第一章 物料处理与培养基制备

1、生物工程设备 Biological Engineering Equipment 48学时，学时，3学分，考试学分，考试 生物工程设备是生物工程设备是生物工程技术生物工程技术和和化学工程化学工程 与设备与设备交叉的学科，主要介绍在生物工程交叉的学科，主要介绍在生物工程 生产过程中常用生产过程中常用设备设备的结构、特点、原理、的结构、特点、原理、 设计、计算、选型及保养设计、计算、选型及保养. 生物工程设备 曾用名： 工业生物技术装备工业生物技术装备 工业生化设备工业生化设备 生化设备生化设备 抗生素生产设备抗生素生产设备 发酵设备发酵设备 参考书: （1）生物工程设备，梁世中 主编 中国 轻工业

2、出版社. （2）发酵设备高孔荣 编著 中国轻工 业出版社. (3)生物加工过程与设备，郑裕国等 ， 化学工业出版社. 主要内容讲课学时主要内容讲课学时 第一章第一章 培养基灭菌的设备培养基灭菌的设备 4学时学时 第二章第二章 压缩空气预处理及除菌设备压缩空气预处理及除菌设备 6学时学时 第三章第三章 生物反应器生物反应器 14学时学时 第四章第四章 液液-固分离设备固分离设备 6学时学时 第五章第五章 萃取设备萃取设备 6学时学时 第六章第六章 蒸发与结晶设备蒸发与结晶设备 4学时学时 第七章第七章 生物产品干燥设备生物产品干燥设备 6学时学时 复习与机动复习与机动 2学时学时 总计总计48学

3、时学时 考核: 平时成绩平时成绩20分分. 出勤、作业、小考、笔记、课堂表现等。出勤、作业、小考、笔记、课堂表现等。 期末闭卷考试期末闭卷考试 成绩成绩80分分. 第一章第一章 培养基灭菌的设备培养基灭菌的设备 第一节第一节 培养基的灭菌方法培养基的灭菌方法 第二节第二节 培养基实罐灭菌培养基实罐灭菌 第三节第三节 培养基连续灭菌培养基连续灭菌 第一节第一节 培养基的灭菌方法培养基的灭菌方法 采用高温蒸气灭菌-湿热灭菌湿热灭菌 1. 1. 工程上无菌标准工程上无菌标准 灭菌对象灭菌对象 耐热杆菌芽孢耐热杆菌芽孢120,20-30120,20-30分钟分钟 培养基初始污染度培养基初始污染度 10

4、4108（个（个/ml）： 2 210107 7个个/ml 无菌标准无菌标准 NS=10-3 即即1/1000的失败机率的失败机率 2. 对数对数残留定律残留定律 微生物死亡速率与任一瞬间残存的活菌数成微生物死亡速率与任一瞬间残存的活菌数成 正比正比对数残留定律对数残留定律 即即 率，即死亡速率。 瞬 时 ,min灭菌速率常数），(死亡速率常数: min;，受 热: 残留活菌数，个: 1 变化速 时间 dt dN k t N kN dt dN 死亡速率常数K（热致死反应速率 常数） K是表达微生物耐热性的特征常数 ，单 位是min-1，与微生物的种类和灭菌温度 有关。K越小，微生物越耐热。 开

5、始灭菌时，开始灭菌时，t t 0 0，培养基中的活菌数量培养基中的活菌数量 为为N N 0 0 ； ；当当t t t t 时，时，N N N Nt t )11 (lg 303.2 ln 0 0 0 t kt t t N N k t eNN kt N N 式（11）被称为对数残留定律， 理论灭菌时间 ) 11 (lg 303. 2 0 t N N k t N 0 一般可以参考培养基中的活微生物：（一般可以参考培养基中的活微生物：（12）(10 5-107 )个个 。 Nt 0.001 个个/ 罐。罐。 3.死亡的速度常数K与温度关系 1/T lgK lgA -E. A TR E Klg 1 30

