課程：生物工程設備課程：生物工程設備1緒論1、生物過程工程學基本概念2、生物技術設備的基本概念3、生物過程工程概述4、課程內容和任務緒論1、生物過程工程學基本概念2生物學化學工程工程學化學生物工程生物化學生物技術新興、前沿學科往往在學科交叉中產生生物學化學工程工程學化學生物工程生物化學生物技術新興、前沿學3底物生物反應器檢測控制儀表培養基（滅菌）經加工原料酶細胞生物催化劑（游離或固定化）機械能除菌空氣產品提取純化副產品產品廢物熱能原材料營養物典型工業生物技術過程核心技術？底物生物反應器檢測控培養基（滅菌）經加工酶細胞生物催化劑機械41、生物過程工程學基本概念

生物反應過程是整個生物生產過程的核心，其它過程都是為生物反應過程服務的。1.1工程理念1.2工程學基本概念1、生物過程工程學基本概念

生物反應過程是整個生51.1工程理念

工程學是研究工業生產過程系統規律性的科學，探索如何有效的在合理的生產設備將原料轉變為工業產品的科學。必須有以下四種工程理念(engineeringthought)：理論上的正確性(validtheory)；技術上的可行性(technicalfeasibility);操作上的安全性(safetyoperation)；經濟上的合理性(economicalrationality)。1.1工程理念

工程學是研究工業生產6工程學的觀點目的產物中心觀點能量最小的觀點細胞經濟與生產經濟矛盾的觀點

細胞代謝調控機制使其代謝反應有序進行，處于平衡生長則無代謝物積累，稱為細胞經濟;通過改變細胞基因型改變代謝途徑或改變培養條件控制代謝，過量表達代謝產物對細胞能量利用和細胞組成物質的合成都是不經濟的，這種細胞叫做”病態”細胞工程學的觀點目的產物中心觀點7衡算概念質量衡算、熱量衡算和動量衡算速率概念速率問題是理論上的正確性合技術上的可行性的一個重要的衡量標志和判斷標準。過程速率=f(過程的推動力/過程的阻力)

1.2工程學基本概念衡算概念1.2工程學基本概念8最優化概念最優化方法所研究的中心問題是如何根據系統的特性去選擇滿足控制規律的參數，使得系統按照要求運轉或工作，同時使系統的性能或指標達到最優化。以動力學為基礎的最佳工藝控制點的靜態操作方法向以細胞代謝流的分析與控制為核心的生物反應最優化技術經濟概念不管是在小試、中試還是示范工程建設中都必須始終貫穿著技術經濟概念，這樣才能保證所開發的生物技術方案的科學性和合理性。最優化概念92.1生物技術工藝與設備2.2生物工程設備2、生物工程設備的基本概念2.1生物技術工藝與設備2、生物工程設備的基本概念102.1生物技術工藝與設備生物技術工藝包含了一系列的生物反應過程、化學反應過程和物理操作過程，需相應設備中進行。其核心為生物反應過程。生物工程設備的發展可以促進生物技術產品的開發和生產。生物工程設備技術在現代生物技術產業中具有十分重要的地位。2.1生物技術工藝與設備生物技術工藝包含了一系列的生物反應過112.2生物工程設備生物工程設備的特點生物工程設備的發展歷程生物工程設備的工作領域生物工程過程與設備2.2生物工程設備生物工程設備的特點12生物工程設備的特點（1）對于所有微生物或動植物細胞來講，提供必要和足夠的營養和能量，才能維持其生命代謝活動。（2）培養基原料的預處理不僅影響細胞代謝生長，而且對于培養基原料成本大小和是否造成環境污染等具有決定性影響。生物工程設備的特點（1）對于所有微生物或動植物細胞來講，提供13（3）如何合理的設計種子培養系統，以及各級種子培養時間和接種比例，達到種子系統與生產培養過程合理配套，獲得最大的得率。（4）生物反應過程中的細胞培養一般都是純種培養過程。（3）如何合理的設計種子培養系統，以及各級種子培養時間和接種14（5）如何保證足夠的氧氣供給，又盡可能節省能量，是好氧培養過程的重要組成部分。（6）從培養液中得到所需產品的合適、高效、低成本的分離純化方法，是決定生產成敗的關鍵。（5）如何保證足夠的氧氣供給，又盡可能節省能量，是好氧培養過15生物工程設備的發展歷程生物技術的發展過程是以某一個生物過程工程與設備成熟為標志的，有以下五個發展階段：（1）傳統經驗制造技術（天然發酵階段）：壇壇罐罐（2）純種培養技術的成熟（初級代謝產物生產階段）：簡單設備（3）通氣攪拌技術的成熟（好氧培養階段）：機械通風培養設備生物工程設備的發展歷程生物技術的發展過程是以某一個生物過程工16（4）代謝控制發酵技術的成熟：氣升式生物等反應器出現及配套設備出現（5）基因重組技術的成熟（現代生物技術階段）：分離提取、動植物細胞培養反應器等出現、自動化控制（6）生物催化工程發展階段：生物催化的新型設備及設備流程在工業生產中得到應用第一章-發酵工程設備--課件17生物工程產業范例：青霉素1928.09.15,弗萊明發現青霉素，效價很低，后來放棄二戰中對青霉素需求量極大，弗洛里和錢恩發明工業化生產盤尼西林。采用表面培養：1L錐形瓶，200mL培養液，40U/mL，提取純度20%，收率35%，1kg需80,000培養瓶，售價幾萬美元，黃金價格。通氣攪拌發酵：5m3發酵罐，200U/mL目前：發酵罐體積可達100m3以上，80,000U/mL以上

