第一章 物料處理與培養(yǎng)基制備

第一章物料處理與培養(yǎng)基制備第1頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物工程設(shè)備是生物工程技術(shù)和化學(xué)工程與設(shè)備交叉的學(xué)科，主要介紹在生物工程生產(chǎn)過(guò)程中常用設(shè)備的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、原理、設(shè)計(jì)、計(jì)算、選型及保養(yǎng).第2頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月生物工程設(shè)備曾用名：工業(yè)生物技術(shù)裝備工業(yè)生化設(shè)備生化設(shè)備抗生素生產(chǎn)設(shè)備發(fā)酵設(shè)備第3頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月參考書:（1）《生物工程設(shè)備》，梁世中主編中國(guó)輕工業(yè)出版社.（2）《發(fā)酵設(shè)備》高孔榮編著中國(guó)輕工業(yè)出版社.

(3)《生物加工過(guò)程與設(shè)備》，鄭裕國(guó)等，化學(xué)工業(yè)出版社.第4頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容講課學(xué)時(shí)第一章培養(yǎng)基滅菌的設(shè)備4學(xué)時(shí)第二章壓縮空氣預(yù)處理及除菌設(shè)備6學(xué)時(shí)第三章生物反應(yīng)器14學(xué)時(shí)第四章液-固分離設(shè)備6學(xué)時(shí)第五章萃取設(shè)備6學(xué)時(shí)第六章蒸發(fā)與結(jié)晶設(shè)備4學(xué)時(shí)第七章生物產(chǎn)品干燥設(shè)備6學(xué)時(shí)復(fù)習(xí)與機(jī)動(dòng)2學(xué)時(shí)總計(jì)48學(xué)時(shí)第5頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月考核:平時(shí)成績(jī)20分.出勤、作業(yè)、小考、筆記、課堂表現(xiàn)等。期末閉卷考試成績(jī)80分.第6頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章培養(yǎng)基滅菌的設(shè)備

第一節(jié)培養(yǎng)基的滅菌方法※第二節(jié)培養(yǎng)基實(shí)罐滅菌※第三節(jié)培養(yǎng)基連續(xù)滅菌

第7頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)培養(yǎng)基的滅菌方法采用高溫蒸氣滅菌---濕熱滅菌

第8頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1.工程上無(wú)菌標(biāo)準(zhǔn)滅菌對(duì)象耐熱桿菌芽孢120℃,20-30分鐘

培養(yǎng)基初始污染度

104～108（個(gè)/ml）：2×107個(gè)/ml

無(wú)菌標(biāo)準(zhǔn)

NS=10-3

即1/1000的失敗機(jī)率第9頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.對(duì)數(shù)殘留定律微生物死亡速率與任一瞬間殘存的活菌數(shù)成正比——對(duì)數(shù)殘留定律即第10頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月死亡速率常數(shù)K（熱致死反應(yīng)速率常數(shù)）K是表達(dá)微生物耐熱性的特征常數(shù)，單位是min-1，與微生物的種類和滅菌溫度有關(guān)。K越小，微生物越耐熱。第11頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月開(kāi)始滅菌時(shí)，t＝0，培養(yǎng)基中的活菌數(shù)量為N0；當(dāng)t＝t時(shí)，N＝Nt式（1－1）被稱為對(duì)數(shù)殘留定律，第12頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理論滅菌時(shí)間N0一般可以參考培養(yǎng)基中的活微生物：（1～2）×(105-107)個(gè)。Nt＝0.001個(gè)/罐。第13頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第14頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第15頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.死亡的速度常數(shù)K與溫度關(guān)系,阿累尼烏斯常數(shù)A，活化能E第16頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于某一耐熱芽孢桿菌A=1.34x10３６(1/S)

△E=67930卡/克分子第17頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滅菌溫度的選擇式中ΔE為菌體死亡反應(yīng)的活化能（J/mol），它是菌體死亡反應(yīng)的特征常數(shù)，所以，不同菌其熱死亡反應(yīng)的ΔE不同。第18頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滅菌時(shí)殺死微生物的ΔE大于培養(yǎng)基成分破壞的ΔE`，因此，隨溫度的上升，比死亡速率常數(shù)增加倍數(shù)要大于培養(yǎng)基成分分解的速率。第19頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.滅菌的溫度和時(shí)間對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分破壞的影響第20頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滅菌目的：滅菌后的培養(yǎng)基無(wú)雜菌,營(yíng)養(yǎng)成分破壞少。培養(yǎng)基滅菌要解決的問(wèn)題是：滅菌的溫度滅菌的時(shí)間第21頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.影響培養(yǎng)基滅菌的其他因素培養(yǎng)基成分、pH值、培養(yǎng)基中的顆粒、泡沫第22頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)培養(yǎng)基實(shí)罐滅菌分批滅菌（實(shí)消、實(shí)罐滅菌）連續(xù)滅菌（連消）空罐滅菌（空消）第23頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1、分批滅菌（實(shí)消、實(shí)罐滅菌）將配制好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐、加壓滅菌鍋或其它容器中，通入水蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起滅菌的操作過(guò)程。第25頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第26頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第27頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月保溫階段：滅菌的重要階段。習(xí)慣上，50立方米以下的,保溫時(shí)間看作是滅菌時(shí)間。從各路通入蒸汽（進(jìn)氣口、排料口、取樣口），溫度升到120－130℃，保溫30min

