生化工程培養(yǎng)基滅菌第1頁/共66頁培養(yǎng)基滅菌程度N/N0培養(yǎng)基滅菌程度的要求因發(fā)酵系統(tǒng)而異。某些培養(yǎng)過程，由于培養(yǎng)基中的基質(zhì)不易被一般微生物利用,或溫度、pH不適于一般微生物的生長，則對無菌程度要求低；但是有一些培養(yǎng)過程對無菌程度要求高，例如抗生素的生產(chǎn)過程。第2頁/共66頁

第一節(jié)

分批滅菌

一、微生物的熱死滅動力學對培養(yǎng)基進行濕熱滅菌時，培養(yǎng)基中的微生物受熱死亡（微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)變性）的速率與殘存的微生物數(shù)量成正比。

ln(N/N0)=-Kt均相系統(tǒng)，它符合化學反應(yīng)的一級反應(yīng)動力學。第3頁/共66頁K（比熱死亡速率常數(shù)）由兩個因素均定1、微生物的種類2、滅菌溫度。第4頁/共66頁

ln(N/N0)

=-K

tln(C/C0)

=-Kdt雜菌營養(yǎng)物質(zhì)△T，△K，

△Kd也就是K對T的變化率是怎么樣的？第5頁/共66頁滅菌動力學的重要結(jié)論

細菌孢子熱死滅反應(yīng)的△E很高，而大部分營養(yǎng)物質(zhì)熱破壞反應(yīng)的△E很低，因而將T提高到一定程度會加速細菌孢子的死滅速率，從而縮短在升高溫度下的滅菌時間（ln(N/N0)

=-K

t）；由于營養(yǎng)成分熱破壞的△E很低，上述的溫度提高只能稍微增大其熱破壞溫度，但由于滅菌時間的顯著縮短，結(jié)果是營養(yǎng)成分的破壞量在允許的范圍內(nèi)。第6頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌

二分批滅菌的設(shè)計1、分批滅菌的操作將配好的培養(yǎng)基打入發(fā)酵罐，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用的設(shè)備一起進行滅菌，也稱實罐滅菌。優(yōu)點：（1）不需專門的滅菌設(shè)備。（2）對蒸汽的壓力要求較低，在3～4×105Pa（表壓）就可滿足要求。缺點：在滅菌過程中，蒸汽用量波動大，造成鍋爐負荷波動大。第7頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計1、分批滅菌的操作

第8頁/共66頁第9頁/共66頁第10頁/共66頁第11頁/共66頁高壓蒸汽鍋第12頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計2、分批滅菌的設(shè)計要求絕對的無菌在工業(yè)上很難做到，因為：N=0，則e-kt=0,1/ekt=0,

ekt=∞,t=∞

因此，絕對的無菌很難做到。第13頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計

而且絕對的無菌也是不必要的，工程上只要求培養(yǎng)基中雜菌降低到合理的程度，然后進行細胞的培養(yǎng)，失敗的可能性很小。那么無菌程度降低到多少為好呢？有一個設(shè)計標準（判據(jù)）N0：未滅菌培養(yǎng)基的含菌數(shù)。N：滅菌后培養(yǎng)基中存活的菌體數(shù)，

第14頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計常取N=10-3個/罐。它的意義是：滅菌103次，存活一個活菌孢子的機會為1次。例如：培養(yǎng)基100m3，含菌105個/ml,，要求滅菌后存活菌數(shù)10-3個/罐=

那么為計算方便Ln（N0/N）=36.8

第15頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計分批滅菌過程：升溫、保溫和降溫，滅菌主要是在保溫過程中實現(xiàn)的，在升溫的后期和冷卻的初期，培養(yǎng)基的溫度很高，因而對滅菌也有一定貢獻。第16頁/共66頁T滅菌溫度tot1t2t3timeN1N2N升溫保溫降溫N0Ln(N0/N1)Ln(N2/

