生物反應(yīng)器原理

1、生物反應(yīng)器原理 吳一章 生物反應(yīng)器及其操作特征生物反應(yīng)器Bioreactor是bio與reactor的組合詞，是指有效利用生物反應(yīng)機能的系統(tǒng)或場所。生物反應(yīng)器不僅包括傳統(tǒng)的發(fā)酵罐、酶反應(yīng)器還包括采用固定化技術(shù)后的固定化酶或細(xì)胞反應(yīng)器，動植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器和光合生物反應(yīng)器等。生物反應(yīng)器這一術(shù)語出現(xiàn)的時間并不長，但人們利用生物反應(yīng)器進行有用物質(zhì)的生產(chǎn)卻有著悠久的歷史。古代歐洲用牛胃盛牛奶，牛胃中的活性物質(zhì)把牛奶轉(zhuǎn)化成乳酪。這是傳統(tǒng)的乳酪生產(chǎn)方法，而牛胃便是原始狀態(tài)的生物反應(yīng)器 ?；钚晕镔|(zhì)是凝乳酶，它催化牛奶中的蛋白質(zhì)的限制性水解，促使凝聚為乳酪我國酒類生產(chǎn)開始于商周時期

2、，制酒的密閉容器也是一種早期的反應(yīng)器。20世紀(jì)40年代是生物反應(yīng)器的開發(fā)，研制和應(yīng)用獲得迅速發(fā)展的階段，傳統(tǒng)生物工業(yè)中使用的生物反應(yīng)器稱為“發(fā)酵罐”。20世紀(jì)70年代，Atkinson提出了生化反應(yīng)器(biochemical reactor)一詞，其含義除包括原有的發(fā)酵罐外，還包括酶反應(yīng)器，處理廢水用反應(yīng)器等。同一時期ollis提出了另一術(shù)語生物反應(yīng)器(biological reactor).20世紀(jì)80年代。生物反應(yīng)器（bioreactor)一詞開始在專業(yè)期刊與書籍中大量出現(xiàn)。生物反應(yīng)器是使生物技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品、生產(chǎn)力的關(guān)鍵設(shè)備，其在生物過程中處于中心位置。使用高效率的生物反應(yīng)器 的目的在于提

3、高產(chǎn)品的生成速率，減少有關(guān)輔助設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，獲得盡可能大的經(jīng)濟效益。由于生物反應(yīng)的多樣性，生物反應(yīng)器的型式也是多樣的，但由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，加上外界的影響及相關(guān)理論的不完善。目前生物反應(yīng)器的型式還不能完全適應(yīng)生物反應(yīng)過程多樣性的需要。為了了解生物反應(yīng)器的基本原理，有必要了解：1.生物反應(yīng)體系的流變學(xué)特性，氧傳遞與微生物呼吸，體積溶氧系數(shù)與相關(guān)因素，溶氧方程與溶氧速率的調(diào)節(jié)。2.酶反應(yīng)器及其設(shè)計，機械攪拌式發(fā)酵罐及其設(shè)計，氣升式生化反應(yīng)器設(shè)計，生物廢水處理設(shè)備及動植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器等。3.分批式，流加式，連續(xù)式操作，以及動植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)等。一個新生物反應(yīng)過程的開發(fā)。最初階段是認(rèn)識與發(fā)

4、現(xiàn)新的生物反應(yīng)，然后才進入工程階段，在工程階段中，開發(fā)工作者首先遇到的是生物反應(yīng)器的選型，確定選型后，進入操作條件的選擇和反應(yīng)器的工程設(shè)計。生物反應(yīng)過程與化學(xué)過程的本質(zhì)區(qū)別在于有生化催化劑參與反應(yīng)。本課程，通過生物反應(yīng)過程分析和生物反應(yīng)器的選型與設(shè)計,闡明細(xì)胞反應(yīng)過程的動力學(xué)規(guī)律。同時以基本生物反應(yīng)器為基礎(chǔ)，通過例題,討論了生物反應(yīng)器設(shè)計與分析的基本原理和方法。生物反應(yīng)器開發(fā)的趨勢和未來方向：1.開發(fā)比活力和選擇性高的生物催化劑將繼續(xù)占據(jù)重要地位。2.生物反應(yīng)器的性能常極大的受到熱質(zhì)傳遞能力的限制，必須改進生物反應(yīng)器中熱質(zhì)傳遞方法和設(shè)備。3.生物反應(yīng)器正向大型化和自動化方向發(fā)展。4.一些特殊用

5、途的和具有特殊性能的生物反應(yīng)器得到了較快的應(yīng)用和開發(fā)。例如，動物和植物細(xì)胞反應(yīng)器，固體發(fā)酵反應(yīng)器，邊發(fā)酵邊分離的特殊反應(yīng)器等都得到了不同程度的發(fā)展。5.在降低設(shè)備投資方面，近年來對連續(xù)過程更加重視。6.生物過程中的單元操作是相互聯(lián)系的，上游過程必然影響到下游過程。把生物反應(yīng)器和后面的產(chǎn)物回收過程聯(lián)系起來?？紤]整個過程的合理性才顯得有意義。課程簡介：生物反應(yīng)器的型式生物反應(yīng)器的型式生物反應(yīng)器主要有三種類型：間歇式、半連續(xù)式（流加）、連續(xù)式反應(yīng)器。連續(xù)反應(yīng)器進而又可分為連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）和活塞流反應(yīng)器（PFR).生物催化劑又可分為兩種，一種是酶：包括游離酶和固定化酶；另一種是細(xì)胞包括生長

6、細(xì)胞和非生長細(xì)胞。生物催化劑和生物反應(yīng)器的樹形聯(lián)系工業(yè)上應(yīng)用的固定化酶反應(yīng)器微生物反應(yīng)的特征工業(yè)微生物具有如下特點:1.微生物反應(yīng)是生物化學(xué)反應(yīng),通常在常溫常壓下進行;2.原料多為農(nóng)產(chǎn)品,來源豐富;3.易于生產(chǎn)復(fù)雜的高分子化合物和光學(xué)活性物質(zhì);4.除生產(chǎn)產(chǎn)物外,菌體自身也可是一種產(chǎn)物,如果其富含維生素或蛋白質(zhì)或酶等有用產(chǎn)物時,可用于提取這些物質(zhì);5.通過菌種改良,有可能使統(tǒng)一生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力大大提高.微生物反應(yīng)的5點不足:1.基質(zhì)不可能全部轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物,副產(chǎn)物的產(chǎn)生不可避免.這將給目的產(chǎn)物的提取和精制帶來困難,這正是造成目前發(fā)酵行業(yè)下游操作復(fù)雜的原因.2.微生物反應(yīng)是利用活的生物體進行目的

7、產(chǎn)物生產(chǎn)的反應(yīng),因此,產(chǎn)物的獲得除受環(huán)境因素影響外,也受細(xì)胞內(nèi)因素的影響,并且微生物菌體會發(fā)生遺傳變異,因此,實際控制有一定難度.3.因原料是農(nóng)副產(chǎn)品,所以受價格變動影響大.4.生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作(開發(fā)新菌種,擴大培養(yǎng)等)量大,且花費高.對于好氧反應(yīng),需氧,故增加了生產(chǎn)成本,且氧的利用率不高.5.一般的,廢水需進行處理.微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量與能量衡算微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量衡算微生物反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)別是:微生物反應(yīng)中參與反應(yīng)的培養(yǎng)基成分多,反應(yīng)途徑復(fù)雜.如果將微生物反應(yīng)看成是生成產(chǎn)物的復(fù)合反應(yīng),那么,從概念上講可寫成如下形式:碳源+氮源+氧=菌體+有機產(chǎn)物+CO2+H2O如果碳源由C,H,O組

