生物化學(xué)工程

1、1 生物化學(xué)工程 王雪青 X 2004-9-14 2 一些與化學(xué)和生物技術(shù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源索引一些與化學(xué)和生物技術(shù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源索引 :20/Webpage,html /dept/chem /chemistry. html /chempointers. html /user/dborza/Bioresources.html /biopages/b

2、iochem.html /pharmacy/pharmint.html http:/Bic Med Net,com http:/pharmI http:/www.mec.ac.uk/pharm web 3 生物化學(xué)工程 第一章：緒論 第二章：工業(yè)微生物概論 第三章：滅菌技術(shù) 第四章：氧的供需與傳遞 第五章：生物反應(yīng)器 第六章：微生物培養(yǎng)技術(shù)與動力學(xué) 第七章：動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù) 第八章：植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù) 第九章：生物物質(zhì)分離與純化 第十章：生化生產(chǎn)工藝實例 4 第一章第一章 緒 論 ?1.

3、1生化工程的定義及其與生物工程的關(guān)系 ?生物化學(xué)工程簡稱生化工程（biochemical engineering)， 是應(yīng)用化學(xué)工程的原理和方法將生物工程的實驗室成果 進行工業(yè)開發(fā)的學(xué)科。它即可視為化學(xué)工廠的一個分之， 又可認為是生物工程的一個組成部分。是以應(yīng)用基礎(chǔ)研 究為主，是走向產(chǎn)業(yè)化的必由之路。 ?生物工程則是（biotechnology，又稱生物技術(shù)）是應(yīng)用 生物體（包括微生物，動物細胞，植物細胞）或其組成 部分（細胞器和酶），在最適條件下，生產(chǎn)有價值的產(chǎn) 物，或進行有益的過程技術(shù)。以生命科學(xué)為基礎(chǔ)。 ?現(xiàn)代生物技術(shù)包括基因工程，細胞工程，酶工程，蛋白 質(zhì)工程和發(fā)酵工程 5 生物反應(yīng)器

4、 檢測控制系統(tǒng) 細胞酶 （游 離或固 定 化） 空氣 生 物 催 化 劑 除菌 空氣能量 提取精 制 產(chǎn)品 副產(chǎn)品 廢物 原料基質(zhì)或培養(yǎng) 基 營養(yǎng)物 滅菌 生物反應(yīng)過程示意圖 下游過程 生物反應(yīng)過程 (中游過程) 上游過程 6 7 8 1.2生化工程發(fā)展簡史 傳統(tǒng)的生物技術(shù)制品： 如傳統(tǒng)的發(fā)酵制品, 生產(chǎn)技術(shù) 帶有濃郁的地方性和經(jīng)驗性的特點,設(shè)備簡單. 20 世紀初, 微生物產(chǎn)品有所發(fā)展,但主要屬于初級代謝 產(chǎn)物, 厭氣發(fā)酵, 設(shè)備也相對簡單（乳酸，乙醇，丙 酮）。 20 世紀40年代,抗生素的發(fā)展,使生化工程誕生. 特點是 好氣發(fā)酵,產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜,次級代謝物, 培養(yǎng)液含量低,無 菌條件高.

5、20 世紀50年代, 氨基酸工業(yè), 60年代: 酶制劑. 70 年代: 干擾素, 胰島素, 生長激素, 乙肝疫苗, 單克隆抗體. 9 1985 年 1996 年 領(lǐng)域 銷售額 / 億 元 占總銷售 額/% 銷售額 / 億元 占總銷售 額/% 農(nóng)業(yè) 醫(yī)藥 輕化工 合計 1.4 0.2 1 2.6 54 8 38 100 15 21.2 77.9 114.1 13.1 18.6 68.3 100 我國現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品年銷售情況 10 11 生物化工產(chǎn)品的特定產(chǎn)物和反應(yīng)條件，決定了常規(guī)工業(yè) 反應(yīng)裝置和分離純化設(shè)備必須經(jīng)過專門的設(shè)計和改進后 才能得以應(yīng)用，新型高性能的生化反應(yīng)器和高效分離純 化設(shè)備、分

6、離介質(zhì)以及反應(yīng)工藝及分離工藝的研制開發(fā) 是生物化工產(chǎn)業(yè)開發(fā)的重點領(lǐng)域。生物化工是化學(xué)工業(yè) 的前沿領(lǐng)域之一，在生物技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過程中起 決定性的作用。在生物技術(shù)發(fā)展初期，生物化工的重要 作用并沒有得到足夠的重視，隨著生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 和化學(xué)工業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，越來越多的生物技 術(shù)產(chǎn)品極大地依賴生物化工技術(shù)才能實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)， 而且許多化學(xué)品的生產(chǎn)工藝有生物法取代，顯示了很大 的優(yōu)勢。據(jù)美國和歐盟預(yù)測生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)在未來10年內(nèi) 將增長10-20倍，生物化工產(chǎn)品在化學(xué)工業(yè)中的比重也 將提高一倍。 12 目前生物化工的發(fā)展速度顯然不能適應(yīng)生物技術(shù)產(chǎn) 業(yè)化的飛速發(fā)展。生物化工面臨著改造傳統(tǒng)

