教学PPT培养基准备及培养基的灭菌设备

1、2、培养基准备及培养基的 灭菌设备 培养基的灭菌培养基的灭菌 n灭菌灭菌：利用物理或化学方法杀灭或除去：利用物理或化学方法杀灭或除去 物料及设备中一切有生命物质的过程。物料及设备中一切有生命物质的过程。 发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染 杂菌，则会导致：杂菌，则会导致： 基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的 下降；下降； 产物的提取或分离困难，造成收率降低或使产品的产物的提取或分离困难，造成收率降低或使产品的 质量下降；质量下降； 改变反应介质的改变反应介质的ph，使生物反应发生变化；，使生物反应发

2、生变化； 分解产物，使生产过程失败；分解产物，使生产过程失败； 发生噬菌体污染，使生产过程失败。发生噬菌体污染，使生产过程失败。 n对大部分微生物的培养，均需严格的灭菌。对大部分微生物的培养，均需严格的灭菌。 灭菌方法灭菌方法 n 常用的灭菌方法有：常用的灭菌方法有： n（1）化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、）化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、 高锰酸钾、环氧乙烷等；高锰酸钾、环氧乙烷等； n（2）射线灭菌：）射线灭菌：x-射线射线、 -射线射线、紫外线；紫外线； n（3）干热灭菌；）干热灭菌； n（4）湿热灭菌；）湿热灭菌； n（5）过滤除菌）过滤除菌 n对于液体培养基，我国仍采用蒸汽加热

3、对于液体培养基，我国仍采用蒸汽加热 灭菌的较多。灭菌的较多。 液体培养基的制备及杀菌设备 微生物的受热死灭过程属于一级反应，所以： kn n d d 上式积分： 0 d d 0 k n ns n n 得： ss n n kn n k 00 lg 303. 2 ln 1 k 303. 2 9 . 0 l 对数残留公式与理论灭菌时间 n 培养基热灭菌的动力学 液体培养基的制备及杀菌设备 rt e aek s rt e n n e a 0 ln 1 将上式代入 s n n k 0 ln 1 ，得： n 培养基热灭菌的动力学 l 灭菌温度与菌死亡的反应速率常数的关系 1 ln() e dkd rt l

4、n e lnka rt 培养基热灭菌的动力学 液体培养基的制备及杀菌设备 细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能 细菌死亡(kj/mol)酶、蛋白质或维生素破坏葡萄糖破坏 活化能e4.187(50100)4.187(226)4.18724 可见，细胞死亡的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能 大得多，所以细菌的死亡速率要比营养成分的破坏速率快得多。 采用湿热法对液体培养基进行灭菌时，采用高温短时间的灭 菌方法，以减少营养成分的破坏。 培养基及发酵设备的灭菌 分批灭菌（实罐灭菌或实消）分批灭菌（实罐灭菌或实消） 空罐灭菌（空消）空罐灭菌（空消） 连续灭菌（连消）连续灭菌（连消） 过滤器及管

5、道灭菌过滤器及管道灭菌 （一）实罐灭菌的计算（一）实罐灭菌的计算 n又称：间歇灭菌、分批灭菌、实消又称：间歇灭菌、分批灭菌、实消 n将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定 灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温 度，然后接种发酵，又称分批灭菌。度，然后接种发酵，又称分批灭菌。 分批灭菌（实罐灭菌） 要保证分批灭菌的成功，必须有： 1.内部结构合理，焊缝及轴封装置 可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐； 2.压力稳定的蒸汽； 3.合理的操作方法。 1实罐灭菌前的准备 n 为了保证灭菌的成功，在实罐灭菌为了保证灭菌的成功，

6、在实罐灭菌 前，除培养基配制要注意溶解均一，前，除培养基配制要注意溶解均一， 不要含有结块、结团物或异物外，不要含有结块、结团物或异物外， 检查发酵罐的严密性尤为重要，特检查发酵罐的严密性尤为重要，特 别要检查与发酵罐直接相连的阀门别要检查与发酵罐直接相连的阀门 的严密性。的严密性。 2实罐灭菌操作过程 n根据实罐灭菌过程，用表压根据实罐灭菌过程，用表压 0.30.30.4mpa0.4mpa的饱和蒸汽把培养的饱和蒸汽把培养 基先加热升温到灭菌温度，保温基先加热升温到灭菌温度，保温 维持一段时间，再冷却降温到发维持一段时间，再冷却降温到发 酵温度。酵温度。 实 罐 灭 菌 操 作 过 程 升温阶