8、成,氮源為NH3,細(xì)胞的分子式定義為CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,CHmOn+aO2+bNH3cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH2O+fCO2 式中:CHmOn_碳源的元素組成CHxOyNz 細(xì)胞的元素組成CHuOvNw產(chǎn)物的元素組成對元素做元素平衡,得到如下方程:C: 1=c+d+fH: m+3b=xc+ud+2eO: n+2a=yc+vd+e+2fN: b=zc+wd例：葡萄糖為基質(zhì)進行面包發(fā)酵(S.cerevisiae)培養(yǎng),培養(yǎng)的反應(yīng)式可用下式表達,求計量關(guān)系中的系數(shù)a、b、c和d。C6H12O6+3O2+aNH3bC6H10NO3（面包酵母） +cH2O+dC

9、O2解：根據(jù)元素平衡式有： C: 6 = 6b + d H: 12 + 3a = 10b + 2c O: 6 + 23 = 3b + c + 2d N: a = b 以上方程聯(lián)立求解，得 a = b = 0.48 c = 4.32 d = 3.12所以上述反應(yīng)的計量關(guān)系式為C6H12O6+3O2+0.48NH30.48C6H10NO3+4.32H2O +3.12CO2 配平微生物反應(yīng)方程式時，一部分系數(shù)是由實驗測得的，另一部分系數(shù)需計算獲得。一般基質(zhì)和產(chǎn)物的分子式是已知的。微生物細(xì)胞的元素組成可通過元素分析方法測定。另外，通過測定O2的生成速率來確定好氧培養(yǎng)中評價微生物生物代謝機能的重要指標(biāo)之

10、一的呼吸商（respiratory quotient, RQ），其定義式為 CO2生成速率 RQ = O2消耗速率乙醇為基質(zhì)，好氧培養(yǎng)酵母，反應(yīng)方程式為C2H5OH+aO2+bNH3cCH1.75N0.15O0.5+eH2O +dCO2 呼吸商RQ=0.6。求各系數(shù)a,b,c,d,ea=2.394b=0.085c=0.564d=1.436e=2.634 葡萄糖為碳源，氨氣為氮源進行酵母的厭氧培養(yǎng)。培養(yǎng)中分析結(jié)果表明，消耗100摩爾葡萄糖和12摩爾氨氣生成了57摩爾的菌體，43摩爾甘油，130摩爾乙醇，154摩爾二氧化碳和3.6摩爾水，求酵母的經(jīng)驗分子式。 CH1.84N0.21O0.52葡萄糖

11、中有2/3的碳源轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳。求各系數(shù)a,b,c,d,e反應(yīng)式為：C6H12O6 + aO2 +bNH3 c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2結(jié)果：則計算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .微生物反應(yīng)過程的得率系數(shù)得率系數(shù)是對碳源等物質(zhì)生成細(xì)胞或其它產(chǎn)物的潛力進行定量評價的重要參數(shù).消耗1克基質(zhì)生成細(xì)胞的克數(shù)稱為細(xì)胞得率或生長得率YX/S.其定義式為 YX/S =生成細(xì)胞的質(zhì)量/消耗基質(zhì)的質(zhì)量=X/-S細(xì)胞得率的單位是(細(xì)胞/基質(zhì))g/g或g/mol. 同一菌種,同一培養(yǎng)基,好氧培養(yǎng)的YX/S比厭氧培養(yǎng)大得多.另外同一菌種

12、在基本,合成,復(fù)合培養(yǎng)基中的培養(yǎng)所得的YX/S的大小順序為復(fù)合培養(yǎng)基,合成培養(yǎng)基,基本培養(yǎng)基.幾種微生物細(xì)胞的菌體得率例題葡萄糖中有2/3的碳源轉(zhuǎn)化為細(xì)胞中的碳。求各系數(shù)a,b,c,d,e及YX/S 和YX/O反應(yīng)式為：C6H12O6 + aO2 +bNH3 c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2YX/S =83.1/180=0.46( g/g)YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)作業(yè) ：微生物反應(yīng)動力學(xué)描述微生物動力學(xué)的方法不是指生物分離成為不連續(xù)的單個生物,而是指群體的存在.一般的,微生物在一定場所中存在的形式是大量聚集.一般可將微生

13、物群體變化過程分為生長,繁殖,維持,死亡,溶胞,能動性,形態(tài)變化及物理群體變化等過程.生長速率 一般的說,菌體的量是指微生物菌體的干重.深層培養(yǎng)中微生物菌體的生長速率常以單位容積計,是單位體積,單位時間里生長的菌體量.在表面上生長的菌體,其生長速度以單位表面積計.微生物細(xì)胞的生長速率rx的定義式為:rx =dx/dt=X式中X微生物的濃度為微生物的比生長速率,其除受細(xì)胞自身遺傳信息支配外,還受環(huán)境因素所影響.與倍增時間(doubling time) td的關(guān)系為（rx =dx/dt=X，積分）= ln2/ td =0.693/ td生長的非結(jié)構(gòu)模型自20世紀(jì)40年代至今,微生物生理學(xué)學(xué)者和生物

14、化學(xué)工程學(xué)的工程師提出了許多關(guān)于微生物生長動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型.這些生長模型可分類為:(1)確定論的非結(jié)構(gòu)模型,是一種理想狀況,不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu),每個細(xì)胞之間無差別.(2)確定論的結(jié)構(gòu)模型,每個細(xì)胞無差別,細(xì)胞內(nèi)部有多個組分存在.(3)概率論的非結(jié)構(gòu)模型,不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu),每個細(xì)胞之間有差別.(4)概率論的結(jié)構(gòu)模型, 細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)有差別,每個細(xì)胞之間有差別.一般人們提到微生物生長動力學(xué)模型指的是確定論模型.在確定論模型基礎(chǔ)上,不考慮細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu),即認(rèn)為細(xì)胞為單一組分時,在這種理想狀況下建立起的動力學(xué)模型稱為非結(jié)構(gòu)模型.從工程角度看,理想的微生物生長模型應(yīng)具備下列4個條件:(1)要明確建立模型的

15、目的.使用模型的目的,與其說是對微生物生長繁殖的復(fù)雜現(xiàn)象有統(tǒng)一深刻的認(rèn)識,不如說是為了進行微生物反應(yīng)器的設(shè)計,找到最佳的操作條件和確定出反應(yīng)過程的合理管理方法.(2)明確的給出建立模型的假定條件,這樣才能明確模型的適用范圍.(3)希望所含有的參數(shù),能夠通過試驗逐個確定.(4)模型應(yīng)盡可能簡單.目前,常使用的確定論的非結(jié)構(gòu)模型是Monod方程:基質(zhì)消耗動力學(xué)代謝產(chǎn)物的生成動力學(xué)微生物反應(yīng)器操作微生物培養(yǎng)過程根據(jù)是否要求供氧，分為厭氧和好氧培養(yǎng)。前者主要采用不通氧的深層培養(yǎng)；后者可采用以下幾種方法：（1）液體表面培養(yǎng)（如使用淺盤）（2）通氧固態(tài)發(fā)酵（3）通氧深層培養(yǎng)就操作方式而言，深層培養(yǎng)可分為：

16、（1）分批式操作（2）半分批式操作 （3）連續(xù)式操作 分批式操作 分批培養(yǎng)（分批培養(yǎng)（batch culture） ：將微生物置于一定容積：將微生物置于一定容積的定量的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，培養(yǎng)基一次性加入。不再補的定量的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，培養(yǎng)基一次性加入。不再補充和更換，最后一次性收獲。充和更換，最后一次性收獲。生長曲線：A延遲期：延遲期是細(xì)胞在新的環(huán)境中表現(xiàn)出來的一個適應(yīng)階段。如果新環(huán)境中存在某種老環(huán)境中沒有的營養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)胞須合成有關(guān)酶來利用該營養(yǎng)物質(zhì)，從而出現(xiàn)延遲期。許多胞內(nèi)酶需要輔酶活化劑，他們是一些小分子物質(zhì)或離子，具有較大的通過細(xì)胞膜的能力。當(dāng)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到新環(huán)境中，這些物質(zhì)可因擴散作用而從細(xì)胞中

