酵工程单元操作课件

1、发酵工程单元操作第六章第六章 发酵工程基本操作发酵工程基本操作发酵工程单元操作第一节 严格消毒灭菌 控制有害微生物主要有以下几种措施 发酵工程单元操作（一）灭菌（sterilization） 采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施，称为灭菌，例如各种高温灭菌措施等。 灭菌实质上可分杀菌和溶菌两种，前者指菌体虽死，但形体尚存，后者则指菌体杀死后，其细胞发生溶化、消失的现象 。发酵工程单元操作发酵工程单元操作（二）消毒（disinfection） 从字义上来看，消毒就是消除毒害，这里的“毒害”就是指传染源或致病菌的意思，英文中的“dis-infection”也是

2、“消除传染”的意思。 所以，消毒是一种采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部一部分对人体有害的病原菌，而对被消毒的物体基本无害的措施。发酵工程单元操作（三）防腐（antisepsis） 防腐就是利用某种理化因素完全抑制霉腐微生物的生长繁殖，从而达到防止食品等发生霉腐的措施。（1）低温（2）缺氧（3）干燥 （4）高渗 （5）高酸度 （6）防腐剂发酵工程单元操作（四）化疗（chemotherapy） 化疗即化学治疗。它是利用具有高度选择毒力（即对病原菌具有高度毒力而对宿主无显著毒性）的化学物质来抑制宿主体内病原微生物的生长繁殖，借以达到治疗该传染病的一种措施。 用于化疗目的的化学物质称化学治疗

3、剂。最重要的化学治疗剂如各种抗生素、磺胺类药物和中草药中的有效成分等。 发酵工程单元操作除菌的方法 培养基的加热灭菌（包括常压或蒸汽高压加热法） 空气的过滤除菌 紫外线或电离辐射 化学药物灭菌 发酵工程单元操作（一）高温杀菌作用的种类 高温致死原理：由于它使微生物的蛋白质和核酸等重要生物高分子发生变性、破坏，例如它可使核酸发生脱氨、脱嘌呤或降解，以及破坏细胞膜上的类脂质成分等。 湿热灭菌要比干热灭菌更有效，这一方面是由于湿热易于传递热量，另一方面是由于湿热更易破坏保持蛋白质稳定性的氢键等结构，从而加速其变性。发酵工程单元操作发酵工程单元操作1干热灭菌法， 将金属制品或清洁玻璃器皿放入电热烘箱内

4、，在150170下维持12小时后，即可达到彻底灭菌的目的。在这种条件下，可使细胞膜破坏、蛋白质变性、原生质干燥，以及各种细胞成分发生氧化。灼烧，是一种最彻底的干热灭菌方法，但它只能用于接种环、接种针等少数对象的灭菌。 发酵工程单元操作2湿热灭菌法 湿热灭菌法比干热灭菌法更有效。 多数细菌和真菌的营养细胞在60左右处理510min后即可杀死； 酵母菌和真菌的孢子稍耐热些，要用80以上的温度处理才能杀死； 而细菌的芽孢最耐热，一般要在120下处理15min才能杀死。发酵工程单元操作（1）常压法 巴氏消毒法（pasteurization） 用于牛奶、啤酒、果酒和酱油等不能进行高温灭菌的液体的一种消毒

5、方法，其主要目的是杀死其中无芽孢的病原菌（如牛奶中的结核杆菌或沙门氏菌），而又不影响它们的风味。 巴氏消毒法是一种低温消毒法 低温维持法：在63下保持30分钟可进行牛奶消毒； 高温瞬时法：用于牛奶消毒时只要在72下保持15秒钟即可。发酵工程单元操作 间歇灭菌法，又称丁达尔灭菌法或分段灭菌法。适用于不耐热培养基的灭菌。 方法是：将待灭菌的培养基在80100下蒸煮1560分钟，以杀死其中所有微生物的营养细胞，然后置室温或37下保温过夜，诱导残留的芽孢发芽，第二天再以同法蒸煮和保温过夜，如此连续重复3天，即可在较低温度下达到彻底灭菌的效果。发酵工程单元操作（2）加压法 常规加压灭菌法 盛有适量水的加

6、压蒸汽灭菌锅加热煮沸，彻底驱尽后将锅密闭，再继续加热至121（压力为1kgcm2或15磅英寸2），时间维持1520分钟，也可采用在较低的温度（115，即0.7kgcm2或10磅英寸2）下维持35分钟的方法。 此法适合于一切微生物学实验室、医疗保健机构或发酵工厂中对培养基及多种器材、物料的灭菌。发酵工程单元操作 连续加压灭菌法 在发酵行业里也称“连消法”。此法只在大规模的发酵工厂中作培养基灭菌用。 主要操作：将培养基在发酵罐外连续不断地进行加热、维持和冷却，然后才进入发酵罐。培养基一般在135140下处理515秒钟。 发酵工程单元操作连续加压灭菌法优点 因采用高温瞬时灭菌，故既可杀灭微生物，又可

