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生化生产工艺学生化生产工艺学精品课程精品课程化学工程学院化学工程学院生化生产工艺学生化生产工艺学胡斌杰胡斌杰2006年年5月月生化生产工艺课程教案生化生产工艺课程教案第八章 生物反应器 基本概念基本概念生物反应过程？由生物工程所引出的生产过程 生物反应过程分类：发酵过程或细胞培养过程：采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂的反应过程。酶反应过程：采用游离或固定化酶的反应过程。淀粉（液化、糖化）生物技术（工具酶）根据以前学过的知识，说说生产或科学实验中要用到哪些酶？洗衣粉制造生物体内进行的一系列反应都是在不同的酶的作用下进行的酶在工业上的应用应用领域使用的酶种类用途洗涤剂工业细菌蛋白酶类细菌蛋白酶类淀粉酶类淀粉酶类用于污渍去除，可以直接液体使用或用用于污渍去除，可以直接液体使用或用胶囊包埋后使用胶囊包埋后使用可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难溶可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难溶的淀粉残迹等的淀粉残迹等烘烤食品工业真菌产的真菌产的-淀粉酶淀粉酶蛋白酶类蛋白酶类催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类，催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类，用于面包及面卷的制作等用于面包及面卷的制作等在饼干制作过程中，用于降低面粉中的在饼干制作过程中，用于降低面粉中的蛋白质含量等蛋白质含量等酿酒工业麦芽产生的淀粉酶、蛋麦芽产生的淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖酶白酶、葡萄糖酶-葡聚糖酶葡聚糖酶淀粉葡萄糖苷酶淀粉葡萄糖苷酶木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用的将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇的产单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇的产量量改进啤酒的过滤性能改进啤酒的过滤性能用于生产低糖啤酒用于生产低糖啤酒去降乳糖为葡萄糖和半乳糖去降乳糖为葡萄糖和半乳糖应用领域使用的酶种类用途乳制品工业凝乳酶凝乳酶乳糖酶乳糖酶在奶酪的制作过程中用于分解蛋白质在奶酪的制作过程中用于分解蛋白质降解乳糖为葡萄糖和半乳糖降解乳糖为葡萄糖和半乳糖糖工业淀粉酶，淀粉葡淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶萄糖苷酶葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶将淀粉转化为葡萄糖及各类糖将淀粉转化为葡萄糖及各类糖用于将葡萄糖转化为果糖生产高果糖浆用于将葡萄糖转化为果糖生产高果糖浆纺织工业淀粉酶淀粉酶广泛地应用于纺织品的褪浆，其中细菌淀粉酶能忍受广泛地应用于纺织品的褪浆，其中细菌淀粉酶能忍受100-110100-110度的高温操作条件度的高温操作条件制革工业胰蛋白酶类胰蛋白酶类用于除去毛皮中特定蛋白成分使得皮革软化，也可用用于除去毛皮中特定蛋白成分使得皮革软化，也可用于皮革脱毛于皮革脱毛医疗和药品工业胰蛋白酶胰蛋白酶L-L-天冬酰胺酶天冬酰胺酶蛋白酶蛋白酶用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于去除坏死组织，用于伤口愈合和溶解血凝块，还可用于去除坏死组织，抑制污染微生物生长抑制污染微生物生长用于治疗癌症，剥夺癌细胞生长所需的营养用于治疗癌症，剥夺癌细胞生长所需的营养治疗消化不良治疗消化不良许多酶在医疗中还可作为诊断试剂许多酶在医疗中还可作为诊断试剂生物反应过程主要设备：生物反应过程与化学反应器异同点：一般的生物反应过程一般的生物反应过程生物反应器 P139酶是一种蛋白质，稳定性差，而且在催化结束后难以回收。为适应工业化生产的需要，人们模仿人体酶的作用方式，通过固定化技术对酶加以改造固定后的酶。优点：优点：经固定化后的生物催化剂既具有酶的催化性质，又具有一般化学催化剂能回收、反复使用的优点，并在生产工艺上可以实现连续化和自动化。如上表格说细菌蛋白酶类用于污渍去除，可以直接液体使用或用胶囊包埋后使用。