生物工程設備課件

緒論1、生物技術的發(fā)展過程2、生物過程工程學基本概念3、生物技術設備的基本概念4、生物過程工程概述5、課程內(nèi)容和任務1、生物技術的發(fā)展過程1.1現(xiàn)代生物技術的產(chǎn)生1.2現(xiàn)代生物技術的前景和發(fā)展生物技術的定義和特點KarlEreky(1917):用甜菜（原材料）大規(guī)模飼養(yǎng)豬（生物）生物技術（Biotechnology）:是應用自然科學及工程學的原理，依靠生物作用劑（biologicalagent）的作用將物料進行加工以提供產(chǎn)品為社會服務的技術。國際經(jīng)濟合作及發(fā)展組織生物作用劑：酶、生物細胞或生物體生物工程與生物技術異同國外：生物工程不涉及化學催化反應過程，僅生物過程與物理過程的結(jié)合。生物技術指生物催化反應過程。國內(nèi)：前者為廣義概念，為技術系統(tǒng)；后者為狹義的概念，指工藝操作方法與技能生物技術三大特點：（1）多學科性和綜合性（2）依靠生物為生物催化劑：自催化（3）體現(xiàn)了生物反應過程生物學化學工程工程學化學生物工程生物化學生物技術新興、前沿學科往往在學科交叉中產(chǎn)生底物生物反應器檢測控制儀表培養(yǎng)基（滅菌）經(jīng)加工原料酶細胞生物催化劑（游離或固定化）機械能除菌空氣產(chǎn)品提取純化副產(chǎn)品產(chǎn)品廢物熱能原材料營養(yǎng)物典型工業(yè)生物技術過程核心技術？現(xiàn)代生物技術的產(chǎn)生現(xiàn)代生物技術是隨著DNA重組技術發(fā)展而提出來的，前者的研究是以后者為有效手段的?，F(xiàn)代生物技術是以DNA重組技術為手段，依靠清潔經(jīng)濟的生物反應器，利用可再生資源加工人類所需產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展技術。1.2現(xiàn)代生物技術的前景和發(fā)展21世紀的朝陽產(chǎn)業(yè)生物技術的研究是以商業(yè)化產(chǎn)品為導向的，生物技術同時也推動著經(jīng)濟的發(fā)展。

現(xiàn)代生物技術產(chǎn)品可廣泛應用于醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)林牧漁、海洋、輕工食品、化工、能源等領域?？梢越鉀Q面臨的人口、資源和環(huán)境等一系列可持續(xù)發(fā)展問題。現(xiàn)代生物技術最新進展（1）人類基因組序列工作框架圖的完成(HGP)（2）生物芯片(Biochips,DNAchips,proteinchips)（3）動植物生物反應器(Bioreactor)顯微注射法構(gòu)建的產(chǎn)人蛋白的轉(zhuǎn)基因羊顯微注射針顯微注射系統(tǒng)工業(yè)生物技術能源生物技術：生物乙醇環(huán)保生物技術：生物降解生物材料：聚乳酸、聚谷氨酸提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)：化學工業(yè)、制藥工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)RenewablerawmaterialsBiofuelsBiomaterialsChemicalsCellFactoryIndustrialbiotechnology:

Gatewaytoamoresustainablefuture工業(yè)生物機器－理想的生物煉制廠一種太陽能利用大型機器▲制造成本最低▲凈化空氣與清潔環(huán)境▲運行成本最低2、生物過程工程學基本概念

生物反應過程是整個生物生產(chǎn)過程的核心，其它過程都是為生物反應過程服務的。

2.1工程理念2.2工程學基本概念2.1工程理念

工程學是研究工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)規(guī)律性的科學，探索如何有效的在合理的生產(chǎn)設備將原料轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)產(chǎn)品的科學。必須有以下四種工程理念(engineeringthought)：

理論上的正確性(validtheory)；技術上的可行性(technicalfeasibility);操作上的安全性(safetyoperation)；經(jīng)濟上的合理性(economicalrationality)。工程學的觀點目的產(chǎn)物中心觀點能量最小的觀點細胞經(jīng)濟與生產(chǎn)經(jīng)濟矛盾的觀點

細胞代謝調(diào)控機制使其代謝反應有序進行，處于平衡生長則無代謝物積累，稱為細胞經(jīng)濟;通過改變細胞基因型改變代謝途徑或改變培養(yǎng)條件控制代謝，過量表達代謝產(chǎn)物對細胞能量利用和細胞組成物質(zhì)的合成都是不經(jīng)濟的，這種細胞叫做”病態(tài)”細胞2.2工程學基本概念衡算概念質(zhì)量衡算、熱量衡算和動量衡算速率概念速率問題是理論上的正確性合技術上的可行性的一個重要的衡量標志和判斷標準。過程速率=f(過程的推動力/過程的阻力)

最優(yōu)化概念最優(yōu)化方法所研究的中心問題是如何根據(jù)系統(tǒng)的特性去選擇滿足控制規(guī)律的參數(shù)，使得系統(tǒng)按照要求運轉(zhuǎn)或工作，同時使系統(tǒng)的性能或指標達到最優(yōu)化。以動力學為基礎的最佳工藝控制點的靜態(tài)操作方法向以細胞代謝流的分析與控制為核心的生物反應最優(yōu)化技術經(jīng)濟概念不管是在小試、中試還是示范工程建設中都必須始終貫穿著技術經(jīng)濟概念，這樣才能保證所開發(fā)的生物技術方案的科學性和合理性。上游生物技術工程化的概念隨著基因重組技術、蛋白質(zhì)修飾技術、細胞融合技術和固定化技術的逐步成熟，其上游生物技術已進入工程化階段。細胞代謝和培養(yǎng)工藝過程一體化的概念轉(zhuǎn)入GFP基因的動物細胞3、生物工程設備的基本概念3.1生物技術工藝與設備3.2生物工程設備3.1生物技術工藝與設備生物技術工藝包含了一系列的生物反應過程、化學反應過程和物理操作過程，需相應設備中進行。其核心為生物反應過程。生物工程設備的發(fā)展可以促進生物技術產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。生物工程設備技術在現(xiàn)代生物技術產(chǎn)業(yè)中具有十分重要的地位。3.2生物工程設備生物工程設備的特點生物工程設備的發(fā)展歷程生物工程設備的工作領域生物工程過程與設備生物工程設備的特點（1）對于所有微生物或動植物細胞來講，提供必要和足夠的營養(yǎng)和能量，才能維持其生命代謝活動。（2）培養(yǎng)基原料的預處理不僅影響細胞代謝生長，而且對于培養(yǎng)基原料成本大小和是否造成環(huán)境污染等具有決定性影響。（3）如何合理的設計種子培養(yǎng)系統(tǒng)，以及各級種子培養(yǎng)時間和接種比例，達到種子系統(tǒng)與生產(chǎn)培養(yǎng)過程合理配套，獲得最大的得率。（4）生物反應過程中的細胞培養(yǎng)一般都是純種培養(yǎng)過程。（5）如何保證足夠的氧氣供給，又盡可能節(jié)省能量，是好氧培養(yǎng)過程的重要組成部分。（6）從培養(yǎng)液中得到所需產(chǎn)品的合適、高效、低成本的分離純化方法，是決定生產(chǎn)成敗的關鍵。生物工程設備的發(fā)展歷程生物技術的發(fā)展過程是以某一個生物過程工程與設備成熟為標志的，有以下五個發(fā)展階段：（1）傳統(tǒng)經(jīng)驗制造技術（天然發(fā)酵階段）：壇壇罐罐（2）純種培養(yǎng)技術的成熟（初級代謝產(chǎn)物生產(chǎn)階段）：簡單設備（3）通氣攪拌技術的成熟（好氧培養(yǎng)階段）：機械通風培養(yǎng)設備（4）代謝控制發(fā)酵技術的成熟：氣升式生物等反應器出現(xiàn)及配套設備出現(xiàn)（5）基因重組技術的成熟（現(xiàn)代生物技術階段）：分離提取、動植物細胞培養(yǎng)反應器等出現(xiàn)、自動化控制（6）生物催化工程發(fā)展階段：生物催化的新型設備及設備流程在工業(yè)生產(chǎn)中得到應用生物工程產(chǎn)業(yè)范例：青霉素1928.09.15,弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素，效價很低，后來放棄二戰(zhàn)中對青霉素需求量極大，弗洛里和錢恩發(fā)明工業(yè)化生產(chǎn)盤尼西林。采用表面培養(yǎng)：1L錐形瓶，200mL培養(yǎng)液，40U/mL，提取純度20%，收率35%，1kg需80,000培養(yǎng)瓶，售價幾萬美元，黃金價格。通氣攪拌發(fā)酵：5m3發(fā)酵罐，200U/mL目前：發(fā)酵罐體積可達100m3

