《生物化學工程》課件

生物化學工程王雪青Xueqing.wang@

2004-9-141編輯ppt生物化學工程王雪青1編輯ppt一些與化學和生物技術相關的網絡資源索引:20/Webpage,html/dept/chem/chemistry.html/chempointers.html/user/dborza/Bioresources.html/biopages/biochem.html/pharmacy/pharmint.htmlhttp://BicMedNet,comhttp://pharmIhttp://www.mec.ac.uk/pharmweb2編輯ppt一些與化學和生物技術相關的網絡資源索引http://hack生物化學工程第一章：緒論第二章：工業(yè)微生物概論第三章：滅菌技術第四章：氧的供需與傳遞第五章：生物反應器第六章：微生物培養(yǎng)技術與動力學第七章：動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術第八章：植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術第九章：生物物質分離與純化第十章：生化生產工藝實例3編輯ppt生物化學工程第一章：緒論3編輯ppt第一章緒論1.1生化工程的定義及其與生物工程的關系生物化學工程簡稱生化工程（biochemicalengineering)，是應用化學工程的原理和方法將生物工程的實驗室成果進行工業(yè)開發(fā)的學科。它即可視為化學工廠的一個分之，又可認為是生物工程的一個組成部分。是以應用基礎研究為主，是走向產業(yè)化的必由之路。生物工程則是（biotechnology，又稱生物技術）是應用生物體（包括微生物，動物細胞，植物細胞）或其組成部分（細胞器和酶），在最適條件下，生產有價值的產物，或進行有益的過程技術。以生命科學為基礎。現代生物技術包括基因工程，細胞工程，酶工程，蛋白質工程和發(fā)酵工程4編輯ppt第一章緒論1.1生化工程的定義及其與生物工程的關系4生物反應器檢測控制系統(tǒng)細胞酶（游離或固定化）空氣生物催化劑除菌空氣能量提取精制產品副產品廢物原料基質或培養(yǎng)基營養(yǎng)物滅菌生物反應過程示意圖下游過程生物反應過程(中游過程)上游過程5編輯ppt生物反應器檢測控制系統(tǒng)細胞酶（游離或固定化）空氣生物催化劑除6編輯ppt6編輯ppt7編輯ppt7編輯ppt1.2生化工程發(fā)展簡史傳統(tǒng)的生物技術制品：如傳統(tǒng)的發(fā)酵制品,生產技術帶有濃郁的地方性和經驗性的特點,設備簡單.20世紀初,微生物產品有所發(fā)展,但主要屬于初級代謝產物,厭氣發(fā)酵,設備也相對簡單（乳酸，乙醇，丙酮）。20世紀40年代,抗生素的發(fā)展,使生化工程誕生.特點是好氣發(fā)酵,產物結構復雜,次級代謝物,培養(yǎng)液含量低,無菌條件高.20世紀50年代,氨基酸工業(yè),60年代:酶制劑.70年代:干擾素,胰島素,生長激素,乙肝疫苗,單克隆抗體.8編輯ppt1.2生化工程發(fā)展簡史8編輯ppt我國現代生物技術產品年銷售情況9編輯ppt我國現代生物技術產品年銷售情況9編輯ppt10編輯ppt10編輯ppt生物化工產品的特定產物和反應條件，決定了常規(guī)工業(yè)反應裝置和分離純化設備必須經過專門的設計和改進后才能得以應用，新型高性能的生化反應器和高效分離純化設備、分離介質以及反應工藝及分離工藝的研制開發(fā)是生物化工產業(yè)開發(fā)的重點領域。生物化工是化學工業(yè)的前沿領域之一，在生物技術轉化為生產力的過程中起決定性的作用。在生物技術發(fā)展初期，生物化工的重要作用并沒有得到足夠的重視，隨著生物技術產業(yè)的發(fā)展和化學工業(yè)結構和產品結構的調整，越來越多的生物技術產品極大地依賴生物化工技術才能實現規(guī)?；a，而且許多化學品的生產工藝有生物法取代，顯示了很大的優(yōu)勢。據美國和歐盟預測生物技術產業(yè)在未來10年內將增長10-20倍，生物化工產品在化學工業(yè)中的比重也將提高一倍。11編輯ppt生物化工產品的特定產物和反應條件，決定了常規(guī)工業(yè)反應裝置和分目前生物化工的發(fā)展速度顯然不能適應生物技術產業(yè)化的飛速發(fā)展。生物化工面臨著改造傳統(tǒng)產業(yè)和發(fā)展生物高技術產業(yè)的雙重任務。加強生物技術的研究開發(fā)，大力發(fā)展生物化工不僅是化學工業(yè)自身發(fā)展的需要，也是生物技術產業(yè)化的保證。12編輯ppt目前生物化工的發(fā)展速度顯然不能適應生物技術產業(yè)化的飛速發(fā)展。1.3生化工程的基本內容

