【正文】 的機(jī)會(huì)增加；空氣流速大時(shí)，凝聚現(xiàn)象為慣性碰撞所取代。3． 擴(kuò)散作用：當(dāng)V Vc時(shí)，微小顆粒在流速緩慢的氣流中發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)，與介質(zhì)碰撞而被捕獲。表達(dá)式為： Vc＝ C－滑動(dòng)系數(shù)；ρ p－顆粒密度(kg/m3)；μ－空氣黏度(kg/)2． 阻攔滯留作用：當(dāng)V Vc 時(shí), 氣流流過纖維，纖維周圍產(chǎn)生滯流層，微小顆粒在滯流層 接觸纖維，由于摩擦黏附作用被纖維阻攔滯留的現(xiàn)象。 決定慣性碰撞滯留作用大小的因素：V Vc 空氣流速越大，慣性沖擊越大，纖維的捕獲效率(η1)隨氣流速度增大而增大，但流速過大易帶走顆粒；慣性碰撞滯留效率η1＝d/df d—?dú)饬鲗挾龋╩）；df －纖維直徑（m）VVc 顆粒慣性小, 慣性碰撞滯留作用忽略不計(jì)。 可除去水分、油霧、塵埃、微生物常用于超凈工作臺(tái)及工作室的預(yù)除菌，配合高效過濾器(high efficiency filter)使用3. 石棉濾板5．捕獲率低，空氣需干燥；但能耗??；(一) 常用過濾介質(zhì)1．也有酵母、霉菌和病毒等二 好氣性發(fā)酵對(duì)空氣無菌度的要求工業(yè)設(shè)計(jì)要求: 103概率意義: 經(jīng)過1000次滅菌中僅有一次滅菌失敗三 空氣除菌的方法：除去或殺滅1． 介質(zhì)過濾除菌（filtration sterilization）:利用過濾介質(zhì)阻截流過空氣中的顆粒達(dá)到除菌的目的過濾介質(zhì)為棉花、活性炭、玻璃纖維、石棉濾紙、燒結(jié)材料等。t 維持管例題1．一臺(tái)連續(xù)滅菌設(shè)備流量Q＝6m3/h，發(fā)酵罐裝料容積40m3，原始污染度105個(gè)/ml，要求滅菌度Ns=103，滅菌溫度T=125℃，此時(shí)K=11min1。其操作條件如下：1) 培養(yǎng)基的原始污染程度為105個(gè)/ml2) 加熱蒸汽壓力為4kg/cm2,流量為40kg/min3) 冷卻水溫度Tco＝10℃，冷卻水流量W＝750kg/min，傳熱面積A=15m2，總傳熱系數(shù)K=(400kcal)/.℃,冷卻到發(fā)酵溫度ts=35℃4) (1kcal)/kg.℃求：加熱、維持和冷卻需要的時(shí)間。采用分批滅菌方式，120℃％。已知ΔEB1 =92114J/mol，AB1=1010（min1）；ΔEs = 283460J/mol，As =1036 (min1)，且比較KB(150) / KB(120) 和Ks(150) / Ks(120)2. 在120℃，計(jì)算此時(shí)VB1的損失。又稱間歇滅菌或?qū)嵐逌缇▽?shí)消）?；瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)指出：活化能大的反應(yīng)中，反應(yīng)速度隨溫度的變化也大；反之，反應(yīng)速度隨溫度的變化也小。2．溫度對(duì)K的影響T與K的關(guān)系，可用Arrhenius方程表示：K=Ae－ΔE/RT 因：t=1/K *ln(N0/Ns) 故：t= eΔE/RT *1/A *ln(N0/Ns) K：比死亡速率常數(shù)，也稱反應(yīng)速率常數(shù)（min－1）A：頻率因子（min－1），因菌種不同而異E：活化能（J/mol），值越大，微生物越易受熱死亡T：絕對(duì)溫度（K），T（K）＝t(℃)+R：氣體常數(shù)，N：殘存活菌數(shù)T：滅菌時(shí)間（min）K：比死亡速率常數(shù)，也稱反應(yīng)速率常數(shù)（min－1）dN/dt：死亡速率，菌體瞬時(shí)變化率。微生物的熱死亡動(dòng)力學(xué)(符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律)： 一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：反應(yīng)速率僅與物質(zhì)濃度的一次方成正比。