第11章微生物工程生产设备-五空气除菌

第十一章微生物工程生产设备种子扩大培养培养基配制空气除菌培养基灭菌发酵生产下游处理发酵设备发酵的一般流程提纲第一节培养基及发酵设备的灭菌第二节发酵设备第三节空气除菌设备第四节产品纯化设备发酵类型和设备固体发酵盘曲、帘曲——曲盘、帘子等，自然通风发酵池、窖、地缸——相对密闭不通风厚层通风制曲——曲箱，机械通风旋转培养——转鼓型发酵罐，机械通风液体发酵厌气发酵——厌气发酵罐，密闭不通风好气发酵密闭通风机械搅拌通风通风搅拌非循环式循环式通风式发酵罐自吸式发酵罐伍式发酵罐，内循环文式发酵罐，外循环非循环式循环式——空气带升式发酵罐鼓泡式发酵罐塔式发酵罐第一节培养基及发酵设备灭菌培养基的灭菌培养基灭菌的基本原理分批灭菌连续灭菌空气除菌空气除菌的基本方式空气过滤除菌流程深层过滤原理过滤介质及其设备设备与管道的灭菌第一节培养基及发酵设备灭菌一、灭菌方法二、培养基的灭菌三、培养基的分批灭菌四、培养基的连续灭菌一、灭菌方法1、化学药剂灭菌2、射线灭菌3、干热灭菌4、湿热灭菌5、过滤除菌二、培养基的灭菌理论灭菌时间的计算（对数残留公式）N0τ=2.303/klog—N实际灭菌的经验数据高温灭菌(Hightemperaturesetrilization)120℃，维持(Maintaining)20-30分钟K—比死亡速率（s-1）NO-开始时菌浓度N-残存菌浓度工程上，N为10-3/罐二、培养基的灭菌灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系阿累尼乌斯公式：K=A·exp-△E/RTK—菌死亡的速度常数A—阿累尼乌斯常数exp—2.71△E—杀死细菌孢子的活化能（J/K·mol）R—气体常数[8.314J/（mol·K)]T—绝对温度（K）二、培养基的灭菌活化能大的反应中，反应时间随温度变化也大；杀死细菌和芽孢的活化能远大于营养成分被破坏的活化能（EE’）；sosoNNNNtlogAe303.2logAe303.2RTEE/RT1RT'E)1Ae303.2(''logtNNso'二、培养基的灭菌采用高温短时的灭菌方法可以减少养分的破坏。RTE'-ERTERT'ERTE'RTEe1ee1)1Ae303.2(1)1Ae303.2(''loglogttNNNNsoso二、培养基的灭菌灭菌温度（ºC）灭菌时间（分钟）VB1的破坏（%）11036671204271300.581500.011培养基配置与分批灭菌流程三、培养基的分批灭菌分批灭菌总灭菌时间=加热时间＋维持时间＋冷却时间t总=t加热+t维持+t冷却若已知加热时间(t加热)和冷却时间(t冷却)，那么只要合理设置维持时间(t维持)就能使灭菌过程中培养基的养分的破坏降到最小。四、培养基的连续灭菌常见的连续灭菌的流程连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程喷射加热连续灭菌流程薄板换热器连续灭菌流程四、培养基的连续灭菌连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程四、培养基的连续灭菌喷射加热连续灭菌流程四、培养基的连续灭菌薄板换热器连续灭菌流程四、培养基的连续灭菌连续灭菌的优点提高产量，缩短发酵周期减少养分破坏，产品质量较易控制设备利用率高，操作方便适于自动控制，劳动强度低第二节发酵设备一、机械搅拌发酵罐二、其他类型发酵罐三、搅拌轴功率的计算四、发酵罐的放大一、机械搅拌通风发酵罐发酵罐的基本条件适宜的径高比（高与直径的比值为2.5—4）能承受一定压力、温度搅拌通风装置保证气液充分混合具有足够的冷却面积死角少，灭菌彻底轴封严密，泄漏少发酵罐的基本结构一、机械搅拌通风发酵罐一、机械搅拌通风发酵罐发酵罐的搅拌器功能：打碎空气（径向），使发酵液充分混合（轴向）类型：平叶式、弯叶式、剑叶式叶片数量：一般6片，最少3片，最多6片一、机械搅拌通风发酵罐发酵罐的换热装置夹套式换热装置：结构简单，死角少，利于灭菌，降温效果较差，适用于小型发酵罐。竖式蛇管换热装置：降温效果较好，节水。竖式列管（排管）换热装置：降温效果好，但要求水源充足。一、机械搅拌通风发酵罐挡板作用：克服涡流，将经向改变为轴向流动，增加溶氧速率。