第4章发酵工业灭菌.ppt

1、发酵工程发酵工程 第一章第一章 发酵工程总论发酵工程总论 第二章第二章 发酵设备发酵设备 第三章第三章 发酵工业原料及其处理发酵工业原料及其处理 第四章第四章 发酵工业灭菌发酵工业灭菌 第五章第五章 发酵菌种的制备发酵菌种的制备 第六章第六章 发酵工业放大发酵工业放大 第第七七章章 微生物发酵机制微生物发酵机制 第八章第八章 发酵动力学发酵动力学 第第九九章章 发酵过程工艺控制发酵过程工艺控制 第第十十章章 发酵染菌及防治发酵染菌及防治 第第十一十一章章 发酵工业废物、废水处理和资源化技术发酵工业废物、废水处理和资源化技术 第十二章第十二章 展望展望 在发酵工业生产中，杂菌污染是发酵生产失败的

2、最主要因素在发酵工业生产中，杂菌污染是发酵生产失败的最主要因素 之一。为了防止杂菌污染，在发酵进行前发酵设备和发酵培养之一。为了防止杂菌污染，在发酵进行前发酵设备和发酵培养 基均需采用不同措施进行无菌处理。因此，基均需采用不同措施进行无菌处理。因此，发酵工业灭菌发酵工业灭菌在整在整 个发酵生产过程中显得尤为重要，灭菌彻底与否关系着发酵生个发酵生产过程中显得尤为重要，灭菌彻底与否关系着发酵生 产是否正常运行。产是否正常运行。 为此，本章将从灭菌方法、针对不同情况的灭菌措施和无为此，本章将从灭菌方法、针对不同情况的灭菌措施和无 菌空气制备讲述发酵工业灭菌。菌空气制备讲述发酵工业灭菌。 本节课主要讲

3、授本节课主要讲授发酵工业灭菌方法和原理、发酵设备和发发酵工业灭菌方法和原理、发酵设备和发 酵培养基的灭菌酵培养基的灭菌。 本节课的重点和难点本节课的重点和难点 本节课的重点本节课的重点 1、 发酵工业的灭菌方法发酵工业的灭菌方法 2、发酵培养基的灭菌方法、发酵培养基的灭菌方法 3、连续灭菌和批式灭菌、连续灭菌和批式灭菌 本节课的难点本节课的难点 1、各种常用灭菌方法的机理、各种常用灭菌方法的机理 2、连续灭菌时间的确定、连续灭菌时间的确定 发酵工程发酵工程 1 1 灭菌方法及原理灭菌方法及原理 2 2 发酵培养基及设备的灭菌发酵培养基及设备的灭菌 3 3 无菌空气的制备无菌空气的制备 第四章第

4、四章 发酵工业灭菌发酵工业灭菌 发酵工程发酵工程 1 灭菌方法及原理灭菌方法及原理 第四章第四章 发酵工业灭菌发酵工业灭菌 2/jing/c76/zcr-1.htm 1.1 化学灭菌化学灭菌 1.2 辐谢灭菌辐谢灭菌 1.3 干热灭菌干热灭菌 1.4 湿热灭菌湿热灭菌 1.5 过滤灭菌过滤灭菌 发酵工程发酵工程 灭菌灭菌“ sterilization” ：采用：采用物理或化学方法物理或化学方法杀死或杀死或 除去物料、空气、容器、器具等环境中除去物料、空气、容器、器具等环境中所有微生物所有微生物， 包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。

5、灭菌与消毒灭菌与消毒 消毒消毒“ disinfection” ：采用：采用物理或化学方法物理或化学方法杀死容杀死容 器、器具内外、车间、厂区等环境中的器、器具内外、车间、厂区等环境中的病原微生物病原微生物， 但一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌的芽孢。例但一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌的芽孢。例 如巴氏灭菌法（如巴氏灭菌法（60，30 min）。）。 实验室内哪些操实验室内哪些操 作属于灭菌，哪作属于灭菌，哪 些属于消毒呢？些属于消毒呢？ 化学灭菌化学灭菌：指用化学药品直接作用于微生物而将其杀：指用化学药品直接作用于微生物而将其杀 死的方法。死的方法。 1.1 化学灭菌化学灭菌 适用范围适

6、用范围：生产车间、无菌室、实验室、接种操作前：生产车间、无菌室、实验室、接种操作前 小型器具及手的消毒等。小型器具及手的消毒等。 发酵工程发酵工程 使用方法使用方法：浸泡、添加、擦试、喷洒、气态熏蒸等。：浸泡、添加、擦试、喷洒、气态熏蒸等。 化学灭菌的机理化学灭菌的机理 一些化学物质与微生物细胞中的某种一些化学物质与微生物细胞中的某种 成分产生化学反应，如使蛋白质变性、核成分产生化学反应，如使蛋白质变性、核 酸的破坏、酶类失活、细胞膜透性的改变酸的破坏、酶类失活、细胞膜透性的改变 而杀灭微生物。而杀灭微生物。 2/jing/c76/zcr-1.htm 试举例

