發(fā)酵工程與設備

第一章緒論

生物技術作為21世紀高新技術的核心，對人類面臨的食品、資源、健康、

環(huán)境等重大問題發(fā)揮越來越大的作用。大力發(fā)展生物技術及其產(chǎn)業(yè)已成為世界各

國經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略重點。

發(fā)酵工程的主要內(nèi)容

發(fā)酵工程（FermentationEngineering）屬于生物技術的范疇，生物技術又稱

生物工藝學，最初是由一位匈牙利工程師KarLEreky于1917年提出的。當時他

提出的生物技術這一名詞的涵義是指甜菜作為飼料進行大規(guī)模養(yǎng)豬，即利用生物

將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。現(xiàn)在的生物技術的定義為：生物技術是應用自然科學及工程

學原理依靠生物催化劑的作用將物料進行加工以提供產(chǎn)品或社會服務的技術。因

此，生物技術是一門綜合性多學科技術，他涉及的基礎學科有生物學、化學和工

程學。下圖為生物技術與基礎學科關系的示意圖。它逐漸成為與生物學、生物化

學、化學工程等多學科密切相關的綜合性邊緣學科。

現(xiàn)代生物技術作為一門新興的高科技術產(chǎn)業(yè)，它的生命力在于他對社會經(jīng)濟

和發(fā)展的各個方面都帶來了極大沖擊和影響。

發(fā)酵工程是指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的

技術。

發(fā)酵工程由于涉及到生物催化劑，因而與化學反應有關。由于生物技術的最

終目標是建立工業(yè)生產(chǎn)過程為社會服務，因而該生產(chǎn)過程可稱為生物反應過程

（亦稱為生化反應過程）。

在發(fā)酵技術中一般包括微生物細胞或動植物細胞的懸浮培養(yǎng)，或利用固定化

酶，固定化細胞所做的反應器加工底物（即有生化催化劑參加），以及培養(yǎng)加工

后產(chǎn)物大規(guī)模的分離提取等工藝。主要是在生物反應過程中提供各種所需的最適

環(huán)境條件。如酸堿度、濕度、底物濃度、通氣量以及保證無菌狀態(tài)等研究內(nèi)容。

二、發(fā)酵工程的發(fā)展歷史

生物技術的發(fā)展和利用可以追溯到1000多年（甚至4000多年）以前如酒類

的釀造。而人類有意識地利用酵母進行大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)是在19世紀。當時進行

大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品有乳酸、酒精、面包酵母、檸檬酸和蛋白酶等初級代謝產(chǎn)

物。19世紀中葉，法國葡萄酒的釀造者在釀酒的過程中遇到了麻煩，他們釀造

的美酒總是變酸，于是，紛紛祈求于正在對發(fā)酵作用機制進行研究的巴斯德。巴

斯德不負重望，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，這種變化是由乳酸桿菌使糖部分轉(zhuǎn)化為乳酸引起

的。同時，找到了后來被稱為乳酸桿菌的生物體。巴斯德提出，只要對糖液進行

滅菌，就可以解決這個問題，這種滅菌方法就是流傳至今的巴斯德滅菌法。

巴斯德關于發(fā)酵作用的研究，從1857年到1876年前后持續(xù)了20年。否定

了當時盛行的所謂“自然發(fā)生說”。他認為“一切發(fā)酵過程都是微生物作用的結(jié)

果。發(fā)酵是沒有空氣的生命過程。微生物是引起化學變化的作用者”。巴斯德的

發(fā)現(xiàn)不僅對以前的發(fā)酵食品加工過程給以科學的解釋，也為以后新的發(fā)酵過程的

發(fā)現(xiàn)提供了理論基礎，促進了生物學和工程學的結(jié)合。因此，巴斯德被稱為生物

工程之父。

到了20世紀初，人們發(fā)現(xiàn)某些梭菌能夠引起丙酮丁醇的發(fā)酵，丙酮是制造

炸藥的原料，隨著第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)刺激了丙酮丁醇工業(yè)的極大發(fā)展。雖然

現(xiàn)在競爭力更強的新方法已逐步取代了昔日的發(fā)酵法。但它是第一個進行大規(guī)模

工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)酵過程，也是工業(yè)生產(chǎn)中首次采用大量純培養(yǎng)技術的。這一工藝獲

得成功的重要因素是排除了培養(yǎng)體系中其他有害的微生物。這在19世紀末，20

世紀初，是相當先進的生物技術。因此，可以說，巴斯德是生物工程初始階段的

開拓者。

1929年Flemming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉素，從此生產(chǎn)技術產(chǎn)品中增加一大類新的

產(chǎn)品一抗生素。1929年，英國科學家弗來明在污染了霉菌的細菌培養(yǎng)平板上觀

察到了霉菌菌落的周圍有一個細菌抑制圈，由于這種霉菌是青霉菌，所以弗來明

把這種抑制細菌生長的霉菌分泌物叫青霉素。可是他的提取精制，在當時無法做

到，弗來明只好忍痛割愛，放棄研究。

10年以后，第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)火越燒越旺，大量傷員急需搶救，英國的

一些科學家恢復了弗來明的工作，竟戲劇性的獲得了成功。當時，英國本土已經(jīng)

戰(zhàn)火彌漫無法試制，美國承擔了青霉素的試制任務。要生產(chǎn)這種藥物，必須要有

一種嚴格的、將不需要的微生物排除在生產(chǎn)體系之外的無菌操作技術，必須要從

外界通入大量的空氣而又不污染雜菌的培養(yǎng)技術，還要想方設法從大量培養(yǎng)液中

提取這種當時產(chǎn)量極低的較純的青霉素。美國的科學家和工程師齊心協(xié)力，攻克

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許多難關，到1942年終于正式實現(xiàn)了青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)。這一偉大成就拯救

了千千萬萬掙扎在戰(zhàn)爭死亡線上的人們。這是生物工程第一次劃時代的飛躍。在

這一飛躍中，作為生物技術核心的發(fā)酵技術已從昔日的以厭氧發(fā)酵為主的工藝躍

入深層通風發(fā)酵為主的工藝。這種工藝不只是通通氣，而與此相適應的有一整套

工程技術，如1、大量無菌空氣的制備技術，2、中間無菌取樣技術，3、設備的

設計技術等等。因此，我們說這是生物工程技術的一次劃時代飛躍。盡管后來

開發(fā)了許多新產(chǎn)品，如數(shù)以千計的抗生素、多類氨基酸、不同用途的酶制劑等，

就根本來說，青霉素投產(chǎn)后的半個多世紀中，深層培養(yǎng)技術沒有出現(xiàn)質(zhì)的改變。

20世紀40年代，以獲取細菌的次生代謝產(chǎn)物一抗生素為主要特征的抗生素

工業(yè)成為生物發(fā)酵工業(yè)技術的支柱產(chǎn)業(yè)。

20世紀50年代，氨基酸發(fā)酵工業(yè)又成為生物技術產(chǎn)業(yè)的又一個成員。實現(xiàn)

了對微生物的的代謝進行人工調(diào)節(jié)，這又使生物技術進了一步。

20世紀60年代，生物技術產(chǎn)業(yè)又增加了酶制劑工業(yè)這一成員。

70年代，為了解決由于人口迅速增長而帶來的糧食短缺問題，進行了非碳

水化合物代替碳水化合物的發(fā)酵，如利用石油化工原料進行發(fā)酵生產(chǎn)，培養(yǎng)單細

胞蛋白，進行污水處理，能源開發(fā)等。

80年代以來，隨著重組DNA技術的發(fā)展，可以按人類社會的需要，定向培

養(yǎng)出有用的菌株，這為發(fā)酵工程技術引入了遺傳工程的技術，使生物技術進入了

一個新的階段。

縱觀生物技術的發(fā)展歷史，我們可以知道，生物技術在經(jīng)歷了漫長的以傳統(tǒng)