（3）致死時(shí)間：在致死溫度下，殺死全部微生物所需要的時(shí)間。方法：連續(xù)滅菌裝置：板式熱交換器連續(xù)滅菌 蒸汽噴射連續(xù)滅菌連消塔保溫罐連續(xù)滅菌 3. 空罐滅菌：空罐體滅菌罐壓：~105Pa；罐溫：125～130℃，時(shí)間：30～45min4. 發(fā)酵附屬設(shè)備及管道滅菌：管道：罐壓：105Pa；時(shí)間：1～ 補(bǔ)料罐：糖水罐 罐壓：105Pa；時(shí)間：30min 消泡劑罐 罐壓：~105Pa；時(shí)間：60min空氣過濾器：罐壓：105Pa；蒸汽從上至下通入第二節(jié) 加熱滅菌的原理l 培養(yǎng)基滅菌要求：達(dá)到需要的無菌程度；有效成分受熱破壞程度盡可能低。一 滅菌方法1． 加熱滅菌火焰滅菌：徹底、快速。以微生物為研究主體，生物化學(xué)為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用工程學(xué)實(shí)踐技術(shù)，從動(dòng)態(tài)、定量和微觀的角度，揭示生物化學(xué)工業(yè)過程的本質(zhì)。 生產(chǎn)天然殺蟲劑、細(xì)菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料；生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細(xì)胞蛋白等二 發(fā)酵工程的組成發(fā)酵工程三部分組成：上游工程（上游技術(shù)），發(fā)酵工程（中游技術(shù)）和下游工程（下游技術(shù)）。 20世紀(jì)40年代：青霉素的大量需求－需氧發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)建立了高效通氣攪拌供氧（深層培養(yǎng)）技術(shù)、無菌空氣的制備技術(shù)及大型生物反應(yīng)器滅菌技術(shù)，促進(jìn)了生物制品的大規(guī)模工業(yè)化－進(jìn)入微生物發(fā)酵工業(yè)新階段微生物學(xué)，生物化學(xué)與化學(xué)工程相結(jié)合，標(biāo)志著生物化學(xué)工程（Biochemical Engineering）的誕生1964年，Aiba認(rèn)為通氣攪拌與放大是生化工程學(xué)科的核心，其中比擬放大是焦點(diǎn)1973年，Aiba從發(fā)酵過程的物理現(xiàn)象解析與設(shè)備開發(fā)轉(zhuǎn)向?qū)ξ⑸锓磻?yīng)的定量研究－反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究生化工程逐漸細(xì)化為生物反應(yīng)工程、生化控制工程、生化分離工程、生化系統(tǒng)工程4． 第三代微生物發(fā)酵技術(shù)－微生物工程216。216。 古羅馬，希臘，埃及，印度等都有相關(guān)記載；216。第一章 緒論 一 生化工程由來1. 傳統(tǒng)的發(fā)酵業(yè)－天然發(fā)酵216。 用于制作面包和儲(chǔ)存食品奶酪； 2． 第一代微生物發(fā)酵技術(shù)－純培養(yǎng)技術(shù)建立216。 1897年德國(guó)：畢希納酵母細(xì)胞磨碎－酵母汁使糖液發(fā)酵產(chǎn)生酒精－酵母體內(nèi)的酶216。 1953年Waston, Crick發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)216。上游工程包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件（pH、溫度、溶氧和營(yíng)養(yǎng)組成）的確定，營(yíng)養(yǎng)物的準(zhǔn)備等。四 生化工程的研究領(lǐng)域? 生物工程的上游技術(shù)：生物化學(xué)、生物物理、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞培養(yǎng)、育種等? 生物工程的下游技術(shù)：生物初級(jí)制品的分離、純化、精制到產(chǎn)品的過程? 