生物化学总结

生物反应过程是指将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。

四个过程：(1) 原材料预处理；(2) 生物催化剂的制备；(3) 生物反应器；(4) 产物的分离纯化。

一般的生化（物）反应工程由四个部分组成 􀂾 原材料的预处理

包括原料的选择,必要的物理与化学方法加工,培养基的配制和灭菌等。 􀂾 生物催化剂的制备

包括菌种的选择、扩大培养和接种，酶催化反应中酶的纯化、酶的 固定化等。

􀂾 生物反应器及反应条件的选择与监控

生物反应器是进行生物反应的核心设备，它应为细胞或酶提供适宜 的反应环境以达到反应较好进行的目的。因此，反应器的确结构、操作 方式和条件对反应原料的转化率、产品的质量和成本有着密切关系。同 时反应参数的检测和控制对反应的顺利进行也是十分重要的。 􀂾 产物的分离纯化

用适当的方法和手段将一定含量的目的产物从反应液中提取出来并 加以精制以达到规定的质量要求。 生物反应器是整个生化过程的关键设备

① 为特定的细胞或酶提供适宜的生长环境或进行特 定生化反应的设备，它的结构、操作方式和操作条 件与产品的质量、产量和能耗有着密切的关系； ② 生物反应器中存在着物料的混合与流动、传质与传

热等大量的化学工程问题；

③ 存在着氧和基质的供需和传递、发酵动力学、酶催 化反应动力学、发酵液的流变学和生化反应器的设 计与放大等一系列带有共性的工程技术问题； ④ 还包括生化反应过程的参数和控制。

生物反应过程类型 生物反应过程：酶催化反应 单菌反应体系 多菌混合反应体系 动植物细胞反应体系

􀂾 当过程采用游离的整体微生物活细胞为生物催化剂时，一般称此为发酵工程。 􀂾 当生物催化剂为酶（游离＆固定化）时，此过程称为酶反应工程。 􀂾 另外还有动植物细胞培养工程。

􀂾 常常也把污水处理和从天然生物物质中提取有效成分也归入生物反应工程范围。

生物反应过程的特点 􀂾 采用生物催化剂

􀂾 采用可再生资源为主要原料

􀂾 与一般化工产品生产相比，其生产设备比较简单、能耗低 生化工程概念

􀂾生化工程（Biochemical engineering)：是应用化学工程的原理与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科，它既可视为化学工程的一个分支，又可认为是生物技术的一个重要组成部分。简言之，生化工程是为生物技术服务的化学工程。

生化工程与其他学科关系：

生化工程是生物技术产业化的核心，是多学科的交叉，是生物技术产业化过程中的关键技术

• 本课程所讲的生物反应过程是指生物体在生物反应器中通过有效控制获得目的产物的过程。

• 生化工程是建立在生物学、化学、工程学、计算机与信息技术等学科为基础的交叉学科。 •工艺

利用生产工具对原材料、半成品进行加工或处理，使之成为产品的方法叫工艺。 •技术

• “个别的学问”，解决怎样做一件事情，技术会随着时代变迁而变化。 • 广义的技术包括根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法技能和装备。

• 具体的技术可以用记述的方法来表现。如：育种技术。

工程

• 例如：航天工程、水利工程……

• 工程是研究一般化方法的学问，具有超越时代的持续性和普遍性，内容是抽象的。

• 抽象的方法除表现为使用数学外，更重要的是掌握“工程思维”（engineering sense)方法。

生化工程的研究内容 一、生物反应动力学

• 是研究生物反应过程的速率及其影响因素，是生化工程的理论基础之一。包括二个层次的动力学。

本征动力学(微观动力学)：指在没有传递等工程因素影响时，生化反应固有的速率。该反应速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂的性质有关，而传递因素无关。

宏观动力学(反应器动力学)：指在一定反应器内观测所得的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。 以获得生物量为目的：

