反應(yīng)工程整理課件

1、1. 生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的定義利用生物有機(jī)體(從微生物直到高等動(dòng)植物)或其組成部分(包括器官、組織、細(xì)胞或細(xì)胞器等)發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種操作技術(shù)體系應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠生物作用劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù) 國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(1982)11. 生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)生物技術(shù)的特點(diǎn)物料可再生資源(碳水化合物、蛋白質(zhì)等)：價(jià)廉物美生物作用劑生物催化劑(酶、細(xì)胞)：專一性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化率高、條件溫和、機(jī)理復(fù)雜產(chǎn)品或服務(wù)涉及多領(lǐng)域 知識(shí)與技術(shù)交叉多學(xué)科 21. 生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)工程生物工程生物化學(xué)化學(xué)工程生物化學(xué)生物技術(shù)生物技術(shù)（Biotechnology）多學(xué)

2、科示意圖Bioengineering3“生物工程”（生化工程）是運(yùn)用化學(xué)工程的原理和方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室所取得的生物技術(shù)成果加以開發(fā)，使之成為生物反應(yīng)過(guò)程的一門學(xué)科。簡(jiǎn)單地說(shuō)：是為生物技術(shù)服務(wù)的化學(xué)工程?！吧锕こ獭毖芯可锓磻?yīng)過(guò)程中有普遍性意義的特殊工程技術(shù)問(wèn)題，如大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程、大規(guī)模培養(yǎng)基和空氣的滅菌過(guò)程、細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成動(dòng)力學(xué)、生物反應(yīng)器的優(yōu)化操作和設(shè)計(jì)、生物反應(yīng)過(guò)程的參數(shù)檢測(cè)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用、生化產(chǎn)品的分離純化等過(guò)程中的工程技術(shù)問(wèn)題。由于“生物工程”是化學(xué)工程的一個(gè)分支學(xué)科或被認(rèn)為是生物學(xué)和化學(xué)工程相結(jié)合的交叉學(xué)科而又被稱為“生物化工”。1. 生物技術(shù)的定義和特點(diǎn)42. 生物反應(yīng)過(guò)程的意義

3、和特點(diǎn)一般生物反應(yīng)過(guò)程示意圖生物催化劑的制備原材料的預(yù)處理反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇產(chǎn)物的分離純化6 生物反應(yīng)過(guò)程具有下列特點(diǎn)：由于采用生物催化劑，反應(yīng)過(guò)程在常溫常壓下進(jìn)行，且可運(yùn)用DNA重組技術(shù)及原生質(zhì)體融合等現(xiàn)代生物技術(shù)組建或改造生物催化劑而賦予生物反應(yīng)過(guò)程以現(xiàn)實(shí)和潛在的活力，但生物催化劑易于失活，易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，一般不能長(zhǎng)時(shí)間使用。以采用可再生資源（renewable resources 碳水化合物、蛋白質(zhì)等）為主要原材料，來(lái)源豐富、價(jià)格低廉，過(guò)程中廢物的危害性較小，但原料成分往往難以控制，給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)一定影響。2. 生物反應(yīng)過(guò)程的意義和特點(diǎn)74. 生物反應(yīng)過(guò)程的生物學(xué)與工程學(xué)

4、基礎(chǔ) 形成了經(jīng)典的以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的工程學(xué)概念 生物反應(yīng)工程：它涉及二方面的內(nèi)容，即宏觀微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和生物反應(yīng)器工程。其中反應(yīng)器工程是指包括影響微生物反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)的生物反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)、操作方式、物料混和傳遞過(guò)程特性等 宏觀動(dòng)力學(xué)：但是實(shí)際發(fā)酵過(guò)程是在生物反應(yīng)器中進(jìn)行，因此，從實(shí)用意義出發(fā)，人們重視一定反應(yīng)器內(nèi)檢測(cè)到的反應(yīng)速率即總反應(yīng)速率及其影響因素，這就是宏觀動(dòng)力學(xué)研究。動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器工程本征動(dòng)力學(xué)：即沒(méi)有在生物反應(yīng)器中各種形式的傳遞過(guò)程等工程因素影響時(shí)的微生物反應(yīng)的固有反應(yīng)速率。94. 生物反應(yīng)過(guò)程的生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ) 形成了經(jīng)典的以化學(xué)計(jì)量學(xué)和熱力學(xué)研究為基礎(chǔ)的發(fā)酵工程生物學(xué)從工程學(xué)

