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1、发酵工程基本原理发酵工程基本原理一、培养基灭菌原理一、培养基灭菌原理n对数残留定律对数残留定律 微生物受热死亡的原因，主要是因高温使微生物体内的一些重要的蛋白质，如酶等发生凝固、变性，从而导致微生物无法生存而死亡。微生物受热丧失活力，但是其物理性质不变。在一定温度下，微生物在一定温度下，微生物在一定温度下，微生物在一定温度下，微生物的受热死亡遵照分子反应速率理论。的受热死亡遵照分子反应速率理论。的受热死亡遵照分子反应速率理论。的受热死亡遵照分子反应速率理论。在灭菌过程中，活菌数逐渐减少，其减少量随残留活菌数的减少而递减，即微生物的死亡速率与任一瞬即微生物的死亡速率与任一瞬即微生物的死亡速率与任
2、一瞬即微生物的死亡速率与任一瞬时残存的活菌数成正比，此死亡规律称为对数死亡定律时残存的活菌数成正比，此死亡规律称为对数死亡定律时残存的活菌数成正比，此死亡规律称为对数死亡定律时残存的活菌数成正比，此死亡规律称为对数死亡定律。培养基灭菌动力学培养基灭菌动力学n对数残留定律对数残留定律培养基灭菌动力学培养基灭菌动力学n对上式积分得：上式是计算灭菌的基本公式，灭菌速率常熟K是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据。各种微生物在同样的温度下K值是不同的，K值越小，此微生物越耐热。二、空气除菌二、空气除菌n发酵对空气无菌程度的要求发酵对空气无菌程度的要求n1、连续提供一定流量的压缩空气。VVM的意义是单位
3、时间(min)单位体积(m3)培养基中通入标准状况下空气的体积(m3)，一般为0.2-2.0。n2、空气的压强（表压）为0.2-0.4 MPa。n3、进入过滤器之前，空气的相对湿度60。n4、进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10-30。n5、压缩空气的洁净度，在设计空气过滤器时，一般取失败概率为10-3为指标。介质过滤除菌介质过滤除菌除菌流程除菌流程介质过滤除菌介质过滤除菌除菌流程除菌流程n粗过滤器粗过滤器：安装在空压机的吸入口前，又称前置过滤器。作用是拦截空气中较大的灰尘，同时起到一定的除菌作用，减轻总过滤器的负担。过滤介质采用泡沫塑料和无纺布，设计流速为0.1-0.5m/s。介质过滤除菌
4、介质过滤除菌除菌流程除菌流程n空气压缩机空气压缩机：提供动力，克服随后各设备的阻力。目前常用的空压机有往复式往复式往复式往复式、螺杆式螺杆式螺杆式螺杆式和涡轮式空压机涡轮式空压机涡轮式空压机涡轮式空压机。空压机的选用应根据空气用量，结合本地实际及空压机的特点合理选用。一般不提倡单台空压机。介质过滤除菌介质过滤除菌除菌流程除菌流程n空气储罐空气储罐：作用是消除压缩空气的脉动，这对往复式压缩机尤为重要。储罐的H/D=2-2.5，其容积可按下式估算：介质过滤除菌介质过滤除菌除菌流程除菌流程n冷却器冷却器：空压机出口温度一般在120左右，必须冷却。另外，在潮湿地区和季节空气中含水量高，为了避免过滤介质
5、受潮失效，冷却还可以达到降湿的目的。介质过滤除菌介质过滤除菌除菌流程除菌流程n气液分离设备：气液分离设备：作用是除去空气中的水和油，保护过滤介质。气液分离设备有两类：一是利用离心力沉降的旋风分离器；二是利用惯性拦截的介质分离器，如丝网分离器。介质过滤除菌介质过滤除菌除菌流程除菌流程n空气加热器空气加热器：经过分离器的空气的相对湿度为100%，在进入过滤器之前必须把相对湿度降到60%以下，所以要对空气进行加热。加热设备一般采用列管换热器或套管式加热器。介质过滤除菌介质过滤除菌除菌流程除菌流程n过滤器过滤器:过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入0.2-0.4MPa的蒸汽，灭菌45min左右后，用压