生物合成速率≈影响因素（生物体、基质、环境因素、操作条件等） 以获得目的产物为目的：

转录与转译速率=（基因量、…….等) 调控速率=（表达速率、酶活力、……等）

生物反应速率及其影响因素之间的关系

• 就是要学习运用生物学、化学、计算机与信息技术等理论，利用生物（如微生

物）

进行有用物质生产的原理与方法。 二、生物反应器

􀂾􀀀生物反应器中的传递特性 􀂾􀀀生物反应器的设计与放大 􀂾􀀀生物反应器的优化与控制 生化工程研究方法 􀂾 目前仍以经验方法为主

􀂾 用数学模型对生化工程有关内容进行研究正常迅速发展

􀂾 数学模型法：是应用数学语言来表示生物反应过程中各个变量之间 的关系。

􀂾 数学模型法优点：(1) 可用几个关键变量来代替复杂的反应过程；(2) 可将宏观现象与微观现象相联系；(3) 可以用来预测反应的结果；(4) 可用来检测可能重要但尚未知或被忽略的变量和参数；(5) 可以帮助搞清反应机理 数学模型:

(1) 经验模型：在不了解或不考虑过程机理的情况下，仅根据一定条件下的实验数据而进行关联所建立的模型

(2) 半经验模型：在对过程机理有一定了解的基础上，结合实验数据而建立的模型

(3) 机理模型(结构模型)：从过程机理出发得到的 注意：数学模型法不能完全代替实验，但能减少实验次数 生化工程学科的形成与沿革

• 史前时代，人们还不知道什么是酶或微生物时，就已利用它们进行有用物质生产了。

龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元前200年，作豆腐、酱油和

酿醋。在我国最早的诗集《诗经》中就提出过采用厌氧进行亚麻浸渍处理。公元10年有了天花的活疫苗。

• 1857年巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由活酵母引起的。 举例

抗生素——青霉素

• 罗伯茨（W. Roberts，1874)首次报道微生物的颉颃（xiehang）现象（antagonism）灰绿青霉生长旺盛的液体会使人工感染细菌困难 • 廷德尔（J.Tyndall,1876）青霉菌与细菌液体培养中有颉颃现象 • 巴斯德和朱伯特（J.F.Joubert，1877)用炭疽芽孢杆菌培养物感染动物 • 巴比斯和科尼尔（V.Babes & A.V.Cornil,1885)细菌之间

弗莱明（1928）发现青霉素并将青霉素培养物的滤液中所含抗细菌的物质称为“青霉素”

化学家钱恩（E.Chain）获得精制品，1940在美国产业化 当前水平60000～80000U/ml(150m3) • 20世纪中期前后生物化学工程学科的形成。

• 20世纪后期（1970～80年）生物反应工程学科的形成。英国学者阿特金逊（1971）首次提出生化反应工程……。

• 20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断融合、发展。 • 2000年后人类基因组计划的完成，后基因组计划的进行， 特别是

MetabolicvEngineering and Systems Biology的形成与发展，给生物反应工程技术带来新的发展机遇。

代谢工程是一门涉及利用基因工程的手段对细胞属性进行改造的工程，根据不同的生物过程和所需目标，设计方案和引用的方法也不同.

步骤：（1）合成：构建重组菌株以提高细胞特性;（2）分析：对重组菌株进行分析，特别是对照出发菌株的属性进行分析;（3）设计：设计代谢工程方案（Nielsen 2001）。

生化工程未来发展

• 今后生化工程的研究内容随着新一代生物技术产品的出现，预期会在下列个方面得到重点发展：

(1) 新型生物反应器的研究开发;

(2) 新型分离方法和设备（特别是针对蛋白质、多肽产品的分离）的研究开发; (3) 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。

(4) 生产过程控制手段的改进，重点是解决能在线反映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（检测信号的条件化和显示系统、人机对话系统

、执行系统等）及软件（自适应动态控制系统、专家系统等）的建立和完善。 总之，培养技术、自控技术、分离及精制技术、外围技术、系统化技术都是今后若干年（特别是我国）生化工程开发的重大课题。

􀂾 过去由于技术上的限制，在研究生物过程时，多将细胞内的反应作为暗箱处理，缺乏机理上的了解。

􀂾 现研究细胞内代谢网络中流量分别特点的技术已比较成熟，将生物过程中宏观代谢特征研究与细胞水平的代谢特征研究相结合，对于认识生物过程机理，进行生物过程的优化和放大具有重要意义。

