生物反應器設計基礎概述生物反應器（bioreactor）是一個人們對生物有機體進行有效控制和培養以生產某種產品，或進行特定反應的容器。發酵罐（fermentator）：厭氧發酵罐1970’s:生化反應器（biochemicalreactor）和生物學反應器（biologicalreactor）1980’s:生物反應器（biorector）成為一個標準的名稱現在：發酵罐、酶反應器、固定化酶和細胞反應器、動植物細胞培養反應器生物反應器與化學反應器的比較生物（酶除外）反應都以“自催化”（autocalalysis）方式進行，即在目的產物生成的過程中生物自身要生長繁殖。由於生物反應速率較慢，生物反應器的體積反應速率不高；與其他相當生產規模的加工過程相比，所需反應器體積大；對好氧反應，因通風與混合等，動力消耗高；產物濃度低。生物反應器的作用為生物體代謝提供一個優化的物理及化學環境，使生物體能更好地生長。得到更多需要的生物量或代謝產物。高效生物反應器的特點設備簡單，結構嚴密，適用於反復的滅菌操作；良好的液體混合性能，較高的三傳（傳質、傳熱、傳動）效率；能耗低；具有良好的熱交換性能，以維持生物反應最適溫度；具有配套而又可靠的檢測及控制儀錶等，適用於自動化操作。生物反應器的操作特性

反應器類型pH控制溫度控制工業重要特性主要應用領域通用罐如需如需人事費用高大多數工業生產連續攪拌罐如需如需流速受沖出限制污水處理、SCP生產等氣升式反應器如需如需空壓機出口壓力要高有機酸,如檸檬酸生產等鼓泡式反應器如需如需可採用鼓風機麵包酵母等生產自吸式反應器如需如需需轉子高速旋轉乙酸、酵母等生產固體發酵設備如需如需人事費用高麩曲、酶製劑和麥芽生產等嫌氣反應器如需如需無需通風設備酒精、啤酒等生產動植物細胞用反應器如需如需剪切力應小雜交瘤單克隆抗體、煙草細胞培養等光合反應器如需如需需光源微藻等生產生物反應器設計的主要目的和設計原理目的：基於強化傳質、傳熱等操作，將生物體活性控制在最佳條件，最大限度地降低成本，用最少的投資來最大限度地增加單位體積產率設計原理：

①使反應器具有較好的生物相容性

②應具有較好的傳質性能

③應具有較好的傳熱性能

④安全性能微生物反應過程的品質衡算微生物反應過程用有正確係數的反應方程式來表達基質到產物的反應過程非常困難。為了表示出微生物反應過程中各物質和各組分之間的數量關係，最常用的方法是對各元素進行原子衡算。微生物反應過程的品質和能量衡算如果碳源由C、H、O組成，氮源為NH3，細胞的分子式定義為CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此時用碳的定量關係式表示微生物反應的計量關係是可行的。式中CHmOn為碳源的元素組成，CHxOyNz是細胞的元素組成，CHuOvNw為產物的元素組成。下標m、n、u、v、w、x、y、z分別代表與一碳原子相對應的氫、氧、氮的原子數。對各元素做元素平衡，得到如下方程：

(3-1)方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六個未知數，需六個方程才能解。微生物反應過程的得率係數得率係數是對碳源等物質生成細胞或其他產物的潛力進行定量評價的重要參數。消耗1g基質生成細胞的克數稱為細胞得率或稱生長得率Yx/s（Cellyield或Growthyield）。細胞得率的單位是g細胞/g基質。這裏的細胞是指幹細胞的品質（除特殊說明外，以下細胞的品質均指幹細胞）。某一瞬間的細胞得率稱為微分細胞得率（或暫態細胞得率）式中rx是微生物細胞的生長速率，rs是基質的消耗速率。同一菌種，同一培養基，好氧培養的Yx/s比厭氧培養的大的多。當基質為碳源，無論是好氧培養還是厭氧培養，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）為細胞的組成成分，其餘部分被異化（dissimilateorcatabolism）分解為CO2和代謝產物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關的細胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分別為單位品質細胞和單位品質基質中所含碳源素量。Yc值一般小於1，為0.4—0.9。式（3-1）中的係數c實際就是Yc。微生物反應的特點之一是通過呼吸鏈（電子傳遞）氧化磷酸化生成ATP。在氧化過程中，可通過有效電子數來推算碳源的能量。當1mol碳源完全氧化時，所需要氧的mol數的4倍稱為該基質的有效電子數。式中YATP為相對於基質的ATP生成得率（molATP/mol基質），Ms為基質的分子量。微生物反應中可以用YkJ表示微生物對能量的利用情況，式中E表示消耗的總能量，包括同化過程，即菌體所保持的能量Ea和分解代謝的能量Ed。前者可採用幹細胞的燃燒熱，後者可採用所消耗的碳源和代謝產物各自的燃燒熱之差來計算。多數微生物在好氧培養時的YKJ值為0.028g細胞/kJ，在厭氧培養時YKJ的平均值為0.031g細胞/kJ。對於光能自養型微生物，如藻類的YKJ約等於0.002g細胞/kJ。O2的消耗速率與CO2的生成速率可用來定義好氧培養中微生物生物代謝機能的重要指標之一的呼吸商(respiratoryquotient)，其定義式為：

酒精發酵中酵母菌將所產生能量的一部分轉化為ATP。在標準狀態下1molATP加水分解為ADP和磷酸的同時，放出31kJ的熱量。已知在酒精發酵或乳酸菌發酵中相對於1mol葡萄糖產生2molATP?；洞?，在酒精發酵中有45%（2×31/136=0.46）的能量以ATP的形式儲存起來。好氧反應中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol的ATP，31×38/2871=0.41，也就是說41%的能量以ATP的形式儲存起來。乳酸發酵（厭氧時）的能量效率為（31×2）/2871=0.022，即2.2%。一般厭氧培養中YATP約為10.5g細胞/molATP，好氧培養中為6～29g細胞/molATP。利用YkJ表示微生物反應過程對能量利用，有式中為以菌體X的燃燒熱為基準的焓變。其因菌體的不同有所不同，一般取值=-22.15kJ/g細胞。ΔHc為所消耗基質的焓變與代謝產物的焓變之差，其由下式給出式中ΔHs為碳源氧化的焓變（kJ/mol），ΔHp為產物氧化的焓變（kJ/mol）。生物反應器的生物學基礎

生物反應速率主要指細胞生長速率、基質消耗速率和產物生成速率，其相應的動力學模型是

細胞：（3-1）（3-2）基質：產物：（3-3）（4-4）反應液體積：生長速率平衡生長條件下微生物細胞的生長速率rx的定義式為式中X為微生物的濃度，μ為微生物的比生長速率，其除受細胞自身遺傳資訊支配外，還受環境因素所影響。由上式可知，μ與倍增時間(doublingtime)td的關係為：F為流入與流出生物反應器的基質流量[L/h]；i、j和k分別表示相應的細胞、基質和產物,

表示基質的流加流量。當採用分批式操作時,F

=F=0；採用流加式操作時，F

F=0；採用連續式操作時,F

=F

0當基質為碳源，無論是好氧培養還是厭氧培養，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）為細胞的組成成分，其餘部分被異化（dissimilateorcatabolism）分解為CO2和代謝產物。如果從碳源到菌體的同化作用看，與碳元素相關的細胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分別為單位品質細胞和單位品質基質中所含碳源素量。Yc值一般小於1，為0.4—0.9。式（3-1）中的係數c實際就是Yc。傳熱

生物反應器中的能量平衡可表示為：（3-5）式中Qmet為微生物代謝或酶活力造成的單位體積產熱速率；Qag為攪拌造成的單位體積產熱速率；Qgas為通風造成的單位體積產熱速率；Qacc為體系中單位體積的積累產熱速率；Qexch為單位體積反應液向周圍環境或冷卻器轉移熱的速率；Qevap為蒸發造成的單位體積熱損失速率；Qsen為熱流（流出－流入）造成的單位體積敏感焓上升的速率。實際生物反應過程中的熱量計算，可採用如下方法：

