《生物化學(xué)工程》PPT課件.ppt

1,生物化學(xué)工程,王雪青 X 2004-9-14,2,一些與化學(xué)和生物技術(shù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)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(xué)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(shù) 第四章：氧的供需與傳遞 第五章：生物反應(yīng)器 第六章：微生物培養(yǎng)技術(shù)與動(dòng)力學(xué) 第七章：動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù) 第八章：植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù) 第九章：生物物質(zhì)分離與純化 第十章：生化生產(chǎn)工藝實(shí)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(guān)系 生物化學(xué)工程簡稱生化工程（biochemical engineering)，是應(yīng)用化學(xué)工程的原理和方法將生物工程的實(shí)驗(yàn)室成果進(jìn)行工業(yè)開發(fā)的學(xué)科。它即可視為化學(xué)工廠的一個(gè)分之，又可認(rèn)為是生物工程的一個(gè)組成部分。是以應(yīng)用基礎(chǔ)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(shù)）是應(yīng)用生物體（包括微生物，動(dòng)物細(xì)胞，植物細(xì)胞）或其組成部分（細(xì)胞器和酶），在最適條件下，生產(chǎn)有價(jià)值的產(chǎn)物，或進(jìn)行有益的過程技術(shù)。以生命科學(xué)為基礎(chǔ)。 現(xiàn)代生物技術(shù)包括基因工程，細(xì)胞工程，酶工程，蛋白質(zhì)工程和發(fā)酵工程,5,下游過程,生物反應(yīng)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(shù)制品： 如傳統(tǒng)的發(fā)酵制品, 生產(chǎn)技術(shù)帶有濃郁的地方性和經(jīng)驗(yàn)性的特點(diǎn),設(shè)備簡單. 20世紀(jì)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(shè)備也相對簡單（乳酸，乙醇，丙酮）。 20世紀(jì)40年代,抗生素的發(fā)展,使生化工程誕生. 特點(diǎn)是好氣發(fā)酵,產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜,次級代謝物, 培養(yǎng)液含量低,無菌條件高. 20世紀(jì)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(shù)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(yīng)條件，決定了常規(guī)工業(yè)反應(yīng)裝置和分離純化設(shè)備必須經(jīng)過專門的設(shè)計(jì)和改進(jìn)后才能得以應(yīng)用，新型高性能的生化反應(yīng)器和高效分離純化設(shè)備、分離介質(zhì)以及反應(yīng)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(diǎn)領(lǐng)域。生物化工是化學(xué)工業(yè)的前沿領(lǐng)域之一，在生物技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過程中起決定性的作用。在生物技術(shù)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(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和化學(xué)工業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，越來越多的生物技術(shù)產(chǎn)品極大地依賴生物化工技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，而且許多化學(xué)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(yù)測生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)在未來10年內(nèi)將增長10-20倍，生物化工產(chǎn)品在化學(xué)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(yīng)生物技術(shù)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(shù)產(chǎn)業(yè)的雙重任務(wù)。加強(qiáng)生物技術(shù)的研究開發(fā)，大力發(fā)展生物化工不僅是化學(xué)工業(yè)自身發(fā)展的需要，也是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的保證。,13,1.3 生化工程的基本內(nèi)容 新型生物反應(yīng)器的研究開發(fā)，特別是針對基因工程產(chǎn)品和動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)的產(chǎn)品的投產(chǎn)研制新型生物反應(yīng)器。重點(diǎn)在于生物安全。植物細(xì)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(dòng)物細(xì)胞的附壁生長的特點(diǎn)。 新型分離方法和設(shè)備的研發(fā)，特別是針對蛋白質(zhì)、多肽產(chǎn)品的分離。 各種描述生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的建立，將有利于過程的控制和優(yōu)化以及計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。 生物反應(yīng)器內(nèi)重要參數(shù)的傳感器的研制和有關(guān)計(jì)算機(jī)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(xué)概論,2.1 工業(yè)生產(chǎn)中常見的微生物 2.1.1細(xì)菌（bacteria）分布廣，數(shù)量多，與人的關(guān)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(dòng)物排泄物污染的可能，公共衛(wèi)生的重要指標(biāo)。