大小：宽，0.1-0.12D；长，液面至罐底。位置：与罐壁的间距，1/5-1/8W。数量：4块，竖式蛇管换热装置也起一定挡板作用。一、机械搅拌通风发酵罐机械消泡方法罐内消泡：在发酵罐内消除泡沫耙式消泡桨、碟式消泡器等罐外消泡：将泡沫引出发酵罐外，消泡后再返回罐内旋转叶片消泡器、离心式消泡器等一、机械搅拌通风发酵罐耙式消泡桨一、机械搅拌通风发酵罐碟片式消泡器优点：消泡能力强，功耗小缺点：结构复杂，维护麻烦一、机械搅拌通风发酵罐旋转叶片罐外消泡一、机械搅拌通风发酵罐离心力罐外消泡二、其他类型发酵罐液体深层厌气发酵设备酒精发酵罐的结构二、其他类型发酵罐自吸式发酵罐非循环机械搅拌二、其他类型发酵罐伍式发酵罐（循环机械搅拌）二、其他类型发酵罐带升式发酵罐（循环通气搅拌）二、其他类型发酵罐塔式发酵罐（非循环通气搅拌）其他类型生物反应器生物反应器：为特定的细胞或酶提供适宜的增殖或进行特定生化反应环境，并且都是利用生物催化剂进行生化反应的设备。其他类型生物反应器动植物细胞反应器其他类型生物反应器生物滤池——污水处理其他类型生物反应器生物转盘法——污水处理出水进水进水出水其他类型生物反应器接触氧化法和流化床法——污水处理其他类型生物反应器立式多段发酵塔——固体废弃物处理其他类型生物反应器卧式回转圆筒形发酵仓——固体废弃物处理其他类型生物反应器高温动态二次堆肥车间——固体废弃物处理其他类型生物反应器生物吸收法——生物除臭其他类型生物反应器堆肥滤池法——生物除臭堆肥滤池法固体发酵特点固体发酵的优点原料简单不易被污染回收产品容易通气较易实现，节能发酵废料可用作饲料三、搅拌轴功率的计算应考虑的因素：发酵罐直径D（m）、搅拌器直径d（m）液柱高度HL（m）、搅拌器形式、搅拌器转速n(r·min-1)、液体粘度µ（Pa·S）、液体密度ρ（kg/m3）、重力加速度g（m/s2）以及有无档板等。轴功率（W）：P=Ø（n、d、ρ、µ、g）目前，一般每立方米发酵培养液的功率吸收为1-3.5KW。四、发酵罐的放大1、几何尺寸放大法；2、空气流量放大法；①以单位体积的空气流量相同的原则放大；②空气线速度相同的原则放大；③以KLα相同的原则放大；④搅拌器叶尖速度相同的原则放大；⑤混合时间相同的原则放大。第三节空气除菌设备加热灭菌（220°C，20秒）[灭菌彻底，能耗大，成本高]电除菌[除菌效果差，仅用于初除菌]辐射灭菌[254-265nm效果最佳，仅限表面灭菌]介质过滤除菌[主流的除菌方式]第三节空气除菌设备一、介质除菌（介质过滤）的原理惯性冲击滞留作用原理拦截滞留作用原理布朗扩散作用原理重力沉降作用原理静电吸附作用原理第三节空气除菌设备二、介质过滤效率的过滤器的计算介质层厚度：1N0L=—ln—KN空气过滤器直径：D=（4Q/Πωg）-2K—过滤器的除菌效率；N—过滤器出口空气中的含菌量；ωg—气体流速；Q—发酵罐每分钟用空气量。第三节空气除菌设备三、空气除菌设备空气过滤除菌的目的Ns10-3个/m3，同时使空气有一定压力空气过滤除菌流程普通空气冷却除菌流程高效前置过滤除菌流程第三节空气除菌设备普通空气冷却除菌流程第三节空气除菌设备高效前置过滤除菌流程第三节空气除菌设备过滤介质棉花、玻璃纤维、纸、活性碳、石棉滤板、烧结材料过滤介质等过滤器结构第三节空气除菌设备空气过滤的附属设备初过滤器：减轻主过滤器负荷，防止空压机磨损空气贮罐：维持压力稳定，沉降油雾气液分离器：冷凝水雾和油雾空气冷却器：降温、降压、冷凝设备与管道的灭菌设备灭菌压力灭菌时间灭菌锅0.098MPa20-30min种子罐、发酵罐、计量罐、管道等0.147MPa45min空气过滤器0.147MPa120min第四节产品纯化设备一、两相分离设备：一）离心分离设备1．碟片式离心机2.管式离心机3．倾析式离心机二）过滤设备1．板框过滤机2.真空转鼓过滤机3．硅藻土过滤机三）其他固液分离设备切向流过滤双水相萃取吸附法二、蒸发浓缩设备1、真空浓缩器2、膜式蒸发器1)升膜蒸发器2)降膜蒸发器3)旋转刮板蒸发器4)板式蒸发器三、干燥设备1、气流干燥2、沸腾干燥3、喷雾干燥本章知识结构★培养基及发酵设备的灭菌方法常用的发酵设备★机械搅拌发酵罐常用的空气除菌设备常用的产品纯化设备★两相分离设备预习内容—生产举例抗生素生产工艺氨基酸生产工艺啤酒生产工艺柠檬酸生产工艺污水的生物处理