7、產(chǎn)業(yè)和 發(fā)展生物高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的雙重任務(wù)。加強生物技術(shù)的 研究開發(fā)，大力發(fā)展生物化工不僅是化學(xué)工業(yè)自身 發(fā)展的需要，也是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的保證。 13 1.3生化工程的基本內(nèi)容 新型生物反應(yīng)器的研究開發(fā)，特別是針對基因工程 產(chǎn)品和動、植物細胞培養(yǎng)的產(chǎn)品的投產(chǎn)研制新型生物反 應(yīng)器。重點在于生物安全。植物細胞對剪切力和環(huán)境敏 感以及培養(yǎng)周期長而防止污染的問題。動物細胞的附壁 生長的特點。 新型分離方法和設(shè)備的研發(fā)，特別是針對蛋白質(zhì)、多 肽產(chǎn)品的分離。 各種描述生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的建立，將有利于 過程的控制和優(yōu)化以及計算機的應(yīng)用。 生物反應(yīng)器內(nèi)重要參數(shù)的傳感器的研制和有關(guān)計算機 控制系統(tǒng)硬件及軟件的建

8、立和完善。 14 第二章 工業(yè)微生物學(xué)概論 ?2.1 工業(yè)生產(chǎn)中常見的微生物 ?2.1.1細菌（bacteria）分布廣，數(shù)量多，與人的關(guān) 系密切。按其形態(tài)分為球菌、桿菌和螺旋菌 ?其中發(fā)酵工業(yè)中常用的為桿菌。包括醋酸桿菌屬（ Acetobacter）,乳酸 桿菌屬（Lactobacillus）,芽孢桿菌屬（ Bacillus）,如枯草芽孢桿菌 （Bacillus subtilis）可生產(chǎn)-淀粉酶和蛋白酶和5 -核苷酸酶等。 梭菌屬（ Clostridium）如丙酮丁醇的梭狀芽孢桿菌（ Clostridium acetobutylium）。大腸桿菌（ Escherichia coli）：判斷食

9、品被動物 排泄物污染的可能，公共衛(wèi)生的重要指標。，在工業(yè)上利用大腸桿菌的 谷氨酸脫羧酶進行谷氨酸定量分析。利用大腸桿菌制取天冬氨酸、蘇氨 酸和纈氨酸。醫(yī)藥方面用大腸桿菌制造治療白血病的天冬酰氨酶，基因 工程菌。產(chǎn)氨短桿菌（ Brevibacterium ammoniagenes）：短桿菌屬， 為氨基酸、核苷酸和酶法生產(chǎn)輔酶A的菌種。 15 Staphylococcus aureus 16 2.1.2 放線菌（Actinomyces） 因菌落呈放射狀而得名，大多數(shù)是腐生菌。介于細菌和霉菌呈長 的細絲，與霉菌相似，但寬度與細菌相似，無橫隔，為單細胞， 菌絲無完整的核，為原核生物。土壤中含有10 4

10、 -10 6 /g ，有特有的 土腥味。它的一大貢獻是產(chǎn)生抗生素。不完全統(tǒng)計，目前，自然 界發(fā)現(xiàn)和分離了5500種以上的抗生素，其中放線菌產(chǎn)生的有4400 多種。其中鏈霉菌屬（Streptomyces）自1942年，Waksman 發(fā) 現(xiàn)灰色鏈霉菌（產(chǎn)鏈霉素）相繼發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵工業(yè)中常用的有龜裂 鏈霉菌（生產(chǎn)土霉素），紅鏈霉菌（產(chǎn)紅霉素），金黃色鏈霉菌 （產(chǎn)金霉素），委內(nèi)瑞拉鏈霉菌（產(chǎn)氯霉素），卡那鏈霉菌（產(chǎn) 卡那霉素）。小單孢菌屬（Micromonospora）不形成氣生菌絲 體，在基內(nèi)菌絲體上長出孢子梗，頂端著生一個球形、橢圓、或 長形的孢子。菌落常帶有顏色。此屬產(chǎn)抗生素的菌種有30多種。 如

