生化工程教学汇总

第一章绪论
一生化工程由来
1. 传统的发酵业－天然发酵
➢酿酒：BC 2100 古巴比伦Hammurabi典籍记载；
➢中国商代“酒池肉林”，酿酒业已很发达，BC1300前；
➢古罗马，希腊，埃及，印度等都有相关记载；
➢用于制作面包和储存食品奶酪；
2．第一代微生物发酵技术－纯培养技术建立
➢1680年荷兰：列文虎克（40－150倍）显微镜观察到微生物：细菌、酵母等
➢1857年法国：巴斯德（Pasteur）证明酒精发酵是由于酵母引起。

➢1897年德国：毕希纳酵母细胞磨碎－酵母汁使糖液发酵产生酒精－酵母体内的酶➢德国：柯赫发明了固体培养基－获得细菌的纯培养物
人为控制发酵过程，简单的发酵罐（以厌氧发酵和表面固体发酵为主），生产酵母、酒精、丙酮、丁醇、有机酸、酶制剂等
3．第二代微生物发酵技术－深层培养技术建立
➢1928年英国弗莱明发现点青霉可以产生抑制葡萄球菌生长的青霉素
➢20世纪40年代：青霉素的大量需求－需氧发酵工业化生产
建立了高效通气搅拌供氧（深层培养）技术、无菌空气的制备技术及大型生物反应器灭菌技术，促进了生物制品的大规模工业化－进入微生物发酵工业新阶段
微生物学，生物化学与化学工程相结合，标志着生物化学工程（Biochemical Engineering）的诞生
1964年，Aiba认为通气搅拌与放大是生化工程学科的核心，其中比拟放大是焦点1973年，Aiba从发酵过程的物理现象解析与设备开发转向对微生物反应的定量研究－反应动力学研究
生化工程逐渐细化为生物反应工程、生化控制工程、生化分离工程、生化系统工程
4．第三代微生物发酵技术－微生物工程
➢1953年Waston, Crick发现了DNA双螺旋结构
➢1973年转基因技术的建立
➢利用微生物生产胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，➢生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料；生产氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等
二发酵工程的组成
发酵工程三部分组成：
上游工程（上游技术），发酵工程（中游技术）和下游工程（下游技术）。

上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。

发酵工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。

主要有发酵原料和发酵罐以及各种连接管道灭菌技术；空气灭菌技术；菌种的扩大培养；过程设计；反应器设计及控制等
下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术，细胞破壁技术，蛋白质纯化技术，产品的包装处理技术等
三生物化学工程的定义
•又称生化工程或生物化工
•是生物化学与化学工程相互渗透形成的一门学科。

以微生物为研究主体，生物化学为理论基础，应用工程学实践技术，从动态、定量和微观的角度，揭示生物化学工业过程的本质。

四生化工程的研究领域
•生物工程的上游技术：生物化学、生物物理、分子生物学、遗传学、细胞培养、育种等
•生物工程的下游技术：生物初级制品的分离、纯化、精制到产品的过程
•生化工程贯穿于上下游技术之中：生化反应工程学（反应动力学、反应器性能），产品后处理技术（分离纯化手段）等
五生化工程重点研究内容
•新型生物反应器的研究开发
1)传统的生物反应器
2)新型的生物反应器
•新型分离方法和设备的研究开发
•描述生物反应过程的数学模型的建立
•生产过程控制手段的改进：在线反映反应器参数的传感器及计算机控制系统软件六生化工程的应用
•2000年生物制品5600－6900亿美元，其中医药制品占55％，农产品14％，食品及动物饲料7.5%
•医药工业：激素、胰岛素、抗生素、干扰素、维生素等
•食品工业：传统调味剂、醇类饮料、氨基酸、单细胞蛋白、甜味剂等
•化工、冶金工业：微生物合成许多化工原料
•能源和环境保护：生物产甲烷、乙醇；微生物产氢等；微生物处理污水、工业生活垃圾
第二章培养基灭菌（5学时）
目的：发酵过程要求纯培养
需要：培养基、发酵罐及管道、空气进行灭菌
生产环境消毒
第一节概述
灭菌（sterilization）利用物理或化学手段除去物体的所有生活微生物的方法。