7、最大限度减少营养成分的破坏，从而提高了原料的利用率，比“实罐灭菌”（120，30分钟）提高产量510；由于总的灭菌时间较分批灭菌注明显减少，所以缩短了发酵罐的占用周期，从而提高了它的利用率；由于蒸汽负荷均匀，故提高了锅炉的利用率；适宜于自动化操作；降低了操作人员的劳动强度。 发酵工程单元操作（二）影响加压蒸汽灭菌效果的因素 （1）灭菌物体含菌量的影响。 天然原料尤其是麸皮等植物性原料配成的培养基，一般含菌量较高，而用纯粹化学试剂配制成的组合培养基，含菌量低。发酵工程单元操作 （2）灭菌锅内空气排除程度的影响 检验灭菌锅内空气排除度，可采用多种方法。最好的办法是灭菌锅上同时装有压力表和温度计，其

8、次是将待测气体通过橡胶管引入深层冷水中，如只听到“扑扑”声而未见有气泡冒出，也可证明锅内已是纯蒸汽了。发酵工程单元操作 （3）灭菌对象pH的影响 （4）灭菌对象的体积。要防止用常规的压力和时间在加压灭菌锅内进行大容量培养基的灭菌。 （5）加热与散热速度。这两段时间也对灭菌效果和培养基成分发生影响。为了使科学研究的结果有良好的重演性，在灭菌操作中对这些技术细节都应加以注意。 发酵工程单元操作（三）高温对培养基成分的有害影响及其防止 发酵工程单元操作消除高温有害影响的措施 （1）采用特殊加热灭菌法 （2）对易破坏的含糖培养基进行灭菌时，应先将糖液与其他成分分别灭菌后再合并； （3）对含Ca2+或F

9、e3+的培养基与磷酸盐先作分别灭菌，然后再混合，就不易形成磷酸盐沉淀；发酵工程单元操作（4）对含有在高温下易破坏成分的培养基（如含糖组合培养基）可进行低压灭菌（在112即0.57kgcm2或8磅英寸2下灭菌15分钟）或间歇灭菌；（5）在大规模发酵工业中，可采用连续加压灭菌法进行培养基的灭菌发酵工程单元操作发酵工程单元操作(二二)灭菌设备灭菌设备 l、高压蒸汽灭菌、高压蒸汽灭菌 生产中使用高压蒸汽灭菌锅生产中使用高压蒸汽灭菌锅的型号很多的型号很多手提式灭菌锅，容量小，多用于母种培养基灭菌。手提式灭菌锅，容量小，多用于母种培养基灭菌。立式或卧式灭菌锅较大，多用于原种或少量栽培立式或卧式灭菌锅较大，

10、多用于原种或少量栽培种培养基的灭菌，一般能装几十瓶或几百瓶。种培养基的灭菌，一般能装几十瓶或几百瓶。灭菌柜要和蒸汽锅炉配套，用于大量的原种和栽灭菌柜要和蒸汽锅炉配套，用于大量的原种和栽培种培养基的灭菌，一次能装几百至几千瓶培种培养基的灭菌，一次能装几百至几千瓶(袋袋)。但投资太大，适合大型菌种场使用。但投资太大，适合大型菌种场使用。发酵工程单元操作 2常压蒸汽灭菌锅 常压蒸汽灭菌锅是用铁锅、砖、水泥砌成的，造价低，适于一般生产单位和专业户使用。大小可根据需要而定，但最大的锅每次装料也最好不超过500公斤。 3烘箱 烘箱主要是用于玻璃器皿的干燥和灭菌，也可用于其它物品烘干。 发酵工程单元操作第四

11、节第四节 培养基的灭菌培养基的灭菌 发酵工程单元操作、湿热灭菌的基本原理： 湿热灭菌是直接用蒸汽灭菌。蒸汽冷凝时释放大量潜热，并具有强有强大的穿透力，在高温和水存在时，微生物细胞中的蛋白质极易发生不可逆的凝固性变性，致使微生物在短时间内死亡。发酵工程单元操作 由于湿热灭菌有经济和快速等特点，因此被广泛用于工业生产。 用蒸汽加热的方法对培养基灭菌的要求是: 既要达到一定的灭菌程度， 又要尽量减少营养成分的破坏。发酵工程单元操作（一）理论灭菌时间（一）理论灭菌时间 某些分子的分解和分子内部的重新排列的反应属于单分子反应。 杂菌虽然是一个复杂的高分子体系，但其受热被杀死，主要原因是高温能使蛋白质变性