以上，80,000U/mL以上

青霉素結(jié)構(gòu)培養(yǎng)中的青霉菌二戰(zhàn)中青霉素發(fā)酵場景Bioreactorforaerobiccultivationwithimpellerandmechanicalfoamdisruptor.ColorfulBioreactor(fromgenetoprotein)Establishmentofplantcellcultures動物細胞一次性培養(yǎng)裝置生物工程設備的工作領域為傳統(tǒng)生物技術產(chǎn)業(yè)的改造和現(xiàn)代生物技術產(chǎn)業(yè)提供高效率的生物反應器、現(xiàn)代分離純化材料和技術以及相關的工程裝備技術，還提供單元化生產(chǎn)設備、工藝過程最優(yōu)化、在線自動控制、系統(tǒng)集成設計等工程概念與技術。生物工程過程與設備生物醫(yī)藥技術Biotechnology,todayandtomorrow,Gist-brocades,1991.規(guī)?；拙埔簯B(tài)發(fā)酵設備小型生物反應器大型生物反應器外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)A50literanimalcellculturebioreactorbuiltbyABECInc天然發(fā)酵典型的生物技術工藝－啤酒釀造流程聚乳酸規(guī)模化生產(chǎn)生物技術產(chǎn)業(yè)化過程與生物過程工程與設備之間的關系課程內(nèi)容和任務內(nèi)容：生物工程專業(yè)的一門主干專業(yè)課程，從生物工程的研究內(nèi)容和范疇出發(fā)，根據(jù)生物工程設備共性技術，闡述生物生產(chǎn)過程中的主要設備的作用原理、設計方法任務研究生物過程工程及設備的相關問題，了解生物技術和生物工程研究前沿，認識原料處理設備、生物反應設備、生物分離設備的應用與研究開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，掌握生物過程設備流程、主要設備的結(jié)構(gòu)、設計計算、工程放大、優(yōu)化控制等技術。獨立地解決生物工業(yè)生產(chǎn)、實驗研究及技術開發(fā)方面的設備問題。

生物質(zhì)原料處理過程與設備2009.09.18內(nèi)容第一節(jié)生物質(zhì)原料篩選與分級第二節(jié)生物質(zhì)原料的粉碎第三節(jié)生物質(zhì)原料固體間的混合第一節(jié)生物質(zhì)原料篩選與分級1、生物質(zhì)原料篩選與分級設備1.1磁力除鐵器（1）永磁溜管2～3個蓋板，每個蓋板上裝有兩組前后錯開的磁鐵。連續(xù)磁選、拆板清理。（2）永磁滾筒機構(gòu)包括進料裝置、滾筒、磁芯、機殼和傳動裝置等。磁芯，由鍶鈣鐵氧體永久磁鐵和鐵隔板按一定順序排列成170°的圓弧形，安裝在固定的軸上。磁芯一般固定不動。

RCYG永磁傳動滾筒1.2精選機精選目的：除雜粒，除去傷殘粒，因為大麥發(fā)芽時傷粒易生霉。精選機適用于顆粒狀物料，按顆粒長度分級。精選機理：利用帶有袋孔（窩眼）的工作面來分離雜粒物料，袋孔中嵌入長度不同的顆粒，帶升高度不同而分離。

（1）碟片式精選機主要構(gòu)件是一組同軸安裝的圓環(huán)形鑄鐵碟片，其兩側(cè)工作面制成許多特殊形狀的袋孔，當?shù)诹钗锪现修D(zhuǎn)動時，短粒物料就會被嵌入袋孔而被帶到較高位置，由于孔底逐步向下傾斜，短粒物料受本身重力作用再從袋孔中倒出，落入收集槽中。長粒物料因其長度較袋孔長，雖有可能進入袋孔，但因其重心仍在袋孔之外，當?shù)€未帶到一定高度，即從袋孔中滑落，因而達到長短粒物料的分離目的。(2）滾筒式精選機主要構(gòu)件是一個表面開有袋孔的旋轉(zhuǎn)圓筒。長粒物料不能進入袋孔，在進料壓力和滾筒傾斜的影響下向滾筒另一端移動流出，短粒物料則嵌入袋孔被帶到較高位置，落入中央收集槽中，由螺旋輸送機送出從而得到分離。滾筒式精選機

1.3篩選分級設備生產(chǎn)中往往需要將粒度的不同物料分級，來進行不同的處理，這就需要篩選分級。篩選操作篩選設備一般分為振動篩和轉(zhuǎn)筒篩兩種。（1）振動篩篩選和風選三級振動篩平面篩振動篩振動篩生產(chǎn)能力計算，kg/hB：篩寬，m；q:單位篩寬流量，kg/(m.h)近似計算：，kg/hB0-篩面有效寬度，m;h-篩面物料層厚度，m，h=1~2d，d為物料最大直徑Vcp-物料沿篩面運動的平均速度，m/sφ-物料松散系數(shù)，取0.36~0.64ρ-物料的密度，kg/m3（2）轉(zhuǎn)筒篩物料從小孔端進入，由大孔端排出，從而分出三個級粒。傾斜角3～5°圓周速度0.7～1.0m/s滾筒篩產(chǎn)能：G=qπDLφq-單位篩面負荷量，kg/m2；D-篩面直徑，m；L-篩筒長度，m；φ-篩面有效系數(shù)2、生物質(zhì)原料的粉碎粉碎指大塊固體物料破碎成小塊物料，或小塊物料進一步破碎成粉末狀物料。物料粉碎的必要性：溶解、混合和反應。機械粉碎的5種形式（5種粉碎力）：擠壓、沖擊、研磨、劈力和剪切。粒徑范圍:粗碎.原料粒度40～1500mm，成品粒度5～50mm中細碎.原料粒度5～50mm，成品粒度0.1～5mm微粉碎.原料粒度5～10mm，成品粒度＜100μm超微粉碎.原料粒度0.5～5mm，成品粒度＜10～25μm粉碎比（粉碎度），粉碎前后的粒度比。

粉碎比，粗碎為2～6，中、細碎為5～50，磨碎為50以上?？偡鬯楸仁墙?jīng)過幾道粉碎步驟后的總結(jié)果。根據(jù)物料的特性，以及粉碎要求選擇合適的粉碎方法。任何一種粉碎機，都是幾種方法的結(jié)合。粉碎設備：（1）錘式粉碎機適用范圍:中等硬度物料的中、細碎，脆性物料。錘刀：可拆換，可擺動避開硬物。高碳鋼和錳鋼，可兩頭調(diào)換使用。工作原理：物料從上方料斗加入，在懸空狀態(tài)下就被錘的沖擊力所破碎。然后物料被拋至沖擊板上，再次被擊碎。此外物料在機內(nèi)還受到擠壓和研磨的作用。錘式粉碎機產(chǎn)能與動力消耗計算產(chǎn)能：圓孔V0=π/4*d02dμd0-篩孔直徑，m；d-產(chǎn)品粒度，m；

μ-排料系數(shù)方孔：V0=LCdμ總產(chǎn)能：V=60V0KnZK-錘刀排數(shù)；n-轉(zhuǎn)速，r/min；Z-總孔數(shù)動力消耗：N＝AD2LnA-系數(shù)；D-錘刀末端直徑，m；L-轉(zhuǎn)子軸向長度，m；n-轉(zhuǎn)速，r/min；（2）盤磨機兩個帶溝紋的圓盤，一個和軸一起轉(zhuǎn)動，另一個固定在外殼上，物料由料斗進入圓盤中心，由于離心力的作用，物料在兩個圓盤縫隙中向外甩出，并受到圓盤的研磨和剪切作用而被粉碎，間隙可調(diào)。若兩圓盤同時反向旋轉(zhuǎn)，則研磨剪切作用更強。（3）球磨機由轉(zhuǎn)筒和硬質(zhì)球體組成。球體隨筒旋轉(zhuǎn)而升起，當球的重力大于所受的離心力時落下，對物料產(chǎn)生撞擊，同時靠近筒壁的物料也可為圓球所研磨，轉(zhuǎn)速過快和過慢都沒有撞擊作用，粉碎效果差。通常，球磨機的合適轉(zhuǎn)速可按下式求得：D——

轉(zhuǎn)筒直徑（m）圓球由硬質(zhì)耐磨材料制成，如錳鋼、鉻鋼、輝綠巖等，也可選用鵝卵石。

球磨機濕法粉碎設備無粉塵分散微?；V泛濕式粉碎設備主要包括輸料裝置、加料器、粉碎機和加熱器等幾部分可用于生物行業(yè)、染料、涂料、顏料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、合成纖維、皮革化工及化妝品、電子、食品等行業(yè)（4）輥式粉碎機a.兩輥式粉碎機