工藝技術為主體的時期以后，正向系統(tǒng)的理論和實際應用相結(jié)合的方向發(fā)展，即

奠定了可靠的理論和實踐基礎，也為今天和今后相當長時期生物技術的產(chǎn)業(yè)化準

備了條件。

三、發(fā)酵工程的特點

在研究用微生物（生物催化劑）進行某種物質(zhì)生產(chǎn)時，大體上有兩種研究方

式：一種是各種酶水平上研究微生物細胞內(nèi)（外）的生物化學反應，如大量搖瓶

在實驗室里觀察限制反應速率的因素和最適的培養(yǎng)方法，這可以認為是一種小規(guī)

模的研究形式；另一種是大規(guī)模的研究形式，即過程放大。利用小型和中型反應

器（培養(yǎng)罐）進行培養(yǎng)試驗，并進一步在工業(yè)規(guī)模上研究生產(chǎn)物的分離和精制方

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法，以確定在細胞水平上的綜合的最適培養(yǎng)條件。

-一般化學工業(yè)的放大，可以說僅需對其放大原理給予充分的研究就足夠了。

而在發(fā)酵技術的放大方面，則需要由小試放大到中試逐步進行探討。實驗室進行

的小規(guī)模發(fā)酵所獲得的最適條件的各種參數(shù)，能否在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)使用的一百多

立方到數(shù)百立方，也同樣保證其最適條件，那就是不是輕而易舉的事了。這是發(fā)

酵工程的一個基本特點。例如，從搖瓶試驗到各種規(guī)模的反應器試驗，即使培養(yǎng)

液的成分、溫度、pH值等參數(shù)各種條件完全相同，并且微生物的活性及其培養(yǎng)

過程與各個裝置之間有著必要的相互關聯(lián)，但一般情況下，反應結(jié)果可能完全不

一-致。盡管目前已有生物傳感器，可以迅速準確地就位監(jiān)測罐內(nèi)、塔內(nèi)或反應器

中的反應過程，也有微機處理幫助大大提高了自動化調(diào)控的能力，而這些先進裝

置確實是保證在最適條件下進行發(fā)酵的有利武器，但如何保證大規(guī)模發(fā)酵在最適

條件下進行，仍是一個值得研究的課題，它不僅涉及到發(fā)酵設備的工程問題，也

與各類生物細胞的生理生化特性相關。

一般生物反應過程由四個部分組成。

(1)材料的預處理

包括原材料的選擇，必要的物理和化學方法加工，此過程是為提供微生物細

胞可以生長和產(chǎn)物形成的基本原料，即培養(yǎng)基的制備過程,包括其配制和滅菌等。

(2)生物催化劑的制備

生物反應的催化劑一酶基本上是由微生物產(chǎn)生的。因此，要選擇高產(chǎn)、穩(wěn)定、

高效、容易培養(yǎng)的菌株，并以此菌株再經(jīng)過多次逐級擴大培養(yǎng)后達到足夠的數(shù)量

并具有理想質(zhì)量的微生物培養(yǎng)液作為“種子”接到反應器中。也可以利用固定化

酶或固定化細胞，這就要通過一定的固定化技術來制備。

(3)生物反應器及反應條件的選擇與監(jiān)控

生物反應器是進行生物反應的核心設備，生物反應主要是在生物反應器中進

行的，它為微生物細胞或酶提供合適的反應條件以達到細胞增殖或產(chǎn)品形成的目

的。反應器的結(jié)構(gòu)、操作方式和操作條件對反應原料的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品

成本有著密切關系。根據(jù)發(fā)酵周期長短、培養(yǎng)條件等，可采取間歇式操作、多級

反應器串聯(lián)的連續(xù)操作等。同時反應參數(shù)的檢測與控制對生物反應過程的順利進

行也是十分重要的。

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（4）產(chǎn)品的分離純化

這一工序也叫下游加工程序，其目的是用適當?shù)姆椒ê褪侄螌⒑枯^低的產(chǎn)

物從反應液中提取出來（指胞外產(chǎn)物）或從細胞中（指胞內(nèi)產(chǎn)物）提取出來，并

加以精制以達到規(guī)定的質(zhì)量要求。包括物理方法、化學方法、生物方法等。生物

反應過程主要有這樣一些特點：

a.采用可再生資源作為主要原料，因而原料來源豐實，價格低廉，過程中

廢物的危害性較小，但由于原料的成分復雜，往往難以控制會給產(chǎn)品質(zhì)

量帶來一定的影響。

b.由于采用的是生物催化劑，反映過程一般在常溫常壓下進行。但生物催

化劑易受環(huán)境的影響和雜菌的污染，因而很易失活，難以長期使用。

c.與一般化工產(chǎn)品相比，其生產(chǎn)設備比較簡單，能耗較低。但某些生物反

應由于其特殊性質(zhì)而使反應基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均不能太高，這是因為

微生物細胞或生物酶受底物濃度或產(chǎn)物濃度的抑制或不能耐高滲透壓所

致，不僅使反應器體積增大，而且也加大了提取的困難，因而反應器生

產(chǎn)效率較低。

d.盡管生物反應過程成本低，應用廣，但反應極為復雜，較難檢測與控制。

反應液中雜質(zhì)多，給分離提純帶來了困難。

四.生物反應過程的分類

隨著生物技術的發(fā)展，生物反應過程的種類和規(guī)模都在不斷的擴大。目

前已進行工業(yè)生產(chǎn)的主要有酶催化反應過程，微生物反應過程和廢水的生物

處理過程。

1.酶催化反應過程

采用游離酶或固定化酶為催化劑時的反應過程。生物體中所進行的反應

幾乎都是在酶的催化下進行的。工業(yè)生產(chǎn)中所用的酶，或是經(jīng)提取分離得到

的游離酶，或是固定在多種載體上的固定化酶。

2.微生物反應過程

采用活細胞為催化劑時的反應過程。這既包括一般的微生物發(fā)酵反應過

程，也包括固定化細胞反應過程和動植物細胞的培養(yǎng)過程。

3.廢水的生物處理過程

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它是利用微生物本身的分解能力和凈化能力，除去廢水中污染物質(zhì)的過

程。廢水生物處理過程與微生物反應過程雖然都是利用微生物的反應過程，

但與后者相比廢水的生物處理具有以下特點：

a）是由細菌等菌類、原生動物、微小原生動物等各種微生物構(gòu)成的混合培養(yǎng)

系統(tǒng)。

b）兒乎全部采用連續(xù)操作系統(tǒng)。

c）微生物所處的環(huán)境條件波動大。

d）反應的目的是消除有害物質(zhì)而不是代謝產(chǎn)物和微生物本身。

五、生物化學工程的基本內(nèi)容

生化工程是運用化學工程的原理和方法將生物技術的實驗室成果進行工業(yè)