12、，这种反应属与单分子反应，因此杂菌在一定温度下受热死亡也遵循单分子反应方程。 发酵工程单元操作 =(2.303/k)log(No/Ns) =(2.303/k)log(No/Ns) - - -灭菌时间（秒）灭菌时间（秒） k- k-反应速度常数，与菌的种类和加热温度有关（反应速度常数，与菌的种类和加热温度有关（s s） No- No-灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数（个灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数（个mlml） Ns-Ns-经过灭菌时间经过灭菌时间T T后，残存活菌个数（个后，残存活菌个数（个mlml） 发酵工程单元操作（二）灭菌温度与菌反应速度（二）灭菌温度与菌反应速度常数的关系常数的

13、关系 灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系：灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系： k=Ae-E/RT k=Ae-E/RT KK菌死亡的速度常数（菌死亡的速度常数（1 1秒），当反应物的浓度为单位浓度时，秒），当反应物的浓度为单位浓度时，则反应速度常数在数值上等于反应速度则反应速度常数在数值上等于反应速度 AA阿累尼乌斯常数（阿累尼乌斯常数（1 1秒）秒） RR气体常数（气体常数（1.9871.987* *4.8174.817焦开摩尔）焦开摩尔） TT绝对温度（开）绝对温度（开） 发酵工程单元操作二、影响培养基灭菌的因素二、影响培养基灭菌的因素 1、pH值的影响 pH值对微生物的耐热性影响很大，p

14、H为6.08.0时微生物最不易死亡， pH 6.0时氢离子易渗入微生物的细胞内。 发酵工程单元操作 2、培养基成分 培养基的成分中，油脂、糖类、蛋白质都是传热的不良介质，会增加微生物的耐热性，使灭菌困难。 浓度较高的培养基相对需要较高温度和较长时间灭菌。 高浓度的盐类，色素则削弱其耐热性，故较易灭菌。发酵工程单元操作 3、培养基中的颗粒物质 培养基中的颗粒物质大，灭菌困难，反之，灭菌容易。一般说来，含有颗粒对培养基灭菌影响不大，但在培养基混有较大颗粒，特别是存在凝结成团的胶体时，会影响灭菌效果，必须过滤除去。 发酵工程单元操作三、灭菌的实际操作三、灭菌的实际操作 （一）空罐灭菌（一）空罐灭菌

15、空罐灭菌也称空消。无论是种子罐、发酵罐、还是尿素（或液氨）罐、消泡罐，当培养基（或物料）尚未进罐前对罐进行预先灭菌，为空罐灭菌。 为了杀死所有微生物特别是耐热的的芽孢，空罐灭菌要求温度较高，灭菌时间较长，只有这样才能杀死设备中各死角残存的杂菌或芽孢。 发酵工程单元操作 （二）实罐灭菌（二）实罐灭菌 将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，这叫做实罐灭菌，又称分批灭菌。 操作要点： 三路进汽：直接蒸汽从通风、取样和出料口进入罐内直接加热，直到所规定的温度，并维持一定的时间。这就是所谓的“三路进气”。 发酵工程单元操作培养基连消工艺流程图培

16、养基连消工艺流程图 发酵工程单元操作 （2）过滤除菌法 是将液体或气体用微孔薄膜过滤，使大于孔径的细菌等微生物颗粒阻留，从而达到除菌目的。在体外培养时，过滤除菌大多用于遇热容易变性而失效的试剂或培养液。发酵工程单元操作 目前，大多实验室采用微孔滤膜滤器除菌。关键步骤是安装滤膜及无菌过滤过程。 滤膜过滤装置、烧结玻璃滤板过滤器、石棉板过滤器（Seitz滤器）、素烧瓷过滤器以及硅藻土过滤器等。过滤除菌的缺点是无法去除其中的病毒和噬菌体。发酵工程单元操作 （3）其他方法 在配制培养基时，为避免发生沉淀，一般应按配方逐一加入各种成分。 另外，加入0.01EDTA或0.01NTA（氮川三乙酸）等螯合剂到