◆新型生物反應器的研究開發(fā)，特別是針對基因工程產品和動、植物細胞培養(yǎng)的產品的投產研制新型生物反應器。重點在于生物安全。植物細胞對剪切力和環(huán)境敏感以及培養(yǎng)周期長而防止污染的問題。動物細胞的附壁生長的特點。

◆新型分離方法和設備的研發(fā)，特別是針對蛋白質、多肽產品的分離。

◆各種描述生物反應過程的數學模型的建立，將有利于過程的控制和優(yōu)化以及計算機的應用。

◆生物反應器內重要參數的傳感器的研制和有關計算機控制系統(tǒng)硬件及軟件的建立和完善。13編輯ppt1.3生化工程的基本內容13編輯ppt第二章工業(yè)微生物學概論2.1工業(yè)生產中常見的微生物

2.1.1細菌（bacteria）分布廣，數量多，與人的關系密切。按其形態(tài)分為球菌、桿菌和螺旋菌其中發(fā)酵工業(yè)中常用的為桿菌。包括醋酸桿菌屬（Acetobacter）,乳酸桿菌屬（Lactobacillus）,芽孢桿菌屬（Bacillus）,如枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）可生產α-淀粉酶和蛋白酶和5’-核苷酸酶等。梭菌屬（Clostridium）如丙酮—丁醇的梭狀芽孢桿菌（Clostridiumacetobutylium）。大腸桿菌（Escherichiacoli）：判斷食品被動物排泄物污染的可能，公共衛(wèi)生的重要指標。，在工業(yè)上利用大腸桿菌的谷氨酸脫羧酶進行谷氨酸定量分析。利用大腸桿菌制取天冬氨酸、蘇氨酸和纈氨酸。醫(yī)藥方面用大腸桿菌制造治療白血病的天冬酰氨酶，基因工程菌。產氨短桿菌（Brevibacteriumammoniagenes）：短桿菌屬，為氨基酸、核苷酸和酶法生產輔酶A的菌種。

