《生物化學工程》PPT課件.ppt

1,生物化學工程,王雪青 X 2004-9-14,2,一些與化學和生物技術相關的網(wǎng)絡資源索引,http:/hackberry.chem.niu.edu:20/Webpage,html http:/www.rpi.edu/dept/chem http:/www.osc.edu/chemistry. html http:/www.chem.ucla.edu/chempointers. html http:/cctr.umkc.edu/user/dborza/Bioresources.html http:/golgi.harvard.edu/biopages/biochem.html http:/www.cpb.uokhse.edu/pharmacy/pharmint.html http:/Bic Med Net,com http:/pharmInfo.gov http:/www.fda.gov http:/www.mec.ac.uk/pharm web,3,生物化學工程,第一章：緒論 第二章：工業(yè)微生物概論 第三章：滅菌技術 第四章：氧的供需與傳遞 第五章：生物反應器 第六章：微生物培養(yǎng)技術與動力學 第七章：動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術 第八章：植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術 第九章：生物物質分離與純化 第十章：生化生產(chǎn)工藝實例,4,第一章 緒 論,1.1 生化工程的定義及其與生物工程的關系 生物化學工程簡稱生化工程（biochemical engineering)，是應用化學工程的原理和方法將生物工程的實驗室成果進行工業(yè)開發(fā)的學科。它即可視為化學工廠的一個分之，又可認為是生物工程的一個組成部分。是以應用基礎研究為主，是走向產(chǎn)業(yè)化的必由之路。 生物工程則是（biotechnology，又稱生物技術）是應用生物體（包括微生物，動物細胞，植物細胞）或其組成部分（細胞器和酶），在最適條件下，生產(chǎn)有價值的產(chǎn)物，或進行有益的過程技術。以生命科學為基礎。 現(xiàn)代生物技術包括基因工程，細胞工程，酶工程，蛋白質工程和發(fā)酵工程,5,下游過程,生物反應過程(中游過程),上游過程,6,7,8,1.2 生化工程發(fā)展簡史 傳統(tǒng)的生物技術制品： 如傳統(tǒng)的發(fā)酵制品, 生產(chǎn)技術帶有濃郁的地方性和經(jīng)驗性的特點,設備簡單. 20世紀初, 微生物產(chǎn)品有所發(fā)展,但主要屬于初級代謝產(chǎn)物, 厭氣發(fā)酵, 設備也相對簡單（乳酸，乙醇，丙酮）。 20世紀40年代,抗生素的發(fā)展,使生化工程誕生. 特點是好氣發(fā)酵,產(chǎn)物結構復雜,次級代謝物, 培養(yǎng)液含量低,無菌條件高. 20世紀50年代, 氨基酸工業(yè), 60年代: 酶制劑. 70 年代: 干擾素, 胰島素, 生長激素, 乙肝疫苗, 單克隆抗體.,9,我國現(xiàn)代生物技術產(chǎn)品年銷售情況,10,11,生物化工產(chǎn)品的特定產(chǎn)物和反應條件，決定了常規(guī)工業(yè)反應裝置和分離純化設備必須經(jīng)過專門的設計和改進后才能得以應用，新型高性能的生化反應器和高效分離純化設備、分離介質以及反應工藝及分離工藝的研制開發(fā)是生物化工產(chǎn)業(yè)開發(fā)的重點領域。生物化工是化學工業(yè)的前沿領域之一，在生物技術轉化為生產(chǎn)力的過程中起決定性的作用。