􀂾 随着分子生物学的发展，在分子水平上揭示了生物过程涉及的代谢调节机理 􀂾 现在越来越多的关于过程研究与细胞水平及分子水平的研究结合起来，这样可以从本质上认识生物过程的特点和规律，从而获得更有效地控制生物过程 􀂾 在生物过程的研究中，注意与基因组和生物信息学的研究成果相结合，在分

子水平上了解发酵过程所显示规律的机理，有助于有效地进行发酵过程优化和放大

四、生化工程在国民经济中的重要作用

• 生化工程是现代生物技术与传统化工技术相结合而形成的新学科，它的快速发展已使发酵工业大大扩展了它的领域，超出了发酵本身的意义，国外称之为生化工业(biochemical process industry)。据统计，世界上生物化学工业有250个产品和几十亿美元的年产值，涉及到医药工业、食品工业、化学工业和农产品加工工业等。目前已经成为生产力或正在成为较大生产力的生物 化学反应工程基础知识回顾

􀂾 化学工程(Chemical engineering)是对变化进行定量研究的一门学科。 􀂾 化学工程涉及的变化有物理变化、化学变化、生物学变化，变化的定量表征是通过数学手段来实现的。

􀂾 具体说，化学工程就是与化学工业和过程工业中各种操作的技术及其装置与机械的设计制作的基础相关的一门学问。包括：单元操作技术、传递现象理论、反应工程、过程与系统工程、生物化学工程、环境化学工程等领域。 化学工程有五大基础概念

􀂾 􀀀单元操作(unit operation)的概念 􀂾 􀀀速率(rate)的概念 􀂾 􀀀守恒(balance)的概念 􀂾 􀀀平衡(equilibrium)的概念 􀂾 􀀀优化(Optimality)的概念 单元操作(unit operation)的概念

􀂾 单元操作理论：在多数化学工业中，无论涉及到的原料和产品如何，以共通的工程和操作作为研究对象，对其原理和操作进行研究，是传统化学工程的主要领域

􀂾 单元操作：根据原料和产品的不同而划分出的共通的操作，如物质输送、加

热与冷却、反应、结晶、蒸馏、气体吸收、萃取、粉碎和分级、搅拌、混合、干燥、膜分离等

􀂾 生物过程和食品加工过程特有的单元操作：无菌化单元操作，包括空气的无菌过滤、膜分离和加热杀菌 单元操作的分类（）

工业化学过程实际上是单元操作的组合，是由单元操作组合而成 速率(rate)的概念

􀂾 速率(rate)：是指变化的快慢程度，包括反应速率和传递速率

􀂾 反应速率：均相反应单位“产物物质的量·流体体积-1·时间-1”；非均相反应单位“产物物质的量·界面面积-1·时间-1”􀀀

􀂾 传递速率：以传递速率为中心的学科是传递现象理论。传递速率的本质是通量(flux)，定义为“单位面积上单位时间的传递量”。通量的基本式为： 􀂾 限速步骤：在多步过程中的一个重要概念，限速步骤

􀂾 逐步反应过程和生物化学代谢的物质交换流中，应当首先考虑哪一步骤是对全体的速率起到最大的限制作用。 小结

• 生物技术作为解决当今人类健康、能源、环境和可持续发展的高新技术已是人们的共识。而从生物技术理论到有价值的生物技术产品离不开工程技术。 • 在传统的经验性酿造过程进入到对生物反应过程进行定量解析或理论分析时代，离不开生化工程方面的理论作为支撑。

• 并且，在分子生物学飞跃发展的今天,也越来越显得重要。所以，通过生物反应过程课程的学习，使生物工程专业学生对这一领域的发展有清楚的了解，为下一步学习、掌握基本理论知识打好基础。

• 掌握工程思维方法是学习本课程的最终目的。

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第二章培养基灭菌

问题：什么是培养基？

培养基的优劣直接关系到实验和研究的成败与否及微生物发酵生产的效率。 如有杂菌，会引起怎样的后果?灭菌的必要性?