11、絳紅小單胞菌和棘孢小單孢菌屬都產(chǎn)（產(chǎn)慶大霉素） 17 單細胞，卵圓形，圓形或圓柱形。酵母對發(fā)酵生產(chǎn)特別有 利，自古釀制含酒飲料，而后做面包，發(fā)饅頭，進行酒精、 甘油的生產(chǎn)，近年又用酵母進行石油發(fā)酵脫臘、生產(chǎn)各種 有機酸。又因酵母內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素和各種酶， 所以酵母本身又是醫(yī)藥、化工和食品工業(yè)中的重要原料。 如單細胞蛋白質(zhì)、酵母片、核糖核酸、核苷酸、輔酶 A、 脂肪酸及乳糖酶等。酵母的繁殖通常以芽殖為主。工業(yè)中 常用的菌主要有釀酒酵母菌屬和假絲酵母菌屬，前者用于 釀酒，后者用于其他的發(fā)酵生產(chǎn)。 2.1.3 酵母菌（yeast） 18 2.1.4 霉菌（molds） 凡生長在營養(yǎng)基質(zhì)上形

12、成絨毛狀、網(wǎng)狀或絮狀菌絲的真菌為霉菌。 在自然界中分布廣，存在土壤、空氣、水和生物體內(nèi)外等處，喜 偏酸性環(huán)境，多數(shù)為好氧性、多腐性，少數(shù)寄生。其繁殖能力強， 以無性和有性孢子繁殖，生長方式以菌絲末端伸長和頂端分支。 霉菌是菌絲體結(jié)構(gòu)，呈分支狀，它既可以引起食品、衣服、糧食 及生活用品的霉爛，又可以用于發(fā)酵生產(chǎn)。例如遠古時代，用霉 菌作曲制醬；近代利用霉菌生產(chǎn)酒精、有機酸、抗生素、酶制劑、 維生素及激素等多種制品。發(fā)酵工業(yè)中常用的霉菌有曲霉屬 （Aspergillus）如黑曲霉（生產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶、果膠酶、葡 萄糖氧化酶）它的變異株可生產(chǎn)檸檬酸、葡萄糖酸、草酸和抗壞 血酸），米曲霉含有多種酶類，

13、糖化型淀粉酶和蛋白酶都較強主 要用在釀酒的糖化曲和制醬油的醬油曲。黃曲霉，產(chǎn)生液化型的 淀粉酶。但某些菌種產(chǎn)生黃曲霉毒素，特別在花生和花生餅粕上 易形成，導(dǎo)致人蓄中毒或致癌。青霉屬1929年Fleming首先發(fā)現(xiàn) 青霉素以來，一些典型的青霉菌如產(chǎn)黃青霉（產(chǎn)青霉素），展開 青霉（產(chǎn)灰黃霉素），根霉屬（用于制曲和生產(chǎn)乳酸等）。 19 ? Some fungi produce antibiotics Penicillin was the first antibiotic to be discovered 20 ?Aspergillus 21 2.1.5 其他微生物 ：擔(dān)子菌，即菇類微生物，其資源利用

14、越來越受人們的重視。 如多糖，橡膠物質(zhì)，抗癌藥物的開發(fā)“1，2- 葡萄糖苷酶及 某些多糖物質(zhì)具有抗癌作用。：藻類，是分布最廣的自 養(yǎng)微生物?？勺鳛槿祟惐＝∑泛惋暳稀Ｅ囵B(yǎng)螺旋藻 60噸 （GW）/公頃，大豆4噸/公頃，是大豆的28倍。 2.1.6 噬菌體 凡用細菌和放線菌為生長菌株的發(fā)酵工業(yè)，均存在噬菌體的 問題。 22 23 巨大螺旋蛋白質(zhì)含量6570；含有多種維生素，VB12最豐 富，富含八種必須氨基酸；螺旋藻多糖，多種微量元素，如 鐵、鉀、鈉、鎂和鈣等；含高量胡蘿卜素，七是含高含 量的gamma-linoleic acid (gamma-亞麻油酸)，可降低人體血脂； 另外還含有大量的藻膽蛋

15、白，這是一種能促進機體免疫系統(tǒng) 功能增強的生物活性物質(zhì)。由此可見，螺旋藻是一種高級營 養(yǎng)食品，同時還是多種藥品特別是保健藥品的重要原料。 24 小球藻：繁殖能力強，利用太陽能生產(chǎn)蛋白質(zhì)，占其胞重 的50%，超過牛肉和大豆，另外還含有糖類、脂肪、維生 素和礦物質(zhì)以及一種生長因子，可促進兒童的生長發(fā)育和 增強體質(zhì)，用于食品或是食品添加劑。 杜氏藻（鹽藻) 光能轉(zhuǎn)化率高，生長繁殖快的單細胞藻。 在條件適當(dāng)?shù)那闆r下，這種藻可大量合成胡蘿卜素， 從10公斤鮮藻內(nèi)可獲得1公斤-胡蘿卜素，這比胡蘿卜高出 了500倍左右。由于-胡蘿卜素抗氧化能力強，又是人體必 需的最重要的活性物質(zhì)，加上其資源極其豐富和易加工