固定化酶固定化酶一般生化反应过程一般生化反应过程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）P139生生 物物 反反 应应 器器空气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 由图可见，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料被升值了。因此，生物反应器的设计和操作，是生物工程中一个及其重要的问题，它对产品的成本和质量有很大影响。一、生物反应器设计的目标和原则 1、一个优良的生物反应器应具备的条件：、一个优良的生物反应器应具备的条件：生物反应器的作用生物反应器的作用是为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。一个优良的生物反应器应具备：1）严密的结构；2）良好的液体混合性能；3）较高的传质、传热性能；4）配套而又可靠的检测和控制仪表。2、判断生物反应器好坏的唯一标准是该装置能否适合工艺要求以取、判断生物反应器好坏的唯一标准是该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。得最大的生产效率。3、生物反应器设计的重要方面包括：、生物反应器设计的重要方面包括：阅读课本P140-141回答问题10分钟 生物反应器设计的主要目标是使产品的质生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高、成本低。我们已经知道，生物反应器处量高、成本低。我们已经知道，生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程的经济效于生物过程的中心，是影响整个过程的经济效益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是益的一个重要方面，其中生物反应器的节能是设计的一个重要因素。设计的一个重要因素。生物反应器设计的重要方面包括：生物反应器设计的重要方面包括：1）改善生物催化剂；）改善生物催化剂；2）好的过程控制；）好的过程控制；3）好的无菌条件；）好的无菌条件；4）克服速度限制因素（物质、热量、质）克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。量传递）等。4、与化学反应器不同，生物反应器、与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下一些原则：设计应具有以下一些原则：在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接连通；在培养系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不能直接连通；尽尽量量减减少少法法兰兰连连接接，因因为为设设备备震震动动和和热热膨膨胀胀，会会引引起起法法兰兰连连接接外外移位，从而导致污染；移位，从而导致污染；在在可可能能的的条条件件下下，应应采采用用全全部部焊焊接接结结构构，所所有有焊焊接接点点必必须须磨磨光光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所；消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所；防止死角、裂缝等情况；防止死角、裂缝等情况；某些部分应能单独灭菌；某些部分应能单独灭菌；易于维修；易于维修；反应器可保持小的正压。反应器可保持小的正压。二、生物反应器的分类 按所用的生物催化剂的不同分 酶催化反应器细胞生物反应器 按反应器的操作方式分 间歇式生物反应器 P141连续式生物反应器半间歇式生物反应器 P142问题连续式生物反应器优越性？双酶法制糖工艺流程图双酶法制糖工艺流程图P67P67P67P67图图图图4-174-174-174-1717532蒸汽淀粉碱液氯化钙-淀粉酶糖化酶水回流14656117108 91213141516181-调浆配料槽 2，8-过滤器 3，9，14，17-泵 4，10-喷射加热器 5-缓冲器 6-液化层流罐7-液化液贮罐 11-灭酶罐 12-板式换热器 13-糖化罐 15-压滤机 16-糖化暂贮槽 18-贮糖槽按生物催化剂在反映器中的分布方式分 生物团块反应器生物膜反应器 生物团块反应器按催化剂的运动状态划分又可分为填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器 按反应器结构特征分 釜式、管式、塔式、膜式等类型 按能量的输入方式分 通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式利用气体喷射动能的气升式利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 按反应物系在反应器内的流动和混合状态分 全混流型生物反应器活塞流型生物反应器 填充床型反应器填充床型反应器 把把催催化化剂剂填填充充在在固固定定床床（填填充充床床）中中的的反反应应器器叫叫做做固固定定床床型型反反应应器器。