生化生產(chǎn)工藝學(xué)課程

1、生化生產(chǎn)工藝學(xué)精品課程1生化生產(chǎn)工藝學(xué)胡斌杰2006年5月生化生產(chǎn)工藝課程教案第八章 生物反應(yīng)器 基本概念生物反應(yīng)過程 ？由生物工程所引出的生產(chǎn)過程 生物反應(yīng)過程分類：發(fā)酵過程或細(xì)胞培養(yǎng)過程： 采用活細(xì)胞（包括微生物、動植物細(xì)胞）為生物催化劑的反應(yīng)過程。酶反應(yīng)過程： 采用游離或固定化酶的反應(yīng)過程。 淀粉（液化、糖化）生物技術(shù)（工具酶）根據(jù)以前學(xué)過的知識，說說生產(chǎn)或科學(xué)實驗中要用到哪些酶？洗衣粉制造生物體內(nèi)進(jìn)行的一系列反應(yīng)都是在不同的酶的作用下進(jìn)行的酶在工業(yè)上的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域使用的酶種類用途洗滌劑工業(yè)細(xì)菌蛋白酶類淀粉酶類用于污漬去除，可以直接液體使用或用膠囊包埋后使用可作為洗碗機的洗滌劑，用于去除

2、難溶的淀粉殘跡等烘烤食品工業(yè)真菌產(chǎn)的-淀粉酶蛋白酶類催化淀粉降解成可被酵母利用的糖類，用于面包及面卷的制作等在餅干制作過程中，用于降低面粉中的蛋白質(zhì)含量等釀酒工業(yè)麥芽產(chǎn)生的淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖酶-葡聚糖酶淀粉葡萄糖苷酶木瓜蛋白酶將淀粉和蛋白質(zhì)降解成級被酵母使用的單糖、氨基酸和肽，從而提高乙醇的產(chǎn)量改進(jìn)啤酒的過濾性能用于生產(chǎn)低糖啤酒去降乳糖為葡萄糖和半乳糖應(yīng)用領(lǐng)域使用的酶種類用途乳制品工業(yè)凝乳酶乳糖酶在奶酪的制作過程中用于分解蛋白質(zhì)降解乳糖為葡萄糖和半乳糖糖工業(yè)淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶葡萄糖異構(gòu)酶將淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖及各類糖用于將葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖生產(chǎn)高果糖漿紡織工業(yè)淀粉酶廣泛地應(yīng)用于紡織品的褪漿，

3、其中細(xì)菌淀粉酶能忍受100-110度的高溫操作條件制革工業(yè)胰蛋白酶類用于除去毛皮中特定蛋白成分使得皮革軟化，也可用于皮革脫毛醫(yī)療和藥品工業(yè)胰蛋白酶L-天冬酰胺酶蛋白酶用于傷口愈合和溶解血凝塊，還可用于去除壞死組織，抑制污染微生物生長用于治療癌癥，剝奪癌細(xì)胞生長所需的營養(yǎng)治療消化不良許多酶在醫(yī)療中還可作為診斷試劑生物反應(yīng)過程主要設(shè)備：生物反應(yīng)過程與化學(xué)反應(yīng)器異同點：一般的生物反應(yīng)過程生物反應(yīng)器 P139酶是一種蛋白質(zhì)，穩(wěn)定性差，而且在催化結(jié)束后難以回收。為適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的需要，人們模仿人體酶的作用方式，通過固定化技術(shù)對酶加以改造固定后的酶。 優(yōu)點： 經(jīng)固定化后的生物催化劑既具有酶的催化性質(zhì)，又具