青霉素結構生物工程產業范例：青霉素1928.09.15,弗萊明發現青霉18培養中的青霉菌二戰中青霉素發酵場景培養中的青霉菌二戰中青霉素發酵場景19Bioreactorforaerobiccultivationwithimpellerandmechanicalfoamdisruptor.Bioreactorforaerobiccultiva20ColorfulBioreactor(fromgenetoprotein)ColorfulBioreactor(fromgene21動物細胞一次性培養裝置動物細胞一次性培養裝置22生物工程設備的工作領域為傳統生物技術產業的改造和現代生物技術產業提供高效率的生物反應器、現代分離純化材料和技術以及相關的工程裝備技術，還提供單元化生產設備、工藝過程最優化、在線自動控制、系統集成設計等工程概念與技術。生物工程設備的工作領域為傳統生物技術產業的改造和現代生物技術23生物工程過程與設備生物工程過程與設備24生物醫藥技術Biotechnology,todayandtomorrow,Gist-brocades,1991.生物醫藥技術Biotechnology,todayand25規模化白酒液態發酵設備規模化白酒液態發酵設備26小型生物反應器小型生物反應器27大型生物反應器外觀及內部結構大型生物反應器外觀及內部結構28典型的生物技術工藝－啤酒釀造流程典型的生物技術工藝29聚乳酸規模化生產聚乳酸規模化生產30生物技術產業化過程與生物過程工程與設備之間的關系生物技術產業化過程與生物過程工程與設備之間的關系31課程內容和任務內容：生物工程專業的一門主干專業課程，從生物工程的研究內容和范疇出發，根據生物工程設備共性技術，闡述生物生產過程中的主要設備的作用原理、設計方法課程內容和任務內容：生物工程專業的一門主干專業課程，從生物工32任務研究生物過程工程及設備的相關問題，了解生物技術和生物工程研究前沿，認識原料處理設備、生物反應設備、生物分離設備的應用與研究開發現狀及發展趨勢，掌握生物過程設備流程、主要設備的結構、設計計算、工程放大、優化控制等技術。獨立地解決生物工業生產、實驗研究及技術開發方面的設備問題。任務研究生物過程工程及設備的相關問題，了解生物技術和生物工程33第一章培養基滅菌設備本章重點1.熱滅菌原理2.理論滅菌時間的計算對數殘留定理3.實罐滅菌及計算4.連續滅菌設備及流程設計第一章培養基滅菌設備本章重點1.熱滅菌原理34第一章培養基滅菌設備第一節培養基實罐滅菌及計算第二節培養基連續滅菌的設備及計算第一章培養基滅菌設備35第一節培養基實罐滅菌及計算一、實罐滅菌的理論基礎（什么叫實消）二、實罐滅菌的操作三、實罐滅菌效率的計算第一節培養基實罐滅菌及計算一、實罐滅菌的理論基礎（什么叫36一、實罐滅菌的理論基礎1.滅菌是指利用物理或化學方法殺滅或除去物料及設備中一切有生命物質的過程。一、實罐滅菌的理論基礎1.滅菌是指利用物理或化學方法殺37化學滅菌:采用化學試劑進行滅菌。射線滅菌：射線滅菌干熱滅菌：160℃，保溫1-2h濕熱滅菌：用蒸汽直接加熱115-140℃，保持一定時間過濾滅菌：微孔0.22um濾膜過濾截留微生物的方法。2.常用的滅菌方法化學滅菌:采用化學試劑進行滅菌。2.常用的滅菌方法383.濕熱滅菌的原理每一種微生物都有一定的最適生長溫度范圍。當微生物處于最低溫度以下時，代謝作用幾乎停止而處于休眠狀態。當溫度超過最高限度時，微生物細胞中的原生質膠體和酶起了不可逆的凝固變性，使微生物在很短時間內死亡，加熱滅菌即是根據微生物這一特性而進行的。3.濕熱滅菌的原理39微生物的熱死規律——對數殘留定律

