第一章 发酵工程设备

课程：生物工程设备课时：36学时方式：讲授，报告，讨论考试：闭卷学习成绩－－能力培养交互式教学（强调双边活动）绪论1、生物过程工程学基本概念2、生物技术设备的基本概念3、生物过程工程概述4、课程内容和任务生物学化学工程工程学化学生物工程生物化学生物技术新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？1、生物过程工程学基本概念生物反应过程是整个生物生产过程的核心，其它过程都是为生物反应过程服务的。1.1工程理念1.2工程学基本概念1.1工程理念工程学是研究工业生产过程系统规律性的科学，探索如何有效的在合理的生产设备将原料转变为工业产品的科学。必须有以下四种工程理念(engineeringthought)：理论上的正确性(validtheory)；技术上的可行性(technicalfeasibility);操作上的安全性(safetyoperation)；经济上的合理性(economicalrationality)。工程学的观点目的产物中心观点能量最小的观点细胞经济与生产经济矛盾的观点细胞代谢调控机制使其代谢反应有序进行，处于平衡生长则无代谢物积累，称为细胞经济;通过改变细胞基因型改变代谢途径或改变培养条件控制代谢，过量表达代谢产物对细胞能量利用和细胞组成物质的合成都是不经济的，这种细胞叫做”病态”细胞衡算概念质量衡算、热量衡算和动量衡算速率概念速率问题是理论上的正确性合技术上的可行性的一个重要的衡量标志和判断标准。过程速率=f(过程的推动力/过程的阻力)1.2工程学基本概念最优化概念最优化方法所研究的中心问题是如何根据系统的特性去选择满足控制规律的参数，使得系统按照要求运转或工作，同时使系统的性能或指标达到最优化。以动力学为基础的最佳工艺控制点的静态操作方法向以细胞代谢流的分析与控制为核心的生物反应最优化技术经济概念不管是在小试、中试还是示范工程建设中都必须始终贯穿着技术经济概念，这样才能保证所开发的生物技术方案的科学性和合理性。2.1生物技术工艺与设备2.2生物工程设备2、生物工程设备的基本概念2.1生物技术工艺与设备生物技术工艺包含了一系列的生物反应过程、化学反应过程和物理操作过程，需相应设备中进行。其核心为生物反应过程。生物工程设备的发展可以促进生物技术产品的开发和生产。生物工程设备技术在现代生物技术产业中具有十分重要的地位。2.2生物工程设备生物工程设备的特点生物工程设备的发展历程生物工程设备的工作领域生物工程过程与设备生物工程设备的特点（1）对于所有微生物或动植物细胞来讲，提供必要和足够的营养和能量，才能维持其生命代谢活动。（2）培养基原料的预处理不仅影响细胞代谢生长，而且对于培养基原料成本大小和是否造成环境污染等具有决定性影响。（3）如何合理的设计种子培养系统，以及各级种子培养时间和接种比例，达到种子系统与生产培养过程合理配套，获得最大的得率。（4）生物反应过程中的细胞培养一般都是纯种培养过程。（5）如何保证足够的氧气供给，又尽可能节省能量，是好氧培养过程的重要组成部分。（6）从培养液中得到所需产品的合适、高效、低成本的分离纯化方法，是决定生产成败的关键。生物工程设备的发展历程生物技术的发展过程是以某一个生物过程工程与设备成熟为标志的，有以下五个发展阶段：（1）传统经验制造技术（天然发酵阶段）：坛坛罐罐（2）纯种培养技术的成熟（初级代谢产物生产阶段）：简单设备（3）通气搅拌技术的成熟（好氧培养阶段）：机械通风培养设备（4）代谢控制发酵技术的成熟：气升式生物等反应器出现及配套设备出现（5）基因重组技术的成熟（现代生物技术阶段）：分离提取、动植物细胞培养反应器等出现、自动化控制（6）生物催化工程发展阶段：生物催化的新型设备及设备流程在工业生产中得到应用生物工程产业范例：青霉素1928.09.15,弗莱明发现青霉素，效价很低，后来放弃二战中对青霉素需求量极大，弗洛里和钱恩发明工业化生产盘尼西林。