17、向外流失。延遲期的長短與種子的種齡及接種量的大小有關(guān)。年輕的種子產(chǎn)生的延遲期較短，而種齡較老的種子需要較長的延遲期。B指數(shù)生長期在這一階段中，由于培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)比較充足，有害代謝物很少。所以，細(xì)胞的生長相對不受到限制，細(xì)胞濃度隨培養(yǎng)時間指數(shù)增長，稱為指數(shù)生長期，也稱為對數(shù)期。C減速期隨著細(xì)胞的大量繁殖，培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)迅速消耗，加之有害代謝物的積累，細(xì)胞的生長速率逐漸下降，進入減速期。D 靜止期因營養(yǎng)物質(zhì)耗盡或有害物質(zhì)的大量積累，使細(xì)胞濃度不再增大，這一階段為靜止期，細(xì)胞的濃度達到最大值。E：衰亡期由于環(huán)境惡化，細(xì)胞開始死亡，活細(xì)胞濃度不斷下降，這一階段為衰亡期。有關(guān)衰亡期的研究不多，因

18、多數(shù)分批培養(yǎng)在衰亡期前結(jié)束。連續(xù)培養(yǎng)在培養(yǎng)過程中，不斷向反應(yīng)器流加培養(yǎng)基，同時以相同流量從反應(yīng)器中取出培養(yǎng)液，這種操作方式就是連續(xù)培養(yǎng)。連續(xù)培養(yǎng)使用的反應(yīng)器可以是攪拌罐反應(yīng)器，也可以是管式反應(yīng)器。原理：當(dāng)微生物在分批培養(yǎng)方式下生長達到對數(shù)原理：當(dāng)微生物在分批培養(yǎng)方式下生長達到對數(shù)期后期時，一方面以一定的速度流進新鮮培養(yǎng)期后期時，一方面以一定的速度流進新鮮培養(yǎng)基并攪拌，另一方面以溢流方式流出培養(yǎng)液，基并攪拌，另一方面以溢流方式流出培養(yǎng)液，使培養(yǎng)物達到動態(tài)平衡，其中的微生物就能長使培養(yǎng)物達到動態(tài)平衡，其中的微生物就能長期保持對數(shù)期的平衡生長狀態(tài)和穩(wěn)定的生長速期保持對數(shù)期的平衡生長狀態(tài)和穩(wěn)定的生長速

19、率。率。恒化培養(yǎng)：以恒定流速使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)濃度恒定而恒化培養(yǎng)：以恒定流速使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)濃度恒定而保持細(xì)菌生長速率恒定的方法。保持細(xì)菌生長速率恒定的方法。 原理：通過控制某一種營養(yǎng)物濃度（如碳、氮原理：通過控制某一種營養(yǎng)物濃度（如碳、氮源、生長因子等）源、生長因子等） ，使其始終成為生長限制，使其始終成為生長限制因子，而達到控制培養(yǎng)液流速保持不變。因子，而達到控制培養(yǎng)液流速保持不變。恒濁培養(yǎng)：通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)基流速，使培養(yǎng)液濁度恒濁培養(yǎng)：通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)基流速，使培養(yǎng)液濁度保持恒定的連續(xù)培養(yǎng)方法。保持恒定的連續(xù)培養(yǎng)方法。原理：通過調(diào)節(jié)新鮮培養(yǎng)基流入的速度和培養(yǎng)物原理：通過調(diào)節(jié)新鮮培養(yǎng)基流入的速度和培養(yǎng)物流出的速

20、度來維持菌濃度不變流出的速度來維持菌濃度不變,即濁度不變。即濁度不變。當(dāng)濁度高時，使新鮮培養(yǎng)基的流速加快，濁度當(dāng)濁度高時，使新鮮培養(yǎng)基的流速加快，濁度降低，則減慢培養(yǎng)基的流速降低，則減慢培養(yǎng)基的流速連續(xù)連續(xù)培養(yǎng)培養(yǎng)器器按控制方式分按控制方式分按培養(yǎng)器的級數(shù)分按培養(yǎng)器的級數(shù)分按細(xì)胞狀態(tài)分按細(xì)胞狀態(tài)分按用途分按用途分內(nèi)控制（控制菌體密度）：恒濁器內(nèi)控制（控制菌體密度）：恒濁器外控制（控制培養(yǎng)液流速、以控制外控制（控制培養(yǎng)液流速、以控制生長速率）：恒化器生長速率）：恒化器單級連續(xù)培養(yǎng)器單級連續(xù)培養(yǎng)器多級連續(xù)培養(yǎng)器多級連續(xù)培養(yǎng)器一般連續(xù)培養(yǎng)器一般連續(xù)培養(yǎng)器固定化細(xì)胞連續(xù)培養(yǎng)器固定化細(xì)胞連續(xù)培養(yǎng)器實驗室

21、科研用：連續(xù)培養(yǎng)器實驗室科研用：連續(xù)培養(yǎng)器發(fā)酵生產(chǎn)用：連續(xù)發(fā)酵罐發(fā)酵生產(chǎn)用：連續(xù)發(fā)酵罐流加操作補料分批培養(yǎng)法就是指在培養(yǎng)過程中不斷向反應(yīng)器內(nèi)加入培養(yǎng)基，但不同時取出培養(yǎng)液的培養(yǎng)方法，它是一種介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的培養(yǎng)方法，有時也稱為半分批培養(yǎng)法。透析培養(yǎng)在培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)液里積累的細(xì)胞代謝產(chǎn)物有時對細(xì)胞的生長有抑制作用，影響產(chǎn)物的生產(chǎn)。這時可以利用透析膜分離這類代謝產(chǎn)物，提高產(chǎn)物的生產(chǎn)率。不同操作方法的優(yōu)缺點：氧的供需細(xì)胞對氧的需求：培養(yǎng)過程中的氧傳遞當(dāng)氧傳遞達到穩(wěn)定時，總的傳遞速率與串聯(lián)的各步傳遞速率相等，這時通過單位面積的傳遞速率.影響氧的飽和濃度的主要因素有：1、溫度 溫度越高，C

22、越低2、溶液的性質(zhì) 一般，溶質(zhì)含量越高，氧的溶解度就 越小3、氧分壓氧在溶液中的溶解度與氧的分壓成直線系即亨利定律二、影響微生物需氧量的因素1、微生物種類、生長階段和菌體濃度 一般說，菌體處于對數(shù)生長階段的Q2較高，生長階段的耗氧率生長大于合成階段的耗氧率合成，所以可認(rèn)為培養(yǎng)液的耗氧率達到最高時，菌體濃度達到了最大值2、培養(yǎng)基的組成 一般，在一定碳源濃度范圍內(nèi)，需氧量隨碳源濃度的增加而增加。另外，培養(yǎng)液中溶質(zhì)濃度影響氧的溶解度，從而影響菌體的耗氧能力。 3、培養(yǎng)液中溶解氧濃度的影響 發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解氧濃度若高于菌體的長臨時，菌體的呼吸不受影響，菌體的各種代謝活動不受干擾(微生物生長階

23、段的呼吸臨界氧濃度分別以長臨表示） 若小于長臨，菌體的各種生化代謝就受到影響，嚴(yán)重時會產(chǎn)生不可逆的抑制菌體生長和產(chǎn)物合成的現(xiàn)象4、培養(yǎng)條件 培養(yǎng)條件如 PH 、溫度等影響微生物需氧量。 PH影響代謝，代謝最旺盛或合成最旺盛時Q升高，另外在一定的溫度范圍內(nèi)溫度升高則Q 的值增大5、的影響 CO在水中的溶解度是相同條件下O的30倍，當(dāng)CO濃度較高時，溶在培養(yǎng)液中影響菌體的呼吸，進而影響菌體的代謝活動。因此，要保證菌體的正常代謝需及時除去CO2KL的測定的測定一、亞硫酸鹽氧化法 此法是利用亞硫酸根在銅或鎂離子作為接觸劑時被氧迅速氧化的特性來估計發(fā)酵設(shè)備中的通氣效率。 反應(yīng)式如下：剩余的Na2SO3與