4、有一般化學(xué)催化劑能回收、反復(fù)使用的優(yōu)點，并在生產(chǎn)工藝上可以實現(xiàn)連續(xù)化和自動化。 如上表格說細(xì)菌蛋白酶類用于污漬去除，可以直接液體使用或用膠囊包埋后使用。固定化酶一般生化反應(yīng)過程細(xì)胞或酶等生物催化劑（游離或固定化）P139生 物 反 應(yīng) 器空氣CO2等冷卻水原材料培養(yǎng)基滅菌底物產(chǎn)物廢物除菌檢測和控制產(chǎn)物預(yù)處理產(chǎn)品提取或液化副產(chǎn)物 由圖可見，利用生物催化劑進(jìn)行反應(yīng)的生物反應(yīng)器在生物過程中，具有中心的作用，是實現(xiàn)生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵設(shè)備，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。在反應(yīng)器中，通過產(chǎn)物的合成，廉價的原料被升值了。因此，生物反應(yīng)器的設(shè)計和操作，是生物工程中一個及其重要的問題，它對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量有很大

5、影響。 一、生物反應(yīng)器設(shè)計的目標(biāo)和原則 1、一個優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具備的條件： 生物反應(yīng)器的作用是為細(xì)胞代謝提供一個適宜的物理及化學(xué)環(huán)境，使細(xì)胞能更快更好地生長，并得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。 一個優(yōu)良的生物反應(yīng)器應(yīng)具備：1）嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)；2）良好的液體混合性能；3）較高的傳質(zhì)、傳熱性能；4）配套而又可靠的檢測和控制儀表。 2、判斷生物反應(yīng)器好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)是該裝置能否適合工藝要求以取得最大的生產(chǎn)效率。 3、生物反應(yīng)器設(shè)計的重要方面包括： 閱讀課本P140-141回答問題10分鐘 生物反應(yīng)器設(shè)計的主要目標(biāo)是使產(chǎn)品的質(zhì)量高、成本低。我們已經(jīng)知道，生物反應(yīng)器處于生物過程的中心，是影響整個過程的經(jīng)濟(jì)

6、效益的一個重要方面，其中生物反應(yīng)器的節(jié)能是設(shè)計的一個重要因素。 生物反應(yīng)器設(shè)計的重要方面包括：1）改善生物催化劑；2）好的過程控制；3）好的無菌條件；4）克服速度限制因素（物質(zhì)、熱量、質(zhì)量傳遞）等。 4、與化學(xué)反應(yīng)器不同，生物反應(yīng)器設(shè)計應(yīng)具有以下一些原則： 在培養(yǎng)系統(tǒng)的已滅菌部分與未滅菌部分之間不能直接連通；盡量減少法蘭連接，因為設(shè)備震動和熱膨脹，會引起法蘭連接外移位，從而導(dǎo)致污染；在可能的條件下，應(yīng)采用全部焊接結(jié)構(gòu)，所有焊接點必須磨光，消除蓄積耐滅菌的固體物質(zhì)的場所；防止死角、裂縫等情況；某些部分應(yīng)能單獨滅菌；易于維修；反應(yīng)器可保持小的正壓。二、生物反應(yīng)器的分類 按所用的生物催化劑的不同分

7、酶催化反應(yīng)器細(xì)胞生物反應(yīng)器 按反應(yīng)器的操作方式分 間歇式生物反應(yīng)器 P141連續(xù)式生物反應(yīng)器半間歇式生物反應(yīng)器 P142問題連續(xù)式生物反應(yīng)器優(yōu)越性？雙酶法制糖工藝流程圖P67圖4-1717532蒸汽淀粉堿液氯化鈣-淀粉酶糖化酶水回91213141516181-調(diào)漿配料槽 2，8-過濾器 3，9，14，17-泵 4，10-噴射加熱器 5-緩沖器 6-液化層流罐7-液化液貯罐 11-滅酶罐 12-板式換熱器 13-糖化罐 15-壓濾機 16-糖化暫貯槽 18-貯糖槽按生物催化劑在反映器中的分布方式分 生物團(tuán)塊反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器 生物團(tuán)塊反應(yīng)器按催化劑的運動狀態(tài)劃分又可分為