采用表面培养：1L锥形瓶，200mL培养液，40U/mL，提取纯度20%，收率35%，1kg需80,000培养瓶，售价几万美元，黄金价格。通气搅拌发酵：5m3发酵罐，200U/mL目前：发酵罐体积可达100m3以上，80,000U/mL以上青霉素结构培养中的青霉菌二战中青霉素发酵场景Bioreactorforaerobiccultivationwithimpellerandmechanicalfoamdisruptor.ColorfulBioreactor(fromgenetoprotein)动物细胞一次性培养装置生物工程设备的工作领域为传统生物技术产业的改造和现代生物技术产业提供高效率的生物反应器、现代分离纯化材料和技术以及相关的工程装备技术，还提供单元化生产设备、工艺过程最优化、在线自动控制、系统集成设计等工程概念与技术。生物工程过程与设备生物医药技术Biotechnology,todayandtomorrow,Gist-brocades,1991.规模化白酒液态发酵设备小型生物反应器大型生物反应器外观及内部结构典型的生物技术工艺－啤酒酿造流程聚乳酸规模化生产生物技术产业化过程与生物过程工程与设备之间的关系生物过程工程与设备生物技术上游技术生物技术中游技术生物技术下游技术生物过程辅助系统生物过程产业化开发与设计生物技术新发明或新发现生物技术产业化课程内容和任务内容：生物工程专业的一门主干专业课程，从生物工程的研究内容和范畴出发，根据生物工程设备共性技术，阐述生物生产过程中的主要设备的作用原理、设计方法任务研究生物过程工程及设备的相关问题，了解生物技术和生物工程研究前沿，认识原料处理设备、生物反应设备、生物分离设备的应用与研究开发现状及发展趋势，掌握生物过程设备流程、主要设备的结构、设计计算、工程放大、优化控制等技术。独立地解决生物工业生产、实验研究及技术开发方面的设备问题。第一章培养基灭菌设备本章重点1.热灭菌原理2.理论灭菌时间的计算对数残留定理3.实罐灭菌及计算4.连续灭菌设备及流程设计第一章培养基灭菌设备第一节培养基实罐灭菌及计算第二节培养基连续灭菌的设备及计算第一节培养基实罐灭菌及计算一、实罐灭菌的理论基础（什么叫实消）二、实罐灭菌的操作三、实罐灭菌效率的计算一、实罐灭菌的理论基础1.灭菌是指利用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中一切有生命物质的过程。化学灭菌:采用化学试剂进行灭菌。射线灭菌：射线灭菌干热灭菌：160℃，保温1-2h湿热灭菌：用蒸汽直接加热115-140℃，保持一定时间过滤灭菌：微孔0.22um滤膜过滤截留微生物的方法。2.常用的灭菌方法3.湿热灭菌的原理每一种微生物都有一定的最适生长温度范围。当微生物处于最低温度以下时，代谢作用几乎停止而处于休眠状态。当温度超过最高限度时，微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性，使微生物在很短时间内死亡，加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的。微生物的热死规律——对数残留定律100℃时不同时间微生物存活数时间（min）存活数（个/mL)时间（min）存活数（个/mL)0679119×1071.2×1078×1065×1063×106152025301×1062×1052×104≈0反应速度常数k在相同温度下，k值愈小，则此微生物愈耐热。同一种微生物在不同温度下，k值也不相同，灭菌温度愈低，k值愈小，温度愈高，k值愈大。121℃某些细菌芽孢的k值细菌芽孢名称K值min-1枯草芽孢杆菌FS5230硬脂嗜热芽孢杆菌FS1518硬脂嗜热芽孢杆菌FS617产气梭状芽孢杆菌PA36793.8～2.60.772.91.84.培养基的灭菌（1）将培养基中的杂菌总数N0杀灭到可以接受的总数N（10-3），需要多高的温度、多长的时间为合理。（2）灭菌温度和时间的确定取决于：①杂菌孢子的热灭死动力学②反应器的形式和操作方式③培养基中有效成分受热破坏的可接受范围5.