生物工程设备第3,4章
生物工程设备
设备价格：根据预算和设备性能选择合适的设备价格保证 性价比。
设备安装：选择专业的安装团队保证设备的正确安装和使 用。
设备维护：制定定期的维护计划保证设备的正常运行和使 用寿命。
设备性能参数
设备类型：生 物反应器、离 心机、过滤系
统等
容量：根据生 产规模选择合
发酵器：用于微生物发酵如酵 母、乳酸菌等
发酵床：用于微生物发酵如蘑 菇、木耳等
发酵箱：用于微生物发酵如面 包、蛋糕等
酶反应器
酶反应器是一种用于生物工程设备的重要类型 酶反应器主要用于酶催化反应如酶催化合成、酶催化降解等 酶反应器的主要组成部分包括反应器本体、搅拌系统、温度控制系统、压力控制系统等 酶反应器在生物工程领域具有广泛的应用如生物制药、生物燃料、生物材料等
膜分离设备
原理：利用膜 的渗透性差异 实现物质分离
应用：生物制 药、食品加工、 环境工程等领
域
特点：高效、 节能、环保、
操作简便
主要类型：微 滤、超滤、纳 滤、反渗透等
离心分离设备
离心转子：用于固定离心管 使其在离心过程中保持稳定
离心管：用于收集离心后的 液体和固体颗粒
离心机：用于分离液体和固 体颗粒如血液、细胞等
生物工程设备的生 产应用
在制药行业的应用
生物反应器：用 于生产疫苗、抗 体、酶等生物制 品
细胞培养系统： 用于细胞培养、 细胞工程、细胞 治疗等领域
生物分离技术： 用于分离、纯化 药物、蛋白质等 生物制品
生物检测技术： 用于药物质量控 制、药物安全性 评价等领域
在食品行业的应用
食品加工：生物工程设备可以用于食品的加工和生产如发酵、酶解等。
3生物分离工程技术第三章固-液分离技术-第二讲离心技术-文档资料
5、物质的沉降系数
• 假定液体浓度稀薄其黏度为O，颗粒物质为正圆 形，则混溶于液体的颗粒性物质在引力场作用下 的沉降过程仅受重力和液体浮力双重影响。离心 时作用于沉降颗粒的离心力是：
f1颗粒 颗 体 粒 积 液 体 相相 对 对 离 1 6d3密 心 度 力 2
• 根据Stokes定律，离心时沉降颗粒遇到的阻力是：
②相对离心力“ RCF ”
相对离心力是指在离 心场中，作用于颗粒的离 心力相当于地球重力的倍 数，单位是重力加速度“g” （ 980cm/sec2） ,“RCF” 相对离心力可用下式计算：
RCF＝ω2r ω＝2πrpm
980
60
RCF = 1.119×10－5×(rpm)2 r
( rpm — revolutions per minute生每物分分钟离转(数工，程r)/技mi术n )
• 离心分离过程就是以离心力加速不同物质 沉降分离的过程。被分离物质之间必须存 在或经人为处理产生的密度或沉降速率差 异才能以离心方法进行分离。
生物分离(工程)技术
2、离心机的选择
• 常速离心机：最大转速在8000r／min以内，相对离心
力(RCF)在l×l04×g以下。主要用于细胞、细胞碎片和培养基 残渣等固形物的分离，也用于酶的结晶等较大颗粒的分离。
缺点：
①离心时间较长；②需要制备惰性梯度介质溶液； ③操作严格，不易掌握。
生物分离(工程)技术
(1)差速区带离心法的特点
• 离心管先装好密度梯度介质溶液， 样品液加在梯度介质的液面上， 离心时，由于离心力的作用，颗 粒按不同沉降速度向管底沉降， 离心一定时间后，沉降的颗粒逐 渐分开，最后形成一系列界面清 楚的不连续区带，沉降系数越大， 往下沉降越快。
生物工程设备
反应
生物反应器
生物反应器——大规模培养微生物、动物细胞、植 物细胞，获得其代谢产物或生物体的设备。 生物反应器要满足和调控微生物、动物细胞、植物 细胞的最适宜生长和合成的环境，是工业化大规模细胞 培养过程唯一一个把原料转化为产物的设备。 一个优良的生物反应器应具有良好的传质、传热和 混合的性能；结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护 方便；有可靠的检测和控制仪表；搅拌及通气所消耗的 动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。
生物工程设备
生物工程 基因工程 主要操作对象 基因及动物细胞、 植物细胞、微生物 工程目的 改造物种 与其它工程的关系 通过细胞工程、发 酵工程使目的基因 得以表达 可以为发酵工程提 改造物种 获得菌体及各 种代谢产物 供菌种、使基因工 程得以实现 为酶工程提供酶的 来源
细胞工程
动物细胞、植物细
胞、微生物细胞
2.减速期 • Monod方程：
• 二 ）产物形成动力学
（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：
（二）代谢产物形成的动力学模型
• Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种 类型。 • 1 类型Ⅰ称为相关模型，或称伴随生长的产物形成模型。 • 其动力学方程可表示为 • dP/dt=αdX/dt • π＝αμ • 式中 P——产物浓度 • α——系数 • π——产物形成比率即π= dP/dt/X
4）1960~1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80~150m3， 出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交 换问题，计算机广泛应用. 5）1979~今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工 程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展.