16、等 特點， 25 ? Phage reproductive cycle Figure 10.1C Phage attaches to bacterial cell. Phage injects DNA. Phage DNA directs host cell to make more phage DNA and protein parts. New phages assemble. Cell lyses and releases new phages. 26 目前在國際下備受關(guān)注，如澳大利亞、 以色列和日本等國每年都生產(chǎn)出大量的 杜氏藻粉，除進行深加工外還出口到世 界種地。當(dāng)前這種海洋生物技術(shù)

17、也是許 多國家競爭的熱點。我國是海洋大國， 海洋生物資源十分豐富，在即新的世紀， 利用我們自身的這種優(yōu)越的自然條件發(fā) 展海洋生物技術(shù)，開發(fā)海洋生物新產(chǎn)品 已刻不容緩。 27 28 International Culture Collections Domestically, strains can be purchased from: CGMCC or China General Microbiological Culture Collection Center 中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，北京中關(guān)村中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，北京中關(guān)村 29 第三章第三章:

18、滅菌技術(shù)滅菌技術(shù) 3.1.滅菌的原理和方法 3.2.培養(yǎng)基滅菌 3.3.空氣滅菌 生物生產(chǎn)過程是一個純培養(yǎng)過程，必須保證在生產(chǎn) 的各個環(huán)節(jié)是無菌的(空氣、培養(yǎng)基、管路和設(shè)備) 30 3.1.滅菌的方法和原理 . 化學(xué)試劑滅菌法. . 電磁波、射線滅菌法. . 熱滅菌法 (干熱、濕熱和火焰滅菌法). . 過濾除菌法 (阻留微生物，達到除菌的目的) 31 消毒劑消毒劑用途用途常用濃度常用濃度使用方法使用方法 1 氧化劑： 高錳酸鉀高錳酸鉀 漂白粉 皮膚消毒皮膚消毒 發(fā)酵工廠環(huán)境消毒發(fā)酵工廠環(huán)境消毒 0.1-0.25% 2-5% 環(huán)環(huán)境境消消毒毒可可直直 接用于粉體接用于粉體 2醇類： 乙醇乙醇皮膚

19、及器物的消毒皮膚及器物的消毒 70-75% 器器物物消消毒毒浸浸泡泡 30 min 3 酚類： 石碳酸石碳酸 來蘇爾來蘇爾 浸泡衣物、擦拭房間桌浸泡衣物、擦拭房間桌 面、噴霧消毒 皮膚、桌面、器械消毒 1-5% 3-5% 4 甲醛空氣消毒 1-2% （10- 15ml/m 3 ） 加熱熏蒸4h 5 銨鹽銨鹽 新潔而滅新潔而滅皮膚、器械、環(huán)境消毒 0.1-0.25% 浸泡30min 常用化學(xué)消毒劑及其使用方法 32 由于該方法滅菌與培養(yǎng)基中的一些成分發(fā)生反應(yīng)， 并且會殘留在培養(yǎng)基中，所以只適合一些環(huán)境及器皿 表面的消毒而不適合于培養(yǎng)基的滅菌。 化學(xué)消毒劑方法的局限性 33 . 電磁波、射線滅菌法

20、電磁波、射線滅菌法. 1：原理：利用高能電磁波、紫外線或放射性物質(zhì)產(chǎn)生原理：利用高能電磁波、紫外線或放射性物質(zhì)產(chǎn)生 的高能粒子可以起到滅菌的作用。的高能粒子可以起到滅菌的作用。 波長在(2.1-3.1) 10-7 m的紫外線表面或空 氣滅菌。氣滅菌。 波長在波長在(0.06-1.4) (0.06-1.4) 1010-7 m m的的 X X 射線/ /射線(Co60) 在在工業(yè)上還少采用。工業(yè)上還少采用。 穿透力差 設(shè)備投資高 34 . 熱滅菌法. 干熱滅菌法：干熱滅菌法：160，1 h。使微生物體內(nèi)的 蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用而死亡。用于實驗器具和 材料的滅菌。 濕熱滅菌法：利用飽和蒸汽滅菌。使微生

