第一章 生物反应器设计基础
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生物反应器原理生物反应器是一种用于进行生物反应的设备,它在现代生物工程领域中起着重要作用。
生物反应器原理涉及到物质转化、细胞生长、微生物代谢等多个方面。
本文将介绍生物反应器的原理及其相关内容。
一、生物反应器的基本原理生物反应器是一个封闭的设备,用于控制和模拟生物活性环境,以实现所需的物质转化和生物过程。
其基本原理如下:1. 控制环境参数:生物反应器中的环境参数包括温度、pH值、氧气和营养物质的浓度等。
通过精确控制这些参数,可以提供一个适宜的环境,促进生物反应的进行。
2. 提供合适的生物体:根据所需的反应类型,选择合适的生物体,如细胞、微生物等。
这些生物体可根据具体要求进行培养和添加到反应器中。
3. 提供适宜的培养基:在生物反应器中,需要提供适宜的培养基来满足生物体的生长和代谢需求。
培养基可以包含有机物、无机盐、维生素等。
4. 控制反应过程:生物反应器中的反应过程可以分为两种类型,即静态和动态反应。
静态反应是指保持环境参数不变的情况下进行的反应,而动态反应则是通过改变环境参数来调节反应过程。
二、生物反应器的种类及应用根据不同的应用需求,生物反应器可分为多种类型。
下面介绍几种常见的生物反应器及其应用:1. 批量反应器:批量反应器是最简单的生物反应器类型,适用于小规模实验室研究。
其特点是一次性添加反应物,控制一定的反应时间后停止反应。
2. 连续流反应器:连续流反应器是以连续加入反应物和排出产物的方式进行反应。
由于连续供料和产物排出,使得反应过程更加稳定和持续。
3. 内循环反应器:内循环反应器是在连续流反应器的基础上发展而来的一种类型。
其特点是在反应器内保持较高的物质浓度,以增加反应效率。
4. 固定床反应器:固定床反应器是一种多孔载体上附着生物体进行反应的装置。
通过固定生物体,可提高床内微生物的多样性和稳定性。
5. 喷射式反应器:喷射式反应器是一种通过喷射和混合气体和液体来加速反应速率的装置。
其特点是能够提供高活性和高反应效果。
生物反应器设计(啤酒露天发酵罐设计)姓名:钱靖班级:生工2101学号:3102107134时间:2013年11月18日指导老师:项驷文葛飞第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征一、啤酒是以大麦喝水为主要原料,大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一,但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来,我国啤酒工业得到了很大的发展,生产大幅度增长,发展到现在大、中、小型啤酒厂家600多家,2003全国啤酒总产量已超过2200万吨,现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展,陈旧的技术,设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产,减少投资保证质量,满足消费等各方面的需要,国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器,不依靠室温调节温度,而是通过自身冷却来控制温度,具有较完善的自控设施,可以做到产品的均一性,从而降低劳动强度,提高劳动生产率。
就发酵罐的外形来分,主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。
当前世界各地用的比较多的是圆柱锥底发酵罐。
由于我国新建啤酒厂不断上马,都纷纷设计采用大型露天圆柱锥底罐,一些老厂家扩建和技术革新也都在发酵罐方面做了大的改进,圆柱锥底罐的采用仍是主流。
二、啤酒发酵罐的特点1、单位占地面积的啤酒产量大;而且可以节约土建费用;2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物(相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言);3、发酵温度控制方便、有效,麦汁发酵时对流好,发酵速度快,可以缩短发酵周期(相对卧式罐、发酵槽而言);4、可以回收利用二氧化碳,并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性(相对开口容器而言);5、可以一关多用,生产工艺比较灵活;简化生产过程与操作,而且酒损也现对减少;6、制作相应要比其他发酵罐简单;7、便于自动控制,如自动清洗和自动灭菌,节省人力与洗涤费用,卫生条件好。
