世纪高等院校生物工程类市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

二十一世纪高等院校二十一世纪高等院校 生物生物工程类工程类 生物反应工程生物反应工程 Bioreation Engineering 李敬第1页第一章 绪论1.1 生物反应工程研究目标1.2 生物反应工程发展过程1.3 生物反应工程主要内容1.4 生物反应工程研究方法1.5 思索题第2页FERMENTATION生物催化剂生物催化剂-enzyme-microbioass-animal and plant cellDOWNSTREAM PROCESSES-product extraction,purification&assay-waste treatmentby product recovery生物技术产品生产过程原材料原材料1.1生物反应工程研究目标第3页生物反应工程定义：生物反应工程定义：以生物反应动力学为基础，硕士物反应器设计、放大和生物反应过程优化操作和控制学科。第4页2 反应工程用途、作用 反应动力学反应动力学 反应模式反应模式反应模式反应模式 速率方程速率方程速率方程速率方程 活化能活化能活化能活化能 反应器设计与分析反应器设计与分析 各原因（各原因（各原因（各原因（T,P,cT,P,c）改变规律）改变规律）改变规律）改变规律 最正确工况最正确工况最正确工况最正确工况第5页研究目：研究目：提供适宜动力学方程，以描述微生物（酶、动植物等）反应体系，确定这些方程在设计方面用途，规划试验室试验，决定动力学方程所需速率常数。第6页一、诞生时期（20世纪40年代）1947年美国Merch制药厂因在建立抗生素工业中因为处理了高效通气搅拌技术、无菌空气过滤技术、大型反应器灭菌等一系列工程技术问题，使以青霉素为代表微生物发酵工业进入一个新发展阶段，而被授予“生化工程专题研究”结果奖，一门反应生物和化学工程交叉学科生物化学工程诞生，并取得了快速发展。1.2生物反应工程发展过程第7页二、发展时期（20世纪50年代以后）1964年，Aiba等认为放大是生化工程焦点，与微生物代谢反应紧密相连，1973年，深入指出，在大规模研究方面，应该深入开展对微生物反应本质研究。1971年，英国Atkinson首先采取了生物反应工程这一术语，1974年，在他编著生物反应器一书中指出，生物反应工程目标是描述微生物体系反应动力学适当表示式，并能够经过试验求出其常数。第8页 1979年，日本山根恒夫生物反应工程，生物反应工程是一门以速率为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程合理设计、操作和控制工程学。1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生物反应工程研究应该包含两个方面，一是宏观动力学，它包括生物、化学、物理之间相互关系；二是生物反应器工程，它主要包括不一样反应器对生物化学和物理过程影响。第9页三、新时期（20世纪90年代）基因工程技术与生物反应工程技术不停融合，人类基因组计划完成，后基因组计划进行，给生物反应工程技术带来新发展机遇。质粒复制与表示动力学 超临界相态下生物反应 界面微生物生长模型 双液相生物反应第10页 1.3生物反应工程主要内容 生物反应工程是以工业规模生物反应过程为主要研究对象，详细研究中要兼顾可操作性，生物反应工程研究内容为下述2项，生物反应动力学 生物反应器设计、放大与缩小第11页生物反应动力学 生物反应动力学主要硕士物反应速率和各种原因对反应速率影响，它是生物反应工程学理论基础之一，这里所讨论生物反应动力学包含两个层次动力学。（1）本征动力学，又称微观动力学。（2）宏观动力学，又称反应器动力学。