第一章09 物料处理与培养基制备

生物工程设备BiologicalEngineeringEquipment48学时，3学分，考试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104～108（个/ml）：2×107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dtdNktNkNdtdN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。开始灭菌时，t＝0，培养基中的活菌数量为N0；当t＝t时，N＝Nt)11(lg303.2ln000tktttNNkteNNktNN式（1－1）被称为对数残留定律，理论灭菌时间)11(lg303.20tNNktN0一般可以参考培养基中的活微生物：（1～2）×(105-107)个。Nt＝0.001个/罐。3.死亡的速度常数K与温度关系1/TlgKlgA-E.ATREKlg1303.2lgRTEeAK,阿累尼乌斯常数A，活化能E对于某一耐热芽孢杆菌A=1.34x10３６(1/S)△E=67930卡/克分子TeK987.167930361034.1RTEeAK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。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(%)10040099.3110366711515501204271300.581400.0821500.011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）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）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120－130℃。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。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。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）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。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，提高发酵产量；2)灭菌时间短，设备利用率高；3)蒸汽负荷均衡，锅炉利用高；4)适宜采用自动控制；5)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125℃～130℃；时间30～45分钟）。空消时一般维持罐压0.15～0.2Mpa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°向下倾斜的小孔，孔径一般为6mm。停留时间一般取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。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70~80℃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：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：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%。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?解K=0.299(1/S)‏NS=0.001个/罐,N0=107×15×106个/罐13.3614845lgTKSNNK0lg303.2(min)2.2)(29.132001.0101510lg299.0303.267s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)‏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0.25~0.6m/s,平推流无缝不锈钢管Φ108mm×4mm;Φ133×4mm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。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(530～600mmHg)，•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9MＨ／Ｄ＝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=0.6-0.7M/SK=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。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℃)‏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。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，复习题1区别连消、实消、空消？2灭菌流程中冷却设备有哪些?原理及特点？3简述喷射式加热的连续灭菌流程及其特点。4简述连消塔结构特点。5连消的工艺特点？