生物工程设备总结样本
生物工程设备重点总结
1、生物反应器( Bioreactor) ——为适应生物反应的特点而设计的反应装置
2、生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点是:
书本上答案:
( 1) 生物( 酶除外) 反应都以”自催化”方式进行, 即在目的产物生成的过程中生物自身生长繁育。
( 2) 生物反应速率较慢, 生物反应器的体积反应速率不高, 与其它相当生产规模的加工过程相比, 所需反应器体积大。
PPT上答案:
①生物反应中存在活细胞, 在反应中可将她们视为催化剂
②由于细胞是生长着的, 它对营养有一定的要求, 使参与反应的成分很多
③生物反应的途径一般不是单一的, 反应过程往往也伴随着生成代谢产物的反应, 它受许多环境因素的影响
3、生物反应器的作用:
为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境, 是生物体能更好地生长, 得到更多所需的生物量或代谢产物。
4、生物反应器的目的可归纳为:
①生产细胞
②收集细胞的代谢产物
③直接用酶催化得到所要的产物
5、生物反应器的种类
①厌气生物的反应器
②通气生物的反应器
③光照生物的反应器
④膜生物反应器
6、生物反应器设计的主要目的:
( 1) 最大限度地降低成本
( 2) 用最少的投资最大限度地增加单位体积产率
7、生物反应器的设计原理是基于:
( 1) 强化传质、传热等操作
( 2) 将生物体活性控制在最佳状态
( 3) 降低总的操作费用
( 4) 稳定生物反应器内部状态( 原文是生物反应器内部状态也是不可忽视的影响因素)
8、厌氧生物反应器中加入惰性气体的原因:
( 1) 保持罐内的正压
( 2) 防止染菌
( 3) 以及提高厌氧控制水平
9、一个优良的培养装置应具有:
PPT
( 1) 严密的结构
( 2) 良好的液体混合性能
( 3) 高的传质和传热速率
( 4) 灵敏的检测和控制仪表
书本
( 1) 结构严密, 经得起蒸汽的重复灭菌, 内壁光滑, 耐蚀性好, 以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响
( 2) 有良好的气—液—固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能
( 3) 在保持生物反应要求的前提下, 降低能耗
( 4) 有良好的热量交换性能, 以维持生物反应最适温度
( 5) 有可行的管道比例和仪表控制, 适用于灭菌操作和自动化控制
10、剪切力——是单位面积流体上的切向力, 剪切力的单位为
N/m2或Pa。
11、剪切作用的影响
( 1) 剪切力对微生物的影响
①细菌
一般认为剪切力对细菌的影响较小, 因为它的大小比发酵罐中常见的漩涡要小, 而且有坚硬的细胞壁。
②酵母
酵母比细菌大, 但仍比常见的湍流漩涡小。酵母的细胞壁也较厚, 具有一定抵抗剪切力的能力, 但其细胞壁上的芽痕和蒂痕对
剪切力的抗性较弱。
③丝状微生物( 包括霉菌和放线菌)
a、自由丝状颗粒
自由丝状颗粒导致传质困难。为增强混合和传质, 需要强烈的搅拌, 但高速的搅拌产生的剪切力会打断菌丝, 造成机械损伤。
b、球状颗粒
如果是球状颗粒, 则发酵液中黏度较低, 混合和传质比较容易, 但菌球中心的菌可能因为供氧困难而缺氧死亡。
搅拌会对菌球产生两种物理效果: 一种是搅拌消去菌球外围的菌膜, 减小粒径, 另一种是使菌球破碎。这些效果主要是由于湍流漩涡剪切造成的。
c、自由菌丝体
由于剪切力会使菌丝断裂, 因此需要控制搅拌强度。搅拌强度会对菌丝形态、生长和产物生成造成影响, 还可能导致胞内物质的释放。