5、角度研究對(duì)生長(zhǎng)反應(yīng)的影響。研究各類微生物代謝平衡的理論、方法和實(shí)際有效的實(shí)驗(yàn)量化數(shù)據(jù)。例如胞內(nèi)反應(yīng)中分解代謝、合成代謝和大分子物質(zhì)合成之間的物質(zhì)和能量的關(guān)系。要經(jīng)過(guò)1000多步胞內(nèi)反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物和細(xì)胞成分，我們不可能對(duì)這些反應(yīng)進(jìn)行一一定量的計(jì)算微生物生長(zhǎng)和反應(yīng)過(guò)程研究必須從基質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，胞內(nèi)反應(yīng)，代謝產(chǎn)物的胞內(nèi)外分泌等全過(guò)程進(jìn)行分析10種子擴(kuò)大培養(yǎng)將保存在砂土管、冷凍干燥管中處于休眠狀態(tài)的生產(chǎn)菌種接入試管斜面活化后，再經(jīng)扁瓶或搖瓶及種子罐逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)而獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種。種子擴(kuò)培的目的獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的純種縮短發(fā)酵時(shí)間、提高設(shè)備利用率、保證生產(chǎn)水平11種子的要求總量及濃度能滿足

6、要求生理狀況穩(wěn)定活力強(qiáng)，移種至發(fā)酵后，能夠迅速生長(zhǎng)無(wú)雜菌污染12種子制備一般工藝流程實(shí)驗(yàn)室階段：不用種子罐，所用的設(shè)備為培養(yǎng)箱、搖床等實(shí)驗(yàn)室常見設(shè)備，在工廠這些培養(yǎng)過(guò)程一般都在菌種室完成，因此形象地將這些培養(yǎng)過(guò)程稱為實(shí)驗(yàn)室階段的種子培養(yǎng)。生產(chǎn)車間階段：種子培養(yǎng)在種子罐里面進(jìn)行，一般在工程歸為發(fā)酵車間管理，因此形象地稱這些培養(yǎng)過(guò)程為生產(chǎn)車間階段種子培養(yǎng)。13 一般手段有：保持培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分在最低水平缺氧狀態(tài)干燥低溫菌種保藏方法：斜面冰箱保藏法（低溫）沙土管保藏法（缺營(yíng)養(yǎng)、低溫）石蠟油封存法（缺氧、低溫）真空冷凍干燥保藏法（缺營(yíng)養(yǎng)、缺氧、干燥、低溫）液氮超低溫保藏法（缺營(yíng)養(yǎng)、缺氧、干燥、超低溫）2

7、.1.1 種子保藏14孢子懸浮液：微孔接種法搖瓶菌絲體：火焰保護(hù)接種或壓差法種子罐之間或發(fā)酵罐之間：壓差法2.2.1 菌種移接16種子罐級(jí)數(shù)：是指制備種子需逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)。發(fā)酵級(jí)數(shù)確定的依據(jù)級(jí)數(shù)受發(fā)酵規(guī)模、菌體生長(zhǎng)特性、接種量的影響級(jí)數(shù)大，難控制、易染菌、易變異，管理困難，一般2-4級(jí)。在發(fā)酵產(chǎn)品的放大中，反應(yīng)級(jí)數(shù)的確定是非常重要的一個(gè)方面2.2.2 種子罐級(jí)數(shù)的確定17二級(jí)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)（三級(jí)發(fā)酵）：茄子瓶斜面或搖瓶種子經(jīng)過(guò)兩次種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，接入發(fā)酵罐作為種子，這稱為二級(jí)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)。三級(jí)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)（四級(jí)發(fā)酵）：一級(jí)發(fā)酵：孢子或菌絲體直接接入罐中發(fā)酵，稱一級(jí)發(fā)酵。2.2.2 種子

8、罐級(jí)數(shù)的確定19接種齡：指種子罐中培養(yǎng)的菌體，移入下一級(jí)種子罐或發(fā)酵罐之前在原種子罐中的培養(yǎng)時(shí)間。通常接種齡以菌體處于生命力極為旺盛的對(duì) 數(shù)生長(zhǎng)期，且培養(yǎng)液中菌體量還未達(dá)到最高 峰時(shí)為好。種子過(guò)于年輕會(huì)出現(xiàn)：（1）前期生長(zhǎng)緩慢（2）整個(gè)發(fā)酵周期延長(zhǎng)（3）產(chǎn)物開始形成時(shí)間晚。種子過(guò)于衰老：引起菌絲過(guò)早自溶，生產(chǎn)能力下降。2.2.3 接種齡與接種量20接種量：是指移入的種子液體積（V1）和接種后培養(yǎng)液體積（V1+V2）的比例（V1/ V1+V2）。一般接種量：515過(guò)大過(guò)小都不好，最終以實(shí)踐定，如大多數(shù)抗生素為7-15%。但是一般認(rèn)為大一點(diǎn)好。接種量較大：接種量過(guò)多：接種量過(guò)少：獲得高產(chǎn)的其它措施

