生物工程设备2011

（2）纯种培养技术的成熟—初级代谢产物 生产阶段 该阶段的特点： ◆发酵产品属于初级代谢产物； ◆生产过程简单，生产规模小； ◆对发酵设备要求不高。
酱油固态发酵生产
（3）通气搅拌技术的成熟——好氧培养阶段 该阶段的特点： ◆生物和化工的交叉学科——生化工程 诞生。 ◆发酵工程在微生物学、生物化学、生 化工程三大学科基础上迅速形成一个完整的体 系，促进抗生素工业、酶制剂工业和有机酸工 业迅速发展。 ◆研制出大型的带机械搅拌和无菌通气 装置的发酵罐。
生物工程设备
绪 论
一、相关课程
生物化学、微生物、化工原理、物理化学、生物 工艺学、 机械制图、AutoCAD
二、本课程要求、目的 1、要求：掌握设备结构、工作原理、设备类 型、用途、特点、影响设备性能的因素、参数 计算 2、达到的目的：标准设备选型组成生产线、 非标准设备设计、分析设备结构与产品质量的 关系并改进、分析故障原因并排除故障。
植物细胞培养基
• 植物细胞培养基与动物细胞培养基相比，相对较 为简单，培养基的组分由无机盐类、碳源、维生 素、植物生长激素、有机氮源、有机酸和一些复 合物。培养基中的热敏化合物（如植物生长激素） 不能用高温蒸汽灭菌法，通常采用微孔滤膜过滤 灭菌法来处理，然后再按无菌操作方法混入经高 温灭菌好的培养基中。
生物工程设备的特点
生物工程设备的特点 生物工程设备与中下游技术密切相关。 生物技术的上、中下游技术 划分标志：生物反应器 上游生物技术：主要任务是构建或选育出社会需要的、 稳定的、优良的生产细胞菌株。 中下游生物技术：其主要任务就是设计经济上合理、技 术上可行、操作上安全的生物技术工艺过程与设备 系统。包括培养基制备与灭菌、无菌空气的制备、 细胞株种子扩大培养、生物反应器无菌操作与控制 培养、产物的提取、分离纯化等。
Gc ts t1 ln KA t s t2 Gc(t2 t1 ) S (1 ) r
微生物培养基
• 在高温灭菌时，糖类物质容易被破坏且易 和有机氮发生美拉德反应，即氨基酸和还 原糖及还原糖的分解物反应，经过复杂的 历程最终生成棕色甚至是黑色的大分子物 质拟黑素。这些物质会对微生物产生毒性， 严重时抑制微生物的生长。
动物细胞培养基
• 动物细胞培养对培养基要求较高。动物细胞培养 基的特性是营养丰富，含有氨基酸（13种以上）、 维生素、碳水化合物、无机盐和其它成分（如生 长因子、激素、贴壁因子等），许多成分是热敏 物质，不能用高温蒸汽灭菌法，通常采用微孔滤 膜过滤灭菌法来处理动物细胞培养基，保证培养 基无菌，营养成分不被破坏。
利用饱和蒸汽灭菌，条件：121℃，30min 适用范围：生产设备及培养基灭菌
利用过滤方法阻留微生物 适用范围：制备无菌空气 火焰 适用范围：接种针、玻璃棒、三角瓶口
培养基的湿热灭菌
湿热灭菌原理 蒸汽具有很强的穿透能力，而且在冷凝 时会放出大量的冷凝热，很容易使蛋白 质凝固而杀死各种微生物。 121℃，30min。
K值
由于灭菌速率常数K与灭菌温度和灭菌的菌种类有 下列关系：
K Ae E / RT 式中A为系数， s-1；E为灭菌时所需活化能，J/mol;
在一般计算中都以培养基中最难杀灭耐热杆菌的芽 孢作为灭菌对象。A=1.34 ×1036， E=284219.12 J/mol
14845 lg K 36.127 T
绪 论
四、考核办法
考核办法： 本课程为专业必修课，采用闭卷考试的形 式；成绩合成为平时成绩与期末考试成绩 的比例为40：60（30:70），平时成绩主要 是以到课率和作业情况作为考核标准。
生物工程设备的基本概念
• 生物工程设备的工作领域 为传统生物技术产业的改造和现代生物技术 产业提供高效率的生物反应器、现代分离纯化材 料和技术以及相关的工程装备，还提供单元化生 产设备、工艺过程优化、在线自动控制、系统集 成设计等。
由公式求取Np：
Km

T2
T1
KdT
e mp 2.303 N p lg K Ns
Np
N0
K
培养基加热升温阶段有灭菌效应，培养基达到 灭菌保温时间后，由灭菌温度冷却至发酵培养温度 的过程也有灭菌效应，所以在灭菌操作时不要人为 地再延长灭菌时间作为安全系数，这样会导致培养 基营养成分破坏过大，导致发酵单位下降。