8、填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤等多種型式的生物反應(yīng)器 按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征分 釜式、管式、塔式、膜式等類型 按能量的輸入方式分 通過機械攪拌輸入能量的機械攪拌式利用氣體噴射動能的氣升式利用泵對液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生物反應(yīng)器等 按反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動和混合狀態(tài)分 全混流型生物反應(yīng)器活塞流型生物反應(yīng)器 填充床型反應(yīng)器 把催化劑填充在固定床（填充床）中的反應(yīng)器叫做固定床型反應(yīng)器。這是一種使用得最廣泛的固定化酶反應(yīng)器，它具有單位體積的催化劑負(fù)荷量高、結(jié)構(gòu)簡單、容易放大、剪切力小、催化效率高等優(yōu)點。流化床型反應(yīng)器 流化床型反應(yīng)器是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器。底物以一定的流速從下向上流過，使固定化

9、酶顆粒在流體中維持懸浮狀態(tài)并進(jìn)行反應(yīng)。這時的固定化顆粒和流體可以被看作是均勻混合的流體。流化床反應(yīng)器具有傳熱與傳質(zhì)特性好、不堵塞、能處理粉狀底物、壓降較小等優(yōu)點，也很適合于需要排氣供氣的反就。生物膜反應(yīng)器 膜反應(yīng)器是利用膜的分離功能，同時完成反應(yīng)和分離過程的反應(yīng)器。這是一類僅適合于生化反應(yīng)的反應(yīng)器。底物底物產(chǎn)物產(chǎn)物 三、微生物細(xì)胞反應(yīng)器 除了某些溶劑（如乙醇、丙酮、丁醇等）和乳酸等少數(shù)產(chǎn)品外，大多數(shù)發(fā)酵產(chǎn)品都是通過微生物好氣培養(yǎng)得到的。由于氧在培養(yǎng)基中的溶解度很小，細(xì)胞生物反應(yīng)器必須不斷進(jìn)行通氣和攪拌來增加氧的溶解量，滿足需氧微生物新陳代謝的需要。同時，攪拌還可使培養(yǎng)液保持均勻的懸浮狀態(tài)，并促

10、進(jìn)發(fā)酵熱的散失等。 細(xì)胞生物反應(yīng)器攪拌方式大致有內(nèi)部機械攪拌型、外部液體攪拌型、氣升式發(fā)酵罐等三種。 從目前的情況來看，工業(yè)規(guī)模的微生物細(xì)胞反應(yīng)器多為攪拌型發(fā)酵罐。氣升式循環(huán)發(fā)酵罐目前的尚處于研究階段。 1、機械攪拌型微生物細(xì)胞生物反應(yīng)器（通用型） 機械攪拌發(fā)酵罐是好氧生物反應(yīng)器的典型代表，其主要組成部分有殼體、控溫部分、攪拌部分、通氣部分、進(jìn)出料口、測量系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)等。如圖所示。 結(jié)構(gòu)圖問題1機械攪拌發(fā)酵罐主要組成部分有哪些？問題2說說機械攪拌發(fā)酵罐的優(yōu)缺點？ 機械攪拌發(fā)酵罐是目前使用最多的一種發(fā)酵罐，使用性好、適應(yīng)性強、放大容易，從小型到中型直至大型的微生物培養(yǎng)過程都可以應(yīng)用。其缺點是罐

11、內(nèi)的機械攪拌切力容易損傷嫩的細(xì)胞，造成某些細(xì)胞培養(yǎng)過程減產(chǎn)。 殼體P144 結(jié)構(gòu)圖控溫部分 攪拌部分 通氣部分 通用型生物反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置機械攪拌器，一般在一根軸上安裝多個攪拌槳，其主要功能是使罐內(nèi)物料混合良好，液體中的固形物料保持懸浮狀態(tài)，從而使菌體與營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，并有利于打碎氣泡，增加氣液接觸界面，提高氣液間的傳質(zhì)速率，強化傳氧及消泡。 攪拌器可以使被攪拌的液體產(chǎn)生軸向流動和徑向流動。通用型發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌槳。常用的攪拌槳有平葉式、彎葉式和箭葉式等三種類型，葉片數(shù)量一般為六個。圖8-4為常用的六葉圓盤渦輪式攪拌器。 進(jìn)出料口 測量系統(tǒng) 消泡裝置 附屬系統(tǒng) 問題1、何謂全檔板條件？2