9、：雙種法：兩個(gè)種子罐接種到一個(gè)發(fā)酵罐中。倒種法：一部分種子來(lái)源于種子罐，一部分來(lái)源于發(fā)酵罐。 2.2.3 接種齡與接種量21生產(chǎn)中通常測(cè)定的參數(shù)：pH值； 磷、糖及氨基氮的含量；菌絲形態(tài)、菌絲濃度、培養(yǎng)液外觀（色素、顆粒等）；其它如酶活等；2.2.4 種子質(zhì)量判斷222.3.1 原材料質(zhì)量質(zhì)量波動(dòng)：1）產(chǎn)地、品種、加工方法及用量；2）無(wú)機(jī)離子含量不同（起主要作用）；2.3.2 培養(yǎng)條件1）溫度2）濕度3）通氣量2.3.3斜面冷藏時(shí)間2.3 影響種子質(zhì)量的因素232.4 種子質(zhì)量控制措施種子質(zhì)量的最終指標(biāo)：考察其在發(fā)酵罐中所表現(xiàn)出來(lái)的生產(chǎn)能力。1）保證生產(chǎn)菌種的穩(wěn)定性 檢查穩(wěn)定性方法：24培養(yǎng)基

10、：廣義上講培養(yǎng)基是指一切可供微生物細(xì)胞生長(zhǎng) 繁殖所需的一組營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和原料。同時(shí)培養(yǎng)基也為微生物培養(yǎng)提供除營(yíng)養(yǎng)外的其它所必須的條件。 發(fā)酵培養(yǎng)基的作用： 滿足菌體的生長(zhǎng) 促進(jìn)產(chǎn)物的形成26發(fā)酵培養(yǎng)基的要求 培養(yǎng)基能夠滿足產(chǎn)物最經(jīng)濟(jì)的合成。 發(fā)酵后所形成的副產(chǎn)物盡可能的少。 培養(yǎng)基的原料應(yīng)因地制宜，價(jià)格低廉；且性能穩(wěn)定，資源豐富，便于采購(gòu)運(yùn)輸，適合大規(guī)模儲(chǔ)藏，能保證生產(chǎn)上的供應(yīng)。 所選用的培養(yǎng)基應(yīng)能滿足總體工藝的要求，如不應(yīng)該影響通氣、提取、純化及廢物處理等。273、工業(yè)上常用的糖類 葡萄糖 幾乎所有的微生物都能利用葡萄糖 但是會(huì)引起葡萄糖效應(yīng) 工業(yè)上常用淀粉水解糖，但是糖液必須達(dá)到一定的質(zhì)量指標(biāo)

11、 糖蜜糖蜜是制糖生產(chǎn)時(shí)的結(jié)晶母液，它是制糖工業(yè)的副產(chǎn)物。 糖蜜主要含有蔗糖，總糖可達(dá)50%75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜、葡萄糖蜜。29糖蜜使用的注意點(diǎn)：除糖份外，含有較多的雜質(zhì)，其中有些是有用的，但是許多都會(huì)對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生不利的影響，需要進(jìn)行預(yù)處理。例：谷氨酸發(fā)酵有害物資：膠體成分（起泡、結(jié)晶）、鈣鹽（結(jié)晶） 生物素（發(fā)酵控制）預(yù)處理：澄清脫鈣脫除生物素例：檸檬酸發(fā)酵有害物質(zhì)：鐵離子含量高（導(dǎo)致異檸檬酸的生成）預(yù)處理：黃血鹽30 淀粉、糊精使用條件：微生物必須能分泌水解淀粉、糊精的酶類缺點(diǎn)：難利用、發(fā)酵液比較稠、一般2.0%時(shí)加入一定的-淀粉酶成分比較復(fù)雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等等。優(yōu)點(diǎn)：

12、來(lái)源廣泛、價(jià)格低、可以解除葡萄糖效應(yīng)31二、氮源 氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)（氨基酸，蛋白質(zhì)、核酸等）和含氮代謝物。常用的氮源可分為兩大類：有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源。 1、無(wú)機(jī)氮源種類：氨鹽、硝酸鹽和氨水特點(diǎn)：微生物對(duì)它們的吸收快，所以也稱之謂迅速利用的氮源。但無(wú)機(jī)氮源的迅速利用常會(huì)引起pH的變化如： (NH4)2SO4 2NH3 + 2H2SO4 NaNO3 + 4H2 NH3 + 2H2O + NaOH 32 無(wú)機(jī)氮源被菌體作為氮源利用后，培養(yǎng)液中就留下了酸性或堿性物質(zhì)，這種經(jīng)微生物生理作用（代謝）后能形成酸性物質(zhì)的無(wú)機(jī)氮源叫生理酸性物質(zhì)，如硫酸胺，若菌體代謝后能產(chǎn)生堿性物質(zhì)的則此種無(wú)機(jī)氮源稱