大型发酵罐搅拌装置
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
（4）代谢控制发酵技术的成熟 该阶段的特点： ◆对纯种发酵和无菌操作要求严格； ◆产品种类多，从初级代谢产物到次级代谢产物；
◆对机械搅拌发酵罐改进，研制出气升式生物反应
器；研制出多种新型分离介质，如新型树脂材 料、超滤等； ◆规模大，搅拌发酵罐已达500m3,气升式发酵罐为 3000m3。
消毒不一定能达到灭菌要求，而灭菌则可达到消毒的目 的。
1.化学试剂灭菌法
2.射线灭菌法 3.干热灭菌法 4.湿热灭菌法 5.过滤除菌法 6.ห้องสมุดไป่ตู้焰灭菌法
甲醛、乙醇或新洁尔灭、高锰酸钾等 适用范围：环境、皮肤及器械的表面消毒
电磁波、紫外线或放射性物质 适用范围：无菌室、接种箱 常用烘箱，灭菌条件：160℃下保温1h 适用范围：金属或玻璃器皿
例1 有一发酵罐内装培养基40m3，采用实罐灭菌，灭 菌温度121℃，问灭菌需要多长？ 解：一般设灭菌前每毫升培养基含有耐热菌的芽孢为 2 ×107，不考虑培养基升温阶段的灭菌效应。 N0=40×106×2×107=8×1014
Ns=0.001个
lgK=-14845/T+36.172=-14845/(273+121)+36.127=-1.55 K=0.0281(s-1)
第二节 培养基的灭菌方法和设备
大规模微生物、动物细胞、植物细胞培养过程都是纯种 培养过程，不允许有杂菌的污染。 灭菌是用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物， 包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。
消毒是指用物理或化学方法杀死物料、容器、器具内外 的病原微生物。一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。 例如，巴氏消毒法，是将物料加热至60℃维持30min，以杀死 不耐高温的微生物营养细胞。
第一节 培养基的准备与要求
• 培养基：供特定的微生物、动物细胞、植物细胞、 细胞组织、微藻生物等进行生长、繁殖、代谢和合 成产物需要的，按一定组成比例配制而成的营养物 质。 • 培养基按其配方成分可以分成天然培养基和合成培 养基。 天然培养基：一类具体成分不十分明确的天然 产品，大部分是农产品。 合成培养基：一类完全明确的化学成分物质配 制组成。
生物工程设备的发展历程
生物技术的发展过程是以某一个生物工程设备 成熟为标志的。由此，有以下五个发展阶段： （1）传统经验制造技术——天然发酵阶段
（2）纯种培养技术的成熟——初级代谢产物生产阶段
（3）通气搅拌技术的成熟—— 好氧培养阶段
（4）代谢控制发酵技术的成熟
（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段
发酵培养基的要求
①培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能 稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储 藏，能保证生产上的供应。 ②培养基能满足产物最经济的合成，最大限度地 利用原料,使原料全部转化成某种产物。 ③发酵后所形成的副产物尽可能的少。例如酒精 发酵。 ④所选用的培养基应满足总体工艺的要求，如不 影响通气、提取、纯化和废物处理。
微生物培养基
微生物培养基按用途分为孢子培养基（不产孢 子的称斜面培养基）、种子培养基和发酵培养基。
孢子培养基中的碳源和氮源（特别是有机氮源） 的浓度要低，多了会只长菌丝，少长或不长孢子。 通常把配制好的培养基装在扁瓶、三角瓶或试管中， 在高压灭菌锅中121℃，灭菌20~30min。
微生物培养基
种子培养基是指用于摇瓶种子培养或工业生产用 种子罐种子培养的营养组成。工业化生产中把配 制好的培养基装在种子罐中，采用高压蒸汽直接 灭菌，控制温度121℃，灭菌15~20min。 发酵培养基含有供菌丝体迅速生长繁殖和合成产 物需要的营养物质。工业化生产中发酵培养基灭 菌方法把配制好的培养基装在种子罐中，采用高 压蒸汽直接灭菌，控制温度121℃，灭菌15~20min。
