1、2022-8-15生物化学工程生物化学工程生物化学工程生物化学工程一些与化学和生物技术相关的网络资源索一些与化学和生物技术相关的网络资源索引引http:/hackberry.chem.niu.edu:20/Webpage,htmlhttp:/www.rpi.edu/dept/chemhttp:/www.osc.edu/chemistry.htmlhttp:/www.chem.ucla.edu/chempointers.htmlhttp:/cctr.umkc.edu/user/dborza/Bioresources.htmlhttp:/golgi.harvard.edu/biopages/bio
2、chem.htmlhttp:/www.cpb.uokhse.edu/pharmacy/pharmint.htmlhttp:/Bic Med Net,comhttp:/pharmInfo.govhttp:/www.fda.govhttp:/www.mec.ac.uk/pharm web生物化学工程生物化学工程第一章：绪论第一章：绪论第二章：工业微生物概论第二章：工业微生物概论第三章：灭菌技术第三章：灭菌技术第四章：氧的供需与传递第四章：氧的供需与传递第五章：生物反应器第五章：生物反应器第六章：微生物培养技术与动力学第六章：微生物培养技术与动力学第七章：动物细胞大规模培养技术第七章：动物细胞大规模
3、培养技术第八章：植物细胞大规模培养技术第八章：植物细胞大规模培养技术第九章：生物物质分离与纯化第九章：生物物质分离与纯化第十章：生化生产工艺实例第十章：生化生产工艺实例生物化学工程第一章第一章 绪绪 论论1.1 生化工程的定义及其与生物工程的关系生化工程的定义及其与生物工程的关系生物化学工程简称生化工程（生物化学工程简称生化工程（biochemical engineering)，是应用化学工程的原理和方法将生物工程的实验室成果是应用化学工程的原理和方法将生物工程的实验室成果进行工业开发的学科进行工业开发的学科。它即可视为化学工厂的一个分之，。它即可视为化学工厂的一个分之，又可认为是生物工程的一
4、个组成部分。是以应用基础研又可认为是生物工程的一个组成部分。是以应用基础研究为主，是走向产业化的必由之路。究为主，是走向产业化的必由之路。生物工程则是（生物工程则是（biotechnology，又称生物技术）是应用，又称生物技术）是应用生物体（包括微生物，动物细胞，植物细胞）或其组成生物体（包括微生物，动物细胞，植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶），在最适条件下，生产有价值的产部分（细胞器和酶），在最适条件下，生产有价值的产物，或进行有益的过程技术。以生命科学为基础。物，或进行有益的过程技术。以生命科学为基础。现代生物技术包括基因工程，细胞工程，酶工程，蛋白现代生物技术包括基因工程，细胞工程，
5、酶工程，蛋白质工程和发酵工程质工程和发酵工程生物化学工程生物反应器生物反应器检 测 控 制 系检 测 控 制 系统统细细胞胞酶酶（游离或固定（游离或固定化）化）空空气气生物催化生物催化剂剂除除菌菌空气空气 能量能量提取精提取精制制产产品品副 产副 产品品废废物物原原料料基质或培养基质或培养基基营 养营 养物物灭灭菌菌生物反应过程示意生物反应过程示意图图下游过程生物反应过程(中游过程)上游过程生物化学工程生物化学工程生物化学工程1.2 生化工程发展简史生化工程发展简史 传统的生物技术制品：传统的生物技术制品：如传统的发酵制品如传统的发酵制品,生产技术生产技术带有浓郁的地方性和经验性的特点带有浓郁
6、的地方性和经验性的特点,设备简单设备简单.20世纪初世纪初,微生物产品有所发展微生物产品有所发展,但主要属于初级代谢但主要属于初级代谢产物产物,厌气发酵厌气发酵,设备也相对简单（乳酸，乙醇，丙设备也相对简单（乳酸，乙醇，丙酮）。酮）。20世纪世纪40年代年代,抗生素的发展抗生素的发展,使生化工程诞生使生化工程诞生.特点是特点是好气发酵好气发酵,产物结构复杂产物结构复杂,次级代谢物次级代谢物,培养液含量低培养液含量低,无无菌条件高菌条件高.20世纪世纪50年代年代,氨基酸工业氨基酸工业,60年代年代:酶制剂酶制剂.70 年代年代:干扰素干扰素,胰岛素胰岛素,生长激素生长激素,乙肝疫苗乙肝疫苗,单
7、克隆抗体单克隆抗体.生物化学工程生物化学工程生物化学工程生物化工产品的特定产物和反应条件，决定了常规工生物化工产品的特定产物和反应条件，决定了常规工业反应装置和分离纯化设备必须经过专门的设计和改进业反应装置和分离纯化设备必须经过专门的设计和改进后才能得以应用，新型高性能的生化反应器和高效分离后才能得以应用，新型高性能的生化反应器和高效分离纯化设备、分离介质以及反应工艺及分离工艺的研制开纯化设备、分离介质以及反应工艺及分离工艺的研制开发是生物化工产业开发的重点领域。生物化工是化学工发是生物化工产业开发的重点领域。生物化工是化学工业的前沿领域之一，在生物技术转化为生产力的过程中业的前沿领域之一，在
