生物工程设备课件

绪论1、生物技术的发展过程2、生物过程工程学基本概念3、生物技术设备的基本概念4、生物过程工程概述5、课程内容和任务1、生物技术的发展过程1.1现代生物技术的产生1.2现代生物技术的前景和发展生物技术的定义和特点KarlEreky(1917):用甜菜（原材料）大规模饲养猪（生物）生物技术（Biotechnology）:是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物作用剂（biologicalagent）的作用将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。国际经济合作及发展组织生物作用剂：酶、生物细胞或生物体生物工程与生物技术异同国外：生物工程不涉及化学催化反应过程，仅生物过程与物理过程的结合。生物技术指生物催化反应过程。国内：前者为广义概念，为技术系统；后者为狭义的概念，指工艺操作方法与技能生物技术三大特点：（1）多学科性和综合性（2）依靠生物为生物催化剂：自催化（3）体现了生物反应过程生物学化学工程工程学化学生物工程生物化学生物技术新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？现代生物技术的产生现代生物技术是随着DNA重组技术发展而提出来的，前者的研究是以后者为有效手段的。现代生物技术是以DNA重组技术为手段，依靠清洁经济的生物反应器，利用可再生资源加工人类所需产品的可持续发展技术。1.2现代生物技术的前景和发展21世纪的朝阳产业生物技术的研究是以商业化产品为导向的，生物技术同时也推动着经济的发展。

现代生物技术产品可广泛应用于医药卫生、农林牧渔、海洋、轻工食品、化工、能源等领域。可以解决面临的人口、资源和环境等一系列可持续发展问题。现代生物技术最新进展（1）人类基因组序列工作框架图的完成(HGP)（2）生物芯片(Biochips,DNAchips,proteinchips)（3）动植物生物反应器(Bioreactor)显微注射法构建的产人蛋白的转基因羊显微注射针显微注射系统工业生物技术能源生物技术：生物乙醇环保生物技术：生物降解生物材料：聚乳酸、聚谷氨酸提升传统产业：化学工业、制药工业、发酵工业RenewablerawmaterialsBiofuelsBiomaterialsChemicalsCellFactoryIndustrialbiotechnology:

Gatewaytoamoresustainablefuture工业生物机器－理想的生物炼制厂一种太阳能利用大型机器▲制造成本最低▲净化空气与清洁环境▲运行成本最低2、生物过程工程学基本概念

生物反应过程是整个生物生产过程的核心，其它过程都是为生物反应过程服务的。

2.1工程理念2.2工程学基本概念2.1工程理念

工程学是研究工业生产过程系统规律性的科学，探索如何有效的在合理的生产设备将原料转变为工业产品的科学。必须有以下四种工程理念(engineeringthought)：

理论上的正确性(validtheory)；技术上的可行性(technicalfeasibility);操作上的安全性(safetyoperation)；经济上的合理性(economicalrationality)。工程学的观点目的产物中心观点能量最小的观点细胞经济与生产经济矛盾的观点

细胞代谢调控机制使其代谢反应有序进行，处于平衡生长则无代谢物积累，称为细胞经济;通过改变细胞基因型改变代谢途径或改变培养条件控制代谢，过量表达代谢产物对细胞能量利用和细胞组成物质的合成都是不经济的，这种细胞叫做”病态”细胞2.2工程学基本概念衡算概念质量衡算、热量衡算和动量衡算速率概念速率问题是理论上的正确性合技术上的可行性的一个重要的衡量标志和判断标准。过程速率=f(过程的推动力/过程的阻力)

最优化概念最优化方法所研究的中心问题是如何根据系统的特性去选择满足控制规律的参数，使得系统按照要求运转或工作，同时使系统的性能或指标达到最优化。以动力学为基础的最佳工艺控制点的静态操作方法向以细胞代谢流的分析与控制为核心的生物反应最优化技术经济概念不管是在小试、中试还是示范工程建设中都必须始终贯穿着技术经济概念，这样才能保证所开发的生物技术方案的科学性和合理性。上游生物技术工程化的概念随着基因重组技术、蛋白质修饰技术、细胞融合技术和固定化技术的逐步成熟，其上游生物技术已进入工程化阶段。细胞代谢和培养工艺过程一体化的概念转入GFP基因的动物细胞3、生物工程设备的基本概念3.1生物技术工艺与设备3.2生物工程设备3.1生物技术工艺与设备生物技术工艺包含了一系列的生物反应过程、化学反应过程和物理操作过程，需相应设备中进行。其核心为生物反应过程。生物工程设备的发展可以促进生物技术产品的开发和生产。生物工程设备技术在现代生物技术产业中具有十分重要的地位。3.2生物工程设备生物工程设备的特点生物工程设备的发展历程生物工程设备的工作领域生物工程过程与设备生物工程设备的特点（1）对于所有微生物或动植物细胞来讲，提供必要和足够的营养和能量，才能维持其生命代谢活动。（2）培养基原料的预处理不仅影响细胞代谢生长，而且对于培养基原料成本大小和是否造成环境污染等具有决定性影响。（3）如何合理的设计种子培养系统，以及各级种子培养时间和接种比例，达到种子系统与生产培养过程合理配套，获得最大的得率。（4）生物反应过程中的细胞培养一般都是纯种培养过程。（5）如何保证足够的氧气供给，又尽可能节省能量，是好氧培养过程的重要组成部分。（6）从培养液中得到所需产品的合适、高效、低成本的分离纯化方法，是决定生产成败的关键。生物工程设备的发展历程生物技术的发展过程是以某一个生物过程工程与设备成熟为标志的，有以下五个发展阶段：（1）传统经验制造技术（天然发酵阶段）：坛坛罐罐（2）纯种培养技术的成熟（初级代谢产物生产阶段）：简单设备（3）通气搅拌技术的成熟（好氧培养阶段）：机械通风培养设备（4）代谢控制发酵技术的成熟：气升式生物等反应器出现及配套设备出现（5）基因重组技术的成熟（现代生物技术阶段）：分离提取、动植物细胞培养反应器等出现、自动化控制（6）生物催化工程发展阶段：生物催化的新型设备及设备流程在工业生产中得到应用生物工程产业范例：青霉素1928.09.15,弗莱明发现青霉素，效价很低，后来放弃二战中对青霉素需求量极大，弗洛里和钱恩发明工业化生产盘尼西林。采用表面培养：1L锥形瓶，200mL培养液，40U/mL，提取纯度20%，收率35%，1kg需80,000培养瓶，售价几万美元，黄金价格。通气搅拌发酵：5m3发酵罐，200U/mL目前：发酵罐体积可达100m3

