生化工程劉曉蘭培養(yǎng)基滅菌2課件

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生化工程BiochemicalEngineering

1上節(jié)課重點(diǎn)內(nèi)容小結(jié)

2培養(yǎng)基滅菌程度N/N0培養(yǎng)基滅菌程度的要求因發(fā)酵系統(tǒng)而異。某些培養(yǎng)過(guò)程，由于培養(yǎng)基中的基質(zhì)不易被一般微生物利用,或溫度、pH不適于一般微生物的生長(zhǎng)，則對(duì)無(wú)菌程度要求低；但是有一些培養(yǎng)過(guò)程對(duì)無(wú)菌程度要求高，例如抗生素的生產(chǎn)過(guò)程。

3第一節(jié)???分批滅菌一、微生物的熱死滅動(dòng)力學(xué)對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行濕熱滅菌時(shí)，培養(yǎng)基中的微生物受熱死亡（微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)變性）的速率與殘存的微生物數(shù)量成正比。ln(N/N0)=-Kt均相系統(tǒng)，它符合化學(xué)反應(yīng)的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

4K（比熱死亡速率常數(shù)）由兩個(gè)因素均定1、微生物的種類2、滅菌溫度。

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6滅菌動(dòng)力學(xué)的重要結(jié)論細(xì)菌孢子熱死滅反應(yīng)的△E很高，而大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)熱破壞反應(yīng)的△E很低，因而將T提高到一定程度會(huì)加速細(xì)菌孢子的死滅速率，從而縮短在升高溫度下的滅菌時(shí)間（ln(N/N0)=-Kt）；由于營(yíng)養(yǎng)成分熱破壞的△E很低，上述的溫度提高只能稍微增大其熱破壞溫度，但由于滅菌時(shí)間的顯著縮短，結(jié)果是營(yíng)養(yǎng)成分的破壞量在允許的范圍內(nèi)。

7第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)1、分批滅菌的操作將配好的培養(yǎng)基打入發(fā)酵罐，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用的設(shè)備一起進(jìn)行滅菌，也稱實(shí)罐滅菌。優(yōu)點(diǎn)：（1）不需專門的滅菌設(shè)備。（2）對(duì)蒸汽的壓力要求較低，在3～4×105Pa（表壓）就可滿足要求。缺點(diǎn)：在滅菌過(guò)程中，蒸汽用量波動(dòng)大，造成鍋爐負(fù)荷波動(dòng)大。

8第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)1、分批滅菌的操作

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12TheAutoclave高壓蒸汽鍋

13第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)2、分批滅菌的設(shè)計(jì)要求絕對(duì)的無(wú)菌在工業(yè)上很難做到，因?yàn)椋篘=0，則e-kt=0,1/ekt=0,ekt=∞,t=∞因此，絕對(duì)的無(wú)菌很難做到。

14第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)而且絕對(duì)的無(wú)菌也是不必要的，工程上只要求培養(yǎng)基中雜菌降低到合理的程度，然后進(jìn)行細(xì)胞的培養(yǎng)，失敗的可能性很小。那么無(wú)菌程度降低到多少為好呢？有一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（判據(jù)）N0：未滅菌培養(yǎng)基的含菌數(shù)。N：滅菌后培養(yǎng)基中存活的菌體數(shù)，

15第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)常取N=10-3個(gè)/罐。它的意義是：滅菌103次，存活一個(gè)活菌孢子的機(jī)會(huì)為1次。例如：培養(yǎng)基100m3，含菌105個(gè)/ml,，要求滅菌后存活菌數(shù)10-3個(gè)/罐=那么無(wú)菌程度：Ln（N0/N）=36.8

16第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)分批滅菌過(guò)程：升溫、保溫和降溫，滅菌主要是在保溫過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，在升溫的后期和冷卻的初期，培養(yǎng)基的溫度很高，因而對(duì)滅菌也有一定貢獻(xiàn)。