保溫中，應(yīng)注意凡在培養(yǎng)基液面下的各種進(jìn)口管道都應(yīng)通入蒸汽，而在液面以上的其余各管道則應(yīng)排放蒸汽，不留死角，滅菌徹底。第28頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月降溫階段：依次關(guān)閉各排汽、進(jìn)汽閥門，待罐內(nèi)壓力低于空氣壓力后，向罐內(nèi)通入無(wú)菌空氣，在夾套或蛇管中通冷水降溫，防止罐體負(fù)壓變形。

第29頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、分批滅菌的注意事項(xiàng)1）各路蒸汽進(jìn)口要暢通，防止短路逆流；罐內(nèi)液體翻動(dòng)要?jiǎng)×遥刮锪线_(dá)到均一的滅菌溫度。2）排氣量不宜過(guò)大，以節(jié)約蒸汽。第30頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）滅菌將要結(jié)束時(shí)，應(yīng)立即引入無(wú)菌空氣以保持罐壓，然后開(kāi)夾套或蛇管冷卻，以避免罐壓迅速下降產(chǎn)生負(fù)壓而吸入外界空氣，或引起發(fā)酵罐破壞。4）在引入無(wú)菌空氣前，罐內(nèi)壓力必須低于過(guò)濾器壓力，否則培養(yǎng)基將倒流入過(guò)濾器。第31頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、培養(yǎng)基實(shí)罐滅菌的質(zhì)量?jī)?yōu)劣判別的標(biāo)準(zhǔn)1)培養(yǎng)基滅菌后達(dá)到無(wú)菌的要求；2)營(yíng)養(yǎng)成分破壞少；3)滅菌培養(yǎng)基體積與計(jì)料體積相符；4)泡沫要少。第32頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、分批滅菌（實(shí)消）特點(diǎn)：

1、不需要專門的滅菌設(shè)備，投資少，設(shè)備簡(jiǎn)單。2、滅菌效果可靠，對(duì)蒸汽的要求低，一般在（0.3－0.4）×MPa3、中小型發(fā)酵罐常用的滅菌方法。4、滅菌后培養(yǎng)基質(zhì)量比較差，營(yíng)養(yǎng)損失大。5、罐的利用率低。第33頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌連續(xù)滅菌（連消）培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外連續(xù)地加熱、保溫、冷卻，然后進(jìn)入發(fā)酵罐。第34頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)滅菌與分批滅菌滅菌曲線圖第35頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.培養(yǎng)基連續(xù)滅菌的優(yōu)點(diǎn)采用高溫，快速滅菌，營(yíng)養(yǎng)成分破壞較少，提高發(fā)酵產(chǎn)量；滅菌時(shí)間短，設(shè)備利用率高；蒸汽負(fù)荷均衡，鍋爐利用高；適宜采用自動(dòng)控制；減低勞動(dòng)強(qiáng)度.第36頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月空消第37頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.連續(xù)滅菌的工藝流程配料罐預(yù)熱罐輸料泵

60-70℃0.5-0.6MPa加熱器維持罐冷卻器

130-135℃130-135℃40-45℃培養(yǎng)罐第38頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、連續(xù)滅菌設(shè)備及計(jì)算按加熱器的形式可分：連消塔加熱連續(xù)滅菌流程噴射式加熱的連續(xù)滅菌流程第39頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加熱設(shè)備塔式加熱器（即連消塔）套管式連消塔混合式連消塔連消器

噴射式加熱器第40頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a)連消塔加熱連續(xù)滅菌流程第41頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）連消塔(套管式)

第42頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月連消塔又稱加熱器，是培養(yǎng)基與蒸汽混合加熱至滅菌溫度的設(shè)備。要求在20~30s或更短的時(shí)間內(nèi)將料液加熱至125~140℃。生產(chǎn)中一般用0.5~0.6Mpa的活蒸汽與預(yù)熱后的料液直接接觸而加熱。第43頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第44頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月連消器第45頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月b)噴射式加熱的連續(xù)滅菌流程第46頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月培養(yǎng)基用泵打入噴射加熱器，以較高速度自噴嘴噴出，借高速流體的抽吸作用與蒸汽混合后進(jìn)入管道維持器，經(jīng)一定維持時(shí)間后通過(guò)一膨脹閥進(jìn)入真空閃急蒸發(fā)室，因真空作用使水分急驟蒸發(fā)而冷卻到70~80℃左右，再進(jìn)入發(fā)酵罐冷卻到接種溫度。第47頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月噴射式加熱器：第48頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第49頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月噴射式加熱器：第50頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月噴射式加熱器特點(diǎn)：蒸汽和料液迅速接觸，充分混合，加熱是在瞬間內(nèi)完成。第51頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第52頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月罐式維持器停留時(shí)間：τ=V維持/V物料流量