三、生物反应器的分类
人教版高中生物学选择性必修3生物技术与工程课后习题 第3、4章章末测评卷
第3、4章章末测评卷一、选择题(共20小题,每小题2分,共40分。
每小题只有一个选项符合题目要求)1.基因工程是对DNA的设计施工,下列“工具”在基因工程中不会使用的是( )A.限制酶B.DNA连接酶C.质粒或病毒D.RNA复制酶2.下列有关生物技术安全性的叙述,不正确的是( )A.我国对农业转基因生物实行了标识制度B.转基因技术本身是中性的,我们要靠确凿的证据和严谨的逻辑进行思考和辩论C.我国政府主张全面禁止和彻底销毁生物武器D.为防止生物技术用于生产生物武器,严禁进行生物技术的新研究3.T4 DNA连接酶可将任意2个具有相同黏性末端的DNA片段连接在一起。
该反应过程需消耗ATP,其水解产生的腺苷一磷酸(AMP)通过共价键与酶相连,随后AMP转移至DNA片段,进而完成连接反应。
下列叙述正确的是( )A.T4 DNA连接酶的底物种类较多,故其无专一性B.T4 DNA连接酶催化反应后,其组成成分已改变C.ATP在该反应过程中可能打开两个特殊的化学键D.T4 DNA连接酶需保存于最适温度和pH条件下4.作物脱毒、改善畜产品品质、抗除草剂作物的研发、可保存的干扰素的研发,依次应用了下列哪项生物技术? ( )①基因工程②细胞工程③蛋白质工程④胚胎工程A.①②②③B.②①①③C.②①②③D.②①②④5.(福建三明期末)下列关于“DNA的粗提取与鉴定”“DNA片段的扩增及电泳鉴定”实验的叙述,正确的是( )A.分离DNA和蛋白质的原理是DNA溶于酒精但某些蛋白质不溶于酒精B.将白色丝状物加入二苯胺试剂后沸水浴,待试管冷却后观察颜色变化C.在沸水浴或微波炉内加热至琼脂糖熔化,稍冷却后加入适量核酸染料D.将扩增得到的PCR产物与电泳缓冲液混合后缓慢注入凝胶加样孔内6.(福建厦门二中月考)下列关于农杆菌转化法的叙述,错误的是( )A.若用Ti质粒作载体,目的基因的插入位置应该在T-DNA片段内B.将重组Ti质粒导入农杆菌中时,可以用Ca2+处理细菌C.农杆菌能将重组Ti质粒转移到被侵染的植物细胞内,并将其整合到染色体DNA上D.能在植物细胞中检测到目的基因,还不能说明转化成功7.(黑吉辽卷)关于采用琼脂糖凝胶电泳鉴定PCR产物的实验,下列叙述正确的是( )A.琼脂糖凝胶浓度的选择需考虑待分离DNA片段的大小B.凝胶载样缓冲液中指示剂的作用是指示DNA分子的具体位置C.在同一电场作用下,DNA片段越长,向负极迁移速率越快D.琼脂糖凝胶中的DNA分子可在紫光灯下被检测出来8.生物安全是指与生物有关的各种因素对社会、经济、人类健康以及生态环境所产生的危害或潜在风险。
第四章生物反应器(2)
生物工程设备课件
（三）酒精发酵罐的计算
1．结构尺寸的确定 2．发酵罐罐数的确定 3．发酵罐冷却面积计算
生物工程设备课件
1．结构尺寸的确定
全容积：
V＝V0/φ， m3
V0-进入发酵罐的发酵液量，m3；
φ -装液系数，0.85~0.90
有锥形底、盖的圆柱形发酵罐的全体积
V D2 H h1 h2
2．主要结构参数 ：反应器高径比H/D 、导流 筒径与罐径比DE/D 、空气喷嘴直径与反应器 直径之比等
3．操作参数 ：液面高度、操作气速 、溶液的 性质 等
生物工程设备课件
气升式反应器的设计
1．液体喷射循环反应器基本设计参数 2．液体喷射循环反应器的循环阻力 3．液体喷射循环反应器中驱动循环的功率和
8-冷却水出口 9-温度计 10-喷淋水收集槽 11-喷淋水出口 12-发酵液及污水排出口
生物工程设备课件
2．换热装置
中小型发酵罐多采用罐顶喷水淋于罐外壁面进 行膜状冷却；大型发酵罐罐内装有冷却蛇管， 和罐外壁喷洒联合冷却装置
3．洗涤装置
水力喷射洗涤装置
洗涤水入口
图4-48 发酵罐水力洗涤器
生物工程设备课件
生物工程设备课件
生物工程设备课件
生物工程设备课件
山东中德设备有限公司
生物工程设备课件
自动清洗系统（CIP）
生物工程设备课件
CO2 排出口
洗涤液进口 1
2 3 4
2．大直径露天贮酒 罐
为柱体形罐，略带 浅锥形底，内设自 动清洗装置，罐底 部有CO2喷射环外， 部是保温材料，厚 度达100-200毫米。
部封头设有人孔、视镜、安 全阀、压力表、二氧化碳排 出口；采用自动清洗系统 （CIP）
生物工程设备课程设计