消毒（disinfection; sterilization）仅除去病原微生物的措施。

一灭菌方法
1．加热灭菌
火焰灭菌：彻底、快速。

适用于：接种
干热灭菌：160～170℃，1~2h 适用于：保持干燥的物料、设备等
湿热灭菌：不同温度的蒸汽灭菌。

简单经济，应用广泛
2．射线灭菌
紫外线、阴极射线、x射线等
适用于：表面灭菌
3．化学药剂灭菌
二培养基及有关设备的灭菌方法
1．实罐灭菌（实消）：培养基与发酵罐同时灭菌。

分批灭菌属于实罐灭菌方式
方法：预热－加热－冷却
2．连续灭菌(连消)：培养基通过连续灭菌装置，
快速连续加热灭菌，后进入灭菌的空罐。

方法：
连续灭菌装置：板式热交换器连续灭菌
蒸汽喷射连续灭菌
连消塔保温罐连续灭菌
3. 空罐灭菌：空罐体灭菌
罐压：1.5~2.0×105Pa；罐温：125～130℃，时间：30～45min
4. 发酵附属设备及管道灭菌：
管道：罐压：>3.5×105Pa；时间：1～1.5h
补料罐：糖水罐罐压：1.5×105Pa；时间：30min
消泡剂罐罐压：1.5~1.8×105Pa；时间：60min
空气过滤器：罐压：>3.5×105Pa；蒸汽从上至下通入
第二节加热灭菌的原理
●培养基灭菌要求：
达到需要的无菌程度；
有效成分受热破坏程度尽可能低。

●灭菌工作关键：控制加热温度和受热时间
一、加热灭菌原理影响
1、微生物的热阻：微生物对热的抵抗力称为热阻。

（1）微生物对热的抵抗能力
•营养细胞：在60℃加热10 min 全部死亡；
•细菌芽孢：能耐较高的温度，在100℃需要几分钟甚至几小时才能被杀灭；
•嗜热菌的芽孢：120℃，39 min 或更长时间才能杀灭。

（2）致死温度：杀死微生物的极限温度。

（3）致死时间：在致死温度下，杀死全部微生物所需要的时间。

在致死温度以上，温度愈
表14-5 微生物对湿热的相对抵抗力
微生物名称大肠杆菌细菌芽孢霉菌孢子病毒
相对抵抗力 1 3000000 2~10 1~5
二2、微生物的热死规律----对数残留定律
（1）微生物的热死：微生物受热失活，但是物理性质不变。

（2）热死规律：
• 一定温度下，微生物热死遵循微生物的热死亡动力学规律： • 菌的死亡速率－dN/d θ与任何瞬间残留的活菌数N 成正比。

微生物的热死亡动力学(符合一级反应动力学规律)：
一级反应动力学：反应速率仅与物质浓度的一次方成正比。

A −→−1
K P
r=k 1·C A
dt
dC A
= k 1·C A 微生物的死亡速率符合一级反应动力学规律，即： －
dt
dN
＝KN (1) 意义：微生物死亡速率与任一瞬间残存活菌数成正比。

N ：残存活菌数
T ：灭菌时间（min ）
K ：比死亡速率常数，也称反应速率常数（min －1） dN/dt ：死亡速率，菌体瞬时变化率。

将(1)式移项积分：
⎰
Ns
No
N dN /＝⎰-t
dt K 0
ln(Ns/N o )=－Kt (2)
可变形为：lnNs =－Kt +lnN 0 或Ns=N 0e －Kt
0lg 303.2ln 1N N K N N K t s
s -=-
= N 0：原有活菌数（t=0,污染度）
N s ：经t 时间后残存活菌数（灭菌度，一般要求N s ＝10－3）
二 K －比死亡速率常数（反应速率常数）
1．K 大小反映微生物受热死亡的难易程度。

与微生物的种类及加热温度有关；
表14-7 121℃某些细菌芽孢的k 值 细菌芽孢名称 K 值min -1 枯草芽孢杆菌FS5230 3.8~2.6 硬脂嗜热芽孢杆菌FS1518 0.77 硬脂嗜热芽孢杆菌PA3679 2.9 产气梭状芽孢杆菌 1.8
• 2）同一种微生物在不同灭菌温度下，灭菌温度 愈低，k 值愈小；温度度愈高，k
值愈大。