计算反应时间和反应器体积第12页生物反应过程分类及其特征分分分分类类类类酶酶酶酶催化反催化反催化反催化反应应应应单单单单一一一一细细细细胞反胞反胞反胞反应过应过应过应过程程程程多多多多细细细细胞反胞反胞反胞反应过应过应过应过程程程程动动动动植物植物植物植物细细细细胞胞胞胞反反反反应应应应体系体系体系体系反反应应水平水平分子水平分子水平细细胞水平胞水平细细胞水平胞水平细细胞或胞或组织组织水平水平底物数量底物数量1-21-2种种若干种若干种若干种若干种若干种若干种产产物数量物数量1-21-2种种细细胞和若干胞和若干种代种代谢产谢产物物若干种菌体和若干种菌体和COCO2 2、CHCH4 4等等细细胞或胞或组织组织或若干种或若干种产产物物n n反应复反应复杂性杂性简单简单n n普通普通复复杂杂很复很复杂杂反反应应速率或生速率或生长长速率速率快快n n普通普通慢慢很慢很慢第13页细胞反应动力学细胞反应动力学 考虑细胞之间有没有差异可分为概率论和确定论模考虑细胞之间有没有差异可分为概率论和确定论模型型 考虑细胞组成改变可分为结构模型和非结构模型考虑细胞组成改变可分为结构模型和非结构模型 （1 1）概率论结构模型）概率论结构模型 （2 2）概率论非结构模型）概率论非结构模型 （3 3）确定论结构模型）确定论结构模型 （4 4）确定论非结构模型）确定论非结构模型 实际情况理想情况第14页化学计量学化学计量学 细胞反应中参加反应培养基成份多，反应路径细胞反应中参加反应培养基成份多，反应路径复杂。必须用化学计量学方法来处理，可将反应器复杂。必须用化学计量学方法来处理，可将反应器中细胞活动用元素平衡式来表示。中细胞活动用元素平衡式来表示。碳源碳源+氮源氮源+氧氧=菌体菌体+有机产物有机产物+CO+CO2 2+H+H2 2O OCHCHmmOOn n+aO+aO2 2+bNH+bNH3 3=cCH=cCHx xOOy yNNz z+dCH+dCHu uOOv vNNw w+eH+eH2 2O+fCO2O+fCO2 C:1=c+d+f C:1=c+d+fH:m+3b=cx+ud+2eH:m+3b=cx+ud+2eO:n+2a=cy+vd+e+2fO:n+2a=cy+vd+e+2fN:b=zc+wdN:b=zc+wd第15页得率系数得率系数 研究细胞反应过程总物质和能量改变规律，研究细胞反应过程总物质和能量改变规律，惯用得率系数对碳源等物质生成细胞或其它产物惯用得率系数对碳源等物质生成细胞或其它产物潜力进行定量评价。比如：潜力进行定量评价。比如：细胞得率细胞得率 Yx/c=Yx/c=第16页生物反应器设计、优化与放大 生物反应器是使生物技术转化为产品生产力关键设备，使用高效率生物反应器目标是提升产品生成速率，降低相关辅助设备，降低生产成本，取得尽可能大经济效益。生物反应器设计，包含反应器型式、结构和操作方式选择，以及反应器几何尺寸确实定。第17页机械搅拌罐第18页第19页 （1 1）能准确地测量并控制）能准确地测量并控制温度、温度、pH pH 值和溶解氧浓度。值和溶解氧浓度。（2 2）气流搅拌，剪切力小。）气流搅拌，剪切力小。（3 3）含有可靠抗污染密封性）含有可靠抗污染密封性能；精密气体过滤器，能有能；精密气体过滤器，能有效而可靠地滤除空气中杂菌；效而可靠地滤除空气中杂菌；（4 4）适合用于科研、生产）适合用于科研、生产单位新产品开发、新工艺研单位新产品开发、新工艺研究及生物医药产品生产。究及生物医药产品生产。气升式发酵罐第20页 用于新型基因工程药品、疫苗用于新型基因工程药品、疫苗及抗体等产品研究和生产。含及抗体等产品研究和生产。含有以下特点有以下特点 磁力驱动搅拌装置；磁力驱动搅拌装置；依据流体运动几何学专门依据流体运动几何学专门设计符合动物细胞培养搅拌浆设计符合动物细胞培养搅拌浆叶；叶；配置符合动物细胞培养专配置符合动物细胞培养专用卫生级隔膜阀、取样阀；用卫生级隔膜阀、取样阀；含有符合动物细胞培养特含有符合动物细胞培养特点专用高级软件包点专用高级软件包.动物细胞反应器第21页植物细胞反应器第22页 适合用于藻类培养，反应适合用于藻类培养，反应过程中提供了充分光照，比表过程中提供了充分光照，比表面积大。光生物反应器分扁平面积大。