100℃時不同時間微生物存活數微生物的熱死規律——對數殘留定律40反應速度常數k

在相同溫度下，k值愈小，則此微生物愈耐熱。同一種微生物在不同溫度下，k值也不相同，滅菌溫度愈低，k值愈小，溫度愈高，k值愈大。

121℃某些細菌芽孢的k

值反應速度常數k414.培養基的滅菌（1）將培養基中的雜菌總數N0殺滅到可以接受的總數N（10-3），需要多高的溫度、多長的時間為合理。4.培養基的滅菌（1）將培養基中的雜菌總數N0殺滅到可以接42（2）滅菌溫度和時間的確定取決于：①雜菌孢子的熱滅死動力學②反應器的形式和操作方式③培養基中有效成分受熱破壞的可接受范圍（2）滅菌溫度和時間的確定取決于：435.微生物的熱死滅動力學方程(1)、對數殘留定律對數殘留定律：實驗證明，對培養基進行濕熱滅菌時，培養基中微生物受熱死亡的速率與殘存的微生物數量成正比。即微生物營養細胞的均相熱死滅菌動力學符合化學反應的一級反應動力學。即：5.微生物的熱死滅動力學方程(1)、對數殘留定律44N：任一時刻的活細菌濃度（個/L）t：時間（s）K：比熱死速率常數（s-1）N：任一時刻的活細菌濃度（個/L）45取邊界條件t0=0，N=N0，對（1）積分得或N/N0即為濕熱滅菌中微生物的存活率。取邊界條件t0=0，N=N0，對（1）積分得46微生物受熱而破壞是指其生活能力喪失，微生物熱滅死原因是細胞內的反應。（1）對數殘留定律式中N——殘存的活菌數；t——滅菌時間，s；K——滅菌速度常數（s-1），也稱反應速度常數或比死亡速度常數，此常數的大小與微生物的種類與加熱溫度有關；——活菌數瞬時變化速率，即死亡速率。上式通過積分可得：

