1、生物工程设备曾用名：工业生物技术装备工业生化设备 生化设备 抗生素生产设备 发酵设备第1页/共81页参考书:（1）生物工程设备，梁世中 主编 中国轻工业出版社.（2）发酵设备高孔荣 编著 中国轻工业出版社.(3)生物加工过程与设备，郑裕国等，化学工业出版社.第2页/共81页主要内容讲课学时 第一章 培养基灭菌的设备 4学时 第二章 压缩空气预处理及除菌设备 6学时 第三章 生物反应器 14学时 第四章 液-固分离设备 6学时 第五章 萃取设备 6学时 第六章 蒸发与结晶设备 4学时 第七章 生物产品干燥设备 6学时 复习与机动 2学时 总计48学时第3页/共81页考核:平时成绩20分.出勤、作
2、业、小考、笔记、课堂表现等。期末闭卷考试 成绩80分.第4页/共81页第一章 培养基灭菌的设备 第一节 培养基的灭菌方法第二节 培养基实罐灭菌第三节 培养基连续灭菌第5页/共81页 第一节 培养基的灭菌方法 采用高温蒸气灭菌-湿热灭菌 第6页/共81页 1.1.工程上无菌标准灭菌对象 耐热杆菌芽孢120,20-30120,20-30分钟 培养基初始污染度 104108（个/ml）：2 210107 7个/ml 无菌标准 NS=10-3 即1/1000的失败机率第7页/共81页 2.对数残留定律 微生物死亡速率与任一瞬间残存的活菌数成正比对数残留定律 即率，即死亡速率。瞬 时,min灭菌速率常数
3、），(死亡速率常数:min;，受 热:残留活菌数，个:1变化速时间dtdNktNkNdtdN第8页/共81页死亡速率常数K（热致死反应速率常数）K是表达微生物耐热性的特征常数，单位是min-1，与微生物的种类和灭菌温度有关。K越小，微生物越耐热。第9页/共81页 开始灭菌时，t t 0 0，培养基中的活菌数量为N N 0 0；当t t t t 时，N N N Nt t)11(lg303.2ln000tktttNNkteNNktNN式（11）被称为对数残留定律，第10页/共81页理论灭菌时间)11(lg303.20tNNktN 0 一般可以参考培养基中的活微生物：（12）(10 5-107)个。
4、Nt 0.001 个/罐。第11页/共81页第12页/共81页第13页/共81页 3.3.死亡的速度常数K K与温度关系1/TlgKlgA-E.ATREKlg1303.2lgRTEeAK,阿累尼乌斯常数A，活化能E第14页/共81页 对于某一耐热芽孢杆菌 A=1.34x10(1/S)E=67930卡/克分子TeK987.167930361034.1RTEeAK第15页/共81页 灭菌温度的选择 式中 E为菌体死亡反应的活化能（J/mol），它是菌体死亡反应的特征常数，所以，不同菌其热死亡反应的E不同。TREeAK第16页/共81页 灭菌时杀死微生物的E大于培养基成分破坏的 E，因此，随温度的上
5、升，比死亡速率常数增加倍数要大于培养基成分分解的速率。第17页/共81页4.4.灭菌的温度和时间对营养成分破坏的影响消毒温度()灭菌时间(min)维生素破坏(%)10040099.3110366711515501204271300.581400.0821500.011第18页/共81页灭菌目的：灭菌后的培养基无杂菌,营养成分破坏少。培养基灭菌要解决的问题是：灭菌的温度灭菌的时间第19页/共81页5.影响培养基灭菌的其他因素 培养基成分、pH值、培养基中的颗粒、泡沫第20页/共81页第二节 培养基实罐灭菌 分批灭菌（实消、实罐灭菌）连续灭菌（连消）空罐灭菌（空消）第21页/共81页时间温度1代表
6、连续灭菌2代表分批灭菌（小罐）3代表分批灭菌（大罐）第22页/共81页 1、分批灭菌（实消、实罐灭菌）将配制好的培养基放在发酵罐、加压灭菌锅或其它容器中，通入水蒸汽将培养基和所用设备一起灭菌的操作过程。第23页/共81页 四路进汽：直接蒸汽从进气口、取样和排料口进入罐内直接加热，夹套进气。*四路出汽：直接蒸汽从排气、接种、进料和消泡剂管排气。第24页/共81页 2 2、分批灭菌的过程包括三个阶段 升温（预热）阶段：通过夹套或蛇管间接加热75-9075-90。大罐也可以直接蒸气加热。然后再导入蒸汽升温到120130。第25页/共81页保温阶段：灭菌的重要阶段。习惯上，5050立方米以下的,保温时
7、间看作是灭菌时间。从各路通入蒸汽（进气口、排料口、取样口），温度升到120130，保温30min 保温中，应注意凡在培养基液面下的各种进口管道都应通入蒸汽，而在液面以上的其余保温中，应注意凡在培养基液面下的各种进口管道都应通入蒸汽，而在液面以上的其余各管道则应排放蒸汽，不留死角，灭菌彻底。各管道则应排放蒸汽，不留死角，灭菌彻底。第26页/共81页降温阶段：降温阶段：依次关闭各排汽、进汽阀依次关闭各排汽、进汽阀门，待罐内压力低于空气压力后，向门，待罐内压力低于空气压力后，向罐内通入无菌空气，在夹套或蛇管中罐内通入无菌空气，在夹套或蛇管中通冷水降温，防止罐体负压变形。通冷水降温，防止罐体负压变形。