① 生产菌和杂菌同时在培养基中生长，结果丧失了生产能力。

② 杂菌的生长速度有时比生产菌生长得快，结果使反应器中以杂菌为主。 ③ 杂菌会污染最终产品。

④ 杂菌所产生的物质，使提取产物时发生困难。 ⑤ 杂菌降解所需要的产物。

⑥ 发酵如污染了噬菌体，可使生产菌株发生溶菌现象。 工业上具体措施包括：

1）使用的培养基和设备须经灭菌； 2）好氧培养中使用的空气应经除菌处理； 3）设备应严密，发酵罐维持正压环境； 4）培养过程中加入的物料应经过灭菌； 5）使用无污染的纯粹种子。

一.灭菌的概念

灭菌：是指用物理或化学因子杀灭有生活能力的细菌营养体和芽孢或孢子的方法。

消毒：消除病原微生物的措施。在工业中一般都笼统地称为杀菌或灭菌。 工程上灭菌：是指使用物理或化学方法将培养基中的杂菌的细胞和孢子杀灭或除去,至不影响发酵为限。

工业规模的液体培养基灭菌，杀灭杂菌比除去杂菌更为常用。 灭菌是为了保证进行纯培养（纯种）发酵。 二. 灭菌的方法 􀂾物理法 􀂾 干热灭菌法 􀂾 湿热灭菌法 􀂾 射线灭菌法 􀂾 过滤灭菌法 􀂾化学法

􀂾 化学药品灭菌法

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三. 湿热灭菌的原理

湿热灭菌：就是直接用高温蒸汽灭菌。蒸汽在冷凝时释放出大量潜能，并且蒸汽具有强大穿透力，蒸汽的湿热破坏菌体蛋白质和核酸的化学键，使酶失活， 微生物因代谢障而死亡。

湿热灭菌的效果，取决与致死温度和致死时间。 致死温度：是杀灭微生物的极限温度。

致死时间：是在致死温度下杀灭全部微生物所需时间。

热阻（对热抵抗力）：微生物在某一特定条件（一定的温度、加热方式）的死亡时间。

相对热阻：指在相同条件下两种微生物热阻的比值。 芽孢的热阻特别高的原因：

① 芽孢具有吡啶二羧酸，能增强对热抵抗力; ② 芽孢厚而且结构致密，热不易透过;

③ 芽孢的游离水分少，蛋白质含水量较营养细胞蛋白质含水 量低。

在实际生产中，由于不能完全了解杂菌的数量和类型，因此要以相对热阻大的芽孢作为灭菌的依据。 湿热灭菌的优点

􀂾 蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒； 􀂾 蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底； 􀂾 蒸汽有很大的潜热； 􀂾 操作方便，易管理。

工业上湿热灭菌分为分批灭菌和连续灭菌

分批灭菌（实消）：将培养基置于反应器中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，这叫分批灭菌。

连续灭菌（连消）：将培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却然后进入到反应器的杀菌方法就是连续灭菌。

四.培养基湿热灭菌需解决的工程问题

􀂾 将培养基中的杂菌总数N0杀灭到可以接受的总数N（10-3），需要多高的温度、多长的时间为合理。

􀂾 选择最佳灭菌条件，达到既杀灭杂菌又尽量减少营养成分的破坏。 灭菌温度和时间的确定取决于： 􀂾 杂菌孢子的热灭死动力学 􀂾 反应器的形式和操作方式

􀂾 培养基中有效成分受热破坏的可接受范围 五. 微生物的热死动力学

实验证明，微生物营养细胞的均相热死灭动力学符合单分子化学反应的一级反应动力学，即： （1）

N：任一时刻的活细菌浓度（个/L） t：时间（min）

K：比热死速率常数（min-1） k N dt − dN = ⋅

• 取边界条件t0=0，N=N0，对（1）积分得 （2） 或（3）

K t N

N = − ⋅ 0 ln N N e Kt = ⋅ − 0

K是判断微生物受热死 亡难易程度的基本依 据，其大小与微生物 的种类和加热温度有 关。 5

􀂾 实验证明，细菌孢子与营养细胞的热杀灭动 力学不同。 ［例1］

􀂾 有发酵培养基40m3，原始污染程度为105个菌/ml， 要求无菌程度Ns为10-3个菌/批，若灭菌温度125℃ 时灭菌速率常数为1 min-1，求所需要灭菌时间。 􀂾 解：已知N0=40×106×105=4×1012个菌/批

Ns = 10-3个菌/批 K = 1 min-1 将上述数据代入

=15×2.303×0.602=20.8 (min)