生化工程貫穿于上下游技術(shù)之中：生化反應(yīng)工程學(xué)（反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器性能）， 產(chǎn) 品后處理技術(shù)（分離純化手段）等五 生化工程重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容? 新型生物反應(yīng)器的研究開發(fā)1) 傳統(tǒng)的生物反應(yīng)器2) 新型的生物反應(yīng)器? 新型分離方法和設(shè)備的研究開發(fā)? 描述生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的建立? 生產(chǎn)過程控制手段的改進(jìn)：在線反映反應(yīng)器參數(shù)的傳感器及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件六 生化工程的應(yīng)用? 2000年生物制品5600－6900億美元，其中醫(yī)藥制品占55％，農(nóng)產(chǎn)品14％，%? 醫(yī)藥工業(yè)：激素、胰島素、抗生素、干擾素、維生素等? 食品工業(yè)：傳統(tǒng)調(diào)味劑、醇類飲料、氨基酸、單細(xì)胞蛋白、甜味劑等? 化工、冶金工業(yè)：微生物合成許多化工原料? 能源和環(huán)境保護(hù)：生物產(chǎn)甲烷、乙醇；微生物產(chǎn)氫等；微生物處理污水、工業(yè)生活垃圾第二章 培養(yǎng)基滅菌（5學(xué)時(shí)）目的：發(fā)酵過程要求純培養(yǎng)需要：培養(yǎng)基、發(fā)酵罐及管道、空氣進(jìn)行滅菌生產(chǎn)環(huán)境消毒第一節(jié) 概述滅菌（sterilization）利用物理或化學(xué)手段除去物體的所有生活微生物的方法。 適用于：接種干熱滅菌：160～170℃，1~2h 適用于：保持干燥的物料、設(shè)備等濕熱滅菌：不同溫度的蒸汽滅菌。l 滅菌工作關(guān)鍵：控制加熱溫度和受熱時(shí)間一、加熱滅菌原理影響 微生物的熱阻：微生物對(duì)熱的抵抗力稱為熱阻。在致死溫度以上，溫度愈高，致死時(shí)間愈短。APr=k1將(1)式移項(xiàng)積分：＝ln(Ns/No)=－Kt (2)可變形為：lnNs =－Kt +lnN0 或Ns=N0e－KtN0：原有活菌數(shù)（t=0,污染度）Ns：經(jīng)t時(shí)間后殘存活菌數(shù)（滅菌度，一般要求Ns＝10－3）二 K－比死亡速率常數(shù)（反應(yīng)速率常數(shù)）1．K大小反映微生物受熱死亡的難易程度。）ΔE大，說明反應(yīng)速率隨溫度變化也大；當(dāng)溫度升高，微生物死亡速度比營(yíng)養(yǎng)成分分解速度快。一 滅菌效率當(dāng)滅菌溫度恒定為T，所需時(shí)間為：t =－ln＝－ lg當(dāng)溫度隨時(shí)間變化時(shí)，K也變化：－dN/dt=KN=Ae－ΔE/RT(120℃下KB1 ＝－1)3. 某廠培養(yǎng)基初始雜菌數(shù)為106個(gè)/ml, 生產(chǎn)要求最終無菌度為103。則所設(shè)計(jì)的Tt過程是否達(dá)到無菌要求。第四節(jié) 連續(xù)滅菌培養(yǎng)基在罐外連續(xù)進(jìn)行加熱、維持和冷卻后，進(jìn)入發(fā)酵罐的殺菌方法。求維持時(shí)間t2及維持罐裝料容積V。該法國(guó)內(nèi)外廣泛使用。 棉花：阻力大，易受潮2． 絕對(duì)過濾介質(zhì)：d μm(二) 空氣過濾設(shè)備 空氣壓縮機(jī) 保溫維持管 空氣儲(chǔ)罐 空氣冷卻器等2. 過濾除菌設(shè)備1）深層纖維介質(zhì)（棉花、活性炭、玻璃纖維）過濾器： 填充物順序：孔板－鐵絲網(wǎng)－麻布－棉花－麻布－活性炭－麻布－棉花－麻布－鐵絲網(wǎng)－孔板過濾介質(zhì)的彈簧壓緊裝置：2） 平板式纖維紙過濾器（flat fiber paper filter）： 結(jié)構(gòu)： 筒身、頂蓋、濾層、夾板、緩沖層空氣過濾器的尺寸：過濾器的直徑D（決定了過濾面積）和有效過濾高度過濾器的直徑D＝ V－空氣經(jīng)過濾器時(shí)的體積流量（m3/s） Vs－空容器截面的空氣流速（m/s）（－ m/s） 總高度中：上下棉花的厚度為總濾層厚度的1/4－1/3,活性炭層占1/3－1/2第二節(jié) 過濾除菌機(jī)制一 絕對(duì)過濾：微孔濾膜, ～（細(xì)菌1μm左右）二 深層過濾：一定厚度的介質(zhì)，介質(zhì)的孔徑一般大于細(xì)菌，其主要由于滯留作用截獲微粒，使空氣凈化。