14編輯ppt第二章工業(yè)微生物學概論2.1工業(yè)生產中常見的微生物14Staphylococcusaureus15編輯pptStaphylococcusaureus15編輯ppt2.1.2放線菌（Actinomyces）因菌落呈放射狀而得名，大多數是腐生菌。介于細菌和霉菌呈長的細絲，與霉菌相似，但寬度與細菌相似，無橫隔，為單細胞，菌絲無完整的核，為原核生物。土壤中含有104-106/g，有特有的土腥味。它的一大貢獻是產生抗生素。不完全統(tǒng)計，目前，自然界發(fā)現和分離了5500種以上的抗生素，其中放線菌產生的有4400多種。其中鏈霉菌屬（Streptomyces）自1942年，Waksman發(fā)現灰色鏈霉菌（產鏈霉素）相繼發(fā)現了發(fā)酵工業(yè)中常用的有龜裂鏈霉菌（生產土霉素），紅鏈霉菌（產紅霉素），金黃色鏈霉菌（產金霉素），委內瑞拉鏈霉菌（產氯霉素），卡那鏈霉菌（產卡那霉素）。小單孢菌屬（Micromonospora）不形成氣生菌絲體，在基內菌絲體上長出孢子梗，頂端著生一個球形、橢圓、或長形的孢子。菌落常帶有顏色。此屬產抗生素的菌種有30多種。如絳紅小單胞菌和棘孢小單孢菌屬都產（產慶大霉素）16編輯ppt2.1.2放線菌（Actinomyces）16編輯pp單細胞，卵圓形，圓形或圓柱形。酵母對發(fā)酵生產特別有利，自古釀制含酒飲料，而后做面包，發(fā)饅頭，進行酒精、甘油的生產，近年又用酵母進行石油發(fā)酵脫臘、生產各種有機酸。又因酵母內含有豐富的蛋白質、維生素和各種酶，所以酵母本身又是醫(yī)藥、化工和食品工業(yè)中的重要原料。如單細胞蛋白質、酵母片、核糖核酸、核苷酸、輔酶A、脂肪酸及乳糖酶等。酵母的繁殖通常以芽殖為主。工業(yè)中常用的菌主要有釀酒酵母菌屬和假絲酵母菌屬，前者用于釀酒，后者用于其他的發(fā)酵生產。2.1.3酵母菌（yeast）17編輯ppt單細胞，卵圓形，圓形或圓柱形。酵母對發(fā)酵生產特別有利，自古釀2.1.4霉菌（molds）凡生長在營養(yǎng)基質上形成絨毛狀、網狀或絮狀菌絲的真菌為霉菌。在自然界中分布廣，存在土壤、空氣、水和生物體內外等處，喜偏酸性環(huán)境，多數為好氧性、多腐性，少數寄生。其繁殖能力強，以無性和有性孢子繁殖，生長方式以菌絲末端伸長和頂端分支。霉菌是菌絲體結構，呈分支狀，它既可以引起食品、衣服、糧食及生活用品的霉爛，又可以用于發(fā)酵生產。例如遠古時代，用霉菌作曲制醬；近代利用霉菌生產酒精、有機酸、抗生素、酶制劑、維生素及激素等多種制品。發(fā)酵工業(yè)中常用的霉菌有曲霉屬（Aspergillus）如黑曲霉（生產淀粉酶、蛋白酶、果膠酶、葡萄糖氧化酶）它的變異株可生產檸檬酸、葡萄糖酸、草酸和抗壞血酸），米曲霉含有多種酶類，糖化型淀粉酶和蛋白酶都較強主要用在釀酒的糖化曲和制醬油的醬油曲。黃曲霉，產生液化型的淀粉酶。但某些菌種產生黃曲霉毒素，特別在花生和花生餅粕上易形成，導致人蓄中毒或致癌。青霉屬1929年Fleming首先發(fā)現青霉素以來，一些典型的青霉菌如產黃青霉（產青霉素），展開青霉（產灰黃霉素），根霉屬（用于制曲和生產乳酸等）。18編輯ppt2.1.4霉菌（molds）18編輯pptSomefungiproduceantibioticsPenicillinwasthefirstantibiotictobediscovered19編輯pptSomefungiproduceantibioticsAspergillus20編輯pptAspergillus20編輯ppt2.1.5其他微生物①：擔子菌，即菇類微生物，其資源利用越來越受人們的重視。如多糖，橡膠物質，抗癌藥物的開發(fā)“1，2-β葡萄糖苷酶及某些多糖物質具有抗癌作用。②：藻類，是分布最廣的自養(yǎng)微生物?？勺鳛槿祟惐＝∑泛惋暳?。培養(yǎng)螺旋藻60噸（GW）/公頃，大豆4噸/公頃，是大豆的28倍。2.1.6噬菌體凡用細菌和放線菌為生長菌株的發(fā)酵工業(yè)，均存在噬菌體的問題。21編輯ppt2.1.5其他微生物21編輯ppt22編輯ppt22編輯ppt巨大螺旋蛋白質含量65－70％；含有多種維生素，VB12最豐富，富含八種必須氨基酸；螺旋藻多糖，多種微量元素，如鐵、鉀、鈉、鎂和鈣等；含高量β－胡蘿卜素，七是含高含量的gamma-linoleicacid(gamma-亞麻油酸)，可降低人體血脂；另外還含有大量的藻膽蛋白，這是一種能促進機體免疫系統(tǒng)功能增強的生物活性物質。由此可見，螺旋藻是一種高級營養(yǎng)食品，同時還是多種藥品特別是保健藥品的重要原料。23編輯ppt巨大螺旋蛋白質含量65－70％；含有多種維生素，VB12最豐小球藻：繁殖能力強，利用太陽能生產蛋白質，占其胞重的50%，超過牛肉和大豆，另外還含有糖類、脂肪、維生素和礦物質以及一種生長因子，可促進兒童的生長發(fā)育和增強體質，用于食品或是食品添加劑。杜氏藻（鹽藻)光能轉化率高，生長繁殖快的單細胞藻。在條件適當的情況下，這種藻可大量合成β－胡蘿卜素，從10公斤鮮藻內可獲得1公斤β-胡蘿卜素，這比胡蘿卜高出了500倍左右。由于β-胡蘿卜素抗氧化能力強，又是人體必需的最重要的活性物質，加上其資源極其豐富和易加工等特點，24編輯ppt小球藻：繁殖能力強，利用太陽能生產蛋白質，占其胞重的50%，PhagereproductivecycleFigure10.1CPhageattachestobacterialcell.PhageinjectsDNA.PhageDNAdirectshostcelltomakemorephageDNAandproteinparts.Newphagesassemble.Celllysesandreleasesnewphages.25編輯pptPhagereproductivecycleFigure目前在國際下備受關注，如澳大利亞、以色列和日本等國每年都生產出大量的杜氏藻粉，除進行深加工外還出口到世界種地。當前這種海洋生物技術也是許多國家競爭的熱點。我國是海洋大國，海洋生物資源十分豐富，在即新的世紀，利用我們自身的這種優(yōu)越的自然條件發(fā)展海洋生物技術，開發(fā)海洋生物新產品已刻不容緩。26編輯ppt目前在國際下備受關注，如澳大利亞、以色列和日本等國每年都27編輯ppt27編輯pptInternationalCultureCollectionsDomestically,strainscanbepurchasedfrom:CGMCCorChinaGeneralMicrobiologicalCultureCollectionCenter中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，北京中關村28編輯pptInternationalCultureCollecti