以上，80,000U/mL以上

青霉素结构培养中的青霉菌二战中青霉素发酵场景Bioreactorforaerobiccultivationwithimpellerandmechanicalfoamdisruptor.ColorfulBioreactor(fromgenetoprotein)Establishmentofplantcellcultures动物细胞一次性培养装置生物工程设备的工作领域为传统生物技术产业的改造和现代生物技术产业提供高效率的生物反应器、现代分离纯化材料和技术以及相关的工程装备技术，还提供单元化生产设备、工艺过程最优化、在线自动控制、系统集成设计等工程概念与技术。生物工程过程与设备生物医药技术Biotechnology,todayandtomorrow,Gist-brocades,1991.规模化白酒液态发酵设备小型生物反应器大型生物反应器外观及内部结构A50literanimalcellculturebioreactorbuiltbyABECInc天然发酵典型的生物技术工艺－啤酒酿造流程聚乳酸规模化生产生物技术产业化过程与生物过程工程与设备之间的关系课程内容和任务内容：生物工程专业的一门主干专业课程，从生物工程的研究内容和范畴出发，根据生物工程设备共性技术，阐述生物生产过程中的主要设备的作用原理、设计方法任务研究生物过程工程及设备的相关问题，了解生物技术和生物工程研究前沿，认识原料处理设备、生物反应设备、生物分离设备的应用与研究开发现状及发展趋势，掌握生物过程设备流程、主要设备的结构、设计计算、工程放大、优化控制等技术。独立地解决生物工业生产、实验研究及技术开发方面的设备问题。

生物质原料处理过程与设备2009.09.18内容第一节生物质原料筛选与分级第二节生物质原料的粉碎第三节生物质原料固体间的混合第一节生物质原料筛选与分级1、生物质原料筛选与分级设备1.1磁力除铁器（1）永磁溜管2～3个盖板，每个盖板上装有两组前后错开的磁铁。连续磁选、拆板清理。（2）永磁滚筒机构包括进料装置、滚筒、磁芯、机壳和传动装置等。磁芯，由锶钙铁氧体永久磁铁和铁隔板按一定顺序排列成170°的圆弧形，安装在固定的轴上。磁芯一般固定不动。

RCYG永磁传动滚筒1.2精选机精选目的：除杂粒，除去伤残粒，因为大麦发芽时伤粒易生霉。精选机适用于颗粒状物料，按颗粒长度分级。精选机理：利用带有袋孔（窝眼）的工作面来分离杂粒物料，袋孔中嵌入长度不同的颗粒，带升高度不同而分离。

（1）碟片式精选机主要构件是一组同轴安装的圆环形铸铁碟片，其两侧工作面制成许多特殊形状的袋孔，当碟片在粒状物料中转动时，短粒物料就会被嵌入袋孔而被带到较高位置，由于孔底逐步向下倾斜，短粒物料受本身重力作用再从袋孔中倒出，落入收集槽中。长粒物料因其长度较袋孔长，虽有可能进入袋孔，但因其重心仍在袋孔之外，当碟片还未带到一定高度，即从袋孔中滑落，因而达到长短粒物料的分离目的。(2）滚筒式精选机主要构件是一个表面开有袋孔的旋转圆筒。长粒物料不能进入袋孔，在进料压力和滚筒倾斜的影响下向滚筒另一端移动流出，短粒物料则嵌入袋孔被带到较高位置，落入中央收集槽中，由螺旋输送机送出从而得到分离。滚筒式精选机

1.3筛选分级设备生产中往往需要将粒度的不同物料分级，来进行不同的处理，这就需要筛选分级。筛选操作筛选设备一般分为振动筛和转筒筛两种。（1）振动筛筛选和风选三级振动筛平面筛振动筛振动筛生产能力计算，kg/hB：筛宽，m；q:单位筛宽流量，kg/(m.h)近似计算：，kg/hB0-筛面有效宽度，m;h-筛面物料层厚度，m，h=1~2d，d为物料最大直径Vcp-物料沿筛面运动的平均速度，m/sφ-物料松散系数，取0.36~0.64ρ-物料的密度，kg/m3（2）转筒筛物料从小孔端进入，由大孔端排出，从而分出三个级粒。倾斜角3～5°圆周速度0.7～1.0m/s滚筒筛产能：G=qπDLφq-单位筛面负荷量，kg/m2；D-筛面直径，m；L-筛筒长度，m；φ-筛面有效系数2、生物质原料的粉碎粉碎指大块固体物料破碎成小块物料，或小块物料进一步破碎成粉末状物料。物料粉碎的必要性：溶解、混合和反应。机械粉碎的5种形式（5种粉碎力）：挤压、冲击、研磨、劈力和剪切。粒径范围:粗碎.原料粒度40～1500mm，成品粒度5～50mm中细碎.原料粒度5～50mm，成品粒度0.1～5mm微粉碎.原料粒度5～10mm，成品粒度＜100μm超微粉碎.原料粒度0.5～5mm，成品粒度＜10～25μm粉碎比（粉碎度），粉碎前后的粒度比。

粉碎比，粗碎为2～6，中、细碎为5～50，磨碎为50以上。总粉碎比是经过几道粉碎步骤后的总结果。根据物料的特性，以及粉碎要求选择合适的粉碎方法。任何一种粉碎机，都是几种方法的结合。粉碎设备：（1）锤式粉碎机适用范围:中等硬度物料的中、细碎，脆性物料。锤刀：可拆换，可摆动避开硬物。高碳钢和锰钢，可两头调换使用。工作原理：物料从上方料斗加入，在悬空状态下就被锤的冲击力所破碎。然后物料被抛至冲击板上，再次被击碎。此外物料在机内还受到挤压和研磨的作用。锤式粉碎机产能与动力消耗计算产能：圆孔V0=π/4*d02dμd0-筛孔直径，m；d-产品粒度，m；

μ-排料系数方孔：V0=LCdμ总产能：V=60V0KnZK-锤刀排数；n-转速，r/min；Z-总孔数动力消耗：N＝AD2LnA-系数；D-锤刀末端直径，m；L-转子轴向长度，m；n-转速，r/min；（2）盘磨机两个带沟纹的圆盘，一个和轴一起转动，另一个固定在外壳上，物料由料斗进入圆盘中心，由于离心力的作用，物料在两个圆盘缝隙中向外甩出，并受到圆盘的研磨和剪切作用而被粉碎，间隙可调。若两圆盘同时反向旋转，则研磨剪切作用更强。（3）球磨机由转筒和硬质球体组成。球体随筒旋转而升起，当球的重力大于所受的离心力时落下，对物料产生撞击，同时靠近筒壁的物料也可为圆球所研磨，转速过快和过慢都没有撞击作用，粉碎效果差。通常，球磨机的合适转速可按下式求得：D——

转筒直径（m）圆球由硬质耐磨材料制成，如锰钢、铬钢、辉绿岩等，也可选用鹅卵石。

球磨机湿法粉碎设备无粉尘分散微粒化、广泛湿式粉碎设备主要包括输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分可用于生物行业、染料、涂料、颜料、医药、农药、合成纤维、皮革化工及化妆品、电子、食品等行业（4）辊式粉碎机a.两辊式粉碎机