2．温度对K 的影响
T 与K 的关系，可用Arrhenius 方程表示：
K=Ae －ΔE/RT
因：t=1/K *ln(N 0/Ns)
故：t= e ΔE/RT *1/A *ln(N 0/Ns)
K ：比死亡速率常数，也称反应速率常数（min －1） A ：频率因子（min －1），因菌种不同而异 E ：活化能（J/mol ），值越大，微生物越易受热死亡 T ：绝对温度（K ），T （K ）＝t(℃)+273.15
R ：气体常数，8.36J/mol ·K 或1.987×4.187J/ mol · K) e: 2.718
3．与K 有关的表示方法：1/10衰减时间D
1/10衰减时间D ( decimal reaction time )：活微生物在受热过程中减少到原来数目的1/10所需要的时间。

D= －
K 303.2 0010/1lg N N =K
303.2
四 影响培养基灭菌的因素 1．营养成分的保持：
营养成分受热分解也符合微生物热死亡动力学规律和Arrhenius 方程： －
dt
dC
＝K ’C 可变形为：ln(C s/ C o )=－K ’t
或Cs=C 0e －K ’t
lg 1'ln '1C C t K C C K t s
s
-=-
=
K ’=Ae －ΔE ’/ RT
K ’：营养成分受热分解速率常数，（min －1） C s －受热后营养成分浓度； C o －受热前营养成分浓度；－
ΔE ：营养成分受热分解反应的活化能（J/mol ）
注：微生物受热死亡的活化能ΔE 比营养成分受热分解反应的活化能ΔE ’大；
（ΔE ：活化能，指能促使化学反应的一种能量。

化学反应动力学指出：活化能大的反应中，反应速度随温度的变化也大；反之，反应速度随温度的变化也小。

）
ΔE 大，说明反应速率随温度变化也大；当温度升高，微生物死亡速度比营养成分分解速度快。

故采取高温瞬时，有利于减少营养的破坏。

2． pH 值：6.0~8.0 不易死亡；<6.0易死亡 3．培养基组成：油脂、糖类及蛋白质增加耐热性 3． 泡沫及颗粒：
第三节 分批灭菌
培养基和发酵罐同时灭菌，冷却至发酵温度再接种发酵。

又称间歇灭菌或实罐灭菌（实消）。

一 灭菌效率
当灭菌温度恒定为T ，所需时间为： t =－
K 1ln 0N N s ＝－K
303.2 lg 0N N s
当温度随时间变化时，K 也变化：
－dN/dt=KN=Ae －ΔE/RT ·N 积分可得 －ln(Ns/N o )=A
⎰∆-t
RT
E dt e
/
升温、维持和冷却过程的灭菌效果可表示为： V 总= ln(N o / Ns) ＝V 加+ V 保＋ V 冷 V 加＝ln(N o / N 1)＝A
⎰
∆-1
/t RT E dt e
V 保＝ln(N 1 / N 2)＝K （t 2-t 1） V 冷＝ln(N 2 / N s ) ＝A
⎰
∆-3
2
/t t RT E dt e
V 加、V 冷经转换并积分后得：
V 加＝S M K T 0·2
02
)]([T T C i B icT -+ V 冷＝)
(2
Tco T B T K T -α
T 0－培养基初温（K ） T －灭菌温度（K ） i －蒸汽热焓（kJ/kg ），每千克蒸汽传递给培养基的热量； S －蒸汽质量流量（kg/min ） M 0－罐内培养基质量（kg ）
K －发酵罐冷却装置的总传热系数（kJ/m 2.min.K ） A －传热面积（m 2） T H －热源温度（K ）
C －培养基比热（kJ/kg.K ） C ’－冷却剂比热（kJ/kg.K ） W －冷却剂质量流量（kg/min ）
T s －冷却后培养基温度（发酵所需温度）（K ） T co －冷却剂进口温度（K ）
M －罐内培养基和加热喷入蒸汽总质量（kg ），M=M 0 + st 1，t 1为升温时间
二 分批灭菌讨论
工业灭菌，灭菌周期约3～5h,各阶段的灭菌贡献大致为：
V 加 / V 总= 0.2, V 保 / V 总= 0.75, V 冷 / V 总= 0.05
例题：
1． 温度从120℃升至150℃时，分别计算V B1的分解速率常数K B 和嗜热芽孢杆菌的比死亡速率常数Ks 。