生物工程设备课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解生物工程设备的基本概念、分类及其在生物技术产业中的应用；2. 掌握生物工程设备的工作原理、操作流程及维护方法；3. 了解生物工程设备在生物制品生产中的关键作用及影响产品质量的因素。
技能目标：1. 能够分析生物工程设备在生物制品生产中的适用性，并进行合理选型；2. 学会使用生物工程设备进行实验操作，并能处理简单的设备故障；3. 能够根据生产需求，对生物工程设备进行优化配置，提高生产效率。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对生物工程设备的兴趣，激发他们探索生物技术领域的热情；2. 增强学生的环保意识，使他们认识到生物工程设备在生物制品生产中的环保责任；3. 培养学生的团队合作精神，让他们在合作学习中体验到生物工程设备研究的乐趣。
课程性质分析：本课程为高年级生物工程专业课程，旨在帮助学生将理论知识与实际应用相结合，提高他们在生物技术产业中的实践能力。
学生特点分析：高年级学生对生物工程有一定了解，具备一定的理论基础，但实践经验不足。
学生对新鲜事物充满好奇，具备一定的自主学习能力和团队合作精神。
教学要求：1. 结合实际案例，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力；2. 采取小组合作、讨论等形式，引导学生主动参与教学活动，培养学生的自主学习能力和团队合作精神；3. 强化实践环节，注重培养学生的动手能力，提高他们在生物技术产业中的竞争力。
二、教学内容1. 生物工程设备概述- 设备分类与原理- 生物工程设备在生物技术产业中的应用2. 常见生物工程设备及其操作- 发酵罐、生物反应器等设备的工作原理与操作流程- 设备的维护与故障处理3. 生物工程设备在生物制品生产中的应用- 生物制品生产过程中的关键设备选型与配置- 影响生物制品质量的设备因素及解决方法4. 生物工程设备优化与技术创新- 生物工程设备的优化方法与策略- 生物工程设备在生物技术领域的技术创新案例5. 教学实践与案例分析- 组织学生进行生物工程设备实验操作- 分析实际案例，探讨生物工程设备在生产中的应用及优化教学内容安排与进度：第一周：生物工程设备概述第二周：常见生物工程设备及其操作第三周：生物工程设备在生物制品生产中的应用第四周：生物工程设备优化与技术创新第五周：教学实践与案例分析教材章节关联：本教学内容与教材中“生物工程设备”章节相关内容紧密关联，涵盖了设备原理、操作、应用与优化等方面的知识，旨在帮助学生全面了解生物工程设备在生物技术产业中的重要作用。
生物分离工程 第4章-细胞的破碎-
细胞壁的组成与结构
微生物 壁厚/nm 层次 主要组成 革兰氏阳性 细菌 20~80 单层 肽聚糖（40 ％～90％）、 多糖、胞壁 酸、蛋白质、 脂多糖（1 ％～4％） 革兰氏阴性 细菌 10~13 多层 酵母菌 100~300 多层 霉菌 100~250 多层
肽聚糖（5 葡聚糖（30 多聚糖（80 ％～10％） ％～40％） ％～90％） 脂类、蛋白质 脂蛋白、脂 甘露聚糖 多糖（11 （30％）、 ％～22％） 蛋白质（6 磷脂、蛋白 ％～8％）、 质 脂类（8.5 ％～13.5）
n
为了研究细胞的破碎，提高其破碎率，有必要了解各种微 生物细胞壁的组成和结构。
8
第一节 细胞壁的组成与结构
微生物细胞和植物细胞外层均为细胞壁，细胞 壁里面是细胞膜，动物细胞没有细胞壁，仅有 细胞膜。 通常细胞壁较坚韧，细胞膜脆弱，易受渗透压 冲击而破碎，因此细胞破碎的阻力主要来自于 细胞壁。 不同细胞壁的结构和组成不完全相同，故细胞 壁的机械强度不同，细胞破碎的难易程度也就 不同。
在细胞内沉积。 脂类物质和一些抗生素包含在生物体中。
对于胞内产物需要收集菌体或细胞进行破碎。
5
细胞破碎的必要性
表1 胞内酶举例