8、第27页/共81页3、分批灭菌的注意事项1）各路蒸汽进口要畅通，防止短路逆流；罐内液体翻动要剧烈，使物料达到均一的灭菌温度。2）排气量不宜过大，以节约蒸汽。第28页/共81页3）灭菌将要结束时，应立即引入无菌空气以保持罐压，然后开夹套或蛇管冷却，以避免罐压迅速下降产生负压而吸入外界空气，或引起发酵罐破坏。4）在引入无菌空气前，罐内压力必须低于过滤器压力，否则培养基将倒流入过滤器。第29页/共81页4、培养基实罐灭菌的质量优劣判别的标准1)培养基灭菌后达到无菌的要求；2)营养成分破坏少；3)灭菌培养基体积与计料体积相符；4)泡沫要少。第30页/共81页5、分批灭菌（实消）特点：1 1、不需要专门
9、的灭菌设备，投资少，设备简单。2 2、灭菌效果可靠，对蒸汽的要求低，一般在（0.30.30.40.4）MPaMPa3 3、中小型发酵罐常用的灭菌方法。4 4、灭菌后培养基质量比较差，营养损失大。5 5、罐的利用率低。第31页/共81页第三节 培养基的连续灭菌连续灭菌（连消）培养基在发酵罐外连续地加热、保温、冷却，然后进入发酵罐。第32页/共81页连续灭菌与分批灭菌灭菌曲线图时间温度1代表连续灭菌2代表分批灭菌（小罐）3代表分批灭菌（大罐）第33页/共81页1.培养基连续灭菌的优点1)采用高温，快速灭菌，营养成分破坏较少，提高发酵产量；2)灭菌时间短，设备利用率高；3)蒸汽负荷均衡，锅炉利用高；
10、4)适宜采用自动控制；5)减低劳动强度.第34页/共81页空消 连续灭菌时，需在培养基进入发酵罐前，直接用蒸汽进行空罐灭菌（空消）（温度125125130130；时间30304545分钟）。空消时一般维持罐压0.150.150.20.2MpaMpa 用无菌空气保压（0.0980.098MpaMpa），待培养基流入罐后，开始冷却。第35页/共81页2.2.连续灭菌的工艺流程配料罐 预热罐 输料泵 60-70 0.5-0.6MPa加热器 维持罐 冷却器 130-135 130-135 40-45 培养罐第36页/共81页3 3、连续灭菌设备及计算按加热器的形式可分：连消塔加热连续灭菌流程 喷射式加
11、热的连续灭菌流程第37页/共81页加热设备 塔式加热器 （即连消塔）套管式连消塔 混合式连消塔 连消器 喷射式加热器第38页/共81页a)a)连消塔加热连续灭菌流程第39页/共81页（2）连消塔(套管式)连消塔用内外两根管子套合组成（高3m），内管开有45向下倾斜的小孔，孔径一般为6mm。停留时间一般取2030s；线速度要求0.1m/s。第40页/共81页 连消塔又称加热器，是培养基与蒸汽混合加热至灭菌温度的设备。要求在2030s或更短的时间内将料液加热至125140。生产中一般用0.50.6Mpa的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。第41页/共81页第42页/共81页连消器 为了增加混合效
12、果，器内设置一块弧形挡板。高度仅为0.50.5m m左右。第43页/共81页b)b)喷射式加热的连续灭菌流程第44页/共81页 培养基用泵打入喷射加热器，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后进入管道维持器，经一定维持时间后通过一膨胀阀进入真空闪急蒸发室，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。第45页/共81页喷射式加热器：第46页/共81页第47页/共81页喷射式加热器：第48页/共81页喷射式加热器 特点：蒸汽和料液迅速接触，充分混合，加热是在瞬间内完成。第49页/共81页第50页/共81页罐式维持器停留时间：=V=V维持/V/V物料流量
13、 V V维持罐 =V=V维持/（85%-90%85%-90%）停留时间=理论灭菌时间(35)倍 罐的有效体积能满足维持时间8 825min25min的需要，填充系数为 85%-90%85%-90%。第51页/共81页例1 1：有一连消系统，每小时处理量为15m15m3 3，料液密度1000Kg/m1000Kg/m3 3，料液中原始菌数10107 7个/ml/ml，灭菌温度132132。求：理论灭菌时间？采用罐式维持器，物料应停留时间？维持罐容积?第52页/共81页解K=0.299(1/S)?NS=0.001个/罐,N0=10715106个/罐13.3614845lgTKSNNK0lg303.2
