生物工程设备第一章绪论.ppt

,生物工程设备第一章 绪 论,绪 论一、有关生物工程及发酵的概念二、发酵工程在生物技术中的地位三、生物反应过程的特点四、生物工艺过程的共性五、微生物工程产品类型六、本课程内容概述,一、有关发酵工程的概念1.生物技术（又称生物工艺学biotechnolog，有时又称生物工程）“应用自然科学及工程学的原理，依靠生物作用剂（biological agents)的作用，将物料进行加工以提供产品或为社会服务”的技术(国际经济合作及发展组织1982年）生物作用剂也称为生物催化剂,用载体，不溶于水、不易散失。多次使用,生物技术与其他学科的关系,2.生物技术的四大支柱,3.发酵工程,又称为“微生物工程”，是指利用微生物的特定性状，通过现代工程技术，在生物反应器中生产有用物质的一种技术。现代微生物工程利用的发酵对象除包括传统的天然微生物外，还包括动物和植物细胞、重组细胞、基因工程菌等。,微生物发酵,目前人们把借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身，或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程统称为发酵。从耗氧情况分为：A 厌氧培养的生产过程，如酒精、乳酸、甘油、丙酸、丁酸等。B 通气（有氧）培养的生产过程，如抗生素、氨基酸、核苷酸、酶制剂等。,二、发酵工程在生物技术中的地位与基因工程,其主要原理应用人工方法把生物遗传物质，通常是脱氧核糖核酸（DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；或使新的遗传信息在新宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物（多肽或蛋白质）。这种创造新生物并给予新生物以特殊功能的过程就称为基因工程，也称DNA重组技术。（基因水平上的遗传工程）,在发酵工程应用 基因工程育种,将外源基因导入到微生物细胞，使后者获得前者的某些优良性状或者利用后者作为表达场所来生产目的产物。由于微生物多为单细胞，结构简单，是基因工程理想的表达载体。因此很多来自于不同界别的物种（人体、动物、植物等）的基因都被成功地克隆到微生物细胞中并获得表达。因此而发展的各种获得异源基因并表达异源基因产物的微生物细胞（工程菌）都是新物种，都是微生物基因工程育种的产物。,应用自1973年以来，世界上已用基因工程方法创造的各种工程菌多得难以计数，仅用工程菌表达并已获批准的新药物就有40多种。如：胰岛素、干扰素和乙肝疫苗等。具有很高的药用价值。这些药的生产一直是通过从人血或胚胎中提取，或从动物组织中提取类似物。利用基因工程方法从人或动物中分离出有关基因，通过体外重组再转入到微生物细胞中，使微生物细胞获得表达这些外源基因的能力，成为新的工程菌。通过工程菌的发酵来生产这些药物，实现大规模生产。此为基因工程领域取得的最显著的成果。,细胞工程与发酵工程,细胞工程（cell engineering）是应用细胞生物学和分子生物学方法，借助工程学的试验方法或技术，在细胞水平上研究改造生物遗传特性和生物学特性，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术方法的学科。根据研究对象不同，细胞工程可分为动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程,酶工程与发酵工程,是利用酶、细胞器所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。酶工程与发酵：通过微生物发酵得到淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。例如：枯草杆菌发酵生产-淀粉酶之前，酶是从动物、植物、微生物细胞和组织中提取。,发酵工程在生物工程中的地位,基因工程,酶工程,细胞工程,发酵工程,产物,产品,产品,发酵工程在生物工程中的地位,一般认为生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程其中基因工程最引人入胜，它能够依据人们的意愿创造新品种。细胞工程中的原生质体融合技术也能有效的改良生物的性状。然而成果或效益必须从成品来体现，基因重组和细胞融合获得的微生物新品种，必须进行微生物发酵和产物的分离纯化过程，使之获得产品和经济效益才能体现出生物工程的优越性。可见基因工程和细胞工程部分成果离开发酵过程就无法最终体现出它的新的生命力。