開發(fā)的一門學科。其原理與方法是指用以解決生產(chǎn)過程中有關化學反應、原料處

理和產(chǎn)物的分離、能量的傳遞、設備的設計與放大、過程的控制和優(yōu)化等一系列

工程技術問題。

在生物化學反應過程的上游加工中最重要的是生物催化劑（包括菌株、酶及

其固定化）的制備，因此必須掌握生物催化劑的生理生化特性和培養(yǎng)特性，解決

大規(guī)模種子培養(yǎng)或固定化生物催化劑的制備以及如何將其在無菌狀態(tài)下接入生

物反應器中等問題。

上游加工中還包括原材料的物理和化學處理、培養(yǎng)基的配制和滅菌等問題，

這里包括有物料破碎、混合和輸送等多種化工單元操作以及熱量傳遞、滅菌動力

學和設備等有關工程問題。

生物反應器是整個生物反應過程的關鍵設備。它是為特定的細胞或酶提供適

宜的生長環(huán)境或進行特定的生化反應的設備，它的結(jié)構(gòu)、操作方式和操作條件與

產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和能耗有著密切的關系。生物反應器存在著物料的混合與流動、

傳質(zhì)與傳熱等化學工程問題；存在著氧和基質(zhì)的供需和傳遞、發(fā)酵動力學、酶催

化反應動力學、發(fā)酵液的流變學以及生物反應器的設計與放大等一系列帶有共性

的工程技術問題；同時還包括生物反應過程的參數(shù)檢測和控制。有關這一中游加

工過程的工程問題已發(fā)展成為生化工程的重要學科分支一生物反應工程。

生物反應過程的下游是對目的產(chǎn)物的提取與精制。這一過程是比較困難的。

這是因為?方面生物反應液中的目的產(chǎn)物的濃度是很低微的。例如，濃度最高的

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乙醇僅為10%左右，氨基酸不超過8%,抗生素不超過5%,酶制劑不超過1%,

胰島素不超過0.01%,單克隆抗體不超過0.0001%；另一方面因為反應液雜質(zhì)常

與目的產(chǎn)物有相似的結(jié)構(gòu)，加上一些具有生物活性的產(chǎn)品對溫度、酸堿度都十分

敏感，一些作為藥物或食品的產(chǎn)品對純度、有害物質(zhì)都有嚴格的要求。總之，下

游加工過程步驟多，要求嚴，其生產(chǎn)費用往往占生產(chǎn)成本的一半以上。

生物技術研究的主要目標是最大限度地提高上游處理、發(fā)酵與轉(zhuǎn)化、下游處

理這三個步驟的整體效率，同時尋找一些可以用來制備食品、食品添加劑和藥物

的微生物。從20世紀60~70年代起，生物技術的研究主要集中在上游處理過程、

生物反應器的設計和下游的純化過程方面，這些研究使發(fā)酵過程的檢測、生物反

應體系的檢測技術和有效的大量培養(yǎng)微生物的技術及相關儀器方面都有了很大

的發(fā)展。目前，這些儀器已經(jīng)可以用于生產(chǎn)各種不同的產(chǎn)品。

在利用微生物生產(chǎn)商品的整個過程中，生物轉(zhuǎn)化這個環(huán)節(jié)往往是最難優(yōu)化

的。通常用于大規(guī)模生產(chǎn)的培養(yǎng)條件往往不是自然條件下微生物的最佳生長條

件。因此，人們一般通過化學突變、化學誘變或者紫外線照射來產(chǎn)生突變體，從

而改良菌種、提高產(chǎn)量，傳統(tǒng)的誘導突變和選擇的方法在發(fā)酵生產(chǎn)中獲得了較大

的成功。多種抗生素的大量生產(chǎn)過程就是這種方法的成功例證。

但是通過傳統(tǒng)的方法提高產(chǎn)量的幅度是非常有限的，如果?個突變了的菌株

某一組分合成太多，那么其他一些代謝物的合成就會受到影響，因此這反過來又

會影響微生物在大規(guī)模發(fā)酵過程中的生長。傳統(tǒng)的誘變和選擇的方法過程繁瑣、

耗時過長、費用極高，需要篩選和檢測大量的克隆。另外，用傳統(tǒng)的方法能提高

微生物一種已有的遺傳性質(zhì)，并不能賦予這種微生物以其他遺傳特性?？偟膩碚f

傳統(tǒng)的改良菌種的生物技術還僅僅局限在化學工程和微生物工程的領域內(nèi)。隨著

DNA重組技術的出現(xiàn)和發(fā)展，這種情況發(fā)生了根本性的改變。

現(xiàn)代生物技術的發(fā)展主要體現(xiàn)在下列幾方面：

1、基因操作技術日新月異，不斷完善。新技術、新方法一經(jīng)產(chǎn)生就迅速的通過

商業(yè)渠道出售此項技術并在市場上加以應用。

2、基因工程藥物和疫苗研究與開發(fā)突飛猛進。新的生物治療制劑的產(chǎn)業(yè)化前景

十分光明，21世紀整個醫(yī)藥工業(yè)將面臨全面的更新和改造。

3、轉(zhuǎn)基因動物和植物取得重大突破?，F(xiàn)代生物技術在農(nóng)業(yè)上的廣泛應用作為生

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物技術的“第二次浪潮”在21世紀將全面展開，給農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)生產(chǎn)帶了新的

飛躍。生物技術對農(nóng)業(yè)的總貢獻率大于70%,功能性食品在營養(yǎng)學上起著革

命性的變化。

4、闡明生物體（目前主要有人類、水稻、擬南芥等）基因組及其編碼蛋白質(zhì)的

結(jié)構(gòu)和功能是當今生命科學的一個主流方向。目前已有多個原核生物及一個

真核生物（酵母）的基因組序列被全部測定。與人類重大疾病相關的基因和

與農(nóng)作物產(chǎn)量、質(zhì)量、抗性等有關基因的結(jié)構(gòu)與功能及其應用研究是今后一

個時期研究的熱點和重點。

5、基因治療取得重大進展，有可能革新整個疾病的預防和治療領域。估計在本

世紀初，惡性腫瘤、愛滋病的防治可望有所突破。（基因治療對象：遺傳病、

惡性腫瘤、艾滋病、乙肝、代謝性病、心血管病等）

6、蛋白質(zhì)工程是基因工程的發(fā)展，它將分子生物學、結(jié)構(gòu)生物學、計算機技術

結(jié)合起來，形成一門高度綜合的學科。

7、國際上信息技術的飛速發(fā)展?jié)B透到了生命科學領域，形成了引人注目、用途

廣泛的生物信息學。全球通訊網(wǎng)絡的日益擴大和完善也大大加速了生物技術

的研究、應用和開發(fā)。

現(xiàn)代生物技術在近20年的發(fā)展中受到了各方面人士的普遍關注，更有

許多專家將21世紀稱為生命科學的世紀，將現(xiàn)代生物技術產(chǎn)業(yè)稱為21世紀

的朝陽產(chǎn)業(yè)。一方面是由于現(xiàn)代生物技術發(fā)展迅速，用途廣泛；另一方面是

由于現(xiàn)代生物技術具有其他技術所無法比擬的優(yōu)越性，即可持續(xù)發(fā)展。面對

人口膨脹、資源枯竭、環(huán)境污染等一系列直接關系到整個人類生死存亡的嚴

重問題。，人們越來越深刻的認識到了發(fā)展具有可持續(xù)發(fā)展的新技術、新產(chǎn)

業(yè)的必要性和緊迫性。由于生物技術是以生物（動物、植物、微生物、培養(yǎng)