24、過量的碘作用：再用標(biāo)定的Na2S2O3滴定剩余的碘： （藍(lán)色） （無色）4CuSO232242Na SO +O2Na SO 2H O23224Na SO +INa SO +2HI 2232246Na S O +INa S O +2NaI二、極譜法 發(fā)酵液中的溶解氧可用極譜儀來測定，其原理是當(dāng)電解電壓為0.61.0 V時，擴散電流的大小隨液體中溶解氧的濃度而成正比變化。三、溶氧電極法 溶氧電極可以看做是一種電解池，它有 兩只具有不同電性的電極，一只是銀絲做成的陰極，另一只是鋁皮卷成的陽極。復(fù)膜氧電極示意圖影響傳氧速率的因素一、攪拌一、攪拌好氣性發(fā)酵罐通常都設(shè)有通風(fēng)與攪拌裝置。通風(fēng)是為了供給需氧或

25、兼性需氧微生物適量的空氣，以滿足菌體生長繁殖和積累代謝產(chǎn)物所需要的氧。攪拌的作用則是把氣泡打碎，強化流體的湍流程度，使空氣與發(fā)酵液充分混合，氣、液、固三相更好地接觸，一方面增加溶氧速率，另一方面使微生物懸浮液混合一致，促進代謝所需的傳質(zhì)速率。 (一)攪拌提高溶氧系數(shù)的機制 利用機械攪拌來提高溶氧系數(shù)是行之有效而普遍采用的方法，這是因為攪拌可以從下列幾個方面改善溶氧效果： (1)攪拌能把大的空氣氣泡打成微小氣泡，增加了接觸面積，而且小氣泡的上升速度要比大氣泡慢，因此接觸時間也增長。 (2)攪拌使液體作渦流運動，使氣泡不是直線上升而是作螺旋運動上升，延長了氣泡的運動路線，即增加了氣液的接觸時間。

26、(3)攪拌使發(fā)酵液運動加強，從而減少了氣泡周圍液膜的厚度，進而減少了液膜阻力，因而增大了KL值。(4)攪拌使菌體分散，避免結(jié)團，有利于增加固-液傳遞中的接觸面積，使推動力均 一。同時，也減少了菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞。 二、空氣流速二、空氣流速通氣效率或kL是隨著空氣量的增多而增大的。 三、空氣分布管三、空氣分布管空氣分布管的形式、噴口直徑及管口與罐底距離的相對位置都對氧溶解速率有較大的影響。 噴口直徑越小，氣泡的直徑也越小，溶氧系數(shù)就越大。四、氧分壓 適當(dāng)提高空氣壓力（即提高罐壓）對提高通風(fēng)效果是有好處的。但過分增加罐中空氣壓力是不值得提倡的:(1)罐壓增大，空氣壓力增大，整個設(shè)備

27、耐壓性要提高，從而大大增加設(shè)備投資費用。(2)氧的分壓過高也會影響菌的生理代謝，氧分壓過高會造成微生物暫時的中毒現(xiàn)象。五、罐內(nèi)醪液高度 在不增加功率消耗和空氣流量不變時，增加發(fā)酵液體積會使通風(fēng)效率降低，特別是在通風(fēng)量較小時比較顯著。但是在空氣流量和單位發(fā)酵液體積消耗功率不變時，通風(fēng)效率隨發(fā)酵罐的高徑比H/D的增大而增加。六、罐容六、罐容通常大體積發(fā)酵罐的氧利用率高，體積小的氧利用率差。在幾何形狀相似的條件下，發(fā)酵罐體積大的氧利用率可達7 %10 %，體積小的氧利用率只有3 % 5 %。發(fā)酵罐大小不同，所需攪拌轉(zhuǎn)數(shù)和通風(fēng)量不同，大罐的轉(zhuǎn)數(shù)低些，通風(fēng)量較小些。 七、醪液性質(zhì)七、醪液性質(zhì)發(fā)酵過程中，

28、由于微生物的生命活動，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)及大量繁殖菌體、積累代謝產(chǎn)物等，都能引起培養(yǎng)液的物理性質(zhì)的改變，特別是黏度、表面張力、離子強度等，從而影響氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性和氧的傳遞速率。 通常當(dāng)發(fā)酵液濃度增大、黏度增大時，kL值降低。 發(fā)酵過程中由于泡沫大量形成，菌體與泡沫形成穩(wěn)定的乳濁液，也影響氧的傳遞，這種情況下加入適量的消泡劑，消除泡沫,對氧的溶解有利。八、有機物質(zhì)和表面活化劑八、有機物質(zhì)和表面活化劑 某些有機物質(zhì)如蛋白胨能降低kL值，但某些少量的醇、酮和酯反而會使kL值提高.同樣，加入表面活化劑也有這種情況。當(dāng)加入少量洗滌劑時會使kL值降低，當(dāng)加到一定量時kL值反而增高。（三）發(fā)

29、酵過程中供氧和需氧的異（三）發(fā)酵過程中供氧和需氧的異常變化常變化引起溶氧異常下降，可能有下列幾種原因：污染好氣性雜菌，大量的溶氧被消耗。菌體代謝發(fā)生異常現(xiàn)象，需氧要求增加，使溶氧下降。某些設(shè)備或工藝控制發(fā)生故障或變化，也可能引起溶氧下降.引起溶氧異常升高的原因:菌體代謝出現(xiàn)異常耗氧能力下降，使溶氧上升。污染烈性噬菌體. 溶氧濃度的測定和控制 （一）（一） 溶氧濃度的測定溶氧濃度的測定為了掌握發(fā)酵液中的通氣情況，需要對發(fā)酵液中溶氧進行測定。生產(chǎn)上所測得的溶氧濃度是發(fā)酵液中發(fā)酵前的溶氧濃度減去發(fā)酵接種后微生物已消耗的溶解氧，是發(fā)酵時微生物菌體對發(fā)酵液利用后的剩余量。生產(chǎn)上測定溶氧濃度最常用的方法是

30、復(fù)膜氧電極法。（二）溶氧濃度的控制（二）溶氧濃度的控制發(fā)酵液的溶氧濃度，是由供氧和需氧兩方面所決定的。也就是說，當(dāng)發(fā)酵的供氧量大于需氧量，溶氧濃度就上升，直到飽和；反之就下降，因此要控制好發(fā)酵液中的溶氧濃度，需從這兩方面著手。 在供氧方面，主要是設(shè)法提高氧傳遞的推動力和液相體積氧傳遞系數(shù)KLa值。在需氧方面我們已知，發(fā)酵液的需氧量，受菌體濃度、基質(zhì)的種類和濃度以及培養(yǎng)條件等因素的影響。其中以菌濃的影響最為明顯。控制菌體的濃度可以通過控制培養(yǎng)基濃度和接種量來實現(xiàn)培養(yǎng)裝置一個優(yōu)良的培養(yǎng)（發(fā)酵）裝置應(yīng)具有嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)良好的液體混合性能，較高的傳質(zhì)、傳熱速率同時還要具有配套而又可靠的檢測及控制儀表。判斷

31、培養(yǎng)裝置好壞的唯一方法應(yīng)該是裝置能否適合工藝要求，以獲得最大的生產(chǎn)效率。發(fā)酵罐：進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備統(tǒng)稱為發(fā)酵罐。按照能量輸入的方式，發(fā)酵罐可以分為三類：1）內(nèi)部機械攪拌式發(fā)酵罐3）空氣噴射提升式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐發(fā)酵罐的基本要求發(fā)酵罐的基本要求1. 發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。徑高比越懸殊，氧的利用率較高，發(fā)酵效率越高。2. 因用到高壓蒸汽滅菌，發(fā)酵罐應(yīng)有一定的耐壓能力。3. 合理的通風(fēng)設(shè)計，保證發(fā)酵液必須的溶解氧。 4. 發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積，保證制冷效果。5. 發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，保證滅菌能徹底。6. 攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，防止泄漏，避免染菌 攪拌器 攪拌器的主要作用是混合和傳

