發(fā)酵工程第2講

3.1.2分批滅菌的操作過程：a.培養(yǎng)基的預熱：滅菌培養(yǎng)基需先加熱到80—90℃

，然后再導入蒸汽升溫滅菌。預熱目的是防止蒸汽直接導入培養(yǎng)基溫差大，導致大量冷凝水，稀釋了培養(yǎng)基；防止直接蒸汽導入引起泡沫急劇上升而溢料。預熱方法是先將各排氣閥打開，將蒸汽引入夾套或蛇管進行預熱，等罐溫升到80—90℃

，將排氣閥逐漸關小。b.將蒸汽從進氣口、出料口、取樣口直接導入罐內(nèi)同

時開排氣管排氣閥、補料管排氣閥、接種管排氣閥、消沫劑管排氣閥，各路進、排氣要通暢（三進四出），罐內(nèi)液體翻動要劇烈，以使物料溫度均一。

c.排氣量不宜過大，以節(jié)約蒸汽用量。d.罐溫上升到120℃—130℃

，罐壓105Pa，保溫30分e.滅菌將要結束時，立即用無菌空氣保壓（注意此時罐內(nèi)壓力必須低于過濾器壓力，否則將出現(xiàn)培養(yǎng)基倒流），再開冷卻水降溫待種，以防罐壓迅速下降產(chǎn)生負壓而吸入外界空氣。3.2連續(xù)滅菌（連消）連續(xù)滅菌即培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外經(jīng)過一套連續(xù)滅菌設備，以比分批滅菌高的溫度和較短的時間進行快速連續(xù)加熱滅菌，并快速冷卻，再立即輸入預先經(jīng)過空罐滅菌后的發(fā)酵罐中。

3.2.1噴淋冷卻連消流程培養(yǎng)液預熱：待滅菌的培養(yǎng)液預熱到60℃—75℃

。連續(xù)滅菌：由連消泵送到連消塔式底，料液在此被加熱到滅菌溫度，由頂部流出，一般控制培養(yǎng)基輸入連消塔的速度<0.1m/min，溫度132℃

，在塔內(nèi)的停留時間為20—30s。維持滅菌溫度：連消后料液再輸入維持罐保溫一定時間。在生產(chǎn)實際中，一般維持5—8min。

理論維持時間由t=2.303/k（lgN

0/Ns）式求出。冷卻：料液經(jīng)噴淋冷卻器冷卻到生產(chǎn)要求的溫度。進入預先經(jīng)過空罐滅菌后的發(fā)酵罐中。

3.2.2真空冷卻連消流程由于負壓培養(yǎng)基本身產(chǎn)生大量二次蒸氣被抽出，消耗了大量熱量，醪溫迅速冷卻。3.2.3板式換熱器連消流程優(yōu)點：結構緊湊，傳熱效率高，應用范圍廣。波紋板分A、B兩種，板片組裝是，A片和B片交替排列，各板片之間形成狹窄的網(wǎng)狀流體通道，板片上的4個角孔，形成流體的分配管和匯集管。密封墊片把冷、熱兩流體分開，在板片的兩面，冷、熱兩流體分別流入各通道，在流動中兩種流體通過板片換熱。波紋板采用0.6～12mm厚的不銹鋼、純鈦或鈦合金板材薄片沖壓而成，熱交換能力很強。波紋板的波紋結構，使液體在板間流動能不斷改變方向和速度，形成劇烈的喘流，提高熱交換能力。其傳熱系數(shù)在同等條件下比一般鋼管殼式傳熱器高3～5倍，對低粘度的液體，傳熱可達6000W/（m2·k）。

3.3連續(xù)滅菌與實罐滅菌的比較實罐滅菌：無需專用設備，培養(yǎng)基受熱時間長，營養(yǎng)易破壞。對蒸汽的要求不是太高。連續(xù)滅菌：營養(yǎng)成分破壞少，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，易于自動化控制，對蒸汽的要求高。3.4連續(xù)滅菌的主要設備