6、3. 2 lg RT E eAK ,阿累尼乌斯常数A，活化能E 对于某一耐热芽孢杆菌 A=1.34x10(1/S) E = 67930卡/克分子 T eK 987. 1 67930 36 1034. 1 RT E eAK 灭菌温度的选择 式中 E为菌体死亡反应的活化能（J/mol）， 它是菌体死亡反应的特征常数，所以，不同菌 其热死亡反应的E不同。 TR E eAK 灭菌时杀死微生物的E大于培养基成分 破坏的 E ，因此，随温度的上升，比 死亡速率常数增加倍数要大于培养基成 分分解的速率。 4.灭菌的温度和时间对营养成分破坏的 影响 消毒温度 () 灭菌时间 (min) 维生素破坏 (%) 1

7、0040099.3 1103667 1151550 120427 1300.58 1400.082 1500.011 灭菌目的：灭菌后的培养基无杂菌灭菌目的：灭菌后的培养基无杂菌, ,营养成营养成 分破坏少。分破坏少。 培养基灭菌要解决的问题是：培养基灭菌要解决的问题是： 灭菌的温度灭菌的温度 灭菌的时间灭菌的时间 5.影响培养基灭菌的其他因素影响培养基灭菌的其他因素 培养基成分、培养基成分、pH值、培养基中的颗粒、泡沫值、培养基中的颗粒、泡沫 第二节第二节 培养基实罐灭菌培养基实罐灭菌 分批灭菌（实消、实罐灭菌）分批灭菌（实消、实罐灭菌） 连续灭菌（连消）连续灭菌（连消） 空罐灭菌（空消）空

8、罐灭菌（空消） 时间 温度 1代表连续灭菌 2代表分批灭菌（小罐） 3代表分批灭菌（大罐） 1、分批灭菌（实消、实罐灭菌）、分批灭菌（实消、实罐灭菌） 将配制好的培养基放在发酵罐、加压灭菌将配制好的培养基放在发酵罐、加压灭菌 锅或其它容器中，通入水蒸汽将锅或其它容器中，通入水蒸汽将培养基培养基和和所所 用设备用设备一起灭菌的操作过程。一起灭菌的操作过程。 四路进汽：直接蒸汽从四路进汽：直接蒸汽从 进气口进气口、取样取样和和排料口排料口 进入罐内直接加热，夹进入罐内直接加热，夹 套进气。套进气。 * 四路出汽：直接蒸汽从四路出汽：直接蒸汽从 排气排气、接种接种、进料进料和和消消 泡剂管泡剂管排气

9、排气。 2 2、分批灭菌的过程包括三个阶段分批灭菌的过程包括三个阶段 升温（升温（预热）预热）阶段：阶段： 通过夹套或蛇管间接加热通过夹套或蛇管间接加热75-9075-90。大罐。大罐 也可以直接蒸气加热。也可以直接蒸气加热。 然后再导入蒸汽升温然后再导入蒸汽升温 到到120130。 保温阶段保温阶段：灭菌的重要阶段。习惯上，：灭菌的重要阶段。习惯上， 5050立方立方 米以下的米以下的, ,保温时间看作是灭菌时间。保温时间看作是灭菌时间。 从各路通入蒸汽（进气口、排料口、取样口），从各路通入蒸汽（进气口、排料口、取样口）， 温度升到温度升到120130，保温，保温30min 保温中，应注意凡

10、在培养基液面下的各种进口保温中，应注意凡在培养基液面下的各种进口 管道都应通入蒸汽，而在液面以上的其余各管管道都应通入蒸汽，而在液面以上的其余各管 道则应排放蒸汽，不留死角，灭菌彻底。道则应排放蒸汽，不留死角，灭菌彻底。 降温阶段：降温阶段：依次关闭各排汽、进汽阀门，依次关闭各排汽、进汽阀门， 待罐内压力低于空气压力后，向罐内通待罐内压力低于空气压力后，向罐内通 入无菌空气，在夹套或蛇管中通冷水降入无菌空气，在夹套或蛇管中通冷水降 温，防止罐体负压变形。温，防止罐体负压变形。 3、分批灭菌的注意事项 1）各路蒸汽进口要畅通，防止短路逆流；罐）各路蒸汽进口要畅通，防止短路逆流；罐 内液体翻动要剧