17T滅菌溫度tot1t2t3timeN1N2N升溫保溫降溫N0Ln(N0/N1)Ln(N2/N)Ln(N1/N2)LnN0/N是總的判據(jù)，是由升溫、保溫、降溫三段實(shí)現(xiàn)的ln（N0/N）=ln（××）lnN0/N=ln+ln+ln升溫、維持和冷卻過(guò)程的滅菌效果為：V總=ln(No/Ns)＝V升+V保＋V降

18第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)在滅菌過(guò)程中，必需設(shè)計(jì)出滅菌過(guò)程的操作時(shí)間和溫度。首先根據(jù)培養(yǎng)過(guò)程對(duì)培養(yǎng)基無(wú)菌程度的要求提出無(wú)菌判據(jù)（ln），然后依據(jù)所使用的滅菌設(shè)備，和設(shè)計(jì)出的滅菌溫度和時(shí)間來(lái)計(jì)算出實(shí)際的ln，看能否達(dá)到開(kāi)始提出的無(wú)菌要求。

19ln(N0/N1)=K(t1-t0)K是變數(shù)，t變化，T變化，K也變化。升溫段V升：T滅菌溫度tot1t2t3timeN1N2N升溫保溫降溫N0ln(N0/N1)ln(N2/N)ln(N0/N1)

20T滅菌溫度tot1t2t3timeN1N2N升溫保溫降溫N0ln(N0/N1)ln(N2/N)保溫段：Ln(N1/N2)=K(t2-t1)T一定，K是常數(shù)。ln(N1/N2)降溫段V降：這三個(gè)判據(jù)中，保溫段可以算出，升溫段和降溫段不好辦，因?yàn)椴恢繲和t之間的函數(shù)關(guān)系。

21是否有這樣的函數(shù)關(guān)系呢？一些學(xué)者已經(jīng)作出的常用的換熱方式T-t關(guān)系式。

22除了這種積分方式以外，工程上還常用圖解積分法，即從設(shè)計(jì)的T-t數(shù)據(jù)換算成K-t數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖解積分。第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)

23第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)例如：某發(fā)酵罐分批滅菌最高溫度120℃，保持5min，設(shè)計(jì)的溫度和時(shí)間關(guān)系如下：（A=7.94×1038min-1；△E=278441J/mol;R=8.28J/mol·K）t0103036435055586370102120140T30509010011012012011010090604433K0000.030.363.593.590.360.03000t：min,T:℃,K:min-1,發(fā)酵罐60m3，N0=105個(gè)/ml，N=10-3問(wèn)設(shè)計(jì)的T-t過(guò)程是否達(dá)到滅菌要求，如不能，應(yīng)如何改進(jìn)？

24第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)解：先計(jì)算無(wú)菌程度的判據(jù)：N0/N=6×1015ln(N0/N)=36.3K的數(shù)據(jù)值是由已知數(shù)據(jù)計(jì)算出的根據(jù)已有的數(shù)據(jù)作出T-t和K-t圖

25ln(N0/N3)=ln(N0/N1)+ln(N1/N2)+ln(N2/N3)=36.3ln(N1/N2)=K·△t=3.59×5=17.95

26第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)ln(N0/N1)+ln(N2/N3)按圖解積分，求得:ln(N0/N1)+ln(N2/N3)=15.85ln(N0/N3)=t=34min以前和t=64min以后，K值太小，忽略不計(jì).沒(méi)有達(dá)到N3=10-3的要求,殘留菌數(shù)N3=N0e-Kt=N0e-33.8=1.26×10-2

27第一節(jié)???分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計(jì)保溫階段對(duì)殺死孢子的貢獻(xiàn):17.95/33.8=53%，而保溫階段時(shí)間只有5min。那么如何改進(jìn)設(shè)計(jì)呢？(1)增加保溫時(shí)間，如果增加1min,那么ln(N1/N2)=3.59×6=21.54那么ln(N0/N3)=21.54+15.85=38.39，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。(2)可以提高滅菌溫度。間歇滅菌的提溫階段和降溫階段對(duì)滅菌的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，而對(duì)培養(yǎng)基中維生素類物質(zhì)的破壞作用則可能很嚴(yán)重。應(yīng)盡量縮短提溫和降溫階段。