至于酶工程，目前多数具有工业化意义的酶基本上都是微生物发酵获得的。离开发酵过程，酶工程将成为无本之木，因此，酶工程与发酵工程有着十分密切的依赖关系。所以，发酵工程是生物技术产业化的基础和归宿，是生物工程四大支柱的核心，无论传统发酵产品，如抗生素、氨基酸等，还是现代基因工程产品，如疫苗、人体蛋白质等，都需要通过发酵技术进行生产。,生物技术 发酵工程,三、生物反应过程的特点1.生物反应过程其实质就是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程,组成部分：（1）原料的预处理及培养基的制备（2）生物催化剂的制备（3）生物反应器及反应条件的选择（4）产品的分离与纯化辅助部分：生物催化剂：如果是酶，通常叫酶反应过程如果是生物细胞，则叫做发酵过程,菌种筛选,摇瓶试验,发酵罐试验,实验室过程,发 酵 工 程 利用微生物进行产品生产,抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等,医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业,基因工程药物、疫苗及抗体产品,化学工程 生物化工 生物加工行业,传统生物技术,现代生物技术基因工程菌发酵,生物反应过程的特点：通常在常温常压下进行，一种设备有多种用途；通常以糖蜜、淀粉为主要原料，无毒，不必精制；反应以生命体的自动调节方式进行，因此数十个反应过程就象单一反应一样，在发酵罐内进行；容易得到复杂的高分子化合物；由于生命体特有的反应机制，能够高度选择性的进行复杂化合物在特定部位的氧化、还原及官能团的导入等反应；制造发酵产物的菌体本身就是发酵产品，富含维生素、氨基酸、酶等；发酵工业操作上必须防止杂菌污染；通过微生物的品种改良，能够利用原有的设备及生产条件提高产品质量及产量。,四、生物工艺过程的共性（1）如何选择作为培养基成分的碳源、氮源、微量元素及生长因子等。（2）如何确定发酵级数，各级的培养条件、过程控制的参数。（3）如何防止生产过程的杂菌污染，保证生产过程的正常进行。（4）如何选择合适的产品提取、分离、纯化工艺。,五、微生物工业产品类型(发酵工程的应用)1、以微生物细胞为产物的发酵工业2、以微生物酶为产品的发酵工业3、以微生物代谢产物为产品的发酵工业4、生物转化或修饰化合物的发酵工业5、微生物特殊机能的利用,1、生产微生物细胞物质,定义：是以获得具有多种用途的微生物菌体细胞为目的的产品的发酵工业。包括单细胞的酵母和藻类、担子菌，生物防治的苏云金杆菌以及人、畜防治疾病用的疫苗等。特点：细胞的生长与产物积累成平行关系，生长速率最大时期也是产物合成速率最高阶段，生长稳定期产量最高。发酵食品：菌体蛋白（SCP）、乳酸菌、香菇类等生物药品（农药）：苏云金杆菌（目前世界上用途 最广、产量最大的微生物杀虫剂）,2、微生物酶发酵,酶的特点：易于工业化生产，便于改善工艺提高产量。分类：胞内酶 和胞外酶生物合成特点：需要诱导作用，或受阻遏、抑制等调控作用的影响，在菌种选育、培养基配制以及发酵条件等方面需给予注意。产品：淀粉酶、果胶酶、纤维素酶、糖化酶、蛋白酶、脂酶、胆固醇氧化酶等,3、微生物代谢产物发酵,包括初级代谢产物和次级代谢产物。对数生长期形成的产物是细胞自身生长所必需的，称为初级代谢产物或中间代谢产物。各种次级代谢产物都是在微生物生长缓慢或停止生长时期即稳定期所产生的。初级代谢产物：蛋白质、核酸、多糖、脂质等生命必 需物质。次级代谢产物：抗生素、生物碱、毒素、色素、生长因子 等。,4、微生物的生物转化,定义：是利用生物细胞对一些化合物某一特定部位（基团）的作用，使它转变成结构相类似但具有更大经济价值的化合物。最终产物是由微生物细胞的酶或酶系对底物某一特定部位进行化学反应而形成的。如：甾体转化（羟基化反应）氢化可的松生产的生物转化工艺 兰色梨头霉（新月弯孢霉）的11-羟化能力将21-醋酸化合物S转化成氢化可的松。,5、微生物特殊机能的利用,利用微生物消除环境污染（有毒废弃物降解）微生物对污染物的降解和转化作用，以达到控制和消除环境污染的目的（假单孢菌属降解腈纶废水中的丙烯腈）。对水、气、固废物污染控制的微生物工程微生物湿法冶金（氧化亚铁硫杆菌自氧细菌)利用氧化亚铁硫杆菌自氧细菌，把亚铁氧化为高铁、把硫和低价硫化物氧化为硫酸的能力。将含硫金属矿石中的金属离子形成硫酸盐而放出来。