发酵设备及工厂设计绪论

中国生物技术产业现状政策重视：2006年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006一2020）》：科技发展的五个战略重点之一2007年，发改委制定《生物产业发展“十一五”规划》：2020年，全国生物产业增加值突破2万亿元，占GDP比重达到4％以上，支柱产业和主导产业。2010年《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》：列入战略性新兴产业途径：坚持发挥市场基础性作用与政府引导推动相结合，科技创新与实现产业化相结合，深化体制改革，以企业为主体，推进产学研结合。把战略性新兴产业培育成为国民经济的先导产业和支柱产业。2009年，国务院《促进生物产业加快发展的若干政策》：生物技术强国和生物产业大国。2011年11月，科技部制定《“十二五”生物技术发展规划》目标：生物医药、生物农业、生物制造、生物能源、生物环保等产业快速崛起，成为生物技术强国和生物产业大国。发表SCI论文总数达到世界前3位；申请和授权发明专利数总数进入世界前3位；生物技术研发人员达到30万人以上，生物技术人力资源总量位居世界第一；生物产业年均增长率保持在15％以上。2011年12月，科技部、人力资源和社会保障部、教育部等多部委印发《国家中长期生物技术人才发展规划(2010一2020年）》，目标：3一5名国际顶尖科学家；30一50名国际一流创新人才和若干创新团队；300一500名领军人才、3一5万名学科骨干；30万名生物产业人才、3000一5000名生物技术高级管理人才。2012年，国务院印发《生物产业发展规划》，到2015年：生物医药产业超过1万亿元人民币；生物医学工程产业年产值达到4000亿元；生物农业年工业产值达到3000亿元；生物制造产业年产值达到7500亿元；生物能源产业年产值达到1500亿元；生物环保产业年产值达到1500亿元；生物服务产业年产值达到1500亿元。基础好：干细胞、蛋白质组学等领域研究水平较高，杂交水稻等生物育种领域具有一定的优势，研发队伍水平较高，25万余人。资源和市场优势：26万种生物物种、12800种药用动植物资源、32万份农业种质资源，市场巨大。我国发展生物技术产业的优势时机有利：跨国企业垄断不严重，全球产业成长期。发展迅速：问题突出和制约因素多研发创新能力不足：全球生物技术创新和专利绝大部分来源于欧美日等，而中国在内的发展中国家仅占5％。发展资金严重短缺：国际上一种新药的研发费用已升至12亿美元，而我国仿制一个新药只需几百万元人民币。缺乏龙头企业带动：国内最大生物农业企业年销售收入不足5亿元人民币，而美国孟山都公司年销售收入为55亿美元。专业公共服务缺失市场环境有待完善工欲善其事，必先利其器。——论语·卫灵公发酵设备及工厂设计化学与生物工程学院生物工程教研室刘凤红自我介绍微信：lfh19880221QQ：1095907100邮箱：[e-mail]电话：[phone]欢迎光临！生物工程专业的专业方向课程之一，必修。课程性质本课程是大学本科生物工程专业的专业课，通过本课程学习，结合专业见习和发酵设备及工厂设计专业课程的学习，使学生掌握生物工程企业的工作流程，主要设备的构造、原理、设计、应用等基本知识。在此基础上，掌握生物工程工厂设计的理论、方法和有关的设计规范，培养学生具备生物工程工厂设计的工程能力、创新能力和工程素质。课程简介微生物学、生物化学、物理化学、化工原理和生物工艺学等先修课程毕业论文设计后续课程通过本课程的学习，学生能够进一步了解国内外生物技术和生物工程的研究前沿，认识原料处理设备、生物反应设备、生物分离设备的应用与研究开发现状及发展趋势，掌握生物过程设备流程、主要设备的结构、设计计算、工程放大、优化控制以及工厂设计等技术，能够独立地解决生物工业生产、实验研究及技术开发方面的设备问题，从而利用所学的知识提升传统生物技术产业，推动生物技术成果的产业化，提高工业生物技术产业的经济和社会效益。