28第二節(jié)???連續(xù)滅菌一、連續(xù)滅菌方法

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33第二節(jié)???連續(xù)滅菌一、連續(xù)滅菌方法與間歇滅菌相比，連續(xù)滅菌的優(yōu)點(diǎn)：1升溫和降溫速度快2滅菌溫度高，保溫時(shí)間短3蒸汽用量平穩(wěn)缺點(diǎn)：1設(shè)備復(fù)雜，投資大。

34第二節(jié)???連續(xù)滅菌一、連續(xù)滅菌方法空罐滅菌加熱器、維持罐和冷卻器也先進(jìn)行滅菌。耐熱性物料和不耐熱性物料可分開(kāi)滅菌。糖和氮源分開(kāi)滅菌。

35第二節(jié)???連續(xù)滅菌二、連續(xù)滅菌反應(yīng)器的流體流動(dòng)模型τ=τ平均停留時(shí)間，min式中：反應(yīng)器中液體所占的體積（L，m3）Q：通過(guò)反應(yīng)器的流體流速（L/min，m3/min）在設(shè)計(jì)連續(xù)滅菌設(shè)備時(shí)，必須認(rèn)識(shí)到并不是培養(yǎng)基的每一質(zhì)點(diǎn)都在反應(yīng)器中停留同樣的時(shí)間。

36活塞流（理想）滯流，V=0.82Vmax湍流,V=0.5Vmax實(shí)際的反應(yīng)器中，與流動(dòng)方向相垂直的截面上各質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）的流速不同（有流速分布）。

37第二節(jié)???連續(xù)滅菌實(shí)際的反應(yīng)器中，與流動(dòng)方向相垂直的截面上各質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）的流速不同（有流速分布），這就必然造成物料間的（軸向）混合，這樣就不能保證物料先進(jìn)的先出，后進(jìn)的后出，那么有的物料滅菌時(shí)間長(zhǎng)，有的滅菌時(shí)間短，有的物料達(dá)到了滅菌要求，而有的沒(méi)有達(dá)到，由此我們?cè)谠O(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，一定考慮到這個(gè)現(xiàn)象，引入的τ概念。

38第二節(jié)???連續(xù)滅菌返混現(xiàn)象：反應(yīng)器中停留時(shí)間不同的物料之間的混合稱為返混。按照返混的程度，在化學(xué)工程中建立了兩種理想的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器模型。連續(xù)攪拌罐（CSTR）和活塞流反應(yīng)器（PFR）反應(yīng)器返混為∞返混為零

39第二節(jié)???連續(xù)滅菌在實(shí)際反應(yīng)器中，其返混程度總是處于兩種模型之間。攪拌良好的反應(yīng)器接近于CSTR，管式反應(yīng)器返混程度較小，接近于PFR反應(yīng)器。這兩種模型都可用于培養(yǎng)基滅菌以及微生物的培養(yǎng)。

40第二節(jié)???連續(xù)滅菌（1）PFR模型（活塞流）plugflowreactor物料沿同一方向以相同速度向前流動(dòng)，在流動(dòng)方向上沒(méi)有物料返混，所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都是相同的。（長(zhǎng)徑比很大的管式反應(yīng)器，沒(méi)有彎頭、閥門、管件、接近于PFR模型）

41第二節(jié)???連續(xù)滅菌（1）PFR模型（活塞流模型）plugflowreactor恒溫?zé)釡缇鸂顩r：1同一截面上活孢子濃度（N）相等，熱死滅速率相等。2沿流動(dòng)的方向，活孢子濃度（N）下降，熱死滅速率也相應(yīng)下降。

42第二節(jié)???連續(xù)滅菌（1）PFR模型（活塞流模型）plugflowreactor求算N、t、L的數(shù)學(xué)關(guān)系方法：對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算。培養(yǎng)液通過(guò)PFR全反應(yīng)器所達(dá)到的滅菌程度的計(jì)算：先對(duì)微元物料衡算，再沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度積分。