在生物技術發(fā)展初期，生物化工的重要作用并沒有得到足夠的重視，隨著生物技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和化學工業(yè)結構和產(chǎn)品結構的調整，越來越多的生物技術產(chǎn)品極大地依賴生物化工技術才能實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，而且許多化學品的生產(chǎn)工藝有生物法取代，顯示了很大的優(yōu)勢。據(jù)美國和歐盟預測生物技術產(chǎn)業(yè)在未來10年內將增長10-20倍，生物化工產(chǎn)品在化學工業(yè)中的比重也將提高一倍。,12,目前生物化工的發(fā)展速度顯然不能適應生物技術產(chǎn)業(yè)化的飛速發(fā)展。生物化工面臨著改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展生物高技術產(chǎn)業(yè)的雙重任務。加強生物技術的研究開發(fā)，大力發(fā)展生物化工不僅是化學工業(yè)自身發(fā)展的需要，也是生物技術產(chǎn)業(yè)化的保證。,13,1.3 生化工程的基本內容 新型生物反應器的研究開發(fā)，特別是針對基因工程產(chǎn)品和動、植物細胞培養(yǎng)的產(chǎn)品的投產(chǎn)研制新型生物反應器。重點在于生物安全。植物細胞對剪切力和環(huán)境敏感以及培養(yǎng)周期長而防止污染的問題。動物細胞的附壁生長的特點。 新型分離方法和設備的研發(fā)，特別是針對蛋白質、多肽產(chǎn)品的分離。 各種描述生物反應過程的數(shù)學模型的建立，將有利于過程的控制和優(yōu)化以及計算機的應用。 生物反應器內重要參數(shù)的傳感器的研制和有關計算機控制系統(tǒng)硬件及軟件的建立和完善。,14,第二章 工業(yè)微生物學概論,2.1 工業(yè)生產(chǎn)中常見的微生物 2.1.1細菌（bacteria）分布廣，數(shù)量多，與人的關系密切。按其形態(tài)分為球菌、桿菌和螺旋菌 其中發(fā)酵工業(yè)中常用的為桿菌。包括醋酸桿菌屬（Acetobacter）,乳酸桿菌屬（Lactobacillus）,芽孢桿菌屬（Bacillus）,如枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）可生產(chǎn)-淀粉酶和蛋白酶和5-核苷酸酶等。梭菌屬（Clostridium）如丙酮丁醇的梭狀芽孢桿菌（Clostridium acetobutylium）。大腸桿菌（Escherichia coli）：判斷食品被動物排泄物污染的可能，公共衛(wèi)生的重要指標。，在工業(yè)上利用大腸桿菌的谷氨酸脫羧酶進行谷氨酸定量分析。利用大腸桿菌制取天冬氨酸、蘇氨酸和纈氨酸。醫(yī)藥方面用大腸桿菌制造治療白血病的天冬酰氨酶，基因工程菌。產(chǎn)氨短桿菌（Brevibacterium ammoniagenes）：短桿菌屬，為氨基酸、核苷酸和酶法生產(chǎn)輔酶A的菌種。,15,Staphylococcus aureus,16,2.1.2 放線菌（Actinomyces） 因菌落呈放射狀而得名，大多數(shù)是腐生菌。介于細菌和霉菌呈長的細絲，與霉菌相似，但寬度與細菌相似，無橫隔，為單細胞，菌絲無完整的核，為原核生物。土壤中含有104-106/g，有特有的土腥味。它的一大貢獻是產(chǎn)生抗生素。不完全統(tǒng)計，目前，自然界發(fā)現(xiàn)和分離了5500種以上的抗生素，其中放線菌產(chǎn)生的有4400多種。其中鏈霉菌屬（Streptomyces）自1942年，Waksman 發(fā)現(xiàn)灰色鏈霉菌（產(chǎn)鏈霉素）相繼發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵工業(yè)中常用的有龜裂鏈霉菌（生產(chǎn)土霉素），紅鏈霉菌（產(chǎn)紅霉素），金黃色鏈霉菌（產(chǎn)金霉素），委內瑞拉鏈霉菌（產(chǎn)氯霉素），卡那鏈霉菌（產(chǎn)卡那霉素）。