搜索
学习方式老师课堂讲授同学们分组、分专题讨论期末考试小组讨论作业考勤生物工程下游技术我国发展生物技术产业，迫切需要两方面人才：从事实验室研发的“上游学术人才”，能帮助提升中国的生物科技水平；熟悉科技成果产业化操作的“下游工程人才”，能及时将科技成果产业化。重要原因之一：企业管理、市场营销以及金融投资方面的人才大多不懂生物技术，同时专业的生物技术人才又不懂市场开发。“上游开发”仅比国际水平落后3—5年，而“下游工程”却至少相差15年以上。中国生物技术与发达国家的差距之一：研究与市场脱节第一讲生物反应器课时：2节课主要内容：生物工程下游技术课程的简介（理解）生物反应器的一些概念（掌握）生物反应器的基本类型（掌握）细胞生长及代谢过程动力学（了解）生物反应器的设计（难点）生物工程专业知识体系上游基因工程：从基因之分子层次，开发生物系統菌种分离、鉴定保存与育种技术蛋白质工程：蛋白质分析、結构、功能、合成等，以及从分子层次改变酶及蛋白质之特性中游細胞培养与細胞工程：动植物細胞及微生物培养技术发酵工程：发酵最适化、发酵控制微生物工程：菌种、培养基、发酵工艺、杂菌下游酶工程：酶催化性质、酶固定化和修饰、新酶开发等生物反应器：设計、自动化免疫应用技术：抗原、抗体生物分离技术:产品回收、纯化、制备、放大、试产生产。生化检测分析技术生物工程下游技术概念狭义：专指生物物质产品的分离纯化技术。主要包括细胞破碎、固液分离、膜分离、层析技术、电泳技术等。广义：生物反应器、生物物质分离、产品分析检测及质量监控。目前尚无明确概念何谓生物反应过程？广义上一切动植物、微生物的生长繁殖都可以看作是生物反应过程。狭义上指那些能够应用于生物工业中的过程。生物反应过程原料的预处理及培养基的制备生物催化剂的制备生物反应器及反应条件的选择。产品的分离与纯化上游加工过程中游加工过程下游加工过程细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）生物反应器空气CO2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一般生化反应过程过程分类酶促反应过程微生物反应过程动植物细胞反应过程废水生物处理过程反应水平分子水平细胞水平细胞水平群体水平反应复杂性简单较复杂复杂很复杂底物、产物数量较少较多较多很多反应速度较快较快较慢很慢生物反应过程的分类生物反应过程的特点：⑴常温下进行，操作条件温和，勿需防爆。原料以碳水化合物为主，不含有毒物质。⑵以生命体的自动调节方式进行，多个反应像一个反应一样，可在单一设备中进行。⑶容易进行复杂的高分子化合物生产，如酶、光学活性体等。⑷能高度选择性地进行复杂化合物在特定部位的反应，如氧化、还原、官能团的导入等⑸生产产品的生物体本身也是产物，富含维生素、蛋白质、酶等。⑹生产过程中需要注意防止杂菌污染，尤其是噬菌体的侵入，以免造成很大的危害。⑺通过改良生物体生产性能，可在不增加设备投资的条件下，利用原有的生产设备使生产能力飞跃上升。第一节基本概念一、生物反应器:利用酶或生物体（如微生物、动植物细胞）所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。如实验室或工业生产中用于细胞培养的装置（方瓶、锥形瓶、发酵装置、琼脂斜面）。作用：为细胞代谢提供一个优化的物理化学环境,使细胞更快更好地生长,得到更多的需要的生物量或代谢产物。生物反应器与化学反应器的区别化学反应器：从原料进入到产物生成，需要加压和加热；高能耗过程。生物反应器：有酶和微生物的参与，常温和常压下进行化学合成；生物（酶除外）反应都以“自催化”方式进行。超大发酵罐：高100米，直径7米，容积为4000立方米，犹如一座壮观的圆形塔。生物反应器首先在发酵工业中得到应用（发酵罐）。另一种是以固定化酶或固定化细胞为催化剂的酶反应器。