細胞等）為原料生產(chǎn)產(chǎn)品的，因此其原料具有再生性，同時利用生物系統(tǒng)生

產(chǎn)產(chǎn)品產(chǎn)生的污染物很少，對環(huán)境的破壞性很小或兒乎沒有，重組微生物甚

至還可以消除環(huán)境中的污染物。鑒于生物技術產(chǎn)業(yè)的以上特點，清潔、經(jīng)濟

的生物技術必然會在21世紀獲得更大的發(fā)展。

六、如何學習《發(fā)酵工程與設備》

以微生物的生命活動為基礎的發(fā)酵工業(yè)正為人類的健康和生產(chǎn)實踐服務，生

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產(chǎn)了大量的抗生素、酶制劑、氨基酸、維生素、蛋白質(zhì)以及其他有用產(chǎn)品。為了

在今后實際工作中對提高發(fā)酵工程的生產(chǎn)效率和創(chuàng)立新的發(fā)酵過程有所認識，我

們必須運用生物化學、微生物學等已學過的知識，詳細了解和掌握發(fā)酵條件下的

微生物新成代謝的規(guī)律和整個反應過程所涉及的各個條件及作用，對微生物各種

反應做定量的動力學方面初步研究以控制微生物生命活動的途徑，在此基礎上，

學習和掌握微生物代謝過程中的物質(zhì)傳遞機理；同時，認識和了解整個生物反應

過程中的設備結(jié)構(gòu)和計算、形式各異的反應器的結(jié)構(gòu)和特點，即在這門課程中，

對微生物發(fā)酵工業(yè)中培養(yǎng)基滅菌、空氣除菌、反應動力學數(shù)學模型的建立、發(fā)酵

設備的結(jié)構(gòu)、通氣攪拌功率計算和設備放大、設備選型及設計方法進行較為全面

的分析和講解，并在講解中列舉部分實例和有關生化工程設計數(shù)據(jù)。

另外，要結(jié)合有關工藝、技術、設備等方面的知識認真準備和操作實驗，做

到理論聯(lián)系實際，便于今后能夠較快較好的適應工作。

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第二章菌種的擴大培養(yǎng)

菌種的擴大培養(yǎng)就是把保藏的菌種，即砂土管，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，再經(jīng)過扁瓶或藥瓶和種子罐，逐級擴大培養(yǎng)后達

到一定的數(shù)量和質(zhì)量的純種培養(yǎng)過程。這些純種的培養(yǎng)物稱為種子。

工業(yè)規(guī)模的發(fā)酵罐體積越來越大，目前已達到兒十立方米至兒百立方米。若

按5?10%的接種量計算，就要接入兒立方到兒十立方米的種子。這單靠試管里

的種子直接接入是不可能達到必需的數(shù)量和質(zhì)量的，必須從試管中的微生物菌種

逐級擴大為生產(chǎn)使用的種子。這是一個從實驗室制備到車間生產(chǎn)的過程。然而，

菌種種類不同，生產(chǎn)產(chǎn)品品種不同，其生產(chǎn)方法和生產(chǎn)條件均有所差別，如營養(yǎng)、

溫度、酸堿度、氧等條件。因此，種子擴大培養(yǎng)應根據(jù)菌種的生理特性，選擇合

適的培養(yǎng)條件來獲得代謝旺盛和數(shù)量足夠的種子。這種種子接入發(fā)酵罐后，會使

發(fā)酵生產(chǎn)周期縮短，設備利用率提高，對雜菌的抵抗能力增加，對發(fā)酵生產(chǎn)起到

了關鍵性的作用。所以種子質(zhì)量的好壞至關重要。

種子必須具備的條件：①菌種細胞的生長活力強，接種后在發(fā)酵罐中能迅速

生長；②生理性狀穩(wěn)定；③菌體總量和濃度能滿足大容量發(fā)酵罐的要求；④無雜

菌污染（不帶雜菌）；⑤生產(chǎn)能力穩(wěn)定。

第一節(jié)種子制備

種子制備過程可分為兩大階段（如圖）：

a、

搖瓶

砂土管（冷凍干燥管）斜面

、固體斜面

b、

搖瓶、

>------*種子罐發(fā)酵罐

固體/

①實驗室種子制備階段：瓊脂斜面至固體培養(yǎng)基擴大培養(yǎng)（如茄子瓶斜面培養(yǎng)等

或液體搖瓶培養(yǎng)。

②生產(chǎn)車間種子制備階段：種子罐擴大培養(yǎng)。

10

一實驗室種子制備

在砂土管或冷凍干燥管內(nèi)保藏的菌種以無菌的方式接至適合的斜面培養(yǎng)基

上，培養(yǎng)成熟后挑選正常的菌落再接一次試管斜面。對那些產(chǎn)泡能力強、范子發(fā)

芽生長繁殖快的菌種可以采取在固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)的方法，抱子可直接接入種子

罐，從而簡化了操作，減少了操作步驟，同時也減少了染菌的機會。例如生產(chǎn)青

霉素的產(chǎn)黃青霉菌，采用大米或小米作為固體培養(yǎng)基，取一定量裝入250ml茄子

瓶中進行滅菌，米粒含水量一定要控制好，米粒不能粘也不能散，滅菌冷卻后接

入抱子懸浮液，在25?28℃培養(yǎng)4?14天。培養(yǎng)期間，還要經(jīng)常翻動，保持通

氣均勻。培養(yǎng)結(jié)束后，或接入種子罐，或以真空抽去水分至10%以下，于4c冰

箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

對于產(chǎn)泡子能力不強或抱子發(fā)芽慢的菌種，如產(chǎn)鏈霉素的灰色鏈霉菌，產(chǎn)卡

那霉素的卡那鏈霉菌都是以搖瓶液體培養(yǎng)法。狗子接入含液體培養(yǎng)基的搖瓶中，

在搖床上恒溫振蕩培養(yǎng)，生長出的菌絲體作為種子。

不產(chǎn)泡子的細菌，如生產(chǎn)谷氨酸的棒狀桿菌屬，短桿菌屬，以32c培養(yǎng)18~

24小時的斜面移入250ml茄子瓶斜面培養(yǎng)基上，或搖瓶培養(yǎng)基上，32℃培養(yǎng)，

12小時后可接入種子罐。

生產(chǎn)啤酒的酵母菌一般保存在麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基斜面上,4℃冰箱保藏。3?

4個月移種一次，再接種至10ml麥芽汁試管中，25?27c保溫培養(yǎng)2?3天后，

擴大至含250ml麥芽汁的500ml三角瓶或含500ml麥芽汁的1000ml三角瓶中。

25℃培養(yǎng)2天，再移至含5?10L麥芽汁的卡氏罐中，15?20℃培養(yǎng)3?5天，

再接入發(fā)酵罐，因是好氧性菌（菌體增殖期間），所以要通氣。具體流程如下：

25—27°C25°C

斜面——*10ml試管--------500—1000ml三角瓶-------5-10L麥芽汁

2—3d（250m—500ml麥芽汁）2d

二.生產(chǎn)車間種子制備

實驗室制備的泡子斜面或搖瓶種子移接到種子罐進行擴大培養(yǎng)。種子罐培養(yǎng)