8、生物技术转化为生产力的过程中起决定性的作用。在生物技术发展初期，生物化工的重起决定性的作用。在生物技术发展初期，生物化工的重要作用并没有得到足够的重视，随着生物技术产业的发要作用并没有得到足够的重视，随着生物技术产业的发展和化学工业结构和产品结构的调整，越来越多的生物展和化学工业结构和产品结构的调整，越来越多的生物技术产品极大地依赖生物化工技术才能实现规模化生产，技术产品极大地依赖生物化工技术才能实现规模化生产，而且许多化学品的生产工艺有生物法取代，显示了很大而且许多化学品的生产工艺有生物法取代，显示了很大的优势。据美国和欧盟预测生物技术产业在未来的优势。据美国和欧盟预测生物技术产业在未来10
9、10年内年内将增长将增长10-2010-20倍，生物化工产品在化学工业中的比重也倍，生物化工产品在化学工业中的比重也将提高一倍。将提高一倍。生物化学工程目前生物化工的发展速度显然不能适应生物技术产目前生物化工的发展速度显然不能适应生物技术产业化的飞速发展。生物化工面临着改造传统产业和业化的飞速发展。生物化工面临着改造传统产业和发展生物高技术产业的双重任务。加强生物技术的发展生物高技术产业的双重任务。加强生物技术的研究开发，大力发展生物化工不仅是化学工业自身研究开发，大力发展生物化工不仅是化学工业自身发展的需要，也是生物技术产业化的保证。发展的需要，也是生物技术产业化的保证。生物化学工程1.3
10、生化工程的基本内容生化工程的基本内容 新型生物反应器的研究开发，特别是针对基因工程新型生物反应器的研究开发，特别是针对基因工程产品和动、植物细胞培养的产品的投产研制新型生物反产品和动、植物细胞培养的产品的投产研制新型生物反应器。重点在于生物安全。植物细胞对剪切力和环境敏应器。重点在于生物安全。植物细胞对剪切力和环境敏感以及培养周期长而防止污染的问题。动物细胞的附壁感以及培养周期长而防止污染的问题。动物细胞的附壁生长的特点。生长的特点。新型分离方法和设备的研发，特别是针对蛋白质、新型分离方法和设备的研发，特别是针对蛋白质、多肽产品的分离。多肽产品的分离。各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有
11、利于各种描述生物反应过程的数学模型的建立，将有利于过程的控制和优化以及计算机的应用。过程的控制和优化以及计算机的应用。生物反应器内重要参数的传感器的研制和有关计算机生物反应器内重要参数的传感器的研制和有关计算机控制系统硬件及软件的建立和完善。控制系统硬件及软件的建立和完善。生物化学工程第二章第二章 工业微生物学概论工业微生物学概论2.1 工业生产中常见的微生物工业生产中常见的微生物 2.1.12.1.1细菌（细菌（bacteriabacteria）分布广，数量多，与人的关）分布广，数量多，与人的关系密切。按其形态分为球菌、杆菌和螺旋菌系密切。按其形态分为球菌、杆菌和螺旋菌其中发酵工业中常用的为
12、杆菌。包括醋酸杆菌属（其中发酵工业中常用的为杆菌。包括醋酸杆菌属（AcetobacterAcetobacter）,乳酸乳酸杆菌属（杆菌属（LactobacillusLactobacillus）,芽孢杆菌属（芽孢杆菌属（BacillusBacillus）,如枯草芽孢杆菌如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilisBacillus subtilis）可生产）可生产-淀粉酶和蛋白酶和淀粉酶和蛋白酶和5-5-核苷酸酶等。核苷酸酶等。梭菌属（梭菌属（ClostridiumClostridium）如丙酮）如丙酮丁醇的梭状芽孢杆菌（丁醇的梭状芽孢杆菌（Clostridium Clostridium a
13、cetobutyliumacetobutylium）。大肠杆菌（）。大肠杆菌（Escherichia coliEscherichia coli）：判断食品被动物）：判断食品被动物排泄物污染的可能，公共卫生的重要指标。，在工业上利用大肠杆菌的排泄物污染的可能，公共卫生的重要指标。，在工业上利用大肠杆菌的谷氨酸脱羧酶进行谷氨酸定量分析。利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨谷氨酸脱羧酶进行谷氨酸定量分析。利用大肠杆菌制取天冬氨酸、苏氨酸和缬氨酸。医药方面用大肠杆菌制造治疗白血病的天冬酰氨酶，基因酸和缬氨酸。医药方面用大肠杆菌制造治疗白血病的天冬酰氨酶，基因工程菌。产氨短杆菌（工程菌。产氨短杆菌（Brevi