11、烈，使物料达到均一的灭菌内液体翻动要剧烈，使物料达到均一的灭菌 温度。温度。 2）排气量不宜过大，以节约蒸汽。）排气量不宜过大，以节约蒸汽。 3）灭菌将要结束时，应立即引入无菌空气以）灭菌将要结束时，应立即引入无菌空气以 保持罐压，然后开夹套或蛇管冷却，以避免保持罐压，然后开夹套或蛇管冷却，以避免 罐压迅速下降产生负压而吸入外界空气，或罐压迅速下降产生负压而吸入外界空气，或 引起发酵罐破坏。引起发酵罐破坏。 4）在引入无菌空气前，罐内压力必须低于过）在引入无菌空气前，罐内压力必须低于过 滤器压力，否则培养基将倒流入过滤器。滤器压力，否则培养基将倒流入过滤器。 4、培养基实罐灭菌的质量优劣判、培

12、养基实罐灭菌的质量优劣判 别的标准别的标准 1) 培养基灭菌后达到无菌的要求；培养基灭菌后达到无菌的要求； 2) 营养成分破坏少；营养成分破坏少； 3) 灭菌培养基体积与计料体积相符；灭菌培养基体积与计料体积相符； 4) 泡沫要少。泡沫要少。 5、分批灭菌（实消）、分批灭菌（实消）特点：特点： 1 1、不需要专门的灭菌设备，投资少，设备简单。、不需要专门的灭菌设备，投资少，设备简单。 2 2、灭菌效果可靠，对蒸汽的要求低，一般在、灭菌效果可靠，对蒸汽的要求低，一般在 （0.30.30.40.4） MPaMPa 3 3、中小型发酵罐常用的灭菌方法。、中小型发酵罐常用的灭菌方法。 4 4、灭菌后、

13、灭菌后培养基质量比较差，营养损失大。培养基质量比较差，营养损失大。 5 5、罐的利用率低。、罐的利用率低。 第三节第三节 培养基的连续灭菌培养基的连续灭菌 连续灭菌（连消）连续灭菌（连消） 培养基在发酵培养基在发酵罐外罐外连续地加热、连续地加热、 保温、冷却，然后进入发酵罐。保温、冷却，然后进入发酵罐。 连续灭菌与分批灭菌灭菌曲线图 时间 温度 1代表连续灭菌 2代表分批灭菌（小罐） 3代表分批灭菌（大罐） 1.培养基连续灭菌的优点 1)采用高温，快速灭菌，营养成分破坏较少，采用高温，快速灭菌，营养成分破坏较少， 提高发酵产量；提高发酵产量； 2)灭菌时间短，设备利用率高；灭菌时间短，设备利用

14、率高； 3)蒸汽负荷均衡，锅炉利用高；蒸汽负荷均衡，锅炉利用高； 4)适宜采用自动控制；适宜采用自动控制； 5)减低劳动强度减低劳动强度. 空消空消 连续灭菌时，需在培养基进入发酵罐连续灭菌时，需在培养基进入发酵罐 前，直接用蒸汽进行前，直接用蒸汽进行空罐灭菌空罐灭菌（空消）空消） （温度（温度125125130130； 时间时间30304545分钟）。分钟）。 空消时一般维持罐压空消时一般维持罐压0.150.150.20.2MpaMpa 用无菌空气保压（用无菌空气保压（0.0980.098MpaMpa），待培养，待培养 基流入罐后，开始冷却。基流入罐后，开始冷却。 2.连续灭菌的工艺流程 配