7、段升温阶段 保温阶段保温阶段 培养基冷培养基冷 却阶段却阶段 实罐灭菌过程中要牢记： n凡是与培养基接触的管道都凡是与培养基接触的管道都 要要进蒸汽进蒸汽， n凡是不与培养基接触的管道凡是不与培养基接触的管道 都要都要排汽排汽。 实罐灭菌的质量优劣判别标准 n培养基灭菌后达到无菌要求；培养基灭菌后达到无菌要求； n营养成分破坏少；营养成分破坏少； n灭菌后培养基体积与计料体积相灭菌后培养基体积与计料体积相 符；符； n泡沫要少。泡沫要少。 n在高温灭菌时糖类物质容易被破坏在高温灭菌时糖类物质容易被破坏 且易和有机氮源相结合，并产生氨且易和有机氮源相结合，并产生氨 基糖，而对微生物会产生一定的毒

8、基糖，而对微生物会产生一定的毒 性，严重时将会抑制微生物的生长性，严重时将会抑制微生物的生长 发育，破坏整个发酵代谢过程。发育，破坏整个发酵代谢过程。 特别注意 3培养基实罐灭菌时间的计算 n在工业化发酵生产中通常不考虑培养在工业化发酵生产中通常不考虑培养 基由室温升至基由室温升至121121和由和由121121冷却到冷却到 发酵培养温度这两个阶段的灭菌效应，发酵培养温度这两个阶段的灭菌效应， 只是把保温维持阶段看作是培养基实只是把保温维持阶段看作是培养基实 罐灭菌的时间。罐灭菌的时间。 培养基实罐灭菌时间的计算 14845 lg36.127k t 0 1 ln s n kn 培养基实罐灭菌时

9、间的计算 n发酵罐体积在发酵罐体积在40m40m3 3以下，可以不考虑加热以下，可以不考虑加热 升温阶段的灭菌效应，这样可以避免复杂升温阶段的灭菌效应，这样可以避免复杂 的变温灭菌过程的计算。的变温灭菌过程的计算。 n在灭菌操作时不要人为地再延长灭菌时间在灭菌操作时不要人为地再延长灭菌时间 作为安全系数，这样会导致培养基营养成作为安全系数，这样会导致培养基营养成 分破坏过大。分破坏过大。 分批灭菌（实罐灭菌） 灭菌时间的计算灭菌时间的计算 例：例：有一发酵罐，内装培养基40m3，在121的温度下进行实罐灭菌。设 每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在121 时的灭菌速率常数为 0.0287

10、s-1。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。 解：解： (min)9 .23ln 1 )(0287. 0 (001. 0 )(1081021040 0 1 1476 0 s s n n k t sk n n 个） 个 若考虑加热升温阶段的灭菌效应若考虑加热升温阶段的灭菌效应 n升温阶段升温阶段 n培养基升温至t2时菌的总数由n0减少至np 培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算 培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算 n升温阶段间接加热 培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算 n升温阶段 培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程

11、的热量计算 n升温阶段直接加热 培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算 n保温阶段 培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算 n保温阶段 培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算 n冷却阶段 冷却水流量的计算 1212 2222 12 12 2 12 2 12 ln ln s sm s s tttt w cttkf tkf tt tt kf w tt c tt 冷却时间的计算 2 2 2 2 11 112222 2222 1212 2222 12 12 12112 2 1222 ln ln s s s sm s kf w c ss kf w c

12、 gcdtg c dtw cttd dw ctt tttt w cttkf tkf tt tt ttt ettkf t ttw c e 又有 冷却时间的计算 2 2 2 22 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 12 1122 22 1111 22222212 11 0 2212 1 22 (1) (1) (1) l (1) f s kf kfkf w c w cw c s ss skfkf w cw c kf w c kf ss w c kf w c t kf t s w c kf w c kf w c ttet ettt e tt ee gcdtgcd

