生物反應器中的傳遞與傳熱.ppt

第三章 生物反應器中的傳遞與傳熱（4學時） 基本要求： 了解發(fā)酵介質(zhì)的流變特性、流變模型和影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的因素。 了解氧的傳質(zhì)反應模型，掌握反應器中氧的體積傳質(zhì)系數(shù)的定義及其影響因素和測定方法。 了解固定化酶中反應過程的分析,了解內(nèi)外擴散系數(shù)的計算方法,掌握內(nèi)外擴散的判斷和消除方法. 了解兩相酶反應過程的分析,掌握液-液傳質(zhì)的計算. 了解生物反應器的滅菌過程以及反應器的傳熱. 重點： 反應器中氧的體積傳質(zhì)系數(shù)的定義及其影響因素。 固定化酶內(nèi)外擴散的判斷和消除方法。 生物反應器的滅菌過程。 難點： 固定化酶內(nèi)外擴散系數(shù)的計算。,1 發(fā)酵介質(zhì)的流變特性,生化反應器中發(fā)酵液的流變特性將影響其混合的程度，從而影響其傳質(zhì)和傳熱的速率。發(fā)酵液是由液相和固相構(gòu)成的多相體系，對于細菌和酵母發(fā)酵液，一般來說其粘度較低，流動性較好，熱量和質(zhì)量傳遞速率較快。如果采用特殊的培養(yǎng)技術(shù)得到高濃度的細胞發(fā)酵液，則會因其粘度的大大增加而造成熱量和質(zhì)量傳遞的困難。因此必須予以充分重視。 流變模型 流變模型系指能反映流體流動特性的模型。流體的流動特性又經(jīng)常以剪應力與速度梯度的關(guān)系來表示。,第一節(jié) 傳質(zhì)基礎,影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的因素 發(fā)酵介質(zhì)的流變特性主要取決于細胞的濃度和其形態(tài)。一般發(fā)酵介質(zhì)中液相部分粘度較低，但是隨著細胞濃度的增加，發(fā)酵介質(zhì)的粘度也相應增大，流體偏離牛頓特性越大。細胞的形態(tài)對發(fā)酵介質(zhì)流動特性也有較大影響，如細胞為絲狀形態(tài)時會導致發(fā)酵介質(zhì)成為非牛頓型流體。 影響發(fā)酵介質(zhì)流變特性的另一個因素為胞外產(chǎn)物，如產(chǎn)物為多糖，此時細胞的存在對發(fā)酵介質(zhì)的流變特性影響較小，而多糖濃度的高低則對介質(zhì)的粘度有較大影響。 一般當發(fā)酵介質(zhì)中細胞的濃度較低，且其形態(tài)為球形時，通常為牛頓型流體，此時流體的流動性能較好，傳質(zhì)和傳熱性能好，如酵母和細菌發(fā)酵液具有這種特性。,2 反應器中傳質(zhì)和反應過程,在生物反應器中進行的生物反應，一般來說是個多相反應，涉及到的相有液相（主要是水相體系，有時是兩個液相，比如雙水相體系和水相-有機相體系），氣相（好氧微生物反應中通入的空氣），固相（微生物菌體，固定化載體等）。因此，除了反應過程外，必存在物質(zhì)的傳遞，包括底物和產(chǎn)物在一個相中和不同相間的傳遞。 物質(zhì)的傳遞過程和反應過程是個串聯(lián)過程，只有傳遞到達反應位點的底物才能被生物催化劑催化而反應，也只有在生物反應生成產(chǎn)物后才能有產(chǎn)物離開反應位點的物質(zhì)傳遞。在這個串聯(lián)過程中，速率最慢的一步（可以是傳遞也可以是反應）決定了整個過程的速率，因此該步被稱為速率控制步驟，對應的有過程為反應控制和傳質(zhì)控制。 