一方面使菌種獲得足夠的數(shù)量，另一方面種子罐中的培養(yǎng)基更接近發(fā)酵罐培養(yǎng)的

醪液成分和培養(yǎng)條件，譬如通無菌空氣，攪拌形式等等，以使菌體適應發(fā)酵環(huán)境。

11

種子罐的接種方法一般根據(jù)菌種種類而異。刑子懸浮液一般用微孔接種法接種，

搖瓶懸浮液種子可在火焰保護下接入種子罐，也可以用差壓法接入。種子罐之間

或種子罐與發(fā)酵罐之間的移種，主要用差壓法，通過種子接種管道進行移種，移

種過程中要防止接受罐表壓降為零，因為無壓會引起染菌。

1.種子罐級數(shù)的確定

種子罐的級數(shù)是指制備種子需逐級擴大培養(yǎng)的次數(shù)，這要根據(jù)菌種生長的特

性、瓶子發(fā)芽速度和菌體繁殖速度，以及發(fā)酵罐的容積而定。對于生長快的細胞,

種子用量的比例少，即需要的接種量少，所以相應的種子罐也少。如谷氨酸生產(chǎn)

中，茄子瓶斜面或搖瓶種子接入種子罐于32c培養(yǎng)7?10小時，菌體濃度達到

108?IO,個/ml,即可作為種子接入發(fā)酵罐，這稱為一級種子罐擴大培養(yǎng)，也可

叫作二級發(fā)酵。生長較慢的菌種，如青霉素生產(chǎn)菌，就需要二級種子罐擴大培養(yǎng),

也可稱為三級發(fā)酵。一般50m發(fā)酵罐都采取三級發(fā)酵。如果是實驗室的中試（5?

30L）,可以通過直接泡子或菌體接入罐中發(fā)酵，即一級發(fā)酵。

種子罐級數(shù)越少，越有利于簡化工藝，便于控制，而且可以減少多次移種可

能發(fā)生的染菌機會。當然，也要考慮盡可能地延長菌體在發(fā)酵罐中生產(chǎn)產(chǎn)物的時

間，縮短種子增殖的非生產(chǎn)時間，提高發(fā)酵罐的生產(chǎn)率（產(chǎn)物/ml?h）。

此外，種子罐的級數(shù)的減少也可通過改善工藝條件，改變種子培養(yǎng)條件，加

速菌體的增殖。

2.接種種齡和接種量

①接種齡：

接種齡是指種子罐中培養(yǎng)的菌體從開始移入下一級種子罐或發(fā)酵罐時的培

養(yǎng)時間。在種子罐中，隨著培養(yǎng)時間的延長，菌體量增加，基質(zhì)消耗和代謝產(chǎn)物

積累，菌體量不再增加，逐漸老化。因此，選擇適當?shù)姆N齡接種量是一個至關重

要的因素。接種齡一般以菌體處于生長旺盛期，即對數(shù)生長期最合適。如果種子

過于年幼。接入發(fā)酵罐后，會出現(xiàn)前期生長緩慢，整個發(fā)酵周期拉長，產(chǎn)物開始

形成的時間推遲，而過老的種子也會出現(xiàn)使生產(chǎn)能力下降而使菌體自溶的現(xiàn)象。

對于不同菌種，不同產(chǎn)品品種，不同工藝條件，其接種齡也不相同，具體的

生產(chǎn)，接種齡要進行多次試驗，從發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)量的多少，即產(chǎn)率大小來確定最適

接種齡。

12

②接種量

接種量指的是移入的種子懸浮液體積和接種后培養(yǎng)液體的體積的比例?？股?/p>

素的工業(yè)生產(chǎn)，大多數(shù)發(fā)酵的最適接種量為7?15%或更多。啤酒生產(chǎn)發(fā)酵的接

種量為5?10%,谷氨酸發(fā)酵接種量僅為1%。

接種量大小取決于生產(chǎn)菌的生長繁殖速度。大接種量可以縮短發(fā)酵罐中菌體

數(shù)達到高峰的時間，可以提早形成產(chǎn)物。這是因為種子液中含有胞外水解酶類，

種子量大，酶量也多，有利于對基質(zhì)的作用和利用，同時菌體量多，占有絕對生

長優(yōu)勢，可以相對減少雜菌的污染生長機會。但接種量太大，也會造成菌體生長

過速，溶氧跟不上，從而影響產(chǎn)物的合成。

3.種子質(zhì)量的判斷

由于菌種在種子罐中的培養(yǎng)時間較短，使種子的質(zhì)量不容易控制，因為可分

析的參數(shù)不多。一般，在培養(yǎng)過程中要定期取樣，測定其中的部分參數(shù)來觀察基

質(zhì)的代謝變化以及菌體形態(tài)是否正常。例如酒精酵母的種子罐，一般定時測酸度

變化、還原糖含量、耗糖率、鏡檢等，鏡檢內(nèi)容包括測酵母細胞數(shù)、酵母出芽率、

酵母形態(tài)（整齊、大小均勻、橢圓形或圓形）、是否有雜菌等。

三.影響種子質(zhì)量的因素

1.原材料質(zhì)量

生產(chǎn)過程中有時會出現(xiàn)種子的質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象，這主要是由于原材料的質(zhì)量

不一致造成的。有些原材料如數(shù)皮，是用來配制產(chǎn)袍子斜面培養(yǎng)基的。制備霉菌

培養(yǎng)基的大米、小米等會因產(chǎn)地、品種、加工方法及顆粒大小不同而使抱子質(zhì)量

受到影響；蛋白月東、瓊脂的質(zhì)量、水質(zhì)的硬度、污染程度等對生產(chǎn)均會產(chǎn)生不同

程度的影響。

2.培養(yǎng)條件

培養(yǎng)條件對種子質(zhì)量的影響最直觀，最顯著。如培養(yǎng)溫度高于或低于種子的

培養(yǎng)溫度范圍，會使菌種生長過快或過慢，造成菌體過早衰老自溶或拉長培養(yǎng)時

間，而影響生產(chǎn)。所以要控制菌體的培養(yǎng)溫度在最適的范圍內(nèi)。濕度對產(chǎn)泡子的

菌種影響很大，這一濕度是指培養(yǎng)基的濕度，有時也包括空氣濕度。如制白酒酒

曲時，空氣濕度會影響曲中各種不同微生物的生長。在生產(chǎn)抗生素菌種時，抱子

就會受濕度的影響而使其生長快慢不一。通氣量對于好氣性菌體的生長和質(zhì)量是

13

一個很重要的影響因素。有些菌種的通氣量甚至可能影響到它們的代謝途徑。如

酒精酵母，在通入足夠的空氣時會利用培養(yǎng)基中的糖合成自身細胞物質(zhì)，而在通

氣不足或完全不通氣時，則使糖代謝進入無氧代謝（EMP）途徑，合成酒精成分。

青霉素的菌種在培養(yǎng)時必須通過足夠的空氣，否則就會影響他們的數(shù)量和活力，

從而減少發(fā)酵液的產(chǎn)率。所以不同的菌種，對通氣量的要求是不同的。

3.斜面保藏時■間

斜面的保藏時間對菌種的質(zhì)量具有一定的影響。如抗生素中土霉素生產(chǎn)菌的

抱子斜面在培養(yǎng)4天后放入4℃冰箱保藏，在7?8天時就開始自溶了，而培養(yǎng)

了5天后再冷藏，20天都未發(fā)生自溶。止匕外，冷藏時間過長會使菌體的活力下

降。

第二節(jié)種子質(zhì)量的控制措施

種子質(zhì)量的優(yōu)劣是通過它在發(fā)酵罐中所表示的生產(chǎn)率體現(xiàn)的。因此必須保證

生產(chǎn)菌種的穩(wěn)定性,在種子培養(yǎng)期間保證提供適宜的環(huán)境條件,保證無雜菌浸入,

從而獲得優(yōu)良的種子。

1.菌種穩(wěn)定性的檢查

生產(chǎn)中所用的菌種必須保持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力，不能有變異種。盡管變異的可

