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发酵工程基本原理

作者:微彩票 发布日期:2020-08-07 08:00



  发酵工程基本原理_能源/化工_工程科技_专业资料。发酵工程基本原理 一、培养基灭菌原理 ? 对数残留定律 微生物受热死亡的原因,主要是因高温使微生物体内的一些重要 的蛋白质,如酶等发生凝固、变性,从而导致微生物无法生存而死亡。 微生物受热丧失活力

  发酵工程基本原理 一、培养基灭菌原理 ? 对数残留定律 微生物受热死亡的原因,主要是因高温使微生物体内的一些重要 的蛋白质,如酶等发生凝固、变性,从而导致微生物无法生存而死亡。 微生物受热丧失活力,但是其物理性质不变。在一定温度下,微生物 的受热死亡遵照分子反应速率理论。在灭菌过程中,活菌数逐渐减少, 其减少量随残留活菌数的减少而递减,即微生物的死亡速率与任一瞬 时残存的活菌数成正比,此死亡规律称为对数死亡定律。 培养基灭菌动力学 ? 对数残留定律 ? dN ? KN dt N ? 残存活菌数 t ? 灭菌时间(s) K ? 灭菌速度常数( s-1),也称为比死亡速度 常数 dN ? 活菌数瞬时变化速率, 即死亡速率 dt 培养基灭菌动力学 ? 对上式积分得: Nt ? e?kt N0 t ? 1 ln N0 ? 2.303 lg N0 K Nt K Nt N0 ? 开始灭菌(t ? 0)时原有活菌数; Nt ? 经时间t后残存活菌数。 上式是计算灭菌的基本公式,灭菌速率常熟K是判断微生物受热死亡难易 程度的基本依据。各种微生物在同样的温度下K值是不同的, K值越小, 此微生物越耐热。 二、空气除菌 ? 发酵对空气无菌程度的要求 ? 1、连续提供一定流量的压缩空气。 VVM的意义是单位时间(min)单位体积(m3)培养基中通入 标准状况下空气的体积(m3),一般为0.2-2.0。 ? 2、空气的压强(表压)为0.2-0.4 MPa。 ? 3、进入过滤器之前,空气的相对湿度φ≤60。 ? 4、进入发酵罐的空气温度可比培养温度高10-30℃。 ? 5、压缩空气的洁净度,在设计空气过滤器时,一般取失 败概率为10-3为指标。 介质过滤除菌—除菌流程 介质过滤除菌—除菌流程 ? 粗过滤器:安装在空压机的吸入口前,又称前置过滤器。作用是拦 截空气中较大的灰尘,同时起到一定的除菌作用,减轻总过滤器的负 担。过滤介质采用泡沫塑料和无纺布,设计流速为0.1-0.5m/s。 介质过滤除菌—除菌流程 ? 空气压缩机:提供动力,克服随后各设备的阻力。目前常用的空压 机有往复式、螺杆式和涡轮式空压机。空压机的选用应根据空气用量, 结合本地实际及空压机的特点合理选用。一般不提倡单台空压机。 介质过滤除菌—除菌流程 ? 空气储罐:作用是消除压缩空气的脉动,这对往复式压缩机尤为重 要。储罐的H/D=2-2.5,其容积可按下式估算: VR ? (0.1 ? 0.2)VA VA ? 空气压缩机每分钟排气量, m3 介质过滤除菌—除菌流程 ? 冷却器:空压机出口温度一般在120℃左右,必须冷却。 另外,在潮湿地区和季节空气中含水量高,为了避免过滤 介质受潮失效,冷却还可以达到降湿的目的。 介质过滤除菌—除菌流程 ? 气液分离设备:作用是除去空气中的水和油,保护过滤介质。气 液分离设备有两类:一是利用离心力沉降的旋风分离器;二是利用惯 性拦截的介质分离器,如丝网分离器。 介质过滤除菌—除菌流程 ? 空气加热器:经过分离器的空气的相对湿度为100%,在 进入过滤器之前必须把相对湿度降到60%以下,所以要对 空气进行加热。加热设备一般采用列管换热器或套管式加 热器。 介质过滤除菌—除菌流程 ? 过滤器: 过滤器进行灭菌时,一般是自上而下通入0.20.4MPa的蒸汽,灭菌45min左右后,用压缩空气吹干备用, 总过滤器约每月灭菌一次。为了使总过滤器不间断地进行 工作,一般应有一个备用,以便灭菌时替换使用。 