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹(1)氧化还原酶⏹(2)转移酶⏹(3)水解酶⏹(4)异构酶⏹(5)裂合酶⏹(6)连接酶(合成酶)⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构,其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成:单体酶寡聚酶多酶复合体全酶=蛋白质部分(酶蛋白)+非蛋白部分三、酶的作用机制⏹(1)锁钥模型(2)诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有:(1)浓度因素:酶浓度、底物浓度(2)外部因素(主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值(3)内部因素(结构因素):底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关,此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时, 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为:式中:K1-一级反应速率常数a0-底物A 的初始浓度 b - t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时,即:A +B C 时,为二级反应—②式中:K2-二级反应速率常数a0-底物A 的初始浓度 b0-底物B 的初始浓度 C -t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得:➢ 当:A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中:a -A 的浓度b -B 的浓度c -C 的浓度K1-第一步反应速率常数 A B K2-第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时,即:A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0,得出:当反应达t 时间后,A 、B 、C 的最终浓度。
《生物反应工程》课程笔记第一章绪论1.1 定义、形成与展望生物反应工程,简称BRE(Bioreaction Engineering),是一门应用化学工程原理和方法,研究生物反应过程和生物系统的科学。
它涉及到生物学、化学、物理学、数学等多个学科,是一门典型的多学科交叉领域。
生物反应工程的研究对象包括微生物、细胞、酶等生物催化剂,以及它们在生物反应器中的行为和相互作用。
生物反应工程的形成和发展与生物技术的快速崛起密切相关。
生物技术是指利用生物系统和生物体进行物质的生产、加工和转化的技术。
随着生物技术的不断发展,生物反应工程逐渐成为生物技术领域的一个重要分支,为生物制品的生产提供了重要的理论支持和实践指导。
展望未来,生物反应工程将继续在生物技术领域发挥重要作用。
随着科学技术的进步和生物产业的发展,生物反应工程将不断完善和发展,为人类的生产和生活带来更多的便利和福祉。
特别是随着合成生物学、系统生物学等新兴学科的发展,生物反应工程将面临新的机遇和挑战,有望在生物制造、生物医药、生物能源等领域取得更大的突破。
1.2 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容包括以下几个方面:(1)生物反应动力学:研究生物反应过程中反应速率、反应机理和反应物质量的变化规律。
包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、细胞反应动力学等。
(2)生物反应器设计:根据生物反应的特性和要求,设计合适的生物反应器,使其能够高效、稳定地进行生物反应。
包括反应器类型的选择、反应器尺寸的确定、反应器内部构件的设计等。
(3)生物反应器操作:研究生物反应器中生物反应的运行规律,优化操作条件,提高生物反应的效果。
包括分批式操作、流加式操作、连续式操作等。
(4)生物反应器优化:通过对生物反应器的设计和操作进行优化,提高生物反应的产率和质量。
包括过程优化、参数优化、控制策略优化等。
(5)生物反应器控制:研究生物反应过程中的控制策略和方法,实现对生物反应过程的稳定控制。
