發(fā)酵工程第18章1

1、第第18章章 培養(yǎng)基滅菌及滅菌設(shè)備培養(yǎng)基滅菌及滅菌設(shè)備雜菌污染產(chǎn)生的雜菌污染產(chǎn)生的不良后果不良后果雜菌的污染，使生物反應(yīng)的某些基質(zhì)和產(chǎn)物消耗而損失，造成生產(chǎn)能力和得率下降；雜菌所產(chǎn)生的一些代謝產(chǎn)物，使產(chǎn)物的分離困難；污染的雜菌可能會分解產(chǎn)物，而使生產(chǎn)失?。晃廴镜碾s菌大量繁殖，會改變反應(yīng)介質(zhì)的ph等理化性質(zhì)，從而使生物反應(yīng)異常；當(dāng)發(fā)生噬菌體污染，微生物細(xì)胞被裂解，而使生產(chǎn)失敗。防止雜菌污染的防止雜菌污染的措施措施使用無污染的純粹種子；使用的培養(yǎng)基和設(shè)備須經(jīng)滅菌；培養(yǎng)過程中加入的物料需經(jīng)過滅菌；好氣培養(yǎng)過程中使用的空氣需經(jīng)除菌處理；設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格密封，生物反應(yīng)器中需維持高于環(huán)境的壓力。滅菌是指采用物理

2、或化學(xué)方法殺滅或去除物料或設(shè)備中一切有生命物質(zhì)的過程。常用的滅菌方法有以下幾種：化學(xué)藥劑滅菌；射線滅菌；干熱滅菌；濕熱滅菌；過濾除菌。18.1 滅菌方法滅菌方法 對于大量的培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌，最有效、最常用的滅菌方法是蒸汽滅菌（即濕熱滅菌）。衡量熱滅菌的指標(biāo)很多，最常用的是“熱死時間”，即在限定的溫度下殺死原有微生物中一定比例所需的持續(xù)時間。影響熱滅菌的溫度和時間的因素很多，包括微生物的種類、性質(zhì)、濃度及培養(yǎng)基的性質(zhì)、濃度等。18.2 培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基滅菌微生物的生長受 溫度的影響。當(dāng)微生物低于其生長溫度的下限時，代謝作用幾乎停止而處于休眠狀態(tài)。當(dāng)溫度超過微生物生長溫度的上限時，微生物細(xì)胞

3、中的蛋白質(zhì)會發(fā)生不可逆的凝固變性變化，在很短時間內(nèi)引起微生物的死亡。熱滅菌即是利用微生物的這一特性進(jìn)行的。18.2.1 熱滅菌的原理熱滅菌的原理能殺死微生物的溫度稱為致死溫度。在致死溫度以上，殺死全部微生物所需的時間稱為致死時間。溫度越高，致死時間越短。一般常溫微生物在60，10 min即可死亡。而芽孢桿菌的芽孢在100溫度下，要經(jīng)數(shù)分鐘至數(shù)小時才能殺滅。有些嗜熱微生物能在120溫度下，耐受2030 min。一般衡量滅菌徹底與否，是以能否殺滅芽孢細(xì)菌為標(biāo)準(zhǔn)。18.2.1 熱滅菌的原理熱滅菌的原理營養(yǎng)細(xì)胞熱滅菌可認(rèn)為是一級反應(yīng)：積分方程為：（182）18.2.2 對數(shù)殘留定律對數(shù)殘留定律dnkd

4、snsrkkktnnln 0 0 )tkexp(kk)tkexp(kkknnrrsssrr0 0對于芽孢可看作是一級串聯(lián)反應(yīng)：積分方程為：18.2.2 對數(shù)殘留定律對數(shù)殘留定律dsnsrkk )tkexp(kk)tkexp(kkknnrrsssrr0 0滅菌時間滅菌時間： or其中k為死亡速度常數(shù)（比死亡速率）。18.2.2 對數(shù)殘留定律對數(shù)殘留定律knnlnt0 0 knnlg.t0 03 33 32 2 隨著溫度的變化，死亡速度常數(shù)k的值變化很大（溫度的影響）。溫度對k 值的影響，遵循阿侖尼烏斯定律，即培養(yǎng)基在滅菌前，存在著各種各樣的微生物，它們的k值各不相同，可以取耐熱性芽孢桿菌的k值進(jìn)

