06710生化工程

生化工程辅导●绪论··················2-3 ●第二章培养基灭菌··················3-5 ●第三章空气除菌··················5-8 ●第四章通气与搅拌·················8-14 ●第五章工业化反应器及其放大················14-15 ●第六章生物反应器的比拟放大················15-17 ●第七章固定化细胞和酶················17-21 ●第八章细胞培养技术及动力学················21-27绪论一、生化反应工程将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发，成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化工程。

其实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。

一般的生化反应工程由四部分组成：１、原料的预处理：包括原材料的选择，必要的物理化学方法加工，培养基的配制和灭菌。

２、生物催化剂的制备：包括菌种的选择，扩大培养和接种，酶催化反应中酶的选择、固定化。

３、生化反应器及反应条件的选择和监控生化反应器是进行生化反应的核心设备。

它应为细胞或酶提供适宜的反应环境，以达到细胞生长和进行反应的目的。

反应器的结构、操作方式和操作条件对反应、原料的转化率、产品的质量和生产成本有密切的关系。

同时反应参数的检测与控制对生化反应过程的顺利进行也至关重要。

４、产物的分离纯化（包括初提纯和精提纯）这部分工序也常称为下游加工过程，包括用适当的方法和手段将含量较低的产物从反应液（胞外产物）或细胞中（胞内产物）初步提取出来，然后再用进一步的方法和手段加工精制，使之达到最好的产品质量要求。

下游提取的有关方法和手段包括：物理方法：研磨、高压匀浆、过滤、离心、蒸发、干燥物理化学方法：冻溶、透析、反渗透、絮凝、萃取、吸附、层析、蒸馏、电泳、等电点沉淀、盐析、结晶。

化学方法：离子交换，化学沉淀生物方法：亲和层析、免疫层析当过程采用游离的整体微生物活细胞为生物催化剂时，一般称此为发酵工程。

当生物催化剂为酶（游离＆固定化）时，此过程称为酶反应工程。

另外还有动植物细胞培养工程。

常常也把污水处理和从天然生物物质中提取有效成分也归入生物反应工程范围。

二、生化工程的任务和内容生化工程是生物化学工程的简称。

生化工程是运用化学工程的原理与方法将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科。

学习、讨论、掌握生化反应工程中带有共性的工程技术原理。

课程内容：１、培养基灭菌、空气除菌、通气搅拌、反应器及比拟放大这几章的内容是生化工程学研究的焦点之一。

它涉及生物产品开发过程中的小试放大到工业化生产以及保持发酵体系必须的无杂菌状态的系统理论和技术。

理所应当是发酵过程人员应当具备的最基本的生化工程学知识。

２、微生物的连续培养微生物的连续培养是50年代以来发展起来的新的培养技术。

连续培养有很多优点（compared with batch culture），最突出的优点是能长时间保持菌体较高的代谢活力状态。

目前由于一些技术问题没有得到很好的解决，所以近代发酵工业中应用连续发酵的例子不多，然而在某些特殊的情况下，如使用高的生产速率的菌株以及发酵环境条件不易造成杂菌污染的情况下，连续培养技术则充分显示其对于分批培养的明显优势而获得大规模的应用。

Example：ØSCP连续培养的单只反应器容积超过1500m3；Ø乙醇发酵单只罐300m3，10个罐串联；Ø废水的好氧和厌氧生物处理，最完整的实践了连续培养的恒化器理论及部分细胞浓缩反馈的理论。

70年代末期开发的上流式厌氧颗粒污泥床反应器的单只容量超过5500m3。

Ø连续培养技术具有广阔的应用前景，该内容纳入生化课程之内。

３、生物反应动力学生物反应动力学是研究在特定的环境条件下，微生物的生长、产物的生成、底物的消耗之间的动态关系及规律，以及环境因子对这些关系的影响。

发酵过程的优化控制，生产强度的提高均离不开动力学的研究，这涉及提高生产工程经济效益的一个重要方面。

Bioprocess engineering４、固定化酶技术及应用70年代初，第一次酶工程学术会议召开。

酶工程的目的在于有效的利用酶。

固定化酶技术就在这时出现了。

固定化酶技术有很多优势，例如：•酶可重复利用，•产物分离容易，•易于实现自控和连续化。

固定化酶的实际应用1 用固定化酰化氨基酸水解酶光学拆分D-、L-氨基酸，•2 用固定化葡萄糖异构酶将Glucose异构为果糖（1973），•3 固定化微生物死细胞中的延胡羧酸酶将延胡羧酸转化成L-苹果酸相继投入工业化生产（1974），•分解毒性化合物。