教学目的和要求1.考核方法：考试2.成绩评定方法：总成绩=期末考试成绩×70%+平时成绩×30%考核方式1.生物工程设备.郑裕国.化学工业出版社,2007.2.生物工程工厂设计概论.吴思方.中国轻工业出版社.2013.3.生物工程设备.梁世忠.中国轻工业出版社.2011.4.生物工艺学.邱树毅.化学工业出版社.2009.教材和教学参考书中国知网、小木虫、生物秀爱课程网址：其他资料目录第一篇生物质原料处理设备第二篇生物反应设备第三篇产物分离设备第四篇发酵工厂设计第一篇生物质原料处理设备第一章绪论第二章生物质原料预处理设备第三章生物细胞培养基制备设备第四章物料输送设备第五章空气供给工程设备第六章生物反应器设计基础第七章生物反应器第八章生物反应器的放大与控制第二篇生物反应设备第三篇产物分离设备第九章细胞破碎与料液分离设备第十章萃取设备第十一章离子交换、吸附与层析分离设备第十二章蒸发与结晶设备第十三章干燥设备第四篇发酵工厂设计第十四章厂址选择与工厂总平面设计第十五章工艺流程设计第十六章设备的设计与选型第十七章车间布置设计第十八章管道设计与布置第十九章公用工程第二十章清洁生产与末端治理绪论1、生物技术的发展过程2、生物过程工程学基本概念3、生物工程设备的基本概念4、生物过程工程概述5、发酵工厂设计概述1生物技术的发展过程1.1现代生物技术的产生1.2现代生物技术的前景和发展KarlEreky(1917):用甜菜（原材料）大规模饲养猪（生物）。生物技术（Biotechnology）:是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物作用剂（biologicalagent）的作用将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。生物作用剂：酶、生物细胞或生物体。1.1现代生物技术的产生生物工程与生物技术异同国外：生物工程不涉及化学催化反应过程，仅生物过程与物理过程的结合。生物技术指生物催化反应过程。国内：前者为广义概念，为技术系统；后者为狭义的概念，指工艺操作方法与技能。生物技术三大特点：（1）多学科性和综合性（2）依靠生物为生物催化剂：自催化（3）体现了生物反应过程生物学化学工程工程学化学生物工程生物化学生物技术新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生21世纪部分诺贝尔奖2012年，成熟细胞制备干细胞2010年，试管婴儿2009年，端粒和端粒酶2008年，绿色荧光蛋白2007年，干细胞研究2006年，RNA干扰机制底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？工业生物技术——生物技术的第三次浪潮社会需求科学技术人类基因组学及相关科学动物基因组学及相关科学微生物基因组学及相关科学推动医药生物技术农业生物技术工业生物技术拉动推动推动拉动拉动人口健康食品资源能源环境能源生物技术：生物乙醇；环保生物技术：生物降解；生物材料：聚乳酸、聚谷氨酸；提升传统产业：化学工业、制药工业、发酵工业。工业生物技术的应用范围国际现状与趋势——发展潜力巨大OECD对6个发达国家进行分析的结果表明：生物工程技术的应用可以降低工业能耗15一80%，原料消耗35一75%,空气污染50一90%，水污染33一80%，生产成本降低9一90％。头孢菌素传统方法10步生物-化学合成生物法1步发酵+酶法原料降低65%能耗降低65%成本降低50%投资额30亿！二氧化碳基生物降解塑料项目落户吉林相关案例——装备水平促进生物产业进步普遍采用智能化的大型生物反应器：我国柠像酸年产能占世界的70％左右；年产量占世界的65％左右。所用发酵罐：300m3，国外1000m3。1000m3反应器与300m3反应器相比，单位产品电耗减少35%，反应器单位体积建造成本降低70%!大规模反应器的应用显著降低发酵成本！