生物工程设备ppt下载

作者：张馨予

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生物工程设备绪论一、相关课程生物化学、微生物、化工原理、物理化学、生物工艺学、机械制图、AutoCAD 二、本课程要求、目的 1、要求：掌握设备结构、工作原理、设备类型、用途、特点、影响设备性能的因素、参数计算 2、达到的目的：标准设备选型组成生产线、非标准设备设计、分析设备结构与产品质量的关系并改进、分析故障原因并排除故障。绪论三、教材和参考书教学用书：《生物工程设备》陈国豪 2007 化学工业出版社教学参考书：《生物工程设备》梁世中 2002 中国轻工业出版社《发酵工厂工艺设计》沈自法 1994 华东理工大学出版社《新编生物工艺学》俞俊棠 2003 化学工业出版社《化工原理》陈敏恒 1999 化学工业出版社《生化生产工艺学》梅乐和 2007 化学工业出版社《AutoCAD 2007 完全自学手册》2007 电子工业出版社绪论四、考核办法考核办法：本课程为专业必修课，采用闭卷考试的形式；成绩合成为平时成绩与期末考试成绩的比例为40：60（30:70），平时成绩主要是以到课率和作业情况作为考核标准。生物工程设备的基本概念生物工程设备的工作领域为传统生物技术产业的改造和现代生物技术产业提供高效率的生物反应器、现代分离纯化材料和技术以及相关的工程装备，还提供单元化生产设备、工艺过程优化、在线自动控制、系统集成设计等。生物工程设备的特点生物工程设备的特点生物工程设备与中下游技术密切相关。生物技术的上、中下游技术划分标志：生物反应器上游生物技术：主要任务是构建或选育出社会需要的、稳定的、优良的生产细胞菌株。中下游生物技术：其主要任务就是设计经济上合理、技术上可行、操作上安全的生物技术工艺过程与设备系统。包括培养基制备与灭菌、无菌空气的制备、细胞株种子扩大培养、生物反应器无菌操作与控制培养、产物的提取、分离纯化等。生物工程设备的发展历程　生物技术的发展过程是以某一个生物工程设备成熟为标志的。由此，有以下五个发展阶段：（1）传统经验制造技术——天然发酵阶段（2）纯种培养技术的成熟——初级代谢产物生产阶段（3）通气搅拌技术的成熟—— 好氧培养阶段（4）代谢控制发酵技术的成熟（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段（1）传统经验制造技术—天然发酵阶段该阶段的特点： ◆靠自然发酵，只知其然而不知道所以然； ◆历史悠久； ◆工艺独特； ◆经验丰富。发酵期间的搅拌冷却，俗称“开耙”，其作用是调节发酵醪的温度，补充新鲜空气，利于酵母生长繁殖。它是整个酿酒工艺中较难控制的一项关键性技术，一般由经验丰富的老师傅把关。开耙技术是酿好酒的关键，开耙技工在酒厂享有崇高的地位，工人们习惯称开耙技工为“头脑”，即酿酒的首要人物。（2）纯种培养技术的成熟—初级代谢产物生产阶段该阶段的特点： ◆发酵产品属于初级代谢产物； ◆生产过程简单，生产规模小； ◆对发酵设备要求不高。酱油固态发酵生产（3）通气搅拌技术的成熟——好氧培养阶段该阶段的特点： ◆生物和化工的交叉学科——生化工程诞生。 ◆发酵工程在微生物学、生物化学、生化工程三大学科基础上迅速形成一个完整的体系，促进抗生素工业、酶制剂工业和有机酸工业迅速发展。 ◆研制出大型的带机械搅拌和无菌通气装置的发酵罐。大型发酵罐搅拌装置（4）代谢控制发酵技术的成熟该阶段的特点： ◆对纯种发酵和无菌操作要求严格； ◆产品种类多，从初级代谢产物到次级代谢产物； ◆对机械搅拌发酵罐改进，研制出气升式生物反应器；研制出多种新型分离介质，如新型树脂材料、超滤等； ◆规模大，搅拌发酵罐已达500m3，气升式发酵罐为 3000m3。（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段该阶段的特点： ◆生物技术可生产动、植物和人类的多种生理活性蛋白，如胰岛素、生长激素和多种单克隆抗体； ◆生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品和能源和环境领域的发展； ◆生物工程设备得到发展，如针对大多基因工程菌的表达产物在细胞内，研制超声细胞破碎和高压匀浆新技术，以及扩张床层析等新方法不断涌出。第一章培养基准备和培养基灭菌的设备第一节培养基的准备与要求培养基：供特定的微生物、动物细胞、植物细胞、细胞组织、微藻生物等进行生长、繁殖、代谢和合成产物需要的，按一定组成比例配制而成的营养物质。培养基按其配方成分可以分成天然培养基和合成培养基。天然培养基：一类具体成分不十分明确的天然产品，大部分是农产品。合成培养基：一类完全明确的化学成分物质配制组成。微生物培养基微生物培养基按用途分为孢子培养基（不产孢子的称斜面培养基）、种子培养基和发酵培养基。孢子培养基中的碳源和氮源（特别是有机氮源）的浓度要低，多了会只长菌丝，少长或不长孢子。