5、行計算：18.2.2 對數(shù)殘留定律對數(shù)殘留定律n的取值：的取值：n0.001=0.1%即滅菌失敗的概率為千分之一。微生物數(shù)目降低至最初的十分之一所需時間d:半衰期t1/2：18.2.2 對數(shù)殘留定律對數(shù)殘留定律k.klnt/6936930 02 22 21 1 由于培養(yǎng)基的破壞屬于分解反應(yīng)，也可看作是化學(xué)動力學(xué)中的一級反應(yīng)，其反應(yīng)動力學(xué)方程式為： 在化學(xué)反應(yīng)中，其他條件不變，則分解速率常數(shù)k 和溫度的關(guān)系也可用阿侖尼烏斯方程式表示：18.2.3 培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇ee)k/k(n)k/kln( 1 12 21 12 2可見隨著溫度的升高，k值增大，且e越大，溫度的影響越明

6、顯。（1815）活化能18.2.3 培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇ee)k/k(n)k/kln( 1 12 21 12 218.3培養(yǎng)基的分批滅菌培養(yǎng)基的分批滅菌培養(yǎng)基的分批滅菌是指將配制好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐中，通入蒸汽進(jìn)行滅菌的過程，也稱實罐滅菌。它是小型發(fā)酵罐常用的一種滅菌方法。分批滅菌的過程包括升溫、保溫和冷卻三個階段，滅菌主要在保溫過程中實現(xiàn)，在升溫的后期和冷卻的初期，培養(yǎng)基的溫度很高，亦有一定的滅菌作用。分批滅菌的計算應(yīng)包括這三個階段。但一般只考慮保溫過程的滅菌作用。1 8.4 培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌培養(yǎng)基連續(xù)滅菌是將配制好的培養(yǎng)基在高溫快速的情況下，向發(fā)酵罐輸送的同時經(jīng)過加溫、

7、保溫、冷卻的過程，進(jìn)行滅菌。連續(xù)滅菌時，培養(yǎng)基能在短時間內(nèi)加熱到保溫溫度，并能很快被冷卻，因此，可在比分批滅菌更高的溫度下滅菌，而保溫時間則很短，這樣就有利于減少營養(yǎng)物質(zhì)的破壞。18.4.1 連續(xù)滅菌的流程連續(xù)滅菌的流程如下：罐式連續(xù)滅菌的流程見圖18-3。培養(yǎng)基經(jīng)配料后，經(jīng)配料罐放出，用泵送入加熱器或連消塔底端，由頂部流出，進(jìn)入維持罐，維持10 min左右，由維持罐上部流出，經(jīng)噴淋冷卻器冷卻到發(fā)酵溫度，送去發(fā)酵罐。18.4.2 連續(xù)滅菌的設(shè)備和計算1.預(yù)熱預(yù)熱可在培養(yǎng)基配制罐或預(yù)熱罐中進(jìn)行，使培養(yǎng)基的溫度升到70左右。18.4.2 連續(xù)滅菌的設(shè)備和計算3保溫培養(yǎng)基在加熱器中被加熱到預(yù)定的滅菌

8、溫度后，進(jìn)入保溫設(shè)備（維持設(shè)備）中，經(jīng)過一段時間保溫，使培養(yǎng)基中所含微生物全部殺滅。連續(xù)滅菌的保溫設(shè)備有兩種形式：罐式保溫設(shè)備、管式保溫設(shè)備。18.4.2 連續(xù)滅菌的設(shè)備和計算管式維持器計算管式維持器計算:采用擴(kuò)散模型計算管式維持器，可按以下順序進(jìn)行：首先計算原料中菌數(shù)n0，確定滅菌后培養(yǎng)基中的活菌數(shù)n（可取0.001）；根據(jù)n/n0和pe1000，由圖18-12確定kt；并根據(jù)滅菌溫度下的k，確定平均停留時間t。設(shè)管道維持器的內(nèi)徑，根據(jù)培養(yǎng)基的流量確定平均流速w，根據(jù)t確定管長l。最后進(jìn)行校核，由w、d以及物料的黏度、密度求出re。由re值用圖18-13和式(18-38)求出pe，若pe1000，則所得到的d, l可用，否則需改變管徑，重新計算。18.4.2 連續(xù)滅菌的設(shè)備和計算4. 冷卻冷卻 經(jīng)過滅菌的培養(yǎng)基，可以通過各種冷卻設(shè)備進(jìn)行降溫：噴淋冷卻器；真空冷卻器；板式冷卻器；螺旋板冷卻器；真空閃冷卻器等。噴淋冷卻器見圖18-14，它的結(jié)構(gòu)簡單，廣泛地被用作連續(xù)滅菌的冷卻設(shè)備。用一些化學(xué)藥劑與微生物發(fā)生反應(yīng)而達(dá)到殺菌作用。常用的化學(xué)藥劑有甲醛、氯（或次氯酸鈉）、高錳酸鉀、環(huán)氧乙烷、