小單孢菌屬（Micromonospora）不形成氣生菌絲體，在基內菌絲體上長出孢子梗，頂端著生一個球形、橢圓、或長形的孢子。菌落常帶有顏色。此屬產(chǎn)抗生素的菌種有30多種。如絳紅小單胞菌和棘孢小單孢菌屬都產(chǎn)（產(chǎn)慶大霉素）,17,單細胞，卵圓形，圓形或圓柱形。酵母對發(fā)酵生產(chǎn)特別有利，自古釀制含酒飲料，而后做面包，發(fā)饅頭，進行酒精、甘油的生產(chǎn)，近年又用酵母進行石油發(fā)酵脫臘、生產(chǎn)各種有機酸。又因酵母內含有豐富的蛋白質、維生素和各種酶，所以酵母本身又是醫(yī)藥、化工和食品工業(yè)中的重要原料。如單細胞蛋白質、酵母片、核糖核酸、核苷酸、輔酶A、脂肪酸及乳糖酶等。酵母的繁殖通常以芽殖為主。工業(yè)中常用的菌主要有釀酒酵母菌屬和假絲酵母菌屬，前者用于釀酒，后者用于其他的發(fā)酵生產(chǎn)。,2.1.3 酵母菌（yeast）,18,2.1.4霉菌（molds） 凡生長在營養(yǎng)基質上形成絨毛狀、網(wǎng)狀或絮狀菌絲的真菌為霉菌。在自然界中分布廣，存在土壤、空氣、水和生物體內外等處，喜偏酸性環(huán)境，多數(shù)為好氧性、多腐性，少數(shù)寄生。其繁殖能力強，以無性和有性孢子繁殖，生長方式以菌絲末端伸長和頂端分支。霉菌是菌絲體結構，呈分支狀，它既可以引起食品、衣服、糧食及生活用品的霉爛，又可以用于發(fā)酵生產(chǎn)。例如遠古時代，用霉菌作曲制醬；近代利用霉菌生產(chǎn)酒精、有機酸、抗生素、酶制劑、維生素及激素等多種制品。發(fā)酵工業(yè)中常用的霉菌有曲霉屬（Aspergillus）如黑曲霉（生產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶、果膠酶、葡萄糖氧化酶）它的變異株可生產(chǎn)檸檬酸、葡萄糖酸、草酸和抗壞血酸），米曲霉含有多種酶類，糖化型淀粉酶和蛋白酶都較強主要用在釀酒的糖化曲和制醬油的醬油曲。黃曲霉，產(chǎn)生液化型的淀粉酶。但某些菌種產(chǎn)生黃曲霉毒素，特別在花生和花生餅粕上易形成，導致人蓄中毒或致癌。青霉屬1929年Fleming首先發(fā)現(xiàn)青霉素以來，一些典型的青霉菌如產(chǎn)黃青霉（產(chǎn)青霉素），展開青霉（產(chǎn)灰黃霉素），根霉屬（用于制曲和生產(chǎn)乳酸等）。,19,Some fungi produce antibiotics,Penicillin was the first antibiotic to be discovered,20,Aspergillus,21,2.1.5其他微生物 ：擔子菌，即菇類微生物，其資源利用越來越受人們的重視。如多糖，橡膠物質，抗癌藥物的開發(fā)“1，2-葡萄糖苷酶及某些多糖物質具有抗癌作用。：藻類，是分布最廣的自養(yǎng)微生物?？勺鳛槿祟惐＝∑泛惋暳?。培養(yǎng)螺旋藻60噸（GW）/公頃，大豆4噸/公頃，是大豆的28倍。 2.1.6 噬菌體 凡用細菌和放線菌為生長菌株的發(fā)酵工業(yè)，均存在噬菌體的問題。,22,23,巨大螺旋蛋白質含量6570；含有多種維生素，VB12最豐富，富含八種必須氨基酸；螺旋藻多糖，多種微量元素，如鐵、鉀、鈉、鎂和鈣等；含高量胡蘿卜素，七是含高含量的gamma-linoleic acid (gamma-亞麻油酸)，可降低人體血脂；另外還含有大量的藻膽蛋白，這是一種能促進機體免疫系統(tǒng)功能增強的生物活性物質。由此可見，螺旋藻是一種高級營養(yǎng)食品，同時還是多種藥品特別是保健藥品的重要原料。,24,小球藻：繁殖能力強，利用太陽能生產(chǎn)蛋白質，占其胞重的50%，超過牛肉和大豆，另外還含有糖類、脂肪、維生素和礦物質以及一種生長因子，可促進兒童的生長發(fā)育和增強體質，用于食品或是食品添加劑。 杜氏藻（鹽藻) 光能轉化率高，生長繁殖快的單細胞藻。在條件適當?shù)那闆r下，這種藻可大量合成胡蘿卜素，從10公斤鮮藻內可獲得1公斤-胡蘿卜素，這比胡蘿卜高出了500倍左右。