21、物 體內(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生凝固作用而致死。體內(nèi)的蛋白質(zhì)發(fā)生凝固作用而致死。 由于蒸汽有很強的穿透力，冷凝時放出大量的 潛熱，來源方便，價格低廉，滅菌效果好，是 目前最基本的適合培養(yǎng)基和設(shè)備的滅菌方法。 一般條件為：121，30 min。 35 利用過濾的方法截留微生物的方法。適合于澄 清的液體和氣體的除菌。工業(yè)上常用此法制備 大量的無菌空氣，供好氣性微生物的培養(yǎng)使用。 火焰滅菌法： 利用火焰直接把微生物殺死。方法簡單、滅菌 徹底，但適用范圍有限 .過濾除菌法： 36 表 3-6 各種滅菌方法的特點及適用范圍 滅菌方法 原理及條件 特點 適用范圍 火焰滅菌法 利用火焰直接把微生 物殺死。 方法簡單、

22、滅菌徹底、 但適用范圍有限。 適用于接種針、玻璃 棒、試管口、三角瓶 口等滅菌 干熱滅菌法 利用熱空氣將微生物 體內(nèi)的蛋白質(zhì)氧化進 行滅菌 滅菌后物料可保持干 燥，方法簡單，但滅 菌效果不如濕熱滅菌 適用于金屬或玻璃器 皿的滅菌。 濕熱滅菌法 利用高溫蒸汽將物料 的溫度升高使微生物 體內(nèi)的蛋白質(zhì)變性進 行滅菌 蒸汽來源容易、潛熱 大、穿透力強、滅菌 效果好、 操作費用低、 有經(jīng)濟快速的特點 廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備 及培養(yǎng)基的滅菌。 射線滅菌法 用射線穿透微生物細 胞進行滅菌 使用方便，但穿透能 力較差，適用范圍有 限 一 般 只 適 用 于 無 菌 室，無菌箱搖瓶間和 器皿表面的消毒 化學(xué)式劑滅菌

23、法 利用化學(xué)試劑對微生 物的氧化作用或損傷 細胞等進行滅菌 使用方法較廣，可用 于無法用加熱方法進 行滅菌的物品 常用于環(huán)境空氣的滅 菌及一些表面的滅菌 過濾除菌法 利用過濾介質(zhì)將微生 物菌體細胞過濾進行 除菌 不改變物性而達到滅 菌目的，設(shè)備要求高 常用于生產(chǎn)中空氣的 凈化除菌，少數(shù)用于 容易被熱破壞的培養(yǎng) 基的滅菌 37 3.2. 培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基滅菌 培養(yǎng)基中含有豐富的營養(yǎng)，工業(yè)化生產(chǎn)中，體積大，生 產(chǎn)的時間長，很易受到雜菌的污染。 工業(yè)上常采用濕熱滅菌的方法。 滅菌的要求：工業(yè)上無菌（滅菌度為1000）。即盡可能 的出去雜菌的同時，還要盡可能的減收營養(yǎng)物的損失。 常采用的條件為：121

24、，20-30 min。 3.2.1 ：滅菌的基本理論（一）微生物的死亡動力學(xué) A:對數(shù)殘存定律： 微生物受熱死亡的主要原因是高熱能使蛋白質(zhì)變性，這 種反應(yīng)可認為是單分子反應(yīng)，死亡速率可視為一級反應(yīng)， 即與殘存的微生物數(shù)量成正比， 38 Kt eNN ttNN KN dt dN ? ? ? ? 0 00 , 積分得： 初始條件： 式中 N經(jīng)時間t后殘存的活菌濃度（個/L) ，N0開始滅菌時原有活菌濃度（個/L)； t滅菌時間（s,min ） K滅菌速率常數(shù)或比死亡速率常數(shù)（s- 1 ,min -1 ）它的大小與微生物的種類和加熱溫 度有關(guān)。在同等溫度下，其值小，微生物的 耐熱性強。 從上式得出：

25、t,N之間的關(guān)系為對數(shù) t=（ （2.303/K）(N 0 / N) 39 式中N/N0, 菌體存活率，而N0/N，為滅菌度。 B:非對數(shù)死亡規(guī)律 非對數(shù)死亡規(guī)律： 對于耐熱性的微生物芽孢，其死亡不符合對數(shù)規(guī)律。 具有代表性的模型為Prpkop T 絕對溫度，K; E 微生 物死亡活化能，J/mol. K= A(E /RT). dK/dT= E /RT 2 . 從（2）式看出： E 大， K對T的變化率越 大，即對溫度變化敏感。 培養(yǎng)基中的熱滅菌既要殺死雜菌，又要保存其 中的有效成分，因而研究熱對營養(yǎng)物質(zhì)的影響 是十分必要的 43 （三）溫度對營養(yǎng)物質(zhì)分解破壞速率常數(shù) K的影 響 同樣是為一級