酶 L-天冬酰氨酶 过氧化氢酶 胆固醇氧化酶 β-半乳糖苷酶 葡萄糖氧化酶 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 来源 Eruinia Caratovora Escherichia Coli Aspergillus niger Nocardia hodochrous Kluyveromyces fragilis Saccharomyces lactis Aspergillus niger Penicilluim notatum Yeast 应用范围 治疗急性淋巴癌 牛奶灭菌后H2O2的清除 胆固醇浆液分析 在牛奶/乳清中乳糖的水解 作用 葡萄糖浆液分析 食品中氧的清除 临床分析
生物工程下游技术教案-第四章
第四章萃取一、本章基本要求：（1）掌握溶剂萃取法的基本理论、工艺过程以及基本的计算；（2）掌握双水相萃取的一般方法；（3）掌握反胶束溶液形成的条件及反胶束萃取的适用范围；（4）掌握超临界的萃取原理；（5）了解溶剂萃取法所用设备；（6）了解影响双水相萃取的因素；（7）了解SC- CO2萃取流程在及在生物、食品工业中的应用。
二、教学的重点和难点：重点：超临界的萃取原理；反胶束萃取蛋白质的基本原理及影响反胶束萃取蛋白质的主要因素；双水相萃取理论及影响因素；溶剂萃取过程的理论基础及萃取剂的选择。
难点：超临界的萃取原理；反胶束萃取蛋白质的基本原理；双水相萃取理论；溶剂萃取过程的理论基础三、主要教学设计（方法、手段等）：本章第一次课对本章的内容做一大致介绍，以一张萃取的分类图表示。
每次课之前5分钟对上次的内容进行复习，以加深学生印象。
对本章的内容主要是用讲述的形式，中间以提问的形式加强有力互动和提高学生的注意力，每小节给予一定的思考题。
四、学时分配：1.溶剂萃取和浸取（4学时）2.双水相萃取法（2学时）3.反胶束萃取法（2学时）4.超临界CO2萃取（2学时）五、参考资料及补充习题：思考题：1、何谓溶剂萃取？其分配定律的适用条件是什么？3、何谓乳化液？乳化液稳定的条件是什么？常用去乳化方法有那些？4、在发酵工业中，去乳化有何实际意义？5、类固醇萃取：含有6.8mg/l类固醇的水溶液被二氯甲烷提取,已知类固醇的平衡常数为170,萃取中水与溶剂的比例为82,问提取后有机相的浓度是多少?类固醇被提取的收率是多少?6、比较溶剂萃取与浸取的异同点？7、生物萃取与传统萃取相比的特殊性。
8、描述浸出的基本过程？9、溶剂萃取、反萃取、浸取、乳化、分离因素、表面活性剂10、已知弱酸和弱碱在水相中的电离平衡Kp，由下图试推导出K和K0、KP的关系式可经理论推导如下：K=K0[H+]/（KP +[H+]）（弱酸）K=K0KP /（KP +[H+]）（弱碱）11、某澄清的发酵液中含260mg/l放线菌D,现用醋酸丁酯进行多级萃取。
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动物细胞的培养特点
• 动物细胞对周围环境比较敏感 无细胞壁保护，因而外界的物理化学因素很容 易产生影响。
• 动物细胞培养基的要求高
与细菌和植物细胞不同，其需要12种必需氨基 酸、8种以上的维生素、多种无机盐和微量元 素、作为主要碳原的葡萄糖以及多种细胞生长 因子和贴附因子，而且不同种类要求又有变化。
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细胞培养的生物反应器要符合以下要求:
合适的氧传递; 良好的流动特性; 低的剪切力。
生物反应器类型:
机械搅拌式(调整搅拌叶轮形状不伤害细胞); 气动式（鼓泡和气体喷射式); 两种形式的组合型式。
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• 几种固定化植物细胞反应器: 填充床生物反应器 流化床生物反应器 膜生物反应器
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填充床生物反应器: 细胞固定在胶粒、泡沫， 也可以位于支持物的表面，通过培养液流 动实现混合和传质。
流化床生物反应器: 细胞包裹于胶粒、泡沫 颗粒中，通过空气培养基在反应器内的流 动使固定化呈流态化悬浮，其缺点在于剪 切力和颗粒碰撞会破坏固定细胞。
膜反应器是近年使用广泛的一种固定化反应 器。最常用的膜反应器是中空纤维和螺线 式卷绕反应器。膜反应器的传质效率低和 易堵塞问题同样存在，且反应器投资大。
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微藻培养的特点