生物工程设备教学大纲《生物工程设备与实验操作技术》教学大纲【课程名称】《生物工程设备与实验操作技术》【课程类别】专业基础课【教学时数】 72 学时【课程学分 4学分【开设专业】生物制药、生化制药【开设学期】第五学期【选用教材】《生物工程设备与实验操作技术》.黄亚东.中国轻工业出版社,2008.8.【参考教材】1(梁世中《生物工程设备》北京:中国轻工业出版社,2002,22(段开红《生物工程设备》北京:科学出版社,2008,23(鲍新华《生物工程》北京:化学工业出版社,2008,7【教学性质和目的】本学科为校企合作开发的高职教育教材,较为全面地阐述了生物工程操作原理及典型设备,旨在培养生物技术应用领域高技能应用型专门人才。
全书共分为四篇,第一篇为原料预处理设备,主要包括原料的筛选与分级设备、粉碎设备、水处理系统及设备、空气除菌设备、培养基制备设备;第二篇为生物反应器,主要包括生物反应器设计基础、通风发酵设备、厌氧发酵设备、固态发酵生物反应器、动植物细胞培养反应器、酶反应器、生物反应器的放大与参数检测;第三篇为产物分离提纯设备,主要包括细胞的破碎与分离设备、沉降设备、过滤设备、离心分离设备、压榨设备、膜分离设备、萃取设备、液体吸附设备、浸出设备、离子交换设备、蒸发设备、结晶设备、干燥设备、蒸馏设备;第四篇为附属设备,主要包括物料输送设备、设备与管道的清洗与灭菌、产品包装设备及制冷设备。
【课程的基本要求】《生物工程设备与实验操作技术》是一门实践性很强的课程,要求学生在学过生物工程类基础课的基础上,通过本课程的学习,了解生物工程操作的基本概念和基本原理,掌握典型设备的结构、工作原理、性能特点、操作要点、选用及保养方法,并懂得运用所学知识和技能分析、分析和解决生物工业生产中的一般性技术问题,同时培养学生的工程意识、职业意识和责任意识。
【各章节内容及学时分配】备注(教学方法如:一般讲授,课堂讨论,章节教学内容学时作业,实际操作等) 第一篇一般讲授、课堂讨论、作业原料预处理设备 12 第二篇一般讲授、课堂讨论、作业生物反应器 30产物分离提纯设第三篇一般讲授、课堂讨论、作业 20备第四篇一般讲授、课堂讨论、作业附属设备 10合计 72第一篇,原料预处理设备第一章原料的筛选与分级设备【目的要求】1(掌握磁力除铁器的结构和工作原理;筛分的基本概念;常用筛分设备的操作要点 2(熟悉精选机的结构和工作原理;常用筛分设备的结构和工作原理;筛分设备的选用 3(了解磁力除铁的意义和方法;物料粒度分布的测定方法;【教学重点、难点】重点:磁力除铁器的结构和工作原理难点:常用筛分设备的结构和工作原理;筛分设备的选用【教学内容】第一节原料的除铁设备第二节原料的精选设备第三节物料筛分设备第二章粉碎设备【目的要求】1( 掌握原料粉碎的目的和意义;常用粉碎设备的结构和工作原理 2( 熟悉物料粉碎机理;常用粉碎设备的特点、操作要点及有关注意事项 3( 了解粉碎操作在生物工业中的应用;粉碎方法的分类;粉碎设备的选择【教学重点、难点】重点:常用粉碎设备的结构和工作原理难点:常用粉碎设备的特点、操作要点及有关注意事项【教学内容】第一节粉碎的基本概念和理论第二节常用粉碎设备第三章水处理系统及设备【目的要求】1.掌握生物工业中常用的水处理方法;常用水处理装置的结构和工作原理 2(熟悉培养基制备对水的质量要求;常用水处理装置的特点及操作要点 3(了解水的质量分级及质量要求;根据水源状况及生产工艺要求明确水处理方法【教学重点、难点】重点:常用水处理装置的结构和工作原理难点:常用水处理装置的特点及操作要点【教学内容】第一节水质分级及水质要求第二节水的过滤装置第三节水的软化及脱盐第四节水的杀菌第四章空气除菌设备【目的要求】1(掌握生物工业生产对空气质量要求;染菌几率;典型的空气过滤除菌流程2(熟悉空气过滤除菌的机理;空气过滤除菌流程中各附属设备的作用 3(了解空气洁净度等级及要求;空气除菌方法;常用的过滤介质及特点【教学重点、难点】重点:典型的空气过滤除菌流程难点:空气过滤除菌的机理;空气过滤除菌流程中各附属设备的作用【教学内容】第一节空气除菌方法第二节空气过滤除菌流程第三节空气过滤除菌设备培养基制备设备第五章【目的要求】1(掌握淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;培养基连续灭菌设备的结构及灭菌过程2(熟悉淀粉质原料间歇蒸煮糖化设备结构、特点;培养基制备中间灭菌设备、固体培养基制备中的润水设备的结构及操作要点3(了解蒸煮锅数量的确定方法;糖蜜稀释器的类型与结构【教学重点、难点】重点:淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;难点:淀粉质原料连续蒸煮糖化设备、淀粉水解制糖设备、固体培养基中蒸煮设备的结构、特点及操作要点;【教学内容】第一节淀粉质原料蒸煮与糖化设备第二节糖蜜稀释器第三节淀粉水解制糖设备第四节培养基灭菌设备第五节固体培养基制备设备第二篇生物反应器第一章生物反应器设计基础【目的要求】1( 掌握生物反应器的化学计量与动力学基础;生物反应器的质量传递与热量传递2( 熟悉生物反应器的特点及作用3.