主要工作机构为两个相对旋转的平行装置的圆柱形辊筒，物料通过辊筒对其的摩擦作用而被拖入两辊的间隙中被粉碎。辊筒：有的表面光滑，有的表面有齿、有的表面有凸棱或凹槽。作用力：挤压、剪切和研磨。（等速转动，有转速差）b.四辊式粉碎机原料经第一对辊筒粉碎后，由筛选装置分离出皮壳排出，粉粒再进入第二对辊筒粉碎。c.五辊式粉碎机前三个辊为光辊，后两个为丝辊。即先挤压破碎，可以使生物质原料的皮壳不致粉碎的太细而影响后序工作最后挤压研磨粉碎成细粒细粉。d.六辊式粉碎机同五辊式粉碎机，三对辊筒，前两对为光辊，后一对为丝辊。辊式粉碎机生产能力及功率计算产能及功率计算产能计算：Q=120πDnLbγφD-辊筒直径，m；L-辊筒长度，m；n-辊筒转速，r/min；b-隙宽，（0.1-0.15mm）；

γ-物料容量，kg/m3；φ-填充系数功率计算：N=0.735KG/dnK-系数，取100~110；G-产能，t/h；d-麦芽腹径，cm；

N-滚筒转速，r/min；超细粉碎理化性质改变大生物材料难处理应用有限，发展迅速超微粉碎机械超微粉碎振动磨胶体磨冲击式超微粉碎机JTM-系列胶体磨

大型超细搅拌磨气流超细粉碎机超微粉碎应用:提升珍珠价值纳诺卡3.生物质原料固体间的混合

固体混合依靠机械作用，粒状成分在混合的同时，因为性质差别，同时伴以分离过程，所以，这种混合只能达到总体的均匀而不能达到局部的均匀性。（1）固体混合的机理对流混合：固体粒子的循环流。剪切混合：粒子间相互滑动和撞击产生。扩散混合：存在状态不同而产生的局部混合作用。（2）混合设备a.回转型混合机水平圆筒型混合机与倾斜圆筒型混合机

水平圆筒型混合机仅靠扩散作用混合，效率低。倾斜圆筒型混合机混合效果较好，有两种倾斜方式，两轴心重合并与水平面成一定角度，物料作螺旋混合。另一种是圆筒轴和旋转轴成一角度，物料呈复杂的环状移动。V型混合机由两个圆筒V型交叉结合，交角80°或81°，减小交角可提高混合程度。主要靠粒子反复的分离与合一而达到混合作用。双锥型混合机b.固定型混合机搅拌槽式混合机：螺旋带状搅拌器，中心两端搅拌。回转圆盘型混合机：高速旋转的圆板离心力作用。CH-系列双浆槽式混合机

CH-系列单浆槽式混合机锥形混合机：锥形内的螺旋推进器既公转也自转。自转使物料自底部上升，公转作用使物料全范围内产生漩涡和上下循环运动。流动型混合机：高速回转的搅拌叶对物料产生剪切和离心作用，形成对流混合。DSH型悬臂非对称双螺旋锥形混合机

DSH悬臂双螺旋锥形混合机A型和B型生物质原料为什么要进行预处理?预处理包括哪些内容?机械粉碎的5种形式（5种粉碎力）：挤压、冲击、研磨、劈力和剪切。常用的粉碎设备筛选除杂设备

生物细胞培养基制备设备2009.09第一节液体培养基的灭菌概述湿热灭菌原理和影响灭菌的因素连续灭菌流程分批灭菌过程与设备概述现代生物技术工业涉及的生物培养往往是纯种培养，需对培养基等进行灭菌。染菌的危害：生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主；杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难杂菌会降解目的产物；杂菌会污染最终产品，杂菌会污染最终产品；发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。灭菌的定义定义：是指从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子，或从中将其除去。工业规模的液体培养基灭菌主要是杀灭杂菌。灭菌与消毒的区别：灭菌是用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。而消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。生物工程工业上防止杂菌污染的措施

1）使用的培养基和设备须经灭菌；

2）好氧培养中使用的空气应经除菌处理；

3）设备应严密，生物反应器维持正压环境；

4）培养过程中加入的物料应经过灭菌；

5）使用无污染的纯粹种子。培养基灭菌的目的和要求目的：杀灭培养基中的微生物，为后续发酵过程创造无菌的条件。要求：达到要求的无菌程度(杂菌污染降低到被处理的每1000罐中只残留1个活菌的程度,10-3个/罐）；尽量减少营养成分的破坏。在灭菌过程中，培养基组分的破坏是由两个基本类型的反应引起的：培养基中不同营养成分间的相互作用；对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等的分解。灭菌的方法化学法化学药品灭菌法：甲醛、苯酚等物理法干热灭菌法湿热灭菌法（生物工程工业常用方法）射线灭菌法1.湿热灭菌原理和影响灭菌的因素湿热灭菌的原理：主要是因高温使微生物体内的一些重要蛋白质，如酶等，发生凝固、变性，从而导致微生物无法生存而死亡。致死温度与致死时间：杀死微生物的极限温度称为致死温度。在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间称为致死时间；在致死温度以上，温度愈高，致死时间愈短。微生物的热阻和相对热阻：前者是指微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间。后者是指某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。各种微生物对湿热的相对热阻微生物相对热阻营养细胞和酵母1.0细菌芽孢3×106霉菌孢子2~10病毒和噬菌体1~5某些微生物的相对热阻灭菌方式大肠杆菌霉菌孢子细菌芽孢噬菌体或病毒干热灭菌12-1010001湿热灭菌12-103×1051-5苯酚11-21×10930甲醛12-102502紫外线15-1002-55-10湿热灭菌的优点蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底；蒸汽有很大的潜热；操作方便，易管理。1.1湿热灭菌的理论基础将培养基中的杂菌总数N0杀灭到可以接受的总数N（10-3），需要多高的温度、多长的时间为合理。灭菌温度和时间的确定取决于：杂菌孢子的热灭死动力学反应器的形式和操作方式培养基中有效成分受热破坏的可接受范围微生物的热死灭动力学方程：对数残留定律微生物营养细胞的均相热死灭动力学符合化学反应的一级反应动力学，即：

N-任一时刻的活细菌浓度，个/L；t-时间，min；K-比热死速率常数，min-1，越小越耐热

细菌孢子的热死灭动力学与营养细胞的有所不同。它表现为非对数的死亡动力学。但当温度超过120˚C时，热阻极强的嗜热脂肪芽孢杆菌孢子的热杀灭动力学也接近对数死亡动力学即符合一级反应规律。取边界条件t0=0，N=N0，对上式积分得

或为理论灭菌时间的对数残留规律公式。问题：能不能做到绝对无菌？温度对K的影响微生物的热死灭动力学接近一级反应动力学，它的比热死灭速率常数K与灭菌温度T的关系可用阿累尼乌斯方程表征