已知ΔE B1 =92114J/mol ，A B1=9.30×1010（min -1）；ΔE s = 283460J/mol ，A s =1.06×1036 (min -1)，且比较K B(150) / K B(120) 和K s(150) / K s(120) 2. 在120℃下灭菌7.6min ，计算此时V B1的损失。

(120℃下K B1 ＝0.055min －1)
3. 某厂培养基初始杂菌数为106个/ml, 生产要求最终无菌度为10-3。

当发酵容器由1m 3放 大至10 m 3时，总灭菌效果增加多少。

4 .发酵培养基60 m 3，初始杂菌数为105个/ml, 生产要求最终无菌度为10-3。

采用分批灭菌方式，120℃维持5min.已知升温和降温的灭菌效果不超过总灭菌度效果的25％。

则所设计的T-t 过程是否达到无菌要求。

如何改进。

5.10000kg 40℃的培养基在发酵罐内进行分批灭菌，灭菌温度T=120℃,灭菌后要求每1000批中仅有一只菌即Ns ＝10-3。

其操作条件如下：
1) 培养基的原始污染程度为105个/ml
2) 加热蒸汽压力为4kg/cm 2,流量为40kg/min
3) 冷却水温度Tco ＝10℃，冷却水流量W ＝750kg/min ，传热面积A=15m 2，
总传热系数K=1.67MJ(400kcal)/m 2.h.℃,冷却到发酵温度ts=35℃ 4) 培养基的比热和比重分别为4.19kJ(1kcal)/kg.℃及1.0
求：加热、维持和冷却需要的时间。

第四节 连续灭菌
培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却后，进入发酵罐的杀菌方法。

适用于：黏度低，固体培养物较少的培养基 优点：灭菌时间短，营养物破坏程度降低；灭 菌效率提高 缺点：产生二次污染
一 连续灭菌计算
1．连续灭菌加热和冷却时间极短，主要考虑维持时间与温度。

V 总= V 保
灭菌时间主要是维持段停留时间：t =－
K 1ln 0
N N s ＝－
K
303.2 lg 0N N s
K 取普通耐热细菌芽孢的值：K=7.94×1038e －287441 / 8. 28T
维持段设备：维持罐 V=Q ·t 维持管 例题
1．一台连续灭菌设备流量Q ＝6m 3/h ，发酵罐装料容积40m 3，原始污染度105个/ml ，要求灭菌度Ns=10-3，灭菌温度T=125℃，此时K=11min -1。

求维持时间t 2及维持罐装料容积V 。

2． 试证明D=
K
303
.2，D 为1/10衰减时间，K
第三章 空气除菌（5学时） 第一节 概述
一 空气除菌的意义： 1． 发酵要求纯种培养
2． 空气中大量杂菌：103~104个菌体/m 3 空气微生物的分布：
干燥寒冷北方〈 温暖湿润南方，高空〈 低空，工业城市〈 农村 微生物种类：以细菌和细菌芽孢较多。

也有酵母、霉菌和病毒等
二 好气性发酵对空气无菌度的要求
工业设计要求: 10-3
概率意义: 经过1000次灭菌中仅有一次灭菌失败
三 空气除菌的方法：除去或杀灭
1． 介质过滤除菌（filtration sterilization ）:
几种灭菌、除菌方法的比较：
优点 缺点 加热灭菌
可以杀灭难以用过滤除去的噬菌体
费用昂贵，无法用于处理大量空气 空气压缩热灭菌
比较经济
需要较大的维持管或罐
电除尘
比较方便
达不到无菌要求只能作为初步除菌
过滤除菌
比较经济
不能杀死噬菌体
至今工业上的空气除菌几乎都是采用介质过滤除
利用过滤介质阻截流过空气中的颗粒达到除菌的目的
过滤介质为棉花、活性炭、玻璃纤维、石棉滤纸、烧结材料等。