7、几种常用试举例几种常用 化学消毒剂浓度化学消毒剂浓度 及使用范围？及使用范围？ 发酵工程发酵工程 辐射灭菌辐射灭菌：指利用：指利用紫外线紫外线、高能电磁波或放射性物、高能电磁波或放射性物 质产生的质产生的射线进行灭菌的方法。射线进行灭菌的方法。 1.2 辐射灭菌辐射灭菌 适用范围适用范围：接种室、超净工作台、无菌培养室及物：接种室、超净工作台、无菌培养室及物 质表面。质表面。 发酵工程发酵工程 注意事项注意事项：30 w紫外灯开启紫外灯开启30 min即达到灭菌效果，即达到灭菌效果， 一般与化学灭菌结合使用。一般与化学灭菌结合使用。 紫外线杀菌的机理紫外线杀菌的机理 微生物细胞在紫外线照射下细

8、胞中微生物细胞在紫外线照射下细胞中dna 遭到破坏，形成胸腺嘧啶二聚体和胞嘧啶水合遭到破坏，形成胸腺嘧啶二聚体和胞嘧啶水合 物，抑制物，抑制dna正常复制；正常复制； 空气在紫外线照射下产生的臭氧（空气在紫外线照射下产生的臭氧（o3） 也有一定的杀菌作用。也有一定的杀菌作用。 2/jing/c76/zcr-1.htm 发酵工程发酵工程 1.3 干热灭菌干热灭菌(dry heat sterilization) 适用范围适用范围：玻璃器皿、金属器材和其他耐高温：玻璃器皿、金属器材和其他耐高温 的物品。的物品。 灼烧灭菌灼烧灭菌 干热空气灭菌干热空气灭菌 干热条件

9、干热条件：在：在160 条件下保温条件下保温1.5 h。 干热灭菌的机理干热灭菌的机理 在干燥高温条件下，微生物细胞内的各种在干燥高温条件下，微生物细胞内的各种 与温度有关的氧化还原速度迅速增加，使微与温度有关的氧化还原速度迅速增加，使微 生物的致死率迅速增高。生物的致死率迅速增高。 2/jing/c76/zcr-1.htm 发酵工程发酵工程 1.4 湿热灭菌湿热灭菌(moist heat sterilization) 2/jing/c76/zcr-1.htm 水煮常压灭菌水煮常压灭菌(100 ,40-60 min) 高压

10、湿热灭菌高压湿热灭菌(121 ,20-30 min) 适用范围适用范围：培养基、发酵设备、附属设备、管道：培养基、发酵设备、附属设备、管道 和实验器材的灭菌。和实验器材的灭菌。 湿热灭菌的机理湿热灭菌的机理 借助蒸汽释放的热能使微生物细胞中的借助蒸汽释放的热能使微生物细胞中的蛋白质、蛋白质、 酶和核酸分子酶和核酸分子内部的化学键，特别是内部的化学键，特别是氢键氢键受到破坏，受到破坏， 引起不可逆的变性，使微生物死亡。在有水分存在引起不可逆的变性，使微生物死亡。在有水分存在 的情况下，蛋白质更易受热而凝固变性。的情况下，蛋白质更易受热而凝固变性。 湿热灭菌的温度和时间需根据湿热灭菌的温度和时间需

11、根据灭菌对象和要求灭菌对象和要求 来决定。来决定。 思考思考 为什么湿热灭菌效果比为什么湿热灭菌效果比 干热灭菌效果好干热灭菌效果好? 发酵工程发酵工程 过滤除菌的方法过滤除菌的方法 用用0.010.45 m孔径滤膜孔径滤膜对压缩空气、酶对压缩空气、酶 溶液、啤酒及其他不耐热化合物溶液除菌。溶液、啤酒及其他不耐热化合物溶液除菌。 1.5 过滤灭菌过滤灭菌 过滤除菌的原理过滤除菌的原理 利用微生物不能透过滤膜而达到除菌目的。利用微生物不能透过滤膜而达到除菌目的。 实验室内用过哪实验室内用过哪 些过滤器呢？些过滤器呢？ 2.1 发酵培养基的灭菌发酵培养基的灭菌 2.2 发酵设备的灭菌发酵设备的灭菌

12、 2 发酵培养基与设备的灭菌发酵培养基与设备的灭菌 第四章第四章 发酵工业灭菌发酵工业灭菌 发酵工程发酵工程 2.1.1 发酵培养基的灭菌方法发酵培养基的灭菌方法 2.1 发酵培养基的灭菌发酵培养基的灭菌 1 ）分批灭菌）分批灭菌：又称：又称间歇灭菌间歇灭菌，是将配制好的培养，是将配制好的培养 基全部输入到发酵罐内或其他装置中，通往蒸汽基全部输入到发酵罐内或其他装置中，通往蒸汽 将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定将培养基和所用设备加热至灭菌温度后维持一定 时间，再冷却到接种温度，这一工艺过程也称为时间，再冷却到接种温度，这一工艺过程也称为 实罐灭菌实罐灭菌。 (分批灭菌和连续灭菌）分批