A-频率因子，min-1ΔE-活化能，J/mol

R-通用气体常数，J/（mol.k）活化能ΔE的大小对K值有重大影响。其它条件相同时，ΔE越高，K越低，热死速率越慢。∆E/R是微生物受热死亡时对温度敏感性的度量，值越大，表明微生物死亡速率随温度的变化越敏感，在灭菌中∆E/R是很重要的常数。不同菌的孢子的热死灭反应ΔE可能各不相同。对（4）两边取对数，得微生物死亡速度常数K与温度的关系K是ΔE和T的函数，K的对T的变化率与有关，对（5）两边对T的导数，得由该式可得出结论：反应的ΔE越高，lnK对T的变化率越大，即T的变化对K的影响越大试验表明，细菌孢子热死灭反应的ΔE很高，而某些有效成分热破坏反应的ΔE较低。将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的ΔE很低，温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少物质ΔE（J/mol）维生素B1296232维生素B1盐酸盐92048嗜热脂肪芽孢杆菌孢子283257肉毒梭菌孢子343088枯草杆菌孢子317984孢子热死灭和营养成分破坏活化能ΔEBS=67000×4.184（J/mol）ΔEVB=22000×4.184（J/mol）将灭菌温度从105˚C提高到127˚CKVB从0.02（min-1）提高到0.06（min-1

）KBS从0.12（min-1）提高到40.0（min-1

）嗜热脂肪芽孢杆菌孢子和维生素B1的lnK-1/T图绝对温度倒数，1/T（·K）×10-32.12.22.32.42.52.62.72.8嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死灭程度为N/N0=10-16时，灭菌温度对维生素B1破坏的影响灭菌温度（˚C）达到灭菌程度的时间（min）维生素B1的损失（%）10084399.9911075891207.6271300.851101400.10731500.01511.2影响灭菌的因素培养基成分培养基的物理状态培养基中氢离子浓度培养基中微生物数量微生物细胞含水量微生物细胞菌龄微生物的耐热性空气排出情况搅拌泡沫1、培养基成分培养基中脂肪、糖分和蛋白质的含量越高，微生物的热死亡速率越慢在热死温度下，脂肪、糖分和蛋白质等有机物质在微生物细胞外面形成一层薄膜，它能有效保护微生物细胞抵抗不良环境，因此需较高的灭菌温度。另一些物质，如高浓度的盐类，色素等可削弱其耐热性。2、培养基的物理状态固体培养基的灭菌时间比液体培养基的灭菌时间长。其原因是液体培养基灭菌时，热的传递有对流和传导，固体培养基只有传导。对于含有少量大颗粒及粗纤维的培养基的灭菌，需提高灭菌温度，且在不影响培养基质量的条件下，采用粗过滤方法预先处理，以防培养基结块而造成灭菌的不彻底。培养基的pH与灭菌时间的关系见表。3、pH培养基的pH越低，灭菌所需时间越短。4、培养基的微生物数量：微生物数量越多，所需灭菌时间越长。5、微生物细胞含水量微生物细胞含水量越多，蛋白质的凝固温度越低，越容易受热凝固而丧失生命活力。6、微生物细胞菌龄老龄细胞对不良环境的抵抗力比幼龄细胞强，后者易被杀死。7、微生物的耐热性细菌的营养体、酵母、霉菌的菌丝体对热较为敏感，放线菌、酵母、霉菌孢子比营养细胞的抗热性强，细菌芽孢的抗热性最强。8、空气排出情况蒸汽灭菌过程中，温度的控制是通过控制罐内的蒸汽压力来实现。压力表显示的压力应与罐内蒸汽压力相对应，即压力表的压力所对应的温度应是罐内的实际温度。如果罐内空气排除不完全，压力表所显示的压力就不单是罐内蒸汽压力，还包括了空气分压，因此，此时罐内的实际温度就低于压力表显示压力所对应的温度，以致造成灭菌温度不够而灭菌不彻底。9、搅拌：有助于传质和传热。

10、泡沫泡沫中的空气形成隔层，使热量难以传递，不易达到微生物的致死温度，导致灭菌不彻底。泡沫的形成主要是由于进汽排汽不均衡，如果在灭菌过程突然减少进汽或加大排汽，则会出现大量泡沫，对易发泡沫的培养基应加消泡剂以减少泡沫量。2.连续灭菌流程连续灭菌优点：（1）提高产量；（2）产品质量较易控制；（3）蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高，操作方便；（4）适宜采用自动控制；（5）降低劳动强度。实际操作：高温灭菌时间约为15~30s，然后根据发酵类型不同在维持罐维持8~25min。2、连续灭菌流程及设备即在培养基输送至发酵罐的同时进行加热、保温和冷却而进行的灭菌。（1）连消塔-喷淋冷却连续灭菌流程（1）配料预热罐，将配好的料液预热到60~70℃，以避免灭菌时由于料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击声；（2）连消塔，是使高温蒸汽与料液迅速接触混合，并使料液的温度很快升高到灭菌温度（126~132℃）；（3）维持罐，维持料液温度，延长灭菌时间（4）冷却管，生产上一般采用冷水喷淋冷却，冷却到40~50℃后，输送到预先已经灭菌过的罐内。培养液连续灭菌流程（2）喷射加热-真空冷却流程喷射加热器以较高速度自喷嘴喷出，借高速流体的抽吸作用与蒸汽混合管道维持器：维持灭菌时间真空闪急蒸发室：由膨胀阀进入，因真空作用使水分急骤蒸发而冷却到70~80℃左右，再进入发酵罐冷却到接种温度。优点：加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏最少，可以采用高温灭菌，把温度升高到140℃而不致引起培养基营养成分的严重破坏。设计得合适的管道维持器能保证物料先进先出，避免过热。缺点：受压力影响，出料泵

（2）喷射加热-真空冷却流程（3）板式换热器灭菌流程采用薄板换热器作为培养液的加热和冷却器，培养液在设备中同时完成预热、灭菌及冷却过程，蒸汽加热段使培养液的温度升高，经维持段保温一段时间，然后在薄板换热器的另一段冷却，从而使培养基的预热、加热灭菌及冷却过程可在同一设备内完成。优点：灭菌的温度较高，灭菌时间较短，培养基的营养成分受破坏的程度较低，从而保证了培养基的质量；设备的利用率高；缺点：过程所需的设备较多，操作较为麻烦，染菌机会也相应较多

二、分批灭菌1，分批灭菌的设计在发酵罐中进行实罐灭菌，是典型的分批灭菌。全过程包括升温、保温、降温三个过程升温阶段将培养基从室温加热到灭菌温度,两种方式:用蛇管或夹套用蒸汽间接加热(到90℃),再直接通入培养基至灭菌温度直接通入活蒸汽10立方发酵罐(7吨培养基)升温需1.6吨蒸汽,保温需0.5-0.8吨蒸汽孢子热死亡的规律符合因为升温、冷却阶段T是时间t的函数，K不是常数，所以：

Kh-保温阶段的孢子比热死亡速度常数分批灭菌的灭菌常数通常以耐热芽孢杆菌为对象，其热死灭活化能为67930K/mol,A=1.34×10361/秒,R=1.987K/mol,e=2.718,为灭菌温度的单一函数，计算如下式:

lgk=-14845/T+36.127计算举例

某发酵罐内装培养基40m3,在121℃下进行分批灭菌，设每毫升培养基中含耐热的芽孢为107个，求理论灭菌时间？（分批灭菌的灭菌常数lgk=-14845/T+36.127）

解：N0=40×106×107=4×1014N=0.001lgk=-14845/T+36.127=-14845/(273+121)+36.127=-1.55k=0.0281s-1