32、質(zhì)，即使通入的空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合，氣泡細(xì)碎以增大氣-液界面，獲得所需要的溶氧速率，并使生物細(xì)胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當(dāng)?shù)臍?液-固（細(xì)胞）三相的混合與質(zhì)量傳遞，同時強化傳熱過程。攪拌器的設(shè)計應(yīng)使發(fā)酵液有足夠的徑向流動和適度的軸向運動。攪拌葉輪大多采用蝸輪式攪拌器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、傳遞能量高、溶氧速率 高等不足：軸向混合較差，且其攪拌強度隨著 葉輪與攪拌軸距離增大而減弱故當(dāng)培養(yǎng)液較黏稠時則攪拌與混合效果大大下降常用的有平葉式圓盤蝸輪攪拌器、彎葉式圓盤蝸輪攪拌器和箭葉式圓盤蝸輪攪拌器，葉片數(shù)量一般為6個。從攪拌程度來說，以平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。

33、為了強化軸向混合，可采用蝸輪式和推進式葉輪共用的攪拌系統(tǒng)。推進式攪拌器，也稱螺旋槳式攪拌器。將罐內(nèi)液體向前或向后推進，使流體形成螺旋狀運動的圓柱流，混合效果較好，對液體的切剪作用較小。廣泛應(yīng)用于液-液混合，液-固混合的設(shè)備中。推進式攪拌器推進式攪拌器攪拌流型軸向流型攪拌器（Lightnin式攪拌器）。能使全罐達到良好的循環(huán)狀態(tài)?？朔藦较蛐蜏u輪攪拌器兩個區(qū)域間混合不均勻的缺點。軸向流型攪拌器發(fā)酵罐攪拌液體流型（三）固體發(fā)酵罐（三）固體發(fā)酵罐固體發(fā)酵罐分為轉(zhuǎn)筒式、轉(zhuǎn)軸式以及立式多層固體發(fā)酵罐。采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼罐體，無死角，容易清洗，耐腐蝕，使用壽命長。攪拌方式獨特，機械傳動效率高、功率消耗少。其主

34、要特點為：1.占地面積小，物料能在罐內(nèi)蒸煮、滅菌、降溫、罐內(nèi)接種、罐內(nèi)噴淋加濕、自動翻料等，可進行通氣操作。2.廣泛應(yīng)用于菌體蛋白、散曲、纖維素酶、淀粉酶、生物肥料以及生物飼料等許多方面。3.能進行固體發(fā)酵以及固體與液體混合的發(fā)酵。動植物細(xì)胞培養(yǎng)裝置 隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展,動植物細(xì)胞的培養(yǎng)逐漸從實驗室規(guī)模過渡到生產(chǎn)規(guī)模的生物反應(yīng)器中進行.動植物細(xì)胞培養(yǎng): 是指動物或植物細(xì)胞在體外條件下進行培養(yǎng)繁殖,此時細(xì)胞雖然生長和增多,但不再形成組織.動物細(xì)胞培養(yǎng)特點:1.無細(xì)胞壁,須附著生長,故須”貼壁培養(yǎng)”2.對培養(yǎng)基要求高,通常為含血清培養(yǎng),成本高3.細(xì)胞對溫度,pH,溶氧濃度等敏感,要求控制嚴(yán)格.

35、4.對剪切力敏感,強烈的機械攪拌和通氣鼓泡可損傷細(xì)胞.5.動物細(xì)胞生長緩慢,且在高密度下才能得到一定濃度的產(chǎn)物.6.培養(yǎng)周期長,易染菌.動物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù):指人工條件下,高密度大量培養(yǎng)有用動物細(xì)胞生產(chǎn)珍貴藥品的技術(shù).培養(yǎng)技術(shù):1.細(xì)胞懸浮培養(yǎng)法細(xì)胞在培養(yǎng)液中呈懸浮狀態(tài)生長繁殖的培養(yǎng)方法.2.固定化培養(yǎng)方法:將細(xì)胞限制或定位于特定空間位置的培養(yǎng)技術(shù)稱為細(xì)胞固定化培養(yǎng)法.3.微載體培養(yǎng)法將細(xì)胞吸附于微載體表面,在培養(yǎng)液中進行懸浮培養(yǎng),使細(xì)胞在微載體表面長成單層的培養(yǎng)方法稱為微載體培養(yǎng)法或微珠培養(yǎng)法.動物細(xì)胞工程的應(yīng)用:(一)動物細(xì)胞工程工業(yè)具有特殊功能的蛋白質(zhì)類物質(zhì)免疫球蛋白,口蹄疫苗,及-干

36、擾素(二) 動物細(xì)胞與畜牧業(yè)人工采集精卵,人工授精,體外受精,胚胎移植與保存,性別鑒定與控制,以及細(xì)胞雜交.(三)動物細(xì)胞工程的其它應(yīng)用計劃生育,細(xì)胞工程植物細(xì)胞培養(yǎng)植物細(xì)胞工程:根據(jù)生物學(xué)原理及工程學(xué)原理,定向改變細(xì)胞遺傳性,利用植物細(xì)胞為人類生產(chǎn)名貴藥品及提供服務(wù)的技術(shù).植物細(xì)胞培養(yǎng)特點:1.植物細(xì)胞較微生物細(xì)胞大得多,有纖維素細(xì)胞壁,細(xì)胞耐拉不耐扭,抵抗剪切力差2.培養(yǎng)過程生長緩慢,易受微生物污染,需用抗生素3.細(xì)胞生長的中期及對數(shù)生長期,易凝聚為團塊,懸浮培養(yǎng)困難.4.培養(yǎng)時需供氧,培養(yǎng)液粘度大,不能耐受強力通風(fēng)攪拌5.培養(yǎng)細(xì)胞產(chǎn)物滯留于細(xì)胞內(nèi),且產(chǎn)量較低.植物細(xì)胞工程的應(yīng)用:(一)植

37、物細(xì)胞工程工業(yè)1)植物細(xì)胞生長植物細(xì)胞工業(yè)規(guī)模的培養(yǎng)首先是細(xì)胞生長量的增長,細(xì)胞即為重要產(chǎn)品之一人參細(xì)胞2)初級及次級代謝產(chǎn)物色素,維生素,植物殺蟲劑,生長激素3)生物轉(zhuǎn)化利用植物培養(yǎng)細(xì)胞為酶原使某種前體化合物生成相應(yīng)產(chǎn)物的技術(shù)稱為生物轉(zhuǎn)化.(二)植物細(xì)胞工程與中草藥許多名貴藥材,如天麻,人參,罌粟及大麻等均采用人工栽培. 滅 菌sterilization 滅菌:采用化學(xué)或物理的方法殺滅或去除物料及設(shè)備中一切有生命機體的過程如果發(fā)酵過程中受到雜菌污染，會產(chǎn)生各種不良后果，具體包括：1雜菌將會和生產(chǎn)菌競爭營養(yǎng)物質(zhì)，造成原料的損失和產(chǎn)量的下降；2雜菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物會增加產(chǎn)物的種類，增加分離的難度，

38、降低得率或使產(chǎn)品質(zhì)量下降；3雜菌的大量繁殖往往會改變發(fā)酵液的性質(zhì)，如pH等發(fā)酵參數(shù)，從而抑制生產(chǎn)菌的生長和產(chǎn)物的形成； 4有的雜菌生長繁殖不消耗基質(zhì)，而是直接利用目的產(chǎn)物，使發(fā)酵生產(chǎn)不能正常進行；5若發(fā)生噬菌體污染，生產(chǎn)菌細(xì)胞受到破壞，嚴(yán)重的會使培養(yǎng)過程徹底失敗導(dǎo)致“倒罐”，浪費大量原材料，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，而且會擾亂生產(chǎn)秩序，破壞生產(chǎn)計劃。一、化學(xué)滅菌化學(xué)滅菌是用化學(xué)藥品直接作用于微生物而將其殺死的方法。 1. 酒精溶液2. 甲醛3. 漂白粉4. 高錳酸鉀5. 過氧乙酸6. 新潔爾滅7. 抗生素二、射線滅菌射線滅菌是利用紫外線、高能電磁波或放射性物質(zhì)產(chǎn)生的射線進行滅菌的方法。 三、干熱滅菌