17、培养基中，可防止金属离子发生沉淀。 最后，还可以用气体灭菌剂如氧化乙烯等对个别成分进行灭菌处理。发酵工程单元操作三、化学杀菌剂或制菌剂三、化学杀菌剂或制菌剂 发酵工程单元操作（一）表面消毒剂 常用消毒剂的种类很多，它们的杀菌强度各不相同。但几乎都有一个共同规律，即当其在极低浓度时，常常会对微生物的生命活动起刺激作用，随着浓度逐渐增高，就相继出现制菌和杀菌作用，因而形成一个连续的作用谱。 表面消毒剂是指对一切活细胞都有毒性，不能用作活细胞内的化学治疗用的化学药剂。 发酵工程单元操作 为比较各种表面消毒剂的相对杀菌强度，常采用在临床上最早使用的消毒剂石炭酸作为比较的标准，并提出了石炭酸系数这一指标

18、。 所谓石炭酸系数，指在一定时间内被试药剂能杀死全部供试菌的最高稀释度与达到同效的石炭酸的最高稀释度的比率。一般规定处理时间为10分钟，而供试菌定为Salmonellatyphi（伤寒沙门氏菌）。 发酵工程单元操作发酵工程单元操作消消 毒毒 试试 验验 以人工染菌实物为消毒对象，模拟现场表面污染大肠杆菌液。 消毒前采样：放置无菌规格板，取无菌棉拭于含5ml稀释液试管中沾湿， 在规格板空心处旋转自左至右涂抹整个区域 消毒后采样：在前采样地点旁用0.05过氧乙酸溶液消毒物体表面，30分钟后将无菌棉 拭于含5ml采样液试管中沾湿，作为消毒后样液。 将 消 毒 前 后 样 液 充 分 振 荡 摇 匀

19、后 稀 释 培养待凝固后37培养2448小时，作菌落计数。发酵工程单元操作灭菌效果监测灭菌效果监测 、高压蒸气灭菌效果监测 (1) 高压蒸气灭菌指示卡：将卡片放入灭菌器不同部位，观察灭菌后指示卡颜色变化。 (2)芽胞菌片法：将每片染有嗜热脂肪杆菌芽胞105cfu/ml的菌片包好、放入灭菌器内。灭菌后作细菌计数测定。 对照是不经灭菌的菌片，芽胞完全被杀灭或杀来率达99.9999为合格。 发酵工程单元操作 、紫外线消毒效果监测 微型紫外线强度计：使用时打开仪器开关，装入电池，打开电源开关 ，接通电源，将测定电压转换开关拨至电压一方，此时指针应超过中线。 测定时，将测定电压转换开关拨至测定一方，打开

20、紫外线灯照射分钟后，将紫外线灯强度计置于紫外线灯下垂直的中央进行照射， 直至仪表指针稳定，所示之值即为该紫外线灯的强度值(uw/cm2) 。发酵工程单元操作 (2)紫外线强度与消毒剂量指示卡： 测定灯管强度时，将卡片置于离紫外灯管的中央处，将图案一面朝向灯管，照射一分钟（照射时间要准确）后，图案正中涂层由白色变为紫红色。与周围相应色块相比，可测知所照射的强度。 新灯管以不低于100uw/cm2为合格，旧灯管低于70uw/cm2应更换。 发酵工程单元操作第二节第二节 空气的净化空气的净化 发酵工程单元操作一、空气中微生物的分布一、空气中微生物的分布 空气中微生物的含量和种类，随地区，季节和空气中

21、灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。 .北方气候干燥，寒冷，空气中的含菌量较多，离地面越高，含菌量越少；一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级； 城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为30008000个米3 。发酵工程单元操作 空气中的微生物种类以细菌和细菌芽胞较多，也有酵母，霉菌和病毒。 这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上，空气中微生物的含量一般为103104个米3。 灰尘粒子的平均大小约0.6m左右，所以空气除菌主要是去除空气中的微粒(0.6-1m ）发酵工程单元操作二、空气除菌二、空气除菌 工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和

22、菌种不同而异。 半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，一般无需复杂的空所净化处理； 密闭的深层通气发酵需严格的纯净培养，进入发酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和过滤除菌等处理。发酵工程单元操作（二）发酵对空气无菌程度（二）发酵对空气无菌程度的要求的要求 好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要作到 绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济的。 发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，正压等几项指标； 发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要在发酵过程中不因无菌空气染菌，而造成损失即可。 在工程设计中一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为N