１、通過反應中冷卻水帶走的熱量進行計算。根據經驗，每m3發酵液每小時傳給冷卻器最大的熱量為：青黴素發酵約為25000kJ/(m3h);鏈黴素發酵約為19000kJ/(m3h);四環素發酵約為20000kJ/(m3h);肌苷發酵約為18000kJ/(m3h);谷氨酸發酵約為31000kJ/(m3h)。

2、通過反應液的溫升進行計算。即根據反應液在單位時間內(如半小時)上升的溫度而求出單位體積反應液放出熱量的近似值。例如某味精生產廠，在夏天不開冷卻水時，25m3發酵罐每小時內最大升溫約為12℃。

3、通過生物合成進行計算。當Qsen、Qacc和Qgas可忽略不計，由式7-5可知，（3-6）即反應過程中產生的總熱量均為冷卻裝置帶走。

4、通過燃燒熱進行計算（3-7）

式中Q基質燃燒為基質的燃燒熱，Q產物燃燒為產物的燃燒熱。

生物反應器中的換熱裝置的設計，首先是傳熱面積的計算。換熱裝置的傳熱面積可由下式確定。

（3-8）

式中F為換熱裝置的傳熱面積m2；

Qall為由上述方法獲得的反應熱或反應中每小時放出的最大熱量kJ/h；

K為換熱裝置的傳熱係數kJ/(m2·h·℃)；

tm為對數溫度差(℃)，由冷卻水進出口溫度與醪液溫度而確定。根據經驗：夾套的K值為400～700kJ/（m2·h·℃），蛇管的K值為1200～1900kJ/（m2·h·℃），如管壁較薄，對冷卻水進行強制迴圈時，K值為3300～4200kJ/（m2·h·℃）。氣溫高的地區，冷卻水溫高，傳熱效果差，冷卻面積較大，1m3發酵液的冷卻面積超過2m2。但在氣溫較底的地區，採用地下水冷卻，冷卻面積較小，1m3發酵液的冷卻面積為1m2。發酵產品不同，冷卻面積也有差異。生物反應器選型與設計的要點

1、選擇適宜的生物催化劑。這包括要瞭解產物在生物反應的哪一階段大量生成、適宜的pH和溫度，是否好氧和易受雜菌污染等。2、確定適宜的反應器形式。3、確定反應器規模、幾何尺寸、操作變數等。4、傳熱面積的計算。5、通風與攪拌裝置的設計計算。6、材料的選擇與確保無菌操作的設計。7、檢驗與控制裝置。8、安全性。9、經濟性。機械攪拌生物反應器的設計某生物醫藥公司為應用基因工程菌株發酵生產某藥物原料（胞內產物），產量為30噸/年，現有情況：中試完成，20L發酵罐達到的指標為細胞濃度20g/L（幹重），細胞內產物含量為5%（幹重），細胞對糖的轉化率為YX/S=0.4，細胞對氧的產率YX/O=1.0，在最佳條件（30℃和pH6.5）下，比生長速率μ=0.3/h，發酵時間為16h，要求大罐生產時細胞濃度達到50g/L。實驗室小試純化收率為80%，年生產天數330d，24h生產。物料衡算及熱量衡算、反應器尺寸：每年應從發酵罐中得到的目的產物總量mt為：細胞年產量GX為：由於細胞產率為50g/L，則發酵液總量VT為：發酵時間為16h，8h用於罐的清洗、放料、進培養基和滅菌燈，則每天1罐。年生產天數330d，則每天所得發酵液體積VLT為:因此，可選擇裝液量為45.45的發酵罐一臺，第一節生物反應過程的剪切力一、剪切力的度量方法二、剪切作用的影響三、低剪切反應器的設計剪切力是設計和放大生物反應器的重要參數，在生物過程中，嚴格地講，對細胞的剪切作用僅指作用於細胞表面且與細胞表面平行的力，是單位面積流體上的切向力。由於發酵罐中流體力學的情況非常複雜，一般剪切力指影響細胞的各種機械力的總稱。一、剪切力的度量方法槳葉尖速度N為攪拌槳轉速，Di

為槳直徑平均剪切速率

（3）積分剪切因數ISF（動物細胞培養中）：（4）剪切速率（鼓泡塔中）：

γ=kuG

γ-剪切速率kuG-表觀氣速（5）湍流旋渦長度生物反應器一般在湍流下操作，湍流由大小不同的旋渦及能量狀態構成，大旋渦之間通過內部作用產生小旋渦並向其傳遞能量。小旋渦之間又通過內部作用產生更小旋渦並向其傳遞能量，就這樣能量逐級傳遞給小旋渦。細胞所受剪切力與旋渦長度密切相關。在足夠高的雷諾準數下，湍流處於統計平衡狀態，在各向同性下，旋渦長度可由下式計算二、剪切作用的影響1．剪切力對微生物的影響2．剪切力對動物細胞的影響3．剪切作用對植物細胞的影響4．剪切對酶反應的影響三、低剪切反應器的設計對傳統攪拌器的改造；開發出了一些低剪切力的攪拌器，其中以軸向流式翼形攪拌槳為主，它的特點是能耗低，軸向速度大，主體迴圈好，剪切作用溫和。開發非攪拌反應器：旋渦膜式反應器LightninA315（左）和ProchemMaxfloT攪拌器（右）反應器形式的選擇生物催化劑狀態操作參數直接或間接影響過程中上下各步驟以及系統週期性單元設計的很多方面。第二節生物反應器的傳質問題氣－液品質傳遞通風發酵中，空氣中的氧要先溶解在液體中，然後再被微生物利用。發酵設備的功能之一是提供足夠的溶解氧滿足微生物的需求。供氧速率通常被認為是在生物反應器的選擇和設計的主要問題。（一）氣液傳質的基本理論（二）體積傳質係數氧在液體中的溶解與微生物的耗氧常溫常壓下，純水中氧的溶解度為0.2mmol氧/L，在發酵液中的溶解度則更低。耗氧速率：單位體積發酵液每小時的耗氧量，一般為25~100mmol氧/（L·h）。谷氨酸發酵18h耗氧速率為51mmol氧/（L·h），同一類微生物的耗氧速率還受溫度、發酵液成分和濃度的影響，如當供氧不足，葡萄糖濃度為1％時，酵母的耗氧速率為15~18mmol氧/（L·h），而供氧充足，葡萄糖濃度為15％時，耗氧速率則達396~342mmol氧/（L·h）。氧從氣相到微生物細胞內部的傳遞可分為七個步驟從氣泡中的氣相擴散通過氣膜到氣液介面；通過氣液介面；從氣液介面擴散通過氣泡的液膜到液相主流；液相溶解氧的傳遞；從液相主流擴散通過包圍細胞的液膜到達細胞表面；氧通過細胞壁；微生物細胞內氧的傳遞（一）氣液傳質的基本理論氣液傳質的基本理論雙膜理論滲透擴散理論表面更新理論雙膜理論氣液兩相間存在一個介面，介面兩側分別為呈層流狀態的氣膜和液膜；在氣液介面上兩相濃度相互平衡，介面上不存在傳遞阻力；氣液兩相的主流中不存在氧的濃度差。氧在兩膜間的傳遞在定態下進行，因此氧在氣膜和液膜間的傳遞速率是相等的。前提：（1）氣泡和液體之間存在介面，兩邊分別有氣膜和液膜，均處於層流狀態，氧分子只能借濃度差以擴散方式透過雙膜，氣體和液體主流空間中任一點的氧分子濃度相同。（2）在雙膜之間的介面上，氧氣的分壓強與溶於液體中的氧的濃度處於平衡關係。（3）傳質過程處於穩定狀態，傳質途徑上各點的氧濃度不隨時間而變。2）滲透擴散理論對雙膜理論進行了修正，層流或靜止液體中氣體的吸收是非定態過程液膜內氧邊擴散邊被吸收氧濃度分佈隨時間變化。3）表面更新理論液相各微元中氣液接觸時間是不等的而液面上的各微元被其他微元置換的幾率是相等的。氧的傳遞阻力來自氣膜和液膜氣膜側氧的品質通量NG：液膜側氧的品質通量NL：pOG/pOGi-氣膜側主流氣體和氣液介面上的氧分壓；

kG-氣相傳質係數；qG-氣膜側氧的總傳遞速率；

A-氣液介面面積；kL-液相傳質係數；cOLi/cOL-液膜側氣液介面和液相主流中的氧濃度介面濃度難以測定，用液相參數關聯的總傳質係數KL和總推動力cOL*-cOL表示：cOL-液相主流中的氧濃度；cOL*-與氣相氧分壓相平衡的液相溶氧濃度，可由Henry定律計算：H-Henry常數液相總傳質係數與液相傳質係數和氣相傳質係數之間的關係如下對微溶氣體如氧，M遠大於1，因此KL≈kL