能性很小，但不能完全排除這一危險。所以，定期檢查和挑選穩(wěn)定菌株是必不可

少的一項工作。方法是：將保藏菌株溶于無菌的生理鹽水中，逐級稀釋，然后在

培養(yǎng)皿瓊脂固體培養(yǎng)基上劃線培養(yǎng)，長出菌落，選擇形態(tài)優(yōu)良的菌落接入三角瓶

進行液體搖瓶培養(yǎng)，檢測出生產(chǎn)率高的菌種備用。

這一分離方法適用于所有的保藏菌種，并且一年左右必須做一次。

2.雜菌檢查

在種子制備過程中，每移種一次都需要進行雜菌檢查。一般的方法是：顯微

鏡觀察，或平板培養(yǎng)試驗，即將種子液涂在平板培養(yǎng)皿上劃線培養(yǎng)，觀察有無異

常菌落，定時檢查，防止漏檢。此外，也可對種子液的生化特性進行分析，如取

樣測其營養(yǎng)消耗速度、pH變化、溶氧利用情況、色澤、氣味是否異常等等。

14

第三章滅菌

在生物化學反應中，特別是對各種微生物的培養(yǎng)過程中，要求在沒有任何雜

菌污染的情況下進行，而生物反應系統(tǒng)中又常常有比較豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，極易滋

生雜菌，從而使生物反應受到破壞，產(chǎn)生的不良后果一般為：

1.使生物反應的基質(zhì)或產(chǎn)物，因雜菌的消耗而損失，造成生產(chǎn)能力的下降。

2.雜菌也會產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，這就使產(chǎn)物的提取更加困難，造成得率降低，產(chǎn)品

質(zhì)量下降。

3.有些雜菌會分解產(chǎn)物，使生產(chǎn)失敗。

4.雜菌大量繁殖后，會改變反應液的pH值，使反應異常。

5.如發(fā)生噬菌體污染，生產(chǎn)菌細胞將被裂解，使生產(chǎn)失敗。

正因如此，大多數(shù)培養(yǎng)過程要求必須在嚴格無菌的條件下培養(yǎng)，必須對生產(chǎn)設

備及參與反應的所有介質(zhì)（生產(chǎn)菌除外）進行滅菌處理。

第一節(jié)滅菌的方法

滅菌，是指用物理或化學的方法殺滅或去除物料或設備中所有生命物質(zhì)的過

程。常用方法如下：

（1）化學藥劑滅菌：

某些化學藥劑能與微生物細胞物質(zhì)發(fā)生反應而具有殺菌作用。如甲醛、氯（或

次氯酸鈉）、高鎰酸鉀、環(huán)氧乙烷、季錢鹽（如新潔爾滅）等。因化學藥劑也會

與培養(yǎng)基中的一些成分產(chǎn)生作用，而且加入培養(yǎng)基中后不易去除，所以化學藥劑

滅菌不用于培養(yǎng)基滅菌。

（2）射線滅菌

紫外線、高能電磁波或放射性物質(zhì)產(chǎn)生的高能粒子能起到滅菌的作用。波長

為2.537X10’的紫外線有滅菌效果。但由于其穿透力低，所以只用于表面消毒

和空氣消毒。X射線和由Co,。產(chǎn)生的Y射線也可滅菌。

（3）干熱滅菌

160C保溫1ho主要針對必須保持干燥的實驗器具或材料（培養(yǎng)皿、接種

針、固定化細胞用的載體材料等）。

（4）濕熱滅菌

濕熱滅菌為最基本的滅菌方法，因為蒸汽穿透能力強，且在冷凝時放出大量

15

的冷凝熱，很容易使蛋白質(zhì)凝固而殺滅微生物。但如果利用蒸汽直接通入培養(yǎng)基

中加熱滅菌.，應考慮扣除冷凝水的體積，否則會降低培養(yǎng)基的濃度。濕熱滅菌一

般是在120℃維持20?30mine

(5)過濾除菌

這是利用過濾方法阻攔微生物達到除菌的目的。工業(yè)上利用此方法制備無菌

空氣。在產(chǎn)品的提取中，也可用過濾的方法(如超濾)處理料液，以得到無菌產(chǎn)

品。

第二節(jié)培養(yǎng)基滅菌

1.微生物的死亡速率

在培養(yǎng)基濕熱滅菌時，其中微生物受熱死亡的速率是與殘存的微生物數(shù)量成

正比的。即

dN…

------=kN

dt

其中N：培養(yǎng)基中的活菌個數(shù)

/：時間

k：比死亡速率

開始滅菌時，即/=0時，培養(yǎng)基中活菌數(shù)為N。。

積分上式：fkdt

lng=—H或N=Noe*

N為經(jīng)過時間/殘留的活菌數(shù)。

N

若以為縱坐標,/為橫坐標作圖，結(jié)果為一直線，其斜率為-左。如下圖

及

為大腸桿菌在不同溫度下的殘留曲線。

16

t(min)

k值越大，表明微生物越容易死亡。

2.培養(yǎng)基滅菌

培養(yǎng)基的滅菌有分批法和連續(xù)法兩種。分批滅菌是將配制好的培養(yǎng)基放入發(fā)