主要工作機構(gòu)為兩個相對旋轉(zhuǎn)的平行裝置的圓柱形輥筒，物料通過輥筒對其的摩擦作用而被拖入兩輥的間隙中被粉碎。輥筒：有的表面光滑，有的表面有齒、有的表面有凸棱或凹槽。作用力：擠壓、剪切和研磨。（等速轉(zhuǎn)動，有轉(zhuǎn)速差）b.四輥式粉碎機原料經(jīng)第一對輥筒粉碎后，由篩選裝置分離出皮殼排出，粉粒再進入第二對輥筒粉碎。c.五輥式粉碎機前三個輥為光輥，后兩個為絲輥。即先擠壓破碎，可以使生物質(zhì)原料的皮殼不致粉碎的太細而影響后序工作最后擠壓研磨粉碎成細粒細粉。d.六輥式粉碎機同五輥式粉碎機，三對輥筒，前兩對為光輥，后一對為絲輥。輥式粉碎機生產(chǎn)能力及功率計算產(chǎn)能及功率計算產(chǎn)能計算：Q=120πDnLbγφD-輥筒直徑，m；L-輥筒長度，m；n-輥筒轉(zhuǎn)速，r/min；b-隙寬，（0.1-0.15mm）；

γ-物料容量，kg/m3；φ-填充系數(shù)功率計算：N=0.735KG/dnK-系數(shù)，取100~110；G-產(chǎn)能，t/h；d-麥芽腹徑，cm；

N-滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；超細粉碎理化性質(zhì)改變大生物材料難處理應用有限，發(fā)展迅速超微粉碎機械超微粉碎振動磨膠體磨沖擊式超微粉碎機JTM-系列膠體磨

大型超細攪拌磨氣流超細粉碎機超微粉碎應用:提升珍珠價值納諾卡3.生物質(zhì)原料固體間的混合

固體混合依靠機械作用，粒狀成分在混合的同時，因為性質(zhì)差別，同時伴以分離過程，所以，這種混合只能達到總體的均勻而不能達到局部的均勻性。（1）固體混合的機理對流混合：固體粒子的循環(huán)流。剪切混合：粒子間相互滑動和撞擊產(chǎn)生。擴散混合：存在狀態(tài)不同而產(chǎn)生的局部混合作用。（2）混合設備a.回轉(zhuǎn)型混合機水平圓筒型混合機與傾斜圓筒型混合機

水平圓筒型混合機僅靠擴散作用混合，效率低。傾斜圓筒型混合機混合效果較好，有兩種傾斜方式，兩軸心重合并與水平面成一定角度，物料作螺旋混合。另一種是圓筒軸和旋轉(zhuǎn)軸成一角度，物料呈復雜的環(huán)狀移動。V型混合機由兩個圓筒V型交叉結(jié)合，交角80°或81°，減小交角可提高混合程度。主要靠粒子反復的分離與合一而達到混合作用。雙錐型混合機b.固定型混合機攪拌槽式混合機：螺旋帶狀攪拌器，中心兩端攪拌?；剞D(zhuǎn)圓盤型混合機：高速旋轉(zhuǎn)的圓板離心力作用。CH-系列雙漿槽式混合機

CH-系列單漿槽式混合機錐形混合機：錐形內(nèi)的螺旋推進器既公轉(zhuǎn)也自轉(zhuǎn)。自轉(zhuǎn)使物料自底部上升，公轉(zhuǎn)作用使物料全范圍內(nèi)產(chǎn)生漩渦和上下循環(huán)運動。流動型混合機：高速回轉(zhuǎn)的攪拌葉對物料產(chǎn)生剪切和離心作用，形成對流混合。DSH型懸臂非對稱雙螺旋錐形混合機

DSH懸臂雙螺旋錐形混合機A型和B型生物質(zhì)原料為什么要進行預處理?預處理包括哪些內(nèi)容?機械粉碎的5種形式（5種粉碎力）：擠壓、沖擊、研磨、劈力和剪切。常用的粉碎設備篩選除雜設備

生物細胞培養(yǎng)基制備設備2009.09第一節(jié)液體培養(yǎng)基的滅菌概述濕熱滅菌原理和影響滅菌的因素連續(xù)滅菌流程分批滅菌過程與設備概述現(xiàn)代生物技術工業(yè)涉及的生物培養(yǎng)往往是純種培養(yǎng)，需對培養(yǎng)基等進行滅菌。染菌的危害：生產(chǎn)菌和雜菌同時生長，生產(chǎn)菌喪失生產(chǎn)能力；在連續(xù)發(fā)酵過程中，雜菌的生長速度有時會比生產(chǎn)菌生長得更快，結(jié)果使發(fā)酵罐中以雜菌為主；雜菌及其產(chǎn)生的物質(zhì)，使提取精制發(fā)生困難雜菌會降解目的產(chǎn)物；雜菌會污染最終產(chǎn)品，雜菌會污染最終產(chǎn)品；發(fā)酵時如污染噬菌體，可使生產(chǎn)菌發(fā)生溶菌現(xiàn)象。滅菌的定義定義：是指從培養(yǎng)基中殺滅有生活能力的細菌營養(yǎng)體及其孢子，或從中將其除去。工業(yè)規(guī)模的液體培養(yǎng)基滅菌主要是殺滅雜菌。滅菌與消毒的區(qū)別：滅菌是用物理或化學方法殺死或除去環(huán)境中所有微生物，包括營養(yǎng)細胞、細菌芽孢和孢子。而消毒：用物理或化學方法殺死物料、容器、器皿內(nèi)外的病源微生物。生物工程工業(yè)上防止雜菌污染的措施

1）使用的培養(yǎng)基和設備須經(jīng)滅菌；

2）好氧培養(yǎng)中使用的空氣應經(jīng)除菌處理；

3）設備應嚴密，生物反應器維持正壓環(huán)境；

4）培養(yǎng)過程中加入的物料應經(jīng)過滅菌；

5）使用無污染的純粹種子。培養(yǎng)基滅菌的目的和要求目的：殺滅培養(yǎng)基中的微生物，為后續(xù)發(fā)酵過程創(chuàng)造無菌的條件。要求：達到要求的無菌程度(雜菌污染降低到被處理的每1000罐中只殘留1個活菌的程度,10-3個/罐）；盡量減少營養(yǎng)成分的破壞。在滅菌過程中，培養(yǎng)基組分的破壞是由兩個基本類型的反應引起的：培養(yǎng)基中不同營養(yǎng)成分間的相互作用；對熱不穩(wěn)定的組分如氨基酸和維生素等的分解。滅菌的方法化學法化學藥品滅菌法：甲醛、苯酚等物理法干熱滅菌法濕熱滅菌法（生物工程工業(yè)常用方法）射線滅菌法1.濕熱滅菌原理和影響滅菌的因素濕熱滅菌的原理：主要是因高溫使微生物體內(nèi)的一些重要蛋白質(zhì)，如酶等，發(fā)生凝固、變性，從而導致微生物無法生存而死亡。致死溫度與致死時間：殺死微生物的極限溫度稱為致死溫度。在致死溫度下，殺死全部微生物所需的時間稱為致死時間；在致死溫度以上，溫度愈高，致死時間愈短。微生物的熱阻和相對熱阻：前者是指微生物在某一特定條件（主要是溫度和加熱方式）下的致死時間。后者是指某一微生物在某條件下的致死時間與另一微生物在相同條件下的致死時間的比值。各種微生物對濕熱的相對熱阻微生物相對熱阻營養(yǎng)細胞和酵母1.0細菌芽孢3×106霉菌孢子2~10病毒和噬菌體1~5某些微生物的相對熱阻滅菌方式大腸桿菌霉菌孢子細菌芽孢噬菌體或病毒干熱滅菌12-1010001濕熱滅菌12-103×1051-5苯酚11-21×10930甲醛12-102502紫外線15-1002-55-10濕熱滅菌的優(yōu)點蒸汽來源容易，操作費用低，本身無毒；蒸汽有強的穿透力，滅菌易于徹底；蒸汽有很大的潛熱；操作方便，易管理。1.1濕熱滅菌的理論基礎將培養(yǎng)基中的雜菌總數(shù)N0殺滅到可以接受的總數(shù)N（10-3），需要多高的溫度、多長的時間為合理。滅菌溫度和時間的確定取決于：雜菌孢子的熱滅死動力學反應器的形式和操作方式培養(yǎng)基中有效成分受熱破壞的可接受范圍微生物的熱死滅動力學方程：對數(shù)殘留定律微生物營養(yǎng)細胞的均相熱死滅動力學符合化學反應的一級反應動力學，即：

N-任一時刻的活細菌濃度，個/L；t-時間，min；K-比熱死速率常數(shù)，min-1，越小越耐熱

細菌孢子的熱死滅動力學與營養(yǎng)細胞的有所不同。它表現(xiàn)為非對數(shù)的死亡動力學。但當溫度超過120?C時，熱阻極強的嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子的熱殺滅動力學也接近對數(shù)死亡動力學即符合一級反應規(guī)律。取邊界條件t0=0，N=N0，對上式積分得

或為理論滅菌時間的對數(shù)殘留規(guī)律公式。問題：能不能做到絕對無菌？溫度對K的影響微生物的熱死滅動力學接近一級反應動力學，它的比熱死滅速率常數(shù)K與滅菌溫度T的關系可用阿累尼烏斯方程表征