即阻力主要來自於液膜這邊的品質傳遞，描述氣液傳遞時，常用kL取代KL。H為Henry常數（二）體積傳質係數kLa決定反應結構的最相關的參數定義為品質傳遞的比速率，指在單位濃度差下，單位時間、單位介面面積所吸收的氣體。取決於系統的物理特性和流體動力學。由兩項產生：一是品質傳遞係數，取決於系統的物理特性和靠近流體表面的流體動力學；二是氣液比表面積。通常kLa愈大，好氧生物反應器的傳質性能愈好。（三）KLa與設備參數操作變數間的關係(影響溶氧係數KLa的主要因素)從前面所述：氧傳遞速率NV=KLa(C*-C)

因此影響NV的主要因素有溶氧係數KLa值和推動力C*-C。

要提高NV，需要提高KLa。與Kla有關系的有攪拌、空氣線速度、空氣分佈器、發酵液性質等。與推動力有關的有發酵液濃度、氧分壓、發酵液性質等。

1.攪拌：(1)目的:

a.擴散氣流，強化氣流的湍流程度，使氣液固三相更好接觸，提高溶氧速率。b.使微生物懸浮液混合一致促進代謝產物的傳質速率。攪拌可分三方面改善溶氧速率：

a.把空氣打成細泡，從而增加有效介面傳遞面積。

b.攪拌使液體形成湍流，可以延長氣泡在液體中心的停留時間。

c.加強液體湍流，減少氣泡周圍液膜厚度，減少液膜阻力，從而增大KLa值。

攪拌使菌體分散，避免結團，有利於固體傳遞中的接觸面積增加使推動力增加。但是過渡強烈的攪拌，產生的剪切作用大，對細胞有損傷，特別是絲狀菌的發酵類型，更考慮到剪切力對細胞的損傷。對KLa值有影響的：攪拌器的形式，直徑大小，轉速，組數，攪拌器間距以及在罐內相對位置。一般地說，增加攪拌器直徑D對增加攪拌迴圈量有利，增加轉速對提高溶氧係數有利。

2.空氣流速機械攪拌通風發酵罐的溶氧係數KLa與通氣線速度Vs有關係：KLa正比於空氣線速度Vs，當加大通風量Q時，Vs相應增加，溶氧增加。但是，另一方面，增加Q，在轉速N不變時，Pg會下降，又會使KLa下降。同時Vs過大時，會發生超載現象。。因此，單純增大通風量來提高溶氧係數並不一定取得好的效果。因此，只有在增大Q的同時也相應提高轉速N，使Pg不至過分降低的情況下，才能最有效地提高Kla。

3.空氣分佈裝置

空氣分佈裝置有單管、多孔環管和多孔分支環管等幾種。當通風量很小時，氣泡的直徑與空氣噴口直徑的1/3次方成正比，也就是說噴口直徑越小，溶氧係數越大。但是，一般發酵工業的通風量遠遠超過這個範圍，這時氣泡直徑只與通風量有關，與噴口直徑無關。

4.發酵罐內柱高度據報導，當H/D（高徑比）從1加到3時，KLa可增加40％左右。當H/D從2增加到3時，KLa增加20％。由此可見，H/D小，氧利用率小，氧利用率差。H/D太大，溶氧係數增加不大。相反由於罐身過高液柱壓差大

氣泡體積被壓縮，以至造成氣液介面小的缺點。H/D大，廠房要求也高，一般H/D＝1.7～4，以2～3為宜。5.發酵液的物理性質

有些有機物質，如蛋白腖，能降低KLa值。當水中加入1％蛋白腖時，會將KLa減少到原來的1/3左右，同時氣泡直徑減少15％左右，而KLa值降到未加蛋白腖時的40％左右。在發酵過程中，營養物質的利用,代謝產物的積累，菌體的繁殖都會改變培養液的粘度、表面張力、離子強度等。從而影響氣泡大小、氣泡穩定性和氧的傳遞速度。培養物濃度增大、粘度增大、KLa值降低。6.溫度溫度對溶氧係數KLa的影響可用下式來表示；

上式可以看出，KLa隨溫度升高而增大。

7.氧分壓根據亨利定律，增大氧分壓可提高溶氧濃度，從而增大推動力（C*-C），增大溶氧速率。採用純氧、含氧量高的空氣、增大罐壓三種方法均能增大氧分壓。但採用純氧在經濟方面是不合算的；增大罐壓使空氣壓力要求增大，整個設備耐壓要求也提高了。（3）其他因素的影響表面活性劑：消沫用的油脂分佈在氣液介面，增大傳遞阻力，使kLa下降；離子強度：在電解質溶液中生成的氣泡比在水中小得多，因而有較大的比表面積。電解質濃度大的溶液的kLa比濃度低的溶液的kLa大；細胞：培養液中細胞濃度的增加，會使kLa變小，細胞的形態對kLa的影響也很顯著，球狀菌懸浮液的kLa比同樣濃度絲狀菌的大。綜上所述，提高K的途徑：(1)增加攪拌器轉速N、以提高Pg、可以有效提高KLa;(2)增大通氣量Q、可提高Vs。只有在增大Q的同時也相應提高N，不使Pg過分下降的情況下才會有效。(3)為了提高NV，除了提高KLa之外，提高C*也是可行的方法。1．影響kLa的因素（1）操作條件的影響攪拌和通氣的影響：帶有機械攪拌的通氣培養裝置，攪拌器對物質傳遞有幾個方面的作用：1）可以增大氣液相的接觸面積；2）可以延長氣泡在液體中的停留時間；3）可以減小氣泡外滯流液膜的厚度，從而減小傳遞過程的阻力；4）有利於營養物質的吸收和代謝物的分散。沒有機械攪拌的鼓泡培養設備及氣升式培養設備，則利用氣泡在液體中的上升，帶動液體運動，產生攪拌作用。攪拌和通氣對kLa的影響：K-常數，其因次與α、β具體數值有關；PG-通氣時的攪拌功率；V-培養液的體積；ω-通氣的表觀線速度。在實際操作中，通氣量的影響有一定的限度，超過時，攪拌器不能有效地將空氣泡分散到液體中，而在大量氣泡中空轉，發生所謂“超載”現象，導致攪拌功率大大下降，也不能提高kLa。攪拌功率過大會產生很大的剪切作用，可能對所培養的細胞造成傷害，也會產生大量攪拌熱，加重傳熱的負擔。2．kLa的測量溶氧電極法亞硫酸鹽法動態法定態法極譜法等。2、溶氧電極法是一種參量變換器，把溶氧濃度轉變成一個與之呈線性關係的電流量。這種溶氧電極能耐蒸汽殺菌時的高溫，可以固定裝在發酵罐上，連續的測量培養液中溶氧濃度，此法為當前測量溶氧濃度的常用方法。亞硫酸鹽法：亞硫酸鹽法是一種冷態測定法，通常用CMC或黃原膠模擬培養液的物理性質，加入一定量的亞硫酸鈉，利用亞硫酸鈉在銅離子或鈷離子的催化下與氧發生快速反應的原理進行測定。反應式：123Na2SO3濃度在0.018~0.45mol/L之間，溫度在20℃～45℃之間時，式1的反應速率與Na2SO3的濃度無關，且遠遠大於氧的傳遞速率，液相中的溶解氧濃度為零，氧傳遞為整個過程的控制步驟。此時可用碘量法測定亞硫酸鈉消耗的速率而求得氧傳遞速率q。測定方法：通常在生物反應器裏進行，0.5mol/L的亞硫酸鈉至少含0.003mol/LCu2+。從鼓入第一個氣泡開始計時，反應4~20min，定時取樣。將樣品與過量的標準碘液混合，與氧反應剩餘的亞硫酸鈉全部如式2與碘作用，剩餘的標準碘液用標準硫代硫酸鈉滴定，反應如式3