光生物反应器分扁平箱式光培养器（箱式光培养器（LLS LLS）和圆）和圆筒形光培养器（筒形光培养器（LLG LLG）。扁）。扁平箱式光培养器两侧外部窄面平箱式光培养器两侧外部窄面是温度控制循环水夹套，两侧是温度控制循环水夹套，两侧外部宽面内配光源，培养器内外部宽面内配光源，培养器内有气流导板，通入空气使培养有气流导板，通入空气使培养液混合均匀。圆筒形光培养器液混合均匀。圆筒形光培养器透明玻璃筒体外装有些人造光透明玻璃筒体外装有些人造光源，筒体下部是温度控制循环源，筒体下部是温度控制循环水夹套，同时装备有机械搅拌水夹套，同时装备有机械搅拌桨，尤其适合用于藻细胞浓度桨，尤其适合用于藻细胞浓度较高培养。较高培养。光生物反应器第23页膜生物反应器膜生物反应器第24页 尤其适合用于如基因工程菌高密度高表示需尤其适合用于如基因工程菌高密度高表示需要高供氧、快速均匀升温等要求，能快速实现生要高供氧、快速均匀升温等要求，能快速实现生物技术试验室结果转化，也是各高校和研究所用物技术试验室结果转化，也是各高校和研究所用于发酵初步试验研究首选装备。于发酵初步试验研究首选装备。台式发酵罐第25页大型发酵罐第26页国内、外反应器设备企业n n德国贝朗 占中国80%以上市场n n瑞士比欧 n n美国NBS n n韩国 n n日本 n n华东理工大学 n n江苏理工大学第27页生物反应器操作方式：生物反应器操作方式：分批式操作分批式操作(batch operation)(batch operation)：是指将新鲜培养是指将新鲜培养基一次性加入发酵罐中，在适宜条件下接种后开基一次性加入发酵罐中，在适宜条件下接种后开始培养，培养结束后，将全部发酵液取出培养方始培养，培养结束后，将全部发酵液取出培养方法。法。连续式操作连续式操作(continuous operation)(continuous operation)：是指以一定是指以一定速率不停向发酵罐中供给新鲜培养基，同时等量速率不停向发酵罐中供给新鲜培养基，同时等量地排出发酵液，维持发酵罐中液量一定培养方法。地排出发酵液，维持发酵罐中液量一定培养方法。流加式操作流加式操作(semi-batch operation)(semi-batch operation)：是指发酵罐是指发酵罐中先进行分批培养，之后连续加入培养基质至培中先进行分批培养，之后连续加入培养基质至培养结束，而过程中间不取出发酵液培养方法。养结束，而过程中间不取出发酵液培养方法。第28页平板培养平板培养摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验生物反应器优化与放大生物反应器优化与放大工业生产工业生产第29页当代生物反应工程规模n n低值工业品大型化以规模来取胜（几十数低值工业品大型化以规模来取胜（几十数百吨）。如味精、氨基酸、有机酸、抗生百吨）。如味精、氨基酸、有机酸、抗生素、饲料、食品工业用产品等；素、饲料、食品工业用产品等；n n高价值转基因产品小型化（几十数百升）。高价值转基因产品小型化（几十数百升）。基因工程大肠杆菌、酵母菌高密度培养；基因工程大肠杆菌、酵母菌高密度培养；动物细胞植物细胞培养；动物细胞植物细胞培养；n n研究中心智能化、全能性研究中心智能化、全能性。第30页1.4生物反应工程研究方法 经验模型：经验模型：在完全不了解或不考虑过程机在完全不了解或不考虑过程机理情况下，仅依据理情况下，仅依据 一定条件下试验数据进一定条件下试验数据进行数学关联。行数学关联。半经验模型：半经验模型：对过程机理有一定了解基础对过程机理有一定了解基础上结合经验数据得到。上结合经验数据得到。数学模型：数学模型：应用数学语言来表述生物反应应用数学语言来表述生物反应过程中各个变量之间关系。过程中各个变量之间关系。第31页一、反应过程适当减化二、定量化研究三、过程分离原理四、数学模型建立建立数学模型法步骤第32页1.51.5思索题：思索题：1.生物反应工程包含哪两个主要内容研究？2.生物反应动力学包含哪两个层次动力学？第33页