该法国内外广泛使用。

2．加热灭菌（heating sterilization）
空气压缩时放出热量温度升高达到杀菌目的。

3．静电吸附（static dust cather）:利用静电引力吸附带电粒子达到除菌除尘目的。

捕获率低，空气需干燥；但能耗小；
(一) 常用过滤介质
1．棉花：阻力大，易受潮
2．活性炭：阻力小，但效率为棉花1/3,
与棉花混合使用
3．玻璃纤维：
4．石棉滤板
5．绝对过滤介质：d<0.45 μm
(二) 空气过滤设备
1.空气加热杀菌设备
空气压缩机
保温维持管
空气储罐
空气冷却器等
2. 静电除菌除尘设备
➢静电除尘器（static dust catcher）
➢可除去水分、油雾、尘埃、微生物
常用于超净工作台及工作室的预除菌，配合高效过滤器(high efficiency filter)使用3. 过滤除菌设备
1）深层纤维介质（棉花、活性炭、玻璃纤维）过滤器：
填充物顺序：孔板－铁丝网－麻布－
棉花－麻布－
活性炭－麻布－
棉花－麻布－
铁丝网－孔板
过滤介质的弹簧压紧装置：
2）平板式纤维纸过滤器（flat fiber paper filter）：
结构：筒身、顶盖、滤层、夹板、缓冲层
空气过滤器的尺寸：过滤器的直径D（决定了过滤面积）
和有效过滤高度
过滤器的直径D ＝Vs V π4 V －空气经过滤器时的体积流量（m 3/s ）
V s －空容器截面的空气流速（m/s ）（一般取0.1－0.3 m/s ）
总高度中：上下棉花的厚度为总滤层厚度的1/4－1/3,活性炭层占1/3－1/2
第二节 过滤除菌机制
一 绝对过滤：微孔滤膜, 孔隙0.1～0.5μm （细菌1μm 左右）
二 深层过滤：
一定厚度的介质，介质的孔径一般大于细菌，
其主要由于滞留作用截获微粒，使空气净化。

滞留作用机制主要构成为：
1． 惯性碰撞滞留作用：一定质量的颗粒随气流运动，若遇到纤维，由于惯性力作用直线前
进，最终碰撞到纤维，摩擦、黏附作用被停滞于纤维表面。

● 微生物等颗粒随空气以一定速度流动；
● 在接近纤维时，空气绕过纤维继续前进；
● 微生物由于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上，由于摩擦、粘附作用，被滞留在纤维
表面上。

决定惯性碰撞滞留作用大小的因素：
V> V c 空气流速越大，惯性冲击越大，纤维的捕获效率
(η1)随气流速度增大而增大，但流速过大易带走颗粒；
惯性碰撞滞留效率η1＝d/d f
d —气流宽度（m ）；
d f －纤维直径（m ）
V<V c 颗粒惯性小, 惯性碰撞滞留作用忽略不计。

惯性碰撞滞留效率η1＝0
其中：
V c 临界气速：气流速度小至颗粒的惯性力已不能脱离
气流，导致颗粒不与纤维碰撞，故不能
被捕获。

此时的气速称为临界气速。

V c 与纤维直径d f ，颗粒直径d p ，颗粒密度ρp ，气体物理性质有关。

表达式为：
V c ＝2125.1p p f
d C d ρμ C －滑动系数；ρ p －颗粒密度(kg/m 3)；μ－空气黏度(kg/m.s)
2． 阻拦滞留作用：当V< V c 时, 气流流过纤维，纤维周围产生滞流层，微小颗粒在滞流层
接触纤维，由于摩擦黏附作用被纤维阻拦滞留的现象。

● 颗粒质量很小，气流绕过纤维时颗粒仍随气流运动；
● 气流速度低时，在纤维周边形成一层边界滞留区，此区内气流速度更慢；
● 滞留区内的颗粒缓慢接近纤维，并与之接触，由于摩擦、粘着作用而被滞留，这种作用
称为阻截作用。

阻拦滞留效率(η2)决定于：颗粒直径dp 与纤维直径df ，空气流速等 。

阻拦滞留效率η2＝)
ln 00.2(21Re N -[2(1+ N R )ln(1+ N R )- (1+ N R )+ 1/(1+ N R )] 其中：N Re (气流雷诺数)= d f Vρ/μ
d f －纤维直径（m ）；V －空气流速(m/s)；
ρ－空气密度(kg/m 3)；μ－空气黏度(kg/m.s)
N R = d p / d f (微粒直径/纤维直径)
注：
单个纤维介质距离s< d p / 2, 阻拦滞留作用存在；
单个纤维介质距离s> d p / 2, 阻拦滞留作用不计。