15、料罐 预热罐 输料泵 60-70 0.5-0.6MPa 加热器 维持罐 冷却器 130-135 130-135 40-45 培养罐 3、连续灭菌设备及计算 按加热器的形式可分：按加热器的形式可分： 连消塔连消塔加热连续灭菌流程加热连续灭菌流程 喷射式喷射式加热的连续灭菌流程加热的连续灭菌流程 加热设备 塔式加热器塔式加热器 （即连消塔）（即连消塔） 套管式连消塔套管式连消塔 混合式连消塔混合式连消塔 连消器连消器 喷射式加热器喷射式加热器 a)连消塔加热连续灭菌流程 （2）连消塔(套管式) 连消塔用内外两根管 子套合组成（高 3m ），内管开有 45向下倾斜的小孔， 孔径一般为6mm。停 留时

16、间一般取20 30s；线速度要求 0.1m/s。 连消塔又称加热器，是培养基与蒸汽混合加连消塔又称加热器，是培养基与蒸汽混合加 热至灭菌温度的设备。热至灭菌温度的设备。 要求在要求在2030s或更短的时间内将料液加热或更短的时间内将料液加热 至至125140。 生产中一般用生产中一般用0.50.6Mpa的活蒸汽与预热的活蒸汽与预热 后的料液直接接触而加热。后的料液直接接触而加热。 连消器 为了增加混合效果，器为了增加混合效果，器 内设置一块内设置一块弧形挡板弧形挡板。 高度仅为高度仅为0.50.5m m左右左右。 b)喷射式加热的连续灭菌流程 培养基用泵打入喷射加热器，以较高速度自 喷嘴喷出，

17、借高速流体的抽吸作用与蒸汽混 合后进入管道维持器，经一定维持时间后通 过一膨胀阀进入真空闪急蒸发室，因真空作 用使水分急骤蒸发而冷却到7080左右，再 进入发酵罐冷却到接种温度。 喷射式加热器： 喷射式加热器： 喷射式加热器 特点：特点： 蒸汽和料液迅速接触，充分混合，加热蒸汽和料液迅速接触，充分混合，加热 是在瞬间内完成。是在瞬间内完成。 罐式维持器 停留时间：停留时间：= V= V维持 维持/ V / V物料流量 物料流量 V V维持罐 维持罐 =V =V维持 维持/ /（ （85%-90%85%-90%） 停留时间停留时间= =理论灭菌时间理论灭菌时间(35)倍倍 罐的有效体积能满足维持

18、时间罐的有效体积能满足维持时间8 825min25min的需的需 要，填充系数为要，填充系数为 85%-90%85%-90%。 例1： 有一连消系统，每小时处理量为有一连消系统，每小时处理量为15m15m3 3，料液密度，料液密度 1000Kg/m1000Kg/m3 3，料液中原始菌数，料液中原始菌数10107 7个个/ml/ml，灭菌，灭菌 温度温度132132。 求：求： 理论灭菌时间？理论灭菌时间？ 采用罐式维持器，物料应停留时间？采用罐式维持器，物料应停留时间？ 维持罐容积维持罐容积? ? 解 K=0.299(1/S) NS=0.001个/罐, N0=10715106个/罐 13.36

19、 14845 lg T K S N N K 0 lg 303. 2 (min)2 . 2)(29.132 001. 0 101510 lg 299. 0 303. 2 67 s 采用罐式维持器采用罐式维持器, ,由于物料存在严重返混由于物料存在严重返混 =2.2 =2.2 (3 (35)5)倍倍 = 6.6(min)= 6.6(min) 物料在罐内停留时间为物料在罐内停留时间为6.6 min6.6 min V V维持 维持= Vm = Vm VmVm：每小时处理量：每小时处理量,15m,15m3 3/h/h 维持罐的装料系数维持罐的装料系数85%85%90%90% V V维持罐 维持罐 = V