14、bacterium ammoniagenesBrevibacterium ammoniagenes）：短杆菌属，）：短杆菌属，为氨基酸、核苷酸和酶法生产辅酶为氨基酸、核苷酸和酶法生产辅酶A A的菌种。的菌种。生物化学工程Staphylococcus aureus生物化学工程2.1.2 放线菌（放线菌（Actinomyces）因因菌落呈放射状而得名，大多数是腐生菌。介于细菌和霉菌呈长菌落呈放射状而得名，大多数是腐生菌。介于细菌和霉菌呈长的细丝，与霉菌相似，但宽度与细菌相似，无横隔，为单细胞，的细丝，与霉菌相似，但宽度与细菌相似，无横隔，为单细胞，菌丝无完整的核，为原核生物。土壤中含有菌丝无完整的
15、核，为原核生物。土壤中含有104-106/g，有特有的，有特有的土腥味。它的一大贡献是产生抗生素。不完全统计，目前，自然土腥味。它的一大贡献是产生抗生素。不完全统计，目前，自然界发现和分离了界发现和分离了5500种以上的抗生素，其中放线菌产生的有种以上的抗生素，其中放线菌产生的有4400多种。其中链霉菌属（多种。其中链霉菌属（Streptomyces）自）自1942年，年，Waksman 发现发现灰色链霉菌（产链霉素）相继发现了发酵工业中常用的有龟裂链灰色链霉菌（产链霉素）相继发现了发酵工业中常用的有龟裂链霉菌（生产土霉素），红链霉菌（产红霉素），金黄色链霉菌霉菌（生产土霉素），红链霉菌（产红
16、霉素），金黄色链霉菌（产金霉素），委内瑞拉链霉菌（产氯霉素），卡那链霉菌（产（产金霉素），委内瑞拉链霉菌（产氯霉素），卡那链霉菌（产卡那霉素）。小单孢菌属（卡那霉素）。小单孢菌属（Micromonospora）不形成气生菌丝）不形成气生菌丝体，在基内菌丝体上长出孢子梗，顶端着生一个球形、椭圆、或体，在基内菌丝体上长出孢子梗，顶端着生一个球形、椭圆、或长形的孢子。菌落常带有颜色。此属产抗生素的菌种有长形的孢子。菌落常带有颜色。此属产抗生素的菌种有30多种。多种。如绛红小单胞菌和棘孢小单孢菌属都产（产庆大霉素）如绛红小单胞菌和棘孢小单孢菌属都产（产庆大霉素）生物化学工程单细胞，卵圆形，圆形或圆柱形
17、。酵母对发酵生产特别单细胞，卵圆形，圆形或圆柱形。酵母对发酵生产特别有利，自古酿制含酒饮料，而后做面包，发馒头，进行酒有利，自古酿制含酒饮料，而后做面包，发馒头，进行酒精、甘油的生产，近年又用酵母进行石油发酵脱腊、生产精、甘油的生产，近年又用酵母进行石油发酵脱腊、生产各种有机酸。又因酵母内含有丰富的蛋白质、维生素和各各种有机酸。又因酵母内含有丰富的蛋白质、维生素和各种酶，所以酵母本身又是医药、化工和食品工业中的重要种酶，所以酵母本身又是医药、化工和食品工业中的重要原料。如单细胞蛋白质、酵母片、核糖核酸、核苷酸、辅原料。如单细胞蛋白质、酵母片、核糖核酸、核苷酸、辅酶酶A、脂肪酸及乳糖酶等。酵母的
18、繁殖通常以芽殖为主。、脂肪酸及乳糖酶等。酵母的繁殖通常以芽殖为主。工业中常用的菌主要有酿酒酵母菌属和假丝酵母菌属，前工业中常用的菌主要有酿酒酵母菌属和假丝酵母菌属，前者用于酿酒，后者用于其他的发酵生产。者用于酿酒，后者用于其他的发酵生产。2.1.3 酵母菌酵母菌（yeast）生物化学工程2.1.4霉菌（霉菌（molds）凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌为霉凡生长在营养基质上形成绒毛状、网状或絮状菌丝的真菌为霉菌。在自然界中分布广，存在土壤、空气、水和生物体内外等处，菌。在自然界中分布广，存在土壤、空气、水和生物体内外等处，喜偏酸性环境，多数为好氧性、多腐性，少数寄生。其繁殖能
19、力喜偏酸性环境，多数为好氧性、多腐性，少数寄生。其繁殖能力强，以无性和有性孢子繁殖，生长方式以菌丝末端伸长和顶端分强，以无性和有性孢子繁殖，生长方式以菌丝末端伸长和顶端分支。霉菌是菌丝体结构，呈分支状，它既可以引起食品、衣服、支。霉菌是菌丝体结构，呈分支状，它既可以引起食品、衣服、粮食及生活用品的霉烂，又可以用于发酵生产。例如远古时代，粮食及生活用品的霉烂，又可以用于发酵生产。例如远古时代，用霉菌作曲制酱；近代利用霉菌生产酒精、有机酸、抗生素、酶用霉菌作曲制酱；近代利用霉菌生产酒精、有机酸、抗生素、酶制剂、维生素及激素等多种制品。发酵工业中常用的霉菌有曲霉制剂、维生素及激素等多种制品。发酵工业
20、中常用的霉菌有曲霉属（属（Aspergillus）如黑曲霉（生产淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、如黑曲霉（生产淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶）它的变异株可生产柠檬酸、葡萄糖酸、草酸和抗葡萄糖氧化酶）它的变异株可生产柠檬酸、葡萄糖酸、草酸和抗坏血酸），米曲霉含有多种酶类，糖化型淀粉酶和蛋白酶都较强坏血酸），米曲霉含有多种酶类，糖化型淀粉酶和蛋白酶都较强主要用在酿酒的糖化曲和制酱油的酱油曲。黄曲霉，产生液化型主要用在酿酒的糖化曲和制酱油的酱油曲。黄曲霉，产生液化型的淀粉酶。但某些菌种产生黄曲霉毒素，特别在花生和花生饼粕的淀粉酶。但某些菌种产生黄曲霉毒素，特别在花生和花生饼粕上易形成，导致人蓄中毒或致