13、為生理堿性物質(zhì)，如硝酸鈉。正確使用生理酸堿性物質(zhì)，對(duì)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過(guò)程的pH有積極作用。 所以選擇合適的無(wú)機(jī)氮源有兩層意義： 滿足菌體生長(zhǎng) 穩(wěn)定和調(diào)節(jié)發(fā)酵過(guò)程中的pH332、有機(jī)氮源來(lái)源：工業(yè)上常用的有機(jī)氮源都是一些廉價(jià)的原料，花生餅粉、黃豆餅粉、棉子餅粉、玉米漿、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、魚粉、蠶蛹粉、尿素、廢菌絲體和酒糟。成分復(fù)雜：除提供氮源外，有些有機(jī)氮源還提供大量的無(wú)機(jī)鹽及生長(zhǎng)因子。例 玉米漿： 可溶性蛋白、生長(zhǎng)因子（生物素）、苯乙酸 較多的乳酸 硫、磷、微量元素等34 有機(jī)氮源成分復(fù)雜可以從多個(gè)方面對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行影響，而另一方面有機(jī)氮源的來(lái)源具有不穩(wěn)定性。所以在有機(jī)氮源選取時(shí)和使用

14、過(guò)程中，必須考慮原料的波動(dòng)對(duì)發(fā)酵的影響。35氮源使用的一些相關(guān)問(wèn)題： 有機(jī)氮源和無(wú)機(jī)氮源應(yīng)當(dāng)混合使用早期：容易利用易同化的氮源無(wú)機(jī)氮源中期：菌體的代謝酶系已形成、則利用蛋白質(zhì) 有些產(chǎn)物會(huì)受氮源的誘導(dǎo)和阻遏例： 蛋白酶的生產(chǎn) 有機(jī)氮源選取時(shí)也要考慮微生物的同化能力 開發(fā)效果好、有針對(duì)性的有機(jī)氮源仍然是令人感興趣 的課題36三、無(wú)機(jī)鹽及微量元素1、作用：各種不一樣2、來(lái)源：C、N源，以鹽的形式補(bǔ)充3、用量：根據(jù)具體的產(chǎn)品，以實(shí)驗(yàn)決定，P1044、使用注意點(diǎn)A. 對(duì)于其它渠道有可能帶入的過(guò)多的某種無(wú)機(jī)離子和 微量元素在發(fā)酵過(guò)程中必須加以考慮例：鐵離子 青霉素發(fā)酵中，鐵離子的濃度要小于20g/ml 發(fā)

15、酵罐必須進(jìn)行表面處理37B、使用時(shí)注意鹽的形式（pH的變化）例：黑曲酶NRRL-330,生產(chǎn)-淀粉酶，P對(duì)酶活的影響 pH 酶活不加 4.25 120分鐘加 K2HPO4 5.45 30分鐘加 KH2PO4 4.62 75分鐘38四、生長(zhǎng)因子、前體和產(chǎn)物促進(jìn)劑從廣義上講，凡是微生物生長(zhǎng)不可缺少的微量的有機(jī)物質(zhì)，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、維生素等均稱生長(zhǎng)因子。 1、生長(zhǎng)因子 如以糖質(zhì)原料為碳源的谷氨酸生產(chǎn)菌均為生物素缺陷型，以生物素為生長(zhǎng)因子,生長(zhǎng)因子對(duì)發(fā)酵的調(diào)控起到重要的作用 。 有機(jī)氮源是這些生長(zhǎng)因子的重要來(lái)源，多數(shù)有機(jī)氮源含有較多的B族維生素和微量元素及一些微生物生長(zhǎng)不可缺少的生長(zhǎng)因子 39

16、前體指某些化合物加入到發(fā)酵培養(yǎng)基中，能直接被微生物在生物合成過(guò)程中合成到產(chǎn)物分子中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量卻因加入前體而有較大的提高。2、前體青霉素：分子量356苯乙酸:分子量13640作用：前體有助于提高產(chǎn)量和組份 P107用量：前體的用量可以按分子量衡算，具體使用有個(gè)轉(zhuǎn)化 率的問(wèn)題例：6000單位/ml的青霉素G,需要多少苯乙酸 青霉素6000*0.6（微克）36mg/ml 苯乙酸（36*136）/356=13.8mg/ml=1.38%實(shí)際使用時(shí)的轉(zhuǎn)化率在46-90%之間 例某廠單耗為：0.337（kg/10億青霉素） 轉(zhuǎn)化率為：0.6/(0.337*36/13.8