三、氧的传递 ? 培养过程的氧的传递 氧从空气泡传递到细胞的过程中需要克服以下几种阻力: 从气相主体到气液界面的气膜传递阻力 1/Ka 气液界面的传递阻力 1/Ki 从气液界面通过液膜的传递阻力 1/KL 液相主体的传递阻力 1/KLB 细胞或细胞团表面的传递阻力1/KLC 固液界面的传递阻力1/KIS 细胞团内的传递阻力1/KA 细胞壁的阻力1/KW 反应阻力1/KR ? 对于难溶气体(如氧),气膜传递阻力与液膜传递阻 力之比可以忽略不计,即1/HkG1/kL,因此kL=KL 在单位体积培养液中,氧的传递速率为: OTR ? KLa(C * ?CL ) OTR-单位体积培养液中的氧传递速率mol/m3s 氧传递系数的测定 ? 亚硫酸盐氧化法 ? 该法在反应器中加入亚硫酸钠溶液,进行通气搅拌,使亚硫酸钠与溶 解氧生成硫酸钠。由于亚硫酸盐的氧化速率远高于氧的溶解速率,使 上述反应速度由气液相的氧传递速度控制。通过用碘量法测定亚硫酸 钠的消耗速率,便可根据亚硫酸钠的氧化量来求出氧的传递速率V。 因为反应进行得很快,液相中氧的浓度为零就可得: V ? KLa (C? ? CL ) ?CL ? 0 ?V ? KLaC? 计算时,常采用罐压P作为推动力,同时由于溶液中氧的分压为零,上式可 写成: V=KGaP 四、生物反应器 ? 机械搅拌发酵罐 ? 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常 用类型之一。 ? 这种发酵罐既具有机械搅拌装 置,又具有压缩空气分布装置。 发酵罐的搅拌轴既可置于发酵 罐的顶部,也可置于其底部。 四、生物反应器 ? 机械搅拌发酵罐基本条件 (1)发酵罐应具有适宜的高径比。 (2)发酵罐能承受一定的压力。 (3)要保证发酵液必需的溶解氧。 (4)发酵罐应具有足够的冷却面积。 (5)发酵罐内应尽量减少死角,避免积藏污垢,灭菌能彻底,避免染菌。 (6)搅拌器的轴封应严密,减少泄漏。 四、生物反应器 四、生物反应器 ? 标准通用式发酵罐 ? 壳体:提供一个封闭的环境,防止杂菌污染,同时为了高 温灭菌,要求罐体设计的使用压力达到0.3MPa以上。 ? 控温部分:在发酵罐上装有测温的传感仪及冷却和加热用 的夹套或盘管。一般容积在5M3以下的发酵罐采用外加套 作为传热装置;容积大于5M3的发酵罐一般采用立式蛇管 作为传热装置。 四、生物反应器 ? 标准通用式发酵罐 ? 搅拌部分:多采用涡轮搅拌桨,一般在一根轴上安装多个搅拌桨,常 用的搅拌桨有平叶式、弯叶式和箭叶式等三种类型。搅拌器使被搅拌 的液体产生轴向流动和径向流动。 四、生物反应器 ? 标准通用式发酵罐 ? 通气部分:空气分布器一般 采用单孔管,开口往下,可 尽量避免固体物料在管口堆 积或在罐底沉降。 ? 进出料口:主要为进料和出 料用,同时还用补料口等。 四、生物反应器 ? 标准通用式发酵罐 ? 测量系统:传感系统,用以测量pH、溶氧等,传感器要 求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。 ? 消泡装置:有耙式消泡器、半封闭式涡轮消泡器、离心式 消泡器、碟片式离心消泡器。 ? 附属系统:包括视镜、挡板等。 五、发酵动力学 发酵过程反应速度的描述 X S(底物) ─→ X(菌体) + P(产物r ? ?)ds dt 基质: dS ? ?? X dt 菌体: dX ? ? X dt 产物: dP ? ? X dt 六、发酵动力学 ? 发酵过程的比速率计算: 基质比消耗速率: r ? ? dS ? 1(h-1) dt X 菌体的比生成速率: ? ? dX ? 1(h-1) dt X 产物比生成速率: ? ? dP ? 1(h-1) dt X

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