生化工程课程串讲.ppt
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1、生化工程 课程串讲,第二章 培养基灭菌,第一节 分批灭菌ln(N/N0)=-K t,ln(N/N0)=-K t ln(C/C0)=-Kd t,杂菌,营养物质,T,K,Kd也就是K对T的变化率是怎么样的?,灭菌动力学的重要结论,细菌孢子热死灭反应的E很高,而大部分营养物质热破坏反应的E很低,因而将T提高到一定程度会加速细菌孢子的死灭速率,从而缩短在升高温度下的灭菌时间(ln(N/N0)=-K t);由于营养成分热破坏的E很低,上述的温度提高只能稍微增大其热破坏温度,但由于灭菌时间的显著缩短,结果是营养成分的破坏量在允许的范围内。,2、分批灭菌的设计 要求绝对的无菌在工业上很难做到,因为:,N=0
2、,则e-kt=0,1/ekt=0,ekt=,t=,因此,绝对的无菌很难做到。,第一节 分批灭菌 二 分批灭菌的设计,分批灭菌过程:升温、保温和降温,灭菌主要是在保温过程中实现的,在升温的后期和冷却的初期,培养基的温度很高,因而对灭菌也有一定贡献。,Ln(N1/N2),Ln N0/N=36.8是总的判据,是由升温、保温、降温三段实现的,ln(N0/N)=ln(),ln N0/N,=ln,+ln,+ln,第二节 连续灭菌,一、连续灭菌方法与间歇灭菌相比,连续灭菌的优点:1 升温和降温速度快2 灭菌温度高,保温时间短3 蒸汽用量平稳缺点:1 设备复杂,投资大。,返混现象:反应器中停留时间不同的物料之
3、间的混合称为返混。按照返混的程度,在化学工程中建立了两种理想的连续流动反应器模型。连续搅拌罐(CSTR)和活塞流反应器(PFR)反应器,返混为,返混为零,第二节 连续灭菌(1)PFR模型(活塞流模型)plug flow reactor,恒温热灭菌状况:1 同一截面上活孢子浓度(N)相等,热死灭速率相等。2 沿流动的方向,活孢子浓度(N)下降,热死灭速率也相应下降。,第二节 连续灭菌(4)扩散模型,返混:是不同反应时间的物料之间的混合。PFR:返混程度最小CSTR:返混程度最大高/径,返混程度高/径,返混程度 实际操作的大部分反应器都介于这两种理想的反应器之间。,第三章 空气除菌,1、空气除菌的
4、目的及重要性 在好氧深层培养中,微生物细胞的繁殖代谢需要溶解氧,因为有氧氧化对生物体来说是能量放出最多的途径。在该过程中脱去了很多H,H经电子传递链,最后被O2吸收,所以要提供氧。现在深层培养都是纯种培养,培养基接种之前都经过灭菌,通入的氧气也应是无菌的。,第三节空气过滤设计,空气过滤器使用的过滤介质,按其孔径大小可分为二类:1)绝对过滤介质:绝对过滤介质的孔隙小于细菌和孢子,当空气通过时微生物被阻留在介质的一侧。2)深层过滤介质:深层过滤介质的截面孔隙大于微生物,为了达到所需的除菌效果,介质必须有一定的厚度,因此称为深层过滤介质。,一、深层过滤原理,1、惯性冲撞机制(1)(大颗粒)气流中运动
5、的颗粒,质量,速度,具有惯性,当微粒随气流以一定的速度向着纤维垂直运动时,空气受阻改变方向,绕过纤维前进,微粒由于惯性的作用,不能及时改变方向,便冲向纤维表面,并滞留在纤维表面。1,式中:微粒密度:空气粘度 V:微粒流速 dp:微粒直径 df:纤维直径 C:修正系数,2、阻截(截留)机制(2)(小颗粒),阻截机制对阻截小颗粒比较有效。细菌的质量小,紧随空气流的流线前进,当空气流线中所携带的颗粒和纤维接触时被捕集。截留微粒的捕集效率几乎完全取决于微粒的直径,和气流速度关系不大。,2=,NR=,NRe=dfu/,3、布朗扩散机制,平均自由程,M:气体分子量;:气体密度。,V,3,二、深层过滤计算,