17、)=68%41用法：前體使用時(shí)普遍采用流加的方法 前體一般都有毒性，濃度過(guò)大對(duì)菌體的生長(zhǎng)不利 苯乙酸，一般基礎(chǔ)料中僅僅添加0.07% 前體相對(duì)價(jià)格較高，添加過(guò)多，容易引起揮發(fā)和氧 化， 流加也有利于提高前體的轉(zhuǎn)化率423、產(chǎn)物促進(jìn)劑 所謂產(chǎn)物促進(jìn)劑是指那些非細(xì)胞生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。 促進(jìn)劑提高產(chǎn)量的機(jī)制還不完全清楚，其原因是多方面的。 有些促進(jìn)劑本身是酶的誘導(dǎo)物； 有些促進(jìn)劑是表面活性劑，可改善細(xì)胞的透性，改善細(xì)胞與氧的接觸從而促進(jìn)酶的分泌與生產(chǎn)； 也有人認(rèn)為表面活性劑對(duì)酶的表面失活有保護(hù)作用； 有些促進(jìn)劑的作用是沉淀或螯合有害的重金屬離子。43五、水

18、對(duì)于發(fā)酵工廠來(lái)說(shuō)，恒定的水源是至關(guān)重要的，因?yàn)樵诓煌粗写嬖诘母鞣N因素對(duì)微生物發(fā)酵代謝影響甚大。 水源質(zhì)量的主要考慮參數(shù)包括pH值、溶解氧、可溶性固體、污染程度以及礦物質(zhì)組成和含量。 對(duì)于釀造行業(yè)，水的重要性不言而喻對(duì)于常規(guī)發(fā)酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清潔的水。44第三節(jié) 發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)和優(yōu)化一、培養(yǎng)基成分選擇的原則 菌種的同化能力 代謝的阻遏和誘導(dǎo) 合適的C、N比1000.22.0 pH的要求 45（一）、理論轉(zhuǎn)化率與實(shí)際轉(zhuǎn)化率 理論轉(zhuǎn)化率是指理想狀態(tài)下根據(jù)微生物的代謝途徑進(jìn)行物料衡算，所得出的轉(zhuǎn)化率的大小。 實(shí)際轉(zhuǎn)化率是指實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中轉(zhuǎn)化率的大小 如何使實(shí)際轉(zhuǎn)化率接近于理論轉(zhuǎn)

19、化是發(fā)酵控制的一個(gè)目標(biāo) 二、成分含量的確定46例: 如在酒精生產(chǎn)中葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論轉(zhuǎn)化率計(jì)算如下 葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的代謝總反應(yīng)衡算式為 C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的理論得率為 2*46 Y = = 0.57 16247四、搖瓶水平到反應(yīng)器水平的優(yōu)化配方搖瓶、反應(yīng)器培養(yǎng)基研究的兩個(gè)層次 搖瓶培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的第一步 反應(yīng)器最終的優(yōu)化的基礎(chǔ)配方48 滅菌 在大規(guī)模發(fā)酵中應(yīng)該盡可能的采取連續(xù)滅菌的操作，而且保證滅菌條件的穩(wěn)定是保證發(fā)酵穩(wěn)定的前提 有時(shí)避免營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在加熱的條件下，相互作用，可以將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分開消毒。 有些物質(zhì)由于揮發(fā)和對(duì)熱非常敏感，就不能采用濕熱的滅菌

20、方法 Na2HPO4+CaCO3CaHPO4+Na2CO349第四章 滅菌(sterilization)4.1 滅菌的意義和方法4.1.1 意義滅菌：指用物理或化學(xué)方法殺滅或去除物料或設(shè)備中所有雜菌的過(guò)程。雜菌：除生產(chǎn)菌以外的所有有生命的物質(zhì)。生產(chǎn)菌：用于生產(chǎn)人們所需物質(zhì)的微生物。染菌：若生產(chǎn)菌在培養(yǎng)過(guò)程中污染了雜菌，稱染菌。50染菌的危害：1）消耗培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)成分；2）雜菌分泌對(duì)生產(chǎn)菌有害的物質(zhì)或使代謝產(chǎn)物分解；3）雜菌的代謝物會(huì)改變環(huán)境的pH值，抑制生產(chǎn)菌的生 長(zhǎng)和代謝物的合成；4）影響發(fā)酵液的過(guò)濾、提煉和精制，影響產(chǎn)品的質(zhì)量 和收率；5）發(fā)酵染菌不但影響個(gè)別罐的生產(chǎn)，還會(huì)引起連續(xù)大 幅度