τ=1/klnN0/N=1/0.0281ln4×1014/0.001=1442.6s=24min连续灭菌计算灭菌温度131℃，灭菌常数为0.25s-1，求灭菌保温时间。解：τ＝1/klnN0/Nτ＝162.1s=2.7min因维持罐有返混，实际维持时间为理论灭菌时间的3－5倍（一）分批灭菌操作要点设备严密度温度与气压是否对应。培养基及发酵设备的灭菌包括分批灭菌（也称实罐灭菌或实消）、空罐灭菌（空消）、过滤器及管道灭菌等。保证间歇灭菌成功的要素内部结构合理(主要是无死角)，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象压力稳定的蒸汽合理的操作方法。发酵罐的接管图总蒸汽管道压力要求不低于0.3-0.35Mpa，使用压力不低于0.2Mpa。空消：一般维持罐压0.15~0.2Mpa，罐温125~130℃，保持30~45min；灭菌流程与罐相连的分空气过滤器用蒸汽灭菌并用空气吹干。将输料管路内的污水放掉冲净，培养基泵送至发酵罐（种子罐或料罐）内，同时开动搅拌器进行灭菌。灭菌前先将各排气阀打开，将蒸汽引入夹套或蛇管进行预热，待罐温升至80~90℃，将排气阀逐渐关小。将蒸汽从进气口、排料口、取样口直接通入罐中，使罐温上升到118~120℃，罐压维持在0.09~0.1Mpa（表压），并保持30min左右。各路进气要畅通，防止短路逆流，罐内液体翻动要激烈；各路排汽也要畅通，但排汽量不宜过大，以节约用气量。保温阶段，凡进口在培养基液面以下的各管道及冲视镜管都应进汽；凡开口在液面之上者均应排汽。管路在实消时均应遵循“不进则出”的原则。保温结束后，依次关闭各排汽、进汽阀门，待罐内压力低于空气压力后，向罐内通入无菌空气，在夹套或蛇管中通冷却水降温培养基间歇灭菌过程中应注意的问题温度和压力的关系泡沫问题投料过程中，麸皮和豆饼粉等固形物在罐壁上残留的问题灭菌结束后应立即引入无菌空气保压连续灭菌与间歇灭菌的比较1，连续灭菌的优缺点优点保留较多的营养质量容易放大较易自动控制；糖受蒸汽的影响较少；缩短灭菌周期；在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；发酵罐利用率高；蒸汽负荷均匀。缺点：设备比较复杂，投资较大。2，分批灭菌的优缺点优点设备投资较少染菌的危险性较小人工操作较方便对培养基中固体物质含量较多时更为适宜缺点灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。发酵罐的灭菌培养基的灭菌如果是采用连续灭菌法。则发酵罐应在加入灭菌的培养基前先行单独灭菌。通常是用蒸汽加热发酵罐的夹套或设管并从空气分布管中通入蒸汽，充满整个容器后，再从排气管中缓缓排出。容器内的蒸汽压力保持1公斤，20分钟。在保温结束后，关键是随即通入无菌空气，使容器保持正压，防止形成真空而吸入带菌的空气。分批灭菌的计算间接加热:加热时间的计算温度不变,培养基温度升高,G-培养基重量,公斤c-培养基比热,K-加热过程中平均传热系数,夹套200-300kcal/平方米*小时*℃,蛇管300-450kcal/平方米*小时*℃F-蛇管或夹套加热面积t1-加热蒸汽温度,t2s/t2f-开始加热和加热结束时时培养基温度直接加热:蒸汽消耗量,加热时间与蒸汽流量,蒸汽管路直径与流速有关,其消耗量为Q*-发酵罐向周围散热,取加热量的10-20%Λ-蒸汽热含量保温灭菌阶段:蒸汽仍流入,由罐顶排除,消耗量为:F-蒸汽排除口总面积,平方厘米P-罐内蒸汽的绝对压力V-蒸汽的比容一般为直接加热的30-50%冷却阶段降温以接种发酵,先通入无菌空气,再经夹套或蛇管用冷水冷却.补料液的灭菌在发酵过程中，往往要向发酵罐中补入各种不同的料液。这些料液都必需经过灭菌。灭菌的方法则视料液的性质、体积和补料速率而定。如果补料量较大，而具有连续性时，则采用连续灭菌较为合适。也有利用过滤法对另补料液进行除菌。补料液的分批灭菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽。所有的附属设备和管道都要经过灭菌。3、设备构造和计算（1）连消塔是培养液高温短时间连续灭菌设备，它与维持罐组成连续灭菌系统，分套管式和汽液混合式两类。连消塔在20~30s或更短的时间内将料液加热至130~140℃。生产中一般用0.5~0.8Mpa的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。套管式连消塔用:内外两根管子套合组成内管开有45°向下倾斜的小孔，孔径6mm。孔距应从上到下减少，使蒸汽较为均匀。培养基由塔底进入，与小孔中喷出的蒸汽连续混合后在塔上部流出。培养基在塔内停留时间一般取20~30s；线速度要求<0.1m/s。培养基流速、塔高培养基流动速度w-培养液流速，m/s；G-培养液流量，m3/h，D-外管直径，m；d-内管直径，m；

塔高

H-连消塔高，m；τ-灭菌时间，s。内管蒸汽喷孔总面积和孔数根据蒸汽消耗量（m3/h）等于从小孔喷出的蒸汽量（m3/h）得

F-蒸汽喷孔的总面积，m2；w-蒸汽喷孔的速度，m/s，通常采用25~40m/sV-加热蒸汽消耗量，m3/h。加热蒸汽喷孔数n：n-喷孔数，个；d1

-喷孔直径，m。

（2）维持罐灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，也称保温设备。体积计算：V-维持罐容积，m3；v-料液体积流量，m3/h；τ-维持时间，8~25min；Φ－充满系数（3）喷射加热器可使料液和蒸汽迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。（4）冷却设备常用喷淋冷却器和套管冷却器。前者是将冷却水通过喷淋装置均匀的淋在水平的排管上，以冷却管内的培养基。后者是一种内管走热培养基，内外管间的管隙中走冷却水的冷却器。耗钢多，漏洞难以发现，会造成污染热利用较合理二、淀粉质原料的蒸煮与糖化

蒸煮目的：使植物组织和细胞膜彻底破裂，淀粉成为溶解状态进行液化；同时对进料进行灭菌；排除原料中的一些不良成分及气味。

糖化：糖化酶将淀粉、糊精进行水解化为能够被生物细胞利用的可发酵性物质，降低醪液的粘度连续糖化和间歇糖化：连续流动，在不同的设备中完成加料、蒸煮、糖化、冷却等不同工艺操作，整个过程连续化