6、要解决的问题是:处理空气量为Q时,含菌个数No的空气要达到N=10-3,需要的介质层厚度L=?,Q0,N0,Q,N,那么 与 L 的关系怎样?有学者作了实验:测定 与L之间的关系。,ln,L,Slope=K,ln,=-KL,对数穿透定律:,L:滤床厚度、K:与纤维捕集效 率有关的系数,第四节 其它空气灭菌方法,1 热灭菌法2 射线杀菌3 静电除菌,第四章 通气与搅拌,三、影响微生物需氧量的因素1.碳源种类 碳源种类不同,利用速度不同。C6H12O6+6O26H2O+6CO22.碳源浓度 与碳源浓度是否成为限制性有关,3.培养条件(pH、T)pH、T 影响生长速率和产物生成速率。4.(有害)代谢
7、产物 抑制细胞呼吸作用。5.培养时期的影响 不同时期微生物生命活动能力不同。注意:溶解氧浓度对细胞生长和产物生成的影响可能不同。,二、气体溶解过程的双膜理论 1.气液两相间存在稳定的相界面,界面两侧各有一层有效膜,溶质(氧)以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体。2.在相界面处,气液两相达到平衡。3.在气、液两相主体中,溶质(氧)浓度均匀。过程:氧 由气相气液界面液相,气膜,液膜,p,pi,p-pi,Ci-CL,气膜,液膜,气液界面,Ci,CL,氧分压pi和氧浓度Ci难测定,改用总传质系数KG或KL和总推动力。则,在稳定传递状态时,,p*:与液相氧浓度CL平衡的氧分压;C*:气相中氧分压P
8、 达平衡时的氧浓度;KG:以氧分压差为推动力总传质系数;KL:以氧浓度差为推动力总传质系数;,其中,kG或kL与KG或KL的关系,可根据亨利定律来求得,即:,三、氧传质方程式 采用体积溶氧系数或体积传质系数:KLa(或KGa),据此氧传质(溶氧速率)方程可表示为:,4-3 影响氧供给的因素 根据气液传质速率方程式:,可知:凡影响推动力(C*CL)或(pp*)、比表面积a和传质系数KL的因素,都会影响氧传递速率。,一、影响推动力的因素1.温度 氧是气体,它在水中的溶解度随温度升高而降低。在常压、4-33内,纯水中氧的浓度CW*为:,2.电解质 盐析作用可降低氧的溶解。在电解质溶液中,有如下关系式
9、:,:氧在水的溶解度;mol/M3:氧在电解质溶液中的溶解度;mol/M3:电解质溶液的浓度;kmol/M3K:Sechenov常数;,3.非电解质 在非电解质溶氧中,氧的溶解度随溶质浓度增加而降低,其规律类似于电解质溶液:,:氧在非电解质溶液中的溶解度;:非电解质中溶质的浓度或有机物浓度;,4.氧分压(1)增加罐压 提高罐压可提高氧分压。(2)提高空气中氧的含量(富氧通气)a.深冷分离 b.吸附分离 c.膜分离(3)提高H/D,二、影响KLa的因素 KLa是a与KL合并作为一个参数,实际中影响该参数的因素有:(一)操作条件1.搅拌A.搅拌的作用:(1)打碎,防合并,增大气液接触面积;(2)产
10、生涡流,螺旋,延长停留时间;(3)产生湍流,减厚度,降阻力;(4)均匀混合,利吸收和积累;,B.搅拌器(1)型式:旋桨式,轴向推动;涡轮式,径向推动,形成上下两个翻动;后者常被采用。多组时,上常为平桨式,下常为涡轮式;(2)转速n和直径d:影响溶氧水平和混合程度。PH搅Q搅n3d5,搅拌循环量Q搅nd3,H搅n2d2;增加n对提高溶氧有利,增加d对均匀混合有利。,(3)间距(相对位置):太大,产生搅拌死角;太小,相互干扰;因流体力学性质不同而有所差别,牛顿型:d=(3-4)D,非牛顿型:d 2D;(4)位置(距罐底的距离):h太大,最底部液体难提升,造成局部缺氧。太小,造成功率损失。一般为:(