式中N——殘存的活菌數；47N0——開始滅菌（t=0）時原有活菌數；Nt——經時間t后殘存活菌數。N0——開始滅菌（t=0）時原有活菌數；48（2）溫度對死亡速率的影響微生物的熱死亡動力學接近一級反應動力學，它的比熱死亡速率常數K與滅菌溫度T的關系可用阿累尼烏斯方程表征：（2）溫度對死亡速率的影響微生物的熱死亡動力學接近一級反應動49A：頻率因子（s-1）ΔE：死亡活化能（J/mol）R：通用氣體常數[8.314J/（mol.k）]T：熱力學溫度（K）A：頻率因子（s-1）50上式轉換：上式轉換：51可以看出：（1）活化能ΔE的大小對K值有重大影響。其它條件相同時，ΔE越高，K越低，熱死速率越慢。（2）不同菌的孢子的熱死滅反應ΔE可能各不相同。將ΔE/R作為微生物受熱死亡時對溫度敏感性的度量。可以看出：52培養基中的某些營養物質也會受熱破壞，其反應動力學方程也可看作一級反應：培養基中的某些營養物質也會受熱破壞，其反應動力學方程也可看作53對方程兩邊對T取導數，得方程：對方程54由方程可得出結論：反應的ΔE越高，lnK對T的變化率越大，即T的變化對K的影響越大試驗表明，細菌孢子熱死滅反應的ΔE很高，而某些有效成分熱破壞反應的ΔE較低。將溫度提高到一定程度，會加速細菌孢子的死滅速度，縮短滅菌時間，由于有效成分的ΔE很低，溫度的提高只能稍微增大其破壞速度，但由于滅菌時間的顯著縮短，有效成分的破壞反而減少。由方程可得出結論：反應的ΔE越高，lnK對T的變化率越大，即55將培養基配制在發酵罐里，用飽和蒸汽直接加熱，以達到預定滅菌溫度并保溫維持一段時間，然后再冷卻到發酵溫度，這種滅菌過程稱作培養基實罐滅菌或培養基分批滅菌（工廠里稱實消）。1.實消定義二、實罐滅菌的操作將培養基配制在發酵罐里，用飽和蒸汽直接加熱，以達到預定滅菌溫56二、實罐滅菌的操作1、間接加熱階段，培養基由室溫加熱至80-90℃2、直接蒸汽加熱階段，培養基由80-90121℃3、保溫階段，121℃4、冷卻階段，121℃

培養溫度二、實罐滅菌的操作1、間接加熱階段，培養基由室溫加熱至80-57第一章-發酵工程設備--課件58（二）分批滅菌的操作（二）分批滅菌的操作59(實罐滅菌)分批滅菌操作要點

培養基及發酵設備的滅菌包括分批滅菌（也稱實罐滅菌或實消）、空罐滅菌（空消）、連續滅菌（連消）和過濾器及管（1）內部結構合理（主要是無死角），焊縫及軸封裝置可靠，蛇管無穿孔現象的發酵罐；（2）壓力穩定的蒸汽；（3）合理的操作方法。(實罐滅菌)分批滅菌操作要點

培養基及發酵設備的滅菌包括分批60分批滅菌的優缺點優點：1.設備投資較少2.染菌的危險性較小3.人工操作較方便4.對培養基中固體物質含量較多時更為適宜缺點：滅菌過程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負荷波動大，一般只限于中小型發酵裝置。分批滅菌的優缺點61實罐滅菌操作課件演示實罐滅菌操作課件演示62一、實罐滅菌的操作培養基實罐滅菌操作的關鍵：1、液面以下與培養基接觸的管道都要進蒸汽2、液面以上不與培養基接觸的管道都要排氣一、實罐滅菌的操作培養基實罐滅菌操作的關鍵：63培養基實罐滅菌的質量評判標準：1，培養基無菌2，營養成分破壞少3，培養基滅菌后體積與進料體積相符4，泡沫少

一、實罐滅菌的操作培養基實罐滅菌的質量評判標準：一、實罐滅菌的操作64結論：溫度升高，菌死亡速率大于培養基成分破壞的速率。不同溫度滅菌時間及培養基破壞情況

在實際生產中為了既達到滅菌目的又較好地保存營養成分，最好采用高溫快速滅菌法。結論：溫度升高，菌死亡速率大于培養基成分破壞的65例題：有個發酵罐，內裝培養基40m3，現采用實罐滅菌，滅菌溫度121，問其滅菌需要多長時間？

