第四章工业发酵灭菌何敏24课件

第四章工业发酵灭菌何敏Telmail:heminteacher@163.com第四章工业发酵灭菌第一节灭菌的方法和基本原理第二节培养基和发酵设备的灭菌第三节空气除菌第一节灭菌的方法和基本原理一、灭菌与消毒的区别灭菌sterilization：用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子消毒disinfection：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。在工业中一般都笼统地称为杀菌或灭菌工程上灭菌：是指为了保证进行纯培养（纯种）发酵，使用物理或化学方法将培养基中的杂菌的细胞和孢子杀灭，以不影响发酵为限。

二、灭菌的目的

杀灭培养基中的微生物，为后续发酵过程创造无菌的条件如有杂菌，可引起以下的后果：

①生产菌和杂菌同时在培养基中生长，结果丧失了生产能力。

②杂菌的生长速度有时比生产菌生长得快，结果使反应器中以杂菌为主。

③杂菌会污染最终产品。

④杂菌所产生的物质，使提取产物时发生困难。

⑤杂菌降解所需要的产物。

⑥发酵如污染了噬菌体，可使生产菌株发生溶菌现象三、灭菌的方法【复习】灭菌的方法有哪些？物理方法化学方法加热灭菌干热灭菌：湿热灭菌：焚烧、火焰灼烧、烘烤等巴氏消毒、煮沸消毒、流通蒸汽消毒、间歇灭菌、高压蒸汽灭菌射线灭菌：紫外线、阴极射线、X射线、γ射线、超声波、微波等过滤除菌：过滤器和过滤介质化学药液：0.1%~0.25%KMnO4溶液、1%~5%漂白粉溶液、75%酒精、0.25%新洁尔灭、10%甲醛溶液、5%苯酚溶液、3%~5%来苏尔问题：什么是巴氏消毒法？巴氏消毒法(pasteurization)a)意义及应用：以较低的温度杀灭液体食品及物品中的病原菌或特定微生物，又不破坏其营养成分及有效成分，且可保留食品饮料原有风味的消毒方法。常用于食品（牛奶）、酿造（葡萄酒、啤酒）工业及蜂蜜。b)具体方法：

61.7－62.8℃处理30min迅速冷却至10℃下；

71.6℃处理15s,迅速冷却至10℃下；c）消毒效果：可杀死其中的结核杆菌或布氏杆菌等湿热灭菌的优点蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底；蒸汽有很大的潜热；操作方便，易管理。四、高温灭菌原理高温致死原理：由于它使微生物的蛋白质和核酸等重要生物高分子发生变性、破坏，例如它可使核酸发生脱氨、脱嘌呤或降解，以及破坏细胞膜上的类脂质成分等湿热灭菌要比干热灭菌更有效，这一方面是由于湿热易于传递热量，另一方面是由于湿热更易破坏保持蛋白质稳定性的氢键等结构，从而加速其变性。湿热灭菌的原理

湿热灭菌：直接用高温蒸汽灭菌。蒸汽在冷凝时释放出大量潜能，蒸汽具有强大穿透力，蒸汽的湿热破坏菌体蛋白质和核酸的化学键，使酶失活，微生物因代谢障碍而死亡。湿热灭菌的效果：取决与致死温度和致死时间。

致死温度：指杀死微生物的最低温度。

致死时间：在致死温度下杀死全部微生物所需要的时间致死温度致死时间营养细胞60℃左右5～10min孢子80℃以上10min左右细菌的芽孢120℃15min3.微生物的热阻：

微生物对热的抵抗力

相对热阻：某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。微生物名称大肠杆菌细菌芽孢霉菌孢子病毒相对抵抗力1

3×1062～101～5各种微生物对湿热的相对热阻4.高温对培养基中成分的破坏不同温度灭菌时间及培养基破坏情况温度（℃）灭菌时间（min)营养成分破坏（%）100110115120130140150400301540.50.080.0199.367502782＜1从该表中可得出什么结论？所以，在实际生产中为了既达到灭菌目的又较好地保存营养成分，最好采用高温快速灭菌法结论：温度升高时

菌的死亡速率培养基成分破坏的速率﹥第二节培养基和发酵设备的灭菌一、培养基灭菌的要求（1）达到要求的无菌程度（残留菌数＝？）（2）尽量减少营养成分的破坏二、培养基灭菌温度和灭菌时间的选择：灭菌温度的选择：细菌芽孢的致死温度灭菌时间的选择：灭菌程度（残留菌数）决定灭菌时间，为什么？灭菌程度（残留菌数）与灭菌时间的关系微生物的热死规律——对数残留定律对数残留规律公式P48一般地，取Nt=10-3（1000次灭菌有一次失败），求出t即可若Nt=0，t→∞，无意义三、影响培养基灭菌的其它因素1．培养基pH

