[生物学]生物工程设备教案

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1、第一章生物细胞培养基制备过程与设备所有的生物细胞都要不断地同外界进行物质和能量交换，都要进行新陈代谢，才能表现出生命活动，这时，就需要营养物质。营养物质包括碳源、氮源、微量元素、维生素等。利用生物细胞进行生物加工时，需要根据不同的细胞配制多种多样的培养基，有的细胞能利用淀粉，这时直接向培养基添加淀粉；有的仅能利用葡萄糖，这时就要用纤维素、半纤维素或各种工农业副产物来制备培养基。生物技术产业中大多数都利用纯种培养技术，这就要求对培养基中已有的杂菌进行去除或杀灭。第一节液体培养基的灭菌灭菌是指利用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中一切有生命物质的过程。常用的灭菌方法大致有以下几种：化学灭菌

2、法，电磁波、射线灭菌法，干热灭菌法，湿热灭菌法，过滤除菌法，火焰灭菌法。发酵工业自从采用纯种培养以后，产物的产量和质量都有了很大的提高，同时对防止染菌的要求也更高了。目前的各种培养过程往往都要求在没有杂菌污染的条件下进行，由于培养过程中通常含有比较丰富营养物质，且培养基中常常带有各种微生物，因此很容易受到杂菌的污染，进而会产生各种不良的后果。（1）由于杂菌的污染，使生物反应中的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降；（2）由于杂菌所产生的一些代谢产物，或在染菌后改变了培养液的某些理化性质，使产物的提取和分离变得困难，造成收率降低或使产品的质量下降；（3）杂菌会大量繁殖，会改变反

3、应介质的PH值，从而使生物反应发生异常变化；（4）杂菌可能会分解产物，从而使生产过程失败；（5）发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失败等等。一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素（一）灭菌动力学微生物受热而破坏是指其生活能力丧失，微生物热死灭原因是细胞内的反应。（1）对数残留定律微生物受热死亡的原因，主要是因高温使微生物体内的一些重要蛋白质，如酶等，发生凝固、变性，从而导致微生物无法生存而死亡。微生物受热而丧失活力，但其物理性质不变。在一定温度下，微生物的受热死亡遵照分子反应速度理论。在灭菌过程中，活菌数逐渐减少，其减少量随活菌数的减少而递减，即微生物的死亡速率与任一瞬时残留的活菌数成

4、正比，如图1-1所示，大肠杆菌的死亡曲线为线性关系，称之为对数残留定律，也即反映为一级化学反应动力学为：（1-1）式中——残存的活菌数；——灭菌时间，s；——灭菌速度常数（s-1），也称反应速度常数或比死亡速度常数，此常数的大小与微生物的种类与加热温度有关；——活菌数瞬时变化速率，即死亡速率。上式通过积分可得：160（1-2）式中——开始灭菌（t=0）时原有活菌数；——经时间t后残存活菌数。上式是计算灭菌的基本公式，灭菌速度常数是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据。各种微生物在同样的温度下K值是不同的，值越小，则此微生物越耐热。若要求灭菌后绝对无菌，即=0，则从上面公式可以看出灭菌时间

5、将等于无穷大，这是不可能的，故培养液灭菌后，以在培养液中还残留一定活菌数进行计算。工程上，通常以=10-3个/罐，即杂菌污染降低到被处理的每1000罐中只残留1个活菌的程度，此数已满足生产要求。（2）温度对死亡速率的影响微生物的受热死亡属于单分子反应，其灭菌速率常数K与温度之间的关系可用啊累尼乌斯公式表示：（1-4）或（1-5）式中——频率常数，也称阿累尼乌斯常数s-1；——气体常数，8.314J/mol•K；——绝对温度，K；——培养基成分分解所需，J/mol。二、连续灭菌流程及设备培养基灭菌应尽量采用高温短时间的连续灭菌。培养基经连续加热、维持和冷却后进入发酵罐。连续灭菌具有如下的优

6、点：（1）提高产量。与分批灭菌相比培养液受热时间短，可缩短发酵周期，同时培养基成分破坏较少。（2）产品质量较易控制。（3）蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高，操作方便。（4）适宜采用自动控制。（5）降低劳动强度。以下介绍几种国内外较为常用的连续灭菌流程，由于灭菌过程是加热和冷却的过程，所以这些设备所组成的流程并不是固定的。如采用喷射加热器加热而采用真空冷却有困难，也可采用其它冷却方式（如喷淋冷却器或板式换热器等）。160（一）连消塔——喷淋冷却流程（二）喷射加热——真空冷却流程（三）板式换热器灭菌流程培养基连续灭菌的优点是灭菌的温度较高，灭菌时间较短，培养基的营养成分受破坏的程度较低，从而保证了

7、培养基的质量，同时由于连续灭菌过程不在发酵罐等设备中进行，提高了发酵罐等设备的利用率。当然与间歇灭菌过程相比，连续灭菌过程的不足之处是过程所需的设备较多，操作较为麻烦，染菌机会也相应较多。（四）设备构造和计算1．连消塔又称加热器，是培养基于蒸汽混合加热至灭菌温度的设备。要求在20~30s或更短的时间内将料液加热至130~140℃。生产中一般用0.5~0.8Mpa的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。160连消塔计算：培养液在管间流动