N)Ln(N1/

N2)LnN0/N=36.8是總的判據(jù)，是由升溫、保溫、降溫三段實現(xiàn)的ln（N0/N）=ln（×

×）

lnN0/N

=ln

+ln+ln第17頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計

在滅菌過程中，必需設(shè)計出滅菌過程的操作時間和溫度。

首先根據(jù)培養(yǎng)過程對培養(yǎng)基無菌程度的要求提出無菌判據(jù)（ln），然后依據(jù)所使用的滅菌設(shè)備，和設(shè)計出的滅菌溫度和時間來計算出實際的ln，看能否達到開始提出的無菌要求。第18頁/共66頁ln(N0/N1)=K(t1-t0)K是變數(shù)，t變化，T變化，K也變化。

升溫段：T滅菌溫度tot1t2t3timeN1N2N升溫保溫降溫N0ln(N0/N1)ln(N2/

N)ln(N1/N2)第19頁/共66頁T滅菌溫度tot1t2t3timeN1N2N升溫保溫降溫N0ln(N0/N1)ln(N2/

N)保溫段：Ln(N1/N2)=K(t2-t1)T一定，K是常數(shù)。

ln(N1/N2)降溫段：這三個判據(jù)中，保溫段可以算出，升溫段和降溫段不好辦，因為不知道T和t之間的函數(shù)關(guān)系。第20頁/共66頁是否有這樣的函數(shù)關(guān)系呢？一些學者已經(jīng)作出的常用的換熱方式T-t關(guān)系式。第21頁/共66頁除了這種積分方式以外，工程上還常用圖解積分法，即從設(shè)計的T-t數(shù)據(jù)換算成K-t數(shù)據(jù)，進行圖解積分。第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計第22頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計例如：某發(fā)酵罐分批滅菌最高溫度120℃，保持5min，設(shè)計的溫度和時間關(guān)系如下：（A=7.94×1038min-1；△E=278441J/mol;R=8.28J/mol·K）t0103036435055586370102120140T30509010011012012011010090604433K00

00.030.363.593.590.360.03

0

0

0

t：min,T:℃,K:min-1,發(fā)酵罐60m3，N0=105個/ml，N=10-3問設(shè)計的T-t過程是否達到滅菌要求，如不能，應(yīng)如何改進？

第23頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計解：先計算無菌程度的判據(jù)：

N0/N=6×1015ln(N0/N)=36.3K的數(shù)據(jù)值是由已知數(shù)據(jù)計算出的根據(jù)已有的數(shù)據(jù)作出T-t和K-t圖第24頁/共66頁ln(N0/N3)=ln(N0/N1)+ln(N1/N2)+ln(N2/N3)=36.3ln(N1/N2)=K·△t=3.59×5=17.95

第25頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計ln(N0/N1)+ln(N2/N3)按圖解積分，求得

:ln(N0/N1)+ln(N2/N3)=15.85ln(N0/N3)=t=34min以前和t=64min以后，K值太小，忽略不計.沒有達到N3=10-3的要求,殘留菌數(shù)N3=N0e-Kt=N0e-33.8=1.26×10-2第26頁/共66頁第一節(jié)

分批滅菌二分批滅菌的設(shè)計保溫階段對殺死孢子的貢獻:17.95/33.8=53%，而保溫階段時間只有5min。那么如何改進設(shè)計呢？(1)

增加保溫時間，如果增加1min,那么ln(N1/N2)=3.59×6=21.54

那么ln(N0/N3)=21.54+15.85=38.39，達到了設(shè)計要求。

(2)可以提高滅菌溫度。間歇滅菌的提溫階段和降溫階段對滅菌的貢獻相對較小，而對培養(yǎng)基中維生素類物質(zhì)的破壞作用則可能很嚴重。應(yīng)盡量縮短提溫和降溫階段。第27頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌一、連續(xù)滅菌方法

第28頁/共66頁第29頁/共66頁第30頁/共66頁第31頁/共66頁第32頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌一、連續(xù)滅菌方法