當然，在生物反應器內(nèi)物質(zhì)的傳遞和反應是在同一時間內(nèi)進行的，某物質(zhì)分子在傳遞的時候，其它物質(zhì)分子可能在反應中。但從總體的物流角度看，傳遞和反應是個串聯(lián)過程。 有關(guān)這方面的內(nèi)容，將在氧的傳遞和反應中具體討論。,第二節(jié) 細胞反應過程中的氣液傳質(zhì)（氧的傳遞）,對于好氧微生物反應，氧的傳遞過程往往是十分重要的。一方面微生物反應達到一定程度后的需氧量十分大，另一方面氧是難溶的氣體，這就決定了氧的供給十分困難。因此，本章重點討論氧的傳質(zhì)。,1 氧的傳質(zhì)模型,氧的傳遞過程有如下各項： 氧從氣相主體擴散到氣-液界面； 通過氣-液界面的傳遞； 通過氣泡外側(cè)的滯流液膜到達液相主體； 液相主體中的傳遞； 通過細胞或細胞團外的滯流液膜到達細胞或細胞團與液體的界面； 通過液體與細胞或細胞團之間的界面； 細胞團內(nèi)在細胞與細胞之間的介質(zhì)中的擴散 進入細胞至反應中心的傳遞。,一般認為：在上述氣液傳質(zhì)過程中，氣液界面和液相主體的傳質(zhì)阻力都較小，可不計。因此主要的阻力來自氣膜和液膜。我們可以用雙膜理論來描述上述過程。,因此，氧的氣液傳質(zhì)速率為：,上述描述方法同樣適應于CO2等其他氣體在氣液相間的傳質(zhì)過程。,2 氧的傳質(zhì)反應模型,如果在某一需氧微生物反應過程中，生物體為單細胞，其大小可能為幾個微米，而液膜的厚度可能為幾十微米，此時在液膜內(nèi)就包含細胞，細胞有可能被吸附在氣液界面上， ，此時，48各項阻力均可不計。氧可被認為一面溶解于液相，一面消耗于反應，反應體系可做均相處理。 對于這樣一個過程，反應和傳質(zhì)同時起作用。假定反應為一級不可逆反應，同時起作用有三種情況： 氧的傳質(zhì)速率快，反應速率相對較慢，此時為動力學控制，其氧的消耗速率為：,反應速率快，傳質(zhì)速率相對較慢，此時為傳質(zhì)控制，其氧的消耗速率為：,反應速率和傳質(zhì)速率相當，此時為過渡狀態(tài)，其氧的消耗速率為：,如果反應符合Monod方程，則在穩(wěn)態(tài)下氧的消耗速率和傳質(zhì)速率可表示如下：,3 比氧消耗速率與溶解氧濃度的關(guān)系,微生物反應過程中比氧消耗速率和溶解氧濃度間的關(guān)系可以通過試驗來測定。從數(shù)據(jù)可以看出，當DO在某一值以上時, DO 隨時間線性減少，其比氧消耗速率qO2與DO 無關(guān)，為一常數(shù)；當DO在某一值以下時， qO2與DO有一定關(guān)系，隨 DO的減少，兩者呈雙曲線關(guān)系。這一值，我們稱為臨界溶解氧濃度，記為DOcri 。 討論： 當 時, DO 隨時間線性減少，qo2與DO無關(guān)。這意味微生物反應對于DO為0級反應，而與細胞內(nèi)呼吸系統(tǒng)有關(guān)的酶完全被氧所飽和，微生物反應過程成為酶催化反應控制。進一步，當溶氧濃度大于空氣飽和值時，過高的溶氧反而會使微生物生長受到抑制。 當溶氧濃度小于臨界溶氧濃度時，比氧消耗速率隨溶氧而變化，可認為是由于與呼吸作用有關(guān)的酶未被氧飽和，微生物反應成為供氧控制。多數(shù)情況下，比氧消耗速率和溶氧的關(guān)系可用米氏方程近似表示：,4 氧的體積傳質(zhì)系數(shù),需氧微生物反應器的氧傳遞性能可用體積傳質(zhì)系數(shù)表示，其值越大，說明反應器的氧傳遞性能越好。因此，要提高反應器的氧傳遞速率，只要增大kLa即可。