（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段
该阶段的特点： ◆生物技术可生产动、植物和人类的多种生理活性蛋白，如 胰岛素、生长激素和多种单克隆抗体； ◆生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品和能 源和环境领域的发展； ◆生物工程设备得到发展，如针对大多基因工程菌的表达产 物在细胞内，研制超声细胞破碎和高压匀浆新技术，以及扩张床 层析等新方法不断涌出。
培养基实罐灭菌的热量计算
• 分别计算出发酵车间每个使用蒸汽设备的 蒸汽消耗量，然后把在同一时刻不能错开 的用汽设备叠加起来求得这个车间的最大 用蒸汽负荷量。 • 在发酵车间，培养基实罐灭菌蒸汽用量最 大，实罐灭菌可以分为升温、保温灭菌和 冷却三个阶段。
培养基实罐灭菌的热量计算
• 升温阶段 ①间接加热
dN kN dt
式中 N：表示培养基残留的活菌数,个 t：受热时间，s K：反应速度常数（比死亡速率），s-1
培养基实罐灭菌时间的计算
根据对数残留定律，灭菌所需的时间可用下式计算： d ln N K d Ns τ为灭菌时间，s； ln K K为灭菌速率常数，s-1，与灭菌温度和 N0 灭菌的菌种类型有关； N0 N0为开始灭菌时原有菌个数，个； ln K Ns Ns为结束灭菌时残留菌的个数，个； N0 lg Ns K lg e
（1）传统经验制造技术—天然发酵阶段 该阶段的特点： ◆靠自然发酵，只知其然而不知道所以然； ◆历史悠久； ◆工艺独特； ◆经验丰富。 发酵期间的搅拌冷却，俗称“开耙”，其作用是调 节发酵醪的温度，补充新鲜空气，利于酵母生长繁殖。 它是整个酿酒工艺中较难控制的一项关键性技术，一般 由经验丰富的老师傅把关。开耙技术是酿好酒的关键， 开耙技工在酒厂享有崇高的地位，工人们习惯称开耙技 工为“头脑”，即酿酒的首要人物。
生物工程设备包括的内容
- 生物反应器：通风发酵设备，厌氧发酵设 备，动植物细胞培养设备，反应器的设备、 控制和比拟放大„ - 生物反应物料处理及产物分离纯化设备： 培养基配制，过滤，萃取，蒸发，结晶，蒸 馏等等 - 辅助系统设备：空气净化，设备清洗，物 料输送等等
第一章 培养基准备和培养基灭菌的设备
2.303 N0 2.303 8 1014 lg lg 1442.6( s) 24.0(min) K N s 0.0281 0.001
若考虑培养基加热升温阶段的灭菌效应，由于K是温度的 函数，求升温阶段从温度T1到灭菌温度T2的平均灭菌速度 常数Km，可以用下式求取：
T2 T1 同时培养基升温至T2时菌的总数由N0减少至Np
绪 论
三、教材和参考书
教学用书：
《生物工程设备》 陈国豪 2007 化学工业出版社
教学参考书：
《生物工程设备》 梁世中 2002 中国轻工业出版社 《发酵工厂工艺设计》沈自法 1994 华东理工大学出版社 《新编生物工艺学》 俞俊棠 2003 化学工业出版社 《化工原理》 陈敏恒 1999 化学工业出版社 《生化生产工艺学》梅乐和 2007 化学工业出版社 《AutoCAD 2007 完全自学手册》2007 电子工业出版社
N0 2.303 lg K Ns
在计算过程中，N0和 Ns如何取值？ 对于Ns ，如果取Ns =0，那么，t = ∞，这显然 是与现实情况不符。 对于如何Ns取值？通常取Ns = 0.001个/罐，这 个数值如何理解？灭菌1000次，有一次是失败的， 残留了一个活菌体。这个数值的取值的大小，也间 接反应了该生产过程中的技术管理水平。
灭菌条件
灭菌不利方面
同时会破坏培养基中的营养成分，甚 至产生不利于菌体生长的物质。
间歇灭菌
将配制好的培养基放在发酵罐或其 他装臵中，通入蒸汽将培养基和所用设 备一起进行加热灭菌的过程，也称实罐 灭菌。
间歇灭菌全过程包括升温、保温、降温三个过程
微生物的热死规律—对数残留定律
培养基中微生物受热死亡的速率与残留 的微生物数量成正比。