由于-胡蘿卜素抗氧化能力強，又是人體必需的最重要的活性物質，加上其資源極其豐富和易加工等特點，,25,Phage reproductive cycle,Figure 10.1C,Phage attaches to bacterial cell.,Phage injects DNA.,Phage DNA directs host cell to make more phage DNA and protein parts. New phages assemble.,Cell lyses and releases new phages.,26,目前在國際下備受關注，如澳大利亞、以色列和日本等國每年都生產(chǎn)出大量的杜氏藻粉，除進行深加工外還出口到世界種地。當前這種海洋生物技術也是許多國家競爭的熱點。我國是海洋大國，海洋生物資源十分豐富，在即新的世紀，利用我們自身的這種優(yōu)越的自然條件發(fā)展海洋生物技術，開發(fā)海洋生物新產(chǎn)品已刻不容緩。,27,28,International Culture Collections,Domestically, strains can be purchased from: CGMCC or China General Microbiological Culture Collection Center 中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，北京中關村,29,第三章: 滅菌技術,3.1. 滅菌的原理和方法 3.2. 培養(yǎng)基滅菌 3.3. 空氣滅菌,生物生產(chǎn)過程是一個純培養(yǎng)過程，必須保證在生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)是無菌的(空氣、培養(yǎng)基、管路和設備),30,3.1. 滅菌的方法和原理,. 化學試劑滅菌法. . 電磁波、射線滅菌法. . 熱滅菌法 (干熱、濕熱和火焰滅菌法). . 過濾除菌法 (阻留微生物，達到除菌的目的),31,常用化學消毒劑及其使用方法,常用化學消毒劑及其使用方法,32,由于該方法滅菌與培養(yǎng)基中的一些成分發(fā)生反應， 并且會殘留在培養(yǎng)基中，所以只適合一些環(huán)境及器皿 表面的消毒而不適合于培養(yǎng)基的滅菌。,化學消毒劑方法的局限性,33,. 電磁波、射線滅菌法.,1：原理：利用高能電磁波、紫外線或放射性物質產(chǎn)生的高能粒子可以起到滅菌的作用。 波長在(2.1-3.1) 10-7 m的紫外線 表面或空氣滅菌。 波長在(0.06-1.4) 10-7 m的 X 射線/射線(Co60) 在 工業(yè)上還少采用。,穿透力差,設備投資高,34,. 熱滅菌法.,干熱滅菌法：160，1 h。使微生物體內的蛋白質發(fā)生氧化作用而死亡。用于實驗器具和材料的滅菌。 濕熱滅菌法：利用飽和蒸汽滅菌。使微生物體內的蛋白質發(fā)生凝固作用而致死。 由于蒸汽有很強的穿透力，冷凝時放出大量的潛熱，來源方便，價格低廉，滅菌效果好，是目前最基本的適合培養(yǎng)基和設備的滅菌方法。一般條件為：121，30 min。,35,利用過濾的方法截留微生物的方法。適合于澄清的液體和氣體的除菌。工業(yè)上常用此法制備大量的無菌空氣，供好氣性微生物的培養(yǎng)使用。,火焰滅菌法： 利用火焰直接把微生物殺死。方法簡單、滅菌徹底，但適用范圍有限,.過濾除菌法：,36,37,3.2. 培養(yǎng)基滅菌,培養(yǎng)基中含有豐富的營養(yǎng)，工業(yè)化生產(chǎn)中，體積大，生產(chǎn)的時間長，很易受到雜菌的污染。 工業(yè)上常采用濕熱滅菌的方法。 滅菌的要求：工業(yè)上無菌（滅菌度為1000）。即盡可能的出去雜菌的同時，還要盡可能的減收營養(yǎng)物的損失。 常采用的條件為：121，20-30 min。 