,影響體積傳質(zhì)系數(shù)的主要因素 影響體積傳質(zhì)系數(shù)的因素很多，慨括起來可以分為：,通風和攪拌 無機械攪拌時， 式中：K， 為經(jīng)驗系數(shù)和指數(shù)，取決于液體的性質(zhì)、設備的形狀等因素，其值由實驗確定。 Q通風量，V反應液體積,采用機械攪拌，有利于增加氣液接觸面積，加長氣液接觸時間，減小液膜厚度，從而可以提高溶氧效率。 Rushton認為： Calderbank P.H.認為： 其中：vs為反應器內(nèi)空截面空氣線速度，pg /V為單位體積反應液所輸入的攪拌功率。 從上可以看出，影響反應器溶氧的主要因素是pg / V，n 和vs 。而vs可歸結(jié)為通氣量的函數(shù)，因此，增加攪拌功率，攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量，對一定的設備而言，可以增加溶氧。但是，上面三者之間是相互關(guān)聯(lián)的。因此，要提高體積傳質(zhì)系數(shù)，有效的途徑是：增加攪拌器轉(zhuǎn)速n，以提高pg，從而有效地提高體積傳質(zhì)系數(shù)kLa；加大通氣量Q的同時，提高n，保持pg，以提高kLa或提高C*（可采用向反應液通入純氧）。,溫度和壓力 溫度的高低改變了氧的溶解度，同時也影響到液體的物性。一般，溫度的升高，會降低液體的粘度，減小液體的表面張力，增大氧在液相中的擴散系數(shù)，因此有利于提高氧的溶解速率。Oconner的研究結(jié)果表明，常溫下用活性污泥法處理廢水時，提高溫度可增加體積傳質(zhì)系數(shù)。同時，溫度的升高，會使 下降。有下面的關(guān)系式： 上式表明，體積傳質(zhì)系數(shù)與溫度成正比，而與液體粘度成反比。 操作罐壓的高低及液柱的高低，都會影響溶氧速率。佐藤等的研究表明，在通風攪拌反應器中，通氣量恒定時，溶氧速率隨壓力的增大而增大，同時體積傳質(zhì)系數(shù)值也隨壓力的增大而增大。三者之間的關(guān)系如下： 式中p*為與液相中溶解氧濃度C相平衡的氧分壓。,反應液的理化性質(zhì) 反應液的理化性質(zhì)指液體的粘度，密度，表面張力及氣體溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)等。即使對于牛頓型流體，上面各理化性質(zhì)都會隨反應過程的進行而發(fā)生變化，因此它們間接影響傳質(zhì)性能。而對于非牛頓型流體，這些性質(zhì)對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響就更加復雜了。 反應液中的有機物的影響：有些是作為底物加入的，有些是代謝產(chǎn)物。有些有機物的存在會降低體積傳質(zhì)系數(shù)值，例如蛋白質(zhì)；有些有機物的存在會提高體積傳質(zhì)系數(shù)值，例如酮、醇及脂等。 反應液中鹽類的影響：添加多種鹽類，反應液的離子強度會增加，從而體積傳質(zhì)系數(shù)值增加，其增加的程度隨投入動力的增大而增大，有時為純水的56倍。這主要原因是在鹽類反應液中，氣泡群變細小，并且難以合并，（增大了a）。另外，氣體的滯留量也有增大的傾向。 表面活性劑的影響：微生物培養(yǎng)基中的有些天然營養(yǎng)物本來就是表面活性物質(zhì)，并且在反應中微生物還會分泌出一些活性物質(zhì)。這些表面活性物質(zhì)的存在，有時會使kLa增大，有時會使kLa減小。