與間歇滅菌相比，連續(xù)滅菌的優(yōu)點：1升溫和降溫速度快2滅菌溫度高，保溫時間短3蒸汽用量平穩(wěn)缺點：1設(shè)備復雜，投資大。第33頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌一、連續(xù)滅菌方法空罐滅菌加熱器、維持罐和冷卻器也先進行滅菌。耐熱性物料和不耐熱性物料可分開滅菌。糖和氮源分開滅菌。第34頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌二、連續(xù)滅菌反應(yīng)器的流體流動模型

τ=

式中：反應(yīng)器中液體所占的體積（L，m3）Q：通過反應(yīng)器的流體流速（L/min，m3/min）在設(shè)計連續(xù)滅菌設(shè)備時，必須認識到并不是培養(yǎng)基的每一質(zhì)點都在反應(yīng)器中停留同樣的時間。第35頁/共66頁活塞流（理想）滯流，V=0.82Vmax湍流,V=0.5Vmax實際的反應(yīng)器中，與流動方向相垂直的截面上各質(zhì)點（微團）的流速不同（有流速分布）。第36頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌實際的反應(yīng)器中，與流動方向相垂直的截面上各質(zhì)點（微團）的流速不同（有流速分布），這就必然造成物料間的（軸向）混合，這樣就不能保證物料先進的先出，后進的后出，那么有的物料滅菌時間長，有的滅菌時間短，有的物料達到了滅菌要求，而有的沒有達到，由此我們在設(shè)計反應(yīng)器時，一定考慮到這個現(xiàn)象，引入的τ概念。第37頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌返混現(xiàn)象：

反應(yīng)器中停留時間不同的物料之間的混合稱為返混。按照返混的程度，在化學工程中建立了兩種理想的連續(xù)流動反應(yīng)器模型。連續(xù)攪拌罐（CSTR）和活塞流反應(yīng)器（PFR）反應(yīng)器返混為∞

返混為零

第38頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

在實際反應(yīng)器中，其返混程度總是處于兩種模型之間。攪拌良好的反應(yīng)器接近于CSTR，管式反應(yīng)器和填充床反應(yīng)器返混程度較小，接近于PFR反應(yīng)器。這兩種模型都可用于培養(yǎng)基滅菌以及微生物的培養(yǎng)。第39頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（1）PFR模型（活塞流）plugflowreactor

物料沿同一方向以相同速度向前流動，在流動方向上沒有物料返混，所有物料在反應(yīng)器中的停留時間都是相同的。（長徑比很大的管式反應(yīng)器，沒有彎頭、閥門、管件、接近于PFR模型）第40頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（1）PFR模型（活塞流模型）plugflowreactor恒溫熱滅菌狀況：1同一截面上活孢子濃度（N）相等，熱死滅速率相等。2沿流動的方向，活孢子濃度（N）下降，熱死滅速率也相應(yīng)下降。第41頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（1）PFR模型（活塞流模型）plugflowreactor求算N、t、L的數(shù)學關(guān)系方法：對反應(yīng)器進行物料衡算。培養(yǎng)液通過PFR全反應(yīng)器所達到的滅菌程度的計算：先對微元物料衡算，再沿流動方向的長度積分。第42頁/共66頁物料衡算通式：進入量=排出量+反應(yīng)量+積累量dv足夠小，可以認為在此微元內(nèi)N相等，熱死滅速率處處相等，是均一體系。QN=Q（N+dN）+KNAdl+0A為橫截面積整理得：QdN=-KNAdl第43頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（1）PFR模型（活塞流模型）plugflowreactorQdN=-KNAdl∵

∴

，積分

結(jié)論：活塞流的滅菌效果與間歇反應(yīng)器的分批滅菌效果相同。

第44頁/共66頁第45頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（2）CSTR模型（全混流模型）