3． 扩散作用：当V< V c 时，微小颗粒在流速缓慢的气流中发生布朗运动，与介质碰撞而被
捕获。

● 很小的颗粒在流动速度很慢的气流中能产生一种不规则直线运动，称为布朗扩散运动。

微粒愈小，分子运动的速度愈大。

● 这种运动使较小微粒凝聚为较大微粒，随即可能产生重力沉降或被过滤介质截留。

● 空气流速低时，分子运动比较显著，微小粒子被除去的机会增加；空气流速大时，凝聚
现象为惯性碰撞所取代。

扩散捕获效率(η3)决定于：纤维直径d f 和 气流速度V 。

扩散捕获效率η3 ：
η3=
)ln 00.2(21Re N -[2(1+ 2 X 0/ d f ) ln(1+ 2 X 0/ d f )－(1+ 2 X 0/ d f )+ 1/(1+ 2 X 0/ d f )] 其中：3/10])ln 2(212.1[/2f
B e f Vd D R d X -⨯= D B （微粒的扩散率）=CKT/3π μ d p
C －滑动系数；K －波耳兹曼常数，1.41×10－24kg.m/k ；T －绝对温度(k)
4 重力沉降作用
• 当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就沉降。

• 对于小颗粒，只有当气流速度很低时才起作用。

在空气的介质过滤除菌方面，这一
作用很小。

5 静电吸附作用
• 许多微生物和孢子都带有电荷。

• 当具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦作用而产生诱导电荷，特别是纤
维表面和用树脂处理的纤维表面产生电荷更显著。

• 当菌体所带的电荷与介质的电荷相反时，就发生静电吸引作用。

三 捕获效率η
单个纤维的总捕获效率η＝η1+η2+η3
当采用玻璃纤维时，可η1忽略：即单个纤维的总捕获效率η＝η2+η3
当纤维较粗，间隙较大时，η3很小，可单独以η＝η2
注：空气流速与过滤效率的关系
V< v c 纤维的捕获效率η随气流速度增大而减小；
V> v c 纤维的捕获效率η随气流速度增大而增大，但流速过大易带走颗粒，η减小；
第三节 空气过滤器的计算
一捕获效率(过滤效率) 和穿透率
1． 介质捕获效率：被介质层捕获的颗粒数与空气中原有颗粒数之比
η＝(N 0-Ns)/ N 0 ＝1-P Ns －过滤后残留的颗粒数
N 0－空气中原有颗粒数
2． 穿透率（残存率）：P= Ns/ N 0
二 对数穿透定律
1．空气过滤时，颗粒数N 随滤床厚度L 的增加而递减。

表示为： －dN/dL=KN
－dN/N= KdL
积分后得：ln （Ns/ N 0）＝－KL
K －过滤常数 （cm -1 ），与气流速度V,纤维直径d f ，颗粒直径d p 和纤维填充
关
L －滤层厚度（cm ）
2 过滤层厚度的计算：
L ＝－ln （Ns/ N 0）/K ＝－lnP / K
三 k 值的获得
1． 实验测定
如：直径为16μm 的棉花纤维，当填充系数α（过滤介质在滤层中的体积百分数）＝8％时，空气流速V 取以下值时的K 值：
2.公式计算
当无实验数据可查，可依据此：
单个纤维的总捕获效率η＝惯性碰撞滞留效率η1+阻拦滞留效率η2+扩散捕获效率η3 当采用玻璃纤维时，η1可忽略：即单个纤维的总捕获效率η＝η2+η3
过滤常数为K ＝)
1()5.41(4απαα-+f d η, 3．K 与 L 90的关系：
L 90为η＝90％时的滤层厚度
ln （Ns/ N 0）＝－KL
lnP ＝－KL
K ＝－ln10% /L 90＝2.303/ L 90
空气过滤相关计算：
1．空气过滤器的尺寸：有效过滤厚度和过滤器的直径D （决定了过滤面积）
1）过滤层厚度：
L ＝－ln （Ns/ N 0）/K ＝－lnP / K
k 值的获得：实验测定，K ＝2.303/ L 90
或：K ＝)
1()5.41(4απαα-+f d （η2+η3） 2）过滤器的直径D ＝
Vs V π4 V （Q ）－空气经过滤器时的体积流量（m 3/s ）
V s －空容器截面的空气流速（m/s ）（一般取0.1－0.3 m/s ）
计算题
1．试设计一台通风量为10m 3/min 的棉花纤维过滤器，过滤器使用周期为100h 。