A-頻率因子，min-1ΔE-活化能，J/mol

R-通用氣體常數(shù)，J/（mol.k）活化能ΔE的大小對K值有重大影響。其它條件相同時，ΔE越高，K越低，熱死速率越慢。?E/R是微生物受熱死亡時對溫度敏感性的度量，值越大，表明微生物死亡速率隨溫度的變化越敏感，在滅菌中?E/R是很重要的常數(shù)。不同菌的孢子的熱死滅反應ΔE可能各不相同。對（4）兩邊取對數(shù)，得微生物死亡速度常數(shù)K與溫度的關系K是ΔE和T的函數(shù)，K的對T的變化率與有關，對（5）兩邊對T的導數(shù)，得由該式可得出結(jié)論：反應的ΔE越高，lnK對T的變化率越大，即T的變化對K的影響越大試驗表明，細菌孢子熱死滅反應的ΔE很高，而某些有效成分熱破壞反應的ΔE較低。將溫度提高到一定程度，會加速細菌孢子的死滅速度，縮短滅菌時間，由于有效成分的ΔE很低，溫度的提高只能稍微增大其破壞速度，但由于滅菌時間的顯著縮短，有效成分的破壞反而減少物質(zhì)ΔE（J/mol）維生素B1296232維生素B1鹽酸鹽92048嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子283257肉毒梭菌孢子343088枯草桿菌孢子317984孢子熱死滅和營養(yǎng)成分破壞活化能ΔEBS=67000×4.184（J/mol）ΔEVB=22000×4.184（J/mol）將滅菌溫度從105?C提高到127?CKVB從0.02（min-1）提高到0.06（min-1

）KBS從0.12（min-1）提高到40.0（min-1

）嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子和維生素B1的lnK-1/T圖絕對溫度倒數(shù)，1/T（·K）×10-32.12.22.32.42.52.62.72.8嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子死滅程度為N/N0=10-16時，滅菌溫度對維生素B1破壞的影響滅菌溫度（?C）達到滅菌程度的時間（min）維生素B1的損失（%）10084399.9911075891207.6271300.851101400.10731500.01511.2影響滅菌的因素培養(yǎng)基成分培養(yǎng)基的物理狀態(tài)培養(yǎng)基中氫離子濃度培養(yǎng)基中微生物數(shù)量微生物細胞含水量微生物細胞菌齡微生物的耐熱性空氣排出情況攪拌泡沫1、培養(yǎng)基成分培養(yǎng)基中脂肪、糖分和蛋白質(zhì)的含量越高，微生物的熱死亡速率越慢在熱死溫度下，脂肪、糖分和蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在微生物細胞外面形成一層薄膜，它能有效保護微生物細胞抵抗不良環(huán)境，因此需較高的滅菌溫度。另一些物質(zhì)，如高濃度的鹽類，色素等可削弱其耐熱性。2、培養(yǎng)基的物理狀態(tài)固體培養(yǎng)基的滅菌時間比液體培養(yǎng)基的滅菌時間長。其原因是液體培養(yǎng)基滅菌時，熱的傳遞有對流和傳導，固體培養(yǎng)基只有傳導。對于含有少量大顆粒及粗纖維的培養(yǎng)基的滅菌，需提高滅菌溫度，且在不影響培養(yǎng)基質(zhì)量的條件下，采用粗過濾方法預先處理，以防培養(yǎng)基結(jié)塊而造成滅菌的不徹底。培養(yǎng)基的pH與滅菌時間的關系見表。3、pH培養(yǎng)基的pH越低，滅菌所需時間越短。4、培養(yǎng)基的微生物數(shù)量：微生物數(shù)量越多，所需滅菌時間越長。5、微生物細胞含水量微生物細胞含水量越多，蛋白質(zhì)的凝固溫度越低，越容易受熱凝固而喪失生命活力。6、微生物細胞菌齡老齡細胞對不良環(huán)境的抵抗力比幼齡細胞強，后者易被殺死。7、微生物的耐熱性細菌的營養(yǎng)體、酵母、霉菌的菌絲體對熱較為敏感，放線菌、酵母、霉菌孢子比營養(yǎng)細胞的抗熱性強，細菌芽孢的抗熱性最強。8、空氣排出情況蒸汽滅菌過程中，溫度的控制是通過控制罐內(nèi)的蒸汽壓力來實現(xiàn)。壓力表顯示的壓力應與罐內(nèi)蒸汽壓力相對應，即壓力表的壓力所對應的溫度應是罐內(nèi)的實際溫度。如果罐內(nèi)空氣排除不完全，壓力表所顯示的壓力就不單是罐內(nèi)蒸汽壓力，還包括了空氣分壓，因此，此時罐內(nèi)的實際溫度就低于壓力表顯示壓力所對應的溫度，以致造成滅菌溫度不夠而滅菌不徹底。9、攪拌：有助于傳質(zhì)和傳熱。

10、泡沫泡沫中的空氣形成隔層，使熱量難以傳遞，不易達到微生物的致死溫度，導致滅菌不徹底。泡沫的形成主要是由于進汽排汽不均衡，如果在滅菌過程突然減少進汽或加大排汽，則會出現(xiàn)大量泡沫，對易發(fā)泡沫的培養(yǎng)基應加消泡劑以減少泡沫量。2.連續(xù)滅菌流程連續(xù)滅菌優(yōu)點：（1）提高產(chǎn)量；（2）產(chǎn)品質(zhì)量較易控制；（3）蒸汽負荷均衡，鍋爐利用率高，操作方便；（4）適宜采用自動控制；（5）降低勞動強度。實際操作：高溫滅菌時間約為15~30s，然后根據(jù)發(fā)酵類型不同在維持罐維持8~25min。2、連續(xù)滅菌流程及設備即在培養(yǎng)基輸送至發(fā)酵罐的同時進行加熱、保溫和冷卻而進行的滅菌。（1）連消塔-噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程（1）配料預熱罐，將配好的料液預熱到60~70℃，以避免滅菌時由于料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊聲；（2）連消塔，是使高溫蒸汽與料液迅速接觸混合，并使料液的溫度很快升高到滅菌溫度（126~132℃）；（3）維持罐，維持料液溫度，延長滅菌時間（4）冷卻管，生產(chǎn)上一般采用冷水噴淋冷卻，冷卻到40~50℃后，輸送到預先已經(jīng)滅菌過的罐內(nèi)。培養(yǎng)液連續(xù)滅菌流程（2）噴射加熱-真空冷卻流程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管道維持器：維持滅菌時間真空閃急蒸發(fā)室：由膨脹閥進入，因真空作用使水分急驟蒸發(fā)而冷卻到70~80℃左右，再進入發(fā)酵罐冷卻到接種溫度。優(yōu)點：加熱和冷卻在瞬間完成，營養(yǎng)成分破壞最少，可以采用高溫滅菌，把溫度升高到140℃而不致引起培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的嚴重破壞。設計得合適的管道維持器能保證物料先進先出，避免過熱。缺點：受壓力影響，出料泵

（2）噴射加熱-真空冷卻流程（3）板式換熱器滅菌流程采用薄板換熱器作為培養(yǎng)液的加熱和冷卻器，培養(yǎng)液在設備中同時完成預熱、滅菌及冷卻過程，蒸汽加熱段使培養(yǎng)液的溫度升高，經(jīng)維持段保溫一段時間，然后在薄板換熱器的另一段冷卻，從而使培養(yǎng)基的預熱、加熱滅菌及冷卻過程可在同一設備內(nèi)完成。優(yōu)點：滅菌的溫度較高，滅菌時間較短，培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分受破壞的程度較低，從而保證了培養(yǎng)基的質(zhì)量；設備的利用率高；缺點：過程所需的設備較多，操作較為麻煩，染菌機會也相應較多

二、分批滅菌1，分批滅菌的設計在發(fā)酵罐中進行實罐滅菌，是典型的分批滅菌。全過程包括升溫、保溫、降溫三個過程升溫階段將培養(yǎng)基從室溫加熱到滅菌溫度,兩種方式:用蛇管或夾套用蒸汽間接加熱(到90℃),再直接通入培養(yǎng)基至滅菌溫度直接通入活蒸汽10立方發(fā)酵罐(7噸培養(yǎng)基)升溫需1.6噸蒸汽,保溫需0.5-0.8噸蒸汽孢子熱死亡的規(guī)律符合因為升溫、冷卻階段T是時間t的函數(shù)，K不是常數(shù)，所以：

Kh-保溫階段的孢子比熱死亡速度常數(shù)分批滅菌的滅菌常數(shù)通常以耐熱芽孢桿菌為對象，其熱死滅活化能為67930K/mol,A=1.34×10361/秒,R=1.987K/mol,e=2.718,為滅菌溫度的單一函數(shù)，計算如下式:

lgk=-14845/T+36.127計算舉例

某發(fā)酵罐內(nèi)裝培養(yǎng)基40m3,在121℃下進行分批滅菌，設每毫升培養(yǎng)基中含耐熱的芽孢為107個，求理論滅菌時間？（分批滅菌的滅菌常數(shù)lgk=-14845/T+36.127）