。根據計量學由硫代硫酸鈉的消耗量可計算出亞硫酸鈉與氧反應的消耗量。亞硫酸鹽法簡便，在研究反應器的性能、放大和操作條件的影響時是很有用的。局限性：模擬溶液的物化性質與實際發酵液不可能完全相同；該法要求較高的離子濃度，而高離子濃度會使介面面積和傳質係數減小。動態法：為熱態測定法，依據氧的物料衡算進行。好氧間歇發酵，微生物生長旺盛時期，單位發酵液體積的氧衡算為：rO2-細胞呼吸速率，gO2/（g細胞·h）；cOL-溶解氧濃度DO；cX-細胞濃度；rO2cX

-攝氧率a溶解氧水準不再隨時間發生變化後，突然停止供氣和攪拌，DO將隨時間下降。此時的氧衡算式為：DO與時間t曲線的斜率即為攝氧率OUR；OUR的定義為單位發酵液的氧消耗速率，即式a中-rO2cX

。然後再通入空氣並攪拌，DO將隨時間t上升，此時的氧衡算式為式a。此時測定的?cOL/?t，即為式1中dcOL/dt。b此時測定的

將此兩值結合，得線性關聯式：根據上式進行的測定是點值，為防止試驗誤差及其他偶然因素的干擾，應在cOL~t曲線中取多組cOL~?cOL/?t數據進行回歸，?t的間隔越小越精確。對不同取樣時間i，將式b寫成離散的形式為：cd由式d可得若干組cOLi~(?cOL)i/(?t)i數據，cOLi－[(?cOL)i/(?t)i+rO2cX

]作圖，回歸得到的斜率為－1/kLa，Y軸上的截距為c*OL。該法可測得實際發酵過程中的值，但有一定局限性。有人採用冷態測定法，其試驗和數據比熱態測定法簡單，測定值與發酵實際情況相差較大。但由於影響因素少，數據規律性強而常用。定態法：當發酵連續操作，且達到定態時，罐內菌濃度為常數，溶解氧濃度DO也不隨時間變化。此時可根據氧的物料衡算，直接測定DO和攝氧率OUR，而得到kLa。其物料衡算方程為對整個反應器作氧衡算，則：Fin/Fout-進入/離開反應器的空氣的體積；pO2,in/pO2,out-進入/離開反應器的氧分壓；VL-發酵液氣液混合體積；R－氣體常數；T-絕對溫度測定連續發酵罐的進出口流量和進出口氣相中的氧分壓，可算出OUR，代入式d，線上檢測DO後，可用式d算出kLa。小反應器中c*OL－cOL在器內的變化很小。大反應器底部和頂部的c*OL－cOL差別較大，c*OL－cOL應取頂部和底部c*OL－cOL的對數平均值。二、液－固之間的品質傳遞基質必須先通過環繞細胞的邊界層，才能細胞進行反應?？刂频年P鍵步驟是在細胞內還是在周圍對解決傳遞問題很重要。當微生物凝結成絮狀、小丸狀或固定在載體上時，會增加品質傳遞過程的步驟；反應底物先從液相主體擴散到顆粒表面，再經顆粒內的微孔達到顆粒內表面上的酶或細胞表面，最後才進入細胞進行反應。反應的產物經相反步驟進入液相主體。從液相主體到顆粒表面的擴散稱為外擴散，從顆粒表面到細胞及產生產物的過程稱為內擴散。相關微分方程如下，顆粒內的濃度分佈，在半徑為R處取厚度為dR的球形薄殼層作為微元體，並對其作底物質量衡算，得定態下有關cS~R的微分方程：該式是通式，其他形狀的顆粒可用幾何特徵尺寸代替球半徑。該式中的反應速率r可以是任一種動力學形式。邊界條件根據實際情況來建立。用效率因數來表示反應受擴散限制的程度，其運算式為：定態下，底物擴散進入顆粒的速率等於該顆粒內底物的消耗速率。因此顆粒的實際速率可以用通過顆粒表面擴散進入的量來表示。當外擴散阻力可以忽略時總效率因數η等於內擴散效率因數ηi式中r（cSS）-用顆粒表面底物濃度計算的消耗速率，-R＝RS處的擴散通量。假定反應符合一級動力學方程且顆粒大小不變，顆粒內生物催化劑濃度不隨時間變化，顆粒記憶體在微孔，則k1為關於底物的一級反應速率常數，在顆粒表面R＝RS處，底物濃度等於表面濃度，當外擴散可以忽略時，表面濃度等於主流濃度。在顆粒中心R＝0處，dcS/dR＝0

若反應符合零級反應動力學如（1）非限制性生長的固定化微生物發酵，在定態操作過程中顆粒內菌濃度達到動態平衡，此時對於底物，k0=μmcX/YX/S；（2）微生物的非限制性底物在顆粒內的消耗；（3）不受底物抑制的酶反應，在底物過量時，酶反應與底物濃度無關等情況下有上式存在一個臨界半徑RC，在R＝RC處底物濃度下降為0。臨界半徑由下式給出對零級反應，實際反應體積為4/3（RS3-RC3）。Z則：第三節生物反應器的混合

一、混合機理（一）大尺度混合機理（二）小尺度混合機理

1．互溶液體的混合機理2．不互溶液體的混合機理

3．液滴大小分佈二、宏觀流體與微觀流體混合過程的分類

類型

說明

應用實例氣—液液—固固—固液—液液—液液體流動氣、液接觸混合固相顆粒在液相中懸浮固相間混合互溶液體不互溶液體傳熱液相好氧發酵，如味精、抗生素等發酵固定化生物催化劑的應用、絮凝酵母生產酒精等固態發酵生產前的拌料發酵或提取操作雙液相發酵與萃取過程反應器中的換熱器一、混合機理（一）大尺度混合機理將兩種不同的液體置於攪拌釜中，啟動攪拌器，釜中形成一個迴圈流動，稱為總體流動。在總體流動的作用下，其中一種流體被分散成一定尺寸的液團並由總體流動帶至容器各處，造成大尺度上的均勻混合。這種混合並不關注液團的尺寸，重要的是將產生的液團分佈到容器的每一角落。這就要求攪拌器能夠產生強大的總體流動，同時在攪拌釜內儘量消除流動達不到的死區?？傮w流動的流型相當複雜，不同形式的攪拌器各不相同。最典型的是螺旋槳式攪拌器和渦輪式攪拌器所形成的流型結構。兩者相比，螺旋槳式攪拌器可提供更大的流量，特別適用於要求大尺度混合均勻的攪拌。（二）小尺度混合機理總體流動可將混合液體中的一種流體破碎成較大的液團，並同時將這些液團夾帶至容器各處，造成宏觀上的均勻，但不足以將液團破碎到很小尺寸。尺寸很小的液團是由總體流動中的湍動造成的，湍流可看成是由平均流動與大量不同尺寸、不同強度的旋渦運動疊加而成。總體流動中高速旋轉的旋渦與液體微團之間會產生很大的相對運動和剪切力，這種剪切力將液團破碎得更小。不同尺寸和不同強度的旋渦對液團有不同的破碎作用。旋渦的尺寸和強度取決於總體流動的湍動程度總體流動的湍流程度越高，旋渦的尺寸越小，強度越高，數量越多。液體的破碎主要發生在攪拌釜內高度湍流的流區裏。液體微團的大小，取決於旋渦尺寸。2．不互溶液體的混合機理兩種不互溶液體攪拌時，其中必有一種液體被破碎成液滴，稱為分散相，而另一種液體稱為連續相。為達到更小尺寸的均勻混合，必須盡可能的減少液滴尺寸。液滴是一個具有明顯介面的液團。介面張力使液滴的表面面積最小，抵抗任何變形和破碎，介面張力是攪拌過程的抗力。為使液滴破碎，首先必須克服介面張力，使液滴變形。當總體流動處於高度湍流狀態時，存在著方向迅速變換的湍流脈動，液滴不能跟隨這種脈動而產生相對速度很大的繞流運動。總體流動的湍動程度越高，湍流脈動對液滴繞流的相對速度越大，產生的液滴尺寸越小。3．液滴大小分佈液滴尺寸的大小取決於總體流動的湍動程度?？傮w流動的湍動程度一定，可能達到的最小液滴尺寸亦隨之而定。液體攪拌時，存在大液滴的破碎和小液滴相互碰撞而聚並的過程。破碎和聚並過程同時發生，導致尺寸的不均勻分佈，其中大液滴是由小液滴聚並而成，小液滴則是大液滴破碎的結果。實際的液滴尺寸分佈決定於破碎和聚並過程之間的平衡。在攪拌釜內各處流體湍動程度不均也是造成液滴尺寸分佈不均勻的主要因素。在葉片的區域內流體湍動程度較強，液滴破碎速率大於聚並速率，液滴尺寸較??；在遠離葉片的區域內流體湍動程度較弱，液滴聚集速率大於破碎速率，液滴尺寸變大。若希望液滴大小均一：A．儘量使流體在設備內的湍動程度分佈均勻；B．在混合液中加入少量的保護膠或表面活性物質，使液滴在碰撞時難以聚並。二、宏觀流體與微觀流體