连续蒸煮糖化设备有罐式、管式和柱式三种形式。罐式连续蒸煮糖化，蒸煮温度较低，可节省煤耗，操作容易控制，设备结构简单，制造方便

1、连续蒸煮糖化及其设备（1）罐式蒸煮设备（2）柱式连续蒸煮设备（3）管式连续蒸煮1-输送机2-斗式提升机3-贮料斗4-锤式粉碎机5-螺旋输送机6-粉浆罐7-泵8-预热锅9-进料控制阀10-过滤器11-泥浆泵12-单向阀13-三套管加热器14-蒸煮管道15-压力控制阀16-后熟器17-蒸汽分离器18-真空冷凝器19-蒸汽冷凝器20-糖化锅（4）真空冷却器器身为圆筒锥底，醪液由切线方向进入，真空度保持在00~550mmHg，蒸煮醪温度可降到68~64℃。真空冷却器的设计计算：根据蒸煮醪所产生的二次蒸汽量和二次蒸汽流速来确定真空冷却器的几何尺寸蒸煮醪所产生的二次蒸汽量

，kg/h

W-蒸煮醪所产生的二次蒸汽量，kg/h；G-每小时的蒸煮醪流量，kg/h；C-蒸煮醪的比热，kcal/kg•℃；t1、t2-蒸煮醪蒸发前后的温度，℃；r-真空操作二次蒸汽的汽化热，kcal/kg。几何尺寸的计算直径，m

D-真空冷却器的直径，m；W-蒸煮醪所产生的二次蒸汽量，kg/h；v-二次蒸汽的比容，m3/kg；V-二次蒸汽上升的速度，m/s，一般取0.8~1.0m/s的范围。

高度：一般真空冷却器的直径与高之比为1：1.5~2.0（5）糖化罐a.连续糖化罐具有圆筒形外壳，球形或锥形底。作用是连续地把糊化醪与水稀释，并与液体曲或麸曲乳或糖化酶（酶制剂）混合，在一定温度下维持一定时间，保持流动状态，以利于酶的活动。b.真空糖化罐依靠压力差蒸煮醪液由汽液分离器a，与糖化曲液由计量暂存桶b同时进入蒸发-糖化器c。既是蒸发冷却器，又是糖化器，简化了设备。2、间歇蒸煮糖化设备及蒸煮工艺蒸煮设备：锥形蒸煮锅适宜于对整粒原料的蒸煮，蒸煮醪的质量很均匀，蒸煮醪排出比较方便蒸煮工艺：间歇加压蒸煮和添加淀粉酶液化后间歇加压蒸煮（1）间歇加压蒸煮工艺流程加水入蒸煮锅→投料→升温→蒸煮→吹醪（2）加淀粉酶加压蒸煮工艺流程先加细菌淀粉酶（粉碎原料的0.1~0.2%）液化后，再进行加压蒸煮，蒸煮压力可以降低，蒸煮时间也可缩短。粉碎原料和水拌匀，调整温度至50~60℃，加入细菌淀粉酶，拌匀，再加石灰水调整pH到6.9~7.1。将淀粉液输送到蒸煮锅中，通入压缩空气进行搅拌，并通蒸汽升温到93℃，保持1小时。达到标准后，则停止通压缩空气，继续升温至130℃，保持0.5小时，吹醪送至糖化锅间歇糖化设备：具有搅拌和冷却装置的糖化锅间歇糖化法的工艺流程：蒸煮醪→糖化锅＋加水＋冷却（120→60℃）＋加酸十加曲十糖化十冷却（60→30℃）→发酵罐（或酒母罐）糖化效率：糖化效率=糖化醪中还原糖×100%／糖化醪中总糖第三节糖蜜的稀释与澄清糖蜜含有大量的可发酵性糖，是一种非结晶糖分。是微生物工业大规模发酵生产酒精、甘油、谷氨酸、食用酵母及液态饲料等的良好原料。浓度高（80°Bx以上），胶体物质与灰分多，产酸细菌多发酵前需进行稀释、酸化、灭菌、澄清等处理过程

1、糖蜜稀释器的构造和原理目前中国糖蜜酒精厂多采用连续稀释法。（1）水平式糖蜜连续稀释器管内没有搅拌器二、糖蜜原料的澄清目的是使原料中的灰渣等固形物沉淀，同时进行灭菌，以达到发酵的要求。对于固体含量少[<0.1%（v/v）]，颗粒直径在5~100μm的悬浮液，在过滤时难以形成滤饼，就要采用澄清过滤。澄清方法：加酸通用处理法、加热加酸沉淀法、絮凝剂澄清处理法等第四节啤酒生产中麦芽汁的制备设备麦芽汁是啤酒酵母的培养基，是影响啤酒的产量和质量的关键因素之一。制备设备：糊化锅、糖化锅、过滤槽和煮沸锅等。粉碎机冷却器发酵罐啤酒酿造流程啤酒生产流程糊化锅主要作用是用于煮沸大米粉和部分麦芽粉醪液，使淀粉糊化和液化。1．糊化锅的构造2．糊化锅的容积3．加热面积的计算糊化锅的构造：球形锅底，有搅拌装置；糊化锅的直径与圆筒高度之比为2∶1，升气管面积为料液面积的1/30~1/50糊化锅的容积：决定于加入的原料量。每100kg投料有效容积为0.5~0.55m3，加热面积的计算垂直壁上蒸汽冷凝的给热系数：，W/（m2•K）；Ρ-冷凝液密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2；λ-冷凝液导热系数，W/（m•K）；μ-冷凝液粘度，Pa•s；γ-汽化热，kJ/kg；tn-蒸汽的温度，K；tcm-器壁的温度，K；L-长度实验得到的给热系数为：1.13蒸汽在斜角为φ的斜壁上冷凝时的给热系数为

，W/（m2•K）；φ-倾斜角，取45°具有搅拌器的强烈对流传热的情况下，蒸汽夹套加热面至糖化料液的给热系数μ-液体平均温度时的粘度，kg/（m•s）；μp——液体给热面壁温时的粘度，kg/（m•s）；Pr-普兰特准数；Re-雷诺准数。二、糖化锅用途是使麦芽粉与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化广泛采用不锈钢制作，也可用碳钢制造。其外形和构造与糊化锅大致相同。装有螺旋桨搅拌器，有的在锅内壁装有挡板。一般糖化锅容积比糊化锅大约一倍。锅底为平底或球形底（球形蒸汽夹套）。锅体直径与高之比一般为2∶1，升气管截面积为锅圆筒截面积的1/30~1/50

三、过滤槽用途：过滤糖化后的麦醪，使麦汁与麦糟分开而得到清亮的麦芽汁型式与构造：具有不锈钢圆柱形槽身和平底及紫铜板弧形顶盖的容器，有一层与平底平行的过滤筛板（用3.5~4.5mm厚的磷青铜或不锈钢制成），筛孔一般采用0.4~0.7×30~50mm条形孔或直径0.8mm的圆孔，内设有耕糟装置。麦糟层厚度：0.3~0.4m过滤面积：100kg干麦芽所需过滤面积为0.5~0.6m2过滤槽容积：G＝200FG-每次糖化所用的麦芽量，kg；F-所需槽底的面积，m2耕糟机转速：耕糟时0.25~0.4r/min，0.04~0.07m/s出糟时4~5r/min，0.4~0.7m/s煮沸锅用途：用于麦汁的煮沸和浓缩，蒸发掉多余的水分，使麦汁达到一定的浓度。并加入酒花，使酒花中所含的苦味及芳香物质进入麦汁中。型式与结构：结构型式与糊化锅基本相同，有搅拌装置容积：麦芽煮沸锅容积计算与糊化锅相同。麦汁煮沸锅的容量：100kg麦芽约需800~900升容量，加上25~30％作为麦汁运动的空间锅内液柱高与直径之比：1：2