13、te d w cttw ctt e gcdte d w ctt e gce w c e 12 12 n ss fs tt tt （二）连续灭菌的设备及计算（二）连续灭菌的设备及计算 n将配制好的培养基在向发酵罐等将配制好的培养基在向发酵罐等 培养装置输送的同时进行加热、培养装置输送的同时进行加热、 保温和冷却而进行灭菌。保温和冷却而进行灭菌。 n工厂里也称工厂里也称连消连消。 连续灭菌流程的优点连续灭菌流程的优点 （1）提高产量，设备利用率高。）提高产量，设备利用率高。 （2）与分批灭菌比较，培养液受热时间短，）与分批灭菌比较，培养液受热时间短， 培养基中营养成分破坏较少。培养基中营养成分破坏

14、较少。 （3）产品质量较易控制；蒸汽负荷均衡，）产品质量较易控制；蒸汽负荷均衡， 操作方便。操作方便。 （4）降低了劳动强度，适用于自动控制。）降低了劳动强度，适用于自动控制。 连续灭菌系统设备连续灭菌系统设备 培养基连续灭菌系统设备由培养基连续灭菌系统设备由 配料罐（池）、送料泵、预热罐、配料罐（池）、送料泵、预热罐、 连消泵、加热器、维持罐和冷却连消泵、加热器、维持罐和冷却 器器7 7个关键设备组成个关键设备组成 连续灭菌系统设备流程连续灭菌系统设备流程 灭菌时间的计算灭菌时间的计算 例：例：有一发酵罐，内装培养基40m2，在131的温度下进行连续灭菌。设 每毫升培养基含有耐热菌的芽孢21

15、07个，在131 时的灭菌速率常数为 0.25s-1。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。 解：解： 连续灭菌流程 (min)7 . 2ln 1 )(25. 0 (001. 0 )(1081021040 0 1 1476 0 s s n n k t sk n n 个）个） 个个 连续灭菌系统设备连续灭菌系统设备 1 1、配料罐：、配料罐： 用于培养基的配制用于培养基的配制 2 2、预热罐：、预热罐：定容和预热定容和预热 n预热目的：预热目的：使培养基在后续的加热使培养基在后续的加热 过程中能快速升温到指定的灭菌温过程中能快速升温到指定的灭菌温 度，同时避免过多的蒸馏水进入培度，同时避免过

16、多的蒸馏水进入培 养基，减少震动和噪声。养基，减少震动和噪声。 3.3.连消泵连消泵 n输送培养基的泵一般可采用离心泵、旋涡泵、往输送培养基的泵一般可采用离心泵、旋涡泵、往 复泵等。复泵等。 n连续灭菌系统要求流量稳定，故目前比较理想的连续灭菌系统要求流量稳定，故目前比较理想的 连消泵是螺条泵。连消泵是螺条泵。 4、加热器 n目的：目的：使培养基在较短的时间使培养基在较短的时间 （202030s30s）快速升温。）快速升温。 n目前加热器使用得最广泛的加热目前加热器使用得最广泛的加热 器有器有塔式加热器塔式加热器和和喷射式加热器喷射式加热器。 塔式加热器 又称连消塔、连消又称连消塔、连消 器，

17、这是一种器，这是一种汽液汽液 混合型混合型加热装置加热装置 塔式加热器的设计 a a加热蒸汽的用量：加热蒸汽的用量： () (1) 1.1() fs f fs f gc tt s ict gc tt ict b b塔式加热器蒸汽导入管径塔式加热器蒸汽导入管径 2 4 s svd 内 0.785 3600 s sv d 内 c.加热塔塔身内径 22 () 4 mms ddvv 外内 2 0.785 3600 ms m vv dd 外内 d加热塔有效塔高 h=m=0.1 e蒸汽导入管上的开孔与小孔数 n蒸汽导入管的小孔与管壁的夹角呈蒸汽导入管的小孔与管壁的夹角呈4545o o， 小孔直径可取小孔直

18、径可取5 58mm8mm。 n小孔总面积小孔总面积=蒸汽导入管截面积的蒸汽导入管截面积的8080 100100 22 44 ndd 孔内 n 2内 孔 d （） d （2）喷射式加热器 喷射式加热器的特点是蒸汽和物料密切喷射式加热器的特点是蒸汽和物料密切 混合、加热在瞬间内完成。混合、加热在瞬间内完成。 1.喷嘴喷嘴 2.吸入口吸入口 3.吸入室吸入室 4.混合喷嘴混合喷嘴 5.混合段混合段 6.扩大管扩大管 喷射式加热器 混合式连消塔混合式连消塔 连连 消消 加加 热热 器器 喷射式加热器的计算设计 n喷射式加热器设计中，喷射式加热器设计中，喷嘴喷嘴的设计是关的设计是关 键。键。 n根据物料