12、、在反應(yīng)器中安裝檔板作用？3、為滿足全檔板條件，一般發(fā)酵罐中安裝多少塊檔板？ 為防止攪拌器運轉(zhuǎn)時液體產(chǎn)生旋渦，可在壁面上安裝檔板，使沿壁旋轉(zhuǎn)流動的液體折向中心，以消除攪拌器運轉(zhuǎn)時液體生成的旋渦，同時使接近罐壁的液體內(nèi)的剪應(yīng)速率或速度梯度增加。需要注意的是擋板與罐壁之間留有空隙，以防止積垢。 通常發(fā)酵罐液體在被攪拌時，應(yīng)達(dá)到“全擋板條件”。所謂全擋板條件是指在攪拌發(fā)酵罐中增加擋板或其他附件時，攪拌功率不同增加，而旋渦基本消失。 反應(yīng)器的攪拌功率（不作要求）2、機械攪拌自吸式反應(yīng)器 機械攪拌自吸式反應(yīng)器不需空氣壓縮機提供壓縮空氣，而是利用攪拌器旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的抽吸力吸入空氣。 它的攪拌器是一個空心葉輪

13、，葉輪快速旋轉(zhuǎn)時液體被甩出，葉輪中形成負(fù)壓，從而將罐外的空氣吸到罐內(nèi)，并與高速流動的液體密切接觸形成細(xì)小的氣泡分散在液體之中，氣液混合流體通過導(dǎo)輪流到發(fā)酵液主體。顯而易見，這類反應(yīng)器可省去了空氣系統(tǒng)，且氣體分布均勻。 這類反應(yīng)器的缺點是進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，因而增加了染菌機會，且攪拌轉(zhuǎn)速甚高，有可能使菌絲被切斷，使正常的生長受到影響。 問題1、說說機械攪拌自吸式反應(yīng)器原理？2、機械攪拌自吸式反應(yīng)器的優(yōu)缺點是什么？3、氣升環(huán)流反應(yīng)器 4、高位塔式生物反應(yīng)器 問題1、說說氣升式環(huán)流反應(yīng)器原理？2、分哪兩類？3、衡量氣升式環(huán)流反應(yīng)器性能的參數(shù)有哪些？4、氣升式環(huán)流反應(yīng)器的優(yōu)缺點是什么？1、說說高位塔式生

14、物反應(yīng)器原理？2、塔式反應(yīng)器的高徑比H/D是多少？而機械攪拌式反應(yīng)器的高徑比呢？4、塔式反應(yīng)器的優(yōu)缺點是什么？問題基因工程菌生物反應(yīng)器 基因工程菌是通過基因操作得到的DNA重組微生物，為了不使基因工程菌在培養(yǎng)或處理過程中泄漏到周圍環(huán)境而造成意想不到的危害，用于基因工程菌的生物反應(yīng)器同一般的生物反應(yīng)器就有相當(dāng)大的不同。 造成生物反應(yīng)器內(nèi)微生物泄漏的一大原因是排氣，基因工程菌反應(yīng)器的排氣須經(jīng)加熱滅菌或經(jīng)微孔過濾器除菌后才能排放到大氣中去。 軸封滲漏是造成菌體泄漏的另一個原因，可采用雙端面密封，而且作為潤滑劑的無菌水壓力應(yīng)高于反應(yīng)器內(nèi)壓力。 問題造成基因工程菌泄漏的兩大因素分別是什么？如何解決。 四、生物反應(yīng)器 的放大 通常一個生物反應(yīng)過程的開發(fā)，包括1）利用實驗室規(guī)模的反應(yīng)器進(jìn)行種子篩選和工藝試驗；2）在中間規(guī)模的反應(yīng)器中試驗（中試），確定最佳的操作條件；3）在大型生產(chǎn)設(shè)備中投入生產(chǎn)第三個不同規(guī)模的階段。 由此可見，一個生物技術(shù)產(chǎn)品從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)的開發(fā)過程，不可避免會遇到生物反應(yīng)器的放大問題。對于一個生物反應(yīng)過程，在不同大小的反應(yīng)器中進(jìn)行的生物反應(yīng)雖然相