生化工程第一
生化工程设备-第三篇-第一章-空气净化除菌与空气调节-按ppt
国内微生物工业的除菌方法大多数采用深层过滤，过滤介质一 般采用棉花，活性炭，为防止过滤介质受潮，沾污，降低了除菌 的效率和增加空气通过的阻力，压缩空气在进入总过滤器之前， 必须采取减湿预处理。
3 1 2 5 4 6 7 8 9
图4-3 两极冷却,加热除菌流程 1-粗过滤器 2-压缩机 3-贮罐 4,6-冷却器 5-旋风分离器 7-丝网分离器 8-加热器 9-过滤器
1 空气过滤器
深层过滤器
介质：以纤维和颗粒状介质为过滤 床的过滤器，用于空气总过滤器
介质：以微孔滤板，超细纤维滤纸， 微孔金属烧结管（二级过滤器）
绝对过滤器 介质：聚四氟乙烯或纤维素酯材料，用 作分过滤器（二级过滤器）
（一）纤维及颗粒状介质过滤器
被用作发酵工厂 纤维介质 的总过滤器. 它是一直立的圆 活性炭颗粒 桶加上椭圆形的顶封 纤维介质 下花板 头和底封头，内部填 进口 充过滤介质，空气由 下而上通过过滤介质， 从而达到除菌目的。
解：T=273+20=293K
5
P1=1.01×10 Pa P2=1.01×10 Pa+2×10 Pa=3.01Pa
P2 5 3 . 01 × 10 T2=T1( P ) =293( ) 1 1.01×105
( K 1) / k
5
5
5
(1.31) / 1.3
=376.97k=104℃
这样高的温度，虽然不适合微生物培养要求， 另外空气含水量较高（潮湿地域和季节），为防止 过滤阶段介质受潮湿失效，必须用冷却设备将空气 降温和降湿。常用的冷却器是列管式冷却器，其结 构和计算在化工原理“传热”中已做详细介绍。 在空气冷却时，空气走壳程，为提高气相一侧 传热系数，设置圆缺型折流板，空气流速1015m/s，冷却水走管程（多管程，2-4程），水流 速0.5-3m/s
生化工程
生化工程的定义：将生物技术的实验室成果经工艺及过程开发，称为可供工业生产的工艺过程，常称为生化工程。
其实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。
研究“利用生物催化剂（酶或细胞）从事生物技术产品的生产过程”的工程科学，将工程原理应用于设计、开发和分析生物过程的科学。
生物反应工程是化学工程与生物技术的交叉学科。
生物工程的重要组成部分，包括底物或营养液的准备、预处理、转化以及产品的分离、精制等工程和工艺问题。
生化工程包括：生化反应动力学（酶反应动力学、细胞生长动力学）生化反应器（理想流动生化反应器、生化反应器的流动模型、工业化反应器）对细胞处理包括胞内控制和胞外控制，胞外控制包括：培养基的灭菌、同期搅拌、固定化技术、空气除菌、比拟放大、产品分离和纯化、发酵动力学、发酵优化控制和细胞培养技术等。
胞内控制包括：遗传育种、代谢控制、培养基平衡等。
上游加工：最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂下游加工：生物反应器为中心下游加工：从反应液中提取目的产物加工精制称合格产品。
单元操作：完成一道工序所需的一种手段和方法化学酶工程：也称初级酶工程，指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及人工酶的研究和应用。
生物酶工程包括三个方面：1.用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）2.修饰酶基因产生遗传修饰酶（突变酶）3.设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶（新酶）提高酶产量的措施：选育优良的产酶菌种或细胞、工艺条件的优化控制、高效酶反应器的设计与应用、添加诱导物、控制阻遏物浓度、添加表面活性剂、添加刺激剂、添加产酶促进剂。
青霉素发现，大规模液体发酵罐：搅拌装置（搅拌桨、轴封）通气装置（空气过滤、分散器）灭菌装置（管路、阀门、罐内）无菌状态（接种、采样、隔离）控制装置（温度、pH、溶氧、消泡）添加装置（碱、葡萄糖、前体）工程放大：摇瓶试验、小试、中试、工业化生产生物反应工程研究的内容包括两个：宏观动力学、生物反应器工程生化工程的核心是生物反应器的过程的数量化处理和动力学模型的建立。