43物料衡算通式：進(jìn)入量=排出量+反應(yīng)量+積累量dv足夠小，可以認(rèn)為在此微元內(nèi)N相等，熱死滅速率處處相等，是均一體系。QN=Q（N+dN）+KNAdl+0整理得：QdN=-KNAdl

44第二節(jié)???連續(xù)滅菌（1）PFR模型（活塞流模型）plugflowreactorQdN=-KNAdl∵∴，積分結(jié)論：活塞流的滅菌效果與間歇反應(yīng)器的分批滅菌效果相同。

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46第二節(jié)???連續(xù)滅菌（2）CSTR模型（全混流模型）ContinuedflowStirredTankReactor

47連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)基本上與間歇操作的攪拌罐反應(yīng)器相同。兩者的根本差別在于：1連續(xù)操作。2反應(yīng)器內(nèi)料液組成（等于出料液組成），不隨時(shí)間而變化。攪拌強(qiáng)烈的實(shí)際連續(xù)反應(yīng)器（機(jī)械攪拌、氣流或液流攪拌）可以接近于CSTR特性。

48第二節(jié)???連續(xù)滅菌（2）CSTR模型（全混流模型）求算N、t、V的數(shù)學(xué)關(guān)系方法：對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算。物料衡算通式：進(jìn)入量=排出量+反應(yīng)量+積累量QN0=QN+K·N·V+0整理QN0=N（Q+K·V）

49QN0=N（Q+K·V）第二節(jié)???連續(xù)滅菌（2）CSTR模型（全混流模型）

50第二節(jié)???連續(xù)滅菌CSTR和PFR滅菌效果的比較PFR:e-kt=要達(dá)到相同的滅菌效果，即需要的滅菌時(shí)間長(zhǎng)？一定，那么哪一種反應(yīng)器結(jié)論：CSTR需要的時(shí)間長(zhǎng)。CSTR：

51第二節(jié)???連續(xù)滅菌（3）多級(jí)全混流釜模型MultipleCSTRsinseries在工程實(shí)踐中常將幾個(gè)CSTR反應(yīng)器串聯(lián)使用，來(lái)接近PFR的效果。tN0活塞流多釜串聯(lián)多級(jí)全混流釜串聯(lián)模型及其濃度分布圖

52MultipleCSTRsinseriesτ為每個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器的平均停留時(shí)間。如果讓多級(jí)全混流釜模型有PFR效果，則：=t=nτ，∴（1+Kτ）n=ekτn當(dāng)τ=0，n=?時(shí)，有活塞流的效果。

53第二節(jié)???連續(xù)滅菌（4）擴(kuò)散模型返混：是不同反應(yīng)時(shí)間的物料之間的混合。PFR：返混程度最小CSTR：返混程度最大高/徑↑，返混程度↓高/徑↓，返混程度↑實(shí)際操作的大部分反應(yīng)器都介于這兩種理想的反應(yīng)器之間。

54返混是個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，到目前為止還不能用數(shù)學(xué)解析的方法表示出來(lái)，在實(shí)際的工程中，又要涉及到這個(gè)問(wèn)題，怎么辦？把這個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象用數(shù)學(xué)模型表示，使簡(jiǎn)單的模型和復(fù)雜的系統(tǒng)具有等效性。擴(kuò)散模型

55活塞流擴(kuò)散流動(dòng)流體在管內(nèi)流動(dòng)，由于分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散的作用使一部分流體質(zhì)點(diǎn)返混了回去，這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化為在活塞流動(dòng)中疊加了一個(gè)與流動(dòng)方向相反的擴(kuò)散。

56費(fèi)克定律：擴(kuò)散通量（沿軸方向）=DeDe：軸向擴(kuò)散系數(shù)cm2/sC：活孢子濃度個(gè)/cm3L：軸向長(zhǎng)度cm擴(kuò)散通量的物理意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，單位面積通過(guò)的質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)，單位：個(gè)/scm2。