3.2.1：滅菌的基本理論（一）微生物的死亡動力學 A:對數(shù)殘存定律： 微生物受熱死亡的主要原因是高熱能使蛋白質變性，這種反應可認為是單分子反應，死亡速率可視為一級反應，即與殘存的微生物數(shù)量成正比，,38,式中 N經(jīng)時間t后殘存的活菌濃度（個/L)，N0開始滅菌時原有活菌濃度（個/L)； t滅菌時間（s,min） K滅菌速率常數(shù)或比死亡速率常數(shù)（s-1,min-1）它的大小與微生物的種類和加熱溫度有關。在同等溫度下，其值小，微生物的耐熱性強。 從上式得出：t,N之間的關系為對數(shù),t=（2.303/K）(N0/ N),39,式中N/N0, 菌體存活率，而N0/N，為滅菌度。 B:非對數(shù)死亡規(guī)律： 對于耐熱性的微生物芽孢，其死亡不符合對數(shù)規(guī)律。具有代表性的模型為Prpkop & Humphey提出的“菌體循序死亡模型”。 認為：芽孢的死亡是漸進的。有耐熱的芽孢（R型）轉變?yōu)樗劳龅难挎?D型），需經(jīng)過敏感的中間過程（S型）。,40,dNs/dt=KRNRKSNS dNR/dt= KRNR 解為：N/N0=KR/(KR KS)exp(KSt) KS/KRexp(KRt) 當溫度在120時，接近一級反應規(guī)律 從以上可以看出：達到徹底的無菌，滅菌的時間為無限長。因此，工程設計以工業(yè)無菌為準。,（二）溫度對死亡速率常數(shù)K值的影響： 溫度可以影響反應速度常數(shù)。其關系用Arrhenius方程表示: K=Aexp( E/RT),41,42,式中：A常數(shù)（s-1 or min-1)；R氣體常數(shù)，8.314 J/molK; T 絕對溫度，K; E 微生物死亡活化能，J/mol. K= A (E /RT) dK/dT= E /RT2. 從（2）式看出： E 大， K對T的變化率越大，即對溫度變化敏感。 培養(yǎng)基中的熱滅菌既要殺死雜菌，又要保存其中的有效成分，因而研究熱對營養(yǎng)物質的影響是十分必要的,43,（三）溫度對營養(yǎng)物質分解破壞速率常數(shù)K的影響 同樣是為一級反應：dC/dt=KC 其中：C 培養(yǎng)基內易被破壞成分的濃度mol/L; t 滅菌時間（min,s); K 分解速度常數(shù)。 而且K同樣受到溫度的影響， 符合Arrhenius方程，即有：K= A (E /RT) dK/dT= E /RT2. ,44,當培養(yǎng)基溫度從T1升至T2時： 對微生物其死亡速度常數(shù)的得比值 K2/K1=exp( E /R)(1/T2 1/T1) (K2/K1)= (E /R)(1/T2 1/T1)(3) 同理：對培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質 (K2/K1)= (E /R）(1/T2-1/T1)(4) (3)/(4)得： (K2/K1) / (K2/K1) =E/E(5) 從(5)中看出，活化能大，反應速度常數(shù)變化程度也大。,45,細胞芽孢和熱敏性營養(yǎng)物的活化能,判斷采用高溫或是在低溫條件下殺菌是由該反應的活化能的大小決定。滅菌溫度升高時，微生物殺死速率的提高要超過營養(yǎng)成分破壞的速率。在滅菌度相同的條件下，Kt=常數(shù)，因而高溫K值增大，時間必定大大縮短，營養(yǎng)物質總的損失可以減少，因此高溫短時滅菌比低溫長時要好。此為滅菌動力學得出的最重要的結論之一。,46,例1：當殺菌溫度從120升至150 ，試計算維生素B1的分解速率常數(shù)KB和嗜熱脂肪芽孢桿菌的死亡速率常數(shù)KS。已知ES=283460 J/mol, As=1.061036 (min-1) ；EB=92114 J/mol, AB=1.061010 (min-1) 解： 由（1）式，即K= A (E /RT)得 Ks= As ES /(2.303 RT) Ks在120 時為0.024 (min-1) 150 時為11.12 (min-1)滅菌速率常數(shù)提高463倍。 