，在工業(yè)上利用大腸桿菌的谷氨酸脫羧酶進(jìn)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(xì)菌和霉菌呈長的細(xì)絲，與霉菌相似，但寬度與細(xì)菌相似，無橫隔，為單細(xì)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(xiàn)是產(chǎn)生抗生素。不完全統(tǒng)計(jì)，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(nèi)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(nèi)菌絲體上長出孢子梗，頂端著生一個(gè)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(xì)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(jìn)行酒精、甘油的生產(chǎn)，近年又用酵母進(jìn)行石油發(fā)酵脫臘、生產(chǎn)各種有機(jī)酸。又因酵母內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì)、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(xì)胞蛋白質(zhì)、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(zhì)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(nèi)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(qiáng)，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(jié)構(gòu)，呈分支狀，它既可以引起食品、衣服、糧食及生活用品的霉?fàn)€，又可以用于發(fā)酵生產(chǎn)。例如遠(yuǎn)古時(shí)代，用霉菌作曲制醬；近代利用霉菌生產(chǎn)酒精、有機(jī)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(qiáng)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(dǎo)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(dān)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(zhì)，抗癌藥物的開發(fā)“1，2-葡萄糖苷酶及某些多糖物質(zhì)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(xì)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(zhì)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(jìn)機(jī)體免疫系統(tǒng)功能增強(qiáng)的生物活性物質(zhì)。由此可見，螺旋藻是一種高級營養(yǎng)食品，同時(shí)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(qiáng)，利用太陽能生產(chǎn)蛋白質(zhì)，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(zhì)以及一種生長因子，可促進(jìn)兒童的生長發(fā)育和增強(qiáng)體質(zhì)，用于食品或是食品添加劑。 杜氏藻（鹽藻) 光能轉(zhuǎn)化率高，生長繁殖快的單細(xì)胞藻。在條件適當(dāng)?shù)那闆r下，這種藻可大量合成胡蘿卜素，從10公斤鮮藻內(nèi)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(qiáng)，又是人體必需的最重要的活性物質(zhì)，加上其資源極其豐富和易加工等特點(diǎn)，,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(guān)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(jìn)行深加工外還出口到世界種地。當(dāng)前這種海洋生物技術(shù)也是許多國家競爭的熱點(diǎn)。我國是海洋大國，海洋生物資源十分豐富，在即新的世紀(jì)，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(shù)，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(guān)村,29,第三章: 滅菌技術(shù),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(gè)純培養(yǎng)過程，必須保證在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)是無菌的(空氣、培養(yǎng)基、管路和設(shè)備),30,3.1. 滅菌的方法和原理,. 化學(xué)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(dá)到除菌的目的),31,常用化學(xué)消毒劑及其使用方法,常用化學(xué)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(yīng)， 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(xué)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(zhì)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(shè)備投資高,34,. 熱滅菌法.,干熱滅菌法：160，1 h。使微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用而死亡。用于實(shí)驗(yàn)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(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生凝固作用而致死。 由于蒸汽有很強(qiáng)的穿透力，冷凝時(shí)放出大量的潛熱，來源方便，價(jià)格低廉，滅菌效果好，是目前最基本的適合培養(yǎng)基和設(shè)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(shí)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(shí)，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(dòng)力學(xué) 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(zhì)變性，這種反應(yīng)可認(rèn)為是單分子反應(yīng)，死亡速率可視為一級反應(yīng)，即與殘存的微生物數(shù)量成正比，,38,式中 N經(jīng)時(shí)間t后殘存的活菌濃度（個(gè)/L)，N0開始滅菌時(shí)原有活菌濃度（個(gè)/L)； t滅菌時(shí)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(guān)。