20、m = Vm 85% 85% = 6.6 = 6.6(15(1560)60)0.85 0.85 = 1.94(m = 1.94(m3 3) ) 管式维持器 另外一种维持设备为管式维持器 在喷射加热的连续灭菌流程中使用。略 管式维持器管式维持器 克服维持设备中的反混现象克服维持设备中的反混现象, ,流速流速 0.250.6m/s, m/s, 平推流平推流 无缝不锈钢管无缝不锈钢管 108mm108mm4mm;4mm; 1331334mm4mm 冷却设备 真空冷却真空冷却 喷淋冷却器喷淋冷却器 螺旋板换热器螺旋板换热器 冷却设备-真空冷却器 工作原理：连续灭菌后的培养基进入真空工作原理：连续灭菌后

21、的培养基进入真空 冷却器内，在一定的真空度下冷却器内，在一定的真空度下 水分汽化，使物料本身温度下水分汽化，使物料本身温度下 降。降。 真空冷凝器 热物料 冷物料 二次蒸汽 真空冷凝器 料液下降管长 度应大于9M 真空度保持在70 80kPa(530600mmHg)， 真空冷却装置图 l一真空冷却器 2冷凝器 3一喷射器 4冷水进口 5料液进口 真空冷却器设计参数： 蒸汽在冷却器内上升速度 0.8-1.0 m/s 蒸汽在出口管内的流速 WS10 m/s 物料在出口管内的流速 Wm= 0.2-0.3 m/s 物料在进口管内的流速 Wm= 40-60 m/s 热物料 冷物料 二次蒸汽 真空冷凝器

22、料液下降管长 度应大于9M 1.5 喷射加热真空冷却连消流程 优点优点：加热和冷却在瞬间完成，营养成分破：加热和冷却在瞬间完成，营养成分破 坏最少，可以采用高温灭菌坏最少，可以采用高温灭菌(140)。 缺点缺点： 由于真空的影响，将由于真空的影响，将真空冷却器真空冷却器置于离发酵置于离发酵 罐液面罐液面10m以上的高处，否则物料就不能自以上的高处，否则物料就不能自 行流进发酵罐，或者在下面要安装一台行流进发酵罐，或者在下面要安装一台出料出料 泵泵，但泵的密封要求高，并避免染菌。，但泵的密封要求高，并避免染菌。 板式换热器灭菌流程板式换热器灭菌流程 板式换热器灭菌流程特点： 1、 使培养基的预热

23、、加热灭菌及冷却过程可使培养基的预热、加热灭菌及冷却过程可 在同一设备内完成。在同一设备内完成。 2、加热和冷却培养液所需要的时间比使用喷射加热和冷却培养液所需要的时间比使用喷射 式连续灭菌稍长，但较分批灭菌小得多。式连续灭菌稍长，但较分批灭菌小得多。 3、由于培养液的预热过程同时为灭菌培养液的由于培养液的预热过程同时为灭菌培养液的 冷却过程，所以节约了蒸汽及冷却水的用量。冷却过程，所以节约了蒸汽及冷却水的用量。 冷却设备-喷淋冷却器（常用） 喷林冷却器是将水通过喷林装置均匀地淋在喷林冷却器是将水通过喷林装置均匀地淋在 水平的排管上，来冷却管内的培养基。水平的排管上，来冷却管内的培养基。 培养基一般由排管下部进入，而由上部排出。培养基一般由排管下部进入，而由上部排出。 冷却设备-喷淋冷却器 设计参数：设计参数： 物料在管内的流速物料在管内的流速 W Wm m = 0.6-0.7 M/S = 0.6-0.7 M/S K=920-1050 (kJ/m K=920-1050 (kJ/m2 2h) h) 冷却水至最上排直管至最下排直管的温差冷却水至最上排直管至最下排直管的温差 T=20T=20左右。左右。 冷却设备-螺旋板换热器 新型热效率很高的换热设备。新型热效率很高的换热设备。 设计参数设计参