6、缩空气吹干备用，总过滤器约每月灭菌一次。为了使总过滤器不间断地进行工作，一般应有一个备用，以便灭菌时替换使用。三、氧的传递三、氧的传递n培养过程的氧的传递培养过程的氧的传递氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服以下几种阻力：从气相主体到气液界面的气膜传递阻力 1Ka气液界面的传递阻力 1Ki从气液界面通过液膜的传递阻力 1KL液相主体的传递阻力 1KLB细胞或细胞团表面的传递阻力1KLC固液界面的传递阻力1KIS细胞团内的传递阻力1KA细胞壁的阻力1KW反应阻力1KRn对于难溶气体（如氧），气膜传递阻力与液膜传递阻力之比可以忽略不计，即1HkG1/kL，因此kL=KL在单位体积培养液中，氧的传递
7、速率为：OTR单位体积培养液中的氧传递速率mol/m3s氧传递系数的测定氧传递系数的测定n亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法n该法在反应器中加入亚硫酸钠亚硫酸钠溶液，进行通气搅拌，使亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠。由于亚硫酸盐的氧化速率远高于氧的溶解速率亚硫酸盐的氧化速率远高于氧的溶解速率，使使上述反应速度由气液相的氧传递速度控制上述反应速度由气液相的氧传递速度控制。通过用碘量法碘量法测定亚硫酸钠的消耗速率，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求出氧的传递速率V。因为反应进行得很快，液相中氧的浓度为零就可得：计算时，常采用罐压P作为推动力，同时由于溶液中氧的分压为零，上式可写成：V=KGaP四、生物反应器四、生物
8、反应器n机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐n机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。n这种发酵罐既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部，也可置于其底部。四、生物反应器四、生物反应器n机械搅拌发酵罐基本条件机械搅拌发酵罐基本条件（1）发酵罐应具有适宜的高径比。（2）发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必需的溶解氧。（4）发酵罐应具有足够的冷却面积。（5）发酵罐内应尽量减少死角，避免积藏污垢，灭菌能彻底，避免染菌。（6）搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。四、生物反应器四、生物反应器四、生物反应器四、生物反应器n标准通用式发酵罐标准通用式发酵罐n壳体：壳体：提供一个
9、封闭的环境，防止杂菌污染，同时为了高温灭菌，要求罐体设计的使用压力达到0.3MPa以上。n控温部分：控温部分：在发酵罐上装有测温的传感仪及冷却和加热用的夹套或盘管。一般容积在5M3以下的发酵罐采用外加套作为传热装置；容积大于5M3的发酵罐一般采用立式蛇管作为传热装置。四、生物反应器四、生物反应器n标准通用式发酵罐标准通用式发酵罐n搅拌部分：搅拌部分：多采用涡轮搅拌桨，一般在一根轴上安装多个搅拌桨，常用的搅拌桨有平叶式、弯叶式和箭叶式等三种类型。搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。四、生物反应器四、生物反应器n标准通用式发酵罐标准通用式发酵罐n通气部分：通气部分：空气分布器一般采用单孔管，开口往下，可尽量避免固体物料在管口堆积或在罐底沉降。n进出料口：进出料口：主要为进料和出料用，同时还用补料口等。四、生物反应器四、生物反应器n标准通用式发酵罐标准通用式发酵罐n测量系统：测量系统：传感系统，用以测量pH、溶氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。n消泡装置：消泡装置：有耙式消泡器、半封闭式涡轮消泡器、离心式消泡器、碟片式离心消泡器。n附属系统：附属系统：包括视镜、挡板等。五、发酵动力学五、发酵动力学发酵过程反应速度的描述发酵过程反应速度的描述 XS（底物）底物）X（菌体）菌体）P（产物）产物）六、发酵动力学六、发酵动力学n发酵过程的比速率计算发酵过程的比速率计算：