第十一章 微生物工程生產(chǎn)設(shè)備

第十一章微生物工程生產(chǎn)設(shè)備種子擴(kuò)大培養(yǎng)培養(yǎng)基配制空氣除菌培養(yǎng)基滅菌發(fā)酵生產(chǎn)下游處理發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵的一般流程提綱第一節(jié)培養(yǎng)基及發(fā)酵設(shè)備的滅菌第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備第三節(jié)空氣除菌設(shè)備第四節(jié)產(chǎn)品純化設(shè)備發(fā)酵類型和設(shè)備固體發(fā)酵盤曲、簾曲——曲盤、簾子等，自然通風(fēng)發(fā)酵池、窖、地缸——相對(duì)密閉不通風(fēng)厚層通風(fēng)制曲——曲箱，機(jī)械通風(fēng)旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)——轉(zhuǎn)鼓型發(fā)酵罐，機(jī)械通風(fēng)液體發(fā)酵厭氣發(fā)酵——厭氣發(fā)酵罐，密閉不通風(fēng)好氣發(fā)酵密閉通風(fēng)機(jī)械攪拌通風(fēng)通風(fēng)攪拌非循環(huán)式循環(huán)式通風(fēng)式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐伍式發(fā)酵罐，內(nèi)循環(huán)文式發(fā)酵罐，外循環(huán)非循環(huán)式循環(huán)式——空氣帶升式發(fā)酵罐鼓泡式發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐第一節(jié)培養(yǎng)基及發(fā)酵設(shè)備滅菌培養(yǎng)基的滅菌培養(yǎng)基滅菌的根本原理分批滅菌連續(xù)滅菌空氣除菌空氣除菌的根本方式空氣過(guò)濾除菌流程深層過(guò)濾原理過(guò)濾介質(zhì)及其設(shè)備設(shè)備與管道的滅菌第一節(jié)培養(yǎng)基及發(fā)酵設(shè)備滅菌一、滅菌方法二、培養(yǎng)基的滅菌三、培養(yǎng)基的分批滅菌四、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌一、滅菌方法1、化學(xué)藥劑滅菌2、射線滅菌3、干熱滅菌4、濕熱滅菌5、過(guò)濾除菌二、培養(yǎng)基的滅菌理論滅菌時(shí)間的計(jì)算〔對(duì)數(shù)殘留公式〕N0τ=2.303/klog—N實(shí)際滅菌的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)高溫滅菌(Hightemperaturesetrilization)

25-30秒，維持(Maintaining)8-25分鐘K—反響常數(shù)(Reactionconstant)NO-開始時(shí)菌濃度N-殘存菌濃度

工程上N為10-3/罐二、培養(yǎng)基的滅菌滅菌溫度與菌死亡反響速度常數(shù)的關(guān)系

阿累尼烏斯公式：K=A·e-E/RT

K—菌死亡的速度常數(shù)

A—阿累尼烏斯常數(shù)

e— 2.718

E—細(xì)菌孢子的活化能(Activationenergy) 〔4.187J/K·mol〕

R—?dú)怏w常數(shù)〔1.978*4.187J/mol)