第三章:滅菌技術3.1.

滅菌的原理和方法3.2.培養(yǎng)基滅菌3.3.空氣滅菌生物生產過程是一個純培養(yǎng)過程，必須保證在生產的各個環(huán)節(jié)是無菌的(空氣、培養(yǎng)基、管路和設備)29編輯ppt第三章:滅菌技術3.1.滅菌的原理和方法生物生產過程是3.1.

滅菌的方法和原理◎.化學試劑滅菌法.◎.電磁波、射線滅菌法.◎.熱滅菌法(干熱、濕熱和火焰滅菌法).◎.過濾除菌法(阻留微生物，達到除菌的目的)30編輯ppt3.1.滅菌的方法和原理◎.化學試劑滅菌法.30編輯p常用化學消毒劑及其使用方法消毒劑用途常用濃度使用方法1氧化劑：高錳酸鉀漂白粉

皮膚消毒發(fā)酵工廠環(huán)境消毒

0.1-0.25%2-5%

環(huán)境消毒可直接用于粉體2醇類：乙醇

皮膚及器物的消毒

70-75%

器物消毒浸泡30min3酚類：石碳酸來蘇爾

浸泡衣物、擦拭房間桌面、噴霧消毒皮膚、桌面、器械消毒

1-5%3-5%

4甲醛空氣消毒1-2%（10-15ml/m3）加熱熏蒸4h5銨鹽新潔而滅

皮膚、器械、環(huán)境消毒

0.1-0.25%

浸泡30min◎常用化學消毒劑及其使用方法31編輯ppt常用化學消毒劑及其使用方法消毒劑用途常用濃度使用方法1氧化由于該方法滅菌與培養(yǎng)基中的一些成分發(fā)生反應，并且會殘留在培養(yǎng)基中，所以只適合一些環(huán)境及器皿表面的消毒而不適合于培養(yǎng)基的滅菌?；瘜W消毒劑方法的局限性32編輯ppt由于該方法滅菌與培養(yǎng)基中的一些成分發(fā)生反應，化學消毒劑方法的◎.電磁波、射線滅菌法.1：原理：利用高能電磁波、紫外線或放射性物質產生的高能粒子可以起到滅菌的作用。波長在(2.1-3.1)×10-7m的紫外線表面或空氣滅菌。波長在(0.06-1.4)×10-7m的X射線/γ射線(Co60)

在工業(yè)上還少采用。穿透力差設備投資高33編輯ppt◎.電磁波、射線滅菌法.1：原理：利用高能電磁波、紫外線或◎.熱滅菌法.⊙干熱滅菌法：160℃，1h。使微生物體內的蛋白質發(fā)生氧化作用而死亡。用于實驗器具和材料的滅菌?！褲駸釡缇ǎ豪蔑柡驼羝麥缇?。使微生物體內的蛋白質發(fā)生凝固作用而致死。由于蒸汽有很強的穿透力，冷凝時放出大量的潛熱，來源方便，價格低廉，滅菌效果好，是目前最基本的適合培養(yǎng)基和設備的滅菌方法。一般條件為：121℃，30min。34編輯ppt◎.熱滅菌法.⊙干熱滅菌法：160℃，1h。使微生物體內利用過濾的方法截留微生物的方法。適合于澄清的液體和氣體的除菌。工業(yè)上常用此法制備大量的無菌空氣，供好氣性微生物的培養(yǎng)使用。⊙火焰滅菌法：利用火焰直接把微生物殺死。方法簡單、滅菌徹底，但適用范圍有限◎.過濾除菌法：35編輯ppt利用過濾的方法截留微生物的方法。適合于澄清的液體和氣體的除菌