宏觀混合：具有不同停留時間的物料顆粒之間的混合微觀混合：物料在反應器內流動時的聚集狀態宏觀流體即流體中分子聚集成團塊流體，這些流體粒子之間不發生任何物質交換，各個粒子都是孤立的、各不相干的、它們之間不產生混合，不聚並的液滴、固體粒子及非常稠的液體等均可認為是宏觀流體。微觀流體中的分子不與鄰近的分子附著而獨立流動，混合是在分子尺度上進行的。當反應器中完全不存在宏觀流體時，稱此狀態為微觀混合達到最大，或稱最大微觀混合。

內容空氣中微生物的分佈發酵工業對空氣無菌程度的要求空氣除菌的方法介質過濾除菌的機理介質過濾除菌的工藝介質過濾除菌的設備及計算空氣調節的方法空氣調節的工藝設備及計算概述需氧微生物的純培養：生長及代謝需要氧氣的參與直接通空氣會導致染菌，工業上通純O2成本太高。空氣中微生物對發酵等具有很大破壞性生物反應或者保藏生物細胞和生物製品，需要潔淨的環境、合適的空氣溫度、濕度和空氣壓力。關於抗生素生產企業發酵染菌的分析及資料統計染菌原因比例/%染菌原因比例/%種子染菌或懷疑種子帶菌9.64接種管道滲漏0.39接種子罐壓跌零0.19閥門洩露1.45培養基滅菌不徹底0.79攪拌軸封洩露2.09總空氣系統帶菌19.96罐蓋洩露1.54泡沫升至罐頂0.48其他設備洩露10.15夾套穿孔12.36操作問題10.15蛇管穿孔滲漏5.89原因不明24.91GMP生物工程技術生產藥品時，要符合《藥品生產和品質管理規範》（GoodManufacturingPractice，GMP)潔淨級別：根據國家藥品生產品質管理規範（GMP）的要求，生物製品、藥品的生產場地也需符合空氣潔淨度要求並有相應的管理手段。

第一節

空氣除菌過程與設備一、空氣除菌和滅菌方法二、空氣過濾除菌流程三、空氣預處理過程設備四、介質過濾除菌

一、空氣除菌和滅菌方法1.空氣中微生物的分佈2.發酵對空氣無菌程度的要求3.空氣除菌及方法1.空氣中微生物的分佈空氣的組成：各種氣體及顆粒空氣中的微生物：細菌及其芽孢、酵母、真菌和病毒分佈方式：依附在塵埃上的，空氣中的塵埃數與細菌數的關係如下式數量：103~104個/m3

空氣中微生物的含量和種類隨地區，季節和空氣中灰塵粒子多少，以及人們的活動情況而異?？諝庵械奈⑸锓N類以細菌和細菌芽胞較多，也有酵母，黴菌和病毒。這些微生物一般附著在空氣中的灰塵上或霧滴上?？諝庵形⑸锶绾螜z測？檢測：培養法或光學法測定其近似值？空氣微生物採樣器2.發酵對空氣無菌程度的要求

好氣性發酵過程中需要大量的無菌空氣，空氣要作到絕對無菌在目前是不可能的，也是不經濟的。發酵對無菌空氣的要求是：無菌，無灰塵，無雜質，無水，無油，正壓等幾項指標；發酵對無菌空氣的無菌程度要求因菌種的生產能力的強弱、生長速度的快慢、發酵週期的長短等的不同而異而異，其要求為：只要在發酵過程中不因無菌空氣染菌，而造成損失即可。“無菌空氣”：是指通過除菌處理使空氣中的含菌量降低到某一個水準，從而使污染的可能性降至極小。根據生物產品的不同，可以按染菌概率10-3~10-6來表示無菌程度，10-3染菌率表示1000次培養所用的無菌空氣只允許1次染菌。空氣除菌流程是按生產對無菌空氣要求具備的參數，根據空氣的性質而制定的，同時還要結合吸氣環境的空氣條件和所用設備的特性進行考慮。發酵用無菌空氣的品質標準（1）連續提供一定流量的壓縮空氣；（2）空氣的壓強（表壓）0.2-0.4MPa；（3）進入篩檢程式之前，空氣的相對濕度小於70％；（4）進入發酵罐的空氣溫度可比培養溫度高10－30℃；（5）壓縮空氣的潔淨度，取失敗率為10-3，也可以把100級作為無菌空氣的潔淨指標。100級：每立方米空氣中，塵埃粒子數最大允許值≥0.5μm的為3500，≥5μm為0；微生物最大允許數為5個浮游菌/m3，1個沉降菌/m3

。美國國家航空和宇宙航行局（NASA）標準：≥0.5μm的微粒數≤100個/ft3生物微粒0.1個/ft3沉降量1200個/（ft3*周）3.空氣除菌及方法定義：除去或殺滅空氣中的微生物。常用的除菌方法有介質過濾、輻射、化學藥品、加熱、靜電吸附等。輻射殺菌、化學藥品殺菌、幹熱殺菌等都是將有機體蛋白質變性而破壞其活力，從而殺滅空氣中的微生物。介質過濾和靜電吸附方法則是利用分離方法將微生物粒子除去。（1）輻射殺菌超聲波、高能陰極射線、X射線、γ射線、β射線、紫外線，殺菌機理不詳紫外線。253.7~265nm時殺菌效力最強，它的殺菌力與紫外線的強度成正比，與距離的平方成反比。輻射滅菌：一些表面的以及對流不強情況下有限空間內空氣的滅菌應用範圍與缺點通常用於無菌室和醫院手術室。殺菌效率較低，殺菌時間較長。一般要結合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。（2）熱滅菌法

機理：加熱後使微生物體內蛋白質（酶）氧化而致死亡

有效、可靠需要消耗大量能源和增設大量的換熱設備，從技術經濟上來看不是很合理。原理空壓機壓縮後空氣溫度升高多變指數m=1.25例題21℃的大氣經空氣壓縮機的壓縮，空壓機空氣出口壓強為表壓0.7MPa，求壓縮後的空氣溫度？℃（3）靜電除菌

利用靜電引力來吸附帶電離子而達到除塵滅菌的目的優點：阻力小，染菌率低，平均低於10-15％，除水、除油的效果好，耗電少，可同時除去水霧、油霧、塵埃缺點：設備龐大、一次性投資較大、捕集率尚嫌不夠，需要採取其他措施。受氣體溫、溫度等的操作條件影響較大。按氣流方向分為立式和臥式，按沉澱極極型式分為板式和管式，按沉澱極板上粉塵的清除方法分為幹式濕式等臥式靜電除塵器管式靜電除塵器按氣流方向分為立式和臥式，按沉澱極極型式分為板式和管式，按沉澱極板上粉塵的清除方法分為幹式濕式等靜電除塵器簡圖：1-陽極；2-陰極；3-陰極上架4-陽極上部支架；