搅拌叶的转速：约20~35r/min，3m/s左右排汽管的截面积：锅内液体表面积的1/30~1/50煮沸时间：一般约1.5~2小时固体培养基制备设备固态发酵：微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称为固态发酵。固态发酵流程：原料先经过粉碎设备粉碎后，在混合机中充分混合，蒸煮灭菌，冷却后接入固体或液体种，再进行充分混合，最后在一定温度、pH及适度搅拌等条件下进行固态发酵培养。固体培养基：固态发酵所用的培养基为固体培养基。固体培养基：制备工艺流程主要设备有粉碎设备、润水设备、混合设备、蒸煮灭菌设备、冷却设备等螺旋输送机：。将粉碎后的主辅料和50～80℃在绞龙中混合。润水设备JLR-250型润水输送机N.K式旋转蒸煮锅：原料进入蒸锅，直接喷入50～80℃的热水，翻拌润水蒸煮设备蒸煮目的：对固体培养基进行灭菌；使培养基中的蛋白质适度变性；使淀粉原料糊化。蒸煮灭菌设备：（1）常压蒸煮锅（2）加压蒸煮锅：是能承受一定压力的圆筒型钢板蒸煮锅。灭菌时需排尽冷空气。（3）集搅拌、蒸煮、冷却于一体的蒸煮灭菌设备（4）连续蒸煮设备集搅拌、蒸煮、冷却于一体的蒸煮灭菌设备N.K式旋转蒸发锅：为既能受压加热又能减压冷却的容器。旋转锅由锅身，支柱，旋转装置，水力喷射泵真空冷却等部分组成。罐体以立式双头锥形为主，也有球形，容量一般为5～6m3。转鼓式蒸煮灭菌机：有一钢板焊制、能承一定压力的转鼓。鼓中心有空心横轴，装料后，转鼓转速为0.5～1r/min，培养基在鼓内被翻动，蒸汽沿轴中心通入鼓内，对固体培养基加热和灭菌。灭菌完毕后，真空冷却培养基。连续蒸煮设备将N.K式旋转蒸煮法连续化处理。即粉碎的固体原料进入螺旋式输送机中润水，将原料送至蒸煮管上部由导管送入蒸煮管，原料经过高压螺旋输送机慢慢运行时就得到了蒸煮处理，并经小型脱压室排出本章内容总结1.培养基灭菌的意义，灭菌的方法？2.培养基湿热灭菌的原理？3.培养基湿热灭菌的主要矛盾是什么？如何解决？4.常用的连续灭菌流程？流程图，主要设备的作用。5.连续灭菌设备构造和计算6.灭菌的计算。7.发酵罐分批灭菌操作要点。

生物反应器设计基础2009.10概述生物反应器（bioreactor）是一个人们对生物有机体进行有效控制和培养以生产某种产品，或进行特定反应的容器。发酵罐（fermentator）：厌氧发酵罐1970’s:生化反应器（biochemicalreactor）和生物学反应器（biologicalreactor）1980’s:生物反应器（biorector）成为一个标准的名称现在：发酵罐、酶反应器、固定化酶和细胞反应器、动植物细胞培养反应器生物反应器与化学反应器的比较生物（酶除外）反应都以“自催化”（autocalalysis）方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁殖。由于生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应速率不高；与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应器体积大；对好氧反应，因通风与混合等，动力消耗高；产物浓度低。生物反应器的作用为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，使生物体能更好地生长。得到更多需要的生物量或代谢产物。生物反应器的操作特性

反应器类型pH控制温度控制工业重要特性主要应用领域通用罐如需如需人事费用高大多数工业生产连续搅拌罐如需如需流速受冲出限制污水处理、SCP生产等气升式反应器如需如需空压机出口压力要高有机酸,如柠檬酸生产等鼓泡式反应器如需如需可采用鼓风机面包酵母等生产自吸式反应器如需如需需转子高速旋转乙酸、酵母等生产固体发酵设备如需如需人事费用高麸曲、酶制剂和麦芽生产等嫌气反应器如需如需无需通风设备酒精、啤酒等生产动植物细胞用反应器如需如需剪切力应小杂交瘤单克隆抗体、烟草细胞培养等光合反应器如需如需需光源微藻等生产高效生物反应器的特点设备简单，结构严密；良好的液体混合性能，较高的三传效率；能耗低；易于放大；具有配套而又可靠的检测及控制仪表等。生物反应器设计的主要目的和设计原理目的：最大限度地降低成本，用最少的投资来最大限度地增加单位体积产率原理：基于强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。微生物反应过程的质量衡算微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达基质到产物的反应过程非常困难。为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡算。微生物反应过程的质量和能量衡算如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CHxOyNz，忽略其他微量元素P、S和灰分等，此时用碳的定量关系式表示微生物反应的计量关系是可行的。式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z分别代表与一碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。对各元素做元素平衡，得到如下方程：

(3-2)方程（3-1）中有a、b、c、d、e和f六个未知数，需六个方程才能解。微生物反应过程的得率系数得率系数是对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价的重要参数。消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或称生长得率Yx/s（Cellyield或Growthyield）。细胞得率的单位是g细胞/g基质。这里的细胞是指干细胞的质量（除特殊说明外，以下细胞的质量均指干细胞）。某一瞬间的细胞得率称为微分细胞得率（或瞬时细胞得率）式中rx是微生物细胞的生长速率，rs是基质的消耗速率。同一菌种，同一培养基，好氧培养的Yx/s比厌氧培养的大的多。当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）为细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilateorcatabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式（3-1）中的系数c实际就是Yc。微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传递）氧化磷酸化生成ATP。在氧化过程中，可通过有效电子数来推算碳源的能量。当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的mol数的4倍称为该基质的有效电子数。式中YATP为相对于基质的ATP生成得率（molATP/mol基质），Ms为基质的分子量。微生物反应中可以用YkJ表示微生物对能量的利用情况，式中E表示消耗的总能量，包括同化过程，即菌体所保持的能量Ea和分解代谢的能量Ed。前者可采用干细胞的燃烧热，后者可采用所消耗的碳源和代谢产物各自的燃烧热之差来计算。多数微生物在好氧培养时的YKJ值为0.028g细胞/kJ，在厌氧培养时YKJ的平均值为0.031g细胞/kJ。对于光能自养型微生物，如藻类的YKJ约等于0.002g细胞/kJ。O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机能的重要指标之一的呼吸商(respiratoryquotient)，其定义式为：

酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化为ATP。在标准状态下1molATP加水分解为ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产生2molATP。基于此，在酒精发酵中有45%（2×31/136=0.46）的能量以ATP的形式储存起来。好氧反应中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol的ATP，31×38/2871=0.41，也就是说41%的能量以ATP的形式储存起来。乳酸发酵（厌氧时）的能量效率为（31×2）/2871=0.022，即2.2%。一般厌氧培养中YATP约为10.5g细胞/molATP，好氧培养中为6～29g细胞/molATP。利用YkJ表示微生物反应过程对能量利用，有式中为以菌体X的燃烧热为基准的焓变。其因菌体的不同有所不同，一般取值=-22.15kJ/g细胞。ΔHc为所消耗基质的焓变与代谢产物的焓变之差，其由下式给出式中ΔHs为碳源氧化的焓变（kJ/mol），ΔHp为产物氧化的焓变（kJ/mol）。生物反应器的生物学基础

生物反应速率主要指细胞生长速率、基质消耗速率和产物生成速率，其相应的动力学模型是

细胞：（3-1）（3-2）基质：产物：（3-3）（4-4）反应液体积：生长速率平衡生长条件下微生物细胞的生长速率rx的定义式为式中X为微生物的浓度，μ为微生物的比生长速率，其除受细胞自身遗传信息支配外，还受环境因素所影响。由上式可知，μ与倍增时间(doublingtime)td的关系为：F为流入与流出生物反应器的基质流量[L/h]；i、j和k分别表示相应的细胞、基质和产物,

表示基质的流加流量。当采用分批式操作时,F

=F=0；采用流加式操作时，F

F=0；采用连续式操作时,F

=F

0当基质为碳源，无论是好氧培养还是厌氧培养，碳源的一部分被同化（assimilateoranabolism）为细胞的组成成分，其余部分被异化（dissimilateorcatabolism）分解为CO2和代谢产物。如果从碳源到菌体的同化作用看，与碳元素相关的细胞得率Yc可由下式表示式中Xc和Sc分别为单位质量细胞和单位质量基质中所含碳源素量。Yc值一般小于1，为0.4—0.9。式（3-1）中的系数c实际就是Yc。传热

生物反应器中的能量平衡可表示为：（3-5）式中Qmet为微生物代谢或酶活力造成的单位体积产热速率；Qag为搅拌造成的单位体积产热速率；Qgas为通风造成的单位体积产热速率；Qacc为体系中单位体积的积累产热速率；Qexch为单位体积反应液向周围环境或冷却器转移热的速率；Qevap为蒸发造成的单位体积热损失速率；Qsen为热流（流出－流入）造成的单位体积敏感焓上升的速率。实际生物反应过程中的热量计算，可采用如下方法：

１、通过反应中冷却水带走的热量进行计算。根据经验，每m3发酵液每小时传给冷却器最大的热量为：青霉素发酵约为25000kJ/(m3h);链霉素发酵约为19000kJ/(m3h);四环素发酵约为20000kJ/(m3h);肌苷发酵约为18000kJ/(m3h);谷氨酸发酵约为31000kJ/(m3h)。

2、通过反应液的温升进行计算。即根据反应液在单位时间内(如半小时)上升的温度而求出单位体积反应液放出热量的近似值。例如某味精生产厂，在夏天不开冷却水时，25m3发酵罐每小时内最大升温约为12℃。

3、通过生物合成进行计算。当Qsen、Qacc和Qgas可忽略不计，由式7-5可知，（3-6）即反应过程中产生的总热量均为冷却装置带走。

4、通过燃烧热进行计算（3-7）

式中Q基质燃烧为基质的燃烧热，Q产物燃烧为产物的燃烧热。

生物反应器中的换热装置的设计，首先是传热面积的计算。换热装置的传热面积可由下式确定。

（3-8）

式中F为换热装置的传热面积m2；

Qall为由上述方法获得的反应热或反应中每小时放出的最大热量kJ/h；

K为换热装置的传热系数kJ/(m2·h·℃)；

tm为对数温度差(℃)，由冷却水进出口温度与醪液温度而确定。根据经验：夹套的K值为400～700kJ/（m2·h·℃），蛇管的K值为1200～1900kJ/（m2·h·℃），如管壁较薄，对冷却水进行强制循环时，K值为3300～4200kJ/（m2·h·℃）。气温高的地区，冷却水温高，传热效果差，冷却面积较大，1m3发酵液的冷却面积超过2m2。但在气温较底的地区，采用地下水冷却，冷却面积较小，1m3发酵液的冷却面积为1m2。发酵产品不同，冷却面积也有差异。生物反应器选型与设计的要点

1、选择适宜的生物催化剂。这包括要了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧和易受杂菌污染等。2、确定适宜的反应器形式。3、确定反应器规模、几何尺寸、操作变量等。4、传热面积的计算。5、通风与搅拌装置的设计计算。6、材料的选择与确保无菌操作的设计。7、检验与控制装置。8、安全性。9、经济性。机械搅拌生物反应器的设计某生物医药公司为应用基因工程菌株发酵生产某药物原料（胞内产物），产量为30吨/年，现有情况：中试完成，20L发酵罐达到的指标为细胞浓度20g/L（干重），细胞内产物含量为5%（干重），细胞对糖的转化率为YX/S=0.4，细胞对氧的产率YX/O=1.0，在最佳条件（30℃和pH6.5）下，比生长速率μ=0.3/h，发酵时间为16h，要求大罐生产时细胞浓度达到50g/L。实验室小试纯化收率为80%，年生产天数330d，24h生产。物料衡算及热量衡算、反应器尺寸：每年应从发酵罐中得到的目的产物总量mt为：细胞年产量GX为：由于细胞产率为50g/L，则发酵液总量VT为：发酵时间为16h，8h用于罐的清洗、放料、进培养基和灭菌灯，则每天1罐。年生产天数330d，则每天所得发酵液体积VLT为:因此，可选择装液量为45.45的发酵罐一台，第一节剪切力一、剪切力的度量方法二、剪切作用的影响三、低剪切反应器的设计剪切力是设计和放大生物反应器的重要参数，在生物过程中，严格地讲，对细胞的剪切作用仅指作用于细胞表面且与细胞表面平行的力，但由于发酵罐中流体力学的情况非常复杂，一般剪切力指影响细胞的各种机械力的总称。一、剪切力的度量方法桨叶尖速度N为搅拌桨转速，Di为桨直径平均剪切速率

（3）积分剪切因子ISF（动物细胞培养中）：（4）剪切速率（鼓泡塔中）：

γ=kuG

γ-剪切速率kuG-表观气速（5）湍流旋涡长度生物反应器一般在湍流下操作，湍流由大小不同的旋涡及能量状态构成，大旋涡之间通过内部作用产生小旋涡并向其传递能量。小旋涡之间又通过内部作用产生更小旋涡并向其传递能量，就这样能量逐级传递给小旋涡。在足够高的雷诺准数下，湍流处于统计平衡状态，在各向同性下，旋涡长度可由下式计算二、剪切作用的影响1．剪切力对微生物的影响2．剪切力对动物细胞的影响3．剪切作用对植物细胞的影响4．剪切对酶反应的影响三、低剪切反应器的设计对传统搅拌器的改造；开发出了一些低剪切力的搅拌器，其中以轴向流式翼形搅拌桨为主，它的特点是能耗低，轴向速度大，主体循环好，剪切作用温和。开发非搅