酵罐中，通入蒸汽，使培養(yǎng)基和所有設備一起滅菌。這一過程也稱為實罐滅菌。

連續(xù)滅菌是在配制好的培養(yǎng)基向發(fā)酵罐輸送的同時加熱、保溫和冷卻，完成整個

滅菌過程。連續(xù)滅菌時間短，滅菌溫度一般高于分批滅菌，所以可減少對營養(yǎng)物

質(zhì)的破壞，滅菌效果優(yōu)于分批式，但滅菌設備較復雜，投資大，而且所有設備須

事先進行空罐滅菌，如發(fā)酵罐、加熱器、維持罐、冷卻器等。

第三節(jié)空氣除菌

微生物在繁殖和好氧性發(fā)酵過程中都需要氧，而用純氧是沒有必要的。-一般

是以空氣作為氧源，被通入發(fā)酵系統(tǒng)。但空氣中含有多種微生物，這些微生物一

旦隨著空氣進入發(fā)酵系統(tǒng)，它們也會大量繁殖，不僅消耗大量的營養(yǎng)成分，還可

能產(chǎn)生各種各樣的代謝產(chǎn)物，影響和破壞發(fā)酵的正常進行，危害極大。因此，空

氣必須經(jīng)過除菌后才能通入發(fā)酵液?？諝獬^程是需氧發(fā)酵過程的一項十分重

要的環(huán)節(jié)。除菌的方法很多，這里著重介紹過濾除菌。

空氣過濾除菌流程

空氣過濾除菌流程是按生產(chǎn)對無菌空氣的要求，根據(jù)空氣的性質(zhì)制定的。此

外，也要從吸氣環(huán)境的空氣條件和所采用設備的特性綜合考慮后設計。

對一?般要求的低壓無菌空氣，可直接采用鼓風機增壓后進入過濾器，經(jīng)過一

至二次過濾除菌制得。如無菌室、超凈工作臺等的無菌空氣就是采用這一簡單流

程。一般深層通風發(fā)酵，除了要求無菌空氣具有必要的無菌程度外，還需具有一

17

定的壓力，這即是比較復雜的空氣除菌流程。

1.空氣除菌流程的要求

空氣應具有一定的壓力，過濾器要高效，設備盡量采用新技術，流程盡可能

簡化，降低動力消耗，工人操作簡便，運轉(zhuǎn)費用低。設備中要用無油潤滑，否則

有油霧，影響過濾效率。

2.流程分析

空壓機一冷卻一分油水一總過濾器一分過濾器

由于不同地區(qū)氣候條件不同，發(fā)酵工廠使用的空氣除菌流程有所不同。過濾

器要達到高效率，就應該維持一定的氣流速度，并且不能受空氣中油、水的干擾。

氣流速度可以控制，但要除去油分和水分，則需要一系列的冷卻、分離、加熱等

設備來保證空氣的相對濕度在50?60%。

一般的過濾器用棉花和活性炭制成，活性炭夾在棉花中間。

以下為典型的設備流程

（1）高空采風、兩次冷卻、兩次分油水、適當加熱流程（如圖）

這是比較完善的空氣除菌流程，對各種氣候環(huán)境條件都能適應。分離水分效

率較高，并能使空氣在達到較低的相對濕度時進行過濾，提高了過濾效率。此流

程的特點是：兩次冷卻、兩次分油水、適當加熱?？諝獾?-次冷卻到30?35C,

第二級冷卻至20?25℃,經(jīng)分水后加熱到30?35℃,因為溫度升高，相對濕度

下降。

空氣中的水蒸汽分壓與同溫度下的飽和水蒸汽壓之比為相對濕度或相對濕

含量：

pw一空氣中水蒸汽分壓（Pa）

ps一同溫下水的飽和蒸汽壓（Pa）

18

每1kg干空氣中可含有水蒸汽的kg數(shù)為空氣的濕含量或絕對濕含量。若

&kg干空氣含有G.kg水蒸汽，則其濕含量為

丁=三=絲必=也.P”=0.622P”，儼％行“

Gg乂mMgP-pw尸—pJ/Kg十仝氣

P一空氣總壓強

p*一干空氣的分壓強

此式與上式合并得

X=0.622,P*

P-（PPS

例1：某除菌流程，空氣壓力為4atm（表壓），要求空氣加熱到35℃時，相對

濕度處=60%,問第二級冷卻器應至少把空氣冷卻到多少度？（假設冷卻后的空

氣中不含水霧）

解：查表得35℃時空氣中的飽和水蒸汽分壓P,2=5619Pa,加熱前冷空氣的相對

濕度%=100%,加熱前后空氣濕含量沒有發(fā)生變化，毛=>2,加熱前后壓力不

變。

0.622x-6P''=0.622.Pm

P\-9\P，\鳥一。2Ps2

(P\Ps\P2=(PlPstPx

???4=.

<P\Ps\=92Ps2

,/(p、=100%

:?Ps\=WiPc=0.6x5619=3371（Pa）

查水蒸汽分壓表得知26c水的蒸汽壓力為3371Pa,即第二級冷卻器至

少應把空氣冷卻到26ro

（2）冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程（如圖）

此流程適用于中等濕含量的地區(qū)。它的特點是：可省去一級冷卻和分離

19

設備及空氣再加熱設備，簡化了流程，使冷卻水用量也降低了。壓縮空氣從

貯罐出來分兩路，一部分進冷卻器，經(jīng)分離器分離水、油霧后與另一部分未

處理過的高溫壓縮空氣混合，使混合后的空氣溫度為30?35℃,相對濕度為

50?60%。

例2.吸入的空氣X=25℃,.=80%,冷卻后&=25℃,02=100%，混合后4=35

2

℃,^3=60%,計算混合比（々=1kg/cm-,P2=P3=4kg/cm）o

解：吸入空氣的濕含量

—=0.622x=0.622x-S8x00323_=。。原（k水蒸汽/kg干空

1匕一夕/旦1-0.8x0.0323

氣）

冷卻分水后空氣濕含量

X,=0.622x82P錠_=2—“。。儂=j水蒸汽/kg干空氣）

062x0Q5（k

P2-（p2ps24-1x0.0323

混合空氣的濕含量：

丫3=0.622X93Ps3=0622義0-6300573=00054（kg水蒸汽/kg干空

舄-。3P,34-0.6x0.0573

氣）

設未處理的空氣百分比為丫

則

x,y+（i-r）x2=x3

（3）高效前置過濾除菌流程

上述的流程都能降低低空氣的相對濕度，改善過濾器的過濾條件。為了提高

空氣的無菌程度，也可以采用高空采風，因為高度越高，空氣中微生物含量越少。

一般情況下，每升高io米，空氣中微生物含量減少一個數(shù)量級。所以一方面可

進行高空吸風，另一方面也可以采用高效的前置過濾方法，即在壓縮機前設置…

臺高效過濾器，這樣便可降低過濾器負荷（即多次過濾），達到空氣除菌的要求。

20

前置過濾器可采用泡沫塑料（即靜電除菌）、超細纖維紙為過濾介質(zhì)，并串

聯(lián)試用。

對數(shù)穿透定律

1.對數(shù)穿透定律

通過濾層雜質(zhì)數(shù)是隨濾層厚度的增加而減少的，即

dN…

------=K,N

dl1

（：過濾常數(shù)或除菌常數(shù)。

（—dN=-K,（dl

此N

\n》=_K[L

%。和N：一定體積的空氣在除菌前后的總菌數(shù)（個）

L：過濾介質(zhì)厚度（m）

濾層不能太厚，否則過濾阻力太大；過濾器直徑不能太大，否則棉花添料不

易填均勻，容易在某一地方形成短路。

穿透率：電為穿透濾層的微粒數(shù)與原有微粒數(shù)的比值。

如果要求每1000次使用周期中只允許有一個雜菌通過，即經(jīng)過濾后要求無

菌度N=IO",則

pIO"3.33x10-9

―5000x60x。。--匕6

其中

假設原有顆粒數(shù)為5000（個/%3）

。為分批發(fā)酵的時間或過濾器的無菌周期（h）

匕為通風量（“Zm）

21

N-N

——=1一尸=1一—=l-e-^

N。N。

n—除菌效率

實體積

填充率a一般a=8%

視體積

空隙率￡=l-a

一?般采用過濾效率為90%時的濾層厚度作為對比基準。

2a9即微粒的90%被捕獲

2.303

假設：a.空氣中微粒在濾層中為均勻遞減，即每一纖維薄層除去同樣百分率的

雜菌。

b.空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附。

c.過濾器的過濾效率與空氣中的微粒濃度無關。

d.過濾介質(zhì)每根纖維的空氣流態(tài)，不因其它鄰近纖維的存在而受影響。

2.對數(shù)穿透定律的校正

對數(shù)穿透定律是以上面提到的四點假設為前提推導出來的。這只符合濾層

較薄的情況。但在實際中，當濾層加厚時，K值不是常數(shù)。也就是說，空氣在

過濾時微粒含量沿濾層不是均勻遞減，所以以上推出的對數(shù)穿透定律就不適合

于較厚濾層的情況，需要進行校正。這里從略。

三.過濾介質(zhì)

1.棉花：品種不同，要求新鮮，纖維長而疏松，貯存時間長的話，纖維易斷,

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易堵塞。一般分=16~21〃，裝填密度150~200kg/m："