这这是是一一种种使使用用得得最最广广泛泛的的固固定定化化酶酶反反应应器器，它它具具有有单单位位体体积积的的催催化化剂剂负负荷荷量量高高、结结构构简简单单、容易放大、剪切力小、催化效率高等优点。容易放大、剪切力小、催化效率高等优点。流化床型反应器流化床型反应器 流化床型反应器是一种装有较小颗粒的垂直塔式反应器。底物以一定的流速从下向上流过，使固定化酶颗粒在流体中维持悬浮状态并进行反应。这时的固定化颗粒和流体可以被看作是均匀混合的流体。流化床反应器具有传热与传质特性好、不堵塞、能处理粉状底物、压降较小等优点，也很适合于需要排气供气的反就。生物膜反应器生物膜反应器 膜反应器是利用膜的分离功能，同时完成反应和分离过程的反应器。这是一类仅适合于生化反应的反应器。底物底物产物产物产物 三、微生物细胞反应器 除了某些溶剂（如乙醇、丙酮、丁醇等）和乳酸等少数产品外，大多数发酵产品都是通过微生物好气培养得到的。由于氧在培养基中的溶解度很小，细胞生物反应器必须不断进行通气和搅拌来增加氧的溶解量，满足需氧微生物新陈代谢的需要。同时，搅拌还可使培养液保持均匀的悬浮状态，并促进发酵热的散失等。细胞生物反应器搅拌方式大致有内部机械搅拌型、外部液体搅拌型、气升式发酵罐等三种。从目前的情况来看，工业规模的微生物细胞反应器多为搅拌型发酵罐。气升式循环发酵罐目前的尚处于研究阶段。1、机械搅拌型微生物细胞生物反应器（通用型）、机械搅拌型微生物细胞生物反应器（通用型）机机械械搅搅拌拌发发酵酵罐罐是是好好氧氧生生物物反反应应器器的的典典型型代代表表，其其主主要要组组成成部部分分有有壳壳体体、控控温温部部分分、搅搅拌拌部部分分、通通气气部部分分、进进出出料料口口、测测量量系统和附属系统等。如图所示。系统和附属系统等。如图所示。问题问题1 1机械搅拌发酵罐主要组成部分有哪些？机械搅拌发酵罐主要组成部分有哪些？问题问题2 2说说机械搅拌发酵罐的优缺点？说说机械搅拌发酵罐的优缺点？机械搅拌发酵罐是目前使用最多的一种发酵罐，使用性好、适应性强、放大容易，从小型到中型直至大型的微生物培养过程都可以应用。其缺点是罐内的机械搅拌切力容易损伤嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。壳体P144 控温部分 搅拌部分 通气部分 通用型生物反应器内设置机械搅拌器，一般在一根轴上安装多个搅拌桨，其主要功能是使罐内物料混合良好，液体中的固形物料保持悬浮状态，从而使菌体与营养物质充分接触，并有利于打碎气泡，增加气液接触界面，提高气液间的传质速率，强化传氧及消泡。搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。通用型发酵罐大多采用涡轮式搅拌桨。常用的搅拌桨有平叶式、弯叶式和箭叶式等三种类型，叶片数量一般为六个。图8-4为常用的六叶圆盘涡轮式搅拌器。进出料口 测量系统 消泡装置 附属系统 问题1、何谓全档板条件？2、在反应器中安装档板作用？3、为满足全档板条件，一般发酵罐中安装多少块档板？为防止搅拌器运转时液体产生旋涡，可在壁面上安装档板，为防止搅拌器运转时液体产生旋涡，可在壁面上安装档板，使沿壁旋转流动的液体折向中心，以消除搅拌器运转时液体生使沿壁旋转流动的液体折向中心，以消除搅拌器运转时液体生成的旋涡，同时使接近罐壁的液体内的剪应速率或速度梯度增成的旋涡，同时使接近罐壁的液体内的剪应速率或速度梯度增加。需要注意的是挡板与罐壁之间留有空隙，以防止积垢。加。需要注意的是挡板与罐壁之间留有空隙，以防止积垢。通常发酵罐液体在被搅拌时，应达到通常发酵罐液体在被搅拌时，应达到“全挡板条件全挡板条件”。所。所谓全挡板条件是指在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅谓全挡板条件是指在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不同增加，而旋涡基本消失。拌功率不同增加，而旋涡基本消失。反应器的搅拌功率反应器的搅拌功率（不作要求）（不作要求）2、机械搅拌自吸式反应器、机械搅拌自吸式反应器 机机械械搅搅拌拌自自吸吸式式反反应应器器不不需需空空气气压压缩缩机机提提供供压压缩缩空空气气，而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气。而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气。