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1、课程：生物工程设备,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
2、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(engineering thought)： 理论上的正确性(valid theory)； 技术上的可行性(technical feasibility); 操作上的安全性(safety operation)； 经济上的合理性(economical rationality)。,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
3、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
4、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
5、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
6、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%，1 kg需80,000培养瓶，售价几万美元，
7、黄金价格。 通气搅拌发酵：5 m3发酵罐，200U/mL目前：发酵罐体积可达100 m3 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,Bioreactor for aerobic cultivation with impeller and mechanical foam disruptor.,Colorful Bioreactor (from gene to protein),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、
8、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, today and tomorrow, 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,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
9、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
10、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,反应速度常数k 在相同温度
11、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,4.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： 杂菌孢子的热灭死动力学 反应器的形式和操作方式 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
12、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）,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。,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：,N0开始灭菌（t=0）时原有活菌数；Nt经时间t后残存活菌数。,（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
13、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）E：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）,上式转换：,可以看出：（1）活化能E的大小对K值有重大影响。其它条件相同时，E越高，K越低，热死速率越慢。（2）不同菌的孢子的热死灭反应E可能各不相同。将E/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：,对方程 两边对T取导数，得方程：,由方程可得出结论：反应的E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
14、孢子热死灭反应的E很高，而某些有效成分热破坏反应的E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E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80-90 121 3、保温阶段，121 4、冷却阶段，121 培养温
15、度,（二）分批灭菌的操作,(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
16、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、实罐灭菌的操作,结论：温度升高，菌死亡速率大于培养基成分破坏的 速率。 不同温度灭菌时间及培养基破坏情况 在实际生产中为了既达到灭菌目的又较好地保存营养成分，最好采用高温快速灭菌法。,例题：有个发酵罐，内装培养基40m3，现采用实罐灭菌，灭菌温度121，问其灭菌需要多长时间？ 在微生物发酵行业中，一般常设灭菌前每毫升培养基含有耐热菌的芽孢为2x107个，灭菌失败的概率通常定为0.001，即灭菌后残留数。,三灭菌效率的计算1、分批灭菌
17、的阶段若灭菌温度恒定为T，那么到规定灭菌度（N）所需杀菌时间当灭菌随时间变化时，K也变化，则有积分,(2)实罐灭菌时间计算,在实罐灭菌中维持时间一般等于对数残留定律计算的灭菌时间,严格说在预热100 -121 ，冷却121 -100 都有部分菌被杀死，当实罐灭菌时间越长被杀灭的菌越多，保温阶段时间就可以减少,例题1,分批灭菌的灭菌常数,通常以耐热芽孢杆菌为对象，其热死灭活化能为67930 K/mol,A=1.341036 1/秒, R=1.987K/mol, e=2.718,为灭菌温度的单一函数，计算如下式: lgk = -14845/T + 36.127,计算举例,某发酵罐内装培养基40m3
