发酵工程第18章1

1、第第18章章 培养基灭菌及灭菌设备培养基灭菌及灭菌设备杂菌污染产生的杂菌污染产生的不良后果不良后果杂菌的污染，使生物反应的某些基质和产物消耗而损失，造成生产能力和得率下降；杂菌所产生的一些代谢产物，使产物的分离困难；污染的杂菌可能会分解产物，而使生产失败；污染的杂菌大量繁殖，会改变反应介质的ph等理化性质，从而使生物反应异常；当发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失败。防止杂菌污染的防止杂菌污染的措施措施使用无污染的纯粹种子；使用的培养基和设备须经灭菌；培养过程中加入的物料需经过灭菌；好气培养过程中使用的空气需经除菌处理；设备应严格密封，生物反应器中需维持高于环境的压力。灭菌是指采用物理

2、或化学方法杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质的过程。常用的灭菌方法有以下几种：化学药剂灭菌；射线灭菌；干热灭菌；湿热灭菌；过滤除菌。18.1 灭菌方法灭菌方法 对于大量的培养基和发酵设备的灭菌，最有效、最常用的灭菌方法是蒸汽灭菌（即湿热灭菌）。衡量热灭菌的指标很多，最常用的是“热死时间”，即在限定的温度下杀死原有微生物中一定比例所需的持续时间。影响热灭菌的温度和时间的因素很多，包括微生物的种类、性质、浓度及培养基的性质、浓度等。18.2 培养基灭菌培养基灭菌微生物的生长受 温度的影响。当微生物低于其生长温度的下限时，代谢作用几乎停止而处于休眠状态。当温度超过微生物生长温度的上限时，微生物细胞

3、中的蛋白质会发生不可逆的凝固变性变化，在很短时间内引起微生物的死亡。热灭菌即是利用微生物的这一特性进行的。18.2.1 热灭菌的原理热灭菌的原理能杀死微生物的温度称为致死温度。在致死温度以上，杀死全部微生物所需的时间称为致死时间。温度越高，致死时间越短。一般常温微生物在60，10 min即可死亡。而芽孢杆菌的芽孢在100温度下，要经数分钟至数小时才能杀灭。有些嗜热微生物能在120温度下，耐受2030 min。一般衡量灭菌彻底与否，是以能否杀灭芽孢细菌为标准。18.2.1 热灭菌的原理热灭菌的原理营养细胞热灭菌可认为是一级反应：积分方程为：（182）18.2.2 对数残留定律对数残留定律dnkd

4、snsrkkktnnln 0 0 )tkexp(kk)tkexp(kkknnrrsssrr0 0对于芽孢可看作是一级串联反应：积分方程为：18.2.2 对数残留定律对数残留定律dsnsrkk )tkexp(kk)tkexp(kkknnrrsssrr0 0灭菌时间灭菌时间： or其中k为死亡速度常数（比死亡速率）。18.2.2 对数残留定律对数残留定律knnlnt0 0 knnlg.t0 03 33 32 2 随着温度的变化，死亡速度常数k的值变化很大（温度的影响）。温度对k 值的影响，遵循阿仑尼乌斯定律，即培养基在灭菌前，存在着各种各样的微生物，它们的k值各不相同，可以取耐热性芽孢杆菌的k值进

5、行计算：18.2.2 对数残留定律对数残留定律n的取值：的取值：n0.001=0.1%即灭菌失败的概率为千分之一。微生物数目降低至最初的十分之一所需时间d:半衰期t1/2：18.2.2 对数残留定律对数残留定律k.klnt/6936930 02 22 21 1 由于培养基的破坏属于分解反应，也可看作是化学动力学中的一级反应，其反应动力学方程式为： 在化学反应中，其他条件不变，则分解速率常数k 和温度的关系也可用阿仑尼乌斯方程式表示：18.2.3 培养基灭菌温度的选择培养基灭菌温度的选择ee)k/k(n)k/kln( 1 12 21 12 2可见随着温度的升高，k值增大，且e越大，温度的影响越明

6、显。（1815）活化能18.2.3 培养基灭菌温度的选择培养基灭菌温度的选择ee)k/k(n)k/kln( 1 12 21 12 218.3培养基的分批灭菌培养基的分批灭菌培养基的分批灭菌是指将配制好的培养基放在发酵罐中，通入蒸汽进行灭菌的过程，也称实罐灭菌。它是小型发酵罐常用的一种灭菌方法。分批灭菌的过程包括升温、保温和冷却三个阶段，灭菌主要在保温过程中实现，在升温的后期和冷却的初期，培养基的温度很高，亦有一定的灭菌作用。分批灭菌的计算应包括这三个阶段。但一般只考虑保温过程的灭菌作用。1 8.4 培养基的连续灭菌培养基连续灭菌是将配制好的培养基在高温快速的情况下，向发酵罐输送的同时经过加温、

7、保温、冷却的过程，进行灭菌。连续灭菌时，培养基能在短时间内加热到保温温度，并能很快被冷却，因此，可在比分批灭菌更高的温度下灭菌，而保温时间则很短，这样就有利于减少营养物质的破坏。18.4.1 连续灭菌的流程连续灭菌的流程如下：罐式连续灭菌的流程见图18-3。培养基经配料后，经配料罐放出，用泵送入加热器或连消塔底端，由顶部流出，进入维持罐，维持10 min左右，由维持罐上部流出，经喷淋冷却器冷却到发酵温度，送去发酵罐。18.4.2 连续灭菌的设备和计算1.预热预热可在培养基配制罐或预热罐中进行，使培养基的温度升到70左右。18.4.2 连续灭菌的设备和计算3保温培养基在加热器中被加热到预定的灭菌

8、温度后，进入保温设备（维持设备）中，经过一段时间保温，使培养基中所含微生物全部杀灭。连续灭菌的保温设备有两种形式：罐式保温设备、管式保温设备。18.4.2 连续灭菌的设备和计算管式维持器计算管式维持器计算:采用扩散模型计算管式维持器，可按以下顺序进行：首先计算原料中菌数n0，确定灭菌后培养基中的活菌数n（可取0.001）；根据n/n0和pe1000，由图18-12确定kt；并根据灭菌温度下的k，确定平均停留时间t。设管道维持器的内径，根据培养基的流量确定平均流速w，根据t确定管长l。最后进行校核，由w、d以及物料的黏度、密度求出re。由re值用图18-13和式(18-38)求出pe，若pe1000，则所得到的d, l可用，否则需改变管径，重新计算。18.4.2 连续灭菌的设备和计算4. 冷却冷却 经过灭菌的培养基，可以通过各种冷却设备进行降温：喷淋冷却器；真空冷却器；板式冷却器；螺旋板冷却器；真空闪冷却器等。喷淋冷却器见图18-14，它的结构简单，广泛地被用作连续灭菌的冷却设备。用一些化学药剂与微生物发生反应而达到杀菌作用。常用的化学药剂有甲醛、氯（或次氯酸钠）、高锰酸钾、环氧乙烷、