在同等溫度下，其值小，微生物的耐熱性強(qiáng)。 從上式得出：t,N之間的關(guān)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(rèn)為：芽孢的死亡是漸進(jìn)的。有耐熱的芽孢（R型）轉(zhuǎn)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(dāng)溫度在120時(shí)，接近一級反應(yīng)規(guī)律 從以上可以看出：達(dá)到徹底的無菌，滅菌的時(shí)間為無限長。因此，工程設(shè)計(jì)以工業(yè)無菌為準(zhǔn)。,（二）溫度對死亡速率常數(shù)K值的影響： 溫度可以影響反應(yīng)速度常數(shù)。其關(guān)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?dú)⑺离s菌，又要保存其中的有效成分，因而研究熱對營養(yǎng)物質(zhì)的影響是十分必要的,43,（三）溫度對營養(yǎng)物質(zhì)分解破壞速率常數(shù)K的影響 同樣是為一級反應(yīng)：dC/dt=KC 其中：C 培養(yǎng)基內(nèi)易被破壞成分的濃度mol/L; t 滅菌時(shí)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(dāng)培養(yǎng)基溫度從T1升至T2時(shí)： 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(zhì) (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(yīng)速度常數(shù)變化程度也大。,45,細(xì)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(yīng)的活化能的大小決定。滅菌溫度升高時(shí)，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(shí)間必定大大縮短，營養(yǎng)物質(zhì)總的損失可以減少，因此高溫短時(shí)滅菌比低溫長時(shí)要好。此為滅菌動(dòng)力學(xué)得出的最重要的結(jié)論之一。,46,例1：當(dāng)殺菌溫度從120升至150 ，試計(jì)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(shí)為0.024 (min-1) 150 時(shí)為11.12 (min-1)滅菌速率常數(shù)提高463倍。 同樣地： KB在120 時(shí)為0.055 (min-1)，150 時(shí)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(zhì)的損失為一級反應(yīng)； 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(shí)滅菌7.6 min,計(jì)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(dǎo)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(xì)胞中的水含量。水 微生物細(xì)胞菌齡 微生物的耐熱性，細(xì)菌芽孢最耐熱 空氣排出情況 泡沫：熱量傳遞難 避免突然進(jìn)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(shí)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(shè)備一起進(jìn)行滅菌的過程。此法對設(shè)備要求簡單，滅菌可靠，無需專門的滅菌設(shè)備，投資少，是中小型工廠廠采用的一種方法。 分為三個(gè)階段：升溫、保溫和冷卻。,51,（二）間歇滅菌的計(jì)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(shí)進(jìn)行的加熱方式。,52,由微生物死亡動(dòng)力學(xué)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(shí)間而發(fā)生改變， 加=Aexp( E/RT)dt關(guān)系式復(fù)雜，積分困難，目前可用Richards簡易算法算出。其認(rèn)為當(dāng)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(shí)間/(恒溫溫度-100 ) 冷= 查表降溫的時(shí)間/(開始降溫溫度-100 ),54,例3:培養(yǎng)基在30 min內(nèi)從100 升至121 ，或在17 min內(nèi)從121 冷卻至100 ，Richards簡便方法計(jì)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(shí)間/(恒溫溫度-100 ) 加= 12.549 30/21=17.93 冷= 查表降溫的時(shí)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(gè),滅菌后的活菌數(shù)為10-3個(gè),且發(fā)酵液在16 min內(nèi)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(nèi)從121 冷卻到100 ，求所需保溫時(shí)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(xiàn)加/ 總=9.56/32.2=0.29 降溫階段對滅菌的貢獻(xiàn)冷/ 總=10.16/32.2=0.31 從上例說明升溫和冷卻階段對整個(gè)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(shí)進(jìn)行加熱、保溫、和冷卻而進(jìn)行滅菌。連續(xù)滅菌可在短時(shí)間內(nèi)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(jìn)行滅菌，有利于減少營養(yǎng)物質(zhì)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(yù)熱60-70，防止培養(yǎng)基在殺菌時(shí)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(shí)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(nèi),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(yīng)用的無菌空氣認(rèn)為10-3 。