第一章 物料处理与培养基制备

第一章物料处理与培养基制备第1页，共82页，2023年，2月20日，星期三生物工程设备是生物工程技术和化学工程与设备交叉的学科，主要介绍在生物工程生产过程中常用设备的结构、特点、原理、设计、计算、选型及保养.第2页，共82页，2023年，2月20日，星期三生物工程设备曾用名：工业生物技术装备工业生化设备生化设备抗生素生产设备发酵设备第3页，共82页，2023年，2月20日，星期三参考书:（1）《生物工程设备》，梁世中主编中国轻工业出版社.（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.第4页，共82页，2023年，2月20日，星期三主要内容讲课学时第一章培养基灭菌的设备4学时第二章压缩空气预处理及除菌设备6学时第三章生物反应器14学时第四章液-固分离设备6学时第五章萃取设备6学时第六章蒸发与结晶设备4学时第七章生物产品干燥设备6学时复习与机动2学时总计48学时第5页，共82页，2023年，2月20日，星期三考核:平时成绩20分.出勤、作业、小考、笔记、课堂表现等。期末闭卷考试成绩80分.第6页，共82页，2023年，2月20日，星期三第一章培养基灭菌的设备

第一节培养基的灭菌方法※第二节培养基实罐灭菌※第三节培养基连续灭菌

第7页，共82页，2023年，2月20日，星期三

第一节培养基的灭菌方法采用高温蒸气灭菌---湿热灭菌

第8页，共82页，2023年，2月20日，星期三

1.工程上无菌标准灭菌对象耐热杆菌芽孢120℃,20-30分钟

培养基初始污染度

104～108（个/ml）：2×107个/ml

无菌标准

NS=10-3

即1/1000的失败机率第9页，共82页，2023年，2月20日，星期三

2.对数残留定律微生物死亡速率与任一瞬间残存的活菌数成正比——对数残留定律即第10页，共82页，2023年，2月20日，星期三死亡速率常数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。第11页，共82页，2023年，2月20日，星期三开始灭菌时，t＝0，培养基中的活菌数量为N0；当t＝t时，N＝Nt式（1－1）被称为对数残留定律，第12页，共82页，2023年，2月20日，星期三理论灭菌时间N0一般可以参考培养基中的活微生物：（1～2）×(105-107)个。Nt＝0.001个/罐。第13页，共82页，2023年，2月20日，星期三第14页，共82页，2023年，2月20日，星期三第15页，共82页，2023年，2月20日，星期三3.死亡的速度常数K与温度关系,阿累尼乌斯常数A，活化能E第16页，共82页，2023年，2月20日，星期三对于某一耐热芽孢杆菌A=1.34x10３６(1/S)

△E=67930卡/克分子第17页，共82页，2023年，2月20日，星期三灭菌温度的选择式中ΔE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ΔE不同。第18页，共82页，2023年，2月20日，星期三灭菌时杀死微生物的ΔE大于培养基成分破坏的ΔE`，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。第19页，共82页，2023年，2月20日，星期三4.灭菌的温度和时间对营养成分破坏的影响第20页，共82页，2023年，2月20日，星期三灭菌目的：灭菌后的培养基无杂菌,营养成分破坏少。培养基灭菌要解决的问题是：灭菌的温度灭菌的时间第21页，共82页，2023年，2月20日，星期三5.影响培养基灭菌的其他因素培养基成分、pH值、培养基中的颗粒、泡沫第22页，共82页，2023年，2月20日，星期三第二节培养基实罐灭菌分批灭菌（实消、实罐灭菌）连续灭菌（连消）空罐灭菌（空消）第23页，共82页，2023年，2月20日，星期三第24页，共82页，2023年，2月20日，星期三