用此法浸出的金属有：铜、钴、锌、铅、铀、金等,发酵工业的范围,发酵工业涉及的范围十分广泛，而且越来越大，大致可分为下面14类：(1)酿酒工业(啤酒、葡萄酒、白酒等)(2)食品工业(酱油、食醋、酸乳、面包等)(3)有机溶剂发酵工业(酒精、丙酮、丁醇等)(4)抗生素发酵工业(青霉素、链霉素、土霉素等)(5)有机酸发酵工业(柠檬酸、乳酸、醋酸、葡萄糖酸)(6)酶制剂发酵工业(淀粉酶、蛋白酶等)(7)氨基酸发酵工业(谷氨酸、赖氨酸等)(8)核苷酸类物质发酵工业(肌苷酸、肌苷等),(9)微生物发酵工业(维生素B2,Vc,VB12等)(10)生理活性物质发酵(激素等)(11)微生物菌体蛋白发酵(酵母、单细胞蛋白)(12)微生物环境净化工业(污水、废水处理)(13)生物能工业(沼气、发酵酒精、乙烯等能源物质)(14)微生物冶金工业(微生物探矿、冶金、石油脱硫等),本课程主要内容,培养基配置灭菌设备,发酵设备,分离提纯设备,空气净化,原料预处理及固体物料输送设备,空气净化设备,生物反应器放大,离心与过滤,蒸发与结晶,干燥,蒸馏,好氧反应器,嫌气发酵罐,动植物细胞培养反应器,固体培养反应器,（二）各工序所包含的基本设备：1、原料前处理设备：如除杂、粉碎、输送、培养基制备（灭菌、液化、糖化）；2、生物反应器：种子罐、发酵罐；3、后处理设备：过滤、浓缩、干燥、结晶、蒸馏、离交、脱色、萃取等；4、辅助生产设备：无菌空气系统、冷冻系统、水处理系统、蒸汽系统；,（三）发酵设备分类1、专业设备：只用在生物工程专业上，如：、生物反应器（发酵罐、种子罐）、液化、糖化设备、连消设备；2、通用设备：除在本专业上使用外，在其他工业上也使用，如：泵、风机、粉碎机、管件、阀门、过滤、换热设备。3、非标准设备：根据实际工艺需要定做的，无统一标准，如：储罐、计量罐等；,（四）发酵工程设备的特点及要求1、设备特点：a、在常温、常压或低压下操作 发酵温度一般在25-45之间，灭菌一般在121-135，30分钟。压力：一般在3kg/m2 b、无菌下操作，设备应考虑死角的消除，保证不被污染。如：正压操作、蒸汽密封、专用阀门等。c、设备的结构应满足工艺的要求，如：通气（搅拌）、PH调节、温度、补料。（发酵罐）d、制作材料应保证它耐受酸碱的腐蚀。如：有机酸发酵罐可采用A3钢 内衬不锈钢或橡胶、陶瓷、涂料。（紫铜）,2、基本要求 在满足工艺要求、保证产品质量和收得率的前提下，生产成本最低。a、强度和刚度 b、加工费用、运行费用（能耗、原料生产消耗、设备折旧）c、生产能力：罐越大，投资越省、运行越稳定，但不能染菌，否则损失惨重。d、设备利用率：利用率高，设备投资越省、设备生产能力越大、生产成本越低。,（五）生物工程设备发展趋势1、设备材料越用越好：地缸、木桶 水泥池 碳钢、低合金钢 优质合金钢2、发酵设备容积逐渐增大：由传统的木桶200-400L逐渐发展到现在:啤酒320m3、谷氨酸700m3、单细胞蛋白1500m3、废水处理生化反应器27000m3。喷雾干燥塔由蒸发能力50kg/h发展到5000kg/h。,3、自动化程度越来越高：由手动及人工看罐，发展到温度、搅拌、风量、风压、PH、溶氧、消泡、补料全部可以进行自控，应用微机管理。4、设备趋于标准化：由自行设计、加工发展到厂家可提供标准图纸及可订购加工。5、工艺流程更简单化：设备的整合使得单元操作合并，缩短了工艺流程；先进设备的应用，完全改变了原有复杂的工艺流程。,如：L-乳酸发酵后提取工艺流程：发酵液 中和过滤 浓缩 结晶 过滤 酸解 过滤 离交 浓缩 脱色 高真空蒸馏 L-乳酸 改进后提取工艺流程：发酵液 粗过滤 微滤 超滤 纳滤 分子蒸馏 L-乳酸,6、由分批生产向连续化生产过渡 连续化生产同分批生产相比较，具有优点 操作简单、生产能力大、设备利用率高、（灭菌）生产质量稳定、易实现自动化 目前，液化、糖化、连消、发酵、浓缩、干燥、结晶等单元操作都可进行连续操作。,（六）本课程中发酵设备部分的主要教学目的、内容、及要求：目的：了解整个生物反应过程中各单元构成；掌握各单元设备的组成，主要设备的结构和工作原理；学习部分主要设备的有关计算；掌握生物反应工程中部分带有共性的工程技术 原理。,主要内容：1、原料预处理及输送设备；2、液体培养基制备及灭菌设备、灭菌原理；3、空气除菌设备、过滤除菌原理；4、嫌气发酵设备；5、好氧发酵设备；6、通气发酵罐的比拟放大；7、离心与过滤设备8、蒸发与结晶；9、干燥设备10、动植物细胞培养,参考书:1.生物加工过程与设备，郑裕国等，化学工业出版社，2004 2.生物反应工程原理，贾士儒编著，科学出版社，2003.3.生化反应动力学与反应器（第二版），戚以政等编，化学工业出版社，1999.4.微生物工程 曹军卫,马辉文编著，科学出版社，2002 5.发酵设备高孔荣 轻工业出版社.1999。,