同樣地： KB在120 時為0.055 (min-1)，150 時為0.404 (min-1)，同樣的溫度變化僅提高7.3倍,47,解：因營養(yǎng)物質的損失為一級反應； 固有 C/C0= Kt=0.418 C/C0=0.658 B1的損失（ C0 0.658 C0)/ C0=0.342,例2：在120 時滅菌7.6 min,計算維生素B1的損失度。已知K=0.055(1/min)。,48,49,3.2.2：影響滅菌的因素 培養(yǎng)基成分：影響微生物的耐熱性。 培養(yǎng)基的物理狀態(tài)：導熱方式 培養(yǎng)基的pH 培養(yǎng)基中的微生物量。N正比于N0 微生物細胞中的水含量。水 微生物細胞菌齡 微生物的耐熱性，細菌芽孢最耐熱 空氣排出情況 泡沫：熱量傳遞難 避免突然進汽或加大排氣。 攪拌,M失活易,50,3.2.3滅菌操作 一、間歇滅菌 （一）、間歇滅菌 又稱實罐滅菌，將配置好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐中或其它裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用的設備一起進行滅菌的過程。此法對設備要求簡單，滅菌可靠，無需專門的滅菌設備，投資少，是中小型工廠廠采用的一種方法。 分為三個階段：升溫、保溫和冷卻。,51,（二）間歇滅菌的計算 升溫階段：采用間接加熱（夾套、蛇管）；直接加熱（在培養(yǎng)基中直接通入蒸汽）；或二者同時進行的加熱方式。,52,由微生物死亡動力學公式 dN/dt= KN K=Aexp( E/RT),總=N0/N=0t Aexp( E/RT)dt,N0/N= (N0/ N1)(N1/ N2)(N2 /N) = (N0/ N1)+ (N1/ N2)+ (N2 /N) = 加+ 保+ 冷,53,在加熱或冷卻工程中,溫度隨時間而發(fā)生改變， 加=Aexp( E/RT)dt關系式復雜，積分困難，目前可用Richards簡易算法算出。其認為當溫度超過100后，才能具有殺滅微生物的作用，并且隨著溫度的升高，該作用也隨之增大。據(jù)此他以嗜熱脂肪芽孢桿菌為指示菌，在每分鐘升高1的條件下，在不同溫度下的(N0/ N1)，并匯總于表（p84) 加= 查表升至恒溫的時間/(恒溫溫度-100 ) 冷= 查表降溫的時間/(開始降溫溫度-100 ),54,例3:培養(yǎng)基在30 min內從100 升至121 ，或在17 min內從121 冷卻至100 ，Richards簡便方法計算加和冷?,解： 在 1 /min 條件下，培養(yǎng)基從120 121 ， 加為12.549， 加= 查表升至恒溫的時間/(恒溫溫度-100 ) 加= 12.549 30/21=17.93 冷= 查表降溫的時間/(開始降溫溫度-100 ) 同理: 冷= 12.549 17/21=10.16,55,例4:若某發(fā)酵液中原含活菌1011個,滅菌后的活菌數(shù)為10-3個,且發(fā)酵液在16 min內從100 被加熱到121 ，之后，在此溫度下保溫t min，接著，發(fā)酵液再在17 min內從121 冷卻到100 ，求所需保溫時間t。已知121 的K=2.54 min-1,解：發(fā)酵液在殺菌前后體積不變 總= N0/N= 1011/ 10-3= 1014 = 32.2 加= 12.549 16/21=9.56 冷 =12.549 17/21=10.16 又 總=加+ 保+ 冷 保=32.2-9.56-10.16=12.48,56, 保= 0t Aexp( E/RT)dt=Kt t= 保/K=12.48/2.54=4.91 (min),升溫階段對滅菌的貢獻加/ 總=9.56/32.2=0.29 降溫階段對滅菌的貢獻冷/ 總=10.16/32.2=0.31 從上例說明升溫和冷卻階段對整個滅菌過程來說，效果十分可觀。 