26、反應(yīng)： dC/dt=KC 其中：C 培養(yǎng)基內(nèi)易被破壞成分的濃度 mol/L; t 滅菌時間（min,s); K 分解速度常數(shù)。 而且K同樣受到溫度的影響， 符合Arrhenius方 程，即有：K= A(E /RT). dK/dT= E /RT 2 . 44 當(dāng)培養(yǎng)基溫度從T1升至T2時： 對微生物其死亡速度常數(shù)的得比值 K 2 /K 1 =exp( E /R)(1/T 2 1/T 1 ) (K2/K 1 )= (E /R)(1/T 2 1/T 1 ).(3) 同理：對培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì) (K2/K 1 )= (E /R ）(1/T 2 -1/T 1 )(4) (3)/(4) 得： (K2/K

27、1 ) / (K2/K 1 ) =E/ E(5) 從(5)中看出，活化能大，反應(yīng)速度常數(shù)變化程度 也大。 45 細胞芽孢和熱敏性營養(yǎng)物的活化能 細 菌 芽 孢 和 營養(yǎng)物 E (J/mol) 細菌芽孢和營養(yǎng)物E(J/mol) 葉酸 維生素B12 維生素B1 維生素B2 70340 96300 92114 98813 葡萄糖 嗜熱脂肪芽孢桿菌 枯草芽孢桿菌 肉毒梭菌 100488 283460 318210 343300 判斷采用高溫或是在低溫條件下殺菌是由該反應(yīng)的 活化能的大小決定。滅菌溫度升高時，微生物殺死 速率的提高要超過營養(yǎng)成分破壞的速率。在滅菌度 相同的條件下，Kt=常數(shù)，因而高溫K值

28、增大，時 間必定大大縮短，營養(yǎng)物質(zhì)總的損失可以減少，因 此高溫短時滅菌比低溫長時要好。此為滅菌動力學(xué) 得出的最重要的結(jié)論之一。 46 例1：當(dāng)殺菌溫度從120升至150 ，試計算維生素 B 1 的分解速率常數(shù)K B和嗜熱脂肪芽孢桿菌的死亡速 率常數(shù)KS。已知ES=283460 J/mol, As=1.0610 36 (min -1 ) ；EB=92114 J/mol, A B=1.06 10 10 (min -1 ) 解： 由（1）式，即K= A(E /RT) 得 Ks= As ES/(2.303 RT) Ks在120 時為0.024 (min -1 ) 150 時為11.12 (min -1

29、 )滅菌速率常數(shù)提高463 倍。 同樣地： KB在120 時為0.055 (min -1 )，150 時為 0.404 (min -1 )，同樣的溫度變化僅提高7.3 倍 47 解：因營養(yǎng)物質(zhì)的損失為一級反應(yīng)； 固有 C/C 0 =Kt=0.418 C/C 0 =0.658 B 1 的損失（ C 0 0.658 C 0 )/ C 0 =0.342 例2：在120 時滅菌7.6 min,計算維生素B1的 損失度。已知K=0.055(1/min)。 48 49 3.2.2 ：影響滅菌的因素：影響滅菌的因素 培養(yǎng)基成分：影響微生物的耐熱性。 培養(yǎng)基的物理狀態(tài)：導(dǎo)熱方式 培養(yǎng)基的pH 培養(yǎng)基中的微生物

30、量。 N正比于N 0 微生物細胞中的水含量。水 微生物細胞菌齡 微生物的耐熱性，細菌芽孢最耐熱 空氣排出情況 泡沫：熱量傳遞難避免突然進汽或加大 排氣。 攪拌 M失活易 50 3.2.3 滅菌操作滅菌操作 一、間歇滅菌 （一）、間歇滅菌 又稱實罐滅菌，將配置好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵 罐中或其它裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所 用的設(shè)備一起進行滅菌的過程。此法對設(shè)備 要求簡單，滅菌可靠，無需專門的滅菌設(shè)備， 投資少，是中小型工廠廠采用的一種方法。 分為三個階段：升溫、保溫和冷卻。 51 培養(yǎng)基間歇滅菌過程中 的溫度變化 0 20 40 60 80 100 120 140 050100150200250 時

31、間（min) 溫 度 （ ） 加熱 保溫 冷卻 （二）間歇滅菌的計算 升溫階段：采用間接加 熱（夾套、蛇管）；直 接加熱（在培養(yǎng)基中直 接通入蒸汽）；或二者 同時進行的加熱方式。 52 由微生物死亡動力學(xué)公式 dN/dt= KN K=Aexp( E/RT) 總=N 0 /N= 0 t Aexp( E/RT)dt N0/N= (N 0 / N 1 )(N 1 / N 2 )(N 2 /N) = (N 0 / N 1 )+ (N 1 / N 2) )+ (N 2 /N) = 加+ 保+ 冷 53 在加熱或冷卻工程中 ,溫度隨時間而發(fā)生改變， 加=Aexp( E/RT)dt關(guān)系式復(fù)雜，積分困難， 目

