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1、生物制药设备与车间设计,刘春冬684632,课程教学目标,理解生物反应器的概念，重点掌握细胞生物反应器。掌握培养基灭菌和空气除菌工艺流程及设备。掌握生物制药工程下游分离纯化原理与设备。熟悉生物制药车间设计。,课程难点,灭菌工艺、分离纯化工艺定量计算生物制药相关设备工艺参数设计,生物制药全过程简图,生物工程上游技术,基因工程：通过基因重组获得基因工程菌、转基因动植物。,生物反应工程,通过发酵工程、细胞工程和酶工程获得含目的产物的 混合物料。,生物分离工程,从生物反应产物体系中提取和纯化活性成分的过程。,成品加工（制剂工程）,将所得活性成分加工成各种适宜的剂型。如片剂、胶囊剂、口服液、水针剂、粉针
2、剂、大输液等。,第一章 绪论,第一节 生物制药设备概述第二节 生物反应器基本理论,第一节 生物制药设备概述,一、生物制药广义定义：泛指包括生物制品在内的生物体的初级和次级代谢产物或生物体的某一组成部分，甚至整个生物体用作诊断和治疗疾病的生物体。狭义定义：采用DNA重组技术或其他生物新技术研制的蛋白质或核酸类药物。,生物制药是以基因工程、细胞工程、发酵工程等技术，利用生物体来生产药品。生物技术最早应用的产业领域是医药行业。目前，美国的生物技术公司大部分集中在医药保健品领域。第一个生物药物是1982年有美国基因科技公司开发的基因重组胰岛素。,生物制药发展迅速新兴行业,近20年来，以基因工程、细胞工
3、程、酶工程为代表的现代生物技术迅猛发展，现代生物技术在医药学方面广泛应用，生物医药产业化进展快速发展。上世纪90年代以来，全球生物药品销售额以年均30%以上的速度增长，大大高于全球医药行业10%左右的增长速度。2010年，生物药物的份额占医药市场份额达18%左右。,生物药占全球前100畅销药物数量比重,二、生物化学工程,生化工程是运用化学工程的原理和方法对实验室取得的生物技术成果进行工业化开发的科学。生化工程研究的问题：工业化生产中培养基和空气灭菌过程，水的纯化过程，生物反应器的设计、生化产品的分离纯化等。,生物催化剂,底物、培养基,生物反应器,产品,副产品,废物,成品加工,回收,无害处理,反
4、应条件控制,检测控制,空气,三、生物制药设备,大致可分为三类一、生物反应核心设备：生物反应器二、生物反应准备设备：培养基灭菌设备、空气除菌设备三、生物反应下游加工设备：生物药物分离纯化设备,生物反应器,生物反应器是生化反应发生的场所，是整个生化工程的关键设备。生物反应器是为特定的细胞或酶提供适宜增殖或进行特定生化反应环境的设备。生物反应器设计和放大是一个非常复杂的问题。,培养基灭菌设备为生物反应提供无菌的培养基空气除菌设备为生物反应提供无菌空气,分离纯化设备,药物对杂质种类及其含量有严格的规定。制药合成产物的药物成分含量很低，杂质含量很高，并且杂质与目标产物有相似的结构，很难分离。药物成分的稳
5、定性较差，使得分离纯化方法的选择受到很大限制。,第二节 生物反应器基本理论,一、生物反应器基本工程概念1、什么是生物反应器利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置称为生物反应器，或者说生物反应器是生物化学反应得以进行的场所。,2、生物反应器分类,（1）按操作方式：间歇式、连续式、半连续式。,（2）按反应器内流体流动及混合程度：理想反应器、非理想反应器。,（3）按几何形状：罐式（釜式）、管式、塔式、膜式。罐式（釜式）：高度与直径相当或稍高，釜内有搅拌等装置。管式：长径比大，多用于均相反应。塔式：高径比大，内部有填料、筛板等装置。膜式：有膜组件。,3、生物反应器设计内容,确定反应器类型。设计反
6、应器的结构，并确定结构参数。确定工艺参数和控制方式。,二、理想反应器,1、几种典型反应器型式间歇操作的搅拌釜连续操作的搅拌釜连续操作的管式反应器,（1）间歇操作的搅拌釜,物料一次性加入，反应完毕后一起放出，全部物料参加反应的时间是相同的。釜内各点的温度、浓度均匀一致，反应物浓度随时间而变化，反应速度也随时间而变化。适合药品生产规模小，品种多，原料与工艺条件多样的特点。,连续操作的搅拌釜,釜内装有强烈搅拌器，反应器内各点温度、浓度均匀一致，物料随进随出，连续流动，出口物料中反应物浓度与釜内反应物浓度相同。,连续操作的管式反应器,从反应器一端加入反应物，从另一段引出产物，反应物沿流动方向前进。反应
7、物浓度、反应速度沿流动方向逐渐降低，在出口处达到最低值。,2、返混与停留时间分布,停留时间分布：进入连续反应器的物料粒子，有的很快从出口流出，有的经过很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定的分布，称为停留时间分布。间歇反应器无停留时间分布。,年龄分布与寿命分布,年龄分布：从进入反应器的瞬间开始算年龄，不同年龄的物料粒子混在一起，形成一定分布，称为年龄分布。寿命分布：在出口物料中，不同寿命的粒子混在一起，形成一定的分布，称为寿命分布。,返混,返混：不同年龄的物料粒子混在一起的现象称为返混。间歇反应器内不存在返混现象，返混是连续操作反应器中特有的现象。,返混产生的原因（自学）,涡流与扰动
8、速度分布沟流倒流短路与死角,返混的影响（自学）,返混使产品的收率、质量降低。返混使反应物浓度降低，反应速度减小，反应容器增大。在某些情况下返混也可能是有利的，对于自催化反应，反应物容积反而减小。,3、理想反应器,根据返混程度的大小，可以将流动情况分为3种类型：平推流全混流中间流,平推流,不存在返混的一种理想流动型式，其特点是流体通过细长管子时，在与流动方向称垂直的截面上，各粒子速度完全相同，也称活塞流。细长型管式反应器内物流流动情况类似这种型式。,全混流,返混程度最大的一种理想流动型式。物料一进入反应器就立即均匀分散在整个反应器内，且在出口科同时检测到新加入的物料粒子。反应器内物料的温度、浓度完全一致，且分别与出口处温度、浓度相同。连续搅拌釜内物流流动情况类似这种型式。,中间流,返混程度介于平推流和全混流之间，具有部分返混的流动型式。也称为非理想流动。,思考？,有返混一定存在停留时间分布。间歇操作中，反应器内搅拌强烈，可达到最大程度返混。平推流模型是一种理想流动型式，全混流模型是一种非理想流动型式。有寿命分布则一定有返混。,
