页数：23页文件大小：1.14 MB来源： 生化生产工艺学ppt课件
本课件讲解生物反应器，先说明生物反应过程的分类与酶在工业各领域的应用，再提出反应器设计的目标、原则与分类体系，随后重点展开机械搅拌型、自吸式、气升环流与高位塔式等微生物细胞反应器的结构特点，最后介绍基因工程菌反应器的防泄漏要求与生物反应器的放大方法。
《生化生产工艺学》生化生产工艺课程教案封面，本章进入生物反应器部分，讲解生物反应过程与各类反应器的结构特点。
生物体内进行的一系列反应都是在不同的酶的作用下进行的，如淀粉的液化、糖化需要工具酶。可结合洗衣粉制造等例子思考生产与科学实验中用到的酶。
| 应用领域 | 使用的酶种类 | 用途 |
|---|---|---|
| 洗涤剂工业 | 细菌蛋白酶类、淀粉酶类 | 用于污渍去除，可直接液体使用或用胶囊包埋后使用；可作为洗碗机洗涤剂，去除难溶的淀粉残迹 |
| 烘烤食品工业 | 真菌产的 α-淀粉酶、蛋白酶类 | 催化淀粉降解成可被酵母利用的糖类，用于面包及面卷制作；饼干制作中降低面粉蛋白质含量 |
| 酿酒工业 | 麦芽产生的淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖酶、β-葡聚糖酶、淀粉葡萄糖苷酶、木瓜蛋白酶 | 将淀粉和蛋白质降解成可被酵母使用的单糖、氨基酸和肽，提高乙醇产量；改进啤酒过滤性能；生产低糖啤酒；降解乳糖为葡萄糖和半乳糖 |
| 应用领域 | 使用的酶种类 | 用途 |
|---|---|---|
| 乳制品工业 | 凝乳酶、乳糖酶 | 奶酪制作中分解蛋白质；降解乳糖为葡萄糖和半乳糖 |
| 糖工业 | 淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、葡萄糖异构酶 | 将淀粉转化为葡萄糖及各类糖；将葡萄糖转化为果糖生产高果糖浆 |
| 纺织工业 | 淀粉酶 | 广泛用于纺织品褪浆，细菌淀粉酶能忍受 100—110 ℃ 的高温操作条件 |
| 制革工业 | 胰蛋白酶类 | 除去毛皮中特定蛋白成分使皮革软化，也可用于脱毛 |
| 医疗和药品工业 | 胰蛋白酶、L-天冬酰胺酶、蛋白酶 | 用于伤口愈合和溶解血凝块、去除坏死组织、抑制污染微生物生长；治疗癌症（剥夺癌细胞所需营养）；治疗消化不良；许多酶还可作为诊断试剂 |
酶是一种蛋白质，稳定性差，而且在催化结束后难以回收。为适应工业化生产的需要，人们模仿人体酶的作用方式，通过固定化技术对酶加以改造。
生物反应过程主要设备为生物反应器，它与化学反应器既有相同点也有不同点（教材 P139）。
一般生化反应过程（教材 P139）：原材料（培养基）经灭菌、空气经除菌后进入生物反应器，在细胞或酶等生物催化剂（游离或固定化）作用下反应，通入空气并排出 CO2 等废气，配冷却水控温，产物经预处理、产品提取或液化后得到产物、副产物与废物。
由图可见，生物反应器在生物过程中具有中心作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中通过产物的合成，廉价的原料被升值，因此生物反应器的设计和操作对产品成本和质量有很大影响。
一、生物反应器设计的目标和原则：生物反应器的作用是为细胞代谢提供一个适宜的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生长，并得到更多需要的生物量或代谢产物。
一个优良的生物反应器应具备：
判断生物反应器好坏的唯一标准是该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。
生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高、成本低。生物反应器处于生物过程的中心，是影响整个过程经济效益的重要方面，其中节能是设计的一个重要因素。
生物反应器设计的重要方面包括：
与化学反应器不同，生物反应器设计应具有以下原则：
二、生物反应器的分类：
思考：连续式生物反应器有何优越性？
双酶法制糖工艺流程（教材 P67 图 4-17），设备位号：
流程投入淀粉、水、碱液、氯化钙、α-淀粉酶与糖化酶，并通入蒸汽，设有回流管路。
生物反应器还可按以下方式分类：
三、微生物细胞反应器：除乙醇、丙酮、丁醇等溶剂和乳酸等少数产品外，大多数发酵产品都是通过微生物好气培养得到的。由于氧在培养基中的溶解度很小，细胞生物反应器必须不断进行通气和搅拌来增加氧的溶解量，满足需氧微生物新陈代谢的需要；同时搅拌还可使培养液保持均匀的悬浮状态，并促进发酵热的散失。
细胞生物反应器搅拌方式大致有内部机械搅拌型、外部液体搅拌型、气升式发酵罐三种。工业规模的微生物细胞反应器多为搅拌型发酵罐，气升式循环发酵罐目前尚处于研究阶段。
1、机械搅拌型微生物细胞生物反应器（通用型）：机械搅拌发酵罐是好氧生物反应器的典型代表，主要组成部分有壳体、控温部分、搅拌部分、通气部分、进出料口、测量系统和附属系统等。
通用型生物反应器内设置机械搅拌器，一般在一根轴上安装多个搅拌桨，主要功能是使罐内物料混合良好、固体物料保持悬浮状态，使菌体与营养物质充分接触，并有利于打碎气泡、增加气液接触界面、提高气液传质速率、强化传氧及消泡。搅拌器可使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。
思考：1、何谓全挡板条件？2、在反应器中安装挡板的作用？3、为满足全挡板条件，一般发酵罐中安装多少块挡板？
为防止搅拌器运转时液体产生旋涡，可在壁面上安装挡板，使沿壁旋转流动的液体折向中心，以消除搅拌器运转时液体生成的旋涡，同时使接近罐壁的液体内的剪应速率或速度梯度增加。挡板与罐壁之间应留有空隙，以防止积垢。
3、气升环流反应器思考题：1、说说气升式环流反应器的原理？2、分哪两类？3、衡量气升式环流反应器性能的参数有哪些？4、其优缺点是什么？
4、高位塔式生物反应器思考题：1、说说高位塔式生物反应器的原理？2、塔式反应器的高径比 H/D 是多少，而机械搅拌式反应器的高径比呢？3、塔式反应器的优缺点是什么？
基因工程菌是通过基因操作得到的 DNA 重组微生物。为不使其在培养或处理过程中泄漏到周围环境而造成意想不到的危害，用于基因工程菌的生物反应器与一般生物反应器有相当大的不同。
四、生物反应器的放大：通常一个生物反应过程的开发包括三个阶段：
由此可见，一个生物技术产品从实验室到工业生产的开发过程，不可避免会遇到生物反应器的放大问题。在不同大小的反应器中进行的生物反应虽然相同，但在质量、热量和动量的传递上却会有明显差别，从而导致反应速率有差别。欲使整个生物反应器处于最优条件下操作，就必须使反应器中的每一个细胞都处于最优环境之下。
生物反应器放大的目标：使大型生物反应器的性能与小型反应器接近，从而使大型反应器的生产效率与小型生产设备反应器相似。
生物反应器的放大方法主要有：
第八章生物反应器内容结束。课件附课程资料网站：http://www2.kfu.edu.cn/yxzd/hgxy
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