解：N0=40×106×107=4×1014N=0.001lgk=-14845/T+36.127=-14845/(273+121)+36.127=-1.55k=0.0281s-1

τ=1/klnN0/N=1/0.0281ln4×1014/0.001=1442.6s=24min連續(xù)滅菌計算滅菌溫度131℃，滅菌常數(shù)為0.25s-1，求滅菌保溫時間。解：τ＝1/klnN0/Nτ＝162.1s=2.7min因維持罐有返混，實際維持時間為理論滅菌時間的3－5倍（一）分批滅菌操作要點設備嚴密度溫度與氣壓是否對應。培養(yǎng)基及發(fā)酵設備的滅菌包括分批滅菌（也稱實罐滅菌或?qū)嵪⒖展逌缇障⑦^濾器及管道滅菌等。保證間歇滅菌成功的要素內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理(主要是無死角)，焊縫及軸封裝置可靠，蛇管無穿孔現(xiàn)象壓力穩(wěn)定的蒸汽合理的操作方法。發(fā)酵罐的接管圖總蒸汽管道壓力要求不低于0.3-0.35Mpa，使用壓力不低于0.2Mpa?？障阂话憔S持罐壓0.15~0.2Mpa，罐溫125~130℃，保持30~45min；滅菌流程與罐相連的分空氣過濾器用蒸汽滅菌并用空氣吹干。將輸料管路內(nèi)的污水放掉沖凈，培養(yǎng)基泵送至發(fā)酵罐（種子罐或料罐）內(nèi)，同時開動攪拌器進行滅菌。滅菌前先將各排氣閥打開，將蒸汽引入夾套或蛇管進行預熱，待罐溫升至80~90℃，將排氣閥逐漸關小。將蒸汽從進氣口、排料口、取樣口直接通入罐中，使罐溫上升到118~120℃，罐壓維持在0.09~0.1Mpa（表壓），并保持30min左右。各路進氣要暢通，防止短路逆流，罐內(nèi)液體翻動要激烈；各路排汽也要暢通，但排汽量不宜過大，以節(jié)約用氣量。保溫階段，凡進口在培養(yǎng)基液面以下的各管道及沖視鏡管都應進汽；凡開口在液面之上者均應排汽。管路在實消時均應遵循“不進則出”的原則。保溫結(jié)束后，依次關閉各排汽、進汽閥門，待罐內(nèi)壓力低于空氣壓力后，向罐內(nèi)通入無菌空氣，在夾套或蛇管中通冷卻水降溫培養(yǎng)基間歇滅菌過程中應注意的問題溫度和壓力的關系泡沫問題投料過程中，麩皮和豆餅粉等固形物在罐壁上殘留的問題滅菌結(jié)束后應立即引入無菌空氣保壓連續(xù)滅菌與間歇滅菌的比較1，連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點優(yōu)點保留較多的營養(yǎng)質(zhì)量容易放大較易自動控制；糖受蒸汽的影響較少；縮短滅菌周期；在某些情況下，可使發(fā)酵罐的腐蝕減少；發(fā)酵罐利用率高；蒸汽負荷均勻。缺點：設備比較復雜，投資較大。2，分批滅菌的優(yōu)缺點優(yōu)點設備投資較少染菌的危險性較小人工操作較方便對培養(yǎng)基中固體物質(zhì)含量較多時更為適宜缺點滅菌過程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負荷波動大，一般只限于中小型發(fā)酵裝置。發(fā)酵罐的滅菌培養(yǎng)基的滅菌如果是采用連續(xù)滅菌法。則發(fā)酵罐應在加入滅菌的培養(yǎng)基前先行單獨滅菌。通常是用蒸汽加熱發(fā)酵罐的夾套或設管并從空氣分布管中通入蒸汽，充滿整個容器后，再從排氣管中緩緩排出。容器內(nèi)的蒸汽壓力保持1公斤，20分鐘。在保溫結(jié)束后，關鍵是隨即通入無菌空氣，使容器保持正壓，防止形成真空而吸入帶菌的空氣。分批滅菌的計算間接加熱:加熱時間的計算溫度不變,培養(yǎng)基溫度升高,G-培養(yǎng)基重量,公斤c-培養(yǎng)基比熱,K-加熱過程中平均傳熱系數(shù),夾套200-300kcal/平方米*小時*℃,蛇管300-450kcal/平方米*小時*℃F-蛇管或夾套加熱面積t1-加熱蒸汽溫度,t2s/t2f-開始加熱和加熱結(jié)束時時培養(yǎng)基溫度直接加熱:蒸汽消耗量,加熱時間與蒸汽流量,蒸汽管路直徑與流速有關,其消耗量為Q*-發(fā)酵罐向周圍散熱,取加熱量的10-20%Λ-蒸汽熱含量保溫滅菌階段:蒸汽仍流入,由罐頂排除,消耗量為:F-蒸汽排除口總面積,平方厘米P-罐內(nèi)蒸汽的絕對壓力V-蒸汽的比容一般為直接加熱的30-50%冷卻階段降溫以接種發(fā)酵,先通入無菌空氣,再經(jīng)夾套或蛇管用冷水冷卻.補料液的滅菌在發(fā)酵過程中，往往要向發(fā)酵罐中補入各種不同的料液。這些料液都必需經(jīng)過滅菌。滅菌的方法則視料液的性質(zhì)、體積和補料速率而定。如果補料量較大，而具有連續(xù)性時，則采用連續(xù)滅菌較為合適。也有利用過濾法對另補料液進行除菌。補料液的分批滅菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽。所有的附屬設備和管道都要經(jīng)過滅菌。3、設備構(gòu)造和計算（1）連消塔是培養(yǎng)液高溫短時間連續(xù)滅菌設備，它與維持罐組成連續(xù)滅菌系統(tǒng)，分套管式和汽液混合式兩類。連消塔在20~30s或更短的時間內(nèi)將料液加熱至130~140℃。生產(chǎn)中一般用0.5~0.8Mpa的活蒸汽與預熱后的料液直接接觸而加熱。套管式連消塔用:內(nèi)外兩根管子套合組成內(nèi)管開有45°向下傾斜的小孔，孔徑6mm?？拙鄳獜纳系较聹p少，使蒸汽較為均勻。培養(yǎng)基由塔底進入，與小孔中噴出的蒸汽連續(xù)混合后在塔上部流出。培養(yǎng)基在塔內(nèi)停留時間一般取20~30s；線速度要求<0.1m/s。培養(yǎng)基流速、塔高培養(yǎng)基流動速度w-培養(yǎng)液流速，m/s；G-培養(yǎng)液流量，m3/h，D-外管直徑，m；d-內(nèi)管直徑，m；

塔高

H-連消塔高，m；τ-滅菌時間，s。內(nèi)管蒸汽噴孔總面積和孔數(shù)根據(jù)蒸汽消耗量（m3/h）等于從小孔噴出的蒸汽量（m3/h）得

F-蒸汽噴孔的總面積，m2；w-蒸汽噴孔的速度，m/s，通常采用25~40m/sV-加熱蒸汽消耗量，m3/h。加熱蒸汽噴孔數(shù)n：n-噴孔數(shù)，個；d1

-噴孔直徑，m。

（2）維持罐滅菌系統(tǒng)中的維持設備，主要是使加熱后的培養(yǎng)基在維持設備中保溫一段時間，以達到滅菌的目的，也稱保溫設備。體積計算：V-維持罐容積，m3；v-料液體積流量，m3/h；τ-維持時間，8~25min；Φ－充滿系數(shù)（3）噴射加熱器可使料液和蒸汽迅速接觸，充分混合，加熱是在瞬時內(nèi)完成的。（4）冷卻設備常用噴淋冷卻器和套管冷卻器。前者是將冷卻水通過噴淋裝置均勻的淋在水平的排管上，以冷卻管內(nèi)的培養(yǎng)基。后者是一種內(nèi)管走熱培養(yǎng)基，內(nèi)外管間的管隙中走冷卻水的冷卻器。耗鋼多，漏洞難以發(fā)現(xiàn)，會造成污染熱利用較合理二、淀粉質(zhì)原料的蒸煮與糖化

蒸煮目的：使植物組織和細胞膜徹底破裂，淀粉成為溶解狀態(tài)進行液化；同時對進料進行滅菌；排除原料中的一些不良成分及氣味。

糖化：糖化酶將淀粉、糊精進行水解化為能夠被生物細胞利用的可發(fā)酵性物質(zhì)，降低醪液的粘度連續(xù)糖化和間歇糖化：連續(xù)流動，在不同的設備中完成加料、蒸煮、糖化、冷卻等不同工藝操作，整個過程連續(xù)化

