第一章-物料处理与培养基制备.ppt

1、,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.,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,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.,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

2、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,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,第一节 培养基的灭菌方法,采用高温蒸气灭菌-湿热灭菌,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 104108（个/ml）： 2107个/ml 无菌标准 NS=10-3 即1/1000的失败机率,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,死亡速率常

3、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。,开始灭菌时，t 0，培养基中的活菌数量为N 0 ；当t t 时，N Nt,式（11）被称为对数残留定律，,理论灭菌时间,N 0 一般可以参考培养基中的活微生物：（12）(10 5-107 )个。 Nt 0.001 个/ 罐。,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,对于某一耐热芽孢杆菌 A=1.34x10(1/S) E = 67930卡/克分子,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

4、同菌其热死亡反应的E不同。,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,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,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）,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。,四路进汽：直接

5、蒸汽从进气口、取样和排料口进入罐内直接加热，夹套进气。 * 四路出汽：直接蒸汽从排气、接种、进料和消泡剂管排气。,2、分批灭菌的过程包括三个阶段 升温（预热）阶段： 通过夹套或蛇管间接加热75-90。大罐也可以直接蒸气加热。 然后再导入蒸汽升温到120130。,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120130，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。,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

6、，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。,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。,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。,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。,5、分批灭菌（实消）

7、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（0.30.4） MPa 3、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。,连续灭菌与分批灭菌灭菌曲线图,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.,空消,连续灭菌时，需在培养基进入发酵罐前，直接用蒸汽进行空罐灭菌（空消） （温度

8、125130； 时间3045分钟）。 空消时一般维持罐压0.150.2Mpa 用无菌空气保压（0.098Mpa），待培养基流入罐后，开始冷却。,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,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,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,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

9、小孔，孔径一般为6mm。停留时间一般取2030s；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热至灭菌温度的设备。 要求在2030s或更短的时间内将料液加热至125140。 生产中一般用0.50.6Mpa的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。,连消器,为了增加混合效果，器内设置一块弧形挡板。 高度仅为0.5m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，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

10、：,喷射式加热器：,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。,罐式维持器,停留时间：= 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(35)倍 罐的有效体积能满足维持时间825min的需要，填充系数为 85%-90%。,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： 理论灭菌时间？ 采用罐式维持器，物料应停留时间？ 维持罐容积?,解,K=0.299(1/S) NS=0.001个/罐, N0=10715106个/罐,采用罐式维持器,由于物料存在严重

11、返混 =2.2 (35)倍 = 6.6(min) 物料在罐内停留时间为6.6 min V维持= Vm Vm：每小时处理量,15m3/h 维持罐的装料系数85%90% V维持罐 = Vm 85% = 6.6(1560)0.85 = 1.94(m3),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 克服维持设备中的反混现象,流速0.250.6m/s, 平推流 无缝不锈钢管 108mm4mm; 1334mm,冷却设备,真空冷却 喷淋冷却器 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 冷却器内，在一定的真空度下 水分汽化，使物料本

12、身温度下 降。,真空冷凝器,真空度保持在7080kPa(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,1.5,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

13、一台出料泵，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。,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。,冷却设备-喷淋冷却器,设计参数： 物料在管内的流速 Wm = 0.6-0.7 M/S K=920-1050 (kJ/m2h) 冷却水至最上

14、排直管至最下排直管的温差T=20左右。,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=2090-6270(kJ/m2h),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300400以下。,薄板换热器,薄板换热器,高效换热，传热系数可达6000W/(m2) 结构紧凑 质量轻，操作灵活性大，容易清洗通用性强，,设备清洗与灭菌,CIP清洗,重要管制点 清洗时间 视附着物的种类而定 清洗剂温度 60-80C 清洗剂浓度 1.0-2.0% 流速,温度及压力 1.5-2.0m/s, 10-15m3/Hr, 2Bar,CIP清洗大循环: 水-碱-水-酸-水 CIP清洗小循环: 水-碱-水 生产高酸产品不能取代大循环中酸洗的部份,六、培养基与设备、管道灭菌条件 1