13、灭菌和连续灭菌） 1） 分批灭菌分批灭菌 优点优点：不需要其他设备，：不需要其他设备，操作简单易行操作简单易行，规模，规模 较小的发酵罐往往采用分批灭菌的方法。较小的发酵罐往往采用分批灭菌的方法。 缺点缺点：1）加热和冷却所需时间较长，增加了发酵的准）加热和冷却所需时间较长，增加了发酵的准 备时间，也就相应地备时间，也就相应地延长了发酵周期，使发酵罐的利延长了发酵周期，使发酵罐的利 用率降低。用率降低。 2）分批灭菌无法采用高温短时间灭菌，因而不可）分批灭菌无法采用高温短时间灭菌，因而不可 避免地使培养基中避免地使培养基中营养成分遭到一定程度的破坏营养成分遭到一定程度的破坏。 2 1 3 4

14、6 7 98 10 12 11 13 14 15 16 17 5 18 分批灭菌的进汽、排汽及冷却水管路系统分批灭菌的进汽、排汽及冷却水管路系统 1. 接种管接种管; 2,4,15,17. 排汽排汽; 3.进料管进料管; 5,10,12,14. 进汽进汽; 6. 进气管进气管; 7. 冷疑水冷疑水; 8. 冷却水进口冷却水进口; 9. 排料管排料管; 11. 取样管取样管; 13. 冷却水出口冷却水出口; 16. 消沫剂管消沫剂管; 18. 出气管出气管 分批灭菌包括分批灭菌包括升温、保温和冷却升温、保温和冷却3个阶段。个阶段。 时间时间/min 温度温度/ 冷却冷却 保温保温 50 100

15、150 1208040160200240 加热加热 2） 连续灭菌连续灭菌 概念：概念：是将培养基通过专门设计的灭菌器，进行连是将培养基通过专门设计的灭菌器，进行连 续流动灭菌后，进入预先灭菌过的发酵罐中的灭续流动灭菌后，进入预先灭菌过的发酵罐中的灭 菌方式，也称为菌方式，也称为连消连消。 条件条件：在短时间加热使料液温度到灭菌温度：在短时间加热使料液温度到灭菌温度126- 132，在维持罐中保温，在维持罐中保温5-8 min，快速冷却后进，快速冷却后进 入灭菌完毕的发酵罐中。入灭菌完毕的发酵罐中。 2） 连续灭菌连续灭菌 ：1) 减少养分破坏，产品质量较易控制减少养分破坏，产品质量较易控制

16、2) 提高产量，缩短发酵周期提高产量，缩短发酵周期 3) 设备利用率高，操作方便设备利用率高，操作方便 4) 适于自动控制，劳动强度低适于自动控制，劳动强度低 ：需外设加热、冷却装置，操作复杂，染菌机：需外设加热、冷却装置，操作复杂，染菌机 会多，不适合含有大量固体物料培养基的灭菌。会多，不适合含有大量固体物料培养基的灭菌。 发酵工程发酵工程 常见的连续灭菌的流程常见的连续灭菌的流程 连消塔连消塔喷淋冷却连续灭菌流程喷淋冷却连续灭菌流程 喷射加热连续灭菌流程喷射加热连续灭菌流程 薄板换热器连续灭菌流程薄板换热器连续灭菌流程 2） 连续灭菌连续灭菌 发酵工程发酵工程 连消塔连消塔喷淋冷却连续灭菌

17、流程喷淋冷却连续灭菌流程 2） 连续灭菌连续灭菌 物料和水物料和水 配料罐配料罐 预热罐预热罐 （60-75） 灭菌器灭菌器 （13010-12秒）秒） 蒸汽蒸汽 维持罐维持罐 （保温（保温5-8分）分） 冷却水冷却水 无无 菌菌 培培 养养 基基 泵泵泵泵 冷却管冷却管 天冠改进后的工艺节约天冠改进后的工艺节约 水水25%以上以上 2) 培养基的连续灭菌培养基的连续灭菌 喷射加热连续灭菌流程喷射加热连续灭菌流程 t=140 闪急冷却器闪急冷却器 进料进料 蒸汽蒸汽 维持段维持段 真空真空 膨胀阀膨胀阀 无菌培养基无菌培养基 薄板换热器连续灭菌流程图薄板换热器连续灭菌流程图 2） 连续灭菌连续