39、 最簡單的干熱滅菌方法是將金屬或其它耐熱材料在火焰上灼燒，稱為灼燒滅菌法。滅菌迅速徹底，但使用范圍有限，多在接種操作時使用，只能用于接種針、接種環(huán)等少數(shù)對象的滅菌。實驗室常用的干熱滅菌方法是干熱空氣滅菌法，采用電熱干燥箱作為干熱滅菌器。主要用于玻璃器皿、金屬器材和其它耐高溫物品的滅菌。四、濕熱滅菌常用于培養(yǎng)基、發(fā)酵設(shè)備、附屬設(shè)備、管道和實驗器材的滅菌。濕熱滅菌是利用飽和蒸汽進行滅菌。蒸汽冷凝時釋放大量潛熱，并具有強大的穿透力，在高溫和水存在時，微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、酶和核酸分子內(nèi)部的化學(xué)鍵和氫鍵受到破壞，致使微生物在短時間內(nèi)死亡。 五、過濾除菌：利用過濾的方法阻留微生物，達到除菌的目的。本方法

40、只適用于澄清流體的除菌。工業(yè)上利用過濾方法大量制備無菌空氣.在產(chǎn)品提取過程中，也可以利用無菌過濾的方法處理料液，以獲得無菌產(chǎn)品。 幾種滅菌方法的特點及適用范圍 滅菌方法特點適用范圍化學(xué)滅菌法使用范圍較廣，可以用于無法用加熱方法進行滅菌的物品常用于環(huán)境空氣的滅菌及一些物品表面的滅菌射線滅菌法使用方便，但穿透力較差，適用范圍有限一般只適用于無菌室、無菌箱、搖瓶間和器具表面的滅菌濕熱滅菌法蒸汽來源容易、潛力大、穿透力強、滅菌效果好、操作費用低，具有經(jīng)濟和快速的特點廣泛用于生產(chǎn)設(shè)備及培養(yǎng)基的滅菌過濾除菌法不改變物性而達到滅菌的目的，設(shè)備要求高常用于生產(chǎn)中空氣的凈化除菌，少數(shù)用于容易被熱破壞培養(yǎng)基的滅菌

41、培養(yǎng)基與發(fā)酵設(shè)備的滅菌培養(yǎng)基與發(fā)酵設(shè)備的滅菌（一）（一） 培養(yǎng)基的滅菌方法培養(yǎng)基的滅菌方法 工業(yè)化生產(chǎn)中培養(yǎng)基的滅菌采用濕熱滅菌的方式，主要有兩種方法：分批滅菌和連續(xù)滅菌。1. 分批滅菌分批滅菌又稱為間歇滅菌，就是將配制好的培養(yǎng)基全部輸入到發(fā)酵罐內(nèi)或其它裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備加熱至滅菌溫度后維持一定時間，再冷卻到接種溫度，這一工藝過程也稱為實罐滅菌。分批滅菌過程包括升溫、保溫和冷卻等3個階段。 00408012016020024050100150加熱保溫冷卻時間/min溫度/培養(yǎng)基分批滅菌過程中溫度變化情況 分批滅菌的進汽排汽及冷卻水管路系統(tǒng)接種管出氣管排 汽排 氣消 沫 劑 管排

42、汽進料管排 汽進 汽 （ 預(yù) 熱 ）冷 卻 水 出 口進 汽 取樣管排料管進 汽 冷卻水進口冷凝水進 汽進 氣 管2. 連續(xù)滅菌圖連續(xù)滅菌時，培養(yǎng)基可在短時間內(nèi)加熱到保溫溫度，并且能很快地被冷卻，保溫時間很短，有利于減少培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的破壞。 連續(xù)滅菌是將培養(yǎng)基通過專門設(shè)計的滅菌器，進行連續(xù)流動滅菌后，進入預(yù)先滅過菌的發(fā)酵罐中的滅菌方式，也稱之為連消。 培養(yǎng)基連續(xù)滅菌的基本流程蒸 汽蒸 汽配 料 罐泵 加 熱 塔維 持 罐冷 卻 管冷 卻 水無 菌 培 養(yǎng) 基間歇滅菌與連續(xù)滅菌的比較連續(xù)滅菌 :優(yōu)點:滅菌溫度高，可減少培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的損失操作條件恒定，滅菌質(zhì)量穩(wěn)定易于實現(xiàn)管道化和自控操作避

43、免反復(fù)的加熱和冷卻，提高了熱的利用率發(fā)酵設(shè)備利用率高 缺點:對設(shè)備的要求高，需另外設(shè)置加熱、冷卻裝置操作較復(fù)雜染菌的機會較多不適合于含大量固體物料的滅菌對蒸汽的要求較高 間歇滅菌 :優(yōu)點:設(shè)備要求較低，不需另外設(shè)置加熱、冷卻裝置操作要求低，適于手動操作適合于小批量生產(chǎn)規(guī)模適合于含有大量固體物質(zhì)的培養(yǎng)基的滅菌 缺點:培養(yǎng)基的營養(yǎng)物質(zhì)損失較多，滅菌后培養(yǎng)基的質(zhì)量下降需進行反復(fù)的加熱和冷卻，能耗較高不適合于大規(guī)模生產(chǎn)過程的滅菌發(fā)酵罐的利用率較低 影響培養(yǎng)基滅菌的因素 1. 培養(yǎng)基成分2. 培養(yǎng)基成分的顆粒度3. 培養(yǎng)基的pH4. 微生物細(xì)胞含水量5. 微生物性質(zhì)與數(shù)量6. 冷空氣排除情況7. 泡沫8

44、.攪拌1. 培養(yǎng)基成分培養(yǎng)基中的油脂、糖類和蛋白質(zhì)會增加微生物的耐熱性，使微生物的受熱死亡速率變慢，這主要是因為有機物質(zhì)會在微生物細(xì)胞外形成一層薄膜，影響熱的傳遞，所以滅菌溫度就應(yīng)提高或延長滅菌時間。例如，大腸桿菌在水中加熱至6065 便死亡；在10%糖液中，需70 加熱46 min；在30%糖液中，需70 加熱30 min。但滅菌時，對滅菌效果和營養(yǎng)成分的保持都應(yīng)兼顧，既要使培養(yǎng)基徹底滅菌又要盡可能減少對培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞。相反培養(yǎng)基中高濃度的鹽類、色素會減弱微生物細(xì)胞的耐熱性，一般較易滅菌。2. 培養(yǎng)基成分的顆粒度培養(yǎng)基成分的顆粒越大，滅菌時蒸汽穿透所需的時間越長，滅菌難；顆粒小，滅菌容

45、易。一般對小于1 mm顆粒的培養(yǎng)基，可不必考慮顆粒對滅菌的影響，但對于含有少量大顆粒及粗纖維的培養(yǎng)基，特別是存在凝結(jié)成團的膠體時，則應(yīng)適當(dāng)提高滅菌溫度或過濾除去。3. 培養(yǎng)基的pHpH值對微生物的耐熱性影響很大。微生物一般在pH值6.08.0時最耐熱；pH值6.0，氫離子易滲入微生物細(xì)胞內(nèi)，從而改變細(xì)胞的生理反應(yīng)促使其死亡。培養(yǎng)基pH值愈低，滅菌所需的時間愈短。 4. 微生物細(xì)胞含水量微生物含水量越少，蛋白質(zhì)不易變性，所需滅菌時間越長。孢子、芽孢的含水量少，代謝緩慢，要很長時間的高溫才能殺死。但如果是含水量很高的物品，高溫蒸汽的穿透效果會降低，所以也要延長滅菌時間。5. 微生物性質(zhì)與數(shù)量各種微