由于這些物質(zhì)吸附在氣液兩相的界面上，一方面降低液體的表面張力，使氣泡直徑變小，a增大；另一方面，表面活性物質(zhì)在相界面上聚集，使液膜傳質(zhì)系數(shù)kLa下降。這兩種作用的結(jié)果，則產(chǎn)生了上述結(jié)果。具體是增加kLa，還是減小kLa，則需視a增大的程度和kL減小的程度。例如：加入十二烷基磺酸鈉會使kLa增大，加入吐溫85會使kLa減小。 微生物反應不僅因反應而對氣體有吸收作用，而且微生物本身作為懸浮微小顆粒在物理上也影響氣體的吸收。根據(jù)實驗結(jié)果，含有死菌體的培養(yǎng)液，kLa總是隨菌體濃度的增大而減小。,反應器結(jié)構(gòu)因素的影響 通氣管：生化工程學者曾對各種形式的通氣管的氧傳遞能力進行過研究，以便能找出一種氧由氣泡傳遞到液相的高效率的通氣管。但是，以單位體積反應液的功率消耗為基準，進行不同類型的比較，卻發(fā)現(xiàn)由亞硫酸鈉法測定的kLa值并無很大差異。 攪拌器：攪拌器組數(shù)和攪拌器直徑的最適距離對溶氧有一定的影響。實驗表明，攪拌器組數(shù)和間距在很大程度上要根據(jù)發(fā)酵液的特性來確定，只有這樣，才能達到較好的溶氧效果。一般，當高徑比為2.5時，用多組攪拌器可提高溶氧10%；當高徑比為4時，采用較大的空氣流速和較大的攪拌功率時，多組攪拌可提高溶氧25%。但是，如果攪拌器之間的位置不當，則流型和空氣分布情況將發(fā)生變化，引起kLa的大幅度下降。 擋板：帶有攪拌裝置的反應器都應安裝適當?shù)膿醢?，或以垂直冷排管作為擋板，否則攪拌會使液體形成中心下降的漩渦。擋板可使液體形成某種軸向運動，不讓大量空氣通過漩渦外逸，從而提高氣液混合效果，改善氧的傳遞條件。一般反應器可裝4塊擋板，裝得太多，通氣效率也不會有太大的提高。 高徑比：當空氣流量和單位體積的功率消耗不變時，通氣效率隨高徑比的增大而增大。經(jīng)驗表明：高徑比由1增大到2時，kLa可增大40%；由2增大到3時，kLa可增大20%。因此，發(fā)酵工廠傾向于采用較大的高徑比。但是，高徑比也不是越大越好，高徑比太大，反而會使kLa下降，這主要是由于氣泡體積縮小，造成氣液界面積減小之故。,體積傳質(zhì)系數(shù)的測定 的測定可以分為熱模測定和冷模測定兩種。 熱模測定：直接利用發(fā)酵液在有微生物活動的條件下測定； 冷模測定：利用模擬介質(zhì)，在無微生物活動的條件下測定。該法主要用于反應器傳質(zhì)性能的研究。 熱模測定 在好氧微生物反應過程中，若溶氧濃度恒定在某一值，則可根據(jù)氧的供需平衡來計算體積傳質(zhì)系數(shù)： 式中，CL*為一已知參數(shù)，因此只要通過實驗測定CL和rO2，就可以求得。 從理論上講，反映反應器傳質(zhì)性能的體積傳質(zhì)系數(shù)的測定應在熱模體系中進行。但是，熱模測定存在如下缺點：用實際體系測定，成本高，特別是對于需反復測定的反應器研究；實際體系內(nèi)由于生物呼吸的影響，不利于的計算，尤其是rO2隨時間和菌體濃度而變化時的情況；流體的流變特性隨時間而變化，而是受流體的流變特性影響，因而不同發(fā)酵時間測定出的不同。因此，研究和設計反應器時，為了研究其傳質(zhì)特性，常用冷模介質(zhì)來模擬實際介質(zhì)，用冷模測定的數(shù)據(jù)代替實際體系的數(shù)據(jù)。相比之下，冷模測定方法方便、快捷和價廉。當然冷模測定的結(jié)果還需在實際反應體系上驗證才能更好利用。