空气中颗粒数为5000个/m 3,通过过滤器无菌要求为10-3。

已知空气压力为3kg/cm 2，工作温度为30℃。

求：过滤效率η
滤层厚度L(选用d f =16μm ,气速Vs=0.1m/s ，填充系数=8%)
解：1) P= Ns/ N 0=10-3/(5000×10×60×100)=3.33×10-12
η=1-P=1-3.33×10-12
2) 表查得K=0.31cm-1,
L ＝－ln （Ns/ N 0）/K
2.若上题中，采用d f =10μm 的玻璃纤维作填充介质，计算其滤层厚度。

已知微粒直径d p ＝1μm ＝1×10－6m ，ρp =1000 kg/m 3;纤维直径d f =10μm ＝1×10－5m, 滑动系数C=1.16, 空气密度ρ =4.67 kg/m 3, 空气黏度μ=1.863×10－5 kg/m.s.
3 一台空气过滤器的通风量为22.5m 3/min, 过滤器使用周期为100h 。

空气中颗粒数为1750个/m 3,求整个周期通过过滤器无菌要求为时的10-3滤层厚度。

若通风量为
2.25m 3/min,过滤1 min 后空气中的颗粒数。

（介质为d f =16μm 的玻璃纤维，原空气流速V=1.52m/s, 变化后V=0.15m/s ）
第四节 典型的过滤除菌空气净化流程
空气除菌的要求：
无菌、无尘、无油、无水、有压力
一、提高过滤效果的措施:
1) 提高过滤效果的措施:
a.减少进风口的含菌数：环境卫生
* 提高进风口
* 预过滤
b.合理的空气过滤器
c.保证空气干燥：进行除油除湿
2) 常用空气净化流程
空气预净化－空气过滤器－无菌空气
注: 对于湿度大的地区，可采用二级冷却
二、常用流程
1．两级冷却、两级分离、加热、除菌流程（较完善的流程）
设备：粗过滤器、空气压缩机、贮罐、冷却器、分离器、加热器、过滤器等
特点：
两次冷却：使水、油形成雾粒
两级分离：除去水、油雾粒
加热：降低空气湿度，
原100％－降至50－60％
过滤除菌
流程图：
2．高效前置过滤除菌流程
设备：高效过滤器、空气压缩机、
贮罐、冷却器、分离器、
加热器、过滤器等
流程图：
高效过滤器介质为：泡沫塑料（静电除菌）、超细纤维纸
特点：
高效过滤器前置后，空气无菌度达99.99%，使经过主过滤器的空气更洁净，无菌度更高3．热空气加热冷空气的流程
设备：粗过滤器、空气压缩机、
热交换器（贮气罐）、冷却器、析水器、过滤器等
特点：
有效利用热能，使冷空气温度升高，湿度降低
第四章传氧与通气搅拌（6学时）
第一节概述
通气与搅拌的目的：
1．供应氧气，供微生物生长及代谢；
2．使发酵液均匀混合，促进物质传递：底物－发酵液→菌体；代谢物质－菌体→发酵液通风发酵的关键问题：提高溶氧速率
第二节氧的传递
一、氧的传递途径与传质阻力
1、供氧及供氧方面的阻力
(1)供氧：空气中的氧气从空气泡里通过气膜、
气液界面和液膜扩散到液体主流中。

(2)供氧方面的阻力
•氧膜阻力1/k1
•气液界面阻力1/k2
•液膜阻力1/k3 （可示1/ K L）
•液流阻力1/k4
由于氧是很难溶于水的气体，所以在供氧方面液膜是一个主要障碍，即1/k3是较为显著的，使气泡和液体充分混合而产生的湍动可以减少这方面的阻力
2、耗氧及耗氧阻力
（1）耗氧：指氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散到细胞内。