通常把配制好的培养基装在扁瓶、三角瓶或试管中，在高压灭菌锅中121℃，灭菌20~30min。微生物培养基种子培养基是指用于摇瓶种子培养或工业生产用种子罐种子培养的营养组成。工业化生产中把配制好的培养基装在种子罐中，采用高压蒸汽直接灭菌，控制温度121℃，灭菌15~20min。发酵培养基含有供菌丝体迅速生长繁殖和合成产物需要的营养物质。工业化生产中发酵培养基灭菌方法把配制好的培养基装在种子罐中，采用高压蒸汽直接灭菌，控制温度121℃，灭菌15~20min。发酵培养基的要求 ①培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应。 ②培养基能满足产物最经济的合成，最大限度地利用原料，使原料全部转化成某种产物。 ③发酵后所形成的副产物尽可能的少。例如酒精发酵。 ④所选用的培养基应满足总体工艺的要求，如不影响通气、提取、纯化和废物处理。微生物培养基在高温灭菌时，糖类物质容易被破坏且易和有机氮发生美拉德反应，即氨基酸和还原糖及还原糖的分解物反应，经过复杂的历程最终生成棕色甚至是黑色的大分子物质拟黑素。这些物质会对微生物产生毒性，严重时抑制微生物的生长。动物细胞培养基动物细胞培养对培养基要求较高。动物细胞培养基的特性是营养丰富，含有氨基酸（13种以上）、维生素、碳水化合物、无机盐和其它成分（如生长因子、激素、贴壁因子等），许多成分是热敏物质，不能用高温蒸汽灭菌法，通常采用微孔滤膜过滤灭菌法来处理动物细胞培养基，保证培养基无菌，营养成分不被破坏。植物细胞培养基植物细胞培养基与动物细胞培养基相比，相对较为简单，培养基的组分由无机盐类、碳源、维生素、植物生长激素、有机氮源、有机酸和一些复合物。培养基中的热敏化合物（如植物生长激素）不能用高温蒸汽灭菌法，通常采用微孔滤膜过滤灭菌法来处理，然后再按无菌操作方法混入经高温灭菌好的培养基中。第二节培养基的灭菌方法和设备大规模微生物、动物细胞、植物细胞培养过程都是纯种培养过程，不允许有杂菌的污染。灭菌是用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。消毒是指用物理或化学方法杀死物料、容器、器具内外的病原微生物。一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。例如，巴氏消毒法，是将物料加热至60℃维持30min，以杀死不耐高温的微生物营养细胞。消毒不一定能达到灭菌要求，而灭菌则可达到消毒的目的。　　　培养基中微生物受热死亡的速率与残留的微生物数量成正比。培养基实罐灭菌时间的计算培养基实罐灭菌的热量计算分别计算出发酵车间每个使用蒸汽设备的蒸汽消耗量，然后把在同一时刻不能错开的用汽设备叠加起来求得这个车间的最大用蒸汽负荷量。在发酵车间，培养基实罐灭菌蒸汽用量最大，实罐灭菌可以分为升温、保温灭菌和冷却三个阶段。培养基实罐灭菌的热量计算升温阶段 ①间接加热 τ为间歇加热时间，h；G为培养基质量，kg；c为培养基比热容，kJ/(kg·℃)；K为平均传热系数， kJ/(m2·h·℃)；ts为加热蒸汽温度，℃； t1为培养基开始加热温度，℃； t2为培养基加热结束时温度，℃；S为蒸汽消耗量，kg；r为蒸汽汽化热， η为加热过程的热损失。培养基实罐灭菌的热量计算升温阶段 ①直接加热 i为蒸汽热焓，kJ/kg；G为培养基质量，kg；cs为冷凝水的蒸汽比热容，kJ/(kg·℃)； t1为培养基开始加热温度，℃； t2为培养基加热结束时温度，℃；S为蒸汽消耗量，kg；η为加热过程的热损失。培养基实罐灭菌的热量计算保温阶段 S为蒸汽消耗量，kg；F为蒸汽排出管的总截面积，cm2； τ为蒸汽排出时间，即保温时间，min；P为发酵罐蒸汽的绝对压，Pa，为蒸汽的比容，m3/kg。或者根据经验估算：S=（30%~50%）×直接加热蒸汽消耗量小于5m3发酵罐取50%，大于5m3发酵罐取30%左右。培养基实罐灭菌的热量计算 τ为冷却所需时间，h；W为冷却水的用量， kg /h；G为培养基质量，kg； c1为培养基的比热容，kJ/(kg·℃)；c2为冷却水比热容，kJ/(kg·℃)； t1s为培养基开始冷却温度，℃； t1f为培养基冷却结束时温度，℃； t2s为冷却水进口温度，℃； t1为培养基冷却过程中某时刻的温度，℃； t2为对应培养基 t1温度时冷却水出口温度，℃；K为平均传热系数， kJ/(m2·h·℃)；F为传热面积，m2。喷淋式冷却器空罐灭菌培养基的灭菌如果是采用连续灭菌法，则发酵罐应在加入灭菌的培养基前先行单独灭菌。定义：空罐灭菌也称空消。无论是种子罐、发酵罐、还是消泡罐，当培养基（或物料）尚未进罐前对罐进行预先灭菌，称为空罐灭菌。习题微生物、动物细胞、植物细胞培养基灭菌方法的区别？常用的灭菌方法类型及适用范围？ 3. 间歇灭菌与连续灭菌的流程、设备与作用及各自的优缺点？