国际现状与趋势现代生物技术是随着DNA重组技术发展而提出来的，前者的研究是以后者为有效手段的。现代生物技术是以DNA重组技术为手段，依靠清洁经济的生物反应器，利用可再生资源加工人类所需产品的可持续发展技术。现代生物技术的产生1.2现代生物技术的前景和发展21世纪的朝阳产业生物技术的研究是以商业化产品为导向的，生物技术同时也推动着经济的发展。现代生物技术产品可广泛应用于医药卫生、农林牧渔、海洋、轻工食品、化工、能源等领域。可以解决面临的人口、资源和环境等一系列可持续发展问题。现代生物技术最新进展（1）人类基因组序列工作框架图的完成(HGP)（2）生物芯片(Biochips,DNAchips,proteinchips)（3）动植物生物反应器(Bioreactor)显微注射法构建的产人蛋白的转基因羊显微注射针显微注射系统工业生物技术能源生物技术：生物乙醇环保生物技术：生物降解生物材料：聚乳酸、聚谷氨酸提升传统产业：化学工业、制药工业、发酵工业RenewablerawmaterialsBiofuelsBiomaterialsChemicalsCellFactoryIndustrialbiotechnology:Gatewaytoamoresustainablefuture工业生物机器－理想的生物炼制厂一种太阳能利用大型机器▲制造成本最低▲净化空气与清洁环境▲运行成本最低2生物过程工程学基本概念生物反应过程是整个生物生产过程的核心，其它过程都是为生物反应过程服务的。2.1工程理念2.2工程学基本概念2.1工程理念工程学是研究工业生产过程系统规律性的科学，探索如何有效的用合理的生产设备将原料转变为工业产品的科学。必须有以下四种工程理念(engineeringthought)：理论上的正确性(validtheory)；技术上的可行性(technicalfeasibility);操作上的安全性(safetyoperation)；经济上的合理性(economicalrationality)。工程学的观点目的产物中心观点能量最小的观点细胞经济与生产经济矛盾的观点细胞代谢调控机制使其代谢反应有序进行，处于平衡生长则无代谢物积累，称为细胞经济;通过改变细胞基因型改变代谢途径或改变培养条件控制代谢，过量表达代谢产物对细胞能量利用和细胞组成物质的合成都是不经济的，这种细胞叫做”病态”细胞。衡算概念质量衡算、热量衡算和动量衡算速率概念速率问题是理论上的正确性合技术上的可行性的一个重要的衡量标志和判断标准。过程速率=过程的推动力/过程的阻力。2.2工程学基本概念最优化概念最优化方法所研究的中心问题是如何根据系统的特性去选择满足控制规律的参数，使得系统按照要求运转或工作，同时使系统的性能或指标达到最优化。以动力学为基础的最佳工艺控制点的静态操作方法向以细胞代谢流的分析与控制为核心的生物反应最优化技术经济概念不管是在小试、中试还是示范工程建设中都必须始终贯穿着技术经济概念，这样才能保证所开发的生物技术方案的科学性和合理性。上游生物技术工程化的概念随着基因重组技术、蛋白质修饰技术、细胞融合技术和固定化技术的逐步成熟，其上游生物技术已进入工程化阶段。细胞代谢和培养工艺过程一体化的概念。转入GFP基因的动物细胞3.1生物技术工艺与设备3.2生物工程设备3生物工程设备的基本概念3.1生物技术工艺与设备生物技术工艺包含了一系列的生物反应过程、化学反应过程和物理操作过程，需在相应设备中进行。其核心为生物反应过程。生物工程设备的发展可以促进生物技术产品的开发和生产。生物工程设备技术在现代生物技术产业中具有十分重要的地位。3.2生物工程设备生物工程设备的特点生物工程设备的发展历程生物工程设备的工作领域生物工程过程与设备生物工程设备的特点（1）对于所有微生物或动植物细胞来讲，提供必要和足够的营养和能量，才能维持其生命代谢活动。（2）培养基原料的预处理不仅影响细胞代谢生长，而且对于培养基原料成本大小和是否造成环境污染等具有决定性影响。（3）如何合理的设计种子培养系统，以