•细胞周围液膜阻力1/k5 。

•菌丝丛或团内的扩散阻力1/k6 。

•细胞膜的阻力1/k7 。

•细胞内反应阻力1/k8 。

通常耗氧方面阻力主要是1/k6和1/k7 ，即菌丝丛内阻力与细胞膜阻力所引起的。

搅拌可以减少逆向扩散的梯度，因此也可降低这方面的阻力。

至于细胞内反应阻力1/k8可随下列因素中任一种而产生：培养基成分与其相应的酶的作用失活；一些生理条件如温度、pH值等不适于酶的反应；一些代谢物的积累或其不能及时从反应处移去。

结论：
氧的传递过程中，从气相到液相过程是限制步骤，液膜阻力1/KL控制因素。

提高氧的传递速率，需提高从气相到液相的传质（溶氧）速率。

二双膜理论
氧溶解过程的双膜理论，其基本论点为：
1. 气相与液相主体间存在两膜，气泡一侧为
气膜，液体一侧为液膜。

氧分子借浓度差
扩散透过双膜；氧气从气相到液相主体，
阻力来自两膜。

2. 在气液界面上，氧浓度平衡，界面上无传
质阻力。

3. 两膜外的气、液主体中，氧浓度均匀，无
传质阻力。

通过气膜的传氧推动力（压力降）＝气相平均浓度（氧分压p）－界面相平均浓度（氧分压pi）
通过液膜的传氧推动力（浓度降）＝界面相平衡浓度（Ci）－液相平均浓度（C）
三传氧速率方程
在稳定传质过程中，两膜的氧传递速率可表示为：
N = k G (p －pi ) = k L (Ci-C )
N －传（溶）氧速率（kmolO 2 / m 2.h ）
k G －气膜传质系数（kmolO 2 / m 2.h.atm ）
k L －液膜传质系数（m/h ）
p －气相主流中氧分压（atm ）； pi －气液界面相氧分压（atm ）
C －液相主流中氧浓度(kmolO 2 / m 3)； Ci －气液界面相氧浓度(kmolO 2 / m 3) 由于pi 、Ci 难以测量，故上式改写为：
N = K G (p －p*) =K L (C*－C )
K G －以氧分压为总推动力的总传质系数（kmolO 2 / m 2.h.atm ）
K L －以氧浓度差为总推动力的总传质系数（m/h ）
P*－与液相主体中溶氧浓度C 相平衡的氧分压（atm ）
C*－与气相主体中氧分压p 相平衡的溶氧浓度 (kmolO 2 / m 3)
其中: C*＝p/H,，p *= H C 。

H 为亨利常数(atm. m 3 /kmolO 2)，表示气体溶解于液体的难易程度。

H 越大，表示越难溶。

由于液膜阻力远大于气膜阻力，故通常以(C*－C )为溶氧推力来计算：
故：N = K L (C*－C ) ≈k L (C*－C )
N 为每单位界面上每小时的传氧量（kmolO 2 / m 2.h ），无法测量，故两边同乘α： N α= Nv = K L α(C*－C ) = k L α(C*－C )
α－单位体积培养液中气液两相的总接触面积（m 2/m 3）
N α－体积溶氧速率（kmolO 2 / m 3.h ）
K L α或k L α－以(C*－C )为推动力的体积溶氧系数 (1/h)
四 体积溶氧系数的测定及影响因素
1． 亚硫酸盐法测定
氧的溶解速度（氧传递速度）是控制氧化反应速度的决定因素。

原理：2Na 2SO 3 + O 2 Cu 2+ 或Co 2+ −−−−→−+
+22Co Cu 或 2Na 2SO 4 Na 2SO 3 + I 2 (过量)+ H 2O —→2Na 2SO 4 + 2HI
2Na 2S 2O 3 + I 2 (剩余) —→Na 2S 4O 6+ 2NaI
蓝色 无色
用Na 2S 2O 3滴定剩余I 2，每滴定消耗1mol Na 2S 2O 3，必有1/4mol 溶氧；
Nv ＝41000mt VN (mol/ml.min)
或 Nv ＝460mt VN (mol/L.h)
V －样液与空白液滴定用标准Na 2S 2O 3（0.1N ）体积差（mL ）
N －Na 2S 2O 标定的克分子浓度
m －样液体积（ml ）
t －氧化时间 (min)
由于N α= Nv ＝k L α(C*－C )，C ＝0
故 k L α＝Nv / C*
由于C*＝0.21 mmol/L （1atm 下，亚硫酸钠实际溶解氧浓度为0.21 mmol/L ）。