生物工程设备(第二版)

1 绪论 1.1 生物工程设备在生物工程中的地位 生物工程（bioengineering）是指利用生物体系，应用先进的生物学和工程学原理，通过加工（或不加工）底物原料为人类提供所需产品（或社会服务）的一种新型跨学科技术。这里的生物体系包括植物、动物、微生物，社会服务如环保、生态。生物工程包括基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、生化工程五个方面。生物工程体系是广义的，而生物技术可以认为是狭义的生物工程，后者将技术定义为工艺操作方法和技能。 生物工程是化学工程中各有关单元操作结合了生物特点的一门学科。生物工程中各单元操作与化学工程中各单元操作除了具有特殊本质外，还有它们的共同本质。所以要掌握生物工程的特殊规律，首先必须对化学工程与生物工程的共同本质有所认识。生物工程的反应、工艺、过程及物料都是以不同的物理状态在特定的设备内完成的。 所谓设备就是进行某种工作或满足某种需要的成套机器或物品，如化工设备、机械设备、实验设备等。生物工程设备（bioengineering equipment）就是生物工程类工厂或实验室为生物反应提供是*基本也是*主要的能够满足特定生物反应工艺过程的专门技术装备或设施，即为生命体完成一定生物反应过程所提供的特定环境。 生物工程设备是现代生物技术的基本原理与工程学原理相交叉的应用性学科，是将生物技术成果产业化的桥梁。只有通过生物工程设备才能构建高效、节能的生物转化工艺流程和设备体系，从而完成科研成果向生产力的转化。所有的生物技术产业化的目的都必须通过相关的设备来实现，但设备必须为实现特定的生物反应工艺过程服务。因而，它必须满足该工艺过程的基本要求，如一定的容积、足够的机械强度、良好的抗腐蚀性能，同时便于维修，保证操作安全。 通常以生物反应器为核心将生物生产过程分为上、中、下游三部分。上游生物技术的主要任务是构建或选育出稳定、优良的生产细胞菌株；而中、下游生物技术的任务是设计经济上合理、理论上正确、技术上可行、操作上安全的一整套生物过程与设备系统。包括原料组分分离、培养基配制与灭菌、无菌空气的制备、种子的扩大培养、生物反应器的无菌操作与控制、产物的提取、分离和纯化等。这些操作设计是建立在生物工程原理上的，而操作过程是通过生物工程设备来完成。生物生产过程的上、中、下游技术与生物工程设备之间的关系如图1-1所示。 图1-1 生物生产过程的上、中、下游技术与生物工程设备之间关系示意图 1.2 生物工程设备的发展历程 生物工程设备是伴随着生物技术的发展而发展的，同时生物工程设备的提高又促进了生物技术在产业化的发展建设中不断优化。随着时间的推移，生物工程设备经历了下面的几个发展阶段。 1.2.1 传统发酵阶段生物工程设备 虽然数千年以前，微生物的性质尚未被人们所认识，但人类已经利用自然接种的方法进行发酵制品的生产，主要产品有酒、乙醇、醋、啤酒、干酪、酸乳等。不过，也仅仅是家庭式或作坊式的手工生产。古埃及人虽然早已会酿造啤酒，但直到17世纪才能在容量为1500桶（1桶相当于136L）的木质大桶中进行**次真正的大规模酿造。历史记载，1757年已应用温度计，1801年就有了原始的热交换器。这一阶段的多数产品属于嫌气发酵，且非纯种培养，凭经验传授技术和产品质量不稳定是这个阶段的特点。这个阶段也称为自然发酵阶段。虽然这个阶段的发酵理论尚未形成，生产形式均以作坊形式为主，但从设备角度来看，已能够满足工艺要求。这个阶段的设备可称为设施或器具，如陶罐、瓦罐、瓷罐、甑锅、石磨、木桶、泥池，其特点是：结构简易，效率低下，劳动强度大，机械化程度低， 造价低， 制造容易， 材料粗， 动力主要靠人力、畜力、水力，处于设施性器具阶段。 