生化工程复习资料
生化工程绪论1、 定义：生化工程是生物化学工程的简称，它是以生物技术从实验室规模扩大至生产规模为目的，以生物生产过程中带有共性的工程技术问题为核心的一门由生物科学与化学工程相结合的交叉学科。
它既是生物技术的一个重要组成部分，又是化学工程的一个分支学科。
2、 单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。
在研究单元操作时，经常用到下列五个基本概念，即物料衡算，能量衡算，物系的平衡关系，传递速率及经济核算等。
第一章 灭菌技术1、抑制有害微生物的措施：2、除菌的方法包括①培养基的加热灭菌（包括常压或蒸汽高压加热法）②空气的过滤除菌③紫外线或电离辐射④化学药物灭菌第一节 培养基的灭菌一、概述：发酵工业广泛应用蒸汽加热的方法处理大量培养基1、 高温杀菌作用的种类：2、 干热灭菌法：其中的灼烧是一种最彻底的方法，但是仅用于接种针等少数对象的灭菌。
3、 湿热灭菌法：比干热灭菌法更有效。
细菌的芽孢最耐热，一般要在120℃下处理15min 才能杀死。
➢ 常压法：包括巴氏消毒法和间歇灭菌法等。
其中，巴氏消毒法是用于牛奶、啤酒、果酒和酱油等不能进行高温灭菌的液体的一种消毒方法，其主要目的是杀死其中无芽孢的病原菌（如牛奶中的结核杆菌或沙门氏菌），而又不影响它们的风味。
是一种低温消毒法，包括LTH 法和HTST 法。
4、 影响加压蒸汽灭菌效果的因素① 灭菌物体含菌量的影响。
（天然原料尤其是麸皮等植物性原料配成的培养基，一般含菌量较高，而用纯粹化学试剂配制成的组合培养基，含菌量低。
）➢ 灭菌：采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施。
分杀菌和溶菌两种。
杀菌指菌体虽死，形体尚存；溶菌指菌体杀死后其细胞发生溶化、消失的现象。
➢ 消毒：采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部一部分对人体有害的病原菌，而对被消毒的物体基本无害的措施。
➢ 高温致死原理：使微生物的蛋白质和核酸等生物大分子发生变性、破坏。
生化工程设备-第一篇-第三章-嫌弃发酵设备-第一节,第二节
•
三是密闭容器的演变。原来是在开放式 长方形容器上面加穹形盖子的密闭发酵罐 槽，随着技术革新过渡到用钢板、不锈钢 或铝制的卧式圆筒形发酵罐。后来出现的 是立式圆简体锥底发酵罐，这种罐是20世 纪初期瑞士的奈坦(Nathan) 发明的，所以 又称奈坦式发酵罐。 目前使用的大型发酵罐主要是立式罐， 如奈坦罐、联合罐、朝日罐等。由于发酵 罐容量的增大，要求清洗设备也有很大的 改进，大都采用CIP自动清洗系统。
• 它是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成，两 头喷水管弯有一定的弧度，喷水管上均匀地 钻有一定数量的外孔，喷水管安装时呈水平. 喷水管借活接头和固定供水管相连接，它是 借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的 反作用力，使喷水管自动旋转，在旋转过程 中，喷水管内的洗涤水由喷水孔均匀喷洒在 罐壁、罐顶和罐底上，从而达到水力洗涤的 目的。对于120 的酒精发酵罐，采用36mmX 3mm的喷水管，管上开有f f4mmX 30个小孔， 两头喷嘴口径为9mm，
• 发酵的冷却装臵，对于中小理发酵罐， 多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行 膜状冷却;对于大型发酵罐，罐内装有 冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联 合冷却装臵，为避免发酵车间的潮湿 和积水，要求在罐体底部沿罐体四周 装有集水槽。采用罐外列管式喷淋冷 却的方法，具有岭却发酵液均匀，冷 却效率高等优点。