一般空氣中的含量103-104個(gè)/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(xì)菌、細(xì)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(fēng)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(guān)。 城市中空氣微生物的含量大于農(nóng)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(guān)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(xì)菌孢子在218 ，24 s內(nèi)可被殺死。利用空氣壓縮時(shí)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(guān)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(shí)際工藝所采用進(jìn)口空氣溫度T1=60-70 , P2/P1=6,則出口溫度達(dá)到200 以上（203-217），即可達(dá)到滅菌的目的。 該方法已成功地應(yīng)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(xué)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(dá)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(dòng)力或布朗擴(kuò)散動(dòng)量時(shí)，不能除去。同時(shí)設(shè)備龐大，一次性投資費(fèi)用高。,66,介質(zhì)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(zhì)阻截空氣中所含微生物，從而獲得無菌空氣。,過濾介質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(shí)，濾層纖維所形成的網(wǎng)格對氣流進(jìn)行無數(shù)次的阻礙，從而無數(shù)次的改變氣流的運(yùn)動(dòng)速度和方向而繞流運(yùn)動(dòng)，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(kuò)散、靜電引力等作用，將微粒捕獲在纖維表面實(shí)現(xiàn)過濾。,67,慣性撞擊截流作用機(jī)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(zhǔn)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(guān)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(shí)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(dāng)過濾器和空氣中的微粒一定時(shí)，影響鋪集率的參數(shù)為0。 0為某一臨界值，1 =0，實(shí)驗(yàn)測得=1/16時(shí)滿足此條件，求出c=1.25(df)/ (Cpd2p).,68,攔截滯留作用機(jī)理,當(dāng)氣流速度小于慣性撞擊的臨界速度時(shí)， 顯著下降，若繼續(xù)下降時(shí)， 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(yàn)公式為,從式中看出2與微粒直徑和纖維直徑之比有關(guān)，同時(shí)與空氣流速成反比，即當(dāng)氣流速度低時(shí)截流才起作用，,當(dāng)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(xì),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(kuò)散作用機(jī)理,布朗擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)距離很短，在流速和纖維間隙大的條件下不起作用，當(dāng)微粒擴(kuò)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(kuò)散作用的存在，增加了纖維的截流作用。 布朗擴(kuò)散作用于微粒和纖維直徑有關(guān)，并與流速成反比，在流速很小時(shí)，是介質(zhì)過濾除菌的重要作用機(jī)理之一。,70,71,重力沉降作用機(jī)理,微粒受到兩種力,重力,氣流拖帶力，當(dāng)氣流速度很小時(shí)，才會表現(xiàn)出重力沉降的作用,靜電吸附作用機(jī)理,微生物帶有與過濾介質(zhì)表面相反的電荷；或介質(zhì)表面有感應(yīng)電荷，使微生物被吸附。,72,過濾除菌機(jī)制隨著流速的不同，其中到作用的機(jī)制也不同。當(dāng)氣流速度較大時(shí)，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(dāng)氣流速度較小時(shí)，擴(kuò)散起主要作用，表現(xiàn)在隨速度的增加而降低。 當(dāng)氣流速度中等時(shí)，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(shí)的對數(shù)穿透定律,當(dāng)空氣中的微粒穿過一定厚度的濾層時(shí)，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(jìn)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(zhì)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(jì)算,p=cL(2 02m)/(df),L過濾層的厚度（m) 空氣密度（kg/m3) 介質(zhì)填充率 0 空氣的流速（m/s) df 纖維直徑（m) m 實(shí)驗(yàn)指數(shù),74,3.3.5過濾介質(zhì)除菌流程,生產(chǎn)對無菌空氣過濾流程的要求： 進(jìn)入發(fā)酵罐的無菌空氣應(yīng)保持一定的正壓，需要供氣設(shè)備。 選取空氣塵埃小的空氣，延長過濾器的壽命（高空采風(fēng)）。 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(diǎn)：2次冷卻，2次分離，適當(dāng)加熱。適用面廣。,76,前置高效過濾除菌流程,特點(diǎn)：無菌程度高。,泡沫塑料,超細(xì)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(shè)計(jì)不合理的空氣排放系統(tǒng)； （5） 不恰當(dāng)?shù)丶尤肴揪挠秃拖輨?（6） 閥門的泄漏；密封設(shè)施不嚴(yán)密。,79,提高過濾除菌效率的措施,加強(qiáng)生產(chǎn)場地的衛(wèi)生管理 選擇壓縮空氣站為上風(fēng)口 提高采風(fēng)位置 加強(qiáng)空氣預(yù)處理,