21、的染菌，給生產(chǎn)帶來(lái)極大威脅。意義： 保持純種培養(yǎng)以確保得到所需產(chǎn)物。514.1.2滅菌的方法類別方 法措施原理使用場(chǎng)合用甲醛、苯酚、cl2、酒精、 K4 mn o4、 Hgcl及新潔爾滅等藥劑進(jìn)行滅菌化學(xué)法化學(xué)藥劑滅菌化學(xué)藥劑與細(xì)胞發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而起到消毒和防腐作用實(shí)驗(yàn)室器皿、工具或生產(chǎn)用水（很少用于培養(yǎng)基滅菌：因?yàn)橐恍┡囵B(yǎng)基成分也會(huì)與其反應(yīng)且不易去除）物理法熱滅菌干熱濕熱160干熱空氣或壓縮空氣所產(chǎn)生的熱維持1小時(shí)微生物由于氧化作用而死亡，高溫時(shí)微生物體內(nèi)各種與溫度有關(guān)的氧化反應(yīng)加快（Q10=2-3），導(dǎo)致死亡要求滅菌后保持干燥狀態(tài)的物質(zhì)（如容器等）常用120 飽和蒸汽維持20-30min

22、蒸汽冷凝時(shí)釋放出大量潛熱并且有很強(qiáng)的穿透性（在高溫且有水分存在下微生物細(xì)胞中蛋白質(zhì)極易凝固而引起微生物死亡）廣泛用于工業(yè)培養(yǎng)基和設(shè)備滅菌-經(jīng)濟(jì)、快速（當(dāng)直接通入蒸汽滅菌，配制培養(yǎng)基時(shí)注意扣除冷凝水的體積）介質(zhì)過(guò)濾除菌常用棉花、活性碳或超濾膜等過(guò)濾介質(zhì)利用過(guò)濾介質(zhì)捕集流體（空氣、液體）中的灰塵和雜菌廣泛用于好氧培養(yǎng)中的空氣除菌（及產(chǎn)品提取中無(wú)菌過(guò)濾）輻射滅菌利用紫外線高能量的熱磁波（如及射線）的輻射一定波長(zhǎng)的射線對(duì)微生物的殺滅作用因其穿透力低，只能用于表面滅菌（如無(wú)菌室內(nèi)空氣的滅菌， 射線特別用于食品工業(yè)）52除菌： 用物理方法除去流體中雜質(zhì)的操作。消毒（disinfection）： 用物理或化

23、學(xué)方法殺滅病原菌的操作。滅菌（sterilization）： 用物理或化學(xué)方法殺滅物料中所有有生命的物質(zhì)。534.2 微生物的熱死動(dòng)力學(xué)4.2.1 微生物的熱阻1)微生物對(duì)溫度的適應(yīng)性類別 最低限溫度 最適生長(zhǎng)溫度 最高限溫度 致死溫度 致死時(shí)間嗜冷菌 0 1020 30 常溫菌 5 2040 50 無(wú)芽孢60 10mim 有芽孢100幾分鐘幾小時(shí)嗜熱菌 30 5060 90 120 2030min致死溫度：殺死微生物的極限溫度。致死時(shí)間：在致死溫度下，殺滅全部微生物所需的時(shí)間。在致死溫度以上，致 死溫度愈高，致死時(shí)間愈短。542)微生物抗熱能力的度量熱阻：在特定條件下（主要是溫度和加熱方式）

24、，微生物的致死時(shí)間稱為熱阻。相對(duì)熱阻：在特定條件下，微生物1的致死時(shí)間與微生物2的致死時(shí)間之比。3)滅菌程度的度量 滅菌度: N0/N 殘存率: N/ N0 ， N0、N滅菌前后微生 物（雜菌）含量4)滅菌準(zhǔn)則：以殺滅芽孢細(xì)菌的程度為標(biāo)準(zhǔn)。554.2.2對(duì)數(shù)殘留定律微生物熱死的規(guī)律1) 數(shù)學(xué)表達(dá)式式中 t：滅菌時(shí)間 N：微生物存活數(shù)-dN/dt ：表示某一瞬間微生物的變化量 “”：表示微生物隨滅菌時(shí)間的延長(zhǎng)而減少 k ：微生物死亡速度常數(shù) k=f（微生物、溫度、加熱方式）56 邊界條件： N|t=0 = N0 (滅菌始態(tài)原有菌數(shù)) N|t=t =Ne（滅菌終態(tài)殘留菌數(shù)） 積分上式得 以 t 作

25、圖 斜率為 k 十進(jìn)制衰減時(shí)間：當(dāng)N0 / Ne=10時(shí)，D=2.303/k57 Ne的確定：Ne0，t=，沒(méi)有意義；Ne0.5，意味著兩次滅菌可能有一次染菌；一般工業(yè)上設(shè)：Ne10-3，意味著1000次滅菌可能有一次染菌。58相繼死亡模型：（此章節(jié)內(nèi)容不做考試要求） 抗熱芽孢 熱敏芽孢 死亡芽孢 （個(gè)/ml） KR、Ks 死亡速度常數(shù)（min-1） 比失活速率動(dòng)力學(xué)方程 dNR/ dt= KR NR - + dNS/ dt= KR NR KS NS -59由積分：得：（NR/ N0）= KRt NR= N0e-KRt=N0exp(-KRt)代入得: (dNs/dt)=KR N0exp(-KR