連續(xù)蒸煮糖化設備有罐式、管式和柱式三種形式。罐式連續(xù)蒸煮糖化，蒸煮溫度較低，可節(jié)省煤耗，操作容易控制，設備結(jié)構(gòu)簡單，制造方便

1、連續(xù)蒸煮糖化及其設備（1）罐式蒸煮設備（2）柱式連續(xù)蒸煮設備（3）管式連續(xù)蒸煮1-輸送機2-斗式提升機3-貯料斗4-錘式粉碎機5-螺旋輸送機6-粉漿罐7-泵8-預熱鍋9-進料控制閥10-過濾器11-泥漿泵12-單向閥13-三套管加熱器14-蒸煮管道15-壓力控制閥16-后熟器17-蒸汽分離器18-真空冷凝器19-蒸汽冷凝器20-糖化鍋（4）真空冷卻器器身為圓筒錐底，醪液由切線方向進入，真空度保持在00~550mmHg，蒸煮醪溫度可降到68~64℃。真空冷卻器的設計計算：根據(jù)蒸煮醪所產(chǎn)生的二次蒸汽量和二次蒸汽流速來確定真空冷卻器的幾何尺寸蒸煮醪所產(chǎn)生的二次蒸汽量

，kg/h

W-蒸煮醪所產(chǎn)生的二次蒸汽量，kg/h；G-每小時的蒸煮醪流量，kg/h；C-蒸煮醪的比熱，kcal/kg?℃；t1、t2-蒸煮醪蒸發(fā)前后的溫度，℃；r-真空操作二次蒸汽的汽化熱，kcal/kg。幾何尺寸的計算直徑，m

D-真空冷卻器的直徑，m；W-蒸煮醪所產(chǎn)生的二次蒸汽量，kg/h；v-二次蒸汽的比容，m3/kg；V-二次蒸汽上升的速度，m/s，一般取0.8~1.0m/s的范圍。

高度：一般真空冷卻器的直徑與高之比為1：1.5~2.0（5）糖化罐a.連續(xù)糖化罐具有圓筒形外殼，球形或錐形底。作用是連續(xù)地把糊化醪與水稀釋，并與液體曲或麩曲乳或糖化酶（酶制劑）混合，在一定溫度下維持一定時間，保持流動狀態(tài)，以利于酶的活動。b.真空糖化罐依靠壓力差蒸煮醪液由汽液分離器a，與糖化曲液由計量暫存桶b同時進入蒸發(fā)-糖化器c。既是蒸發(fā)冷卻器，又是糖化器，簡化了設備。2、間歇蒸煮糖化設備及蒸煮工藝蒸煮設備：錐形蒸煮鍋適宜于對整粒原料的蒸煮，蒸煮醪的質(zhì)量很均勻，蒸煮醪排出比較方便蒸煮工藝：間歇加壓蒸煮和添加淀粉酶液化后間歇加壓蒸煮（1）間歇加壓蒸煮工藝流程加水入蒸煮鍋→投料→升溫→蒸煮→吹醪（2）加淀粉酶加壓蒸煮工藝流程先加細菌淀粉酶（粉碎原料的0.1~0.2%）液化后，再進行加壓蒸煮，蒸煮壓力可以降低，蒸煮時間也可縮短。粉碎原料和水拌勻，調(diào)整溫度至50~60℃，加入細菌淀粉酶，拌勻，再加石灰水調(diào)整pH到6.9~7.1。將淀粉液輸送到蒸煮鍋中，通入壓縮空氣進行攪拌，并通蒸汽升溫到93℃，保持1小時。達到標準后，則停止通壓縮空氣，繼續(xù)升溫至130℃，保持0.5小時，吹醪送至糖化鍋間歇糖化設備：具有攪拌和冷卻裝置的糖化鍋間歇糖化法的工藝流程：蒸煮醪→糖化鍋＋加水＋冷卻（120→60℃）＋加酸十加曲十糖化十冷卻（60→30℃）→發(fā)酵罐（或酒母罐）糖化效率：糖化效率=糖化醪中還原糖×100%／糖化醪中總糖第三節(jié)糖蜜的稀釋與澄清糖蜜含有大量的可發(fā)酵性糖，是一種非結(jié)晶糖分。是微生物工業(yè)大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)酒精、甘油、谷氨酸、食用酵母及液態(tài)飼料等的良好原料。濃度高（80°Bx以上），膠體物質(zhì)與灰分多，產(chǎn)酸細菌多發(fā)酵前需進行稀釋、酸化、滅菌、澄清等處理過程

1、糖蜜稀釋器的構(gòu)造和原理目前中國糖蜜酒精廠多采用連續(xù)稀釋法。（1）水平式糖蜜連續(xù)稀釋器管內(nèi)沒有攪拌器二、糖蜜原料的澄清目的是使原料中的灰渣等固形物沉淀，同時進行滅菌，以達到發(fā)酵的要求。對于固體含量少[<0.1%（v/v）]，顆粒直徑在5~100μm的懸浮液，在過濾時難以形成濾餅，就要采用澄清過濾。澄清方法：加酸通用處理法、加熱加酸沉淀法、絮凝劑澄清處理法等第四節(jié)啤酒生產(chǎn)中麥芽汁的制備設備麥芽汁是啤酒酵母的培養(yǎng)基，是影響啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量的關鍵因素之一。制備設備：糊化鍋、糖化鍋、過濾槽和煮沸鍋等。粉碎機冷卻器發(fā)酵罐啤酒釀造流程啤酒生產(chǎn)流程糊化鍋主要作用是用于煮沸大米粉和部分麥芽粉醪液，使淀粉糊化和液化。1．糊化鍋的構(gòu)造2．糊化鍋的容積3．加熱面積的計算糊化鍋的構(gòu)造：球形鍋底，有攪拌裝置；糊化鍋的直徑與圓筒高度之比為2∶1，升氣管面積為料液面積的1/30~1/50糊化鍋的容積：決定于加入的原料量。每100kg投料有效容積為0.5~0.55m3，加熱面積的計算垂直壁上蒸汽冷凝的給熱系數(shù)：，W/（m2?K）；Ρ-冷凝液密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2；λ-冷凝液導熱系數(shù)，W/（m?K）；μ-冷凝液粘度，Pa?s；γ-汽化熱，kJ/kg；tn-蒸汽的溫度，K；tcm-器壁的溫度，K；L-長度實驗得到的給熱系數(shù)為：1.13蒸汽在斜角為φ的斜壁上冷凝時的給熱系數(shù)為

，W/（m2?K）；φ-傾斜角，取45°具有攪拌器的強烈對流傳熱的情況下，蒸汽夾套加熱面至糖化料液的給熱系數(shù)μ-液體平均溫度時的粘度，kg/（m?s）；μp——液體給熱面壁溫時的粘度，kg/（m?s）；Pr-普蘭特準數(shù)；Re-雷諾準數(shù)。二、糖化鍋用途是使麥芽粉與水混合，并保持一定溫度進行蛋白質(zhì)分解和淀粉糖化廣泛采用不銹鋼制作，也可用碳鋼制造。其外形和構(gòu)造與糊化鍋大致相同。裝有螺旋槳攪拌器，有的在鍋內(nèi)壁裝有擋板。一般糖化鍋容積比糊化鍋大約一倍。鍋底為平底或球形底（球形蒸汽夾套）。鍋體直徑與高之比一般為2∶1，升氣管截面積為鍋圓筒截面積的1/30~1/50

三、過濾槽用途：過濾糖化后的麥醪，使麥汁與麥糟分開而得到清亮的麥芽汁型式與構(gòu)造：具有不銹鋼圓柱形槽身和平底及紫銅板弧形頂蓋的容器，有一層與平底平行的過濾篩板（用3.5~4.5mm厚的磷青銅或不銹鋼制成），篩孔一般采用0.4~0.7×30~50mm條形孔或直徑0.8mm的圓孔，內(nèi)設有耕糟裝置。麥糟層厚度：0.3~0.4m過濾面積：100kg干麥芽所需過濾面積為0.5~0.6m2過濾槽容積：G＝200FG-每次糖化所用的麥芽量，kg；F-所需槽底的面積，m2耕糟機轉(zhuǎn)速：耕糟時0.25~0.4r/min，0.04~0.07m/s出糟時4~5r/min，0.4~0.7m/s煮沸鍋用途：用于麥汁的煮沸和濃縮，蒸發(fā)掉多余的水分，使麥汁達到一定的濃度。并加入酒花，使酒花中所含的苦味及芳香物質(zhì)進入麥汁中。型式與結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)型式與糊化鍋基本相同，有攪拌裝置容積：麥芽煮沸鍋容積計算與糊化鍋相同。麥汁煮沸鍋的容量：100kg麥芽約需800~900升容量，加上25~30％作為麥汁運動的空間鍋內(nèi)液柱高與直徑之比：1：2