14、(min)2.2)(29.132001.0101510lg299.0303.267 s第53页/共81页采用罐式维持器,由于物料存在严重返混 =2.2=2.2 (3(35)5)倍 =6.6(min)=6.6(min)物料在罐内停留时间为6.6 min6.6 min V V维持=Vm=Vm VmVm：每小时处理量,15m,15m3 3/h/h维持罐的装料系数85%85%90%90%V V维持罐 =Vm=Vm 85%85%=6.6 =6.6(15(1560)60)0.85 0.85 =1.94(m =1.94(m3 3)第54页/共81页管式维持器 另外一种维持设备为管式维持器 在喷射加热的连续灭
15、菌流程中使用。略第55页/共81页 管式维持器 克服维持设备中的反混现象,流速0.250.6m/s,m/s,平推流 无缝不锈钢管 108mm108mm4mm;4mm;1331334mm4mm第56页/共81页冷却设备真空冷却喷淋冷却器螺旋板换热器第57页/共81页冷却设备-真空冷却器 工作原理：连续灭菌后的培养基进入真空 冷却器内，在一定的真空度下 水分汽化，使物料本身温度下 降。第58页/共81页真空冷凝器热物料冷物料二次蒸汽真空冷凝器料液下降管长度应大于9M真空度保持在7080kPa(530600mmHg)，第59页/共81页真空冷却装置图l一真空冷却器 2冷凝器 3一喷射器 4冷水进口
16、5料液进口第60页/共81页 真空冷却器设计参数：蒸汽在冷却器内上升速度 0.8-1.0 m/s蒸汽在出口管内的流速 WS10 m/s物料在出口管内的流速 Wm=0.2-0.3 m/s 物料在进口管内的流速 Wm=40-60 m/s 第61页/共81页热物料冷物料二次蒸汽真空冷凝器料液下降管长度应大于9M1.5第62页/共81页第63页/共81页喷射加热真空冷却连消流程优点：加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏最少，可以采用高温灭菌(140)。缺点：由于真空的影响，将真空冷却器置于离发酵罐液面10m以上的高处，否则物料就不能自行流进发酵罐，或者在下面要安装一台出料泵，但泵的密封要求高，并避免染菌
17、。第64页/共81页板式换热器灭菌流程第65页/共81页板式换热器灭菌流程特点：1、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。2、加热和冷却培养液所需要的时间比使用喷射式连续灭菌稍长，但较分批灭菌小得多。3、由于培养液的预热过程同时为灭菌培养液的冷却过程，所以节约了蒸汽及冷却水的用量。第66页/共81页冷却设备-喷淋冷却器（常用）喷林冷却器是将水通过喷林装置均匀地淋在水平的排管上，来冷却管内的培养基。培养基一般由排管下部进入，而由上部排出。第67页/共81页冷却设备-喷淋冷却器 设计参数：物料在管内的流速 W Wm m=0.6-0.7 M/S =0.6-0.7 M/S K=920-
18、1050(kJ/m K=920-1050(kJ/m2 2h)h)冷却水至最上排直管至最下排直管的温差T=20T=20左右。第68页/共81页 第69页/共81页冷却设备-螺旋板换热器 新型热效率很高的换热设备。设计参数=2090-6270(kJ/m=2090-6270(kJ/m2 2h)h)第70页/共81页第71页/共81页 螺旋板换热器是由三片金属板卷成金属板的间隙为10mm，两流体逆流流动。操作压力和温度不能太高，一般小于2MPa最高不能超过4MPa，操作温度在300400以下。第72页/共81页薄板换热器第73页/共81页第74页/共81页第75页/共81页薄板换热器 高效换热，传热系
19、数可达6000W/(m2)结构紧凑 质量轻，操作灵活性大，容易清洗通用性强，第76页/共81页设备清洗与灭菌CIP清洗重要管制点清洗时间 视附着物的种类而定清洗剂温度 60-80C清洗剂浓度 1.0-2.0%流速,温度及压力 1.5-2.0m/s,10-15m3/Hr,2BarCIP清洗大循环:水-碱-水-酸-水CIP清洗小循环:水-碱-水生产高酸产品不能取代大循环中酸洗的部份第77页/共81页 六、培养基与设备、管道灭菌条件 1、灭菌锅内灭菌 2、种子培养基实罐灭菌 3、发酵培养基实罐灭菌 4、发酵培养基连续灭菌 5、消泡剂灭菌 6、补料实罐灭菌 7、尿素溶液灭菌第78页/共81页 DE值：糖化液中还原糖含量（以葡萄糖计）占干物质的百分率，用以表示淀粉糖的糖组成。还原糖用斐林法或碘量法测定，干物质用阿贝折光仪测定。%100%）干物质含量（）还原糖含量（值DE第79页/共81页复习题1 区别连消、实消、空消？2 2 灭菌流程中冷却设备有哪些?原理及特点？3 3 简述喷射式加热的连续灭菌流程及其特点。4 4 简述连消塔结构特点。5 5 连消的工艺特点？第80页/共81页感谢观看！第81页/共81页