• 酒精发酵罐的洗涤，过去均 由人士操作，不仅劳动强度 大.而且二氧化碳气体一旦未 彻底排除，人工人罐清洗会 发生中毒事故。近年来，酒 精发酵健已逐步采用水力暗 射游涤装骨.从 • 而改善了人士的劳动强度和 提高了效率。大型发酵罐采 用这种水力洗涤装臵尤为重 要。 • 水力洗涤装臵如图1-3-2所 示。
• 1. 发酵池数目的确定 • 采用小容量的发酵池，将导致一系列非生产消耗的 增加。体积小，池数目多，又必然会增加投资费用， 所以一般不宜采用。在一个发酵池内可容纳一次麦 芽汁量的前提下，发酵池的数目可按下式计算:
生化工程
生化工程：生化工程是由生物学，化学，工程学组成的一门交叉学科，主要研究把生物学的实验室成果转化为生产力过程的带有共性的工程技术，是生物技术的一个重要组成部分。
生长速率：单位时间内微生物细胞浓度的增加。
发酵动力学：研究发酵过程中微生物的生长，基质的浓度，产物的浓度产物的形成等因素之间关系的学科。
比生长速率：微生物生长速率与细胞浓度的比值。
倍增时间：细胞浓度增加一倍所用的时间。
代时：所有的菌种都以相同的世代时间进行繁殖，此时代时和倍增时间相等。
限制性基质：在培养微生物的营养物质中对微生物的影响起限制作用的营养物质。
细胞或产物的得率：消耗单位质量的基质所得到的细胞或产物的量。
细胞的理论得率：基质完全被利用时细胞的得率。
过饱和曲线：溶质能够自发地结晶出来的浓度与温度的关系曲线。
流化床：当Umf＜U＜Ut时，颗粒就悬浮在空气中，而作随机运动，床层高度随气流速度的增大而增大。
沸腾干燥（流化床干燥）：利用流态化技术，即利用热空气使孔板上的物料呈现流化沸腾状态，使水分迅速汽化，从而使物料得以干燥。
雾沫夹带：塔板上的部分液体被上升的蒸汽夹带到上层的塔板上，使得上层塔板的酒精浓度降低，塔板效率下降的现象，其影响因素有：空塔汽速，板距，泡浮深度和物料的气泡性。
淹塔：当液体经降液管下降至下一层塔板上，由于各种阻力，必定会在浆液管中形成一定的高度，当阻力增大时，管中的液层会上升，当上升至上下两层液体串通时，则成液泛，从而发生淹塔。
介稳区：介于过饱和溶液和饱和溶液之间的浓度的溶液，若无晶体或其他因素存在，他还是比较稳定的，可以保持较长的时间不会自然结晶析出。
育晶区：介稳区中接近饱和溶液曲线部分。
晶种起晶：将溶液浓缩或者冷却到育晶区，加入一定数量和大小的晶种，同时利用搅拌器搅拌，使粒子均匀悬浮于溶液中，溶液中的饱和溶质就会慢慢扩散到晶种周围，在各晶面上排列，使晶种长大。
气流干燥：利用热空气与物料在流动过程中充分接触，气体与固体进行传热传质，从而使湿物料得以干燥。
化学工程中的生化反应工程
化学工程中的生化反应工程化学工程是一门综合性的学科，它以化学反应为基础，涉及到物理学、数学、工程学等多个学科的知识。
其中，生化反应工程是化学工程的一个分支，也是现代工业中不可或缺的一部分。
本文将介绍生化反应工程的相关知识。
一、生化反应工程的定义生化反应是指生物体内对某些物质进行化学转化的过程。
而生化反应工程则是利用化学反应原理进行生物体外的工程生产，包括发酵、纯化、分离等过程。
生物化学工程是生化反应工程的重要组成部分，是指利用化学反应的方式研究生物体内的化学转化及其机制，参与化学反应的大部分为生物大分子，如蛋白质、多糖、核酸等。
二、生化反应工程的应用领域生化反应工程的应用领域非常广泛，主要涉及到以下几个方面：1、生物制药生物制药是生化反应工程最为重要的应用领域之一。
利用生物体内的化学反应原理和技术，可以生产出一系列的生物制品，如酶、抗体、疫苗等。
其中酶是生物制药中的核心产品之一，如著名的碱性磷酸酶和葡萄糖氧化酶等。
生物制药的生产过程较为复杂，需严格控制各个环节的操作，一旦出现失误，将会导致产品失去活性，浪费大量的时间和人力成本。
2、食品工业生化反应工程在食品工业中也拥有广泛的应用，可用于生产具有高营养价值、美味可口的食品，如乳制品、酿造类食品等。
其中，酿酒是最早应用生物反应工程技术的食品行业之一，其主要利用发酵反应原理进行酒的酿造。
随着食品科学和生物技术的不断发展，生化反应工程在食品工业中的应用将更加广泛。
