• 其他： • 根据基质和产物的还原度列出电子平衡方程 • 根据ATP的形成与产率相关(生物量直接与
生成能量基质产生的ATP相关)由此确立一系 列关系
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• 细胞内营养基质的消耗一部分用于生长，
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琼脂斜面
摇瓶
接种
菌种提纯
种子培养
种 子 罐
无菌空气 生物反应
pH调节液
空
气
过
蒸汽
滤
主
器
要
发
酵
锅炉 空气压缩机
罐
通气
检测控制
培养基原料
培养基配料
培养基 配料罐
蒸汽灭菌
连消装置
去菌体分离及后处理
成品
典型的分批发酵工艺流程图 精品PPT
机械搅拌反应器
？
植物细胞培养器
活体生物反应器－转基因牛
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Industrial Fermentation Setting
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课程内容
生物工程设备
生生 物物 反反 应应 器器 设 计 基 础
检物 测料 控处 制理 及设 放备 大
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产辅 物助 分系 离统 纯设 化备 设 备
目的与要求
• 掌握生物反应器的设计基础。 • 掌握生物工程的设备流程、设备结构及工作原理，主要设 备的设计计算及选型。 • 了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。 • 初步具有独立分析和解决试验研究及工业生产上的工程设 备问题的能力。
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Laboratory process development Shake Flask Experiments
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第一章 生物反应器设计基础
生物反应器的设计要以生物体为中心 需要两方面的知识 化学工程：反应器的传热，传质的性能，
剪切力，凝聚成颗粒现象，通气 生物工程方程：生物体的生长特性和要求，
• 传质
• 气-液传质 • 液体-微生物传质
• 传热 • 剪切力问题
• 环境因素对生长及代谢的影响
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生物反应器设计基础
• 生化反应的特点：活细胞
•
多营养成分
•
多途径代谢
•
催化剂为蛋白质组分的酶
• 因而质量和能量守恒定律间的关系复杂
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生物反应器设计基础
• 三者关系： • 化学计量学是反应器设计的关键之一，
• 还原度 ：某化合物中每一克碳原子的有效电子当量数。
化合物中任何元素的还原度等于该化合物的化合价。例如：NH3中氮、氢 的还原度为: N = 3, H = 1
细胞： 基质：
b s
4 p 2n 4 m 2l
3q
(2.2)
产物： p 4 y 2s 3t
根据细胞、基质和产物的还原度可以列出有效电子平衡方程：
对化学方程式进行元素衡算，得下列方程组：
C : 1 Yb Yp d
N : O :
a qYb tYp
2.1
1 2b nYb sYp c 2d
H : m 3a pYb rYp 2c
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CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
为介质的合理设计提供基本数据 • 质量衡算和化学计量关系可判断过程运
行的好坏，并获得间接测量的数据 • 最后结合热力学关系，可推断出给定系统
的得率
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生物反应的质量衡算
• 细胞反应的元素衡算：
营养物（C源、N源、O2、无机盐类等）→细胞+代谢产物（产物、C O2、 H2O等） CHmOl+aNH3+bO2 →YbCH pO nNq (生物量)+ YpCH rOsNt (产物)+ c H2O + dC O2
＝
x S
• 对氧的细胞得率Yx/o
YX / O
生成细胞的质量 消耗氧的质量
＝ x O
• 对碳的细胞得率YC
YC
生成细胞量 细胞含碳量 消耗基质的质量 基质含碳 / S
• 对基质的产物得率Yp/s
YP / S
生成代谢产物的质量 消精耗品P基PT质的质量
＝ P S
＝
/
Y max x/s
ms
(2.5)
•有产物时，基质的线性方程：
＝
/
Y max x/s
/
Y max x/s
ms
2.6
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式中σ－合成单位细胞的基质消耗速率；π－单位细胞的产物生产率。
• 若知道得率，可得所需氨量和氧量，及所 产生的CO2和水
• 同样进气，排气和氮消耗量的测量有助于 确定得率
生物工程设备
➢ 绪论
➢ 生物反应器设计基础
➢ 生物反应器
➢ 检测控制及放大
➢ 物料处理设备
➢ 产物分离纯化设备
➢
辅助系统设备 精品PPT
• 作用
课程作用与任务
生物工程设备
生物技术的原理
生物技术产业化
• 任务
生物工程设备的最佳设计和最适选型，满足现代生物技 术产业化的需要；研究开发新型生物工程设备，使生产过程 大型化、多样化、连续化和自动化
升式，自吸式 • 3）光照生物反应器 • 4）膜生物反应器：可分为非循环式，内循
环式，外循环式生物反应器
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生物反应器设计基础
• 化学计量基础
• 生物反应的质量衡算
• 生物反应过程的得率系数
• 生物学基础
• 细胞数动力学 • 无抑制的细胞生长动力学 • 有抑制的细胞生长动力学 • 产物形成动力学
s 4b Yb b Yp p
1 Yb b Yp p 4a
s
s s
1 b p
基质中传递到氧的有效 电子数的分率； b 进入细胞的有效精电品子P数PT分率； p 进入胞外产物中有效电 子数的分率。
细胞反应过程的得率系数
• 对基质的细胞得率Yx/s
Yx/s
生成细胞的质量 消耗基质的质量
基质的细胞得率Yx/s与比生长速率的关系
•比生长速率μ：生长速度大小的参数。
rx dCX dt μCX 2.3
•维持的定义： 1 ＝ 1 ms (2.4)
Y Y max
X /S
x/s
式中YXS－细胞对基质的得率；Yxm/ sax－最大得率；ms －维持系数； μ－比生长速率。
•无产物时，基质的线性方程：
生物体不同阶段对温度，溶氧,pH的要 求，无菌要求
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生物反应器设计基础
• 生物反应器的分类按目的分： • 1。生产细胞 • 2。细胞的代谢产物 • 3。酶催化得到的产物 • 按培养类型分类： • 动植物细胞,组织，酶，微生物的培养和发
酵
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生物反应器设计基础
• 常用生物反应器： • 1）厌气生物反应器 • 2）通气生物反应器，又可分为搅拌式，气