18、,在121下进行分批灭菌，设每毫升培养基中含耐热的芽孢为107个，求理论灭菌时间？（分批灭菌的灭菌常数 lgk=-14845/T + 36.127）,解：N0= 40106107=41014 N=0.001 lgk=-14845/T + 36.127 =-14845/(273+121)+36.127 =-1.55 k=0.0281 s -1 = 1/k lnN0/N = 1/0.0281 ln41014/0.001 =1442.6 s =24 min,作业：作业：1.名词解释：实消、空消。2.用蒸汽直接加热培养基与采用夹套或蛇管间接加热培养基相比，加热时间和蒸汽消耗量有何区别？,第二节 培养基
19、连续灭菌的设备及计算,连续灭菌（连消）(Continuous sterilization): 是采用专一灭菌设备-连消塔，在高温下对液体培养基进行短时间加热灭菌。培养基的连续灭菌，就是将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行灭菌。,连续灭菌具有如下的优点：（1）提高产量。与分批灭菌相比培养液受热时间短，可缩短发酵周期，同时培养基成分破坏较少。（2）产品质量较易控制。（3）蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高，操作方便。（4）适宜采用自动控制。（5）降低劳动强度。适用条件：大规模生产，培养基中不含有固体颗粒或泡沫较少。,（一）连消塔喷淋冷却流程,（1）配料预热罐，将配好的料液
20、预热到6070，以避免灭菌时由于料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击声；（2）连消塔，是使高温蒸汽与料液迅速接触混合，并使料液的温度很快升高到灭菌温度（126132）；（3）维持罐，维持料液温度，延长灭菌时间（4）冷却管，生产上一般采用冷水喷淋冷却，冷却到4050后，输送到预先已经灭菌过的罐内。,（一）连消塔喷淋冷却流程,（二）喷射加热真空冷却流程,喷射加热-真空冷却流程,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管道维持器：维持灭菌时间真空闪急蒸发室：由膨胀阀进入，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。,优点：加热和冷却在瞬间完成，营养
21、成分破坏最少，可以采用高温灭菌，把温度升高到140而不致引起培养基营养成分的严重破坏。设计得合适的管道维持器能保证物料先进先出，避免过热。缺点：受压力影响， 出料泵,（三）板式换热器灭菌流程,板式换热器灭菌流程,采用薄板换热器作为培养液的加热和冷却器，培养液在设备中同时完成预热、灭菌及冷却过程，蒸汽加热段使培养液的温度升高，经维持段保温一段时间，然后在薄板换热器的另一段冷却，从而使培养基的预热、加热灭菌及冷却过程可在同一设备内完成。,优点：灭菌的温度较高，灭菌时间较短，培养基的营养成分受破坏的程度较低，从而保证了培养基的质量；设备的利用率高；缺点：过程所需的设备较多，操作较为麻烦，染菌机会也相
22、应较多,（四）设备构造和计算,1连消塔,（1）连消塔 是培养液高温短时间连续灭菌设备，它与维持罐组成连续灭菌系统，分套管式和汽液混合式两类。在2030s或更短的时间内将料液加热至130140。生产中一般用0.50.8Mpa的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。,套管式连消塔用:内外两根管子套合组成内管开有45向下倾斜的小孔，孔径6mm。孔距应从上到下减少，使蒸汽较为均匀。汽液混合式:培养基由塔底进入，与小孔中喷出的蒸汽连续混合后在塔上部流出。培养基在塔内停留时间一般取2030s；线速度要求0.1m/s。,培养基流速、塔高,培养基流动速度w-培养液流速，m/s； G-培养液流量，m3/h，D-外
23、管直径，m； d-内管直径，m； 塔高 H-连消塔高，m；-灭菌时间，s。,内管蒸汽喷孔总面积和孔数,根据蒸汽消耗量（m3/h）等于从小孔喷出的蒸汽量（m3/h）得 F-蒸汽喷孔的总面积，m2；w-蒸汽喷孔的速度，m/s，通常采用2540m/sV-加热蒸汽消耗量，m3/h。加热蒸汽喷孔数n：n-喷孔数，个；d1 -喷孔直径，m。,灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，因此，也可称保温设备。维持设备一般不需另行加热，但必须在维持设备的外壁用绝热材料进行绝热，以免培养基冷却。维持罐为长圆筒形，高为直径的24倍，上下封头为球形，如图2-9所示。,2维
24、持罐,维持罐,灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，也称保温设备。体积计算：V-维持罐容积，m3；v-料液体积流量，m3/h；- 维持时间，825min；充满系数,维持罐,喷射加热器,喷射式加热器（图2-10）的特点是蒸汽和料液迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。简单的喷射式加热器仅是一个喷嘴装置，蒸汽由喷嘴喷出，料液从侧面进入器内而被蒸汽加热。工厂中较常见的是一种在下游具有扩大室的喷射加热器。,3喷射加热器,4.冷却设备,常用喷淋冷却器和套管冷却器。 前者是将冷却水通过喷淋装置均匀的淋在水平的排管上，以冷却管内的培养基。 后者是一种内管
25、走热培养基，内外管间的管隙中走冷却水的冷却器。 耗钢多，漏洞难以发现，会造成污染 热利用较合理,某发酵罐内装培养基40m3,在121下进行分批灭菌，设每毫升培养基中含耐热的芽孢为107个，求理论灭菌时间？（分批灭菌的灭菌常数 lgk=-14845/T + 36.127）,连续灭菌计算,灭菌温度131，灭菌常数为0.25 s-1 ，求灭菌保温时间。 解：1/k ln N0/N 162.1 s= 2.7 min因维持罐有返混，实际维持时间为理论灭菌时间的35倍,连续灭菌与间歇灭菌的比较,1，连续灭菌的优缺点优点保留较多的营养质量容易放大较易自动控制；糖受蒸汽的影响较少；缩短灭菌周期；在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；发酵罐利用率高；蒸汽负荷均匀。缺点：设备比较复杂，投资较大。,