21、癌。青霉属上易形成，导致人蓄中毒或致癌。青霉属1929年年Fleming首先发首先发现青霉素以来，一些典型的青霉菌如产黄青霉（产青霉素），展现青霉素以来，一些典型的青霉菌如产黄青霉（产青霉素），展开青霉（产灰黄霉素），根霉属（用于制曲和生产乳酸等）。开青霉（产灰黄霉素），根霉属（用于制曲和生产乳酸等）。生物化学工程 Some fungi produce antibiotics Penicillin was the first antibiotic to be discovered生物化学工程Aspergillus生物化学工程2.1.5其他微生物其他微生物：担子菌，即菇类微生物，其资源利用越来越
22、受人们的：担子菌，即菇类微生物，其资源利用越来越受人们的重视。如多糖，橡胶物质，抗癌药物的开发重视。如多糖，橡胶物质，抗癌药物的开发“1，2-葡萄糖葡萄糖苷酶及某些多糖物质具有抗癌作用。苷酶及某些多糖物质具有抗癌作用。：藻类，是分布最：藻类，是分布最广的自养微生物。可作为人类保健品和饲料。培养螺旋藻广的自养微生物。可作为人类保健品和饲料。培养螺旋藻60吨（吨（GW）/公顷，大豆公顷，大豆4吨吨/公顷，是大豆的公顷，是大豆的28倍。倍。2.1.6 噬菌体噬菌体 凡用细菌和放线菌为生长菌株的发酵工业，均存在噬凡用细菌和放线菌为生长菌株的发酵工业，均存在噬菌体的问题。菌体的问题。生物化学工程生物化学
23、工程巨大螺旋蛋白质含量6570；含有多种维生素，VB12最丰富，富含八种必须氨基酸；螺旋藻多糖，多种微量元素，如铁、钾、钠、镁和钙等；含高量胡萝卜素，七是含高含量的gamma-linoleic acid(gamma-亚麻油酸)，可降低人体血脂；另外还含有大量的藻胆蛋白，这是一种能促进机体免疫系统功能增强的生物活性物质。由此可见，螺旋藻是一种高级营养食品，同时还是多种药品特别是保健药品的重要原料。生物化学工程小球藻：繁殖能力强，利用太阳能生产蛋白质，占其胞重的50%，超过牛肉和大豆，另外还含有糖类、脂肪、维生素和矿物质以及一种生长因子，可促进儿童的生长发育和增强体质，用于食品或是食品添加剂。杜氏
24、藻（盐藻)光能转化率高，生长繁殖快的单细胞藻。在条件适当的情况下，这种藻可大量合成胡萝卜素，从10公斤鲜藻内可获得1公斤-胡萝卜素，这比胡萝卜高出了500倍左右。由于-胡萝卜素抗氧化能力强，又是人体必需的最重要的活性物质，加上其资源极其丰富和易加工等特点，生物化学工程 Phage reproductive cycleFigure 10.1CPhage attaches to bacterial cell.Phage injects DNA.Phage DNA directs host cell to make more phage DNA and protein parts.New phage
25、s assemble.Cell lyses and releases new phages.生物化学工程 目前在国际下备受关注，如澳大利亚、以色列和日本等国每年都生产出大量的杜氏藻粉，除进行深加工外还出口到世界种地。当前这种海洋生物技术也是许多国家竞争的热点。我国是海洋大国，海洋生物资源十分丰富，在即新的世纪，利用我们自身的这种优越的自然条件发展海洋生物技术，开发海洋生物新产品已刻不容缓。生物化学工程生物化学工程International Culture CollectionsDomestically,strains can be purchased from:CGMCC orChina Ge
26、neral Microbiological Culture Collection Center中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，北京中关村中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，北京中关村生物化学工程 第三章第三章:灭菌技术灭菌技术3.1.灭菌的原理和方法灭菌的原理和方法3.2.培养基灭菌培养基灭菌3.3.空气灭菌空气灭菌 生物生产过程是一个纯培养过程，必须保证在生产生物生产过程是一个纯培养过程，必须保证在生产的各个环节是无菌的的各个环节是无菌的(空气、培养基、管路和设备空气、培养基、管路和设备)生物化学工程3.1.灭菌的方法和原理灭菌的方法和原理.化学试剂灭菌法化学试剂灭菌法.