了解生物反应器的含义和分类方法【教学重点、难点】重点:生物反应器的化学计量与动力学基础难点:生物反应器的质量传递与热量传递【教学内容】第一节生物反应器概述第二节生物反应器设计基础第二章通风发酵设备【目的要求】1( 掌握种子罐空实消的操作要点;机械搅拌发酵罐罐体结构及设计要求;机械搅拌发酵罐搅拌器的类型;发酵罐换热装置的类型及特点2( 熟悉培养箱的使用注意事项;种子培养罐的结构及特点;轴封的作用及结构;常用联轴器的形式;自吸式发酵罐的结构及充气原理2( 了解培养箱的结构特点;影响带升式发酵罐性能的主要因素;塔式发酵罐的特点;文氏发酵罐的结构、工作机理及优缺点【教学重点、难点】重点:机械搅拌发酵罐罐体结构及设计要求;机械搅拌发酵罐搅拌器的类型;发酵罐换热装置的类型及特点难点:升式发酵罐、塔式发酵罐、文氏发酵罐的特点与结构、工作机理及优缺点【教学内容】第一节菌种培养设备第二节机械搅拌通风种子培养罐第三节机械搅拌通风发酵罐第四节其他通风发酵罐第三章厌氧发酵设备【目的要求】1( 掌握密闭式酒精发酵罐的结构、特点及操作要点;酵母扩大培养罐的结构及操作要点;啤酒锥底罐的结构、特点、安装及使用要求2(熟悉酒精捕集器的作用、类型、工作原理及结构;糖蜜原料制酒精连续发酵的设备组成、特点及操作要点;啤酒大直径露天贮酒罐和朝日罐的结构及特点 3(了解淀粉质原料制酒精连续发酵的设备组成、特点;啤酒连续发酵特点、流程及设备组成。
1.1生物反应器设计基础1、发酵罐数的确定。
可参考课件作业1.2通风发酵罐1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。
答:1. 机械搅拌发酵罐(TRC) 工作原理:利用机械搅拌器的作用,使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解,以保证供氧。
优点:高生产效率,高经济效益。
2. 气升式发酵罐(ALR) 工作原理:把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中,通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎,同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动,而气含率小的发酵液则下沉,形成循环流动,实现混合与溶氧传质。
特点: 1)反应溶液分布均匀2)较高的溶氧速率和溶氧效率3)剪切力小4)传热良好5)结构简单6)能耗小7)不易染菌8)操作和维修方便3. 自吸式发酵罐 工作原理: 不需空气压缩机提供加压空气,而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气,实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
优点: (1)不必配备空气压缩机及其附属设备,节约设备投资,减少厂房面积;(2)溶氧速率高,溶氧效率高,能耗较低; (3)生产效率高、经济效率高(4)设备便于自动化、连续化。
缺点: 较易产生杂菌污染,需配备低阻力损失低高效空气过滤系统,罐压较低,装料系数约为40%。
4. 通风固相发酵罐 优点:设备简单,投资省。
2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。
1-轴封 ; 2、20-人孔;3-梯; 4-联轴;5-中间轴承; 6-温度计接口;7-搅拌叶轮; 8-进风管;9-放料口; 10-底轴承;11-热电偶接口; 12-冷却管;13-搅拌轴; 14-取样管;15-轴承座; 16-传动皮带;17-电机; 18-压力表;19-取样口; 21-进料口;22-补料口; 23-排气口;b p t t t +=24-回流口; 25-视镜;3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算(非通气状态和通气状态注意参数单位)。
非通气状态: 通气状态:1.3嫌气发酵罐1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。