5-絕緣支座；6-石英絕緣管；7-陰極懸吊管；

8-陰極支撐架；9-頂板；10-陰極振打裝置；

11-陽極振打裝置；12-陰極下架；13-陽極吊錘；14-外殼15-進口第一塊分佈板；

16-進口第二塊分佈板17-出口分佈板；18-排灰裝置

151687654321910121318111714（4）介質過濾除菌

含菌空氣通過過濾介質，以阻截空氣流中所含微生物，從而取得無菌空氣的方法。最常用的獲得大量無菌空氣的常規方法

從經濟性、可操作性、有效性等方面考慮，生物加工過程的無菌空氣基本上採用介質過濾的方法進行。（4）介質過濾除菌1.介質過濾除菌機理2.空氣過濾設備的計算設計3.過濾介質過濾介質分類介質間孔隙大於微生物直徑，有一定厚度的介質濾層才能達到過濾除菌的目的，這類過濾介質有棉花、活性炭、玻璃纖維、燒結材料等而另一類孔隙小於細菌，含細菌等微生物的空氣通過介質，微生物就被截留於介質上而實現過濾除菌，有時稱之為絕對過濾。除去0.2μm左右的粒子，故可以把生物全部過濾除去。篩檢程式的功能篩檢程式經常被認為是一種簡單的網或篩子，過濾/分離是在一個平面上進行的。實際上，空氣篩檢程式的濾材具有深度?！皬澢ǖ馈钡慕Y果對於污染物的去除起到了輔助作用

介質過濾除菌機理直接攔截慣性衝擊重力沉降攔截布朗擴散靜電吸附直接攔截流體中的基本過濾機制本質是一種篩分效應，機械攔截顆粒例如：一種簡單的篩網可以攔截尺寸大於其孔徑的顆粒絕對截留：顆粒直徑大於過濾介質間隙-顆粒被捕獲在濾材纖維之間形成的孔中搭橋作用：通過搭橋作用，尺寸小於濾孔的顆粒也可被攔截直接攔截直接攔截直接攔截通過搭橋作用，尺寸小於濾孔的顆粒也可被攔截搭橋機理：不規則形狀的顆粒/方向性多個顆粒同時撞擊到同一個濾孔堆積在篩檢程式表面的顆?？梢孕纬蔀V餅，提高過濾效率攔截在篩檢程式表面的顆粒堆積成顆粒層當篩檢程式表面完全被一個厚的顆粒層所覆蓋時，所謂的“濾餅”即已形成了。濾餅顆粒間的孔隙亦如同一種篩檢程式，對細顆粒的攔截效率通常由此而提高直接攔截不規則形狀的搭橋直接攔截慣性衝擊滯留作用機理空氣通過濾層時，氣流僅能從纖維間的間隙通過，由於纖維縱橫交錯，錯綜複雜，迫使空氣流不斷地改變運動方向和速度。慣性衝擊滯留作用：當微粒以一定的速度垂直纖維方向運動時，空氣受阻即改變方向，繞過纖維前進。而微粒由於運動慣性較大，未能及時改變運動方向，直沖到纖維的表面，由於摩擦黏附就滯留在纖維表面上。慣性撞擊當流經過濾介質時流體必須沿彎曲通道行進。這將增加過濾機制的有效性。慣性撞擊停留的顆粒減小了濾孔孔徑慣性撞擊慣性撞擊當流體改變運動方向時，慣性使顆粒撞擊到濾材表面並由於吸附力而停留單纖維的慣性衝擊捕集效率b-纖維能滯留微粒的寬度區間，m；df-纖維直徑，m；根據實踐，捕集效率是微粒慣性力的無因次準數φ的函數，Φ與纖維的直徑、微粒的直徑、微粒的運動速度的關係為：C-層流滑動修正係數；v0-微粒的流速，m/s；df-纖維直徑，m；dp-

-微粒直徑，m；ρp-微粒密度，kg/m3；μ-空氣粘度，Pa·s；氣速和纖維直徑均能影響捕集效率，其中尤以空氣流速最為重要。慣性碰撞的臨界氣速以φ＝1/16

氣速達臨界氣速的條件

當df

=1

μm，C=11.46，若μ＝1.86×10-5（帕·秒）（30℃時空氣的粘度），ρp＝1000（千克/米3）（微生物的密度與水接近），則：

攔截滯留作用攔截滯留作用：當微粒隨低速氣流流動慢慢靠近纖維時，微粒所在的主導氣流流線受纖維所阻而改變流動方向，繞過纖維前進，並在纖維的周邊形成一層邊界滯流區。滯流區內的氣流速度更慢，進入其中的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被黏附滯留捕集效率是，它與氣流的雷諾準數以及與微粒和纖維直徑之比有關，

R-微粒和纖維的直徑比；df-纖維直徑，m；dp-

-微粒直徑，m；布朗擴散截留作用布朗擴散：直徑很小的微粒在緩慢流動的氣流中能產生一種不規則的直線運動；較大空間、較大氣速時不起作用；緩慢流動的氣流和極小的纖維間隙間：增強了微粒與纖維的接觸和被捕捉擴散攔截擴散攔截被隨機運動的氣體分子碰撞的顆粒撞擊到過濾介質上並被吸附截留擴散攔截當流經過濾介質時流體必須沿彎曲通道行進。這將增加過濾機制的有效性。重力沉降作用機理穩定的分離作用當微粒所受的重力大於氣流對它的拖帶力時，微粒就容易沉降。單一的重力沉降大顆粒比小顆粒作用顯著，小顆粒只有在氣流速度很慢時才起作用。一般與攔截作用相配合的，即在纖維的邊界滯留區內，微粒的沉降作用提高了攔截滯留的捕集效率。靜電吸附作用機理幹空氣與非導體物質相對運動產生摩擦時，會產生誘導電荷懸浮在空氣中的微生物微粒大多帶有不同的電荷受帶異性電荷物體的吸引而沉降吸附表面作用過濾除菌機理當空氣流過介質時，上述五種除菌機理同時起作用氣流速度不同，起主要作用的機理也就不同。當氣流速度較大時，除菌效率隨空氣流速的增加而增加，慣性衝擊起主要作用；氣流速度較小，除菌效率隨氣流速度的增加而降低，此時擴散起主要作用；氣流速度中等，可能是截留起主要作用。如果空氣流速過大，除菌效率又下降，則是由於已被捕集的微粒又被湍動的氣流夾帶返回到空氣中。

4、過濾介質的類型表面過濾介質:編織網粉末燒結深度過濾介質:纖維材料結構棉花活性炭或玻璃纖維有機合成纖維澆鑄膜結構1，表面過濾介質所有濾孔在一個平面上依靠直接攔截捕獲顆粒最嚴格的定義:表面過濾表面或篩網過濾的局限主要依靠直接攔截。小於孔徑的顆粒將穿過。慣性撞擊無效.擴散攔截有微效.2，深度過濾介質污染物被介質內部結構捕獲的一種過濾介質，濾孔貫穿於整個介質厚度。調整流道可以獲得高容汙能力最嚴格的定義:深度過濾介質第四節介質過濾除菌的工藝空氣過濾除菌流程是按生產對無菌空氣要求具備的參數，根據空氣的性質而制訂的，同時還要結合吸氣環境的空氣條件和所用設備的特性進行考慮。對於一般要求的低壓無菌空氣，可直接採用一般鼓風機增壓後進入篩檢程式，經一、二次過濾除菌而制得。而一般的深層通氣發酵，除要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，還要具有一定的壓力，這就需要比較複雜的空氣除菌流程。二、空氣過濾除菌流程