,冷模測定 作為能反映實際體系傳質(zhì)性能的冷模介質(zhì)的選擇有一定的要求，具體可以考慮以下幾各方面：冷模介質(zhì)的粘度等流變學條件同實際體系；氣液的界面阻力類似，一般指表面張力；氣泡在介質(zhì)中會聚和分散的方式類似；相同的外部條件下，DL，Dg及C*等應類似；所含固體顆粒濃度及固相物性相似。 下面介紹常用的一種方法：化學法測定體積傳質(zhì)系數(shù)（亞硫酸鹽氧化法）。 亞硫酸鹽氧化法是在反應器內(nèi)，通過氧被亞硫酸鹽氧化消耗的化學反應而進行測定的方法。這是一個動力學特性復雜多變的自由基反應。但是在氧分壓pO2=20kpa附近，且亞硫酸鹽濃度大于等于0.2mol/l時，該反應可視為對溶解氧濃度的一級不可逆反應。當銅離子的濃度在10-610-3 mol/l范圍內(nèi)，30時的反應速率常數(shù)k1 = 3.0 s-1 ,增加因子0.10.2?？梢姡c氧的溶解過程相比，該反應進行得很快，而且反應對溶解過程的影響不大。故整個吸收過程可作為溶解控制的物理吸收過程處理。并可認為氧一旦溶解，立即與亞硫酸鹽反應，使溶液中溶解氧濃度很小，可視為0。因此，如向含催化劑的亞硫酸鹽水溶液中連續(xù)通氣時，可測得溶液中剩余的亞硫酸鹽的濃度隨時間變化的直線關(guān)系，由其斜率即可求得體積傳質(zhì)系數(shù)。亞硫酸鹽的含量通常采用碘量法。使剩余的亞硫酸鹽與已知濃度的過量的碘反應，然后用淀粉作指示劑，用硫代硫酸鈉溶液滴定剩余的碘，從而求出亞硫酸鹽的濃度。該法使用時應注意符合幾點假定：溶液中CL0，即溶解的氧全部為亞硫酸鹽所消耗掉；液相為理想混合，各部位的CL皆為0。操作條件恒定，氣相組成恒定。,第三節(jié) 固定化酶中的固液傳質(zhì),固定化酶也稱固相酶或水不溶性酶，它是通過物理或化學的方法使溶液酶轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢臻g內(nèi)其運動受到完全約束、或受到局部約束的一種不溶于水、但是仍具有活性的酶。 為什麼要對酶進行固定化？ 反應后容易從反應體系中分離出來，不僅固定化酶可以反復使用，且產(chǎn)物不會受到污染，容易精制提純。 固定化酶在大多數(shù)情況下其穩(wěn)定性增加，可以在較長的時間內(nèi)維持酶的活性。 固定化酶具有一定的形狀和一定的機械強度，可以裝在反應器中長時間使用，便于實現(xiàn)連續(xù)化和自動化生產(chǎn)。 當然，酶固定化后其動力學特征會發(fā)生變化。 酶的活性變化：酶在固定化時，總會有一部份未被固定而殘留在溶液中，造成酶的部分損失；同時由于各種原因也會造成已被固定化的酶的活性有所下降。 酶的穩(wěn)定性變化：一般情況下，酶固定化后其穩(wěn)定性均有提高，包括保存時的穩(wěn)定性、使用時的穩(wěn)定性和酶的熱穩(wěn)定性。,1 影響固定化酶動力學的因素,空間效應 空間效應包括構(gòu)象效應和屏蔽效應。 構(gòu)象效應：酶的活性部位和變構(gòu)部位的性質(zhì)取決于酶分子的三維空間結(jié)構(gòu)。酶在固定化過程中，由于存在酶和載體的相互作用而引起了酶的活性部位,發(fā)生某種扭曲變形，改變了酶活性部位的三維結(jié)構(gòu)，減弱了酶與底物的結(jié)合能力，降低了酶活。 屏蔽效應（位阻效應）：因為載體的存在，使酶分子的活性基團不易與底物相接觸，從而對酶的活性部位造成了空間障礙，使酶的活性下降。 