ContinuedflowStirredTankReactor第46頁/共66頁連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)基本上與間歇操作的攪拌罐反應(yīng)器相同。兩者的根本差別在于：1連續(xù)操作。2反應(yīng)器內(nèi)料液組成（等于出料液組成），不隨時間而變化。攪拌強烈的實際連續(xù)反應(yīng)器（機械攪拌、氣流或液流攪拌）可以接近于CSTR特性。

第47頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（2）CSTR模型（全混流模型）求算N、t、V的數(shù)學關(guān)系方法：對整個反應(yīng)器進行物料衡算。物料衡算通式：進入量=排出量+反應(yīng)量+積累量

QN0=QN+K·N·V+0整理QN0=N（Q+K·V）

第48頁/共66頁QN0=N（Q+K·V）第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（2）CSTR模型（全混流模型）第49頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

CSTR和PFR滅菌效果的比較PFR:e-kt

=要達到相同的滅菌效果，即需要的滅菌時間長？一定，那么哪一種反應(yīng)器結(jié)論：CSTR需要的時間長。CSTR：第50頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（3）多級全混流釜模型

MultipleCSTRsinseries

在工程實踐中常將幾個CSTR反應(yīng)器串聯(lián)使用，來接近PFR的效果。

tN0

活塞流多釜串聯(lián)

多級全混流釜串聯(lián)模型及其濃度分布圖第51頁/共66頁MultipleCSTRsinseriesτ為每個串聯(lián)反應(yīng)器的平均停留時間。如果讓多級全混流釜模型有PFR效果，則：=t=nτ，∴（1+Kτ）n=ekτn

當τ=0，n=∞時，有活塞流的效果。第52頁/共66頁第二節(jié)

連續(xù)滅菌

（4）擴散模型返混：是不同反應(yīng)時間的物料之間的混合。PFR：返混程度最小CSTR：返混程度最大高/徑↑，返混程度↓高/徑↓，返混程度↑實際操作的大部分反應(yīng)器都介于這兩種理想的反應(yīng)器之間。第53頁/共66頁

返混是個復雜的現(xiàn)象，到目前為止還不能用數(shù)學解析的方法表示出來，在實際的工程中，又要涉及到這個問題，怎么辦？把這個復雜的現(xiàn)象用數(shù)學模型表示，使簡單的模型和復雜的系統(tǒng)具有等效性。擴散模型第54頁/共66頁活塞流

擴散流動

流體在管內(nèi)流動，由于分子擴散和渦流擴散的作用使一部分流體質(zhì)點返混了回去，這個過程簡化為在活塞流動中疊加了一個與流動方向相反的擴散。第55頁/共66頁費克定律：擴散通量（沿軸方向）=DeDe：軸向擴散系數(shù)cm2/sC：質(zhì)點濃度個/cm3

L：擴散距離cm擴散通量的物理意義：

單位時間內(nèi)，單位面積通過的質(zhì)點個數(shù)，單位：個/scm2

。第56頁/共66頁

把這兩種流動疊加，對進出任一微元體積的活孢子數(shù)進行衡算。

AUc+ADe（c+dc）=AU(c+dc)+ADe+K·c·A·dl+0進入的離開的死掉的積累的整理為：De

-u-Kc=0第57頁/共66頁整理為：常系數(shù)齊次線性二階微分方程式中c：活孢子濃度（個/cm3）

De：軸向擴散系數(shù)（cm2/s）

L：軸向長度cm把參數(shù)變成無因次式：設(shè)定一個準數(shù)：

=∞時是活塞流（De=0，無返混）

=0時是全混流（De=∞全是混返，最大）

第58頁/共66頁把上面的關(guān)系代入微分方程，整理得：這是常系數(shù)二階齊次線性微分方程

特征方程：r2-Nper-NpeKτ=0r1，2=，r1≠r2

是兩個不相等的實根∴微分方程的通解為：第59頁/共66頁需確定c1，c2邊界條件：l=0，即=0時，=1L=L，即=1時，=0，因此時N很小，反應(yīng)速率趨于零。C1+C2=1聯(lián)立解方程：第60頁/共66頁解得：

其中δ=，Npe=可見不但是Kτ的