1.2.2 纯培养及通气搅拌阶段生物工程设备 1667年，荷兰的吕文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）首先发明了显微镜，认识到微生物的存在。1857年微生物学的鼻祖、以“发酵学之父”美誉著称的法国人巴斯德（Louis　Pasteur）首次证明了乙醇发酵是由酵母菌引起的，发酵现象是由微生物所进行的化学反应而产生的，而且不同的发酵与不同微生物有关。在巴斯德之后，德国的柯赫（Robert Koch）建立了微生物分离纯化和纯培养技术。微生物纯培养技术的逐步确立，开创了人为控制微生物的时代。且随着发酵管理水平的提升，发酵生产的腐败现象显著减少，后来又采用了杀菌技术，发明了简便的密闭式发酵罐，从而使得发酵效率逐步提高。并随之发展了以乙醇发酵为代表的嫌气发酵工程技术。1929年，英国的弗莱明（Alexander Flemming）发现青霉素，1940年，英国的弗洛里（Haward Florey）及钱恩（Ernst Boris Chain）两位博士精制分离出青霉素，并确认青霉素对伤口感染症具有奇迹般的疗效。20世纪40年代，随着青霉素的发现和大量生产的成功，同时又引进了用摇瓶进行实验室通风培养、用纤维过滤进行高效率的空气灭菌、5m3机械搅拌发酵罐、离心萃取技术及冷冻干燥机，好气性发酵通气搅拌工程技术也逐渐建立。抗生素工业的兴起，不仅使微生物应用到医药工业方面，同时还极大地促进了微生物工业的发展，开创了发酵工业的新时代。通风搅拌发酵技术的建立标志着现代生物工程设备和传统设备可以满足工艺要求和生产效率，同时化学工业、冶金机械工业、电子技术电力工业等相关行业的发展，不同程度地影响、提高了生物工程设备的技术装备水平，从传统的能够满足工艺要求向高效、高产、低耗的方向转变，实现了真正意义上的生物工程设备。这个阶段由于化学工程工作者参与生物反应过程的开发，在理论和实践相结合的基础上，生化工程随之诞生。至此，发酵工程在微生物学、生物化学和生化工程的三大学科基础上迅速形成一个完整的体系，进而促进了抗生素工业、酶制剂工业和有机酸工业的大力发展。设备特点如下：结构较为复杂，能够满足工业生产的要求，生产效率及机械化程度有所提高。 1.2.3 代谢调控发酵技术阶段生物工程设备 随着生物化学、微生物生理学及遗传学的深入发展，对微生物代谢途径和氨基酸生物合成的研究不断加深，人类开始利用代谢调控的手段进行微生物菌种的选育和发酵条件的控制。 20世纪50年代出现了微生物突变株发酵生产的氨基酸、核酸，通过遗传突变有目的地控制微生物所具有的一系列代谢反应途径，建立了现代代谢调控发酵技术。同时，对通气搅拌生物反应器进行了改良，发展气升式生物反应器，并研制出多种新型分离介质，如新型树脂材料、超滤等。 这个阶段的发酵设备向着大型化、自动化方向发展，搅拌发酵罐已达500m3，气升式发酵罐已达2000m3，常用的发酵罐也达到20～120m3。生产的产品种类繁多，从初级代谢产物到次级代谢产物。配套技术在此阶段也得到了长足的发展。 1.2.4 基因重组发酵技术阶段生物工程设备 发酵工业的*新技术进步主要表现在可以采用以分子生物学为核心的现代生物技术手段方面，构建基因工程菌，实现原有微生物发酵工业的发酵水平大幅度提高或诞生新型发酵工业，即采用基因工程菌生产原有微生物所不能生产的新的代谢物质。这一阶段主要是指20世纪70年代以后，由于DNA体外重组技术的建立，发酵工业进入了一个崭新的阶段，即以基因工程为中心的时代。在此阶段，生物技术过程和生物工程设备都得到迅速提高和发展。例如，针对基因工程菌的特点而研制出的超声细胞破碎和高压匀浆等一系列新技术、新设备，这些新技术与新产品的应用使得更多的发酵产品能进行规模化发酵生产，应用到医学卫生、农林牧渔、轻工食品、化工、能源和环境等众多领域。总之，生物技术的进步推动生物设备的发展，而生物设备的发展也会促使生物技术的前进。 