23、=10-3 发酵工程单元操作二、空气除菌的方法二、空气除菌的方法 （一）（一） 辐射杀菌辐射杀菌 （二）（二） 热杀菌热杀菌 （三）（三） 静电除菌静电除菌 （四）（四） 过滤除菌过滤除菌 发酵工程单元操作3 3辐射灭菌法辐射灭菌法 最常用的是用紫外光线进行无菌室灭菌。2537波长的紫外线具有极强烈的杀菌效力，它的主要作用是使微生物的DNA分子产生的胸腺嘧啶的二聚体，导致细胞死亡。 无菌室常用的紫外灯功率为30W，安装在操作台上方一米左右高处，每次照射15-30min既可。 紫外线有很强的杀菌力，但穿透力很弱，一张薄纸即可完全挡住紫外线，因此待灭菌物品必须置于紫外光直接照射下，而且在一定范围内

24、作用强度与距离平方成反比。发酵工程单元操作 此外，紫外线对人体组织有一定刺激作用，眼睛、皮肤受照射后会产生某些症状，所以工作人员在无菌室操作时应关闭紫外灯发酵工程单元操作热灭菌热灭菌 原理：基于加热后微生物体内的蛋白（酶）热变性而得以实现。 热空气进入培养系统之前，一般均需用压缩机压缩，提高压力。 空气压缩后温度能达到200度以上，保持一定时间后，便可实行干热杀菌。发酵工程单元操作 利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原理对制备大量无菌空气有特别意义。 实际应用中需考虑培养装置与空气压缩机的相对位置，连接压缩机与培养装置的管道的灭菌以及管道长度等。发酵工程单元操作静电除菌静电除菌 静电除尘器可

25、除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去微生物。 原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌目的。 对于一些直径小的微粒，所带电荷小，不能被吸附而沉降。发酵工程单元操作介质过滤除菌介质过滤除菌 介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌的目的。 从可靠性，经济适用与便于控制等方面考虑，目前仍以介质过滤法较好，也是大多数发酵厂广泛采用的方法。发酵工程单元操作发酵生产中制备无菌空气的大发酵生产中制备无菌空气的大致过程致过程 发酵工程单元操作 要制备较高无菌程度，具有一定压力的无菌空气，它的流程设备有空气压缩机。 附属设备要求尽量采用新技术，

26、提高效率，减少设备，精简设备投资、运转费用和动力消耗，简便操作。 流程的制订就根据所在的地理、气候环境和设备条件而考虑。 发酵工程单元操作 在环境污染比较严重的地方，要考虑改变吸风的条件，以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度； 在温暖潮湿的南方，要加强除水设施，以确保和发挥过滤器的最大除菌效率； 在压缩机耗油严重的设备流程中则要加强消除油雾的污染等等。 发酵工程单元操作 要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。 气流速度可由操作来控制； 要保持不受油、水干扰则要有一系列冷却、分离、加热的设备来保证空气的相对湿度在50%60%的条件下过滤。 发酵工程单元操作 高

27、空取气管是远离地面几十米的管子。一般而言，地面附近空气中所含的 微生物和灰尘等均比高空空气中含的多，据资料介绍，每升高10米，空气中杂菌可降低一个数量级，因此从高空取气要比从低空取气有利得多。 发酵工程单元操作油水分离器油水分离器 其内部同时采用直接拦截，惯性碰撞，布朗扩散及凝聚等机理，能有效地去除空气中的水、油雾、尘埃，内部不锈钢丝网可清洗，使用寿命长。发酵工程单元操作两级分离、冷却、加热的空气除菌流程 粗过滤器粗过滤器压缩机压缩机 贮罐贮罐冷却器冷却器 丝网分离器丝网分离器 过滤器过滤器发酵工程单元操作 高效前置过滤器高效前置过滤器压缩机压缩机贮罐贮罐冷却器冷却器 丝网分离器丝网分离器加热

28、器加热器过滤器过滤器 发酵工程单元操作空气净化的流程空气净化的流程 吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤 进入空气压缩机（120-150度） 冷却（20-25度），除去油、水，再加热至30-35度。 最后通过总过滤器和分过滤器除菌，获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。发酵工程单元操作 概述： 目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多数是传统的深层过滤设备，滤层厚度一般为12米，所用的过滤介质一般是棉花、活性炭，也有采用玻璃纤维、焦炭等。 对不同的材料，材料的不同规格，材料的填充情况不同，都会得到不同的过滤效果。为了制取适合要求的无菌空气，就得深入研究深层过滤的各种关系。 发酵工程单元操作

29、 深层过滤所用的过滤介质棉花的纤维直径一般为1620微米。 充填系数为8%时，棉花纤维所形成网格的孔隙为2050微米，微粒大小为(0.5-2微米)。 微粒随气流通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流出现无数次改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进； 这些改变引起微粒以对滤层纤维产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。 发酵工程单元操作纤维介质阻留微粒的机制纤维介质阻留微粒的机制 1阻拦截留：微粒随空气气流向前运动，当气流为层流时，随气流运动的粒子在接近纤维表面的部分由于与过滤介质接触而被纤维吸附捕集，这种作用称之为阻拦截留。 空气流速愈小，纤