3、环境保护生化反应工程在环境保护领域中也有很大的应用，如处理废水、煤气、固体废料等。
其中最常见的应用是生物法处理废水。
生物法利用生物反应器中的微生物菌群将有害废水中的有机物分解为CO2、水和其他无害的化合物，从而达到净化废水的目的。
三、生化反应工程的工艺流程生化反应工程的工艺流程大致分为三个步骤：发酵、分离和纯化。
1、发酵发酵是生化反应工程的第一步，主要包括物料筛选、微生物菌种筛选、场地规划以及发酵条件的调节等环节。
生化分离工程的一般工艺流程
生化分离工程的一般工艺流程生化分离工程是一种利用不同物质的化学或生物特性差异进行分离的工程技术。
它主要应用于制药、食品、化工等领域，用于提取、分离和纯化目标物质。
下面将介绍一般的生化分离工艺流程。
一、前处理前处理是生化分离工程的第一步，主要目的是将原料进行预处理，以去除杂质、减少影响分离效果的物质，为后续的分离步骤做好准备。
前处理的具体步骤包括物料破碎、浸泡、搅拌等。
二、提取提取是生化分离工程的核心步骤，它是将目标物质从原料中提取出来的过程。
提取方法多种多样，常用的方法包括溶剂提取、超临界流体提取、浸提等。
在提取过程中，需要控制好提取的时间、温度、pH值等因素，以提高提取效率和提取纯度。
三、分离分离是将提取得到的混合物中的目标物质与其他物质进行分离的过程。
常用的分离方法有蒸馏、结晶、萃取、吸附、离心、膜分离等。
分离的选择要根据目标物质的特性以及产品的要求来确定。
四、纯化纯化是将分离得到的目标物质进一步提纯的过程。
纯化的方法有很多种，常用的方法有晶体生长、再结晶、色谱层析、电泳等。
纯化的目的是提高产品的纯度和质量。
五、精制精制是对纯化后的物质进行进一步处理，以达到更高的纯度和质量要求。
精制的方法包括洗涤、溶解、过滤、干燥等。
在精制过程中，需要注意控制操作的条件，防止杂质的污染。
六、成品制备成品制备是将精制后的物质进行最终的加工和包装，以获得成品产品。
成品制备的步骤包括配制、混合、包装等。
在成品制备过程中，需要严格控制生产工艺，确保产品的质量和安全性。
七、检测与分析检测与分析是生化分离工程的重要环节，它用于检验产品的质量和性能。
常用的检测与分析方法包括色谱分析、质谱分析、核磁共振等。
通过检测与分析，可以对产品进行定性和定量的分析，为产品的质量控制提供依据。
八、工艺优化与改进工艺优化与改进是生化分离工程的持续改进过程。
通过对工艺流程的优化和改进，可以提高产品的产率、纯度和质量，降低生产成本，提高经济效益。
生物化学工程习题
6. 影响微生物生长的因素有哪些？其对发酵生产有何指导作用？
7. 何为分批培养？有何优劣？
8. 什么是连续培பைடு நூலகம்？有何优劣？
9. 连续培养中的稀释率是如何定义的？
10. 为什么在单级连续培养中有菌体循环比无菌体循环的发酵效率高？
11. 补料分批培养主要应用在哪些情况中？
12. 灭菌方法主要有哪几种？发酵工业中为何应用最广泛的是湿热灭菌？ HTST灭菌的理论基础是什么？
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生物化学工程习题
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/26
生物化学工程习题
基本特点如何？ 5. 简述酶在食品、轻工、化工和医疗业中的应用。 6. 在工业生产中，若要使某一酶催化的反应速度从最大反应速度的10%
提高到最大反应速度的90%、95%时，其底物浓度的改变分别是多 少？
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生物化学工程习题
第四章 基因工程概要
1. 什么是基因工程？DNA重组技术包括哪些步骤？ 其应用价值如何？
2. 什么是基因工程菌？其制造程序和应用前景如何？ 3. 什么是胚胎克隆、体细胞克隆及异种克隆？其理
论基础是什么？ 4. 什么是转基因动物？其有哪些方面的应用？