T—絕對(duì)溫度〔K〕

二、培養(yǎng)基的滅菌活化能大的反響中，反響時(shí)間隨溫度變化也大；殺死細(xì)菌和芽孢的活化能遠(yuǎn)大于營(yíng)養(yǎng)成分被破壞的活化能〔E>>E’〕；二、培養(yǎng)基的滅菌采用高溫短時(shí)的滅菌方法可以減少養(yǎng)分的破壞。二、培養(yǎng)基的滅菌滅菌溫度（oC）滅菌時(shí)間（分鐘）營(yíng)養(yǎng)成分的破壞（%）11036671204271300.581500.01<1培養(yǎng)基配置與分批滅菌流程三、培養(yǎng)基的分批滅菌分批滅菌總滅菌時(shí)間=加熱時(shí)間＋維持時(shí)間＋冷卻時(shí)間t總=t加熱+t維持+t冷卻假設(shè)加熱時(shí)間(t加熱)和冷卻時(shí)間(t冷卻)，那么只要合理設(shè)置維持時(shí)間(t維持)就能使滅菌過(guò)程中培養(yǎng)基的養(yǎng)分的破壞降到最小。四、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌常見的連續(xù)滅菌的流程連消塔—噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程噴射加熱連續(xù)滅菌流程薄板換熱器連續(xù)滅菌流程四、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌連消塔—噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程四、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌噴射加熱連續(xù)滅菌流程四、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌薄板換熱器連續(xù)滅菌流程四、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌連續(xù)滅菌的優(yōu)點(diǎn)提高產(chǎn)量，縮短發(fā)酵周期減養(yǎng)分破壞少，產(chǎn)品質(zhì)量較易控制設(shè)備利用率高，操作方便適于自動(dòng)控制，勞動(dòng)強(qiáng)度低第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備一、機(jī)械攪拌發(fā)酵罐二、其他類型發(fā)酵罐三、攪拌軸功率的計(jì)算四、發(fā)酵罐的放大一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐的根本條件適宜的徑高比〔高與直徑的比值為2.5—4〕能承受一定壓力、溫度攪拌通風(fēng)裝置保證氣液充分混合具有足夠的冷卻面積死角少，滅菌徹底軸封嚴(yán)密，泄漏少一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐的根本結(jié)構(gòu)一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐的攪拌器功能：打碎空氣〔徑向〕，使發(fā)酵液充分混合〔軸向〕類型：平葉式、彎葉式、劍葉式葉片數(shù)量：一般6片，最少3片，最多6片一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐的換熱裝置夾套式換熱裝置：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，死角少，利于滅菌，降溫效果較差，適用于小型發(fā)酵罐。豎式蛇管換熱裝置：降溫效果較好，節(jié)水。豎式列管〔排管〕換熱裝置：降溫效果好，但要求水源充足。一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機(jī)械消泡方法罐內(nèi)消泡：在發(fā)酵罐內(nèi)消除泡沫耙式消泡槳、碟式消泡器等罐外消泡：將泡沫引出發(fā)酵罐外，消泡后再 返回罐內(nèi)旋轉(zhuǎn)葉片消泡器、離心式消泡器等一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐耙式消泡槳一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐碟片式消泡器優(yōu)點(diǎn)：消泡能力強(qiáng)，功耗小

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)麻煩一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐旋轉(zhuǎn)葉片罐外消泡一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐離心力罐外消泡二、其他類型發(fā)酵罐液體深層厭氣發(fā)酵設(shè)備酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)二、其他類型發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐

非循環(huán)機(jī)械攪拌二、其他類型發(fā)酵罐伍式發(fā)酵罐〔循環(huán)機(jī)械攪拌〕二、其他類型發(fā)酵罐帶升式發(fā)酵罐〔循環(huán)通氣攪拌〕二、其他類型發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐〔非循環(huán)通氣攪拌〕其他類型生物反響器生物反響器：為特定的細(xì)胞或酶提供適宜的增殖或進(jìn)行特定生化反響環(huán)境，并且都是利用生物催化劑進(jìn)行生化反響的設(shè)備。其他類型生物反響器動(dòng)植物細(xì)胞反響器其他類型生物反響器生物濾池——污水處理其他類型生物反響器生物轉(zhuǎn)盤法——污水處理出水進(jìn)水進(jìn)水出水其他類型生物反響器接觸氧化法和流化床法——污水處理其他類型生物反響器立式多段發(fā)酵塔——固體廢棄物處理其他類型生物反響器臥式回轉(zhuǎn)圓筒形發(fā)酵倉(cāng)——固體廢棄物處理其他類型生物反響器高溫動(dòng)態(tài)二次堆肥車間——固體廢棄物處理其他類型生物反響器生物吸收法——生物除臭其他類型生物反響器堆肥濾池法——生物除臭堆肥濾池法固體發(fā)酵特點(diǎn)固體發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)原料簡(jiǎn)單不易被污染回收產(chǎn)品容易通氣較易實(shí)現(xiàn)，節(jié)能發(fā)酵廢料可用作飼料三、攪拌軸功率的計(jì)算應(yīng)考慮的因素：發(fā)酵罐直徑D〔m〕、攪拌器直徑d〔m〕液柱高度HL〔m〕、攪拌器形式、攪拌器轉(zhuǎn)速n(r·min-1)、液體粘度μ〔Pa·S〕、液體密度ρ〔kg/m3〕、重力加速度g〔m/s2〕以及有無(wú)檔板等。軸功率〔W〕：P=?〔n、d、ρ、μ、g〕目前，一般每立方米發(fā)酵培養(yǎng)液的功率吸收為1-3.5KW。四、發(fā)酵罐的放大1、幾何尺寸放大法；2、空氣流量放大法；①以單位體積的空氣流量相同的原那么放大；②空氣線速度相同的原那么放大；③以KLα相同的原那么放大；④攪拌器葉尖速度相同的原那么放大；⑤混合時(shí)間相同的原那么放大。第三節(jié)空氣除菌設(shè)備加熱滅菌〔220°C，20秒〕