微生物的热死灭动力学方程(1)、对数残留定律对数残留定律：实验证明，对培养基进行湿热灭菌时，培养基中微生物受热死亡的速率与残存的微生物数量成正比。即微生物营养细胞的均相热死灭菌动力学符合化学反应的一级反应动力学。即：N：任一时刻的活细菌浓度（个/L）t：时间（s）K：比热死速率常数（s-1）NKddN取边界条件t0=0，N=N0，对（1）积分得或N/N0即为湿热灭菌中微生物的存活率。KNN0lnNNKτ0ln1微生物受热而破坏是指其生活能力丧失，微生物热灭死原因是细胞内的反应。（1）对数残留定律式中N——残存的活菌数；t——灭菌时间，s；K——灭菌速度常数（s-1），也称反应速度常数或比死亡速度常数，此常数的大小与微生物的种类与加热温度有关；——活菌数瞬时变化速率，即死亡速率。上式通过积分可得：dNdt0kttNeN0012.303lnlgttNNtKNKNN0——开始灭菌（t=0）时原有活菌数；Nt——经时间t后残存活菌数。图2-1大肠杆菌在不同温度下的死亡曲线t(min)-5-4-3-2-1101010101054℃56℃60℃58℃8641020（2）温度对死亡速率的影响微生物的热死亡动力学接近一级反应动力学，它的比热死亡速率常数K与灭菌温度T的关系可用阿累尼乌斯方程表征：A：频率因子（s-1）ΔE：死亡活化能（J/mol）R：通用气体常数[8.314J/（mol.k）]T：热力学温度（K）RTEeAK/上式转换：RTElnAKln可以看出：（1）活化能ΔE的大小对K值有重大影响。其它条件相同时，ΔE越高，K越低，热死速率越慢。（2）不同菌的孢子的热死灭反应ΔE可能各不相同。将ΔE/R作为微生物受热死亡时对温度敏感性的度量。培养基中的某些营养物质也会受热破坏，其反应动力学方程也可看作一级反应：CKddCd对方程两边对T取导数，得方程：RTElnAKlnREdTKdln由方程可得出结论：反应的ΔE越高，lnK对T的变化率越大，即T的变化对K的影响越大试验表明，细菌孢子热死灭反应的ΔE很高，而某些有效成分热破坏反应的ΔE较低。将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的ΔE很低，温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少。将培养基配制在发酵罐里，用饱和蒸汽直接加热，以达到预定灭菌温度并保温维持一段时间，然后再冷却到发酵温度，这种灭菌过程称作培养基实罐灭菌或培养基分批灭菌（工厂里称实消）。1.实消定义二、实罐灭菌的操作二、实罐灭菌的操作1、间接加热阶段，培养基由室温加热至80-90℃2、直接蒸汽加热阶段，培养基由80-90121℃3、保温阶段，121℃4、冷却阶段，121℃培养温度（二）分批灭菌的操作图2-11实罐灭菌设备示意图冷凝水冷却水进口排料管进汽取样管进汽进汽冷却水出口排气排气排气排气消沫剂管出气口接种管进料口进汽进气管(实罐灭菌)分批灭菌操作要点培养基及发酵设备的灭菌包括分批灭菌（也称实罐灭菌或实消）、空罐灭菌（空消）、连续灭菌（连消）和过滤器及管（1）内部结构合理（主要是无死角），焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐；（2）压力稳定的蒸汽；（3）合理的操作方法。分批灭菌的优缺点优点：1.设备投资较少2.染菌的危险性较小3.人工操作较方便4.对培养基中固体物质含量较多时更为适宜缺点：灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。实罐灭菌操作课件演示一、实罐灭菌的操作培养基实罐灭菌操作的关键：1、液面以下与培养基接触的管道都要进蒸汽2、液面以上不与培养基接触的管道都要排气培养基实罐灭菌的质量评判标准：1，培养基无菌2，营养成分破坏少3，培养基灭菌后体积与进料体积相符4，泡沫少一、实罐灭菌的操