18、灭菌 2/jing/c76/zcr-1.htm 水水 2031 出料出料 35 65 进料进料35100120 维持管维持管120 120 蒸汽蒸汽147 3） 固体培养基的灭菌固体培养基的灭菌 固体培养基少固体培养基少 采用常规的温热灭菌采用常规的温热灭菌 固体培养基量较大固体培养基量较大 土蒸锅土蒸锅： 锅内温度达锅内温度达98以上，计时灭菌以上，计时灭菌2 h，自然冷却（闷锅）。，自然冷却（闷锅）。 转鼓式灭菌器转鼓式灭菌器（酱油厂和酒厂）（酱油厂和酒厂） 1 ）培养基成分）培养基成分 2）培养基成分的颗粒性）培养基成分的颗粒性 3）培养基的）培养基的

19、ph 4）微生物细胞的含水量）微生物细胞的含水量 2.1 发酵培养基的灭菌发酵培养基的灭菌 2.1.2 影响培养基灭菌的因素影响培养基灭菌的因素 5）微生物性质与数量）微生物性质与数量 6）冷空气排除情况）冷空气排除情况 7）泡沫）泡沫 8）搅拌）搅拌 2/jing/c76/zcr-1.htm 2.1.3 培养基灭菌时间的计算培养基灭菌时间的计算 理论灭菌时间的计算（对数残留公式）理论灭菌时间的计算（对数残留公式） n0 =2.303/k =2.303/k log n k比死亡速率（比死亡速率（s-1） no -开始时菌浓度开始时菌浓度 n - 残存菌浓度残

20、存菌浓度 工程上，工程上，n为为10-3/罐罐 实际灭菌的经验数据实际灭菌的经验数据 高温灭菌高温灭菌(high temperature setrilization) 121，维持，维持(maintaining) 20-30 min 2.1.3 培养基灭菌时间的计算培养基灭菌时间的计算 灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系 阿累尼乌斯公式：阿累尼乌斯公式： k=aexp- e/rt k菌死亡的速度常数菌死亡的速度常数 a阿累尼乌斯常数阿累尼乌斯常数 exp2.71 e杀死细菌孢子的活化能（杀死细菌孢子的活化能（ j/k mol ） r气体常数气体常数8.314j

21、/（ molk) t绝对温度（绝对温度（k） 2.1.3 培养基灭菌时间的计算培养基灭菌时间的计算 活化能大的反应中，反应时间随温度变化也大活化能大的反应中，反应时间随温度变化也大 杀死细菌和芽孢的活化能远大于营养成分被破坏杀死细菌和芽孢的活化能远大于营养成分被破坏 的活化能（的活化能（ee） s o s o n n n n tlog a e 303. 2log a e 303. 2 rtee/rt 1 rt e ) 1 a e 303. 2( log tn n s o 2.1.3 培养基灭菌时间的计算培养基灭菌时间的计算 采用采用高温短时高温短时的灭菌方法可以减少的灭菌方法可以减少 养分的破

22、坏。养分的破坏。 rte-erte rt e rte rte e 1 e e 1 ) 1 a e 303. 2( 1 ) 1 a e 303. 2( log log t t n n n n s o s o 2.1.3 培养基灭菌时间的计算培养基灭菌时间的计算 灭菌温度（灭菌温度（c）灭菌时间灭菌时间 （min） vb1的破坏的破坏 （%） 1103667 120427 1300.58 1500.011 采用采用高温短时高温短时(htst)的灭菌方法可以的灭菌方法可以减少养分的破坏。减少养分的破坏。 2.2 发酵设备的灭菌发酵设备的灭菌 发酵设备的灭菌包括发酵设备的灭菌包括发酵罐、管道和阀门、空

23、气发酵罐、管道和阀门、空气 过滤器、补料系统、消沫剂系统过滤器、补料系统、消沫剂系统等的灭菌。等的灭菌。 通常选通常选 择择0.15-0.2 mpa的饱和蒸汽的饱和蒸汽，这样可以较快使设备和，这样可以较快使设备和 管路达到所要求的灭菌温度管路达到所要求的灭菌温度,又使操作安全。又使操作安全。 灭菌开始时，必须注意把设备和管路中的灭菌开始时，必须注意把设备和管路中的空气排空气排 尽尽，否则达不到应有的灭菌温度。，否则达不到应有的灭菌温度。 各管路在灭菌前，要进行各管路在灭菌前，要进行气密性试验气密性试验，以防泄漏。，以防泄漏。 发酵工程发酵工程 本节课小结本节课小结 1 灭菌方法及原理灭菌方法及

24、原理 化学灭菌化学灭菌 射线灭菌射线灭菌 干热灭菌干热灭菌 湿热灭菌湿热灭菌 过滤灭菌过滤灭菌 2 发酵培养基与设备的灭菌发酵培养基与设备的灭菌 分批灭菌分批灭菌 连续灭菌连续灭菌 1 发酵工业上常用的灭菌方法有（发酵工业上常用的灭菌方法有（ ）、（）、（ ）、（）、（ ）、（）、（ ）和（）和（ ）。）。 2 发酵生产中对培养基和设备的灭菌，以（发酵生产中对培养基和设备的灭菌，以（ ）应用最为普遍，灭菌效果）应用最为普遍，灭菌效果 最好。液体发酵培养基的灭菌方法有（最好。液体发酵培养基的灭菌方法有（ ）和（）和（ ）。）。 3 高压温热灭菌时，高压温热灭菌时，一般常用的灭菌条件是一般常用的灭