36編輯ppt

3.2.培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基中含有豐富的營養(yǎng)，工業(yè)化生產中，體積大，生產的時間長，很易受到雜菌的污染。工業(yè)上常采用濕熱滅菌的方法。滅菌的要求：工業(yè)上無菌（滅菌度為1000）。即盡可能的出去雜菌的同時，還要盡可能的減收營養(yǎng)物的損失。常采用的條件為：121℃，20-30min。3.2.1：滅菌的基本理論（一）微生物的死亡動力學A:對數殘存定律：微生物受熱死亡的主要原因是高熱能使蛋白質變性，這種反應可認為是單分子反應，死亡速率可視為一級反應，即與殘存的微生物數量成正比，37編輯ppt3.2.培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基中含有豐富的營養(yǎng)，工業(yè)化生產中，體式中N－經時間t后殘存的活菌濃度（個/L)，N0—開始滅菌時原有活菌濃度（個/L)；t－滅菌時間（s,min）K－滅菌速率常數或比死亡速率常數（s-1,min-1）它的大小與微生物的種類和加熱溫度有關。在同等溫度下，其值小，微生物的耐熱性強。從上式得出：t,N之間的關系為對數t=（2.303/K）㏒(N0/N)38編輯pptt=（2.303/K）㏒(N0/N)38編輯ppt式中N/N0,菌體存活率，而N0/N，為滅菌度。B:非對數死亡規(guī)律：對于耐熱性的微生物芽孢，其死亡不符合對數規(guī)律。具有代表性的模型為Prpkop&Humphey提出的“菌體循序死亡模型”。認為：芽孢的死亡是漸進的。有耐熱的芽孢（R型）轉變?yōu)樗劳龅难挎?D型），需經過敏感的中間過程（S型）。NRNSNDKRKS39編輯ppt式中N/N0,菌體存活率，而N0/N，為滅菌度。NRdNs/dt=KRNR－KSNSdNR/dt=－KRNR解為：N/N0=KR/(KR－KS)[exp(KSt)－KS/KRexp(－KRt)]當溫度在120℃時，接近一級反應規(guī)律從以上可以看出：達到徹底的無菌，滅菌的時間為無限長。因此，工程設計以工業(yè)無菌為準。