2.玻璃纖維：df=8-19//,a=6~10%,它的阻力損失小

3.活性炭：D=3mm,I-5~10mm

此種介質(zhì)強度高，表面積大，空隙大，阻力小，只有棉花阻力的%2。

4.超細玻璃纖維紙：

超細玻璃纖維紙是上好的無堿玻璃，噴吹成絲狀纖維，再以造紙法做

成。該過濾為高氣速過濾，氣流速度越高，效率越高。但超細玻璃纖維紙

強度小，易斷，多用于分過濾器。為了增加強度，可添加：

①木漿纖維。但效率較低；

②環(huán)氧樹脂；

③多層復合使用。可增加強度，厚度0.25mm。

5.石棉濾板：20%石棉，80%其它纖維，厚度3?5mm,纖維短，打粗，效

率高。特點：不怕水，受潮不易穿孔和折斷。

四.深層過濾器除菌機理

空氣中的微生物粒子大小在0.5~2〃，而棉花的纖維直徑4=16~20〃，

形成的網(wǎng)孔為20~50〃，濾層纖維阻礙氣流前進，使其無數(shù)次改變速度和方

向，繞道前進，從而引起微粒過濾層纖維產(chǎn)生慣性沖擊，阻攔，重力沉降，

布朗擴散，靜電吸引等作用而使其留在纖維上。

1.慣性沖擊滯留作用機理

當氣流前進時遇到前面的阻礙物而突然改變方向，但顆粒由于慣性力的

作用仍然沿直線運動與纖維碰撞而附著在纖維表面，此顆粒就被捕集了。

2.攔截滯留作用機理

當氣速降至匕以下時，慣性沖擊作用已不存在，然而存在著另一種作用，

即攔截作用來捕集微粒。這是因為顆粒緊緊地隨著氣流流動，氣流改變流向時

顆粒也跟著改變方向，當顆粒與纖維表面接觸時就捕集了。

3.布朗擴散滯留作用機理

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有些直徑微小的微粒在很慢的氣速下作不規(guī)則的直線運動，這就是布朗擴

散。小顆粒呈布朗運動而發(fā)生位移，當它與纖維接觸就附著于纖維表面而被捕

集了。前提是《＜1〃。

當氣流速度較高時，以慣性沖擊為主，而當氣流速度低于一定限度時，以

阻攔和擴散為主,并可認為慣性沖擊不起作用。此時的氣流速度稱為臨界速度匕。

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第四章酶催化反應動力學

第一節(jié)酶催化反應的基本特征

酶是生物提高其生化反應效率而產(chǎn)生的生物催化劑，其化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，

少數(shù)酶同時含有少量的糖和脂肪。在生物體內(nèi)，所有的反應均在酶的催化作用下

完成，兒乎所有生物的生理現(xiàn)象都與酶的作用緊密聯(lián)系。目前已知的酶多達2200

種以上。根據(jù)國際生物化學協(xié)會規(guī)定的分類方法，不管酶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)如何，僅

根據(jù)它所能催化反應的類型，將酶分為六大類，即氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、

裂合酶、異構(gòu)酶、合成酶。

作為生物催化劑的酶，它既具有一般催化劑的共性，又應具有生物催化劑的

特性。

-、酶的催化共性

酶參與生物化學反應，它能降低反應的活化能（分子參與化學反應時所需要

的最低能量），加快生化反應的速率，但它不改變反應的方向和平衡關系，即它

不能改變反應的平衡常數(shù)，而只能加快反應達到平衡的速率；酶在反應過程中，

其主體結(jié)構(gòu)和離子價態(tài)可以發(fā)生某種變化，但在反應結(jié)束時，一般酶本身不消耗,

并恢復到原來狀態(tài)。例如，過氧化氫的分解。在無催化劑存在時，該分解反應的

活化能為75.31KJ/mol,在用過氧化氫酶催化時，該分解反應的活化能僅為

8.37KJ/mol

二、酶的催化特性

（1）較高的催化效率

A酶的分子活力：在最適宜條件下，每Imol酶在單位時間內(nèi)所能催化底物的

最大量（mol）

B酶的催化中心活力：在單位時間內(nèi)，每一個酶的催化中心所催化底物的量

（mol）

C酶活力：在特定條件下，每Imin能催化1〃mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物時所需要

的酶量，稱為一個酶單位，或稱為國際單位，用U表示。酶活力還可用比活力

表示。比活力系指每Img酶所具有的酶單位數(shù)，用U/mg表示。1972年國際酶

學委員會提出，酶活力一律用Katai為單位，記為Kat。在特定條件下，每秒鐘

能催化1mol底物轉(zhuǎn)化的酶量定義為1Kat。而比活力則為每1Kg酶所具有的Katai

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數(shù)，即Kat/Kg。

酶的催化中心活力又常稱為酶的轉(zhuǎn)換數(shù)，如表4-1列出了酶催化和化學催化

反應的轉(zhuǎn)換數(shù)大小的比較。結(jié)果看出，酶的轉(zhuǎn)換數(shù)大大高于化學催化劑，尤其在

生理溫度下更為明顯。

表4-1酶催化反應和化學催化反應的轉(zhuǎn)換數(shù)大小的比較

轉(zhuǎn)換數(shù)mol/(中

催化劑反應溫度℃

心點?S)

酶催化劑

菠蘿蛋白酶肽的水解4Xl(y3~5xi(ri0~37

木瓜蛋白酶肽的水解8X1O-2~1X1O0~37

胰蛋白酶肽的水解3X1O-3~1X1O20~37

碳酸肝酶談基化合物的可逆sxio'-exio50~37

反應

化學催化劑

硅膠一氧化鋁異丙基苯裂解3X10-825

硅膠一氧化鋁異丙基苯裂解2X104420

二氧化鋰環(huán)己烷脫氫7X10"25

二氧化鋼環(huán)己烷脫氫1X102350

根據(jù)實驗測定，大部分酶的分子活力為IO?,最高可達1()6以上?？梢哉J為,

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酶在常溫、常壓和中性條件下作為反應的催化劑，具有很高的催化效率，即有很

高的催化活性。

（2）很強的專一性：

酶催化反應有很高的選擇性，一種酶僅能作用于一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的

物質(zhì)進行某一種反應，這種特性稱為酶的專一性或選擇性。酶的專一性是酶作為

催化劑最重要的特性，也是酶催化反應過程優(yōu)于一般化學反應過程的最重要的理

由之一。

，種酶若只能催化一種化合物進行一種反應，這種專一性稱為絕對專一性，

如掘酶只能催化尿素水解生成C02和H2OO若一種酶能夠催化一類具有相同化

學鍵或基團的物質(zhì)進行某種類型的反應，這種專一性稱為相對專一性，如脂肪酶

可以催化所有酯類化合物水解。若一種酶只能催化某化合物在熱力學上可能進行

的許多反應中的一種反應，這種專一性稱為酶的反應專一性，具有不同反應專一

性的酶只各自催化不同的反應。如，對同一?反應物葡萄糖，以葡萄糖氧化酶為催

化劑可得葡萄糖酸；以葡萄糖異構(gòu)酶為催化劑可得果糖；以己糖激酶為催化劑可

得葡萄糖-6-磷酸。絕大多數(shù)的酶都具有反應專一性。一種酶只能催化一種底物,

則稱為酶的底物專一性；一種酶只能作用于所有立體異構(gòu)體中的一種，則稱為立

體專一性。此外，還有官能團專一性、序列專一性等。利用酶催化的這種高度的

多種專一性，有可能制備出化學催化反應所不能得到的化合物，這也有利于提高

產(chǎn)物的分離純度。

（3）具有溫和的反應條件

酶催化反應溫度般在生理溫度25~37℃的范圍，僅有少數(shù)酶反應可在較高

溫度下進行。同時，酶催化反應一般是在接近中性的pH值條件下進行。

（4）易變性與失活