25、菌条件是 （ ）；恒温干烤灭菌的条件）；恒温干烤灭菌的条件 是（是（ ）。）。 4 分批灭菌又称为（分批灭菌又称为（ ），其过程包括（），其过程包括（ ）、（）、（ ）和（）和（ ） 3 个阶段个阶段 。 本节课思考题本节课思考题 发酵工程发酵工程 本节课作业题本节课作业题 一、名词解释一、名词解释 分批灭菌分批灭菌 、连续灭菌、连续灭菌、致死温度致死温度 二、简答题二、简答题 1. 请列出适用于发酵培养基灭菌的方法，并比较其各自的优缺点。请列出适用于发酵培养基灭菌的方法，并比较其各自的优缺点。 2. 简述影响培养基灭菌的因素。简述影响培养基灭菌的因素。 发酵工程发酵工程 本节课学习了发酵工业

26、常用灭菌方法本节课学习了发酵工业常用灭菌方法 及发酵培养基及设备的灭菌方法，下节及发酵培养基及设备的灭菌方法，下节 课将讲授课将讲授无菌空气的制备无菌空气的制备，掌握发酵工，掌握发酵工 业无菌空气制备的方法。业无菌空气制备的方法。 下节课讲授内容下节课讲授内容 继续学习的参考书及网站继续学习的参考书及网站 1 李玉英李玉英. 发酵工程发酵工程 m. 北京北京: 中国农业大学出版社中国农业大学出版社, 2009. 2 李艳李艳. 发酵工程原理及技术发酵工程原理及技术 m. 北京北京: 科学出版社科学出版社, 2008. 3 罗大珍罗大珍,林稚兰林稚兰. 现代微生物发酵及技术教程现代微生物发酵及技

27、术教程 m. 北京北京: 北京大学出版北京大学出版 社社,2006. 4 刘振宇刘振宇. 发酵工程技术与实践发酵工程技术与实践 m. 上海上海: 华东理工大学出版社华东理工大学出版社, 2007. 5 陈洪章陈洪章. 生物过程工程与设备生物过程工程与设备 m. 北京北京: 化学工业出版社，化学工业出版社，2003. 6 袁洽袁洽. 实用消毒灭菌技术实用消毒灭菌技术m. 北京北京: 化学工业出版社化学工业出版社, 2002. 7 http:/ 8 http:/ 9 http:/ 3 无菌空气的制备无菌空气的制备 第四章第四章 发酵工业灭菌发酵工业灭菌 2/ji

28、ng/c76/zcr-1.htm 3.1 发酵使用的净空气的标准发酵使用的净空气的标准 3.2 空气净化的方法空气净化的方法 3.3 空气预处理空气预处理 3.4 介质过滤除菌的材料及原理介质过滤除菌的材料及原理 3.5 空气净化的工艺流程空气净化的工艺流程 发酵工程发酵工程 绝大多数工业发酵均是利用好氧微生物进行纯种培养，无绝大多数工业发酵均是利用好氧微生物进行纯种培养，无 论是生长还是合成代谢都需要消耗大量的溶解氧，用于基质同论是生长还是合成代谢都需要消耗大量的溶解氧，用于基质同 化、菌体生长和产物代谢。这些氧气的来源是空气，但空气中化、菌体生长和产物代谢。这些氧气的来源是空气，但空气中

29、含有各种各样的微生物，它们一旦随空气进入发酵液，便会在含有各种各样的微生物，它们一旦随空气进入发酵液，便会在 适合的条件下大量繁殖，并与目的微生物竞争性消耗培养基中适合的条件下大量繁殖，并与目的微生物竞争性消耗培养基中 的营养物质，产生各种副产物，从而干扰甚至破坏预定发酵的的营养物质，产生各种副产物，从而干扰甚至破坏预定发酵的 正常进行，严重的会使发酵彻底失败，造成巨大的经济损失。正常进行，严重的会使发酵彻底失败，造成巨大的经济损失。 空气除菌不彻底是发酵染菌的主要原因之一。空气除菌不彻底是发酵染菌的主要原因之一。 3 无菌空气的制备无菌空气的制备 空气除菌的意义空气除菌的意义 发酵工程发酵工