（二）溫度對死亡速率常數K值的影響：溫度可以影響反應速度常數。其關系用Arrhenius方程表示:K=Aexp(－⊿E/RT)40編輯pptdNs/dt=KRNR－KSNS（二）溫度對死亡速率常數K值41編輯ppt41編輯ppt式中：A—常數（s-1ormin-1)；R—氣體常數，8.314J/mol?K;T—絕對溫度，K;⊿E—微生物死亡活化能，J/mol.㏑K=㏑A－(⊿E/RT)……..⑴d㏑K/dT=⊿E/RT2………….⑵從（2）式看出：⊿E大，㏑K對T的變化率越大，即對溫度變化敏感。培養(yǎng)基中的熱滅菌既要殺死雜菌，又要保存其中的有效成分，因而研究熱對營養(yǎng)物質的影響是十分必要的42編輯ppt式中：A—常數（s-1ormin-1)；R—氣體常數，8（三）溫度對營養(yǎng)物質分解破壞速率常數K’的影響同樣是為一級反應：dC/dt=K’C其中：C—培養(yǎng)基內易被破壞成分的濃度mol/L;t—滅菌時間（min,s);K’—分解速度常數。而且K’同樣受到溫度的影響，符合Arrhenius方程，即有：㏑K’=㏑A’－(⊿E’/RT)……..⑴’d㏑K’/dT=⊿E’/RT2………….⑵’43編輯ppt（三）溫度對營養(yǎng)物質分解破壞速率常數K’的影響43編輯ppt當培養(yǎng)基溫度從T1升至T2時：對微生物其死亡速度常數的得比值K2/K1=exp[－(⊿E/R)(1/T2－1/T1)]∴㏑(K2/K1)=－(⊿E/R)(1/T2－1/T1)……..(3)同理：對培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質㏑(K2’/K1’)=－(⊿E’/R）(1/T2-1/T1)…(4)(3)/(4)得：㏑(K2/K1)/㏑(K2’/K1’)=⊿E/⊿E’…(5)從(5)中看出，活化能大，反應速度常數變化程度也大。44編輯ppt當培養(yǎng)基溫度從T1升至T2時：44編輯ppt細胞芽孢和熱敏性營養(yǎng)物的活化能細菌芽孢和營養(yǎng)物⊿E(J/mol)細菌芽孢和營養(yǎng)物⊿E(J/mol)葉酸維生素B12維生素B1維生素B270340963009211498813葡萄糖嗜熱脂肪芽孢桿菌枯草芽孢桿菌肉毒梭菌100488283460318210343300判斷采用高溫或是在低溫條件下殺菌是由該反應的活化能的大小決定。滅菌溫度升高時，微生物殺死速率的提高要超過營養(yǎng)成分破壞的速率。在滅菌度相同的條件下，Kt=常數，因而高溫K值增大，時間必定大大縮短，營養(yǎng)物質總的損失可以減少，因此高溫短時滅菌比低溫長時要好。此為滅菌動力學得出的最重要的結論之一。45編輯ppt細胞芽孢和熱敏性營養(yǎng)物的活化能細菌芽孢和營養(yǎng)物⊿E細菌芽孢和例1：當殺菌溫度從120℃升至150℃，試計算維生素B1的分解速率常數KB和嗜熱脂肪芽孢桿菌的死亡速率常數KS。已知⊿ES=283460J/mol,As=1.06×1036(min-1)；⊿EB=92114J/mol,AB=1.06×1010(min-1)解：由（1）式，即㏑K=㏑A－(⊿E/RT)得㏒Ks=㏒As－⊿ES/(2.303RT)∴Ks在120℃時為0.024(min-1)150℃時為11.12(min-1)滅菌速率常數提高463倍。同樣地：KB在120℃時為0.055(min-1)，150℃時為0.404(min-1)，同樣的溫度變化僅提高7.3倍46編輯ppt例1：當殺菌溫度從120℃升至150℃，試計算維生素B1的解：因營養(yǎng)物質的損失為一級反應；固有㏑C/C0=－ Kt=－0.418C/C0=0.658∴B1的損失（C0－0.658C0)/C0=0.342例2：在120℃時滅菌7.6min,計算維生素B1的損失度。已知K=0.055(1/min)。47編輯ppt解：因營養(yǎng)物質的損失為一級反應；例2：在120℃時滅菌7.48編輯ppt48編輯ppt3.2.2：影響滅菌的因素①培養(yǎng)基成分：影響微生物的耐熱性。②培養(yǎng)基的物理狀態(tài)：導熱方式③培養(yǎng)基的pH④培養(yǎng)基中的微生物量。N正比于N0⑤微生物細胞中的水含量。水⑥微生物細胞菌齡⑦微生物的耐熱性，細菌芽孢最耐熱⑧空氣排出情況⑨泡沫：熱量傳遞難避免突然進汽或加大排氣。⑩攪拌M失活易49編輯ppt3.2.2：影響滅菌的因素M失活易49編輯ppt3.2.3滅菌操作一、間歇滅菌（一）、間歇滅菌又稱實罐滅菌，將配置好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐中或其它裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用的設備一起進行滅菌的過程。此法對設備要求簡單，滅菌可靠，無需專門的滅菌設備，投資少，是中小型工廠廠采用的一種方法。分為三個階段：升溫、保溫和冷卻。50編輯ppt3.2.3滅菌操作50編輯ppt培養(yǎng)基間歇滅菌過程中的溫度變化加熱保溫冷卻（二）間歇滅菌的計算升溫階段：采用間接加熱（夾套、蛇管）；直接加熱（在培養(yǎng)基中直接通入蒸汽）；或二者同時進行的加熱方式。51編輯ppt培養(yǎng)基間歇滅菌過程中的溫度變化加熱保溫冷卻（二）間歇滅菌的計由微生物死亡動力學公式dN/dt=－KNK=Aexp(－⊿E/RT)▽總=㏑N0/N=∫0tAexp(－⊿E/RT)dt㏑N0/N=㏑[(N0/N1)(N1/N2)(N2/N)]=㏑(N0/N1)+㏑(N1/N2))+㏑(N2/N)=▽加+▽保+▽冷52編輯ppt由微生物死亡動力學公式dN/dt=－KN▽總=㏑N0/N在加熱或冷卻工程中,溫度隨時間而發(fā)生改變，▽加=∫Aexp(－⊿E/RT)dt關系式復雜，積分困難，目前可用Richards簡易算法算出。其認為當溫度超過100℃后，才能具有殺滅微生物的作用，并且隨著溫度的升高，該作用也隨之增大。據此他以嗜熱脂肪芽孢桿菌為指示菌，在每分鐘升高1℃的條件下，在不同溫度下的㏑(N0/N1)，并匯總于表（p84)▽加=▽查表×升至恒溫的時間/(恒溫溫度-100℃)▽冷=▽查表×降溫的時間/(開始降溫溫度-100℃)53編輯ppt在加熱或冷卻工程中,溫度隨時間而發(fā)生改變，▽加=∫Aexp例3:培養(yǎng)基在30min內從100℃升至121℃，或在17min內從121℃冷卻至100℃，Richards簡便方法計算▽加和▽冷?解：在1℃/min條件下，培養(yǎng)基從120℃→121