27、电磁波、射线灭菌法电磁波、射线灭菌法.热灭菌法热灭菌法(干热、湿热和火焰灭菌法干热、湿热和火焰灭菌法).过滤除菌法过滤除菌法(阻留微生物，达到除菌的目的阻留微生物，达到除菌的目的)生物化学工程消毒剂消毒剂用途用途常用浓常用浓度度使用方法使用方法1 氧化剂：氧化剂：高锰酸钾高锰酸钾漂白粉漂白粉 皮肤消毒皮肤消毒发酵工厂环境消毒发酵工厂环境消毒 0.1-0.25%2-5%环境消毒可直环境消毒可直接用于粉体接用于粉体2醇类：醇类：乙醇乙醇 皮肤及器物的消毒皮肤及器物的消毒 70-75%器物消毒浸泡器物消毒浸泡30 min3 酚类：酚类：石碳酸石碳酸来苏尔来苏尔 浸泡衣物、擦拭房间桌浸泡衣物、擦拭房间
28、桌面、喷雾消毒面、喷雾消毒皮肤、桌面、器械消毒皮肤、桌面、器械消毒 1-5%3-5%4 甲醛甲醛空气消毒空气消毒1-2%（10-15ml/m3）加热熏蒸加热熏蒸4h5 铵盐铵盐新洁而灭新洁而灭 皮肤、器械、环境消毒皮肤、器械、环境消毒 0.1-0.25%浸泡浸泡30min常用化学消毒剂及其使用方法常用化学消毒剂及其使用方法生物化学工程化学消毒剂方法的局限性化学消毒剂方法的局限性生物化学工程.电磁波、射线灭菌电磁波、射线灭菌法法.1：原理：利用高能电磁波、紫外线或放射性物质产原理：利用高能电磁波、紫外线或放射性物质产生的高能粒子可以起到灭菌的作用。生的高能粒子可以起到灭菌的作用。波长在波长在(2
29、.1-3.1)(2.1-3.1)1010-7-7 m m的紫外线的紫外线 表面或空表面或空气灭菌。气灭菌。波长在波长在(0.06-1.4)(0.06-1.4)1010-7-7 m m的的 X X 射线射线/射线射线(Co60)(Co60)在在 工业上还少采用。工业上还少采用。穿透力差穿透力差设备投资设备投资高高生物化学工程.热灭菌法热灭菌法.。生物化学工程.生物化学工程 生物化学工程3.2.培养基灭菌培养基灭菌培养基中含有丰富的营养，工业化生产中，体积大，生产的时间长，很易受到杂菌的污染。工业上常采用湿热灭菌的方法。灭菌的要求：工业上无菌（灭菌度为1000）。即尽可能的出去杂菌的同时，还要尽可
30、能的减收营养物的损失。常采用的条件为：121，20-30 min。3.2.1：灭菌的基本理论：灭菌的基本理论（一）微生物的死亡动力学一）微生物的死亡动力学A:对数残存定律：微生物受热死亡的主要原因是高热能使蛋白质变性，这种反应可认为是单分子反应，死亡速率可视为一级反应，即与残存的微生物数量成正比，生物化学工程 式中式中 N经时间经时间t后残存的活菌浓度（个后残存的活菌浓度（个/L)，N0开始灭菌时原有活菌浓度（个开始灭菌时原有活菌浓度（个/L)；t灭菌时间（灭菌时间（s,min）K灭菌速率常数或比死亡速率常数（灭菌速率常数或比死亡速率常数（s-1,min-1）它的大小与微生物的）它的大小与微生
31、物的种类种类和加热和加热温温度度有关。在同等温度下，其值小，微生物的有关。在同等温度下，其值小，微生物的耐热性强。耐热性强。从上式得出：从上式得出：t,N之间的关系为对数之间的关系为对数t=（2.303/K）(N0/N)生物化学工程式中N/N0,菌体存活率，而N0/N，为灭菌度。B:非对数死亡规律非对数死亡规律：对于耐热性的微生物芽孢，其死亡不符合对数规律。具有代表性的模型为Prpkop&Humphey提出的“菌体循序死亡模型”。认为：芽孢的死亡是渐进的。有耐热的芽孢（R型）转变为死亡的芽孢(D型），需经过敏感的中间过程（S型）。NR NS NDKRKS生物化学工程dNs/dt=KRNRKSN
32、SdNR/dt=KRNR解为：解为：N/N0=KR/(KR KS)exp(KSt)KS/KRexp(KRt)当温度在当温度在120时，接近一级反应规律时，接近一级反应规律从以上可以看出：达到彻底的无菌，灭菌的时从以上可以看出：达到彻底的无菌，灭菌的时间为无限长。因此，工程设计以工业无菌为准。间为无限长。因此，工程设计以工业无菌为准。（二）温度对死亡速率常数（二）温度对死亡速率常数K值的影响值的影响：温度可以影响反应速度常数。其关系用温度可以影响反应速度常数。其关系用Arrhenius方程表示方程表示:K=Aexp(E/RT)生物化学工程生物化学工程式中：式中：A常数（常数（s-1 or min
