发酵工程基本原理.

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1 发酵工程基本原理

2 一、培养基灭菌原理 对数残留定律 微生物受热死亡的原因，主要是因高温使微生物体内的一些重要的蛋白质，如酶等发生凝固、变性，从而导致微生物无法生存而死亡。微生物受热丧失活力，但是其物理性质不变。在一定温度下，微生物的受热死亡遵照分子反应速率理论。在灭菌过程中，活菌数逐渐减少，其减少量随残留活菌数的减少而递减，即微生物的死亡速率与任一瞬时残存的活菌数成正比，此死亡规律称为对数死亡定律。

3 培养基灭菌动力学 对数残留定律

4 培养基灭菌动力学 对上式积分得： 上式是计算灭菌的基本公式，灭菌速率常熟K是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据。各种微生物在同样的温度下K值是不同的， K值越小，此微生物越耐热。

5 二、空气除菌 发酵对空气无菌程度的要求 1、连续提供一定流量的压缩空气。
VVM的意义是单位时间(min)单位体积(m3)培养基中通入标准状况下空气的体积(m3)，一般为 。 2、空气的压强（表压）为 MPa。 3、进入过滤器之前，空气的相对湿度φ≤60。 4、进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10-30℃。 5、压缩空气的洁净度，在设计空气过滤器时，一般取失败概率为10-3为指标。

6 介质过滤除菌—除菌流程

7 介质过滤除菌—除菌流程 粗过滤器：安装在空压机的吸入口前，又称前置过滤器。作用是拦截空气中较大的灰尘，同时起到一定的除菌作用，减轻总过滤器的负担。过滤介质采用泡沫塑料和无纺布，设计流速为 m/s。

8 介质过滤除菌—除菌流程 空气压缩机：提供动力，克服随后各设备的阻力。目前常用的空压机有往复式、螺杆式和涡轮式空压机。空压机的选用应根据空气用量，结合本地实际及空压机的特点合理选用。一般不提倡单台空压机。

9 介质过滤除菌—除菌流程 空气储罐：作用是消除压缩空气的脉动，这对往复式压缩机尤为重要。储罐的H/D=2-2.5，其容积可按下式估算：

10 介质过滤除菌—除菌流程 冷却器：空压机出口温度一般在120℃左右，必须冷却。另外，在潮湿地区和季节空气中含水量高，为了避免过滤介质受潮失效，冷却还可以达到降湿的目的。

11 介质过滤除菌—除菌流程 气液分离设备：作用是除去空气中的水和油，保护过滤介质。气液分离设备有两类：一是利用离心力沉降的旋风分离器；二是利用惯性拦截的介质分离器，如丝网分离器。

12 介质过滤除菌—除菌流程 空气加热器：经过分离器的空气的相对湿度为100%，在进入过滤器之前必须把相对湿度降到60%以下，所以要对空气进行加热。加热设备一般采用列管换热器或套管式加热器。

13 介质过滤除菌—除菌流程 过滤器: 过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入 MPa的蒸汽，灭菌45min左右后，用压缩空气吹干备用，总过滤器约每月灭菌一次。为了使总过滤器不间断地进行工作，一般应有一个备用，以便灭菌时替换使用。

14 三、氧的传递 培养过程的氧的传递 从气相主体到气液界面的气膜传递阻力 1／Ka 气液界面的传递阻力 1／Ki
氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服以下几种阻力： 从气相主体到气液界面的气膜传递阻力 1／Ka 气液界面的传递阻力 1／Ki 从气液界面通过液膜的传递阻力 1／KL 液相主体的传递阻力 1／KLB 细胞或细胞团表面的传递阻力1／KLC 固液界面的传递阻力1／KIS 细胞团内的传递阻力1／KA 细胞壁的阻力1／KW 反应阻力1／KR

15 对于难溶气体（如氧），气膜传递阻力与液膜传递阻力之比可以忽略不计，即1／HkG<<1/kL，因此kL=KL在单位体积培养液中，氧的传递速率为：
OTR－单位体积培养液中的氧传递速率mol/m3s

16 氧传递系数的测定 亚硫酸盐氧化法 该法在反应器中加入亚硫酸钠溶液，进行通气搅拌，使亚硫酸钠与溶解氧生成硫酸钠。由于亚硫酸盐的氧化速率远高于氧的溶解速率，使上述反应速度由气液相的氧传递速度控制。通过用碘量法测定亚硫酸钠的消耗速率，便可根据亚硫酸钠的氧化量来求出氧的传递速率V。因为反应进行得很快，液相中氧的浓度为零就可得： 计算时，常采用罐压P作为推动力，同时由于溶液中氧的分压为零，上式可写成： V=KGaP

17 四、生物反应器 机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。
这种发酵罐既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部，也可置于其底部。

18 四、生物反应器 机械搅拌发酵罐基本条件 （1）发酵罐应具有适宜的高径比。 （2）发酵罐能承受一定的压力。 （3）要保证发酵液必需的溶解氧。
（4）发酵罐应具有足够的冷却面积。 （5）发酵罐内应尽量减少死角，避免积藏污垢，灭菌能彻底，避免染菌。 （6）搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。

19 四、生物反应器

20 四、生物反应器 标准通用式发酵罐 壳体：提供一个封闭的环境，防止杂菌污染，同时为了高温灭菌，要求罐体设计的使用压力达到0.3MPa以上。
控温部分：在发酵罐上装有测温的传感仪及冷却和加热用的夹套或盘管。一般容积在5M3以下的发酵罐采用外加套作为传热装置；容积大于5M3的发酵罐一般采用立式蛇管作为传热装置。

21 四、生物反应器 标准通用式发酵罐 搅拌部分：多采用涡轮搅拌桨，一般在一根轴上安装多个搅拌桨，常用的搅拌桨有平叶式、弯叶式和箭叶式等三种类型。搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。

22 四、生物反应器 标准通用式发酵罐 通气部分：空气分布器一般采用单孔管，开口往下，可尽量避免固体物料在管口堆积或在罐底沉降。
进出料口：主要为进料和出料用，同时还用补料口等。

23 四、生物反应器 标准通用式发酵罐 测量系统：传感系统，用以测量pH、溶氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。
消泡装置：有耙式消泡器、半封闭式涡轮消泡器、离心式消泡器、碟片式离心消泡器。 附属系统：包括视镜、挡板等。

24 五、发酵动力学 发酵过程反应速度的描述 X S（底物） ─→ X（菌体） ＋ P（产物）

25 六、发酵动力学 发酵过程的比速率计算：