32、前可用Richards簡易算法算出。其認為當(dāng)溫度 超過100后，才能具有殺滅微生物的作用，并 且隨著溫度的升高，該作用也隨之增大。據(jù)此他 以嗜熱脂肪芽孢桿菌為指示菌，在每分鐘升高 1 的條件下，在不同溫度下的 (N 0 / N 1 )，并匯 總于表（p84) 加= 查表升至恒溫的時間 /( 恒溫溫度-100 ) 冷= 查表降溫的時間/(開始降溫溫度-100 ) 54 例3:培養(yǎng)基在30 min內(nèi)從100 升至121 ，或 在17 min內(nèi)從121 冷卻至100 ，Richards簡 便方法計算 加和冷? 解： 在 1 /min 條件下，培養(yǎng)基從 120 121 ， 加為12.549， 加= 查

33、表升至恒溫的時間 /( 恒溫溫度-100 ) 加= 12.549 30/21=17.93 冷= 查表降溫的時間 /( 開始降溫溫度-100 ) 同理: 冷= 12.549 17/21=10.16 55 例4:若某發(fā)酵液中原含活菌 10 11 個,滅菌后的活菌 數(shù)為10 -3 個,且發(fā)酵液在16 min內(nèi)從100 被加熱 到121 ，之后，在此溫度下保溫 t min ，接著， 發(fā)酵液再在17 min內(nèi)從121 冷卻到100 ，求 所需保溫時間t。已知121 的K=2.54 min -1 解：發(fā)酵液在殺菌前后體積不變 總= N 0 /N= 10 11 / 10 -3 = 10 14 = 32.2

34、加= 12.549 16/21=9.56 冷 =12.549 17/21=10.16 又 總=加+ 保+ 冷 保=32.2-9.56-10.16=12.48 56 保= 0 t Aexp( E/RT)dt=Kt t= 保/K=12.48/2.54=4.91 (min) 升溫階段對滅菌的貢獻 加/ 總=9.56/32.2=0.29 降溫階段對滅菌的貢獻 冷/ 總=10.16/32.2=0.31 從上例說明升溫和冷卻階段對整個滅菌過程來 說，效果十分可觀。 一般地加/ 總占0.2，而冷/ 總占0.05，保溫階段 保/ 總占0.75 57 二、培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌 將配置好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸

35、送的同 時進行加熱、保溫、和冷卻而進行滅菌。連續(xù)滅菌 可在短時間內(nèi)加熱到保溫的溫度，并且能很快地冷 卻，因此可在比間歇滅菌更高的溫度下進行滅菌， 有利于減少營養(yǎng)物質(zhì)的損失。 培養(yǎng)基連續(xù)滅菌過程 中的溫度的變化 1、基本流程 58 配料罐將培養(yǎng)基預(yù)熱60-70，防止培養(yǎng)基在殺菌時 料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊聲。 連消塔（加熱塔）使培養(yǎng)基迅速（20 s)升溫（126- 132 ）。 維持罐：使培養(yǎng)基溫度保持在滅菌溫度下一段時間。 2-7min. 冷卻管：將培養(yǎng)基迅速冷卻到40-50 ，輸送到滅 菌后的發(fā)酵罐內(nèi) 59 2、噴射加熱連續(xù)滅菌流程 60 3、薄板換熱器連續(xù)滅菌流程 作業(yè)：P90

36、; 1;3;6 61 3.3. 空氣滅菌 好氧微生物在發(fā)酵過程中需氧。而空氣中夾帶有大量的 各類雜菌，因而在培養(yǎng)系統(tǒng)通入空氣之前須除菌。生產(chǎn) 中應(yīng)用的無菌空氣認為10-3 。一般空氣中的含量103-104個 /m3,菌體的平均尺寸為0.6 m。 3.3.1 空氣滅菌的方法 空氣中微生物種類：包括細菌、細菌和霉菌孢子，酵母 菌和病毒。研究其分布情況有利于選取良好的取風(fēng)位置 和提高空氣除菌效率。 數(shù)量與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)。 城市中空氣微生物的含量大于農(nóng)村和山區(qū)的 地面空氣微生物的含量大于高空中的。 潮濕溫暖的南方地區(qū)微生物的含量大于干燥寒冷的北 方地區(qū)。 塵埃數(shù)量與微生物量呈線性關(guān)系（y=0.00