一般地加/ 總占0.2，而冷/ 總占0.05，保溫階段保/ 總占0.75,57,二、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌,將配置好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送的同時進行加熱、保溫、和冷卻而進行滅菌。連續(xù)滅菌可在短時間內加熱到保溫的溫度，并且能很快地冷卻，因此可在比間歇滅菌更高的溫度下進行滅菌，有利于減少營養(yǎng)物質的損失。,培養(yǎng)基連續(xù)滅菌過程中的溫度的變化,1、基本流程,58,配料罐將培養(yǎng)基預熱60-70，防止培養(yǎng)基在殺菌時料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊聲。 連消塔（加熱塔）使培養(yǎng)基迅速（20 s)升溫（126-132 ）。 維持罐：使培養(yǎng)基溫度保持在滅菌溫度下一段時間。2-7min. 冷卻管：將培養(yǎng)基迅速冷卻到40-50 ，輸送到滅菌后的發(fā)酵罐內,59,2、噴射加熱連續(xù)滅菌流程,60,3、薄板換熱器連續(xù)滅菌流程,作業(yè)：P90; 1;3;6,61,3.3. 空氣滅菌,好氧微生物在發(fā)酵過程中需氧。而空氣中夾帶有大量的各類雜菌，因而在培養(yǎng)系統(tǒng)通入空氣之前須除菌。生產(chǎn)中應用的無菌空氣認為10-3 。一般空氣中的含量103-104個/m3,菌體的平均尺寸為0.6 m。,3.3.1 空氣滅菌的方法,空氣中微生物種類：包括細菌、細菌和霉菌孢子，酵母菌和病毒。研究其分布情況有利于選取良好的取風位置和提高空氣除菌效率。 數(shù)量與環(huán)境溫度和濕度有關。 城市中空氣微生物的含量大于農村和山區(qū)的 地面空氣微生物的含量大于高空中的。 潮濕溫暖的南方地區(qū)微生物的含量大于干燥寒冷的北方地區(qū)。 塵埃數(shù)量與微生物量呈線性關系（y=0.003x-2.6),62,熱滅菌法 Decker等發(fā)現(xiàn)懸浮于空氣中的細菌孢子在218 ，24 s內可被殺死。利用空氣壓縮時溫度升高來殺死微生物熱滅菌方法（屬于干熱滅菌)。壓力與溫度的關系為,T2=T1(P2/P1)(m-1)/m 式中, T1, T2分別是空氣壓縮前后的溫度, K; P1, P2 分別是壓縮前后的的空氣壓力，Pa; m 多變指數(shù)，1.25。 實際工藝所采用進口空氣溫度T1=60-70 , P2/P1=6,則出口溫度達到200 以上（203-217），即可達到滅菌的目的。 該方法已成功地應用在丙酮、丁醇、淀粉酶和2，3 丁二醇的發(fā)酵生產(chǎn)。 其工藝流程為,63,64,輻射滅菌和化學滅菌法在發(fā)酵工業(yè)上大規(guī)模 的制備無菌空氣尚待經(jīng)一步研究.,靜電除菌法,使空氣中的微粒（水霧、油霧、塵埃和微生物）在靜電場的作用下會被電離成帶電微粒，然后將其鋪集在電極上。對1 的微粒去除率高達99%，耗電量小處理1000 m3空氣/(0.4-0.8 kW),氣體壓力損失小，但對很小的微粒，由于所帶電荷小，靜電引力接近于氣流對微粒的拖動力或布朗擴散動量時，不能除去。同時設備龐大，一次性投資費用高。,66,介質過濾除菌法,工業(yè)上最常用的空氣除菌方法。是通過過濾介質阻截空氣中所含微生物，從而獲得無菌空氣。,過濾介質孔隙,絕對過濾:孔徑(0.01-0.2 )小于微生物粒子（0.5-2 )的微孔過濾膜。,相對過濾：過濾介質孔隙大于微生物直徑。如棉花、活性炭、玻璃纖維等,3.3.2 過濾介質除菌的原理,棉花纖維直徑16-20 , 孔隙直徑20-50 ,微生物直徑0.5-2 .微粒隨空氣流通過一定厚度的過濾層時，濾層纖維所形成的網(wǎng)格對氣流進行無數(shù)次的阻礙，從而無數(shù)次的改變氣流的運動速度和方向而繞流運動，這將引起微粒對濾層纖維產(chǎn)生慣性撞擊、重力沉降、攔截、布朗擴散、靜電引力等作用，將微粒捕獲在纖維表面實現(xiàn)過濾。