33、-1)；R气体常数，气体常数，8.314 J/molK;T 绝对温度，绝对温度，K;E 微生微生物死亡活化能，物死亡活化能，J/mol.K=A(E/RT).dK/dT=E/RT2.从（从（2）式看出：）式看出：E 大，大，K对对T的变化率的变化率越大，即对温度变化敏感。越大，即对温度变化敏感。培养基中的热灭菌既要杀死杂菌，又要保存其培养基中的热灭菌既要杀死杂菌，又要保存其中的有效成分，因而研究热对营养物质的影响中的有效成分，因而研究热对营养物质的影响是十分必要的是十分必要的生物化学工程（三）温度对营养物质分解破坏速率常数（三）温度对营养物质分解破坏速率常数K的的影响影响同样是为一级反应：同样是
34、为一级反应：dC/dt=KC其中：其中：C 培养基内易被破坏成分的浓度培养基内易被破坏成分的浓度mol/L;t 灭菌时间（灭菌时间（min,s);K 分解速度常数。分解速度常数。而且而且K同样受到温度的影响，同样受到温度的影响，符合符合Arrhenius方方程，即有：程，即有：K=A(E/RT).dK/dT=E/RT2.生物化学工程当培养基温度从当培养基温度从T1升至升至T2时：时：对微生物其死亡速度常数的得比值对微生物其死亡速度常数的得比值K2/K1=exp(E/R)(1/T2 1/T1)(K2/K1)=(E/R)(1/T2 1/T1).(3)同理：对培养基中的营养物质同理：对培养基中的营养
35、物质(K2/K1)=(E/R）(1/T2-1/T1)(4)(3)/(4)得：得：(K2/K1)/(K2/K1)=E/E(5)从从(5)中看出，活化能大，反应速度常数变化程度中看出，活化能大，反应速度常数变化程度也大。也大。生物化学工程细胞芽孢和热敏性营养物的活化细胞芽孢和热敏性营养物的活化能能细菌芽孢和细菌芽孢和营养物营养物E(J/mol)细菌芽孢和营养细菌芽孢和营养物物E(J/mol)叶酸叶酸维生素维生素B12维生素维生素B1维生素维生素B270340963009211498813葡萄糖葡萄糖嗜热脂肪芽孢杆嗜热脂肪芽孢杆菌菌枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌肉毒梭菌肉毒梭菌10048828346031
36、8210343300判断采用高温或是在低温条件下杀菌是由该反应判断采用高温或是在低温条件下杀菌是由该反应的活化能的大小决定。灭菌温度升高时，微生物杀的活化能的大小决定。灭菌温度升高时，微生物杀死速率的提高要超过营养成分破坏的速率。在灭菌死速率的提高要超过营养成分破坏的速率。在灭菌度相同的条件下，度相同的条件下，Kt=常数，因而高温常数，因而高温K值增大，值增大，时间必定大大缩短，营养物质总的损失可以减少，时间必定大大缩短，营养物质总的损失可以减少，因此高温短时灭菌比低温长时要好。此为灭菌动力因此高温短时灭菌比低温长时要好。此为灭菌动力学得出的最重要的结论之一。学得出的最重要的结论之一。生物化学
37、工程例例1：当杀菌温度从：当杀菌温度从120升至升至150，试计算维生，试计算维生素素B1的分解速率常数的分解速率常数KB和嗜热脂肪芽孢杆菌的死亡和嗜热脂肪芽孢杆菌的死亡速率常数速率常数KS。已知。已知ES=283460 J/mol,As=1.061036(min-1)；EB=92114 J/mol,AB=1.061010(min-1)解：解：由（由（1）式，即）式，即K=A(E/RT)得得 Ks=As ES/(2.303 RT)Ks在在120 时为时为0.024(min-1)150 时为时为11.12(min-1)灭菌速率常数提高灭菌速率常数提高463倍。倍。同样地：同样地：KB在在120
38、时为时为0.055(min-1)，150 时为时为0.404(min-1)，同样的温度变化仅提高，同样的温度变化仅提高7.3倍倍生物化学工程解：因营养物质的损失为一级反应；解：因营养物质的损失为一级反应；固有固有 C/C0=Kt=0.418 C/C0=0.658 B1的损失（的损失（C0 0.658 C0)/C0=0.342例例2：在：在120 时灭菌时灭菌7.6 min,计算维生素计算维生素B1的的损失度。已知损失度。已知K=0.055(1/min)。生物化学工程生物化学工程3.2.2：影响灭菌的因素：影响灭菌的因素培养基成分：影响微生物的耐热性。培养基成分：影响微生物的耐热性。培养基的物理