由于生物反应过程的本质是酶促反应，因而作为更有效地利用酶的固定化酶技术，必将为传统的生物工程技术提供改革和创新机会。

所以固定化酶技术亦纳入生化工程学内容。

三、生化工程学诞生的背景生化工程学诞生于上世纪40年代。

早期的发酵工业只有较少种类的产品，其中厌氧发酵产品居多。

如酒类、乳酸。

厌氧发酵由于不大量供应氧气，染杂菌导致生产失败的机会较少，故而深层液体厌氧发酵早就具有相当大的规模。

那时只有少数的好氧发酵产品采用了深层液体发酵生产法，如面包酵母，醋酸。

前者因为酵母的比生长速率较高，后者因为醋酸的生成导致发酵液中pH降低，不易污染杂菌。

40年代前期，正好是第二次世界大战期间，战场上有成千上万的伤员需要救治，急需药物（非磺胺类）防止伤口感染。

早在1928年英国的学者Fleming发现了青霉素，1940年分离出纯品，1941～1942年在临床上应用，证明有非常好的疗效，这时急待将青霉素投入工业化生产。

这就给传统的发酵工业提出了一个巨大的难题。

为什么说是巨大的难题呢？第二章培养基灭菌培养基中含有丰富的营养，工业化生产中，体积大，生产的时间长，很易受到杂菌的污染。

工业上常采用湿热灭菌的方法。

灭菌的要求：工业上无菌（灭菌度为1000）。

即尽可能的出去杂菌的同时，还要尽可能的减收营养物的损失。

常采用的条件为：121℃，20-30 min一、微生物热死灭动力学1、对数残存定律：(书p5)微生物受热死亡的主要原因是高热能使蛋白质变性，这种反应可认为是单分子反应，死亡速率可视为一级反应，即与残存的微生物数量成正比2、温度T对K的影响（书p7）判断采用高温或是在低温条件下杀菌是由该反应的活化能的大小决定。

灭菌温度升高时，微生物杀死速率的提高要超过营养成分破坏的速率。

在灭菌度相同的条件下，Kt=常数，因而高温K值增大，时间必定大大缩短，营养物质总的损失可以减少，因此高温短时灭菌比低温长时要好。

此为灭菌动力学得出的最重要的结论之一。

例1：当杀菌温度从120℃升至150 ℃，试计算维生素B1的分解速率常数KB和嗜热脂肪芽孢杆菌的死亡速率常数KS。

已知⊿ES=283460 J/mol, As=1.06×1036 (min-1) ；⊿EB=92114 J/mol, AB=1.06×1010 (min-1)解：由（1）式，即㏑K= ㏑ A － (⊿E /RT)得 ㏒Ks= ㏒ As － ⊿ES /(2.303 RT) ∴ Ks 在120 ℃时为0.024 (min-1)150 ℃时为11.12 (min-1)灭菌速率常数提高463倍。

同样地： KB 在120 ℃时为0.055 (min-1)，150 ℃时为0.404 (min-1)，同样的温度变化仅提高7.3倍3、间歇灭菌又称实罐灭菌，将配置好的培养基放在发酵罐中或其它装置中，通入蒸汽将培养基和所用的设备一起进行灭菌的过程。

此法对设备要求简单，灭菌可靠，无需专门的灭菌设备，投资少，是中小型工厂厂采用的一种方法。

分为三个阶段：升温、保温和冷却二 分批灭菌的设计 1、分批灭菌的操作将配好的培养基打入发酵罐，通入蒸汽将培养基和所用的设备（一般是发酵罐）一起进行灭菌，也称实罐灭菌。

这种方法不需专门的灭菌设备，在发酵罐中进行，灭菌效果可靠。

分批灭菌对蒸汽的压力要求较低，在3～4×105Pa （表压）就可满足要求，但在灭菌过程中，蒸汽用量波动大，造成锅炉负荷波动大。

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：lnN N=－K·t ，Ｎ＝Ｎ0·Kte-，N=0，则Kte-=0，1/Kte=0，Kte=∞，t=∞，所以绝对无菌很难做到。

而且绝对的无菌也是不必要的，工程上只要求培养基中杂菌降低到合理的程度，然后进行细胞的培养，失败的可能性很小。

那么无菌程度降低到多少为好呢？有一个设计标准（判据）N N ：其中，N 0是没有灭菌前培养基的含菌数；N 是灭菌后培养基中存活的菌体数。

常取N=10-3个/罐。

它的意义是：灭菌103次，存活一个活菌孢子的机会为1次。

•例如：培养基100m 3，含菌105个/ml,，要求灭菌后存活菌数10-3个/罐，则0N N =罐个罐个/1010010/10653⨯⨯-=10－16，为计算方便，取lnNN 0=36.8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。