V維持罐

=V維持/（85%-90%）停留時(shí)間=理論滅菌時(shí)間×(3~5)倍罐的有效體積能滿足維持時(shí)間8～25min的需要，填充系數(shù)為85%-90%。第53頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例1：有一連消系統(tǒng)，每小時(shí)處理量為15m3，料液密度1000Kg/m3，料液中原始菌數(shù)107個(gè)/ml，滅菌溫度132℃。

求：①理論滅菌時(shí)間？

②采用罐式維持器，物料應(yīng)停留時(shí)間？維持罐容積?

第54頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解K=0.299(1/S)?NS=0.001個(gè)/罐,N0=107×15×106個(gè)/罐第55頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月采用罐式維持器,由于物料存在嚴(yán)重返混

τ=2.2×(3～5)倍=6.6(min)

物料在罐內(nèi)停留時(shí)間為6.6minV維持=VmτVm：每小時(shí)處理量,15m3/h維持罐的裝料系數(shù)85%～90%V維持罐

=τ·Vm÷85%=6.6×(15÷60)÷0.85

=1.94(m3)?第56頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管式維持器另外一種維持設(shè)備為管式維持器在噴射加熱的連續(xù)滅菌流程中使用。略第57頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管式維持器克服維持設(shè)備中的反混現(xiàn)象,流速0.25~0.6m/s,平推流無(wú)縫不銹鋼管Φ108mm×4mm;Φ133×4mm第58頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻設(shè)備真空冷卻噴淋冷卻器螺旋板換熱器第59頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻設(shè)備---真空冷卻器工作原理：連續(xù)滅菌后的培養(yǎng)基進(jìn)入真空冷卻器內(nèi)，在一定的真空度下水分汽化，使物料本身溫度下降。

第60頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空冷凝器真空度保持在70～80kPa(530～600mmHg)，第61頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空冷卻裝置圖l一真空冷卻器2—冷凝器3一噴射器4—冷水進(jìn)口5—料液進(jìn)口第62頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)：蒸汽在冷卻器內(nèi)上升速度ＷＳ＝0.8-1.0m/s蒸汽在出口管內(nèi)的流速WS≤10m/s物料在出口管內(nèi)的流速Wm=0.2-0.3m/s物料在進(jìn)口管內(nèi)的流速Wm=40-60m/s

第63頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ｈ／Ｄ＝1.5第64頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第65頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月噴射加熱——真空冷卻連消流程優(yōu)點(diǎn)：加熱和冷卻在瞬間完成，營(yíng)養(yǎng)成分破壞最少，可以采用高溫滅菌(140℃)。缺點(diǎn)：由于真空的影響，將真空冷卻器置于離發(fā)酵罐液面10m以上的高處，否則物料就不能自行流進(jìn)發(fā)酵罐，或者在下面要安裝一臺(tái)出料泵，但泵的密封要求高，并避免染菌。第66頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月板式換熱器滅菌流程第67頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月板式換熱器滅菌流程特點(diǎn)：1、使培養(yǎng)基的預(yù)熱、加熱滅菌及冷卻過(guò)程可在同一設(shè)備內(nèi)完成。2、加熱和冷卻培養(yǎng)液所需要的時(shí)間比使用噴射式連續(xù)滅菌稍長(zhǎng)，但較分批滅菌小得多。3、由于培養(yǎng)液的預(yù)熱過(guò)程同時(shí)為滅菌培養(yǎng)液的冷卻過(guò)程，所以節(jié)約了蒸汽及冷卻水的用量。第68頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻設(shè)備---噴淋冷卻器（常用）噴林冷卻器是將水通過(guò)噴林裝置均勻地淋在水平的排管上，來(lái)冷卻管內(nèi)的培養(yǎng)基。培養(yǎng)基一般由排管下部進(jìn)入，而由上部排出。第69頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻設(shè)備---噴淋冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)：物料在管內(nèi)的流速Wm=0.6-0.7M/S

K=920-1050(kJ/m2h℃)

冷卻水至最上排直管至最下排直管的溫差ΔT=20℃左右。

第70頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

第71頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冷卻設(shè)備---螺旋板換熱器新型熱效率很高的換熱設(shè)備。設(shè)計(jì)參數(shù)Ｋ=2090-6270(kJ/m2h℃)?

第72頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第73頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月螺旋板換熱器是由三片金屬板卷成金屬板的間隙為10mm，兩流體逆流流動(dòng)。操作壓力和溫度不能太高，一般小于2MPa最高不能超過(guò)4MPa，操作溫度在300－400℃以下。第74頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月薄板換熱器第75頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第76頁(yè)，課件共82頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第77頁(yè)，課件共82頁(yè)