按生產對無菌空氣要求具備的參數結合吸氣環境的空氣條件和所用除菌設備的特性，根據空氣的性質而制定的?？諌簷C或鼓風機：提高壓力，克服阻力，（除水除油）風壓要求低，輸送距離短，無菌要求也不高的場合及具有自吸作用的發酵系統離心式鼓風機增壓，低壓發酵廠所使用的空氣除菌流程，隨各地的氣候條件及設備條件不同而有很大的差別。要保持篩檢程式有比較高的過濾效率，應維持一定的氣流速度和不受油、水的干擾。氣流速度可由操作來控制；要保持不受油、水干擾則要有一系列冷卻、分離、加熱的設備來保證空氣的相對濕度在50~60％的條件下過濾。（一）兩級冷卻、加熱除菌流程兩級冷卻、加熱除菌流程優點適應各種氣候條件，能充分地分離油水，使空氣達到低的相對濕度下進入篩檢程式，以提高過濾效率兩次冷卻、兩次分離、適當加熱。兩次加熱、兩次分離油水的好處是能提高傳熱係數，節約冷卻水，油水分離得比較完全

油水分離裝置－兩級冷卻器第一冷卻器冷卻後，大部分的水、油都已結成較大的顆粒，且霧粒濃度較大，故適宜用旋風分離器分離。

第二冷卻器使空氣進一步冷卻後析出一部分較小霧粒，宜採用絲網分離器分離

加熱裝置第一級冷卻到30~35℃，第二級冷卻到20~25℃。除水後，空氣的相對濕度仍較高，須用絲網分離器後的加熱器加熱空氣，使其相對濕度降低至50~60%，以保證篩檢程式的正常運行。分水後加熱到30～35℃，因為溫度升高，相對濕度下降。兩級冷卻、加熱除菌流程尤其適用潮濕的地區根據上式，空氣濕含量x及溫度t（即ps）不變，空氣壓強P越大，則相對濕度Φ也越大，若含濕量不變（x2=x1），則空氣除菌中水蒸氣含量計算1.大氣溫度為20℃，相對濕度為80%的空氣，當壓縮至2kg/cm2

（表壓）時，溫度為120℃

，求空氣的相對濕度？20℃和120℃時ps分別為0.0238及2.025kg/cm2解：=2.76%2.若將上述壓縮空氣冷卻至40℃（壓力保持不變），相對濕度為多少？40℃時，ps=0.0752kg/cm2=74.3%3.若將上述壓縮空氣繼續冷卻（壓力保持不變）使之開始析出水滴，問需冷卻至幾度？即求其露點。kg/cm2即此時為飽和蒸汽壓根據蒸汽表，飽和蒸汽壓力為0.0558kg/cm2時，水溫為34.5℃4.若將題3壓縮空氣冷卻至25℃（壓力保持不變），求其濕含量x？並求每公斤幹空氣將析出多少水分？使之開始析出水滴，問需冷卻至幾度？40℃時，ps=0.0323kg/cm2

。若將題4壓縮空氣加熱至35℃（壓強保持不變），求其相對濕度？35℃時，ps=0.0578kg/cm2

。（二）冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程原理：壓縮空氣從貯罐出來後分成兩部分：一部分進入冷卻器，冷卻到較低溫度，經分離器分離水、油霧後與另一部分未處理過的高溫壓縮空氣混合，混合空氣已達到溫度為30~35℃，相對濕度為50~60%的要求，再進入篩檢程式過濾。優點特點：可省去第二次冷卻後的分離設備和空氣加熱設備，流程比較簡單，利用壓縮空氣來加熱析水後的空氣，冷卻水用量少等此流程適用於中等混合量的地區。

（三）高效前置過濾空氣除菌流程高效前置過濾空氣除菌流程高效率的前置過濾設備，利用壓縮機的抽吸作用，使空氣先經中、高效過濾後，再進入空氣壓縮機

空氣無菌程度比較高

（四）利用熱空氣加熱冷空氣的流程利用熱空氣加熱冷空氣的流程利用壓縮後熱空氣和冷卻後的冷空氣進行交換，使冷空氣的溫度升高，降低相對濕度。此流程對熱能的利用比較合理，熱交換器還可以兼做貯氣罐但由於氣—氣交換的傳熱係數很小，加熱面積要足夠大才能滿足要求

核工業理化工程研究院華核新技術開發公司空氣過濾系統過濾二、篩檢程式的結構1，深層棉花、活性炭篩檢程式立式圓筒形，內部填充過濾介質，以達到除菌的目的。填充物的裝填順序如下：

孔板→鐵絲網→麻布→棉花→麻布→活性碳→麻布→棉花→麻布→鐵絲網→孔板

2，濾紙篩檢程式3，金屬篩檢程式（1）篩檢程式外殼圖外殼濾芯介面圖外殼示意圖

（2）預篩檢程式

氣體預篩檢程式結構圖（單芯）氣體預篩檢程式結構圖（多芯）氣體預篩檢程式外殼圖（3）過濾系統過濾系統由金屬篩檢程式、預篩檢程式及蒸汽篩檢程式組成。預篩檢程式的作用是將空氣前處理系統中的鐵銹等雜物進行預濾。蒸汽篩檢程式則是阻擋蒸氣管路中的銹蝕物和鍋爐污垢等雜質。上述二種篩檢程式的功能是保護金屬篩檢程式，延長其使用壽命。QJXZG高效蒸汽篩檢程式工作過程蒸汽消毒過程（4）主要技術參數

過濾效率：99.9%過濾微粒直徑≥0.2μm過濾介質：預篩檢程式為中空玻璃纖維或高效過濾紙，蒸汽篩檢程式為聚四氟乙烯,金屬篩檢程式為金屬粉末鎳冶煉而成。最大工作壓力：0.8MPa工作溫度：預篩檢程式≤130℃蒸汽篩檢程式≤130℃金屬篩檢程式≤130℃氣體阻力：在額定流量下，進口壓力0.1MPa時，初始壓降小於0.01MPa。QJX-A金屬膜篩檢程式工作過程金屬膜管工作過程5，膜過濾（1）示意圖

GS-Z型蒸汽篩檢程式（上）及濾芯（下），濾芯材質為聚四氟乙烯（粉末燒結）、鈦金屬或不銹鋼纖維燒結氈蒸汽篩檢程式結構簡圖金屬濾芯膜過濾芯篩檢程式(聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等)（2）系統組成蒸汽篩檢程式預篩檢程式（粗）除菌篩檢程式（精）預篩檢程式形式：以管式、袋式、折疊式為主，也可以是填充床式、浮動床式的篩檢程式，以及離心機、真空機等篩檢程式材。預篩檢程式一般選用深層篩檢程式，在使用過程中要求有低的壓降、高的容塵量和變動幅度小的過濾精度和效率。過濾介質：玻璃纖維複合氈（聚丙烯纖維複合氈）。技術參數：過濾精度:0.3-0.5μm過濾效率:95%-99.9%初始壓差:≤0.005MP工作溫度:≤80℃可耐最大壓差:0.08MPa

除菌篩檢程式形式以板框式、管式、折疊式為主過濾介質：微過濾膜（聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚碸膜、聚醯胺膜等。）除菌過濾應具備的特點：①高的過濾精度;②大的通過量;③能耐反復的消毒操作;④強的親水性或疏水性;⑤足夠的使用強度。