℃，▽加為12.549，▽加=▽查表×升至恒溫的時間/(恒溫溫度-100℃)▽加=12.549×30/21=17.93▽冷=▽查表×降溫的時間/(開始降溫溫度-100℃)同理:▽冷=12.549×17/21=10.1654編輯ppt例3:培養(yǎng)基在30min內從100℃升至121℃，或在例4:若某發(fā)酵液中原含活菌1011個,滅菌后的活菌數為10-3個,且發(fā)酵液在16min內從100℃被加熱到121℃，之后，在此溫度下保溫tmin，接著，發(fā)酵液再在17min內從121℃冷卻到100℃，求所需保溫時間t。已知121℃的K=2.54min-1解：發(fā)酵液在殺菌前后體積不變∴▽總=㏑N0/N=㏑1011/10-3=㏑1014=32.2▽加=12.549×16/21=9.56▽冷=12.549×17/21=10.16又∵▽總=▽加+▽保+▽冷∴▽保=32.2-9.56-10.16=12.4855編輯ppt例4:若某發(fā)酵液中原含活菌1011個,滅菌后的活菌數為10-∵▽保=∫0tAexp(－⊿E/RT)dt=Kt∴t=▽保/K=12.48/2.54=4.91(min)升溫階段對滅菌的貢獻▽加/▽總=9.56/32.2=0.29降溫階段對滅菌的貢獻▽冷/▽總=10.16/32.2=0.31從上例說明升溫和冷卻階段對整個滅菌過程來說，效果十分可觀。一般地▽加/▽總占0.2，而▽冷/▽總占0.05，保溫階段▽保/▽總占0.7556編輯ppt∵▽保=∫0tAexp(－⊿E/RT)dt=Kt升溫二、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌將配置好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送的同時進行加熱、保溫、和冷卻而進行滅菌。連續(xù)滅菌可在短時間內加熱到保溫的溫度，并且能很快地冷卻，因此可在比間歇滅菌更高的溫度下進行滅菌，有利于減少營養(yǎng)物質的損失。培養(yǎng)基連續(xù)滅菌過程中的溫度的變化1、基本流程57編輯ppt二、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌將配置好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送●配料罐將培養(yǎng)基預熱60-70℃，防止培養(yǎng)基在殺菌時料液與蒸汽溫度相差過大而產生水汽撞擊聲?！襁B消塔（加熱塔）使培養(yǎng)基迅速（20s)升溫（126-132℃）?！窬S持罐：使培養(yǎng)基溫度保持在滅菌溫度下一段時間。2-7min.●冷卻管：將培養(yǎng)基迅速冷卻到40-50℃，輸送到滅菌后的發(fā)酵罐內58編輯ppt●配料罐將培養(yǎng)基預熱60-70℃，防止培養(yǎng)基在殺菌時料液與蒸2、噴射加熱連續(xù)滅菌流程59編輯ppt2、噴射加熱連續(xù)滅菌流程59編輯ppt3、薄板換熱器連續(xù)滅菌流程作業(yè)：P90;1;3;660編輯ppt3、薄板換熱器連續(xù)滅菌流程作業(yè)：P90;1;3;660編輯3.3.空氣滅菌好氧微生物在發(fā)酵過程中需氧。而空氣中夾帶有大量的各類雜菌，因而在培養(yǎng)系統(tǒng)通入空氣之前須除菌。生產中應用的無菌空氣認為10-3。一般空氣中的含量103-104個/m3,菌體的平均尺寸為0.6μm。3.3.1空氣滅菌的方法空氣中微生物種類：包括細菌、細菌和霉菌孢子，酵母菌和病毒。研究其分布情況有利于選取良好的取風位置和提高空氣除菌效率。數量與環(huán)境溫度和濕度有關?！虺鞘兄锌諝馕⑸锏暮看笥谵r村和山區(qū)的◎地面空氣微生物的含量大于高空中的?！虺睗駵嘏哪戏降貐^(qū)微生物的含量大于干燥寒冷的北方地區(qū)?！驂m埃數量與微生物量呈線性關系（y=0.003x-2.6)61編輯ppt3.3.