30、维直径愈细，阻拦截留作用愈大。但是在介质过滤的除尘除菌中，阻拦截留并不起主要作用。发酵工程单元操作 2惯性碰撞截留：空气气流流速大时，气流中的微粒具有较大的惯性力。当微粒随气流以一定速度向纤维垂直运动因受纤维阻挡而急剧改变运动方向时，由于微粒具有的惯性作用使它们仍然沿原来方向前进碰撞到纤维表面，产生摩擦粘附而使微粒被截留在纤维表面，这种作用称惯性碰撞截留。 发酵工程单元操作 截留区域的大小决定于微粒运动的惯性力，所以，气流速度愈大，惯性力大，截留效果也愈好。此外，惯性碰撞截面作用也与纤维直径有关，纤维愈细，捕集效果愈好。惯性碰撞截面在介质除尘中起主要作用。发酵工程单元操作 3布朗扩散运动：直径

31、小于1的微粒在运动中往往产生种不规则的布朗运动，使微粒间相互凝集成较大的粒子，从而发生重力沉降或被介质敲留。但是这种作用只有在气流速度较低时才较显著。发酵工程单元操作 重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降。 就单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用。 一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率。 发酵工程单元操作 干空气对非导体的物质相对运动磨擦时，会产生诱导电荷，纤维和树脂处理过的纤维，尤其是一些合成纤维更为显著。 悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不同

32、的电荷，如枯草杆菌孢子20%带正电荷，20%带负电荷，15%中性， 这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。发酵工程单元操作 此外，表面吸附也归属于这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能应是表面吸附的作用。发酵工程单元操作空气过滤除菌空气过滤除菌介质介质 、棉花 、玻璃纤维 、活性炭 、超细玻璃纤维纸 、石棉滤板 、烧结材料过滤介质 、新型过滤介质 发酵工程单元操作影响介质过滤效率的因素影响介质过滤效率的因素 介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高。 对于相同介质，过滤效率与介质滤层厚度、介质填充密度和空气流量有关。发酵工程单元操作提高过滤除菌

33、效率的措施提高过滤除菌效率的措施 鉴于目前所采用的过滤介质均需要干燥条件下才能进行除菌，因此需要围绕介质来提高除菌效率。发酵工程单元操作 （1）设计合理的空气预处理设备，选择合适的空气净化流程，以达到除油、水和杂质的目的。 （2）设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质。 （3）保证进口空气清洁度，如加强生产场地卫生管理，正确选择进风口，加强空气压缩前的预处理。 （4）降低进入空气过滤器的空气相对湿度，如使用无油润滑的空气压缩机，加强空气冷却和去油，提高进入过滤器的空气温度。发酵工程单元操作过滤器失效过滤器失效 压缩空气进入过滤器后便引起活性炭颗粒之间相互顶撞与摩擦，久而成为粉末(

34、灰化)，活性炭的体积也逐渐变小，于是过滤器内的空间逐渐增大，到达-定程度时，便会发生棉花成90翻身现象。这样空气便会未经过滤而进入罐内，引起染菌。发酵工程单元操作 棉花经过多次加热灭菌后，颜色逐渐变深，靠近过滤器壁的棉花，因经受夹层蒸汽的烤干，受热更为剧烈，更容易变成粉末，而被空气带走，造成过滤层有缝隙，使过滤层疏松而漏风甚至还因过高的压力和过长时间的烘烤而引起棉花活性炭着火的事故。发酵工程单元操作（二）（二）过滤器的结构过滤器的结构 、棉花活性炭过滤器 棉花是最常用的过滤介质，通常要用纤维不太长的原棉，因为它具有一定的弹性，虽然几经湿热灭菌，干燥后仍能保持原有的疏松状态。棉花的过滤阻力较活性

35、炭大（1012倍）。 活性炭通常被加工成粒状，其过滤效率比棉花低，但具有阻力小，吸附力强（可吸附空气中有害物质，如油、水）的特点，通常与棉花介质一起使用，减少过滤层的阻力。发酵工程单元操作 棉花活性炭过滤器的过滤效率可达99%. 其过滤介质装填为： 上部和下部装填棉花，其厚度为总过滤层的2*（1/41/3），中间再装入1/21/3厚度的活性炭。一般棉花的填充密度为150200公斤/米3，活性炭40450公斤/米3。 孔板 金属丝网 麻布织品棉花麻布织品活性炭麻布织品棉花麻布织品金属丝网孔板发酵工程单元操作发酵工程单元操作按入式过滤器按入式过滤器1、便于迅速更换 2、活塞型滤芯与壳体密封，防止未