QJX-B折疊膜篩檢程式過濾過程總篩檢程式工作過程技術參數過濾精度：0.01μm過濾效率：99.9999%工作溫度：<60°C可耐最大壓差：0.4MPa（25°C，正向）蒸汽滅菌：125°C±2°C，每次30min，可達160次各級過濾的配置各級過濾的配置問題主要有通過量與精度兩個方面，不同的物料處理流程是有區別的。如在無菌空氣的處理中，壓縮機的前置篩檢程式精度一般為＞5μm，壓縮機後的除油篩檢程式，出氣含油量要求≤3×10~6mg/ml，總篩檢程式的過濾精度一般為0.5μm，過濾效率95%左右，預篩檢程式的過濾精度為0.3μm，過濾效率約99%，除菌篩檢程式的精度為0.01μm，過濾效率99.9999%以上。消毒問題濾芯（器）消毒是一個日常操作工序。濾芯常見的消毒方法有蒸汽、熱水和化學試劑消毒三種。蒸汽消毒要注意選擇飽和蒸汽，一則是可以可靠殺死細菌，二則是可通過控制壓力來調節溫度。蒸汽消毒對於疏水濾芯來說相對是簡單的，但對親水濾芯特別是膜材料耐溫度不高的濾芯來說，操作方法是至關重要的空氣篩檢程式的操作要點篩檢程式蒸氣滅菌時，先將蒸汽管和篩檢程式內部的冷凝水放掉，滅菌蒸汽的壓力應保持在0．17~0．2MPa(表壓)。開始時先將夾套預熱(若無夾套則不需預熱)，然後將蒸汽直接沖入介質層中：小型篩檢程式的滅菌時間約為0.5h，蒸汽從上向下沖；大型篩檢程式的約為lh，蒸汽一般先從下向上沖0.5h，再從上向下沖0.5h。滅菌後應立即引入空氣，以便將介質層內部的水分吹出，但溫度不宜過高，以免介質被烤焦或焚化。蒸汽壓力和排氣速度不宜過大，以避免過濾介質被沖翻而造成短路。在使用篩檢程式時，如果發酵罐的壓力大於篩檢程式的壓力(這種情況主要發生在突然停止進空氣或空氣壓力忽然下降)，則發酵液會倒流到篩檢程式中來。因此，在篩檢程式通往發酵罐的管道上應安裝單向閥門，操作時必須予以注意。QJX-ZN止逆裝置防止倒罐過程QJX-ZN止逆裝置通氣過程三、空氣預處理過程設備（一）空氣預處理的作用與原理（二）空氣預處理設備（一）空氣預處理的作用與原理目的1．提高壓縮空氣的潔淨度，降低空氣篩檢程式的負荷；2．去除壓縮後空氣中所帶的油水，以合適的空氣濕度和溫度進入空氣篩檢程式。如何提高壓縮空氣的潔淨度？提高壓縮前空氣的潔淨度的主要措施是提高空氣吸氣口的位置和加強吸入空氣的前過濾。前過濾：布袋篩檢程式、填料篩檢程式、油浴洗滌和水霧除塵裝置

（二）空氣預處理設備1．粗篩檢程式：捕集較大的灰塵顆粒，防止壓縮機受損，同時也可減輕總篩檢程式負荷。粗篩檢程式一般要求過濾效率高，阻力小，否則會增加空氣壓縮機的吸入負荷和降低空氣壓縮機的排氣量。常用的粗篩檢程式：布袋過濾；填料過濾；油浴洗滌；水霧除塵。袋式篩檢程式是應用廣泛的一種除塵器，對細塵粒（1~5μm）的效率達到99％以上。其適應性較強，不受粉塵比電阻的影響，也不存在其他污染問題。袋式除塵器早期布袋除塵器用人工或機械振打清灰，應用受限。1950年以來，隨著逆向噴吹型（反吹風）和脈衝型技術的發明與應用，使除塵能夠連續進行，由於阻力穩定，氣流速度高，以及新型、耐用、耐腐蝕濾材的應用，尤其是非織物的聚合物濾材和金屬織物混合物濾材的發展，其應用日益廣泛。布袋除塵器除塵原理：重力沉降；篩濾；慣性衝擊；布朗擴散；集灰方式：振動濾袋法；反吹風法；脈衝噴氣法；聲波清灰法。濾材：天然纖維：棉纖維、毛纖維等；無機纖維：玻璃纖維等；合成纖維：尼龍纖維等。新技術：聚四氟乙烯覆膜技術，耐高溫，可以阻擋粉塵透過聚四氟乙烯膜，不會在濾料內形成塵餅，及時剝離表層塵粒，濾料透氣性降低有限，壓力降小。脈衝布袋除塵器脈衝袋式除塵器油浴洗滌裝置

效果好阻力小費油壓縮機空氣篩檢程式（油浴式）水霧除塵裝置

空氣流速1-2米/秒2．空氣壓縮機

克服阻力

:管道、過濾介質0.2~0.3MPa的低壓壓縮空氣。離心式空氣壓縮機、往復式空氣壓縮機離心式空氣壓縮機電機直接帶動渦輪，靠渦輪高速旋轉時所產生的“空穴”現象，吸入空氣並使其獲得較高的離心力，再通過固定的導輪和渦輪形成機殼，使部分動能轉變為靜壓後輸出離心式空氣壓縮機具有體積和重量都小而流量很大、供氣均勻、運轉平穩、易損部件少、維護方便、獲得的空氣不帶油霧等特點，是非常理想的生物加工過程供氣設備。離心式空氣壓縮機適用於生物加工過程的離心式空氣壓縮機是低壓渦輪空氣壓縮機，出口壓力一般為0.25~0.5MPa。低壓離心空氣壓縮機有單級和多級，後者還可以分段。段與段間有中間冷卻設備。輸氣量一般在100m3/min以上，最大的可達12000m3/min。往復式空氣壓縮機活塞在汽缸內的往復運動而將空氣抽吸和壓出的，出口壓力不夠穩定，產生空氣的脈動。往復式空氣壓縮機油潤滑空氣壓縮機，使空氣中帶入油霧，導致傳熱係數降低，給空氣冷卻帶來困難，如果油霧的冷卻分離不乾淨，帶入篩檢程式會堵塞過濾介質的纖維空隙，增大空氣壓力損失。黏附在纖維表面，可能成為微生物微粒穿透濾層的途徑，降低過濾效率，嚴重時還會浸潤介質而破壞過濾效果

往復式空氣壓縮機單缸和多缸，多缸中又有V形、W形、L形、H形對置式等汽缸排列形式出口壓力：高壓（8~100MPa）、中壓（1~8MPa）、低壓（1MPa以下）低壓小型（1m3/min）是單缸，大多數是雙缸二級壓縮的：空氣先進入第一級（低壓）汽缸經壓縮和冷卻後進入第二級（高壓）汽缸進行壓縮，然後排出，以L形的設計最為普遍，額定出口壓力為0.8MPa，可在0.4~0.8MPa的範圍內進行調節理論功率和實際功率

KT—氣體不同壓力溫度等熵指數；R—氣體常數；Z1、Z2—名義進氣、排氣狀態下壓縮係數；T—氣體溫度；P—氣體壓強實際功率實際功率消耗值為，效率一般為0.6~0.8，同時在配備電機時，一般還需增加5%~15%的安全係數。3．空氣貯罐消除脈動維持罐壓的穩定使部分液滴在罐內沉降利用高溫滅菌圓筒部分高徑比通常為2~2.5。應裝安全閥，底部應裝排污口，空氣在貯罐中的流向應自下而上，若在罐內放置鐵絲網除霧器則更為理想4．氣液分離器壓縮空氣冷卻後會有大量水蒸汽及油分凝結下來，使過濾介質受潮，使篩檢程式失效油水分離旋風分離器：離心力介質篩檢程式：利用慣性進行攔截旋風分離器結構簡單、阻力小、分離效果較高的氣—固或氣—液分離設備氣體通過進氣口的速度為10~25m/s，一般採用15~20m/s所產生的離心力可以分離出小到5μm的顆粒及霧沫。排氣口氣流速度為4~8m/s，油水滴在旋風分離器中的徑向速度與氣流速度的平方成正比，但隨回轉半徑的增加而減小填料篩檢程式利用塊狀介質、顆粒狀介質、網狀介質或高分子材料絲網的慣性攔截作用來分離空氣中的水滴或油滴的方法。填料主要有焦炭、活性炭、瓷環、金屬車屑、金屬絲網、塑膠絲網等。絲網分離器具有較高的分離效率，對直徑大於5μm的顆粒的分離效果可達99%，大於10μm的可達99.5%，且能部分除去較細的顆粒，結構簡單，阻力不大等，已被廣泛應用於生產中缺點：在霧沫濃度很大的場合，會因霧沫堵塞空隙而增大阻力損失。絲網除沫器（又名絲網除霧器、捕沫器，：wiremeshdemister、wiremeshmisteliminators）原理：帶霧沫氣體速度上升通過絲網時，由於慣性作用，霧沫與絲網細絲相碰撞而被附著在細絲表面上。細絲表面上霧沫的擴散、霧沫的重力沉降，使霧沫形成較大的液滴沿著細絲流至兩根絲的交接點。細