39、状态：导热方式培养基的物理状态：导热方式培养基的培养基的pH培养基中的微生物量。培养基中的微生物量。N正比于正比于N0微生物细胞中的水含量。水微生物细胞中的水含量。水微生物细胞菌龄微生物细胞菌龄微生物的耐热性，细菌芽孢最耐热微生物的耐热性，细菌芽孢最耐热空气排出情况空气排出情况泡沫：热量传递难泡沫：热量传递难 避免突然进汽或加大避免突然进汽或加大排气。排气。搅拌搅拌M失活易生物化学工程一、间歇灭菌一、间歇灭菌（一）、间歇灭菌（一）、间歇灭菌又称实罐灭菌，将配置好的培养基放在发酵又称实罐灭菌，将配置好的培养基放在发酵罐中或其它装置中，通入蒸汽将培养基和所罐中或其它装置中，通入蒸汽将培养基和所用的
40、设备一起进行灭菌的过程。此法对设备用的设备一起进行灭菌的过程。此法对设备要求简单，灭菌可靠，无需专门的灭菌设备，要求简单，灭菌可靠，无需专门的灭菌设备，投资少，是中小型工厂厂采用的一种方法。投资少，是中小型工厂厂采用的一种方法。分为三个阶段：升温、保温和冷却。分为三个阶段：升温、保温和冷却。生物化学工程培养基间歇灭菌过程中培养基间歇灭菌过程中的温度变化的温度变化加热加热保温保温冷却冷却（二）间歇灭菌的计算（二）间歇灭菌的计算升温阶段：采用间接加升温阶段：采用间接加热（夹套、蛇管）；直热（夹套、蛇管）；直接加热（在培养基中直接加热（在培养基中直接通入蒸汽）；或二者接通入蒸汽）；或二者同时进行的加
41、热方式。同时进行的加热方式。生物化学工程由微生物死亡动力学公式由微生物死亡动力学公式 dN/dt=KN K=Aexp(E/RT)总总=N0/N=0t Aexp(E/RT)dtN0/N=(N0/N1)(N1/N2)(N2/N)=(N0/N1)+(N1/N2)+(N2/N)=加加+保保+冷冷生物化学工程在加热或冷却工程中在加热或冷却工程中,温度随时间而发生改变，温度随时间而发生改变，加加=Aexp(E/RT)dt关系式复杂，积分困难，关系式复杂，积分困难，目前可用目前可用Richards简易算法算出。其认为当温度简易算法算出。其认为当温度超过超过100后，才能具有杀灭微生物的作用，并后，才能具有杀
42、灭微生物的作用，并且随着温度的升高，该作用也随之增大。据此他且随着温度的升高，该作用也随之增大。据此他以嗜热脂肪芽孢杆菌为指示菌，在每分钟升高以嗜热脂肪芽孢杆菌为指示菌，在每分钟升高1的条件下，在不同温度下的的条件下，在不同温度下的(N0/N1)，并汇，并汇总于表（总于表（p84)加加=查表查表升至恒温的时间升至恒温的时间/(恒温温度恒温温度-100)冷冷=查表查表降温的时间降温的时间/(开始降温温度开始降温温度-100)生物化学工程例例3:培养基在培养基在30 min内从内从100 升至升至121，或，或在在17 min内从内从121 冷却至冷却至100，Richards简简便方法计算便方法
43、计算加加和和冷冷?解：解：在在 1 /min 条件下，培养基从条件下，培养基从120 121，加加为为12.549，加加=查表查表升至恒温的时间升至恒温的时间/(恒温温度恒温温度-100)加加=12.549 30/21=17.93 冷冷=查表查表降温的时间降温的时间/(开始降温温度开始降温温度-100)同理同理:冷冷=12.549 17/21=10.16生物化学工程例例4:若某发酵液中原含活菌若某发酵液中原含活菌1011个个,灭菌后的活灭菌后的活菌数为菌数为10-3个个,且发酵液在且发酵液在16 min内从内从100 被加被加热到热到121 ，之后，在此温度下保温，之后，在此温度下保温t mi
44、n，接，接着，发酵液再在着，发酵液再在17 min内从内从121 冷却到冷却到100 ，求所需保温时间求所需保温时间t。已知。已知121 的的K=2.54 min-1解：发酵液在杀菌前后体积不变 总总=N0/N=1011/10-3=1014=32.2加加=12.549 16/21=9.56 冷冷=12.549 17/21=10.16又又 总总=加加+保保+冷冷 保保=32.2-9.56-10.16=12.48生物化学工程 保保=0t Aexp(E/RT)dt=Ktt=保保/K=12.48/2.54=4.91(min)升温阶段对灭菌的贡献升温阶段对灭菌的贡献加加/总总=9.56/32.2=0.2