分配效應 對于固定化酶參與的固液非均相酶反應，存在兩個環(huán)境：微觀環(huán)境（固定化顆粒內(nèi)部和附近的環(huán)境）和宏觀環(huán)境（主體溶液體系）。 由于固定化酶的親水性、疏水性及靜電作用等引起的有關(guān)物質(zhì)濃度在微觀環(huán)境和宏觀環(huán)境之間的不同的現(xiàn)象，稱為分配效應。往往是底物在微觀環(huán)境中的濃度比宏觀環(huán)境中的低，這在某種程度上可以看作是酶的活性下降。,擴散效應 固定化酶對底物進行催化反應時，存在兩種方向相反的物質(zhì)流動： 底物：主體溶液 固定化顆粒內(nèi)部的催化活性中心,產(chǎn)物：主體溶液 固定化顆粒內(nèi)部的催化活性中心 這種流動（物質(zhì)傳遞）過程包括分子擴散和對流擴散。這種擴散過程會對酶反應速率產(chǎn)生限制作用。 由于擴散限制作用的存在，底物濃度從液相主體到固定化酶顆粒的外表面，再到內(nèi)表面的活性中心處是依次降低，而產(chǎn)物濃度則相反，由此影響酶反應速率。,擴散限制效應又分為外擴散限制效應和內(nèi)擴散限制效應兩種。 外擴散：液相主體與固定化酶顆粒的外表面之間的一種擴散。 內(nèi)擴散：固定化酶顆粒的外表面與微孔內(nèi)部的酶催化活性中心之間的一種擴散。 上面討論的三種效應中，空間效應難以定量描述；分配效應可以描述，但是比較復雜。這兩種效應可以通過校正M-M方程中的動力學參數(shù)來體現(xiàn)其影響。 不論分配效應是否存在，固定化酶反應受到擴散限制時所觀察到的反應速率成為有效反應速率或宏觀反應速率，對應建立的動力學方程稱為有效動力學方程或宏觀動力學方程。該方程同時考慮了反應和傳遞兩個方面。,2 內(nèi)外擴散限制效應,引入內(nèi)外擴散有效因子來表示內(nèi)外擴散限制作用對固定化酶反應過程的影響。 外擴散有效因子：,內(nèi)擴散有效因子：,內(nèi)外擴散同時存在時的有效因子：,內(nèi)外擴散有效因子的求取參見教材P64-113相關(guān)內(nèi)容。 外擴散的消除：增加宏觀主體流體的流動速度，直至反應速率不變時，可以認為外擴散限制作用已消除。 內(nèi)擴散的消除：減小顆粒的當量直徑，直至反應速率不變時，可以認為內(nèi)擴散限制作用已消除。 內(nèi)外擴散限制作用的大小與反應本質(zhì)、底物和產(chǎn)物的性質(zhì)、主體流體的性質(zhì)和流動狀況等因素有關(guān)。,第四節(jié) 兩相酶反應過程中的液-液傳質(zhì),第五節(jié) 生物反應過程中的傳熱,生物反應過程中的熱量主要由以下幾部分組成: 培養(yǎng)基中的能源除了用于維持細胞的生命活動并進行生物合成反應外, 其余部分則以熱的形式放出而使培養(yǎng)基溫度上升. 機械攪拌所消耗的能量最終轉(zhuǎn)化為熱而使培養(yǎng)基溫度上升. 需氧微生物培養(yǎng)時的通氣操作在帶走部分顯熱的同時會使水分蒸發(fā)而 帶走蒸發(fā)熱. 生物反應器與周圍環(huán)境之間的熱量交換. 對于生物反應器,上面幾項熱量中有加入到反應器內(nèi)的,有從反應器中移 走的,因此要使生物反應在反應器內(nèi)維持在一定的溫度下進行,就要根據(jù)熱量 的產(chǎn)生和損失情況,除去或補充熱量.,1 生物反應器的傳熱過程,對一生物反應過程，如果保持反應器內(nèi)的反應溫度不變，則可以寫出下述熱量平衡方程：,其中：QE- 單位體積培養(yǎng)基中除去熱量速率，J/(m3.s)； QB- 單位體積培養(yǎng)基中因生物反應的放熱速率， J/(m3.s)； QA- 單位體積培養(yǎng)基中因攪拌造成的放熱速率， J/(m3.s)； QS ，QV- 分別為單位體積培養(yǎng)液因通氣帶走的顯熱和蒸發(fā)熱速 率， J/(m3.s)； QR- 單位體積培養(yǎng)液向周圍環(huán)境的散失熱量速率， J/(m3.s)。 