空氣滅菌好氧微生物在發(fā)酵過程中需氧。而空氣中夾帶有－熱滅菌法Decker等發(fā)現懸浮于空氣中的細菌孢子在218℃，24s內可被殺死。利用空氣壓縮時溫度升高來殺死微生物—熱滅菌方法（屬于干熱滅菌)。壓力與溫度的關系為T2=T1(P2/P1)(m-1)/m式中,T1,T2—分別是空氣壓縮前后的溫度,K;P1,P2—分別是壓縮前后的的空氣壓力，Pa;m—多變指數，1.25。實際工藝所采用進口空氣溫度T1=60-70℃,P2/P1=6,則出口溫度達到200℃以上（203-217℃），即可達到滅菌的目的。該方法已成功地應用在丙酮、丁醇、淀粉酶和2，3—丁二醇的發(fā)酵生產。其工藝流程為62編輯ppt－熱滅菌法T2=T1(P2/P1)(m-1)/m62編輯pp63編輯ppt63編輯ppt－輻射滅菌和化學滅菌法在發(fā)酵工業(yè)上大規(guī)模的制備無菌空氣尚待經一步研究.－靜電除菌法使空氣中的微粒（水霧、油霧、塵埃和微生物）在靜電場的作用下會被電離成帶電微粒，然后將其鋪集在電極上。對1μ的微粒去除率高達99%，耗電量小[處理1000m3空氣/(0.4-0.8kW)],氣體壓力損失小，但對很小的微粒，由于所帶電荷小，靜電引力接近于氣流對微粒的拖動力或布朗擴散動量時，不能除去。同時設備龐大，一次性投資費用高。64編輯ppt－輻射滅菌和化學滅菌法在發(fā)酵工業(yè)上大規(guī)模－靜電除菌法使空氣中編輯ppt編輯ppt－介質過濾除菌法工業(yè)上最常用的空氣除菌方法。是通過過濾介質阻截空氣中所含微生物，從而獲得無菌空氣。過濾介質孔隙絕對過濾:孔徑(0.01-0.2μ)小于微生物粒子（0.5-2μ)的微孔過濾膜。相對過濾：過濾介質孔隙大于微生物直徑。如棉花、活性炭、玻璃纖維等3.3.2過濾介質除菌的原理棉花纖維直徑16-20μ,孔隙直徑20-50μ,微生物直徑0.5-2μ.微粒隨空氣流通過一定厚度的過濾層時，濾層纖維所形成的網格對氣流進行無數次的阻礙，從而無數次的改變氣流的運動速度和方向而繞流運動，這將引起微粒對濾層纖維產生慣性撞擊、重力沉降、攔截、布朗擴散、靜電引力等作用，將微粒捕獲在纖維表面實現過濾。66編輯ppt－介質過濾除菌法工業(yè)上最常用的空氣除菌方法。是通過過濾介質阻●慣性撞擊截流作用機理為空氣過濾器的主要作用。滯留微粒的寬度區(qū)間b與纖維直徑的df之比—慣性撞擊捕集率η1=b/df其中η1是慣性準數(φ）的函數。即，η1=f(φ)與纖維直徑、微粒的直徑和微粒的速度關系為φ=(Cρpd2pν0)/(18μdf)其中:C,克寧漢修正系數；ν0，空氣在纖維間的真實速度；ρp，dp為微粒的密度和直徑；μ為空氣的黏度；df為纖維直徑。從公式可以看出：當過濾器和空氣中的微粒一定時，影響鋪集率的參數為ν0。ν0為某一臨界值，η1=0，實驗測得φ=1/16時滿足此條件，求出νc=1.25(μdf)/(Cρpd2p).67編輯ppt●慣性撞擊截流作用機理為空氣過濾器的主要作用。滯留微粒的寬度●攔截滯留作用機理當氣流速度小于慣性撞擊的臨界速度時，η顯著下降，若繼續(xù)下降時，η不再繼續(xù)下降，反而有所回升，即為攔截滯留在起作用;其經驗公式為從式中看出η2與微粒直徑和纖維直徑之比有關，同時與空氣流速成反比，即當氣流速度低時截流才起作用，當微粒直徑為1μm,C=11.46,μ=1.86×10-5(Pa.s),ρp=1000(kg/m3),則vc=1.8×104df(m/s)纖維細,對捕集有利.η2=[2(1+R)㏑(1+R)－(1+R)+(1－R)-1]/2(2－㏑Re)式中微粒直徑與纖維直徑的比值R=dp/df,氣流雷諾數Re=dfν0ρ/μ68編輯ppt●攔截滯留作用機理當氣流速度小于慣性撞擊的臨界速度時，η顯●布朗擴散作用機理布朗擴散的運動距離很短，在流速和纖維間隙大的條件下不起作用，當微粒擴散的距離x大于微粒離纖維表面的距離，則微粒會由于布朗擴散作用的存在，增加了