45、9降温阶段对灭菌的贡献降温阶段对灭菌的贡献冷冷/总总=10.16/32.2=0.31从上例说明升温和冷却阶段对整个灭菌过程来从上例说明升温和冷却阶段对整个灭菌过程来说，效果十分可观。说，效果十分可观。一般地加加/总总占0.2，而冷冷/总总占0.05，保温阶段保保/总总占0.75生物化学工程二、培养基的连续灭菌将配置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。连续灭菌可在短时间内加热到保温的温度，并且能很快地冷却，因此可在比间歇灭菌更高的温度下进行灭菌，有利于减少营养物质的损失。培养基连续灭菌过程中的温度的变化1、基本流程生物化学工程配料罐将培养基预热60-70，防
46、止培养基在杀菌时料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击声。连消塔（加热塔）使培养基迅速（20 s)升温（126-132）。维持罐：使培养基温度保持在灭菌温度下一段时间。2-7min.冷却管：将培养基迅速冷却到40-50，输送到灭菌后的发酵罐内生物化学工程2、喷射加热连续灭菌流程生物化学工程3、薄板换热器连续灭菌流程作业：P90;1;3;6生物化学工程3.3.空气灭菌空气灭菌好氧微生物在发酵过程中需氧。而空气中夹带有大量的各类杂菌，因而在培养系统通入空气之前须除菌。生产中应用的无菌空气认为10-3。一般空气中的含量103-104个/m3,菌体的平均尺寸为0.6 m。3.3.1 空气灭菌的方法空气灭
47、菌的方法空气中微生物种类：包括细菌、细菌和霉菌孢子，酵母菌和病毒。研究其分布情况有利于选取良好的取风位置和提高空气除菌效率。数量与环境温度和湿度有关。城市中空气微生物的含量大于农村和山区的地面空气微生物的含量大于高空中的。潮湿温暖的南方地区微生物的含量大于干燥寒冷的北方地区。尘埃数量与微生物量呈线性关系（y=0.003x-2.6)生物化学工程热灭菌法热灭菌法Decker等发现悬浮于空气中的细菌孢子在218，24 s24 s内内可被杀死。利用空气压缩时温度升高来杀死微生物热灭菌方法（属于干热灭菌)。压力与温度的关系为T2=T1(P2/P1)(m-1)/m式中,T1,T2分别是空气压缩前后的温度,
48、K;P1,P2 分别是压缩前后的的空气压力，Pa;m 多变指数，1.25。实际工艺所采用进口空气温度T1=60-70,P2/P1=6,则出口温度达到200 以上（203-217），即可达到灭菌的目的。该方法已成功地应用在丙酮、丁醇、淀粉酶和2，3 丁二醇的发酵生产。其工艺流程为生物化学工程生物化学工程辐射灭菌和化学灭菌法在发酵工业上大规辐射灭菌和化学灭菌法在发酵工业上大规模模的制备无菌空气尚待经一步研究的制备无菌空气尚待经一步研究.静电除菌法静电除菌法使空气中的微粒（水雾、油雾、尘埃和微生物）使空气中的微粒（水雾、油雾、尘埃和微生物）在静电场的作用下会被电离成带电微粒，然后将在静电场的作用下会
49、被电离成带电微粒，然后将其铺集在电极上。对其铺集在电极上。对1 的微粒去除率高达的微粒去除率高达99%，耗电量小耗电量小处理处理1000 m3空气空气/(0.4-0.8 kW),气体压气体压力损失小，但对很小的微粒，由于所带电荷小，力损失小，但对很小的微粒，由于所带电荷小，静电引力接近于气流对微粒的拖动力或布朗扩散静电引力接近于气流对微粒的拖动力或布朗扩散动量时，不能除去。同时设备庞大，一次性投资动量时，不能除去。同时设备庞大，一次性投资费用高。费用高。生物化学工程生物化学工程介质过滤除菌法介质过滤除菌法工业上最常用的空气除菌方法。是通过过滤介质阻工业上最常用的空气除菌方法。是通过过滤介质阻截
50、空气中所含微生物，从而获得无菌空气。截空气中所含微生物，从而获得无菌空气。过滤介质孔隙过滤介质孔隙绝对过滤绝对过滤:孔径孔径(0.01-0.2)小于微生物粒小于微生物粒子（子（0.5-2)的微孔过滤膜。的微孔过滤膜。相对过滤：过滤介质孔隙大于微生相对过滤：过滤介质孔隙大于微生物直径。如棉花、活性炭、玻璃纤维物直径。如棉花、活性炭、玻璃纤维等等3.3.2 过滤介质除菌的原理过滤介质除菌的原理棉花纤维直径棉花纤维直径16-20,孔隙直径孔隙直径20-50,微生物直径微生物直径0.5-2.微粒随空气流通过一定厚度的过滤层时，滤层纤维所微粒随空气流通过一定厚度的过滤层时，滤层纤维所形成的网格对气流进行