12 3

2.303 lg 4 10 1 10 t − × = ×

0 0 1 ln 2.303 lg S S t N N K N K N = =

温度对杀菌速率常数K的影响

微生物受热蛋白质变性而死亡，温度对杀菌速率常 数的影响可以用阿累尼乌斯（Arrhenins)方程表示： K=Ae-E/RT

K --- 杀菌速率常数（死亡速率常数）（min-1）

A --- 频率因子（阿累尼乌斯常数），因菌种的不同而异 E --- 活化能（J/mol）

T --- 绝对温度（K）T= t+273.15

R --- 气体常数8.36J/mol.K(或1.98cal/mol.K) 活化能:

活化能是指化学反应中，由反应物分子到达活化分子 所需的最小能量。以酶和底物为例，二者自由状态下的势 能与二者相结合形成的活化分子的势能之差就是反应所需 的活化能，因此不是说活化能存在于细胞中，而是细胞中 的某些能量为反应提供了所需的活化能。

在这里活化能指致使微生物细胞死亡所需的能量。 从阿累尼乌斯方程可以得出以下结论：

1）活化能E的大小对K值有重大影响，其他条件 相同时E愈高，K值愈低，热死速率愈慢。

2）不同菌的孢子热死反应的E可能各不相同，在 相同T灭菌，尚不能肯定E低的孢子的死亡速度一 定比E高的快，因为K并不是唯一决定于E。 K=Ae-E/RT

3）对方程两边取对数得：

lnK= -E/RT + lnA

在不同的温度T下做灭菌 实验，求得相应的K值，按 lnK--1/T作图，从直线的斜 率可以求出E。 6

4）K是E和T的函数，K对T的变化率与E有关。 对上式两边求导数得：

反应的活化能E愈高，温度T的变化对K 的影响愈大。 2 ln R T E dT d K ⋅ = Δ

为何要采用高温短时灭菌？

􀂾 试验表明，细菌孢子热死灭反应的ΔE很高，而某 些有效成分热破坏反应的ΔE较低。

􀂾 随着温度上升，菌体孢子死亡速率常数增加倍数大 于培养基成分破坏速度常数增加倍数。所以当温度 升高时，杂菌死亡速度要比营养成分破坏速度快得 多。

枯草杆菌孢子317984 肉毒梭菌孢子343088

嗜热脂肪芽孢杆菌孢子283257 维生素B1盐酸盐92048 维生素B12 96232

受热物质ΔE（J/mol）

􀂾 ΔEBS=67000×4.184（J/mol） 􀂾 ΔEVB=22000×4.184 （J/mol） 􀂾 将灭菌温度从105°C提高到127°C

􀂾 KBS从0.12（min-1）提高到40.0 （min-1）[330倍]

􀂾 KVB从0.02（min-1）提高到0.06 （min-1）[3倍]

嗜热脂肪芽孢杆菌孢子和 维生素B1的lnK-1/T图

嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死灭程度为N/N0=10-16时，灭菌温度 对维生素B1破坏的影响 150 0.015 1 140 0.107 3 130 0.851 10 120 7.6 27 110 75 89 100 843 99.99 维生素B1的损失 （%）

达到灭菌程度的时 间（min） 灭菌温度（°C）

六. 影响培养基灭菌的因素 1. 营养成分的保持

湿热灭菌时，微生物被热死的同时，培养基的 营养成分也遭到了一定的破坏。特别是氨基酸和维 生素。在热的作用下某些营养成分还可能因受热而 相互之间发生反应，造成培养基中原有营养成分的 数量变化，因而影响培养基质量。 2. 微生物的耐热性

细菌芽孢的热阻较大，灭菌所需要的时间

取决于把细菌芽孢减少到所规定数目的时间。 同时一个细菌只能形成一个芽孢，故把培养基 中细菌和芽孢数之和作为计算依据比较合理。 7

3. pH值

对微生物的耐热性影响很大

pH值=6.0-8.0时，微生物最不易死亡

pH<6.0时，微生物比较容易死亡，此时H+很容 易渗入微生物的细胞，从而改变细胞的生理反 应，促使其死亡。所以培养基的pH越低，所需的 时间也越短。 4. 培养基成分