• 光照要求高; • 光自养; • 有机物异养和兼养(一般低于微生物); • 异养生长速度快过光自养; • 营养盐要求齐备, C, N, P为必需; • 生长条件粗放.
主要用于螺旋藻和小球藻的培养
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微藻培养用生物反应器
• 跑道式敞口培养系统(游泳池式), 水深~30CM; • 封闭式光培养反应器; • 光照生物反应器, 搅拌罐和气升罐均可.
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1、悬浮培养 适用于一切种类的非贴壁依赖性细胞（悬浮细胞），也适
用于兼性贴壁细胞。目前生产中用于悬浮培养的设备主 要是通气搅拌式生物反应器和气升式生物反应器.
2、贴壁培养 适用于贴壁依赖性细胞，也适用于兼性贴壁细胞。适用的
细胞种类广，较容易采用灌流培养的方式使细胞达到高 密度.
3、贴壁-悬浮培养，或称假悬浮培养
• 与酒精生产反季节。气体的储存
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酒精发酵罐的冷却
• 盘管冷却最常见;
• 热量的平衡; 按厌氧发酵消耗1kg麦芽糖产热650kJ计算 (为设备预留冷却余量)
注: 一般发酵好氧消耗1mol氧气产热460kJ
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啤酒发酵设备
• 前酵(8~15 OC)与后酵(0~5 OC)
前酵特点: 扩增酵母;温度较高;产气多;时间短 后酵特点: 产生风味;温度较低;产气少;时间长
植物细胞比细菌大得多，直径约为10~200m，具有 细胞壁，对剪切力敏感。在培养时当转速超过一 定数值，细胞生长明显下降，并且出现死亡和破 碎现象。
植物细胞培养过程中细胞常以团状存在，且在培养 后期团状颗粒逐渐增大，过大的颗粒使团中心营 养水平不足，影响其次生代谢产物的合成能力， 并且团内的微环境难以控制，成团也影响了反应 器中的均匀分布，使混合效果较差，尤其是在培 养后期和高密度培养过程中，但一定的颗粒大小 和分化又对次生代谢物的合成起促进作用。
第三章 嫌气发酵设备
• 酒精发酵设备 • 啤酒发酵设备 • 连续发酵
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CIP自动清洗系统
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2
P55
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3
P71
酒精发酵的CO2回收
1, 冷却回收酒精;
2, 加压储存CO2; 纯度高, 量大, 应用于碳酸 饮料工厂
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4
CO2在碳酸饮料中的作用
• 抑菌； • 气化时散热； • 改善口感。
（1）微载体培养;
（2）包埋或微囊培养;
（3）结团培养
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微囊培养系统
• 活细胞(或酶) + 海藻酸钠;
• 滴入氯化钙溶液形成胶粒;
• 氨基酸聚合物,多聚赖氨酸包被胶粒;
L-2,6-二氨基已酸
• 液化洗脱海藻酸钙(成胶物质);
• 活细胞(或酶)教微学pp囊t
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• 保温措施, 设备周转
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连续发酵
生长速率等于稀释速率
D, 稀释速率,单位时间进入反应器的料液量/ 反应器内的总料液量
u, 生长速率,单位时间生物倍增或生产产物 的速度
单位:时间的倒数
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8
第四章 植物细胞(组织)和动物细胞培养反应器
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10
植物细胞的培养特点