攪拌葉的轉(zhuǎn)速：約20~35r/min，3m/s左右排汽管的截面積：鍋內(nèi)液體表面積的1/30~1/50煮沸時間：一般約1.5~2小時固體培養(yǎng)基制備設備固態(tài)發(fā)酵：微生物在具有一定溫度和濕度的固體表面進行生長和繁殖就稱為固態(tài)發(fā)酵。固態(tài)發(fā)酵流程：原料先經(jīng)過粉碎設備粉碎后，在混合機中充分混合，蒸煮滅菌，冷卻后接入固體或液體種，再進行充分混合，最后在一定溫度、pH及適度攪拌等條件下進行固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)。固體培養(yǎng)基：固態(tài)發(fā)酵所用的培養(yǎng)基為固體培養(yǎng)基。固體培養(yǎng)基：制備工藝流程主要設備有粉碎設備、潤水設備、混合設備、蒸煮滅菌設備、冷卻設備等螺旋輸送機：。將粉碎后的主輔料和50～80℃在絞龍中混合。潤水設備JLR-250型潤水輸送機N.K式旋轉(zhuǎn)蒸煮鍋：原料進入蒸鍋，直接噴入50～80℃的熱水，翻拌潤水蒸煮設備蒸煮目的：對固體培養(yǎng)基進行滅菌；使培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)適度變性；使淀粉原料糊化。蒸煮滅菌設備：（1）常壓蒸煮鍋（2）加壓蒸煮鍋：是能承受一定壓力的圓筒型鋼板蒸煮鍋。滅菌時需排盡冷空氣。（3）集攪拌、蒸煮、冷卻于一體的蒸煮滅菌設備（4）連續(xù)蒸煮設備集攪拌、蒸煮、冷卻于一體的蒸煮滅菌設備N.K式旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)鍋：為既能受壓加熱又能減壓冷卻的容器。旋轉(zhuǎn)鍋由鍋身，支柱，旋轉(zhuǎn)裝置，水力噴射泵真空冷卻等部分組成。罐體以立式雙頭錐形為主，也有球形，容量一般為5～6m3。轉(zhuǎn)鼓式蒸煮滅菌機：有一鋼板焊制、能承一定壓力的轉(zhuǎn)鼓。鼓中心有空心橫軸，裝料后，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為0.5～1r/min，培養(yǎng)基在鼓內(nèi)被翻動，蒸汽沿軸中心通入鼓內(nèi)，對固體培養(yǎng)基加熱和滅菌。滅菌完畢后，真空冷卻培養(yǎng)基。連續(xù)蒸煮設備將N.K式旋轉(zhuǎn)蒸煮法連續(xù)化處理。即粉碎的固體原料進入螺旋式輸送機中潤水，將原料送至蒸煮管上部由導管送入蒸煮管，原料經(jīng)過高壓螺旋輸送機慢慢運行時就得到了蒸煮處理，并經(jīng)小型脫壓室排出本章內(nèi)容總結(jié)1.培養(yǎng)基滅菌的意義，滅菌的方法？2.培養(yǎng)基濕熱滅菌的原理？3.培養(yǎng)基濕熱滅菌的主要矛盾是什么？如何解決？4.常用的連續(xù)滅菌流程？流程圖，主要設備的作用。5.連續(xù)滅菌設備構(gòu)造和計算6.滅菌的計算。7.發(fā)酵罐分批滅菌操作要點。

生物反應器設計基礎2009.10概述生物反應器（bioreactor）是一個人們對生物有機體進行有效控制和培養(yǎng)以生產(chǎn)某種產(chǎn)品，或進行特定反應的容器。發(fā)酵罐（fermentator）：厭氧發(fā)酵罐1970’s:生化反應器（biochemicalreactor）和生物學反應器（biologicalreactor）1980’s:生物反應器（biorector）成為一個標準的名稱現(xiàn)在：發(fā)酵罐、酶反應器、固定化酶和細胞反應器、動植物細胞培養(yǎng)反應器生物反應器與化學反應器的比較生物（酶除外）反應都以“自催化”（autocalalysis）方式進行，即在目的產(chǎn)物生成的過程中生物自身要生長繁殖。由于生物反應速率較慢，生物反應器的體積反應速率不高；與其他相當生產(chǎn)規(guī)模的加工過程相比，所需反應器體積大；對好氧反應，因通風與混合等，動力消耗高；產(chǎn)物濃度低。生物反應器的作用為生物體代謝提供一個優(yōu)化的物理及化學環(huán)境，使生物體能更好地生長。得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。生物反應器的操作特性

反應器類型pH控制溫度控制工業(yè)重要特性主要應用領域通用罐如需如需人事費用高大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)攪拌罐如需如需流速受沖出限制污水處理、SCP生產(chǎn)等氣升式反應器如需如需空壓機出口壓力要高有機酸,如檸檬酸生產(chǎn)等鼓泡式反應器如需如需可采用鼓風機面包酵母等生產(chǎn)自吸式反應器如需如需需轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)乙酸、酵母等生產(chǎn)固體發(fā)酵設備如需如需人事費用高麩曲、酶制劑和麥芽生產(chǎn)等嫌氣反應器如需如需無需通風設備酒精、啤酒等生產(chǎn)動植物細胞用反應器如需如需剪切力應小雜交瘤單克隆抗體、煙草細胞培養(yǎng)等光合反應器如需如需需光源微藻等生產(chǎn)高效生物反應器的特點設備簡單，結(jié)構(gòu)嚴密；良好的液體混合性能，較高的三傳效率；能耗低；易于放大；具有配套而又可靠的檢測及控制儀表等。生物反應器設計的主要目的和設計原理目的：最大限度地降低成本，用最少的投資來最大限度地增加單位體積產(chǎn)率原理：基于強化傳質(zhì)、傳熱等操作，將生物體活性控制在最佳條件，降低總的操作費用。微生物反應過程的質(zhì)量衡算微生物反應過程用有正確系數(shù)的反應方程式來表達基質(zhì)到產(chǎn)物的反應過程非常困難。為了表示出微生物反應過程中各物質(zhì)和各組分之間的數(shù)量關系，最常用的方法是對各元素進行原子衡算。微生物反應過程的質(zhì)量和能量衡算如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細胞的分子式定義為CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此時用碳的定量關系式表示微生物反應的計量關系是可行的。式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細胞的元素組成，CHuOvNw為產(chǎn)物的元素組成。下標m、n、u、v、w、x、y、z分別代表與一碳原子相對應的氫、氧、氮的原子數(shù)。對各元素做元素平衡，得到如下方程：

(3-2)方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六個未知數(shù)，需六個方程才能解。微生物反應過程的得率系數(shù)得率系數(shù)是對碳源等物質(zhì)生成細胞或其他產(chǎn)物的潛力進行定量評價的重要參數(shù)。消耗1g基質(zhì)生成細胞的克數(shù)稱為細胞得率或稱生長得率Yx/s（Cellyield或Growthyield）。細胞得率的單位是g細胞/g基質(zhì)。這里的細胞是指干細胞的質(zhì)量（除特殊說明外，以下細胞的質(zhì)量均指干細胞）。某一瞬間的細胞得率稱為微分細胞得率（或瞬時細胞得率）式中rx是微生物細胞的生長速率，rs是基質(zhì)的消耗速率。同一菌種，同一培養(yǎng)基，好氧培養(yǎng)的Yx/s比厭氧培養(yǎng)的大的多。當基質(zhì)為碳源，無論是好氧培養(yǎng)還是厭氧培養(yǎng)，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）為細胞的組成成分，其余部分被異化（dissimilateorcatabolism）分解為CO2和代謝產(chǎn)物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關的細胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分別為單位質(zhì)量細胞和單位質(zhì)量基質(zhì)中所含碳源素量。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。式（3-1）中的系數(shù)c實際就是Yc。微生物反應的特點之一是通過呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成ATP。在氧化過程中，可通過有效電子數(shù)來推算碳源的能量。當1mol碳源完全氧化時，所需要氧的mol數(shù)的4倍稱為該基質(zhì)的有效電子數(shù)。式中YATP為相對于基質(zhì)的ATP生成得率（molATP/mol基質(zhì)），Ms為基質(zhì)的分子量。微生物反應中可以用YkJ表示微生物對能量的利用情況，式中E表示消耗的總能量，包括同化過程，即菌體所保持的能量Ea和分解代謝的能量Ed。前者可采用干細胞的燃燒熱，后者可采用所消耗的碳源和代謝產(chǎn)物各自的燃燒熱之差來計算。多數(shù)微生物在好氧培養(yǎng)時的YKJ值為0.028g細胞/kJ，在厭氧培養(yǎng)時YKJ的平均值為0.031g細胞/kJ。對于光能自養(yǎng)型微生物，如藻類的YKJ約等于0.002g細胞/kJ。O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養(yǎng)中微生物生物代謝機能的重要指標之一的呼吸商(respiratoryquotient)，其定義式為：