19、流量计算出喷嘴直径后，按比根据物料流量计算出喷嘴直径后，按比 例确定其他各部尺寸。例确定其他各部尺寸。 n喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于 10mm10mm。 n延长延长混合段混合段的长度有利于蒸汽与物料的的长度有利于蒸汽与物料的 混合。混合。 喷射式加热器的计算设计 a a加热塔内物料流量加热塔内物料流量 b b连消塔的容积连消塔的容积 v=（vmvs） 2gfg p 5.保温设备（维持设备） 目的：目的：将培养基维持灭菌温度将培养基维持灭菌温度 一段时间，是杀灭微生物的主一段时间，是杀灭微生物的主 要过程。要过程。 （1）维持罐 （2）管式维持器 n可克

20、服维持设备中物料的返混现象。可克服维持设备中物料的返混现象。 n管式维持器外形酷似喷淋换热器，外壁包裹管式维持器外形酷似喷淋换热器，外壁包裹 保温层。保温层。 n管式维持器的长度与管径由保温灭菌时间及管式维持器的长度与管径由保温灭菌时间及 培养基的流量确定。培养基的流量确定。 n培养基在管式维持器中的流速可取培养基在管式维持器中的流速可取0.30.3 0.6m/s0.6m/s，要保证培养基在管式维持器中流动，要保证培养基在管式维持器中流动 处于活塞流状态。处于活塞流状态。 （3）维持设备的计算与设计 维持罐的计算与设计维持罐的计算与设计 a a维持罐要做得瘦长些，一般取维持罐要做得瘦长些，一般

21、取 h/d=2.0h/d=2.02.52.5最佳。设备外壁要有保温最佳。设备外壁要有保温 层。层。 b b物料在维持罐中物料在维持罐中停留的时间停留的时间：根据计算：根据计算 得到的理论灭菌时间得到的理论灭菌时间（3 35 5）倍。在）倍。在 设计中一般取设计中一般取3 3倍。倍。 维持罐的计算与设计维持罐的计算与设计 c c维持罐容积维持罐容积 v v 维持罐体积 停留 物料流量 vv 维持罐体积物料流量停留 32 0.13 4 vvvdd h 维持罐体积封底圆筒 管式维持器的计算与设计管式维持器的计算与设计 a a要使培养基在管道内处于要使培养基在管道内处于平推流平推流（或称（或称 活塞流

22、活塞流）状态，）状态，rere1000010000。一般要求。一般要求 培养基流速处于培养基流速处于0.250.250.6m/s0.6m/s。 b b根据培养基的流量与培养基在管道里的根据培养基的流量与培养基在管道里的 流速，即可计算出管道的直径，并根据流速，即可计算出管道的直径，并根据 无缝钢管规格进行无缝钢管规格进行圆整圆整。 管式维持器的计算与设计管式维持器的计算与设计 c c培养基理论灭菌时间：培养基理论灭菌时间： d d求取管式维持器的长度。求取管式维持器的长度。 n在在pepe10001000的前提下可取较小的值。的前提下可取较小的值。 e e设备制造完成经密封性试验后，外置保设备

23、制造完成经密封性试验后，外置保 温层。温层。 0 1 2.303lg s n kn 6、降温设备（冷却设备） n保温后的培养基需迅速降温至保温后的培养基需迅速降温至 接近培养温度（接近培养温度（40404545）。）。 n冷却设备要求严密性好，冷却冷却设备要求严密性好，冷却 效率高。效率高。 （1 1） 喷淋冷却器喷淋冷却器 n这种设备结构简单、清理维修方这种设备结构简单、清理维修方 便，管外结的水垢可以定期铲除，便，管外结的水垢可以定期铲除， 料液不易染菌，冷却液呈膜状沿料液不易染菌，冷却液呈膜状沿 管子外壁向下流动。管子外壁向下流动。 喷淋冷却器 （2） 螺旋板式换热器 传热效率高，传热效