1、分批灭菌（实消、实罐灭菌）将配制好的培养基放在发酵罐、加压灭菌锅或其它容器中，通入水蒸汽将培养基和所用设备一起灭菌的操作过程。第25页，共82页，2023年，2月20日，星期三第26页，共82页，2023年，2月20日，星期三第27页，共82页，2023年，2月20日，星期三保温阶段：灭菌的重要阶段。习惯上，50立方米以下的,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），温度升到120－130℃，保温30min

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道则应排放蒸汽，不留死角，灭菌彻底。第28页，共82页，2023年，2月20日，星期三降温阶段：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。

第29页，共82页，2023年，2月20日，星期三3、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；罐内液体翻动要剧烈，使物料达到均一的灭菌温度。2）排气量不宜过大，以节约蒸汽。第30页，共82页，2023年，2月20日，星期三3）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。4）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。第31页，共82页，2023年，2月20日，星期三4、培养基实罐灭菌的质量优劣判别的标准1)培养基灭菌后达到无菌的要求；2)营养成分破坏少；3)灭菌培养基体积与计料体积相符；4)泡沫要少。第32页，共82页，2023年，2月20日，星期三5、分批灭菌（实消）特点：

1、不需要专门的灭菌设备，投资少，设备简单。2、灭菌效果可靠，对蒸汽的要求低，一般在（0.3－0.4）×MPa3、中小型发酵罐常用的灭菌方法。4、灭菌后培养基质量比较差，营养损失大。5、罐的利用率低。第33页，共82页，2023年，2月20日，星期三第三节培养基的连续灭菌连续灭菌（连消）培养基在发酵罐外连续地加热、保温、冷却，然后进入发酵罐。第34页，共82页，2023年，2月20日，星期三连续灭菌与分批灭菌灭菌曲线图第35页，共82页，2023年，2月20日，星期三1.培养基连续灭菌的优点采用高温，快速灭菌，营养成分破坏较少，提高发酵产量；灭菌时间短，设备利用率高；蒸汽负荷均衡，锅炉利用高；适宜采用自动控制；减低劳动强度.第36页，共82页，2023年，2月20日，星期三空消第37页，共82页，2023年，2月20日，星期三2.连续灭菌的工艺流程配料罐预热罐输料泵

60-70℃0.5-0.6MPa加热器维持罐冷却器

130-135℃130-135℃40-45℃培养罐第38页，共82页，2023年，2月20日，星期三3、连续灭菌设备及计算按加热器的形式可分：连消塔加热连续灭菌流程喷射式加热的连续灭菌流程第39页，共82页，2023年，2月20日，星期三加热设备塔式加热器（即连消塔）套管式连消塔混合式连消塔连消器

喷射式加热器第40页，共82页，2023年，2月20日，星期三a)连消塔加热连续灭菌流程第41页，共82页，2023年，2月20日，星期三（2）连消塔(套管式)

第42页，共82页，2023年，2月20日，星期三连消塔又称加热器，是培养基与蒸汽混合加热至灭菌温度的设备。要求在20~30s或更短的时间内将料液加热至125~140℃。生产中一般用0.5~0.6Mpa的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。第43页，共82页，2023年，2月20日，星期三第44页，共82页，2023年，2月20日，星期三连消器第45页，共82页，2023年，2月20日，星期三b)喷射式加热的连续灭菌流程第46页，共82页，2023年，2月20日，星期三培养基用泵打入喷射加热器，以较高速度自喷嘴喷出，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70~80℃左右，再进入发酵罐冷却到接种温度。第47页，共82页，2023年，2月20日，星期三喷射式加热器：第48页，共82页，2023年，2月20日，星期三第49页，共82页，2023年，2月20日，星期三喷射式加热器：第50页，共82页，2023年，2月20日，星期三喷射式加热器特点：蒸汽和料液迅速接触，充分混合，加热是在瞬间内完成。第51页，共82页，2023年，2月20日，星期三第52页，共82页，2023年，2月20日，星期三罐式维持器停留时间：τ=V维持/V物料流量

V维持罐

=V维持/（85%-90%）停留时间=理论灭菌时间×(3~5)倍罐的有效体积能满足维持时间8～25min的需要，填充系数为85%-90%。第53页，共82页，2023年，2月20日，星期三例1：有一连消系统，每小时处理量为15m3，料液密度1000Kg/m3，料液中原始菌数107个/ml，灭菌温度132℃。

求：①理论灭菌时间？

②采用罐式维持器，物料应停留时间？维持罐容积?