高浓度的有机物会包于细胞周围，形成一

层薄膜，影响热的传入。而高浓度的盐类、色素 则削弱其耐热性，灭菌较易。

例如：大肠杆菌在水中加热至60-65℃便死亡， 在10%糖液中需70℃加热4-6分钟才死亡，在30% 糖液中需30分钟才死亡。 5. 泡沫

泡沫中的空气形成隔热层，使热量难以渗透 进去，杀死其中的杂菌。因此灭菌时需要加入适 量的消泡剂。 6. 颗粒

颗粒小，容易灭菌，颗粒大，则难灭菌。

对于含有少量较大颗粒及粗纤维的培养基，可 用粗滤的方法（不应影响培养基质量）予以除 去，培养基结块会造成培养基灭菌的不彻底， 必须注意。

七. 分批灭菌设计

分批灭菌不需其它设备，操作简单易行。省 去了连消设备和操作，节省了动力。缺点是升温 慢、降温也慢，增加了发酵前的准备时间，延长 了发酵周期，设备利用低，而且无法采用高温短 时灭菌，因而不可避免的使培养基中营养成分遭 到一定程度的破坏，但是国外通过采取增大搅拌 功率，增大冷却面积等措施，充分利用其优点而 避免其缺点，即使大罐也采用实消。 8

1.基础条件的确定 ①污染度N0

灭菌开始时，培养基中的杂菌的个数 （个）N0应取芽孢细菌数和细菌芽孢数之 和。

② 灭菌度Ns

经过灭菌时间t后，培养基中残存的活菌个

（个)也称为杀菌程度。如要求灭菌绝对无菌则 Ns=0，则t=∞。这是无法做到的。工程上通常上 取Ns=10-3个/罐，即灭菌1000只罐，只残留1个 杂菌或灭菌1000次，只残留一个杂菌,是个概率 指数。

③ 杂菌的热死特性的选择

由于最耐热的芽孢一般很少发现， 所以在灭菌计算时不是把所有的细菌当 作最耐热的芽孢，而是通常用一般耐热 的细菌芽孢的K值。

K=Ae-E/RT=7.94×1038e-68700/1.98T ④ 灭菌程度的指标

N0/Ns:在分批灭菌设计中，为了计算的方便取 V=ln N0/Ns（灭菌准数，Del值），作为设计的 依据，也是设计成功与否的判据。

例：培养基100m3，含菌105个/ml，要求灭菌 后杂菌数Ns=10-3

则：N0/Ns=(100×106 ×105)/10-3=1016 ln N0/Ns=36.8 2.灭菌 曲线 9

lnN0/Ns=Kt

因为：lnN0/Ns= ln(N0/N1× N1/N2 × N2/Ns) lnN0/Ns= lnN0/N1+ lnN1/N2+ lnN2/Ns

lnN0/Ns是由三块积分面积升温阶段lnN0/N1、 保温阶段lnN1/N2、降温阶段lnN2/Ns合成的。 可以合理设计这三块面积的大小，使其和等 于灭菌准数lnN0/Ns。

然而分批灭菌的T-t过程曲线不是任意给定 的。它决定于加热方式、换热面积的大小、传 热系数的高低、换热介质的温度及培养基的质 量等多种因素。 3.分批灭菌讨论

对于工业规模的灭菌操作，完成整个灭菌 周期一般约需3~5h，其各阶段对灭菌效果 贡献大致如下：

V加/V总=0.2 V保/V总=0.75 V冷/V总=0.05 10

八. 连续灭菌设计

连续灭菌可以采用高温短时,使培养

基养分破坏减少到最低限度，从而增加生 产率,并且缩短了发酵周期。

对于黏度过大或固体成分较多的培养 基，要实现连续灭菌困难较大，设备较复 杂，投资大，且在发酵罐外附加的设备可 能造成二次污染的机会。

定义流体在反应器中的平均停留时间为τ则： τ= V/Q

V-------反应器中液体所占的体积(L , m3)