：培养基中氢离子浓度直接影响灭菌的效果。培养基的酸碱度越大，所需杀灭微生物的温度越低。pH6.0－8.0时最难灭菌。pH值对灭菌时间的影响温度（℃）孢子数（个/mL)灭菌时间（min）pH6.1pH5.3pH5.0pH4.7pH4.51201151101001000010000100001000082570740725657205123518031330150313241502、培养基成分：油脂、糖类、蛋白质可增加微生物的耐热性高浓度的盐类、色素等可削弱

微生物的耐热性3、培养基中的颗粒：

Ф﹤1mm影响不大；Ф﹥1mm则要过滤4、泡沫：妨碍灭菌，加消泡剂5、抗菌药物的影响：抗菌药物＋湿热灭菌，是较好的方法。因为药物能改变细菌细胞的生理反应，从而改变其耐热性。6、原材料含菌量：天然材料比化学试剂多将培养基置于反应器中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后维持一定时间，冷却到发酵温度后接种发酵优点：无需专一灭菌设备，操作简便缺点：时间长，营养有损失，利用率低适用条件：培养基中含有固体颗粒或培养基有较多泡沫时；容积小的发酵罐。过程：预热(90℃)→通蒸汽(120℃)→保温(30min)（一）分批灭菌（实罐灭菌、实消）四、工业培养基灭菌方法四、工业培养基灭菌方法(二)连续灭菌（连消）P49采用专一灭菌设备—-连消塔，在罐外高温下对液体培养基进行短时间连续加热、维持和冷却然后进入到已经灭菌的发酵罐内，这种培养基杀菌方法即～。【关于连消塔】类型：蒸汽直接加热灭菌、蒸汽间接加热灭菌优点：时间短；营养破坏少；利用率高；蒸汽负荷均衡；适于实行自动化控制缺点：需要连消设备；多了操作环节而增加了染菌率；不适合黏度大或固形物含量高的培养基灭菌适用条件：大规模生产，培养基中不含有固体颗粒或泡沫较少。培养基连续灭菌流程：连消塔连续灭菌流程图（P49）连消塔－维持罐－喷淋冷却器组成的连续灭菌流程蒸汽直接加热灭菌型优点：能一次冷却到发酵温度。喷射加热连续灭菌流程图P50喷射加热－维持管－真空冷却器组成的连续系统蒸汽直接加热灭菌型特点：只能冷却到一定温度，需在发酵罐中继续冷却；但它可以减少冷却用水，占地面积也少。利用板式换热器连续灭菌流程图P50蒸汽间接加热灭菌型特点：效率高，且利用冷培养基作冷却剂，既冷却了热培养基，又预热了冷培养基，节约用水和蒸汽。（三）固体培养基灭菌用转鼓式灭菌机进行，常用于酒厂、酱油厂。设备灭菌（空消

）实消——发酵罐与培养基一起灭菌。空消——发酵罐在培养基灭菌前，直接用蒸汽进行空罐灭菌，用无菌空气保压；培养基则采用连续灭菌法。附属设备：一般采用蒸汽灭菌。有些设备也可采用SO2熏蒸灭菌，如葡萄酒发酵池、罐等所有的附属设备和管道都要经过灭菌补料液的灭菌：分批灭菌或连续灭菌五、设备灭菌第三节空气除菌(SterilizationofAir)

一、通风发酵对无菌空气的要求1.空气中微生物的分布

——差异很大空气中微生物的含量和种类，随地区，季节和空气中灰尘粒子多少，以及人们的活动情况而异。.北方气候干燥，寒冷，空气中的含菌量较南方少；离地面越高，含菌量越少；一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000个／米3

2.发酵对空气无菌程度的要求：随发酵类型不同而不同。密闭式深层好气发酵对无菌空气的要求严格，一般按染菌机率为10-3来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许通过1～2个杂菌。二、空气除菌方法及原理

除菌→冷却脱水→脱油

是一个复杂的空气处理过程。且需空气压缩机

1.辐射杀菌：高能阴极射线、X射线、γ、β射线、紫外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226.5nm-328.7nm时杀菌最强。一般用于无菌室、手术室杀菌。2.加热灭菌