酒精發(fā)酵中酵母菌將所產(chǎn)生能量的一部分轉(zhuǎn)化為ATP。在標準狀態(tài)下1molATP加水分解為ADP和磷酸的同時，放出31kJ的熱量。已知在酒精發(fā)酵或乳酸菌發(fā)酵中相對于1mol葡萄糖產(chǎn)生2molATP?；诖?，在酒精發(fā)酵中有45%（2×31/136=0.46）的能量以ATP的形式儲存起來。好氧反應中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol的ATP，31×38/2871=0.41，也就是說41%的能量以ATP的形式儲存起來。乳酸發(fā)酵（厭氧時）的能量效率為（31×2）/2871=0.022，即2.2%。一般厭氧培養(yǎng)中YATP約為10.5g細胞/molATP，好氧培養(yǎng)中為6～29g細胞/molATP。利用YkJ表示微生物反應過程對能量利用，有式中為以菌體X的燃燒熱為基準的焓變。其因菌體的不同有所不同，一般取值=-22.15kJ/g細胞。ΔHc為所消耗基質(zhì)的焓變與代謝產(chǎn)物的焓變之差，其由下式給出式中ΔHs為碳源氧化的焓變（kJ/mol），ΔHp為產(chǎn)物氧化的焓變（kJ/mol）。生物反應器的生物學基礎

生物反應速率主要指細胞生長速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率，其相應的動力學模型是

細胞：（3-1）（3-2）基質(zhì)：產(chǎn)物：（3-3）（4-4）反應液體積：生長速率平衡生長條件下微生物細胞的生長速率rx的定義式為式中X為微生物的濃度，μ為微生物的比生長速率，其除受細胞自身遺傳信息支配外，還受環(huán)境因素所影響。由上式可知，μ與倍增時間(doublingtime)td的關系為：F為流入與流出生物反應器的基質(zhì)流量[L/h]；i、j和k分別表示相應的細胞、基質(zhì)和產(chǎn)物,

表示基質(zhì)的流加流量。當采用分批式操作時,F

=F=0；采用流加式操作時，F(xiàn)

F=0；采用連續(xù)式操作時,F

=F

0當基質(zhì)為碳源，無論是好氧培養(yǎng)還是厭氧培養(yǎng)，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）為細胞的組成成分，其余部分被異化（dissimilateorcatabolism）分解為CO2和代謝產(chǎn)物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關的細胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分別為單位質(zhì)量細胞和單位質(zhì)量基質(zhì)中所含碳源素量。Yc值一般小于1，為0.4—0.9。式（3-1）中的系數(shù)c實際就是Yc。傳熱

生物反應器中的能量平衡可表示為：（3-5）式中Qmet為微生物代謝或酶活力造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qag為攪拌造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qgas為通風造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qacc為體系中單位體積的積累產(chǎn)熱速率；Qexch為單位體積反應液向周圍環(huán)境或冷卻器轉(zhuǎn)移熱的速率；Qevap為蒸發(fā)造成的單位體積熱損失速率；Qsen為熱流（流出－流入）造成的單位體積敏感焓上升的速率。實際生物反應過程中的熱量計算，可采用如下方法：

１、通過反應中冷卻水帶走的熱量進行計算。根據(jù)經(jīng)驗，每m3發(fā)酵液每小時傳給冷卻器最大的熱量為：青霉素發(fā)酵約為25000kJ/(m3h);鏈霉素發(fā)酵約為19000kJ/(m3h);四環(huán)素發(fā)酵約為20000kJ/(m3h);肌苷發(fā)酵約為18000kJ/(m3h);谷氨酸發(fā)酵約為31000kJ/(m3h)。

2、通過反應液的溫升進行計算。即根據(jù)反應液在單位時間內(nèi)(如半小時)上升的溫度而求出單位體積反應液放出熱量的近似值。例如某味精生產(chǎn)廠，在夏天不開冷卻水時，25m3發(fā)酵罐每小時內(nèi)最大升溫約為12℃。

3、通過生物合成進行計算。當Qsen、Qacc和Qgas可忽略不計，由式7-5可知，（3-6）即反應過程中產(chǎn)生的總熱量均為冷卻裝置帶走。

4、通過燃燒熱進行計算（3-7）

式中Q基質(zhì)燃燒為基質(zhì)的燃燒熱，Q產(chǎn)物燃燒為產(chǎn)物的燃燒熱。

生物反應器中的換熱裝置的設計，首先是傳熱面積的計算。換熱裝置的傳熱面積可由下式確定。

（3-8）

式中F為換熱裝置的傳熱面積m2；

Qall為由上述方法獲得的反應熱或反應中每小時放出的最大熱量kJ/h；

K為換熱裝置的傳熱系數(shù)kJ/(m2·h·℃)；

tm為對數(shù)溫度差(℃)，由冷卻水進出口溫度與醪液溫度而確定。根據(jù)經(jīng)驗：夾套的K值為400～700kJ/（m2·h·℃），蛇管的K值為1200～1900kJ/（m2·h·℃），如管壁較薄，對冷卻水進行強制循環(huán)時，K值為3300～4200kJ/（m2·h·℃）。氣溫高的地區(qū)，冷卻水溫高，傳熱效果差，冷卻面積較大，1m3發(fā)酵液的冷卻面積超過2m2。但在氣溫較底的地區(qū)，采用地下水冷卻，冷卻面積較小，1m3發(fā)酵液的冷卻面積為1m2。發(fā)酵產(chǎn)品不同，冷卻面積也有差異。生物反應器選型與設計的要點

1、選擇適宜的生物催化劑。這包括要了解產(chǎn)物在生物反應的哪一階段大量生成、適宜的pH和溫度，是否好氧和易受雜菌污染等。2、確定適宜的反應器形式。3、確定反應器規(guī)模、幾何尺寸、操作變量等。4、傳熱面積的計算。5、通風與攪拌裝置的設計計算。6、材料的選擇與確保無菌操作的設計。7、檢驗與控制裝置。8、安全性。9、經(jīng)濟性。機械攪拌生物反應器的設計某生物醫(yī)藥公司為應用基因工程菌株發(fā)酵生產(chǎn)某藥物原料（胞內(nèi)產(chǎn)物），產(chǎn)量為30噸/年，現(xiàn)有情況：中試完成，20L發(fā)酵罐達到的指標為細胞濃度20g/L（干重），細胞內(nèi)產(chǎn)物含量為5%（干重），細胞對糖的轉(zhuǎn)化率為YX/S=0.4，細胞對氧的產(chǎn)率YX/O=1.0，在最佳條件（30℃和pH6.5）下，比生長速率μ=0.3/h，發(fā)酵時間為16h，要求大罐生產(chǎn)時細胞濃度達到50g/L。實驗室小試純化收率為80%，年生產(chǎn)天數(shù)330d，24h生產(chǎn)。物料衡算及熱量衡算、反應器尺寸：每年應從發(fā)酵罐中得到的目的產(chǎn)物總量mt為：細胞年產(chǎn)量GX為：由于細胞產(chǎn)率為50g/L，則發(fā)酵液總量VT為：發(fā)酵時間為16h，8h用于罐的清洗、放料、進培養(yǎng)基和滅菌燈，則每天1罐。年生產(chǎn)天數(shù)330d，則每天所得發(fā)酵液體積VLT為:因此，可選擇裝液量為45.45的發(fā)酵罐一臺，第一節(jié)剪切力一、剪切力的度量方法二、剪切作用的影響三、低剪切反應器的設計剪切力是設計和放大生物反應器的重要參數(shù)，在生物過程中，嚴格地講，對細胞的剪切作用僅指作用于細胞表面且與細胞表面平行的力，但由于發(fā)酵罐中流體力學的情況非常復雜，一般剪切力指影響細胞的各種機械力的總稱。一、剪切力的度量方法槳葉尖速度N為攪拌槳轉(zhuǎn)速，Di為槳直徑平均剪切速率

（3）積分剪切因子ISF（動物細胞培養(yǎng)中）：（4）剪切速率（鼓泡塔中）：

γ=kuG

γ-剪切速率kuG-表觀氣速（5）湍流旋渦長度生物反應器一般在湍流下操作，湍流由大小不同的旋渦及能量狀態(tài)構(gòu)成，大旋渦之間通過內(nèi)部作用產(chǎn)生小旋渦并向其傳遞能量。小旋渦之間又通過內(nèi)部作用產(chǎn)生更小旋渦并向其傳遞能量，就這樣能量逐級傳遞給小旋渦。在足夠高的雷諾準數(shù)下，湍流處于統(tǒng)計平衡狀態(tài)，在各向同性下，旋渦長度可由下式計算二、剪切作用的影響1．剪切力對微生物的影響2．剪切力對動物細胞的影響3．剪切作用對植物細胞的影響4．剪切對酶反應的影響三、低剪切反應器的設計對傳統(tǒng)攪拌器的改造；開發(fā)出了一些低剪切力的攪拌器，其中以軸向流式翼形攪拌槳為主，它的特點是能耗低，軸向速度大，主體循環(huán)好，剪切作用溫和。開發(fā)非攪