30、程 空气中微生物的含量和种类随地区、高低、季节空气中微生物的含量和种类随地区、高低、季节 空气中尘埃多少和人们活动情况而异。一般寒冷空气中尘埃多少和人们活动情况而异。一般寒冷 的北方比暖和、潮湿的南方含菌量少；离地面愈的北方比暖和、潮湿的南方含菌量少；离地面愈 高含菌量愈少；工业城市比农村含菌量多。据统高含菌量愈少；工业城市比农村含菌量多。据统 计大城市空气含菌数为计大城市空气含菌数为300010000个个/m3。空气。空气 中的微生物以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母、中的微生物以细菌和细菌芽孢较多，也有酵母、 霉菌、放线菌和噬菌体。霉菌、放线菌和噬菌体。 空气中的微生物空气中的微生物 发酵工程

31、发酵工程 空气中常见的细菌大小空气中常见的细菌大小 3.1 发酵使用的净空气的标准发酵使用的净空气的标准 不同的发酵工业生产中，不同菌种由于生产能力强不同的发酵工业生产中，不同菌种由于生产能力强 弱、生长速度快慢、发酵周期长短、产物性质、培养基弱、生长速度快慢、发酵周期长短、产物性质、培养基 的营养成分和的营养成分和ph 的差异等，对空气质量有不同的要求，的差异等，对空气质量有不同的要求， 其中，其中，空气的无菌程度空气的无菌程度是一项关键指标。是一项关键指标。 发酵工业生产中应用研究的发酵工业生产中应用研究的“无菌空气无菌空气”，是指通过，是指通过 除菌处理使空气中含菌量降到零或极低，从而使

32、污染的除菌处理使空气中含菌量降到零或极低，从而使污染的 可能性降至极小。可能性降至极小。一般按染菌率为一般按染菌率为10-3来计算，即来计算，即1000 次发酵周期所用的无菌空气只允许次发酵周期所用的无菌空气只允许1次染菌次染菌。 3.1 发酵使用的净空气的标准发酵使用的净空气的标准 空气无菌程度是用空气无菌程度是用空气洁净度空气洁净度来表示，来表示，空空 气洁净度气洁净度是指洁净空气含尘（微粒）量多少的是指洁净空气含尘（微粒）量多少的 程度。不同生产区域（控制区和洁净区），有程度。不同生产区域（控制区和洁净区），有 不同的要求。不同的要求。 发酵使用的无菌空气除对发酵使用的无菌空气除对无菌程

33、度无菌程度有要求有要求 外，还要充分考虑空气的外，还要充分考虑空气的温度温度、湿度湿度和和压力压力。 1) 1) 辐射杀菌辐射杀菌 高能阴极射线、高能阴极射线、x x射线、射线、射线、紫外射线、紫外 线都能破坏蛋白质活性而起到杀菌作用。其中紫线都能破坏蛋白质活性而起到杀菌作用。其中紫 外线用的较多，它在波长外线用的较多，它在波长226.5 nm-328.7 nm226.5 nm-328.7 nm时时 杀菌最强。一般用于杀菌最强。一般用于无菌室、手术室杀菌无菌室、手术室杀菌。 3.2 空气除菌的方法（重点空气除菌的方法（重点) 2/jing/c76/zcr-1

34、.htm 发酵工程发酵工程 2) 静电除菌静电除菌 静电除尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除菌除尘静电除尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除菌除尘 的目的。的目的。悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多带有不同的悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多带有不同的 电荷，没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成电荷，没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成 带电微粒，但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，带电微粒，但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小， 当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散 运动的

35、动量时，则微粒就不能被吸附而沉降所以静电除菌对很运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降所以静电除菌对很 小的微粒效率很低。小的微粒效率很低。 静电除尘法已广泛使用，除尘效率一般在静电除尘法已广泛使用，除尘效率一般在8599%之间之间，但，但 由于它消耗能量小，每处由于它消耗能量小，每处1000 的空气每小时只需电 的空气每小时只需电 0.20.8kw。 3) 热杀菌热杀菌 将空气加热到一定温度后保温一定时间将空气加热到一定温度后保温一定时间,使微生物使微生物 蛋白热失活而致死。蛋白热失活而致死。 热杀菌是有效的，可靠的杀菌方法，但是如果采热杀菌是有效的，可靠的杀菌方法，但是如果采 用用蒸汽或电

36、热蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到杀菌目的，来加热大量的空气，以达到杀菌目的， 这是十分这是十分不经济不经济的。的。 工业上是利用空气压缩时放出的热量进行杀菌。工业上是利用空气压缩时放出的热量进行杀菌。 绝对过滤绝对过滤 绝对过滤是介质之间的孔隙小于被滤除的微生物，当空绝对过滤是介质之间的孔隙小于被滤除的微生物，当空 气流过介质层后，空气中的微生物被滤除。气流过介质层后，空气中的微生物被滤除。绝对过滤易于控绝对过滤易于控 制过滤后空气质量，节约能量和时间，操作简便制过滤后空气质量，节约能量和时间，操作简便，它是多年，它是多年 来受到受到国内外科学工作者注意和研究的问题。它采用很来受到受到国内