11、0.8-1)d。(5)组数:确定与H/D有关,综合考虑溶氧和功率消耗等因素。,2.通气的影响,对特定发酵罐,、是定值。随 增加,增加;增加,增加。影响、的因素可以影响KLa值,与罐的形状、结构有关,随罐径增加而降低。,通气表观线速度,(二)液体性质的影响(1)液体密度:(2)粘度:(3)表面张力:(4)扩散系数DL:综上所述,影响可归纳为:,(三)其它因素的影响(1)表面活性剂:定向排列;(2)离子强度:KLa比水大(见图1);(3)细胞浓度:非牛顿型增加(见图2);,溶质浓度(g/L),X,图1,图2,4-4 溶氧系数的测定(Kla),化学方法:亚硫酸盐氧化法,极谱法,电极法,取样,排气,一
12、、亚硫酸盐氧化法二、极谱法三、复膜电极法四、氧平衡法 它们的作用原理:,第5章 生物反应器的比拟放大,一般说来,菌种的接入方式、菌龄、接种量、培养基组成、加料方式、pH值、操作温度、罐压、溶氧速率、搅拌混合强度等因素,都不同程度地影响细胞的反应过程。,5.1 几何尺寸放大,在反应罐的放大中,放大倍数实际上就是罐的体积增加倍数。放大倍数 m=V放大/V模型一般要保持几何相似的原则,那么 H1/D1=H2/D2=A(常数)V2/V1=(D2/D1)3=m D2/D1=m1/3(H2/H1)3=m H2/H1=m1/3,5.2 空气流量放大,生物反应中空气流量一般有两种表示方法:1以单位培养液体积在
13、单位时间内通入的空气量VVM(标准状态)来表示(m3/m3 h)2以操作状态下的空气直线速度Vs表示,m/min两种空气流量表示方式可以换算。,整理出:(VVM)=(VVM),Vs1 PLD2,27465.6 VL(273+t),m3/m3 min,标准状态,下面讨论三种空气流量的放大方法:(1)以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大:(vvm)1=(vvm)2 Vs(vvm)VL/PD2(vvm)D/P,Vs1 PLD2,VL,Vs2,Vs1,=,D2,D1,P1,P2,Vs2,可求,(2)以空气直线流速相同的原则放大:VS1=VS2,(VVM)2,(VVM)1,=,P 2,P 1,D 2
14、,D 1,(,)2,VL1,VL2,=,P 2,P 1,D 1,D 2,(VVM)2可求。因为V2/V1=(D2/D1)3,(3)以 KLa 值相同的原则放大,Kd=(2.36+3.30Ni)(Pg/V)0.56Vs0.7N0.710-9式中有Pg、N等未定参数。可考虑用其它经验式,如Kla()(HL)2/3 最后推导出:,Q,VL,(VVM)2,(VVM)1,=,()2/3,D 1,D 2,P 2,P 1,5.3 搅拌功率及搅拌转数的放大,搅拌功率以及搅拌转数放大的方法很多,用于发酵罐的三种放大方法如下:(1)以单位体积培养液所消耗的功率相同原则放大(Po/V)1=(Po/V)2 Rem=1
15、04-106,Np 不变功率准数:Np=Po/(N3D5)PoN3D5VD3因此 Po/VN3D2,(N3D2)1=(N3D2)2 确定转数 N2=N1(D1/D2)2/3(P0)2/(P0)1=(N2/N1)3(D2/D1)5 下标1是模型罐,下标2是放大罐。,(2)以单位培养液体积所消耗的通气功率相同原则放大 此时(Pg/V)1=(Pg/V)2 Po=NpN3D5Np:功率准数 Rem 104 时Np趋于常量 PoN3D5根据Michel 计算 Pg的公式Pg=C(Po2ND3/Q0.56)0.45,Pg(N3D5)2 ND3/(D2Vs)0.560.45 N3.15D5.346/Vs0.
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