将空气加热至一定温度，并维持一定时间，杀灭空气中的微生物。

3.静电除尘

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。

4.过滤除菌

使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌目的。是发酵工业上经济实用的空气除菌方法。利用空气压缩机产生的热灭菌无菌空气空气无菌空气空气静电除法装置图4、过滤除菌介质过滤除菌：是以棉花、玻璃纤维、尼龙等纤维或活性炭作为介质填充成一定厚度的过滤层，或将玻璃纤维、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、金属烧结材料制成过滤层绝对介质过滤除菌：介质空隙﹤被滤除的微生物深层介质过滤除菌：介质空隙﹥被滤除的微生物深层介质过滤除菌原理：空气流通过这种介质过滤层时，借助惯性碰撞、拦截滞流、静电吸附、扩散等作用，将其尘埃和微生物截留在介质层内，达到过滤除菌目的。

介质过滤机理——惯性碰撞滞留作用(惯性捕集)是空气过滤器除菌的重要作用

介质过滤效率η（P56）＝捕集颗粒数/空气原有颗粒数与气流流速成正比随滤层厚度的增加而提高惯性碰撞滞留作用：颗粒随气流流动碰到纤维而受阻，气流改变运动方向绕过纤维继续前进，微生物等颗粒由于惯性作用而离开气流碰在纤维表面上，由于磨擦、粘附作用，被滞留在纤维表面布朗运动惯性碰撞拦截凝聚吸附效应

过滤效率：指被介质层捕集的微粒数与空气中原有颗粒数之比。

N1—过滤前空气中的微粒数；

N2—过滤后空气中的微粒数；

N2/N1—过滤后空气中残留微粒数与原有微粒数之比，称为穿透率P介质过滤效率P56问题：N2＝0，可以吗？为什么？过滤效率与滤层厚度关系过滤效率是随滤层厚度的增加而提高的。对数穿透定律：K—过滤常数（cm-1）即：进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比（穿透率倒数）的对数是滤层厚度的函数。问题：

N2＝？才有实际生产意义？P56N2＝0.001,即1000次发酵只有一次因空气带菌而染菌。棉花纤维的K值(d=16微米，填充系数8%）

14微米玻璃纤维的K值空气流速（m/s)0.050.100.501.02.03.0K(cm-1)0.1930.1350.10.1951.322.55空气流速（m/s)0.030.150.30.921.523.15K(cm-1)0.5670.2520.1930.3941.506.05发酵车间的空气过滤器三、深层空气过滤介质及设备纤维状物或颗粒状物介质微孔滤纸、滤板、滤棒介质1.过滤介质2.过滤器(1)纤维状或颗粒介质过滤器过滤层厚度大，体积大，吸收油水能力强，但操作麻烦，装填介质费时费力。(2)过滤纸类过滤器除菌效率相当高，对0.3μm以上颗粒的过滤效率达99.99%以上，阻力小，压力降小，但强度不大，尤其是受潮后强度更差。各种空气过滤介质各种空气过滤设备

四、空气除菌的工艺流程空气除菌总流程如下：高空采风→粗滤器→空压机→贮罐→冷却器→油水分离器→丝网分离器→加热器→总过滤器→分过滤器→发酵罐空气预处理流程空气预处理的意义A．除去进入过滤器空气所含的油、水和杂质，提高除菌效率；B．降低进入空气过滤器的空气相对湿度，保证过滤介质在干燥状态下工作，延长介质使用寿命。空气冷却过滤流程P571、粗过滤器2、空气压缩机3、贮气罐4、冷却器5、总过滤器453两极冷却除菌流程及特点P57旋风分离器丝网分离器空气预处理流程高效前置过滤除菌流程（P58）制备无菌空气要严格把握的两点：提高空气进入压缩机之前的清洁度，以减少进入空气压缩机的大颗粒灰尘，保证空压机的效率；除尽压缩空气中的油水，以保证过滤介质不被污染。空气预处理流程问题：前置过滤器的作用是什么？为了减轻总空气过滤器的过滤负荷本章小结一灭菌的方法和基本原理——湿热灭菌高温快速灭菌法二培养基和发酵设备的灭菌实消、连消、空消三空气除菌——过滤除菌原理、设备、流程单项选择题1、转鼓式灭菌机适用于（

）灭菌。A、固体培养基

B液体培养基

C种子培养基

D发酵培养基2、下列哪种培养基的冷却方式的优点是能将培养基一次冷却到发酵温度？A、喷淋冷却式

B真空冷却式

C薄板换热器式

DA+B+C3、下列哪种培养基的冷却方式只能冷却到一定温度，需在发酵罐中继续冷却，但它可以减少冷却用水，占地面积也少？A、喷淋冷却式

B真空冷却式

C薄板换热器式

DA+B+C4