 延长发酵培养时间 优缺点 连续和半连续培养有利于过程的 优化及效率提高 但易污染 要严格控制 一 生物过程动力学 定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素 包括细胞生长速率 各种基质消耗 的速率 代谢产物的生成速率 第二节 细胞生长及代谢过程动力学 反应速率 单位时间物质浓度的变化量 细胞生长速率为dx dt 代谢产物生成速率 为dp dt 基质消耗速率为ds dt 比速率 单位浓度菌体在一定条件下引起 的反应速率 表示为 dx x dt qs ds xdt qp dp xdt 得率系数 两种物质得失之间的计量比 Yx s Yp s 二 细胞浓度 单位体积培养液中所含细胞 的量 mol L 或菌体的干重 表示为kg m3 只有相对于均衡生长模型的细胞培养体系才可 用细胞浓度这一表示方式 测量方法 直接测定法 细胞干重法 显微计数法 平 板计数法 浊度法 间接测量法 测定细胞成分 如大分子物质 细胞群体的描述模型 非结构模型 最理想情况 细胞群体视为 一种溶