通過上式，可以求得一定裝填系數(shù)的生物反應器單位時間內(nèi)所需要移走的熱量（QE.V)，從而可以求出不同形式(夾套加熱、蛇管加熱、擋板加熱）的反應器所需要的換熱面積(A)，見教材P334-337。這樣才能保證該反應器在該反應溫度下有效進行生物反應。 QB，QA，QS，QV，QR的求取見教材P333-334。,生物反應器換熱面積的計算,2 滅菌過程中的傳熱,生物反應過程，特別是細胞培養(yǎng)過程，常要求在沒有雜菌污染的情況下進行，因此要進行嚴格的滅菌。 常用的滅菌方法：化學藥劑滅菌、射線滅菌、加熱滅菌及過濾滅菌等。 工業(yè)上對培養(yǎng)基滅菌，主要是加熱滅菌，特別是利用蒸汽進行濕熱滅菌。工業(yè)上對空氣的滅菌主要采用過濾滅菌，又稱空氣除菌。 培養(yǎng)基分批滅菌過程中的傳熱 分批滅菌就是將配制好的培養(yǎng)基加入到反應器或其它設備中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設備一起進行滅菌的操作過程。蒸汽壓力一般在（34）X105Pa，溫度在120 0C左右。 分批滅菌加熱的三個階段：加熱升溫、保溫和冷卻。滅菌主要是在保溫階段實現(xiàn)的，總的滅菌結(jié)果是三者的總和：, 滅菌度,一般情況下：,滅菌度的計算（P338),根據(jù)細胞死亡動力學可知:,對于保溫階段,由于溫度不變，如時間恒定，那么其滅菌度值為常數(shù)。 但是對加熱和冷卻則是非定態(tài)過程，其溫度隨時間而變，因此死亡速率常數(shù)是時間的函數(shù)，即有：,因此要求出加熱和冷卻階段的滅菌度，就必須把上面兩式表示的函數(shù)關(guān)系式代入上面的積分式中。,加熱升溫和冷卻時間的計算（P338340) 加熱升溫階段： 夾套間接蒸汽加熱，蒸汽溫度保持不變，有： 蒸汽直接加熱，蒸汽溫度保持不變，有： 冷卻階段：采用夾套或蛇管間接冷卻，有： 其中有關(guān)參數(shù)的定義見教材。,為使生物反應順利進行，總是要達到一定的滅菌度。為保證有一定的滅菌度，就必須保證有一定滅菌溫度和滅菌時間。滅菌溫度和滅菌時間是相互關(guān)聯(lián)的?？傮w上，滅菌溫度高，滅菌時間短；滅菌溫度低，滅菌時間長。 在這里要考慮兩個過程：細胞的死亡過程和培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的分解。滅菌溫度高，滅菌時間短，但營養(yǎng)物質(zhì)的分解可能也多。 在滅菌過程中，還得注意培養(yǎng)液的體積變化。對于蒸汽直接加熱滅菌過程，在溫度低于1000C時，蒸汽大部分冷凝為水，培養(yǎng)液體積變大；當溫度過高時，培養(yǎng)液中的水會蒸發(fā)，培養(yǎng)液體積變小。對于蒸汽間接加熱滅菌過程，溫度過高，時間過長，會使培養(yǎng)液體積變小。 總之，滅菌過程是個復雜的過程，在理論指導下，還得參考經(jīng)驗數(shù)據(jù)。,滅菌過程注意事項：,連續(xù)滅菌過程得傳熱 自學教材P340342上得內(nèi)容。,