46、生物對熱的抵抗力相差較大，細(xì)菌的營養(yǎng)體、酵母、霉菌的菌絲體對熱較為敏感，而放線菌、酵母、霉菌孢子對熱的抵抗力較強。處于不同生長階段的微生物，所需滅菌的溫度與時間也不相同，繁殖期的微生物對高溫的抵抗力要比衰老時期抵抗力小得多，這與衰老時期微生物細(xì)胞中蛋白質(zhì)的含水量低有關(guān)。芽孢的耐熱性比繁殖期的微生物更強。 在同一溫度下，微生物的數(shù)量越多，則所需的滅菌時間越長，因為微生物在數(shù)量比較多的時候，其中耐熱個體出現(xiàn)的機會也越多。天然原料尤其是麩皮等植物性原料配成的培養(yǎng)基，一般含菌量較高，而用純粹化學(xué)試劑配制成的組合培養(yǎng)基，含菌量較低。6. 冷空氣排除情況高壓蒸汽滅菌的關(guān)鍵問題是為熱的傳導(dǎo)提供良好條件，而其

47、中最重要的是使冷空氣從滅菌器中順利排出。因為冷空氣導(dǎo)熱性差，阻礙蒸汽接觸欲滅菌物品，并且還可減低蒸汽分壓使之不能達到應(yīng)有的溫度。如果滅菌器內(nèi)冷空氣排除不徹底，壓力表所顯示的壓力就不單是罐內(nèi)蒸汽的壓力，還有空氣的分壓，罐內(nèi)的實際溫度低于壓力表所對應(yīng)的溫度，造成滅菌溫度不夠 7. 泡沫在培養(yǎng)基滅菌過程中，培養(yǎng)基中產(chǎn)生的泡沫對滅菌很不利，因為泡沫中的空氣形成隔熱層，使熱量難以滲透進去，不易殺死其中潛伏的微生物。因而無論是分批滅菌還是連續(xù)滅菌，對易起泡沫的培養(yǎng)基均需加消泡劑，以防止或消除泡沫。8.攪拌在滅菌的過程中進行攪拌是為了使培養(yǎng)基充分混勻，不至于造成局部過熱或滅菌死角，在保證不過多的破壞營養(yǎng)物質(zhì)

48、的前提下達到徹底滅菌的目的。發(fā)酵設(shè)備的滅菌發(fā)酵設(shè)備的滅菌包括發(fā)酵罐、管道和閥門、空氣過濾器、補料系統(tǒng)、消沫劑系統(tǒng)等的滅菌。通常選擇0.150.2 MPa的飽和蒸汽，這樣既可以較快使設(shè)備和管路達到所要求的滅菌溫度，又使操作安全。 空氣凈化的方法 （一）熱殺菌（一）熱殺菌空氣加熱殺菌屬于干熱殺菌，是基于加熱后微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)（酶）氧化變性而致死亡；培養(yǎng)基滅菌則是濕熱滅菌，是利用蛋白質(zhì)（酶）的凝固作用而致使菌體死亡。 （二）輻射殺菌（二）輻射殺菌輻射殺菌技術(shù)是指利用電磁射線、加速電子照射被殺菌的對象從而殺死微生物的一種殺菌技術(shù) （三）靜電除菌（三）靜電除菌靜電除菌的特點是能量消耗少，但是設(shè)備龐大靜

49、電除菌的特點是能量消耗少，但是設(shè)備龐大靜電除菌原理是使空氣中的灰塵成為載電體，然后將其捕集在電極上，通過這種靜電引力吸附帶電粒子而達到除菌除塵的目的。 靜電除菌一般除菌效率在85 %99 %，除菌效率達不到無菌要求，只能作為初步除菌。至今工業(yè)上的空氣除菌幾乎都是采用過濾除菌。（四）過濾除菌（四）過濾除菌過濾除菌法是讓含菌空氣通過過濾介質(zhì)以阻截空氣中所含微生物，而取得無菌空氣的方法 介質(zhì)過濾除菌的原理 1. 慣性撞擊截留作用2. 攔截截留作用3. 布朗擴散截留作用4. 重力沉降作用5. 靜電吸引作用 空氣除菌設(shè)備流程圖1粗過濾器；2壓縮機；3貯罐；4，6冷卻器；5旋風(fēng)分離器；7絲網(wǎng)除沫器；8加熱

50、器；9空氣過濾器123456789無菌空氣的檢查 （一）光學(xué)檢查法（一）光學(xué)檢查法利用微粒對光線的散射作用來測量空氣中粒子的大小和數(shù)量（不是活菌數(shù)）。 （二）肉湯培養(yǎng)基檢查法（二）肉湯培養(yǎng)基檢查法取無菌空氣，見圖.連續(xù)取氣數(shù)小時或十幾小時，卸下橡皮管，用無菌紙包扎好管的末端，置于37 培養(yǎng)箱培養(yǎng)16 h，若出現(xiàn)混濁，表明空氣中有雜菌。 無 菌 空 氣 進 口排 氣檢查無菌空氣的裝置示意圖過濾除菌的介質(zhì)材料1. 棉花棉花是最早使用的過濾介質(zhì)，棉花隨品種的不同，過濾性能有較大的差別，一般選用細(xì)長纖維且疏松的新棉花為過濾介質(zhì)，同時是未脫脂的棉花（脫脂棉花易于吸水而使體積變小），壓縮后仍有彈性。2.

51、玻璃纖維作為散裝充填過濾器的玻璃纖維，玻璃纖維的過濾效率隨填充密度和填充厚度增大而提高。玻璃纖維充填的最大缺點是：更換過濾介質(zhì)時易造成碎末飛揚，使皮膚發(fā)癢，甚至出現(xiàn)過敏現(xiàn)象。3. 活性炭活性炭具有非常大的表面積，通過吸附作用捕集微生物。要求活性炭質(zhì)地堅硬，不易被壓碎，顆粒均勻。目前常與棉花聯(lián)合使用，即在二層棉花中夾一層活性炭，以降低濾層阻力?；钚蕴康暮脡倪€決定于它的強度和表面積，表面積小，則吸附性能差，過濾效率低；強度不足，則很容易破碎，堵塞孔隙，增大氣流阻力，它的用量約為整個過濾層的1312。4. 超細(xì)玻璃纖維紙纖維特別細(xì)小，不宜散裝充填，而采用造紙的方法做成0.251 mm厚的纖維紙。它所

52、形成的網(wǎng)格空隙為0.55 m，比棉花小1015倍，故具有較高的過濾效率。酶反應(yīng)器酶的基本特點:1.酶作為催化劑的共性:降低反應(yīng)的活化能加快反應(yīng)速率不能改變反應(yīng)的平衡常數(shù),只能加快反應(yīng)達到平衡的速度酶的生物催化特性1.酶有很強的專一性2.較高的催化效率酶促反應(yīng)的特性:優(yōu)點: 1.酶促反應(yīng)是在常溫,常壓,中性范圍內(nèi)(個別除外)條件下進行的,與一些化學(xué)反應(yīng)相比,省能且效率較高;2.由于酶促反應(yīng)的專一性,沒有或少有副產(chǎn)物生成, 有利于提取操作,反應(yīng)體系較簡單,反應(yīng)過程的最適條件易于控制.缺點:酶促反應(yīng)多限于一步或幾步較簡單的生化反應(yīng)過程,但經(jīng)濟上有時并不理想,雖然酶促反應(yīng)條件比較溫和,但一般周期較長,

53、因此,增加了染菌的可能.固定化酶技術(shù):將水溶性的酶分子通過一定的方式,如靜電吸附,共價鍵等與載體,如離子交換樹脂等材料結(jié)合,制成固定酶的技術(shù).固定化后酶的性質(zhì)發(fā)生變化主要表現(xiàn)在:1.底物專一性發(fā)生改變2.穩(wěn)定性增強3.最適pH值和溫度的變化4.動力學(xué)常數(shù)的變化固定化酶在酶促反應(yīng)過程中具有如下優(yōu)點:1.極其容易和反應(yīng)產(chǎn)物分開,因而可加以回收2.在一定程度上可以改善酶的操作性能的穩(wěn)定性3.可以多次反復(fù)使用和有利于采用連續(xù)操作工藝,使得酶的使用率提高,降低生產(chǎn)成本4.酶不混入產(chǎn)物,可精簡產(chǎn)物分離工序反應(yīng)器簡介機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（一）發(fā)酵罐參數(shù)設(shè)計（一）發(fā)酵罐參數(shù)設(shè)計1.小型機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐小型機械