它它的的搅搅拌拌器器是是一一个个空空心心叶叶轮轮，叶叶轮轮快快速速旋旋转转时时液液体体被被甩甩出出，叶叶轮轮中中形形成成负负压压，从从而而将将罐罐外外的的空空气气吸吸到到罐罐内内，并并与与高高速速流流动动的的液液体体密密切切接接触触形形成成细细小小的的气气泡泡分分散散在在液液体体之之中中，气气液液混混合合流流体体通通过过导导轮轮流流到到发发酵酵液液主主体体。显显而而易易见见，这类反应器可省去了空气系统，且气体分布均匀。这类反应器可省去了空气系统，且气体分布均匀。这类反应器的缺点是进罐空气处于负压，因而增加了这类反应器的缺点是进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会，且搅拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正染菌机会，且搅拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。常的生长受到影响。问题问题1、说说机械搅拌自吸式反应器原理？、说说机械搅拌自吸式反应器原理？2、机械搅拌自吸式反应器的优缺点是什么？、机械搅拌自吸式反应器的优缺点是什么？3、气升环流反应器、气升环流反应器 4、高位塔式生物反应器、高位塔式生物反应器 问题问题1、说说气升式环流反应器原理？、说说气升式环流反应器原理？2、分哪两类？、分哪两类？3、衡量气升式环流反应器性能的参数有、衡量气升式环流反应器性能的参数有哪些？哪些？4、气升式环流反应器的优缺点是什么？、气升式环流反应器的优缺点是什么？1、说说高位塔式生物反应器原理？、说说高位塔式生物反应器原理？2、塔式反应器的高径比、塔式反应器的高径比H/D是多少？而机械搅拌式是多少？而机械搅拌式反应器的高径比呢？反应器的高径比呢？4、塔式反应器的优缺点是什么？、塔式反应器的优缺点是什么？问题问题基因工程菌生物反应器基因工程菌生物反应器 基基因因工工程程菌菌是是通通过过基基因因操操作作得得到到的的DNA重重组组微微生生物物，为为了了不不使使基基因因工工程程菌菌在在培培养养或或处处理理过过程程中中泄泄漏漏到到周周围围环环境境而而造造成成意意想想不不到到的的危危害害，用于基因工程菌的生物反应器同一般的生物反应器就有相当大的不同。用于基因工程菌的生物反应器同一般的生物反应器就有相当大的不同。造造成成生生物物反反应应器器内内微微生生物物泄泄漏漏的的一一大大原原因因是是排排气气，基基因因工工程程菌菌反反应应器的排气须经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放到大气中去。器的排气须经加热灭菌或经微孔过滤器除菌后才能排放到大气中去。轴封渗漏是造成菌体泄漏的另一个原因，可采用双端面密封，而且轴封渗漏是造成菌体泄漏的另一个原因，可采用双端面密封，而且作为润滑剂的无菌水压力应高于反应器内压力。作为润滑剂的无菌水压力应高于反应器内压力。问题问题造成基因工程菌泄漏的两大因素分别是什么？造成基因工程菌泄漏的两大因素分别是什么？如何解决。如何解决。四、生物反应器四、生物反应器 的放大的放大 通通常常一一个个生生物物反反应应过过程程的的开开发发，包包括括1）利利用用实实验验室室规规模模的的反反应应器器进进行行种种子子筛筛选选和和工工艺艺试试验验；2）在在中中间间规规模模的的反反应应器器中中试试验验（中中试试），确确定定最最佳佳的的操操作作条条件件；3）在在大型生产设备中投入生产第三个不同规模的阶段。大型生产设备中投入生产第三个不同规模的阶段。由由此此可可见见，一一个个生生物物技技术术产产品品从从实实验验室室到到工工业业生生产产的的开开发发过过程程，不不可可避避免免会会遇遇到到生生物物反反应应器器的的放放大大问问题题。对对于于一一个个生生物物反反应应过过程程，在在不不同同大大小小的的反反应应器器中中进进行行的的生生物物反反应应虽虽然然相相同同，但但在在质质量量、热热量量和和动动量量的的传传递递上上却却会会有有明明显显的的差差别别，从从而而导导致致在在不不同同的的反反应应器器中中生生物物反反应应速速率率有有差差别别。欲欲使使整整个个生生物物反反应应器器处处于于最最优优条条件件下下进进行行操操作作，就就必必须须使使反反应应器器中中的的每每一一个个细细胞胞都都处处于于最最优优环环境境之下，不然就达不到整体的优化。之下，不然就达不到整体的优化。v 生物反应器的放大的目标：就是要使生物反应器的放大的目标：就是要使大型生物反应器的性能与小型反应器接大型生物反应器的性能与小型反应器接近，从而使大型反应器的生产效率与小近，从而使大型反应器的生产效率与小型生产设备反应器相似。型生产设备反应器相似。v 生物反应器的放大方法从目前的情生物反应器的放大方法从目前的情况来看，主要有经验放大法、因次分析况来看，主要有经验放大法、因次分析法、时间常数法、数学模拟法等。法、时间常数法、数学模拟法等。ENDEND演讲完毕，谢谢观看！