,67,慣性撞擊截流作用機理,為空氣過濾器的主要作用。滯留微粒的寬度區(qū)間b與纖維 直徑的df之比慣性撞擊捕集率1=b/df 其中1是慣性準數(shù)(）的函數(shù)。 即，1 =f( ) 與纖維直徑、 微粒的直徑和微粒的速度關系為, =(Cpd2p0)/(18df),其中:C,克寧漢修正系數(shù)； 0，空氣在纖維間的真實速度； p，dp為微粒的密度和直徑； 為空氣的黏度； df為纖維直徑。,從公式可以看出：當過濾器和空氣中的微粒一定時，影響鋪集率的參數(shù)為0。 0為某一臨界值，1 =0，實驗測得=1/16時滿足此條件，求出c=1.25(df)/ (Cpd2p).,68,攔截滯留作用機理,當氣流速度小于慣性撞擊的臨界速度時， 顯著下降，若繼續(xù)下降時， 不再繼續(xù)下降，反而有所回升，即為攔截滯留在起作用;其經(jīng)驗公式為,從式中看出2與微粒直徑和纖維直徑之比有關，同時與空氣流速成反比，即當氣流速度低時截流才起作用，,當微粒直徑為1 m,C=11.46, =1.86 10-5(Pa.s), p=1000(kg/m3),則vc=1.8 104 df (m/s),纖維細,對捕集有利., 2=2(1+R) (1+R) (1+R)+(1 R)-1/2(2 Re),式中微粒直徑與纖維直徑的比值R=dp/df, 氣流雷諾數(shù) Re=df 0 / ,69,布朗擴散作用機理,布朗擴散的運動距離很短，在流速和纖維間隙大的條件下不起作用，當微粒擴散的距離x大于微粒離纖維表面的距離，則微粒會由于布朗擴散作用的存在，增加了纖維的截流作用。 布朗擴散作用于微粒和纖維直徑有關，并與流速成反比，在流速很小時，是介質過濾除菌的重要作用機理之一。,70,71,重力沉降作用機理,微粒受到兩種力,重力,氣流拖帶力，當氣流速度很小時，才會表現(xiàn)出重力沉降的作用,靜電吸附作用機理,微生物帶有與過濾介質表面相反的電荷；或介質表面有感應電荷，使微生物被吸附。,72,過濾除菌機制隨著流速的不同，其中到作用的機制也不同。當氣流速度較大時，慣性撞擊起主要作用。表現(xiàn)在隨著流速的增加，除菌效率也增加。 當氣流速度較小時，擴散起主要作用，表現(xiàn)在隨速度的增加而降低。 當氣流速度中等時，截流起主要作用。表現(xiàn)在氣流速度增大，除菌效率下降。,3.3.3 空氣過濾時的對數(shù)穿透定律,當空氣中的微粒穿過一定厚度的濾層時，不斷地被捕捉，含量逐漸減少，表現(xiàn)為類似一級衰減規(guī)律的形式即： dN/dl= KN,73,初始條件：N0,N, 進出濾層微生物的濃度。濾層厚度：0，L K,K阻塞因素（1/m,1/cm),反映的是介質阻止微生物穿透的能力， 由式積分的N/ N0=-KL 或 (N0/N）=KL,壓力降計算,p=cL(2 02m)/(df),L過濾層的厚度（m) 空氣密度（kg/m3) 介質填充率 0 空氣的流速（m/s) df 纖維直徑（m) m 實驗指數(shù),74,3.3.5過濾介質除菌流程,生產(chǎn)對無菌空氣過濾流程的要求： 進入發(fā)酵罐的無菌空氣應保持一定的正壓，需要供氣設備。 選取空氣塵埃小的空氣，延長過濾器的壽命（高空采風）。 除水和油，保證過濾器的除菌效率（冷卻，加熱和分離器）。,75,兩級冷卻、加熱除菌流程,特點：2次冷卻，2次分離，適當加熱。適用面廣。,76,前置高效過濾除菌流程,特點：無菌程度高。,泡沫塑料,超細纖維,77,空氣冷卻過濾除菌流程,78,引起染菌的主要途徑： （1） 缺少正規(guī)的操作流程方案； （2） 使用濕的滅菌過濾器； （3） 冷卻盤上的銷孔的污染； （4） 設計不合理的空氣排放系統(tǒng)； （5） 不恰當?shù)丶尤肴揪挠秃拖輨?（6） 閥門的泄漏；密封設施不嚴密。,79,提高過濾除菌效率的措施,加強生產(chǎn)場地的衛(wèi)生管理 選擇壓縮空氣站為上風口 提高采風位置 加強空氣預處理,