生物反应器的应用★Foodadditives★Antibodies★ProteinDrugs★Healthfood★Naturalspice★Animalfeedadditives★Industrialenzyme★CosmeticsmaterialLabresearchCommercialScale5LBioreactorPilotScaleBioreactorsPurificationEquipmentsPre-commercialstudyProductMarketingsupportProductionLineLargescaleBR衔接实验室技术与工厂实际生长的桥梁使用高效率生物反应器的目的:提高产品的生成速率减少辅助设备降低生产成本获得最大的经济效益二、研究生物反应器的目的（内容）•确定为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器，什么样的结构更好；（设计）•对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的；（优化）•分析各种生物反应器的数据，从而对细胞的生长、代谢等过程有更深入的理解。第二节生物反应器的基本类型一、根据培养对象的不同：•微生物培养反应器•动植物细胞培养反应器二、按操作方式：批式培养连续培养半连续培养（一）微生物培养反应器•壳体•控温部分•搅拌部分•通气部分•进料口•量测系统•附属系统基本通气方式:浸没式鼓泡器,表面通气装置,膜反应器二种常见的微生物发酵装置：常规发酵罐(机械搅拌式),气体提升式发酵罐形式最简单的反应器:没有机械搅拌和通气系统的反应罐机械搅拌装置1、机械搅拌式发酵罐具有机械搅拌及压缩空气分布装置的发酵罐，目前最大的通用式发酵罐容积约为480m3。罐的混合——机械搅拌，促使培养基混合均匀，有利于增加气液接触面积，提高溶氧速率。对于双液相反应体系可提高液-液接触面积，另外还可促进传热与固形物料的悬浮。（P11图1－8）常规（机械）发酵罐是促使微生物生长的一种反应设备，广泛应用于制药、化工、食品等行业。日本味之素发酵罐：500M3周口味精厂发酵罐：200M3益力味精厂发酵罐：630M3台湾味丹发酵罐：660M3李锦记（新会）食品有限公司包装生产线李锦记（新会）食品有限公司酱油发酵罐2、气升式反应器特点：无机械搅拌,减少了剪切作用对细胞伤害。易于清洗、维修，不易染菌，能耗低，溶氧效率高。气体从罐下部通入，借气体的升力带动流体在整个反应器内循环流动造成良好的混合。见P11图1-9。目前已广泛应用于生物工程领域的好氧发酵方面，由此生产的产品有单细胞蛋白、酒精、抗生素、生物表面活性剂等。以甲醇为原料生产单细胞蛋白高密度培养时混合不够均匀河南莲花味精集团公司使用的气升式发酵罐实验用气升式玻璃发酵罐（实物）气升式反应器种子罐(实物)某抗菌素制药车间的一级种子罐和二级种子罐右边为300L一级种子罐，左边为3000L二级种子罐10L台式发酵罐从人孔向发酵罐内鸟瞰图（二）动植物细胞培养反应器•与微生物培养基本一样；•动植物细胞比较娇嫩，有贴壁生长需要，对培养要求高，因而在选用及设计时要特别考虑：避免或减低机械搅拌产生的剪切力；气泡表面张力可对细胞造成伤害，通气时要防止气泡与细胞接触；进行pH调节或补料时要严格防止化学环境急剧变化对细胞的伤害；载体选择尤其重要。机械搅拌式生物反应器连续搅拌釜式反应器干扰素生产用动物细胞培养设备高效内循环生物反应器（HCR）新疆紫草细胞培养流程细胞在培养周期中的变化丹参发根生物反应器大规模培养技术丹参(Salviamiltiorrhiza)：活血化淤,通经止痛。丹参有效成分在原植物根中含量低、生长周期长。药用植物发根大规模培养的关键在于其生物反应器培养技术。发根培养已在搅拌、气升、喷淋床、雾化等形式的生物反应器中进行。南阳天冠酒精集团公司中央两个酒精发酵罐小型和大型生物反应器设计的不同点项目实验用小型反应器生产用反应器功率消耗不必考虑需认真对待反应器内空间因大量的控制、无此影响检测装置占去一定空间混合特性可不必考虑需认真对待换热系统较易解决较难解决中空纤维管式动物细胞微载体悬浮培养反应器中空纤维作为通气装置：空气在管内，氧分子通过半透性的管壁溶透到培养液中，供给动物细胞生长。