生化生产工艺学课程

,生化生产工艺学,精品课程,1,生化生产工艺学,胡斌杰,2006年5月,生化生产工艺课程教案,第八章 生物反应器,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,淀粉酶类,用于污渍去除，可以直接液体使用或用胶囊包埋后使用,可作为洗碗机的洗涤剂，用于去除难溶的淀粉残迹等,烘烤食品工业,真菌产的-淀粉酶,蛋白酶类,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,在饼干制作过程中，用于降低面粉中的蛋白质含量等,酿酒工业,麦芽产生的淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖酶,-葡聚糖酶,淀粉葡萄糖苷酶,木瓜蛋白酶,将淀粉和蛋白质降解成级被酵母使用的单糖、氨基酸和肽，从而提高乙醇的产量,改进啤酒的过滤性能,用于生产低糖啤酒,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,乳糖酶,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,糖工业,淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶,葡萄糖异构酶,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,纺织工业,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100-110度的高温操作条件,制革工业,胰蛋白酶类,用于除去毛皮中特定蛋白成分使得皮革软化，也可用于皮革脱毛,医疗和药品工业,胰蛋白酶,L-天冬酰胺酶,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，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,治疗消化不良,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,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：,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,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 物 反 应 器,空气,CO,2,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：,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,得最大的生产效率。,3、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。,生物反应器设计的重要方面包括：,1）改善生物催化剂；,2）好的过程控制；,3）好的无菌条件；,4）克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。,4、与化学反应器不同，生物反应器,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；,尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引起法兰连接外移位，从而导致污染；,在可能的条件下，应采用全部焊接结构，所有焊接点必须磨光，消除蓄积耐灭菌的固体物质的场所；,防止死角、裂缝等情况；,某些部分应能单独灭菌；,易于维修；,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,P67图4-17,17,5,3,2,蒸汽,淀粉,碱液,氯化钙,-,淀粉酶,糖化酶,水,回流,1,4,6,5,6,11,7,10,8 9,12,13,14,15,16,18,1-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,把催化剂填充在固定床（填充床）中的反应器叫做固定床型反应器。这是一种使用得最广泛的固定化酶反应器，它具有单位体积的催化剂负荷量高、结构简单、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,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,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）,机械搅拌发酵罐是好氧生物反应器的典型代表，其主要组成部分有壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。如图所示。,结构图,问题1,机械搅拌发酵罐主要组成部分有哪些？,问题2,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,结构图,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，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“全挡板条件”。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，搅拌功率不同增加，而旋涡基本消失。,反应器的搅拌功率,（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不需空气压缩机提供压缩空气，而是利用搅拌器旋转时产生的抽吸力吸入空气。,它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。显而易见，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，使正常的生长受到影响。,问题,1、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？,3、气升环流反应器,4、高位塔式生物反应器,问题,1、说说气升式环流反应器原理？,2、分哪两类？,3、衡量气升式环流反应器性能的参数有哪些？,4、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？,2、塔式反应器的高径比H/D是多少？而机械搅拌式反应器的高径比呢？,4、塔式反应器的优缺点是什么？,问题,基因工程菌生物反应器,基因工程菌是通过基因操作得到的DNA重组微生物，为了不使基因工程菌在培养或处理过程中泄漏到周围环境而造成意想不到的危害，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。,造成生物反应器内微生物泄漏的一大原因是排气，基因工程菌反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。,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。,问题,造成基因工程菌泄漏的两大因素分别是什么？如何解决。,四、生物反应器 的放大,通常一个生物反应过程的开发，包括1）利用实验室规模的反应器进行种子筛选和工艺试验；2）在中间规模的反应器中试验（中试），确定最佳的操作条件；3）在大型生产设备中投入生产第三个不同规模的阶段。,由此可见，一个生物技术产品从实验室到工业生产的开发过程，不可避免会遇到生物反应器的放大问题。对于一个生物反应过程，在不同大小的反应器中进行的生物反应虽然相同，但在质量、热量和动量的传递上却会有明显的差别，从而导致在不同的反应器中生物反应速率有差别。欲使整个生物反应器处于最优条件下进行操作，就必须使反应器中的每一个细胞都处于最优环境之下，不然就达不到整体的优化。,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。,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、因次分析法、时间常数法、数学模拟法等。,Thank You !,END,24,