26、t) KSNS 即： (dNs/dt)+ KSNS= KR N0exp(-KRt) -一階非齊次常微分方程形如：y+p(x)y=Q(x)通解：y=e-p(x)dx Q(x)e p(x)dx dx+c60得: NS = e-Ksdt KRN0exp(-KRt) eKsdt dt+c = e-Kst KRN0exp(-KRt) eKst dt+c = e-Kst KRN0 e ( Ks KR )t dt+c = e-Kst ( N0KR/(Ks- KR) ) e(Ks- KR ) t+c由Ns|t=0=0得：c=-1則： NS/ N0= ( KR/(Ks-KR) ) e(Ks-KR) t- Kst

27、 - e-Kst = ( KR/(Ks-KR) ) e-KR t -e-Kst 61Ne/ N0= (NR+ NS) / N0 = e-KR t+( KR/(Ks-KR) ) e - KR t -e-Kst = e- KR t(Ks- KR + KR)/ (Ks- KR) - e-Kst KR/(Ks- KR) = e- KR t Ks/ (Ks- KR) - e-Kst KR/(Ks- KR) 當(dāng)Ks KR Ne/ N0 = e- KR t624.2.3 k的求取及溫度對(duì)k的影響 1) k的求取 2)溫度對(duì)k的影響阿累尼烏斯定律: k=Aexp(-E/RT)A：頻率因子(min-1) T：絕

28、對(duì)溫度(K)E：微生物熱死活化能（J/mol 或 cal/mol）R：氣體常數(shù)( 8.314J/mol*K或1.987 cal/mol*K)633)E的求取lnk=lnA-E/RT 以lnk1/T作圖 E=-R*斜率 E(kcal/mol)Q10 有芽孢微生物細(xì)胞 100 35 微生物營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞 5060 510 化學(xué)分解反應(yīng) 220 1.52 活化能越高，k對(duì)溫度越敏感，溫度對(duì)k的影響越大。644.2.4 培養(yǎng)基滅菌最佳操作條件的選擇1) 培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分分解動(dòng)力學(xué) dc/dt=-kc式中 c：營(yíng)養(yǎng)成分的濃度（mol/升） t：反應(yīng)時(shí)間 （秒） k：營(yíng)養(yǎng)成分分解速度常數(shù)（秒-1） k=f(T,反

29、應(yīng)類型)2)k與T關(guān)系k=Aexp(-E/RT) 一般 EE653）培養(yǎng)基滅菌最佳操作條件的選擇設(shè)滅菌溫度由T1升至T2，對(duì)于微生物死亡而言：（2）（1）得：66同理對(duì)于營(yíng)養(yǎng)成分的破壞而言有： （3）/（4）得：因?yàn)镋E 所以:67討論：1）T升高，k(k)也升高，但k升高的幅度大于k 升高的幅度，這對(duì)滅菌有利（無(wú)菌培養(yǎng)的基礎(chǔ)）；2）T升高，k升高，如滅菌度一定，t減少； 因此，培養(yǎng)基滅菌最佳操作條件高溫快速。 溫度對(duì)VB1破壞的影響滅菌溫度(） 100110120130140150N/N0=10-16時(shí)所需時(shí)間（min）843757.60.8510.1070.105VB1損失（%） 99.9

30、989271031 由此表求E、A、E、A684.2.5 影響培養(yǎng)基滅菌的因素1) 培養(yǎng)基中雜菌的種類和數(shù)量耐熱菌 k小 Ne/N0一定 t大 N0大 Ne和k一定 t大t大可能的后果：c/c0?。挥锌赡墚a(chǎn)生妨礙微生物生長(zhǎng)和代謝的產(chǎn)物。692）培養(yǎng)基的pH值pH 68時(shí)，微生物耐熱性最強(qiáng)；pH無(wú)窮 活塞流） N=Lk/U (反應(yīng)準(zhǔn)數(shù) Reaction Number)85則（2）式可寫成： 二階齊次常微分方程組設(shè) 代入（3）得：86即 87即通解 8889左式代入右式：得：90915.1 微生物對(duì)氧的需求及影響因素 5.1.1 微生物對(duì)氧的需求氧的作用：1) 作為呼吸鏈電子傳遞系統(tǒng)的最終電子受體

31、。2H+2e-+1/2O2 Cyta3 H2ONADH FMN CoQ Cyt b Cyt c Cyt aa3 O2 H+電子傳遞部位 線粒體膜壁真核微生物（高等原生生物） 質(zhì)膜 原核微生物（低等原生生物）2) 直接參與一些生物反應(yīng)。92 決定氧消耗速率的因素： 1)線粒體上的酶活力。 2)底物種類與濃度 3)溶解氧濃度表征氧消耗速率的物理量 呼吸強(qiáng)度（比耗氧速率）： mmol/g(dry cell)*h 攝氧率 ： mmol/l*h 的關(guān)系： x: g(dry cell)/l CL 關(guān)系： CLC臨 恒定 一般C臨 0.0030.05 mmol/l，氧飽和濃度的125。 在發(fā)酵過(guò)程中，氧不需