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生物化学工程习题
第五章 生化反应器
• 1. 什么是生化反应器？其有何特点？ • 2. 生化反应器的设计原则是什么？ • 3. 什么是连续式生化反应器，它包括哪两种理想模型？各
生物化学工程习题
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2020/11/26
生物化学工程习题
第一章 绪论
1. 什么是生化工程？其与生物技术及其他学科的 关系如何？
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三 生化工程学的起点 青霉素的发现
• • •
1928年由 Fleming发现青霉素 1939年 弗洛里、钱恩研究临床效用 1941年 青霉素进行生产研究
弗莱明（1928 ）发现青霉素并将青霉素培养物 的滤液中所含抗细菌的物质称为“青霉素”
当前水平60000～80000U/ml(150m3)
牛津大学弗洛里 化学家钱恩（E.Chain）获得 （H.florey，1938 ～ 1939） 精制品，1940在美国产业化
• • • • 酿酒：BC 2100 古巴比伦； 中国商代“酒池肉林”，BC1300； 酿醋出现的时间几乎和酿酒同步； 制作面包,奶酪； 天花的活疫苗：公元10年
The Evolution of Biochemical Engineering
• 史前时代，人们还不知道什么是酶或微生物时，就已利用它 们进行有用物质生产了。
1.挽救法国的酿酒业 2.挽救法国的养蚕业 3.炭疽病和鸡霍乱病,狂犬病预防接种 • 成功源于坚持 四十六岁半身不遂，其后30年是其成就顶峰 • “告诉你使我达到目标的奥秘吧，我的唯一力量就是我的坚 持精神
发酵工程的早期阶段
人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于
厌氧发酵: 利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发酵食品。 1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁醇，德国采用亚硫酸 盐法生产甘油（第一次世界大战）──由食品工业向非食品工 业发展 好氧发酵: 速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵母，用米曲霉的麸 曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小毛霉生产干酪。 1933年发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养法。生长均匀 ，增殖时间短。
核心：实现物质转化
发酵车间
发酵罐
酶反应器
植物细胞培养反应器
一般生物反应过程示意图 生物催化剂（酶、细胞、动植物） 种子 原料及处理
培养基制备与灭菌
无菌空气
生化反应器 提取精制 产品 副产品 废物
检测控制系统
菌种筛选
发酵罐试验 摇瓶试验
Fermentation engineering
发酵工程组成
上游工程 UPSTREAM PROCESSES 从广义上讲，由三部分组成： 上游工程、发酵工程、下游工程
下游工程
FERMENTATION Process Control
DOWNSTREAM PROCESSES
Chapter 3.本课程的内容和要求
主要内容：
第一章 绪论(2) 内容: 本学科的研究内容、学科发展、其地位及发 展前景 第二章 培养基灭菌(5) 内容：加热灭菌的基本原理、分批灭菌的技术及计算 重点：加热灭菌的基本原理（微生物热死灭动力学、 营养物分解动力学）；分批灭菌的计算
龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元前 200年，作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早的诗集《诗 经》中就提出过采用厌氧进行亚麻浸渍处理。