[滅菌徹底，能耗大，本錢高]電除菌

[除菌效果差，僅用于初除菌]輻射滅菌

[254-265nm效果最正確，僅限外表滅菌]介質(zhì)過(guò)濾除菌

[主流的除菌方式]第三節(jié)空氣除菌設(shè)備一、介質(zhì)除菌〔介質(zhì)過(guò)濾〕的原理慣性沖擊滯留作用原理攔截滯留作用原理布朗擴(kuò)散作用原理重力沉降作用原理靜電吸附作用原理第三節(jié)空氣除菌設(shè)備二、介質(zhì)過(guò)濾效率的過(guò)濾器的計(jì)算介質(zhì)層厚度：1NL=—ln—KN0空氣過(guò)濾器直徑：D=〔4Q/Πωg〕-2K—過(guò)濾器的除菌效率；N0—過(guò)濾器出口空氣中的含菌量；ωg—?dú)怏w流速；Q—發(fā)酵罐每分鐘用空氣量。第三節(jié)空氣除菌設(shè)備三、空氣除菌設(shè)備空氣過(guò)濾除菌的目的Ns<10-3個(gè)/m3，同時(shí)使空氣有一定壓力空氣過(guò)濾除菌流程普通空氣冷卻除菌流程高效前置過(guò)濾除菌流程第三節(jié)空氣除菌設(shè)備普通空氣冷卻除菌流程第三節(jié)空氣除菌設(shè)備高效前置過(guò)濾除菌流程第三節(jié)空氣除菌設(shè)備過(guò)濾介質(zhì)棉花、玻璃纖維、紙、

活性碳、石棉濾板、

燒結(jié)材料過(guò)濾介質(zhì)等過(guò)濾器結(jié)構(gòu)第三節(jié)空氣除菌設(shè)備空氣過(guò)濾的附屬設(shè)備初過(guò)濾器： 減輕主過(guò)濾器負(fù)荷，防止空壓 機(jī)磨損空氣貯罐： 維持壓力穩(wěn)定，沉降油霧氣液別離器：冷凝水霧和油霧空氣冷卻器：降溫、降壓、冷凝設(shè)備與管道的滅菌設(shè)備滅菌壓力滅菌時(shí)間滅菌鍋0.098MPa20-30min種子罐、發(fā)酵罐、計(jì)量罐、管道等0.147MPa45min空氣過(guò)濾器0.147MPa120min第四節(jié)產(chǎn)品純化設(shè)備一、兩相別離設(shè)備：一〕離心別離設(shè)備1．碟片式離心機(jī)2.管式離心機(jī)3．傾析式離心機(jī)二〕過(guò)濾設(shè)備1．板框過(guò)濾機(jī)2.真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)3．硅藻土過(guò)濾機(jī)三〕其他固液別離設(shè)備切向流過(guò)濾雙水相萃取