慣性碰撞滯留效率η1＝0其中：Vc臨界氣速：氣流速度小至顆粒的慣性力已不能脫離氣流，導(dǎo)致顆粒不與纖維碰撞，故不能被捕獲。l 顆粒質(zhì)量很小，氣流繞過纖維時(shí)顆粒仍隨氣流運(yùn)動(dòng)； l 氣流速度低時(shí)，在纖維周邊形成一層邊界滯留區(qū)，此區(qū)內(nèi)氣流速度更慢； l 滯留區(qū)內(nèi)的顆粒緩慢接近纖維，并與之接觸，由于摩擦、粘著作用而被滯留，這種作用稱為阻截作用。l 很小的顆粒在流動(dòng)速度很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則直線運(yùn)動(dòng)，稱為布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散捕獲效率(η3)決定于：纖維直徑df 和 氣流速度V。 5 靜電吸附作用 ? 許多微生物和孢子都帶有電荷。表示為： －dN/dL=KN －dN/N= KdL 積分后得：ln（Ns/ N0）＝－KL K－過濾常數(shù) （cm1 ），與氣流速度V,纖維直徑df，顆粒直徑dp和纖維填充密度有關(guān) L－濾層厚度（cm ）2 過濾層厚度的計(jì)算： L＝－ln（Ns/ N0）/K＝－lnP / K三 k值的獲得1． 實(shí)驗(yàn)測(cè)定空氣流速V(m/s)K(cm1) 如：直徑為16μm的棉花纖維，當(dāng)填充系數(shù)α（過濾介質(zhì)在濾層中的體積百分?jǐn)?shù)）＝8％時(shí)，空氣流速V取以下值時(shí)的K值：當(dāng)無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可查，可依據(jù)此：?jiǎn)蝹€(gè)纖維的總捕獲效率η＝慣性碰撞滯留效率η1+阻攔滯留效率η2+擴(kuò)散捕獲效率η3當(dāng)采用玻璃纖維時(shí)，η1可忽略：即單個(gè)纖維的總捕獲效率η＝η2+η3過濾常數(shù)為K＝η,3．K與 L90的關(guān)系：L90為η＝90％時(shí)的濾層厚度ln（Ns/ N0）＝－KLlnP ＝－KLK＝－ln10% /L90＝直徑為16μm的玻璃纖維，空氣流速V取以下值時(shí)的L90值：空氣流速V(m/s)L90(cm)空氣過濾相關(guān)計(jì)算：1．空氣過濾器的尺寸：有效過濾厚度和過濾器的直徑D（決定了過濾面積）1）過濾層厚度：L＝－ln（Ns/ N0）/K＝－lnP / Kk值的獲得：實(shí)驗(yàn)測(cè)定，K＝或：K＝（η2+η3）2）過濾器的直徑D＝ V（Q）－空氣經(jīng)過濾器時(shí)的體積流量（m3/s） Vs－空容器截面的空氣流速（m/s）（－ m/s）計(jì)算題1．試設(shè)計(jì)一臺(tái)通風(fēng)量為10m3/min 的棉花纖維過濾器，過濾器使用周期為100h。已知微粒直徑dp ＝1μm＝110－6m，ρp =1000 kg/m3。（介質(zhì)為df=16μm的玻璃纖維，原空氣流速V=, 變化后V=）第四節(jié) 典型的過濾除菌空氣凈化流程空氣除菌的要求：無菌、無塵、無油、無水、有壓力一、提高過濾效果的措施:1) 提高過濾效果的措施: ：環(huán)境衛(wèi)生 * 提高進(jìn)風(fēng)口 * 預(yù)過濾 ：進(jìn)行除油除濕 2) 常用空氣凈化流程 空氣預(yù)凈化－空氣過濾器－無菌空氣 注: 對(duì)于濕度大的地區(qū)，可采用二級(jí)冷卻 二、常用流程1． 兩級(jí)冷卻、兩級(jí)分離、加熱、除菌流程（較完善的流程）設(shè)備：粗過濾器、空氣壓縮機(jī)、貯罐、冷卻器、分離器、加熱器、過濾器等特點(diǎn)：兩次冷卻：使水、油形成霧粒兩級(jí)分離：除去水、油霧粒加熱：降低空氣濕