57把這兩種流動(dòng)疊加，對(duì)進(jìn)出任一微元體積的活孢子數(shù)進(jìn)行衡算。AUc+ADe（c+dc）=AU(c+dc)+ADe+K·c·A·dl+0進(jìn)入的離開(kāi)的死掉的積累的整理為：De-u-Kc=0

58整理為：常系數(shù)齊次線性二階微分方程式中c：活孢子濃度（個(gè)/cm3）De：軸向擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）L：軸向長(zhǎng)度cm把參數(shù)變成無(wú)因次式：設(shè)定一個(gè)準(zhǔn)數(shù)：Peclet準(zhǔn)數(shù)：表示返混程度量度=∞時(shí)是活塞流（De=0，無(wú)返混）=0時(shí)是全混流（De=∞全是混返，最大）

59把上面的關(guān)系代入微分方程，整理得：這是常系數(shù)二階齊次線性微分方程特征方程：r2-Nper-NpeKτ=0r1，2=，r1≠r2是兩個(gè)不相等的實(shí)根∴微分方程的通解為：

60需確定c1，c2邊界條件：l=0，即=0時(shí)，=1L=L，即=1時(shí)，=0，因此時(shí)N很小，反應(yīng)速率趨于零。C1+C2=1聯(lián)立解方程：

61解得：其中δ=，Npe=可見(jiàn)不但是Kτ的函數(shù)，而且與返混程度有關(guān)，是Npe=的函數(shù)。這樣的公式應(yīng)用起來(lái)太麻煩，有學(xué)者作了算圖，將滅菌程度對(duì)應(yīng)于Kτ作圖，以Npe=為參數(shù)。

62由和Npe查得Kτ，求算出τ。下面看Npe的確定：需確定De

63levenspiel實(shí)驗(yàn)（1958），確定了Re與之間的關(guān)系。實(shí)際中遇到的Re都在104～106之間，中間值用內(nèi)插法求得。Re1041051064.00.30.20.1Re=104時(shí)，Re=106時(shí)，由此可求De

64第二節(jié)???連續(xù)滅菌三、連續(xù)滅菌器的設(shè)計(jì)例1一臺(tái)連續(xù)滅菌器，d=0.155m，L=50m，要求在40min內(nèi)，對(duì)30m3初溫40℃的液體培養(yǎng)基滅菌（蒸汽），假定蒸汽噴入能立即加熱到預(yù)定的溫度。雜菌濃度No=105個(gè)/ml要求N=10-3已知Cp=4.18KJ/kg·kρ=103kg/m3，u=3.6kg/m·h，△E=287441J/mol，A=7.94×1038min-1，R=8.28J/mol·k問(wèn)：為達(dá)到滅菌要求，計(jì)算滅菌溫度T=？（求算滅菌溫度T的方法）

65第二節(jié)???連續(xù)滅菌三、連續(xù)滅菌器的設(shè)計(jì)K=Ae-△E/RT解：Npe=τ可由要求時(shí)間內(nèi)的滅菌物料量求算。1、求算De=105,=0.25∴Npe==udL/Ded==1290>1000接近活塞流1*500.25*0.155

66N/N0=10-330×105×106=3.33×10-16從算圖查Kτ=36~37，τ=V/Q=A·L/Q=1.25min（A截面積，m2）K=36/1.25=28.7min-1K=Ae-△E/RTT=129.5℃

67第二節(jié)???連續(xù)滅菌三、連續(xù)滅菌器的設(shè)計(jì)例2，若采用d=1.00m的塔式反應(yīng)器，在129.5℃滅菌，流量也相同，要達(dá)到相同的滅菌程度，平均停留時(shí)間多少？反應(yīng)器高度L為多少？解：

68因T已知，K一定，已知，只要通過(guò)Npe查出Kτ，則τ可求。但Npe表達(dá)式中有L，∴Npe未知此時(shí)用試差法，設(shè)L值，求算Npe，查Kτ，算出τ，τ應(yīng)符合τ=V/Q=AL/Q關(guān)系，不符再試，一直試到吻合。Npe=解：