36、过滤的气体绕过滤芯 3、防腐蚀滤芯：不锈钢芯以增强结构性能；气流阻力低；采用缝焊以提高强度 4、新型矩阵混合纤维介质有效表面积大，确保高效率；开放区大，尽量减少压降 5、涂膜封闭式泡沫套筒抗油类和酸类物质的腐蚀，防止液体重新混入气流，确保高效率 6、不含石硅树脂 7、可承受65的高温 发酵工程单元操作微生物的培养方法微生物的培养方法发酵工程单元操作氧的供需氧的供需 实验室中，通过摇瓶机往复运动或偏心旋转运动供氧。 中试规模和生产规模的培养装置采用通入无菌压缩空气并同时进行搅拌的方式。 近年来开发出无搅拌装置的节能培养设备，如气升式发酵罐。 细胞对鼓泡通气和机械搅拌产生的剪切作用敏感。发酵工程单

37、元操作 在常压下（20）达到平衡时，氧在水中的溶解度仅为6.2mlL（0.28mmol）。这些氧只能保证氧化8.3mg（即0.046mmol）葡萄糖，仅相当培养基中常用葡萄糖浓度的1。 除葡萄糖外，培养基中的无机或有机养料一般都可保证微生物使用几小时至几天。 对好氧菌来说，生长的限制因子几乎总是氧的供应。 只有将培养液装成浅层时，氧才不至于成为限制因子。发酵工程单元操作提高溶氧速率的措施提高溶氧速率的措施 在进行液体培养时，一般可通过增加液体与氧的接触面积或提高氧分压来提高溶氧速率， 具体措施有： 浅层液体培养； 利用往复式或旋转式摇床（shaker）对三角瓶培养物作振荡培养； 在深层液体培养

38、器的底部通入加压空气，并用气体分布器使其以小气泡形式均匀喷出； 对培养液进行机械搅拌，并在培养器的壁上设置阻挡装置。 发酵工程单元操作在实验室进行好氧菌培养在实验室进行好氧菌培养的具体方法的具体方法 （1）试管液体培养装液量可多可少。此法的通气效果一般均不够理想，仅适合培养兼性厌氧菌。 （2）三角瓶浅层培养在静止状态下，三角瓶内的通气状况与其中装液量和棉塞通气程度对微生物的生长速度和生长量有很大的关系。此法一般也仅适宜培养兼性厌氧菌。发酵工程单元操作 （3）摇瓶培养 即将三角瓶内培养液用8层纱布包住瓶口，以取代一般的棉花塞，同时降低瓶内的装液量，把它放到往复式或旋转式摇床上作有节奏的振荡，以达

39、到提高溶氧量的目的。 （4）台式发酵罐体积一般为几升至几十升，并有多种自动控制和记录装置。发酵工程单元操作氧的性质及发酵液中实际需氧量氧的性质及发酵液中实际需氧量 难溶气体，在25度和105 Pa时，氧在纯水中的溶解度为0.25mol/m3 。 对于发酵液中每小时在1 m3 培养液中需要氧是溶解量的750倍。如果中断供氧，菌体会在几秒钟内耗尽溶氧。发酵工程单元操作细胞对氧的需求细胞对氧的需求 氧作为受氢体 氧直接参与一些生物反应发酵工程单元操作微生物的吸氧量微生物的吸氧量 常用呼吸强度和耗氧速率表示。 呼吸强度：单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量，QO2 ，表示微生物的绝对耗氧量。 耗氧

40、速率：单位体积培养液在单位时间内的吸氧量，r。 二者关系：呼吸强度表示微生物的绝对吸氧量，但当培养液中有固体成分存在时，测定困难。用耗氧速率表示。 r= QO2 c(X) c(X) 发酵液中菌体的浓度发酵工程单元操作 在培养过程中不需要使溶解氧浓度达到或接近饱和值，而只要超过某一临界氧浓度即可。 当不存在其他限制性基质时，如果溶氧浓度高于临界值，细胞的比耗氧速率保持恒定； 如果溶氧浓度低于临界值，细胞的比耗氧速率大大下降，这时细胞处于半厌氧状态。发酵工程单元操作临界溶氧浓度临界溶氧浓度 满足微生物呼吸的最低氧浓度。在临界氧浓度以下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而显著下降。 好氧微生物临界氧