54、攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐主要是供實驗室小試、中試使用和用作種子罐，其容積為120 000L。2.大型機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐工業(yè)生產(chǎn)用的發(fā)酵罐日趨大型化，大型發(fā)酵罐提高了噸罐容的生產(chǎn)量，減少了能源消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，便于自動化控制。國外的大發(fā)酵罐容積已經(jīng)在600 m3以上。二、塔式發(fā)酵罐二、塔式發(fā)酵罐塔型發(fā)酵罐又稱柱式發(fā)酵罐，鼓泡塔或空氣攪拌高位發(fā)酵罐等。它是一種由氣流來進行攪拌的發(fā)酵裝置。與機械攪拌發(fā)酵罐相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、維修簡便、清洗方便、不易染菌以及適用于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的設(shè)計要點 （1）發(fā)酵罐的高徑比由于自吸式發(fā)酵罐是靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動形成的負(fù)壓而吸氣通風(fēng)的，吸氣裝置是沉浸于

55、液相的，所以為保證較高的吸風(fēng)量，發(fā)酵罐的高徑比H/D不宜取大，且罐容增大時，H/D應(yīng)適當(dāng)減少，以保證攪拌吸氣轉(zhuǎn)子與液面的距離為23 m。（2）轉(zhuǎn)子的確定三棱葉轉(zhuǎn)子的特點是轉(zhuǎn)子直徑較大，一般等于發(fā)酵罐直徑的0.35倍，在較低轉(zhuǎn)速時可獲得較大的吸氣量，當(dāng)罐壓在一定范圍內(nèi)變化時，其吸氣量也比較穩(wěn)定，吸程（即液面與吸氣轉(zhuǎn)子距離）也較大，但所需的攪拌功率也較高。 通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備固體發(fā)酵罐固體發(fā)酵罐采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼罐體，無死角，容易清洗，耐腐蝕，使用壽命長。攪拌方式獨特，機械傳動效率高、功率消耗少。其主要特點為：1.占地面積小，物料能在罐內(nèi)蒸煮、滅菌、降溫、罐內(nèi)接種、罐內(nèi)噴淋加濕、自動翻料等，可進行通氣操

56、作。2.廣泛應(yīng)用于菌體蛋白、散曲、纖維素酶、淀粉酶、生物肥料以及生物飼料等許多方面。3.能進行固體發(fā)酵以及固體與液體混合的發(fā)酵。厭氧發(fā)酵設(shè)備厭氧發(fā)酵設(shè)備一、酒精發(fā)酵罐（一）發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)（一）發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 1.基本結(jié)構(gòu)酒精發(fā)酵罐筒體為圓柱形。底蓋和頂蓋均為碟形或錐形的立式金屬容器。罐頂裝有廢汽回收管，進料管，按種管，壓力表、各種測量儀表接口管及供觀察清洗和檢修罐體內(nèi)部的人孔等。罐底裝有排料口和排污口對于大型發(fā)酵罐，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔。罐身上下部裝有取樣口和溫度計接口。 2.發(fā)酵罐制作材料用于制作酒精發(fā)酵罐的材料從木材、水泥、碳鋼鋼板發(fā)展到目前的不銹鋼鋼板。 3.發(fā)酵罐容積

57、酒精發(fā)酵罐的容積從1 m3起，漸次升為2 m3、5 m3、10 m3、20 m3、40 m3、60 m3、75 m3、120 m3、160 m3、200 m3、240 m3、430 m3、500 m3、650 m3、700 m3、1500 m3、2000 m3、2800 m3、3000 m3、3800 m3、4200 m3，隨著對發(fā)酵罐功能的深入理解和工藝生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的增加，現(xiàn)在大型酒精發(fā)酵罐都已經(jīng)到酒精廠現(xiàn)場制作，制作的質(zhì)量也不斷提高，不僅罐容已突破4 200 m3，發(fā)酵罐布局的合理性也容易做到。 4.發(fā)酵罐形狀酒精發(fā)酵罐的幾何形狀有：碟形封頭圓柱形發(fā)酵罐、錐形發(fā)酵罐、圓柱形斜底發(fā)酵罐、圓柱

58、形臥式發(fā)酵罐。目前常見的600 m3以下發(fā)酵罐多設(shè)計為錐形發(fā)酵罐，超過600 m3容積的發(fā)酵罐多設(shè)計為圓柱形斜底發(fā)酵罐，目前美國最大的圓柱形斜底酒精發(fā)酵罐，容積已達4200 m3。發(fā)酵罐的形狀從通用碟形發(fā)酵罐發(fā)展到錐形（底）發(fā)酵罐和斜底大容積發(fā)酵罐碟形發(fā)酵罐是早期發(fā)酵罐的基本形狀，由于醪液排出不如錐形發(fā)酵罐順暢，加之制作大容積碟形發(fā)酵罐封頭比錐形罐錐體難度大，所以現(xiàn)在大型發(fā)酵罐已很少有碟形發(fā)酵罐設(shè)計。錐形罐由于對支撐地基強度要求高，所以目前還很難做到超過800 m3的錐形發(fā)酵罐。斜底發(fā)酵罐由于地基基礎(chǔ)容易處理，只要把斜底角度處理適當(dāng)（美國斜底發(fā)酵罐罐底斜面角度設(shè)計較大，為1520；我國華潤酒精

59、公司1500 m3斜底發(fā)酵罐罐底斜面角度設(shè)計僅3，角度偏?。?，發(fā)酵罐罐底處理平坦光滑，也相當(dāng)于變形的錐形發(fā)酵罐。三種不同形狀的發(fā)酵罐（單位mm）a斜底發(fā)酵罐 b錐形發(fā)酵罐 c碟形發(fā)酵罐發(fā)酵罐容積由小變大，已由廠房內(nèi)小發(fā)酵罐發(fā)展為露天大發(fā)酵罐。小型發(fā)酵罐的降溫設(shè)施是靠罐內(nèi)蛇管或列管，由于蛇管和列管管線長清洗困難易染雜菌、降溫效果隨罐體變大而變差，特別是列管在罐內(nèi)離不開高溫滅菌環(huán)節(jié)，費時、消耗蒸氣能源。美國大型斜底（15左右）發(fā)酵罐（3 000 m3以上）結(jié)構(gòu)示意圖 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸與級數(shù)的確定（1）發(fā)酵罐全容積的計算 式中：V：發(fā)酵罐的全容積（米3） V0：發(fā)酵罐中的裝液量（米3）：裝液系數(shù)（一般

60、取0.85.0.90）帶有錐形底、蓋的圓柱形發(fā)酵罐全容積為： 式中 D：罐的直徑（米） H：罐的圓柱部分高度（米） h1：罐底高度（米） h2：蓋高度（米）)(332421hhHDV斜底發(fā)酵罐全容積為：D：罐的直徑（米） H：罐的圓柱部分高度（米） h：斜底高度（米）12(42VDHh）（二）發(fā)酵罐滅菌（二）發(fā)酵罐滅菌大型發(fā)酵罐由于容積很大（500 4 200 m3），用高壓蒸氣滅菌已不可能，化學(xué)滅菌已很好地代替了高壓蒸氣滅菌且化學(xué)滅菌成本低、操作工時短。這一技術(shù)應(yīng)該說是源于啤酒發(fā)酵的滅菌方法。滅菌要點是按順序先用清水沖洗發(fā)酵罐罐壁，然后用低濃度堿水（NaHCO3、NaOH等）沖洗。接著用低濃