37、外科学工作者注意和研究的问题。它采用很 细小的纤维介质制成，细小的纤维介质制成，介质空隙小于介质空隙小于0.5 um0.5 um。 介质过滤介质过滤 介质过滤除菌是目前工业上用的较多的空气除菌方法介质过滤除菌是目前工业上用的较多的空气除菌方法， 它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物，它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物， 而取得无菌空气。常用的过滤介质有而取得无菌空气。常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤棉花、活性炭或玻璃纤 维维等。等。 4) 过滤除菌过滤除菌 3.3 空气的预处理空气的预处理 无菌空气无菌空气制备的整个过程制备的整个过程包括两部分，一是对包括两部

38、分，一是对 进入空气过滤器的空气进行预处理，达到合适的空进入空气过滤器的空气进行预处理，达到合适的空 气状态（温度和湿度）；二是对空气进行过滤处理，气状态（温度和湿度）；二是对空气进行过滤处理， 以除去微生物颗粒，满足生物细胞培养的需要。以除去微生物颗粒，满足生物细胞培养的需要。 设备设备：采风塔、粗过滤器、空气压缩机、空气贮：采风塔、粗过滤器、空气压缩机、空气贮 罐、空气冷却器、气液分离器、空气的加热。罐、空气冷却器、气液分离器、空气的加热。 一、原料一、原料 l3.4 介质过滤除菌的材料及原理介质过滤除菌的材料及原理 棉花棉花 玻璃纤维玻璃纤维 活性炭活性炭 超细玻璃纤维纸超细玻璃纤维纸

39、烧结材料过滤介质烧结材料过滤介质 新型过滤介质新型过滤介质 二、过滤除菌的原理二、过滤除菌的原理 空气除菌与液体过滤除菌的差异空气除菌与液体过滤除菌的差异 如棉花纤维直径一般为如棉花纤维直径一般为1620 m，当充填系数为，当充填系数为 8%时，所形成的网络空隙为时，所形成的网络空隙为2050 m 滤层纤维阻挡作用滤层纤维阻挡作用 气流改变方向气流改变方向 惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散 l3.4 介质过滤除菌的材料及原理介质过滤除菌的材料及原理 过滤除菌的原理过滤除菌的原理 1) 布朗扩散运动布朗扩散运动 直径小于直径小于1 m的微粒在很慢的气流中能产生

40、一种的微粒在很慢的气流中能产生一种 不规则的直线运动不规则的直线运动 使较小的微粒凝集为较大的微粒使较小的微粒凝集为较大的微粒 增加了微粒与纤维的接触滞留机会增加了微粒与纤维的接触滞留机会 重力沉降或被介质所拦截重力沉降或被介质所拦截 2/jing/c76/zcr-1.htm 过滤除菌的原理过滤除菌的原理 2）静电吸引作用）静电吸引作用 干空气对非导体物质（合成纤维）相对干空气对非导体物质（合成纤维）相对 运动摩擦时，会产生诱导电荷运动摩擦时，会产生诱导电荷 空气中的微生物常常带有不同的电荷空气中的微生物常常带有不同的电荷 在介质过滤中，带电荷微生物可被具有

41、在介质过滤中，带电荷微生物可被具有 相反电荷的介质所吸引相反电荷的介质所吸引 产生相反的电荷而将粒子吸引产生相反的电荷而将粒子吸引 过滤除菌的原理过滤除菌的原理 3）拦截截留作用）拦截截留作用 4）惯性撞击截留作用）惯性撞击截留作用 5）重力沉降作用）重力沉降作用 2/jing/c76/zcr-1.htm 发酵工程发酵工程 1. 压缩空气的预处理压缩空气的预处理 空气经压缩后具有很高的温度空气经压缩后具有很高的温度 冷却后又具有较高的相对湿度冷却后又具有较高的相对湿度 经过空气压缩机后的空气带有油滴经过空气压缩机后的空气带有油滴 水滴、油滴污染空气过滤器水滴

42、、油滴污染空气过滤器 3.5 空气净化的工艺流程空气净化的工艺流程 1）压缩空气的冷却）压缩空气的冷却 压缩后的高温空气能引起过滤介质的炭化或压缩后的高温空气能引起过滤介质的炭化或 燃烧燃烧 增大发酵罐的降温负荷增大发酵罐的降温负荷 增加发酵液水分的蒸发增加发酵液水分的蒸发 给培养温度的控制带来困难给培养温度的控制带来困难 影响微生物生长影响微生物生长 一般用列管式冷却器进行冷却一般用列管式冷却器进行冷却 2）除油除水）除油除水 大气中总含有一定量水分大气中总含有一定量水分 空气压缩后的绝对含湿量不变，当其冷却空气压缩后的绝对含湿量不变，当其冷却 时，相对湿度增大时，相对湿度增大 一般用相对湿