Q------通过反应器的液体流率(L/min, m3/h) 假如任一物料微团在反应器内所经历的时

间等于平均停留时间，则可以实现升温、保温、 降温过程接近以下的T-t图

典型蒸汽喷射程式(a)和热交换板式(b)灭菌时的温度和时间曲线图 然而上述假设实际难以成立。在实际的反 应器中，与流动方向相垂直的截面上存在 着不同的流速分布，这必然存在物料微团 间的轴向混合。这种是经历了不同反应时 间的物料的混合，称为反混。 （一）连续灭菌器的流体流动模型 1、活塞流模型（PF）

在反应器内与流体流向相垂直的横截面上 的径向流速分布是均一的，即完全不存在 返混。实际上，长径比很大的管式反应器 接近与这种理想的流型。 11

2、连续式全混流模型（CFSTR)

这是另一种理想化的流型。设定反应器内 的混合足够强烈，因而反应器内物料的浓 度处处相等，反应速度也处处相等，不随 时间而变。搅拌强烈的反应器，可以接近 于CFSTR特性。要在同一温度下灭菌，达 到同样的灭菌效果，CFSTR的灭菌时间比 PF长的多。

3、多级全混流模型（CFSTR in series) 设定反应器内的混合不充分，因而反应器内 物料既存在全混流成分，又存在活塞流成 分，可将之等效为n个等容积CFSTR的串联。 4、扩散模型

高径比不大的反应器如短管式或塔式反应 器内的流体流动，具有不大的返混。可以 把这种流动简化为活塞流和轴向扩散的叠 加。

（二）连续灭菌流程

连续灭菌因加热和冷却设备的不同，可有各种流 程形式。一般在连续灭菌时，应采用新型的热交 换设备，以缩短升温和杀菌后的冷却时间。 1、连消塔——喷淋冷却流程图8-8 2、喷射加热——真空冷却流程图8-9 3、薄板热交换器连续灭菌流程图8-10

这是国内味精厂普遍采用的连续灭菌流程。

培养基用泵打入连消塔与蒸汽直接混合，达到灭菌 温度后进入维持罐，维持一定时间后经喷淋冷却器

冷却至一定温度后进入发酵罐。该流程是比较陈旧 的设计，设备较庞大；维持罐直径较大，不能保证 物料先进先出，易发生局部过热或灭菌不足的现 象；喷淋冷却管道很长，对于黏度较高、固形物含 量较多的培养基极易堵塞。 12

为了提高热量利用和节约冷却水，可采用

一台套管式换热器或板式换热器置于维持罐及 冷却器中间，使生培养基与热培养基先进行一 次热交换，得到预热后再进入连消塔。

图8-9所示，是一种喷射加热、管道维持、真空冷却 的连续灭菌流程。生培养液先用泵打入喷射加热 器，以较高速度自喷咀喷出，借高速流体的抽吸作 用与蒸汽混合后进入管道维持器，经一定时间后通 过一膨胀阀进入真空闪急蒸发器而冷却至70-80℃， 在进入发酵罐冷却到接种温度。

此流程的优点是：加热和冷却在瞬间完成，营养 成分破坏少，可以采用高温灭菌，把温度升高到 140℃而不至于引起培养基营养成分的严重破坏。 设计合适的管道维持器能保证物料先进先出，避 免过热。但如果维持时间较长时维持管长度就很 大，给安装和使用带来不便，所以象酒精厂的醪 液蒸煮等大多仍采用维持罐。

灭菌温度取决于喷射加热器中加入蒸汽的压力和流 量。要保持灭菌温度很定就要使蒸汽压力及培养基 流量稳定，故易设置自控装置，如自控的滞后较 大，也会引起操作不稳定而产生灭菌不透或过热现 象。

此外，由于真空的影响，需要在蒸发室下面装一 台出料泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面10米以 上的高处，否则物料就不能流进发酵罐而进入真 空系统，这就给生产带来不便，尤其对于已经灭 菌好的培养基来说，出料泵的密封程度要求很高 才能避免重新污染，这个问题也是目前许多工厂 不采用真空冷却的原因之一。 13

薄板换热器由于具有设备紧凑、占地面少、拆洗 方便、传热面积和传热系数高、不使热敏物料产生 局部过热现象等优点，被广泛用于食品、发酵、制 药、化工部门作为加热、冷却或灭菌之用。