41、浓度大约是饱和浓度的1-25。发酵工程单元操作发酵对溶解氧的影响发酵对溶解氧的影响 培养基的成分和浓度显著影响耗氧。 菌龄 菌体的耗氧量 溶氧高发酵条件最适条件下发酵或排除有毒代谢产物培养加有利于菌体的生长和产物合成，但溶氧太大有时反而抑制产物的形成。发酵工程单元操作 需考查每一种发酵产物的临界氧浓度和最适氧浓度。 最适溶氧浓度的大小与菌体和产物合成代谢的特性有关。发酵工程单元操作供氧与微生物呼吸代谢的关系供氧与微生物呼吸代谢的关系 好氧微生物所含的氧化酶系：过氧化氢酶，细胞色素氧化酶，黄素脱氢酶，多酰氧化酶等。 不同好氧微生物所含的氧化酶系的种类和数量不面，在不同环境条件下，各种微生物的吸氧

42、量或呼吸强度不同。发酵工程单元操作对微生物供氧的传递过程对微生物供氧的传递过程 空气中的氧(氧溶入液体的传递速度)液体中的溶氧(氧由液体至微生物的传递速度)微生物体内的氧(氧的利用速度)产物 在氧的传递过程中液膜阻力是控制因素。 为了供给微生物必需的氧量，必须注意发酵罐的类型及运转以维持所要求的Kla。发酵工程单元操作一一 双膜理论的基本前提双膜理论的基本前提 （1）在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的液体分子和液膜中的液体分子都处于层流状态，分子间无对流运动，因此氧的分子只能以扩散方式，即籍浓度差而

43、透过双膜。发酵工程单元操作 另外，气泡内除开气膜以外的气体分子，处于对流状态，称为气体主流，在空气主流空间的任一点，氧分子的浓度相同，液体主流中也是如此。发酵工程单元操作 （2）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度 （3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度不随时间而变。发酵工程单元操作氧传递的动力和阻力氧传递的动力和阻力 在氧从气泡传递到细胞内要克服一系列的阻力，相对大小取决于流体力学特性、温度、细胞活性和浓度、液体的组成、界面特性以及其他因素。 传递过程的总推动力是气相与细胞内的氧分压之差。发酵工程单元操作 气液相间的氧传递阻力：气膜和液膜中。 液固相间的氧传递

44、：细胞或细胞周围的液膜阻力可忽略。发酵工程单元操作 在发酵工业生产上如何保证发酵中氧的供给，以满足生产菌对氧的需求，是稳定和提高生产、降低成本的关键之一。 在发酵中氧究竟够不够，即产量是否受到氧的限制，单凭通气量大小是难于确定的。 了解通气搅拌对发酵的影响，最简便有效的办法便是就地测量发酵液中氧的浓度。从氧浓度变化曲线可以看出氧供需的规律及对生产的影响。 溶氧可作为发酵中氧是否足够的度量，发酵异常情况的指示，发酵中间控制的手段之一和考查设备及工艺条件对氧供需与产物形成影响的指标之一。发酵工程单元操作氧在水中的溶解度氧在水中的溶解度 发酵工程单元操作 培养液中氧的溶解比水中还小，因为氧的溶解度随

45、着温度的升高而下降，随着培养液固形物的增多，或粘度的增加而下降。 长期以来深层通风培养普遍使用机械搅拌罐，由于罐的直径与通风管径相差悬殊，故通入气体的细碎与醪液的混合完全依靠机械搅拌作用。发酵工程单元操作影响氧溶解效果的因素影响氧溶解效果的因素 发酵罐结构如高径比 挡板安置情况 罐内压与发酵液深度 搅拌器型式 搅拌转速 通风量 培养基组成。 主要是搅拌转速与通风量。发酵工程单元操作机械搅拌可以提高通风效果机械搅拌可以提高通风效果的原因的原因 搅拌将通入的空气打碎成细泡，增加了气液接触面积 小气泡从罐底上升到液面的速度要比大气泡慢，这又使气液接触的时间增加 由于搅拌使液体形成湍流，使气泡不是直线上升而是成螺旋线上升，延长了气泡在液体中运动的时间与路程 由于液体呈湍流运动因而减少了气泡周围的液膜厚度，增加了氧扩散到液体中的速度。发酵工程单元操作发酵过程中溶解氧的变化发酵过程中溶解氧的变化 每种产物发酵的溶氧浓度变化都有自己的规律。 明显下降：需氧量超过供氧量，使溶氧浓度明显下降，出现一个低峰，产生菌的摄氧率同时出现高峰。发酵液中的菌浓也不断上升。粘度一般在这个时期也会出现一高峰阶段。这都说明产物物菌正处在对