在微生物發酵行業中，一般常設滅菌前每毫升培養基含有耐熱菌的芽孢為2x107個，滅菌失敗的概率通常定為0.001，即滅菌后殘留數。例題：66三滅菌效率的計算1、分批滅菌的階段若滅菌溫度恒定為T，那么到規定滅菌度（N）所需殺菌時間當滅菌℃隨時間變化時，K也變化，則有積分三滅菌效率的計算67(2)實罐滅菌時間計算在實罐滅菌中維持時間一般等于對數殘留定律計算的滅菌時間嚴格說在預熱100℃-121℃，冷卻121℃-100℃都有部分菌被殺死，當實罐滅菌時間越長被殺滅的菌越多，保溫階段時間就可以減少(2)實罐滅菌時間計算在實罐滅菌中維持時間一般等于對數殘留定68第一章-發酵工程設備--課件69第一章-發酵工程設備--課件70第一章-發酵工程設備--課件71第一章-發酵工程設備--課件72第一章-發酵工程設備--課件73第一章-發酵工程設備--課件74第一章-發酵工程設備--課件75第一章-發酵工程設備--課件76第一章-發酵工程設備--課件77第一章-發酵工程設備--課件78第一章-發酵工程設備--課件79第一章-發酵工程設備--課件80第一章-發酵工程設備--課件81[例題1][例題1]82第一章-發酵工程設備--課件83第一章-發酵工程設備--課件84第一章-發酵工程設備--課件85第一章-發酵工程設備--課件86第一章-發酵工程設備--課件87第一章-發酵工程設備--課件88第一章-發酵工程設備--課件89第一章-發酵工程設備--課件90第一章-發酵工程設備--課件91第一章-發酵工程設備--課件92分批滅菌的滅菌常數通常以耐熱芽孢桿菌為對象，其熱死滅活化能為67930K/mol,A=1.34×10361/秒,R=1.987K/mol,e=2.718,為滅菌溫度的單一函數，計算如下式:

lgk=-14845/T+36.127分批滅菌的滅菌常數通常以耐熱芽孢桿菌為對象，其熱死滅活化能為93計算舉例

某發酵罐內裝培養基40m3,在121℃下進行分批滅菌，設每毫升培養基中含耐熱的芽孢為107個，求理論滅菌時間？（分批滅菌的滅菌常數lgk=-14845/T+36.127）

計算舉例

某發酵罐內裝培養基40m3,在121℃下進行分批滅94解：N0=40×106×107=4×1014N=0.001lgk=-14845/T+36.127=-14845/(273+121)+36.127=-1.55k=0.0281s-1

τ=1/klnN0/N=1/0.0281ln4×1014/0.001=1442.6s=24min第一章-發酵工程設備--課件95作業：作業：1.名詞解釋：實消、空消。2.用蒸汽直接加熱培養基與采用夾套或蛇管間接加熱培養基相比，加熱時間和蒸汽消耗量有何區別？

作業：96第二節培養基連續滅菌的設備及計算連續滅菌（連消）(Continuoussterilization):