图8-10所示是采用板式换热器的连续灭菌流程，生 培养液进入板式换热器的热回收与熟培养液先进行 一次热交换达到预热，以便提高热量的利用率，然 后进入加热阶段到灭菌温度后引入维持器进行保

温，灭菌好的熟培养液再进入热回收段作为生培养 液的加热介质，同时本身也得到一定程度的冷却， 最后进入冷却阶段用冷却水冷却到所需培养温度。 板式换热器的特点是：培养基在设备中同时完成预 热、灭菌及冷却过程。虽然加热和冷却生培养液所 需时间比使用喷射式连续灭菌较长，但灭菌周期比 分批灭菌小得多。由于生培养基的预热过程即灭菌 培养基的冷却过程，所以节约了蒸汽及冷却水的用 量，板式换热器的缺点是制造加工复杂，必须有专 业厂成批生产，密封要求高，密封填圈易损坏，需 经常调换。

（三）连续灭菌计算

连续灭菌过程中，加热和冷却所需时间极 短，为简化计算，可以把加热和冷却阶段 效果略去。因而，只有维持器的计算与灭 菌程度相关。 ① 维持罐

由式：t2=2.303/Klg(N0/Ns)可以求出连续灭菌过 程所需的维持时间，根据流量和维持时间可定出 维持罐的装料容积。但要考虑返混现象，有可能 有部分物料为达到所要求的灭菌程度而过早流出。 14

例: 一台连续灭菌设备流量Q=6m3/h，发酵罐装料容 积40m3，原是污染度105个/ml要求灭菌程度Ns=10-3 个/批，灭菌温度T=125℃，此时的K=11分-1，试求 维持时间t2及维持罐的装料容积v约需多少？ 6 5 1 2

N 0 = 4 0 × 1 0 × 1 0 = 4 × 1 0 2 0 1 2 3

2 .3 0 3 l g ( / )

2 .3 0 3 l g ( 4 1 0 / 1 0 ) 1 1 3 .2 6 s t N N K − = = × = 分

解： 3 2

6 3 .2 6 0 .3 2 6 6 0

t = × = m Q V = 6 0

如前所述，罐式维持器不能保证物料先进先 出，所以如果采取以上计算多的维持时间和容 积，则可能有一部分物料未达到所要求的灭菌程 度而过早流出，为了安全起见并根据实践经验采 用维持时间t2=5分，则： 3 2

6 5 0.5 60

t = × = m Q V= 60

因此维持时间采用5分钟，维持罐的 装料容积约需0.5m3。 ②维持管

管道维持器的设计，不但要保证所要求的维持 时间，而且要使物料在管道中的流动形式尽量接近 活塞流。在这种情况下培养基在维持管中停留的时 间等于所有培养基的受热时间，故能避免因局部过 热而造成营养成分破坏或灭菌不足。 15

（四）最佳灭菌条件的确立

培养基灭菌（包括发酵设备及其管路灭菌），应 做到营养物破坏最少，残存的杂菌不影响到生物 反应，蒸汽量最少，而根据实际生产条件变动灭 菌条件。

①分批灭菌温度和灭菌时间，应根据培养基的成 分、物理状态、酸碱度、杂菌的生长状态、数量 蒸汽的压力、流量、设备的热交换效果等加以确 定。

另外还要顾及升温和降温过程的灭菌作用， 需先确定小型发酵罐的升温时间和降温时间，然 后确定几何形状和热交换方式相同的大型发酵罐 的升温和降温时间，在确定大型发酵罐的维持过 程的时间。

②为使料液得到彻底灭菌，设备应避免积垢、渗

漏和存在“死角”，还应尽可能减少泡沫。如果泡 沫较多，覆盖液面，必须增加进气量，间歇升 压，促使料液大幅度翻动，露出液面，以便较好 地杀灭泡沫中杂菌。

③为使设备及其管路彻底灭菌，应使用具有足够 压力的饱和蒸汽，避免夹带大量冷凝水，确保排 气口压力达100kp以上。

④在保证灭菌合格的前提下，还应在停止进汽的 即刻用无菌空气进行保压，防止设备及管路内压 力迅速下降，导致外界空气从渗漏处窜入。 无菌空气的压力应大于100kp。

⑤升压过程不可急剧进汽，以利于节约灭菌 用气和减少泡沫。__