生物化工基础-灭菌动力学.pdf

《生物化工基础》第六次作业 化 23 张猛 2012011916 1 《生物化工基础》第六次作业 灭菌动力学 化 23 张猛 2012011916 1) 简述空气过滤除菌的原理，请试着画出形象的原理图 答： 过滤除菌法是对空气进行灭菌时最常采用的方法， 基本原理是通过让含菌空 气通过过滤介质，阻截空气中所含微生物，从而获得无菌的空气根据过滤介质 孔径与固体颗粒的相对大小，可分为绝对过滤和深层过滤 绝对过滤：过滤介质的滤孔小于固体颗粒，颗粒被过滤介质截留 深层过滤： 过滤介质的滤孔不一定小于固体颗粒， 而是通过滤层内的曲折通 道，把颗粒截留该方法是普遍采用的空气过滤除菌法 当滤孔大于固体颗粒直径时， 如何实现对颗粒的截留？实际上， 过滤介质常 是许多层紧密堆积的滤层纤维， 由于过滤介质的层层阻碍， 空气在流动过程中会 频繁地改变流速和方向， 其中夹杂的微生物微粒将会由于惯性、 布朗运动、 重力、 静电引力等多种因素，与滤层纤维间产生撞击，被滤层吸引或截留，从而把微生 物微粒捕集在纤维表面上， 实现过滤的目的 截留作用的类型可大致分为以下五 种[1]： 《生物化工基础》第六次作业 化 23 张猛 2012011916 2 a. 惯性撞击截留作用 当含有微生物颗粒的空气通过滤层时，由于过滤介质纵横交错，层层堆 积， 使得空气的流速和方向不断发生改变。

由于微生物的惯性远大于空气分 子， 因而当空气流遇阻而绕道前进时， 微生物颗粒未能及时改变它的运动方 向，便将撞击纤维并被截留于纤维的表面 可用下图进行简单地表示： b. 拦截截留作用 改变气流的流速可以改变微粒的运动惯性力， 通过降低气流速度， 可以 使惯性截留作用接近于零， 此时的气流流速称为临界气流速度 气流速度在 临界速度以下时， 微粒不能因惯性作用而被截留于纤维上， 截留效率显著下 降 但已有实验表明， 随着气流速度的继续下降， 纤维对微粒的截留效率又 会出现回升，这种现象说明当流速较小时，会有另一种机理起作用，这就是 拦截截留作用 当流速很小时， 气体会在在纤维的周边形成一层边界滞留区 类似流体 在管道中流动时的边界层的产生机制 滞留区的流速更慢， 由于微生物很小 很轻，滞留区内的小微粒将会慢慢靠近纤维而被黏附截留 《生物化工基础》第六次作业 化 23 张猛 2012011916 3 可用下图进行简单地表示： c. 布朗扩散截留作用 直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动，称为 “布朗扩散” 布朗扩散的运动距离很短，在较大的气流、较大的纤维间隙中起不到明显的作用， 但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中时， 布朗扩 散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会，进而提高了截留率。

示意图如下（箭头表示微粒布朗运动的可能方向） ： d. 重力沉降作用 当微粒所受的重力大于气流对它的提升力时， 微粒就会沉降于过滤介质 上 一般重力沉降在拦截截留作用的过程中有较大体现， 即在纤维的边界滞《生物化工基础》第六次作业 化 23 张猛 2012011916 4 留区内，微粒的重力沉降作用提高了截留的效率 示意图与拦截截留类似， 只不过在滞留区内的微粒是受重力的作用而沉 降在过滤介质上的 e. 静电吸引作用 当具有一定速度的气流通过介质滤层时， 由于摩擦会产生电荷 当菌体 所带的电荷与介质所带的电荷相反时， 就会发生静电吸引作用 带电的微粒 会受带异性电荷的物体吸引而沉降 示意图如下： 综上，利用过滤除菌时，不同除菌方法的除菌的机理不同一般认为惯性撞 击截留、拦截截留和布朗运动截留的作用较大，重力和静电引力的作用较小 2) 根据阿雷尼乌斯公式，处理所给出表格中的数据，回归成公式的形式 解： 认为嗜热脂肪芽孢杆菌在高温处理时遵循对数死亡的规律，即满足： −𝑑𝑁 𝑑𝑡= 𝑘𝑁 积分可得： 𝑙𝑛𝑁! 𝑁= 𝑘𝑡 = ∆ (1) 已知初始温度为： 𝑇!= 100℃ 升温速度为： 𝑣!= 1℃/𝑚𝑖𝑛 《生物化工基础》第六次作业 化 23 张猛 2012011916 5 则： 𝑇 = 𝑇!+ 𝑣!𝑡 由此可得： 𝑡 =(𝑇 − 𝑇!) 𝑣!(2) 联立（1） （2）两式，可得： 𝑘 =∆ 𝑡=∆𝑣! (𝑇 − 𝑇!) 根据此式，可以求出每一个温度 T 下对应的比死亡速率常数 k。

根据阿雷尼乌斯公式，有： 𝑘 = 𝐴𝑒𝑥𝑝(−∆𝐸𝑅𝑇) 两侧取自然对数： 𝑙𝑛𝑘 = 𝑙𝑛𝐴 −∆𝐸 𝑅𝑇 其中： A：指前因子，常数，min-­‐1 ∆𝐸： 死亡活化能，J/mol 将已有数据进行处理后，所得结果整理如下： T/℃ Δ t/min k/min-­‐1 lnk 1/T 100 0 101 0.044 1 0.044 -­‐3.124 0.0099 102 0.076 2 0.038 -­‐3.270 0.0098 … … … … … … 128 58.867 28 2.102 0.743 0.0078 129 73.067 29 2.520 0.924 0.00775 130 90.591 30 3.020 1.105 0.00769 表 1. 数据处理列表 将𝑙𝑛𝑘对!!作图， 所得数据点应近似呈一条直线， 斜率为−∆!!， 纵截距为𝑙𝑛𝐴 对 30 组数据进行拟合，结果如下图所示： 《生物化工基础》第六次作业 化 23 张猛 2012011916 6 图 6. 30 组数据散点图 观察可知，在 1/T 接近 0.010 处的数据点，偏离线性的程度较大，为保证准 确性，舍去上图中的后三个数据点，重新绘制散点图，并进行线性拟合，结果如 下： 图 7. 舍去偏离较大的数据后重新拟合结果 《生物化工基础》第六次作业 化 23 张猛 2012011916 7 拟合结果为： 𝑙𝑛𝑘 = −2266.8531 𝑇+ 18.30217 进而有： −∆𝐸 𝑅= 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 = −2266.853 𝑙𝑛𝐴 = 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑡 = 18.30217 由此解得： ∆𝐸 = 18.85 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐴 = 8.86×10! 𝑚𝑖𝑛!! 由于： 𝑘 =∆ 𝑡=∆𝑣! (𝑇 − 𝑇!) 故相当于将所得 30 组数据点(𝑇,∆)进行处理，得到对应的 30 组(!!,𝑙𝑛∆!!(!!!!))数据点， 根据阿雷尼乌斯公式， 𝑙𝑛∆!!(!!!!)与!!间呈线性关系， 故可以进行线性拟合，所得结果已经给出，为： 𝑙𝑛𝑘 = 𝑙𝑛∆𝑣! (𝑇 − 𝑇!)= −2266.8531 𝑇+ 18.30217 参考文献 [1] 发酵工程原理与技术. 。