37、3x-2.6) 62 熱滅菌法 Decker等發(fā)現(xiàn)懸浮于空氣中的細菌孢子在218 ，24 s 內(nèi)可被殺死。利用空氣壓縮時溫度升高來殺死微生物 熱滅菌方法（屬于干熱滅菌)。壓力與溫度的關(guān)系為 T2=T1(P2/P1)(m-1)/m 式中, T1,T2分別是空氣壓縮前后的溫度, K; P1, P2 分 別是壓縮前后的的空氣壓力，Pa; m 多變指數(shù)，1.25。 實際工藝所采用進口空氣溫度T1=60-70 , P2/P1=6,則 出口溫度達到200 以上（203-217），即可達到滅菌 的目的。 該方法已成功地應(yīng)用在丙酮、丁醇、淀粉酶和2，3 丁二醇的發(fā)酵生產(chǎn)。 其工藝流程為 63 64 輻射滅菌和

38、化學(xué)滅菌法在發(fā)酵工業(yè)上大規(guī)模 的制備無菌空氣尚待經(jīng)一步研究. 靜電除菌法 使空氣中的微粒（水霧、油霧、塵埃和微生物） 在靜電場的作用下會被電離成帶電微粒，然后將 其鋪集在電極上。對 1 的微粒去除率高達 99%， 耗電量小 處理1000 m 3 空氣/(0.4-0.8 kW),氣體壓 力損失小，但對很小的微粒，由于所帶電荷小， 靜電引力接近于氣流對微粒的拖動力或布朗擴散 動量時，不能除去。同時設(shè)備龐大，一次性投資 費用高。 66 介質(zhì)過濾除菌法 工業(yè)上最常用的空氣除菌方法。是通過過濾介質(zhì)阻 截空氣中所含微生物，從而獲得無菌空氣。 過濾介質(zhì)孔隙 絕對過濾:孔徑(0.01-0.2 )小于微生物粒

39、子（0.5-2 )的微孔過濾膜。 相對過濾：過濾介質(zhì)孔隙大于微生物 直徑。如棉花、活性炭、玻璃纖維等 3.3.2 過濾介質(zhì)除菌的原理 棉花纖維直徑16-20 , 孔隙直徑20-50 ,微生物直徑0.5-2 .微粒隨空氣流通過一定厚度的過濾層時，濾層纖維所 形成的網(wǎng)格對氣流進行無數(shù)次的阻礙，從而無數(shù)次的改 變氣流的運動速度和方向而繞流運動，這將引起微粒對 濾層纖維產(chǎn)生慣性撞擊、重力沉降、攔截、布朗擴散、 靜電引力等作用，將微粒捕獲在纖維表面實現(xiàn)過濾。 67 慣性撞擊截流作用機理慣性撞擊截流作用機理 為空氣過濾器的主要作用。滯留微粒的寬度區(qū)間b與纖維 直徑的df之比慣性撞擊捕集率1=b/df 其中

40、1是慣性準數(shù)(）的函數(shù)。 即，1=f( ) 與纖維直徑、 微粒的直徑和微粒的速度關(guān)系為 =(Cpd2p0)/(18df) 其中:C,克寧漢修正系數(shù)； 0，空 氣在纖維間的真實速度； p，dp為 微粒的密度和直徑；為空氣的黏 度； df為纖維直徑。 從公式可以看出：當(dāng)過濾器和空氣 中的微粒一定時，影響鋪集率的參 數(shù)為0。 0為某一臨界值，1 =0， 實驗測得=1/16時滿足此條件，求 出c=1.25(df)/ (Cpd2p). 68 攔截滯留作用機理 當(dāng)氣流速度小于慣性撞擊的臨界速度時， 顯著下降， 若繼續(xù)下降時， 不再繼續(xù)下降，反而有所回升，即為 攔截滯留在起作用;其經(jīng)驗公式為 從式中看出從式中看出 2與微粒直徑和纖維直徑之比有關(guān)，同時與空氣 與微粒直徑和纖維直徑之比有關(guān)，同時與空氣 流速成反比，即當(dāng)氣流速度低時截流才起作用，流速成反比，即當(dāng)氣流速度低時截流才起作用， 當(dāng)微粒直徑為1 m,C=11.46, =1.86 10-5(Pa.s), p=1000(kg/m3),則vc=1.8 104 df (m/s)纖維細,對捕集 有利. 2=2(1+R) (1+R) (1+R)+(1 R)-1/2(2 Re) 式中微粒直徑與纖維直徑的比值R=dp/df, 氣流雷諾數(shù) Re=df0 / 6