第54页，共82页，2023年，2月20日，星期三解K=0.299(1/S)‏NS=0.001个/罐,N0=107×15×106个/罐第55页，共82页，2023年，2月20日，星期三采用罐式维持器,由于物料存在严重返混

τ=2.2×(3～5)倍=6.6(min)

物料在罐内停留时间为6.6minV维持=VmτVm：每小时处理量,15m3/h维持罐的装料系数85%～90%V维持罐

=τ·Vm÷85%=6.6×(15÷60)÷0.85

=1.94(m3)‏第56页，共82页，2023年，2月20日，星期三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。略第57页，共82页，2023年，2月20日，星期三管式维持器克服维持设备中的反混现象,流速0.25~0.6m/s,平推流无缝不锈钢管Φ108mm×4mm;Φ133×4mm第58页，共82页，2023年，2月20日，星期三冷却设备真空冷却喷淋冷却器螺旋板换热器第59页，共82页，2023年，2月20日，星期三冷却设备---真空冷却器工作原理：连续灭菌后的培养基进入真空冷却器内，在一定的真空度下水分汽化，使物料本身温度下降。

第60页，共82页，2023年，2月20日，星期三真空冷凝器真空度保持在70～80kPa(530～600mmHg)，第61页，共82页，2023年，2月20日，星期三真空冷却装置图l一真空冷却器2—冷凝器3一喷射器4—冷水进口5—料液进口第62页，共82页，2023年，2月20日，星期三真空冷却器设计参数：蒸汽在冷却器内上升速度ＷＳ＝0.8-1.0m/s蒸汽在出口管内的流速WS≤10m/s物料在出口管内的流速Wm=0.2-0.3m/s物料在进口管内的流速Wm=40-60m/s

第63页，共82页，2023年，2月20日，星期三Ｈ／Ｄ＝1.5第64页，共82页，2023年，2月20日，星期三第65页，共82页，2023年，2月20日，星期三喷射加热——真空冷却连消流程优点：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(140℃)。缺点：由于真空的影响，将真空冷却器置于离发酵罐液面10m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出料泵，但泵的密封要求高，并避免染菌。第66页，共82页，2023年，2月20日，星期三板式换热器灭菌流程第67页，共82页，2023年，2月20日，星期三板式换热器灭菌流程特点：1、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。2、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。3、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。第68页，共82页，2023年，2月20日，星期三冷却设备---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。第69页，共82页，2023年，2月20日，星期三冷却设备---喷淋冷却器设计参数：物料在管内的流速Wm=0.6-0.7M/S

K=920-1050(kJ/m2h℃)

冷却水至最上排直管至最下排直管的温差ΔT=20℃左右。

第70页，共82页，2023年，2月20日，星期三

第71页，共82页，2023年，2月20日，星期三冷却设备---螺旋板换热器新型热效率很高的换热设备。设计参数Ｋ=2090-6270(kJ/m2h℃)‏

第72页，共82页，2023年，2月20日，星期三第73页，共82页，2023年，2月20日，星期三螺旋板换热器是由三片金属板卷成金属板的间隙为10mm，两流体逆流流动。操作压力和温度不能太高，一般小于2MPa最高不能超过4MPa，操作温度在300－400℃以下。第74页，共82页，2023年，2月20日，星期三薄板换热器第75页，共82页，2023年，2月20日，星期三第76页，共82页，2023年，2月20日，星期三第77页，