培养液中不会产生气泡，可避免损伤动物细胞。若在中空纤维管束中通入纯氧，则传递能力还可以提高。培养液通过下层螺旋桨搅拌器缓慢搅动循环，微载体在培养液中保持悬浮状态。工业用生物反应器•机械搅拌式反应器•气举式反应器•固定化酵素•细胞反应器•流动床生物反应器•膜反应器搅拌式发酵槽填充床反应器：装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。底物产物底物产物流化床反应器二、生物反应器按操作方式分：批式培养连续培养半连续培养1、批式反应器：营养物与菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排出，与外部没有物料交换。以机械搅拌式和气升式为最多。（如实验室摇瓶培养）•优点：操作简单。•缺点：细胞所处化学环境在培养过程中明显改变，营养物质在培养过程分布不合理；初期细胞浓度低增长慢，后期虽细胞浓度升高，但营养物浓度低而使生长不快。总的设备生产效率不高。2、连续培养反应器：不断地往反应器中加入营养物，利用罐中的菌体增殖得到产物，并不断采出。在良好的控制下，罐内菌体的增殖速度可以与采出速度相同而达到稳态。分为二类：•恒化器连续培养：通过控制培养基中某种营养物质的浓度基本恒定的方式，保持细菌的比生长速率恒定，使生长“不断”进行。•恒浊器连续培养：通过光电系统控制培养液中菌体浓度恒定、使细菌生长连续进行。3、半连续反应器：介于批式和连续培养之间，分二种方式：①补料批式或流加过程：在批式培养过程中不断补入营养物，近年来常用，可解决营养物抑制及不足问题，提高设备效率；②在补料的同时间断采出一定量的发酵液体产物，延长发酵培养时间。•优缺点：连续和半连续培养有利于过程的优化及效率提高，但易污染，要严格控制。一、生物过程动力学：定量地描述过程的速率以及影响过程速率的诸多因素，包括细胞生长速率、各种基质消耗的速率、代谢产物的生成速率。第二节细胞生长及代谢过程动力学•反应速率：单位时间物质浓度的变化量。细胞生长速率为dx/dt，代谢产物生成速率为dp/dt，基质消耗速率为ds/dt。•比速率：单位浓度菌体在一定条件下引起的反应速率。表示为μ=dx/x.dt、qs=-ds/xdt、qp=dp/xdt。•得率系数：两种物质得失之间的计量比。Yx/s，Yp/s。二、细胞浓度：单位体积培养液中所含细胞的量(mol/L)或菌体的干重，表示为kg/m3。只有相对于均衡生长模型的细胞培养体系才可用细胞浓度这一表示方式。测量方法：•直接测定法：细胞干重法、显微计数法、平板计数法、浊度法。•间接测量法：测定细胞成分，如大分子物质细胞群体的描述模型：非结构模型（最理想情况）：细胞群体视为一种溶质结构模型：细胞之间无差异；细胞内有多个组分离散模型：不考虑细胞结构；各种细胞不均一实际情况：细胞之间不均一；细胞内部多组分均衡生长平均细胞均衡生长平均细胞均衡生长模型：不考虑细胞内部的结构，又不考虑细胞之间的任何差异；三、细胞均衡生长的动力学模型细胞生长模型；基质消耗模型；产物生成动力学模型。1、细胞生长模型(只用生物量或细胞浓度来描述细胞的量）•细胞生长动力曲线:延迟期、指数生长期、（减速生长期）、静止期、自溶期（衰亡期）。•细胞生长动力学描述：（数学模型）比生长速率（重要参数）：μ=dx/xdt（单位体积内单位量细胞经过单位时间增加的细胞量）•μ反映了菌体增长的能力，受菌株及各种物理化学环境的影响，μ与限制性底物浓度的关系定量表达为Monod方程：①其中μm为最大比生长速率；Ks为Monod常数（饱和系数），取决于环境条件（pH,温度，离子强度等）；②基本上反映了比生长速率与底物浓度的关系，由Ks值又反映了比生长速率与环境的关系。③不适于较黏稠的发酵液(另有模型