1.3 生物工程设备的概况及发展趋势 生物工程设备主要包括生物反应器、生物反应物料处理及产物分离纯化设备。随着微生物工业的发展，生物工程设备也在不断发展、进步。欧美国家及日本的微生物工业规模大、产值高、产品众多，生物工程设备也较为先进。较为著名的生物工程设备制造企业有德国贝朗公司（Braun），法国宝乐菲公司（Biolafitte），瑞士比欧公司（Infors），日本丸菱株式会社（B.E.Marubishi）等。我国在生物工程设备制造加工领域，由于起步晚、基础薄弱、条件较差，与世界先进国家相比，还存在一定的差距。近年来，随着我国微生物工业的发展，生物工程设备也在不断发展、进步，涌现出一批较为著名的生物工程设备制造加工企业，如镇江东方生物工程设备技术有限责任公司、上海傲中生物工程设备有限公司、上海理工大学高机生物工程有限公司等。 目前生物工程设备的研究制造已经取得了重大进展，如已经应用到生产领域的大型自控发酵反应器、动植物生物反应器、微生物固态发酵反应器，以及更适合规模生产应用的分离提纯设备。但现有的装置在材料、设计及效果等方面均远未达到理想程度，如反应器材料的生物相容性、培养细胞的密度及时间、细胞间的气体及物质交换、分离提取的效率等均需较大程度的改进。 今后生物工程设备的发展方向主要集中在以下方面：①开发符合上述要求的新型材料；②改进反应器设计，使之在流体力学及几何学等方面更接近生理状态，并根据某种细胞的培养过程或细胞的某种培养方式，开发动植物细胞专用反应器；③将反应器培养技术、现代仪器分析手段和智能专家控制系统进行集成，实现植物组织大规模培养过程的自动优化与控制；④开发出适合不同产物的分离提取且可提高分离提取效率的生物工程设备。随着这一领域研究的不断深入及相关学科的飞速发展，根据近十余年的发展速度，我们有理由相信关于反应器的研究可能会在未来数年内取得突破性进展。 1.4 生物工程设备的课程内容与要求 1.4.1 主要内容 就课程体系而言，生物工程设备课程的主要内容应由生物工程工艺原理与生物工程设备组成。本课程是农业类院校生物技术、生物工程、生物制药、生化工程等专业的专业必修课。本书结合农业院校的特点，在内容及与其他基础课程的衔接上做针对性调整。全书共10章，分别为绪论，生物工程设备基础知识概述，原料处理及灭菌设备，空气压缩及除菌设备，设备和管道的清洗与灭菌，通风发酵设备，嫌气发酵设备，动植物细胞培养及酶生物反应器，产物分离与提取，生物工程公用系统。本书内容侧重于生物反应器和生物反应物料处理及产物分离纯化设备等的论述。 1.4.2 学习本书的要求 微生物工业生产中，生物工程设备的优劣是整个生产的关键，直接影响产品的质量和经济效益。生物工程设备的研究对象应包括从原料处理到*终产品获得的整个过程，包括原材料的粉碎、分选，培养基的灭菌，发酵过程的控制，产品分离纯化设备等内容，其中涉及化工原理、发酵工程工艺原理、工程制图、机械零件设计、发酵下游工程、生化工程等方面的问题。 学生在学习本课程的过程中应注意以下要求。 （1）学生通过系统学习树立生物工程设备是生物产业化的必由之路的理念。 （2）与工程制图、材料力学、化工原理、发酵工程工艺原理等课程相关知识结合，为生物工厂设计奠定基础。 （3）对目前已形成工业化规模生产的设备，重点掌握其结构、性能及设计改进，对传统设备的发展过程及未来生物工程设备的发展趋势要有所了解。 在学习方法上要求学生结合生产实际，在学习发酵工程工艺原理的基础上，掌握其共通的规律性，也要熟悉生物工程设备的特异性，同时还要加强工程技术和设备生产制造方面的训练。只有这样，才能达到举一反三的目的，才能理论联系实际，分析和解决有关生物工程设备方面的具体问题，才能进一步提高科学研究和设备设计的能力。 2 生物工程设备所用基础知识概述 现在，越来越多的反应器及其他设备广泛应用在生物工程类实验室或工厂中，任何设备在工作时，都要受到各种各样外力的作用，而这些