( 2) 剪切力对动物细胞的影响
动物细胞无细胞壁且尺寸较大, 故对剪切力非常敏感。
动物细胞可分为两类:
①贴壁依赖性
剪切力对其的破坏机制是: 由点到面的湍流漩涡作用及载体与载体间、载体与浆及反应器壁的碰撞造成的
②非贴壁依赖性的
剪切力对其的破坏机制是: 主要是因为气泡的破碎造成的
( 3) 剪切力对植物细胞的影响
植物细胞因有细胞壁, 因此其对剪切力的抗性比动物细胞大, 但因其细胞个体相对较大, 细胞壁较脆, 柔韧性差, 因此与微生
物相比它对剪切力依然很敏感, 在高剪切力的作用下会受到损伤
甚至死亡或解体。
植物细胞在培养的过程中一般会结团, 结团会影响产物的释放, 细胞结团的大小受到剪切力的影响。
剪切力的大小对细胞的生长也有影响, 在同样的剪切力下,
细胞在高浓度状态下具有较高的成活率, 在细胞浓度较低时, 如
在反应器操作的起始阶段, 剪切力应控制在低水平, 以有利于培养。
剪切对次级代谢产物的生产也有影响, 同时在高剪切应力下, 细胞延迟期缩短, 指数生长时间段也缩短。
( 4) 剪切对酶反应的影响
酶是一种活性蛋白, 剪切力会在一定程度上破坏酶蛋白分子
精巧的三维结构, 影响酶的活性。
一般认为酶活性随剪切强度的增加和时间的延长而减小。在同样的搅拌时间下, 酶活力的损失与叶轮尖速度呈线性关系。不同类型的叶轮对酶活性的影响有差异。
12、发酵过程中, 始终保持氧从气相到液相的传递( 连续) 原因: ( 1) 发酵过程为好氧
( 2) 氧在水溶液中的溶解度很低
13、氧从气相到微生物细胞内部的传递可分为七个步骤:
( 1) 从气泡中的气相扩散经过气膜到气液界面
( 2) 经过气液界面
( 3) 从气液界面扩散经过气泡的液膜到液相主流
( 4) 液相溶解氧的传递
( 5) 从液相主流扩散经过包围细胞的液膜到达细胞表面
( 6) 氧经过细胞壁
( 7) 微生物细胞内氧的传递
14、氧传递的三种模型:
( 1) 双膜理论
①气液两相存在一个界面, 界面两侧分别为呈层流状态的气膜和液膜
②在气膜界面上两相浓度相互平衡, 界面上不存在传递阻力
③气液两相的主流中不存在氧的浓度差
④氧在两膜间的传递在定态下进行, 氧在气膜和液膜间的传递速率是相等的
( 2) 渗透扩散理论
对双膜理论进行了修正, 认为层流或静止液体中气体的吸收是非定态过程。
( 3) 表面更新理论
对渗透扩散理论进行修正, 认为液相各微元中气液接触时间
也是不等的, 而液面上的各微元被其它微元置换的概率是相等的。
15、体积质量传质系数kLa
（1）定义: 在单位浓度差下, 单位时间、单位界面面积所吸收的气体。
kL: 质量传递系数 a: 气液比表面积
它取决于系统的物理特性和流体力学, kLa越大, 好氧生物反应器的传质性能越好。
（2）影响kLa的因素:
①操作条件: 通气量大, 搅拌功率大, kLa大
并非通气量越大kLa就一定越大, 通气量的影响有一定的限度, 如果超过这一限度, 搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中, 而在大量气泡中空转, 发生”过载”现象。
搅拌功率也不是越大越好, 因为过于激烈的搅拌产生很大的剪切作用, 可能对所培养的细胞造成伤害。
搅拌器对物质传递的作用:
a、将通入培养液的空气分散成细小的气泡, 防止小气泡的聚集, 从而增大气液相的接触面积
b、搅拌作用是培养液产生涡流, 延长气泡在液体中的停留时间
c、搅拌造成液体的团湍动, 减小气泡外滞流液膜的厚度, 从而减小传递过程的阻力
d、搅拌作用使培养液中的成分均匀分布, 使细胞均匀的悬浮