是采用專一滅菌設備—-連消塔，在高溫下對液體培養基進行短時間加熱滅菌。培養基的連續滅菌，就是將配好的培養基在向發酵罐等培養裝置輸送的同時進行加熱、保溫和冷卻而進行滅菌。第二節培養基連續滅菌的設備及計算連續滅菌（連消）(Con97第一章-發酵工程設備--課件98連續滅菌具有如下的優點：（1）提高產量。與分批滅菌相比培養液受熱時間短，可縮短發酵周期，同時培養基成分破壞較少。（2）產品質量較易控制。（3）蒸汽負荷均衡，鍋爐利用率高，操作方便。（4）適宜采用自動控制。（5）降低勞動強度。適用條件：大規模生產，培養基中不含有固體顆粒或泡沫較少。連續滅菌具有如下的優點：99（一）連消塔——噴淋冷卻流程（1）配料預熱罐，將配好的料液預熱到60~70℃，以避免滅菌時由于料液與蒸汽溫度相差過大而產生水汽撞擊聲；（2）連消塔，是使高溫蒸汽與料液迅速接觸混合，并使料液的溫度很快升高到滅菌溫度（126~132℃）；（3）維持罐，維持料液溫度，延長滅菌時間（4）冷卻管，生產上一般采用冷水噴淋冷卻，冷卻到40~50℃后，輸送到預先已經滅菌過的罐內。（一）連消塔——噴淋冷卻流程（1）配料預熱罐，將配好的料液預100（一）連消塔——噴淋冷卻流程（一）連消塔——噴淋冷卻流程101第一章-發酵工程設備--課件102（二）噴射加熱——真空冷卻流程（二）噴射加熱——真空冷卻流程103噴射加熱-真空冷卻流程噴射加熱器以較高速度自噴嘴噴出，借高速流體的抽吸作用與蒸汽混合管道維持器：維持滅菌時間真空閃急蒸發室：由膨脹閥進入，因真空作用使水分急驟蒸發而冷卻到70~80℃左右，再進入發酵罐冷卻到接種溫度。噴射加熱-真空冷卻流程噴射加熱器以較高速度自噴嘴噴出，借高速104優點：加熱和冷卻在瞬間完成，營養成分破壞最少，可以采用高溫滅菌，把溫度升高到140℃而不致引起培養基營養成分的嚴重破壞。設計得合適的管道維持器能保證物料先進先出，避免過熱。缺點：受壓力影響，出料泵

優點：加熱和冷卻在瞬間完成，營養成分破壞最少，可以采用高溫滅105（三）板式換熱器滅菌流程（三）板式換熱器滅菌流程106板式換熱器滅菌流程采用薄板換熱器作為培養液的加熱和冷卻器，培養液在設備中同時完成預熱、滅菌及冷卻過程，蒸汽加熱段使培養液的溫度升高，經維持段保溫一段時間，然后在薄板換熱器的另一段冷卻，從而使培養基的預熱、加熱滅菌及冷卻過程可在同一設備內完成。板式換熱器滅菌流程采用薄板換熱器作為培養液的加熱和冷卻器，培107第一章-發酵工程設備--課件108優點：滅菌的溫度較高，滅菌時間較短，培養基的營養成分受破壞的程度較低，從而保證了培養基的質量；設備的利用率高；缺點：過程所需的設備較多，操作較為麻煩，染菌機會也相應較多

優點：滅菌的溫度較高，滅菌時間較短，培養基的營養成分受破壞的109（四）設備構造和計算1．連消塔（四）設備構造和計算1．連消塔110（1）連消塔是培養液高溫短時間連續滅菌設備，它與維持罐組成連續滅菌系統，分套管式和汽液混合式兩類。在20~30s或更短的時間內將料液加熱至130~140℃。生產中一般用0.5~0.8Mpa的活蒸汽與預熱后的料液直接接觸而加熱。（1）連消塔是培養液高溫短時間連續滅菌設備，它與維持罐組成111套管式連消塔用:內外兩根管子套合組成內管開有45°向下傾斜的小孔，孔徑6mm。孔距應從上到下減少，使蒸汽較為均勻。汽液混合式:培養基由塔底進入，與小孔中噴出的蒸汽連續混合后在塔上部流出。培養基在塔內停留時間一般取20~30s；線速度要求<0.1m/s。套管式連消塔用:內外兩根管子套合組成內管開有45°向下傾斜的112培養基流速、塔高培養基流動速度w-培養液流速，m/s；G-培養液流量，m3/h，D-外管直徑，m；d-內管直徑，m；塔高

H-連消塔高，m；τ-滅菌時間，s。培養基流速、塔高培養基流動速度113內管蒸汽噴孔總面積和孔數根據蒸汽消耗量（m3/h）等于從小孔噴出的蒸汽量（m3/h）得

F-蒸汽噴孔的總面積，m2；w-蒸汽噴孔的速度，m/s，通常采用25~40m/sV-加熱蒸汽消耗量，m3/h。加熱蒸汽噴孔數n：n-噴孔數，個