24、率高， 结构紧凑，可结构紧凑，可 缩短冷却时间，缩短冷却时间， 降低冷却水用降低冷却水用 量，还可在室量，还可在室 内安装，效果内安装，效果 也很好。也很好。 （3）真空冷却器 n工作原理：工作原理：在真空下，高在真空下，高 温培养基中的水分立即汽温培养基中的水分立即汽 化，使培养基本身温度下化，使培养基本身温度下 降。降。 n培养基最终被冷却温度取培养基最终被冷却温度取 决于设备操作的真空度。决于设备操作的真空度。 n本设备安装高度大于本设备安装高度大于10m 10m 液体培养基的制备及杀菌设备 真空冷却器 真空冷却装置图 1 2 3 4 5 为了更完全地从料液中分离蒸汽，真空冷却器中蒸 汽

25、上升速度不应超过1ms，醪液在下降管中流速 为0.80.5ms。 真空冷却器的计算 例题：例题：已知从汽液分离器排除顶糊化醪量为12000kg/h,其比热容为3.6kj/（ kg.k）,温度为100，要求冷却至65，计算真空冷却器的基本尺寸。 解：（解：（1）真空冷却器内产生的二次蒸汽量：）真空冷却器内产生的二次蒸汽量： hkjq/1512000651006 . 312000 查水蒸气表和二次蒸汽在65时的汽化潜热 r2343.4kj/kg, 故真空冷却器内产生的二次蒸汽量为 ： hkgm/2 .645 4 .2343 1512000 真空冷却器的计算 与65相对应的真空度为76.3kpa（5

26、72mmhg）,在此温度下蒸汽的密度 为0.1611kg/m3,则二次蒸汽的体积流量为： hmqv/4005 1611. 0 2 .645 3 hkg /8 .113542 .64512000器内排出的醪液量为经真空冷却后，从冷却 （2）真空冷却器的直径和高度：）真空冷却器的直径和高度：取器内二次蒸汽的上升速度不超过1m/s， 则真空冷却器的直径d： m v q d s 2 . 1 3600 400544 v 一般真空冷却器的径高比为为：1：1.52，现取d：h=1：1.5，则真空 冷却器的圆柱部分高h： mdh8 . 12 . 15 . 15 . 1 （3）醪液下降管（排醪管）的直径：）醪液

27、下降管（排醪管）的直径：设糊化醪液密度1090kg/m3，取醪 液在排醪管内下降为1m/s，则醪液下降管管径d: md0607. 0 110903600 8 .113544 可选用68mm4mm的无缝钢管。 （4 4）醪液下降管的长度：）醪液下降管的长度： ml77. 7 760 57233.10 选用l=8m。 真空冷却器的计算 1. 1. 连消器连消器喷淋冷却流程喷淋冷却流程 其设备主要是连消器，附属装置（设备）其设备主要是连消器，附属装置（设备） 是配料池、送料泵、维持罐和喷淋冷却是配料池、送料泵、维持罐和喷淋冷却 器。器。 特点：特点： 热效率高，无菌程度高，适用范围广；热效率高，无菌

28、程度高，适用范围广； 热和冷却水消耗量大。热和冷却水消耗量大。 连续灭菌流程 连消器连消器喷淋冷却流程喷淋冷却流程 1.料液罐料液罐 2.连消泵连消泵 3.连消塔连消塔4.维持罐维持罐 5.喷淋冷却器喷淋冷却器 2. 2. 喷射加热喷射加热真空冷却流程真空冷却流程 n喷射加热喷射加热真空冷却流程是一种喷射真空冷却流程是一种喷射 加热、管道维持，真空冷却的连续灭菌加热、管道维持，真空冷却的连续灭菌 流程。流程。 喷射加热连续灭菌流程喷射加热连续灭菌流程 喷射加热连续灭菌温度时间关系图喷射加热连续灭菌温度时间关系图 特点特点 n优点：优点：加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏加热和冷却在瞬间完成，营

29、养成分破坏 最少；由于采用管道维持，可以保证物料先进最少；由于采用管道维持，可以保证物料先进 先出，避免过热。先出，避免过热。 n缺点：缺点：此流程操作难度较大，需要使蒸汽的压此流程操作难度较大，需要使蒸汽的压 力和流量以及培养基的流量比较稳定。力和流量以及培养基的流量比较稳定。 n由于真空的影响，在蒸发室下面要装一台出料由于真空的影响，在蒸发室下面要装一台出料 泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面10m10m以上的以上的 高处。高处。 3.3.板式换热器的灭菌流程板式换热器的灭菌流程 n培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、 维持及冷却的过程。维持及冷却的过程。 采用螺旋板换热器综合利用热采用螺旋板换热器综合利用热 能的连