Technology
“个别的学问 knowledge of individuation”， 解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁 而变化。 • 具体的技术可以用记述的方法来表现。
Elementary Knowledge
Bioreaction Engineering From Bio-appearance to Bioprocess Design
From Bioprocess Design to Systems Biology
一、生物化学工业的一般过程：
化学反应 原料 预处理 生物反应 后处理 产品
•
二 发酵工业走向科学
• • •
1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在 1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵母发酵引起的 1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 ─── 酶
• 1857年巴斯德（Pasteur）证明 酒精发酵是由活酵母引起的。
法兰西的英雄——路易士· 巴斯德
（Louis Pasteur，法国，1822年～1895年）
微 生 物学 家 和生 物 化学 家 赛尔 曼 · 阿 勃 拉 罕姆 瓦克斯曼发现链霉素 “痨病”有克星
• 青霉素的生产规模化
1941年 美国和英国合作对青霉素进行生产研究
•
表面培养：1升锥形瓶，内装200mL麦麸培养基 产率：40u/ml 5m3 产率：200u/ml
1943年
1946－1948年：通风搅拌发酵罐设计－标志生化工程学诞生
Introduction
1. 生化工程学科的产生 2. Definition of Bioreaction Engineering 定义 3. Objective,Content and Method 学习本课程的 目的、内容与方法
Chapter 1. 生化工程学科的产生
一 传统的发酵业-混沌时期
参考书及文献
• 王岁楼主编，《生化工程》，中国医药科技出版社，2002 • 伦世仪主编，《生化工程》，中国轻工业出版社 2002 • 贾士儒主编，生物反应工程原理（21世纪高等学校教材），科学出版 社，2003
谢谢大家！
建立了一套完整的好氧发酵技术，大型搅拌发酵罐培养方法 推动了整个发酵工业的深入发展 为现代发酵工程奠定了基础
Chapter 2. 生物化学工程定义（Biochemical Engineering） 运用化学工程学原理方法, 将生物技术 实验成果进行工程化、产业化开发的一门学科。 实质：研究生物反应过程中的工程技术问题，是 微生物学、生物化学与化学工程结合。
当今：100m3─200m3
•
产率： 5-7万u/ml
链霉素、金霉素、新霉索、红霉素….
关键技术：
1.通气搅拌解决了液体深层培养时的供氧问酵罐的密封与抗污染设计制造。 奠定生化工程学科基础。
意义：
• • • •
促进抗生素工业的发展，
第三章 空气除菌(5)
内容：过滤除菌机制，空气过滤器的计算（过滤效率和穿透率、对数穿 透定律、过滤常数K的确定），过滤介质和流程选择 重点：空气过滤器的计算（对数穿透定律、过滤常数K的确定） 第四章 传氧与通气搅拌(6) 内容：氧的传递，双膜理论，传氧速率方程，搅拌功率的计算 重点：氧的传递，传氧速率方程，体积溶氧系数的测定，搅拌功率 的计算。
第五章 发酵罐的比拟放大(4) 内容：比拟放大的方法， 机械搅拌发酵罐的比拟放大 重点：机械搅拌发酵罐的比拟放大及相关计算
第六章 微生物培养及发酵动力学(6) 内容： 微生物生长曲线及发酵动力学 产物形成动力学 重点：分批培养动力学
课程要求： 要求学生掌握生化工程的主要理论、概念、研究方法，多 加练习掌握工业化过程的相关技术。 • 基本概念要清楚，基础理论要理解， • 主要公式要会用，研究方法要掌握。 • 课堂讲授与现场练习 • 课后作业 • 成绩：平时作业＋考试成绩