32、達(dá)到飽和濃度，CL C臨即可，細(xì)胞呼吸不受抑制。 93 CL的關(guān)系（溶解氧為限制性底物）： 其中 ：最大比生長(zhǎng)速度（1/h） K0：某一系統(tǒng)飽和常數(shù) 與K0求取： 與 的關(guān)系： =K (合成產(chǎn)物和維持代謝的呼吸忽略時(shí)) 與CL的關(guān)系： m：微生物最大呼吸強(qiáng)度，通?？僧?dāng)作微生物固有的對(duì)O2的需求值。 討論：滿足雙曲線形式 當(dāng)CL K0 ，恒值。94 1）培養(yǎng)基（成份、濃度）補(bǔ)料增加礦物質(zhì)濃度 2）菌種與菌齡 不同菌種有不同的 、 同一菌種年輕菌絲3）菌體濃度 菌體濃度 注意：與代謝產(chǎn)物形成之間沒(méi)有固定關(guān)系 5.1.2影響微生物需氧量的因素95 4）培養(yǎng)條件：T m5）其它因素有毒代謝產(chǎn)物的形成積

33、累；NH3、 CO2等不能及時(shí)排出 影響生長(zhǎng)揮發(fā)性中間產(chǎn)物的損失；動(dòng)植物油等消泡劑被利用。965.2 培養(yǎng)過(guò)程中氧的傳遞5.2.1氧在液體中的溶解特性：1）溫度 T 溶解性2）溶液性質(zhì)： 不同溶液（在相同溫度、氣體分壓）不同溶解度； 水 1atm 25 溶解度 0.26mmol/l 發(fā)酵液 1atm 25 溶解度 0.20mmol/l 同一溶液 溶質(zhì)濃度 溶解度 3）氧的分壓： 97985.2.2 氧傳遞的各項(xiàng)阻力99傳遞過(guò)程：14供氧方面的阻力，59耗氧方面的阻力；傳遞阻力及其表示： ：傳遞系數(shù)(m/s)游離細(xì)胞： = =0; 細(xì)胞吸附在氣液界面： =0; 、 較小， 與細(xì)胞外徑平方成正比；

34、攪拌、工藝條件合理，結(jié)團(tuán)現(xiàn)象少， 較小；生長(zhǎng)條件合適、代謝產(chǎn)物及時(shí)排出， 較小。100總阻力R=1/k1+1/k2+1/k9傳遞動(dòng)力及其表示： 或氧傳遞速率（穩(wěn)態(tài)）：NA=總推動(dòng)力/總阻力 （mol/m2*s）101假設(shè)：把氣液相視作兩個(gè)靜止的膜：氣膜、液膜。視膜內(nèi)傳遞為分子擴(kuò)散過(guò)程。界面上氣液兩相呈平衡狀態(tài)，服從亨利定律。氣相到液相的傳質(zhì)過(guò)程視作穩(wěn)定串聯(lián)過(guò)程（膜上無(wú)積累、一維擴(kuò)散）。102方程的建立：1）單位界面積上氣相組分A的傳遞速率方程式： NA= = = = (mol/m2*s) ：氣液膜傳質(zhì)系數(shù)； ：界面上組分A氣體分壓與液體濃度； P CL ：氣相主體組分A分壓 與液相主體組分A的

35、濃度103 、 難測(cè)定，NA= = = = (mol/m2*s) 式中，KL：以濃度差表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)； KG：以氧分壓差表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)； P*：與液相中CL成平衡時(shí)的氣相分壓； C*：與氣相中P成平衡時(shí)的液相中溶解氧濃度（飽和濃度）。104KG KL與kg kl的關(guān)系：105同理：106由于 H1，1072）單位體積氧傳遞速率(OTR)方程式 a :單位體積液體中所含的氣液接觸面積（m2/m3） :體積氧傳遞系數(shù)、供氧系數(shù)，表征通氣攪拌效果及通氣效率(1/h)。雙模理論的研究和建立已有長(zhǎng)久的歷史，從理論到解決工程問(wèn)題都較為成熟，因而目前仍被認(rèn)為是工程上解決傳氧問(wèn)題的基本理論和方法。單位體積氧傳遞速率(OTR)方程式(mol/m2*s)(mol/m3*s)單位界面積上氣相組分A的傳遞速率方程式單位體積氧傳遞速率(OTR)方程式1085.2.4 發(fā)酵液中溶解氧濃度的變化規(guī)律 = 傳氧速率耗氧速率 (mol/m