43、度在一般用相对湿度在60%的压缩空气进行过的压缩空气进行过 滤除菌，不会将过滤器打湿而影响过滤效滤除菌，不会将过滤器打湿而影响过滤效 果果 发酵工程发酵工程 2. 空气过滤除菌流程（空气过滤除菌流程（1） 两级冷却、加热除菌设备流程图两级冷却、加热除菌设备流程图 （参考刘艳等，发酵工程原理与技术，（参考刘艳等，发酵工程原理与技术，2007） 1. 粗过滤器粗过滤器; 2. 压缩机压缩机; 3.贮罐贮罐; 4,6. 冷却器冷却器; 5. 旋风分离器旋风分离器; 7. 丝网除沫器丝网除沫器; 8. 加热器加热器; 9. 空气过滤器空气过滤器 1 1）比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能）

44、比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，能 充分地分离油水，充分地分离油水， 使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。 2 2）特点：两次冷却、两次分离、适当加热。）特点：两次冷却、两次分离、适当加热。 3 3）尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备）尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备 作适当的增减。作适当的增减。 2. 空气过滤除菌流程（空气过滤除菌流程（2） 1 1）利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，）利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过

45、滤后，再进入空气压缩机， 这样就降低了主过滤器的负荷。这样就降低了主过滤器的负荷。 2 2）特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过多次过滤，因而所得的）特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过多次过滤，因而所得的 空气无菌程度比较高。空气无菌程度比较高。 冷热空气直接混合式空气除菌流程冷热空气直接混合式空气除菌流程 （参考刘艳等，发酵工程原理与技术，（参考刘艳等，发酵工程原理与技术，2007） 1.粗过滤器；粗过滤器；2.压缩机；压缩机；3.贮罐；贮罐；4.冷却器；冷却器；5.丝网分离器；丝网分离器；9.空气过滤器空气过滤器 2. 空气过滤除菌流程（空气过滤除菌流程（3） 1、压缩空

46、气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温、压缩空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温 度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。 2、特点是可省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单，、特点是可省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单， 利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少等。利用压缩空气来加热析水后的空气，冷却水用量少等。 3、适用于中等含湿地区，但不适合于空气含湿量高的地区。、适用于中等含湿地区，但不适合于空气含湿量高的地区。 2.

47、空气过滤除菌流程（空气过滤除菌流程（4） 热空气加热冷空气除菌工艺流程图热空气加热冷空气除菌工艺流程图 （参考刘艳等（参考刘艳等. 发酵工程原理与技术发酵工程原理与技术. 2007） 1. 高空采风高空采风; 2. 粗过滤器粗过滤器; 3. 压缩机压缩机; 4. 热交换器热交换器; 5. 冷却器冷却器; 6,7. 析水器析水器; 8. 空空 气总过滤器气总过滤器; 9. 空气分过滤器空气分过滤器 利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高， 降低相对湿度。降低相对湿度。 1）粗过滤器）粗过滤器 安装在空气压缩机前的

48、过滤设备安装在空气压缩机前的过滤设备 捕集较大的灰尘颗粒，保护空气压缩机捕集较大的灰尘颗粒，保护空气压缩机 布袋过滤器布袋过滤器 油浴洗涤过滤装置油浴洗涤过滤装置 水雾除尘装置水雾除尘装置 2）空气贮罐）空气贮罐 消除压缩机排除空气量的脉冲，维持稳消除压缩机排除空气量的脉冲，维持稳 定的空气压力定的空气压力 利用重力沉降作用除去部分油雾利用重力沉降作用除去部分油雾 紧接空气压缩机安装紧接空气压缩机安装 有些装有冷却管有些装有冷却管 发酵工程发酵工程 3）空气冷却器）空气冷却器 4）气液分离器）气液分离器 利用离心力进行沉降的旋风分离器利用离心力进行沉降的旋风分离器 对于对于10 m以上的微粒分

49、离效率较高以上的微粒分离效率较高 一般冷凝水雾的粒子大小在一般冷凝水雾的粒子大小在10200 m 填料式分离器具有较高的分离效率，可填料式分离器具有较高的分离效率，可 除去较细小的雾状微粒（除去较细小的雾状微粒（5 m ） 2/jing/c76/zcr-1.htm 丝网分离器丝网分离器 过滤除菌的关键设备过滤除菌的关键设备 u空隙小于细菌、孢子：阻留作用空隙小于细菌、孢子：阻留作用 u绝对过滤介质绝对过滤介质 u聚乙烯醇缩甲醛树脂（聚乙烯醇缩甲醛树脂（pvf）制成的）制成的0.3 m滤膜滤膜 u孔径大于微生物的过滤介质，如用棉花、玻璃纤维、合成纤孔径大于微生物的过滤介质，如用棉花、玻璃纤维、合成纤 维和颗粒活性炭填充的过滤器维和颗粒活性炭填充的过滤器 u将过滤材料制成纸、板或管状，除菌效果较好将过滤材料制成纸、