噴嘴式連消塔套管式連消塔

4影響培養(yǎng)基滅菌的其他因素實際滅菌中，除了雜菌的種類，數(shù)量，滅菌的溫度和時間外，培養(yǎng)基的成分，pH值，培養(yǎng)基中顆粒與泡沫等對培養(yǎng)基滅菌也有影響。4.1pH值培養(yǎng)基中氫離子濃度直接影響滅菌的效果。培養(yǎng)基的酸度越大，所需殺滅微生物的溫度越低，時間越短，pH值6-8時微生物最耐熱。4.2培養(yǎng)基成分油脂，糖類及一定濃度的蛋白質(zhì)可增加微生物的耐熱性，另一些物質(zhì)，如高濃度的鹽類，色素等可削弱其耐熱性。4.3泡沫：滅菌應避免產(chǎn)生泡沫，因為泡沫能形成隔層，使熱量難以傳遞，不易達到微生物致死溫度。4.4培養(yǎng)基的物理狀態(tài)：牛頓型培養(yǎng)基（細菌、酵母），非牛頓型培養(yǎng)基（放線菌、霉菌）固體培養(yǎng)基比液體培養(yǎng)基滅菌時間長，液體的傳熱效率高。4.5微生物細胞中水含量：在一定范圍內(nèi)，微生物細胞含水量越多，則蛋白質(zhì)的凝固溫度越低。4.6微生物的菌齡：年老細胞對不良環(huán)境的抵抗力比年輕細胞強，這與細胞中蛋白質(zhì)的含水量有關，年老細胞中水份含量低。4.7微生物的耐熱性：細菌的營養(yǎng)體、酵母、霉菌的菌絲體對熱較為敏感，而放線菌、霉菌孢子比營養(yǎng)細胞的抗熱性強，細菌的芽孢抗熱性更強。4.8培養(yǎng)基中微生物的數(shù)量4.9空氣的排除4.10攪拌第五章無菌空氣的制備發(fā)酵工業(yè)大多數(shù)是利用好氧微生物進行純種培養(yǎng)，通常以空氣作為氧源，空氣除菌就是除去或殺滅空氣中的微生物，空氣中一般有103~104個/m31

空氣除菌的方法1.1加熱滅菌加熱滅菌是一種有效可靠的滅菌方法，可以用蒸汽、電能、空氣壓縮過程產(chǎn)生的熱量進行滅菌。但采用蒸汽或電能加熱大量的空氣，即不經(jīng)濟又不安全，不適宜于工業(yè)化大生產(chǎn)。

1.2

輻射殺菌X射線、γ射線、紫外線、超聲波等從理論上都能破壞蛋白質(zhì)活性而起殺菌作用。但通常用于無菌室和醫(yī)院手術室等空氣對流不大的環(huán)境，不適應發(fā)酵大生產(chǎn)使用。

1.3

靜電除菌靜電除菌是利用靜電引力吸附帶電粒子而達到除菌除塵目的，懸浮在空氣中的微生物其孢子大多帶有不同的電荷，沒有帶電的粒子在進入高壓靜電場時都會被電離變成帶電微粒，在捕集區(qū)被吸附除去。該方法對很小的微粒效率較低，此外一次性投資費用較大。。1.4過濾除菌法深層過濾除菌是目前發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中最常用的空氣除菌方法，它采用定期滅菌的干燥介質(zhì)來阻截流過空氣中所包含的微生物，從而獲得無菌空氣。常用的介質(zhì)：一類其孔隙大于微生物，故必須有一定的厚度才能達到過濾除菌的目的，另一類介質(zhì)的孔隙小于微生物，稱為絕對過濾介質(zhì)。前者有棉花、活性炭、玻璃纖維、有機合成纖維、燒結材料（燒結金屬、燒結陶瓷、燒結塑料）、膜材料等。后者如微孔超濾膜等。

1.4.1

過濾除菌法的原理微粒隨著空氣流通過過濾層時，過濾層所形成的網(wǎng)格阻礙氣流前進，使氣流無數(shù)次的改變運動速度和運動方向而繞過纖維前進，這些改變引起微粒對濾層纖維產(chǎn)生慣性攔截、重力沉降、布朗擴散、

靜電吸引等作用把微粒在滯留在纖維表面。氣流的臨界速度一般為：

0.4m~3m/s

1.4.2

過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)是過濾除菌的關鍵，常用的過濾介質(zhì)有棉花、活性炭、玻璃纖維、超細玻璃纖維紙、化學纖維等。介質(zhì)過濾效率η是K、L的函數(shù)

η=1-e-kl

K—過濾常數(shù)L—濾層厚度，K值越大L可越小。優(yōu)良的介質(zhì)過濾效率η高，同時阻力降Δp越小越好，因此KL/Δp的值是過濾介質(zhì)綜合評價指標。

a.棉花（原棉）棉花的纖維直徑一般為16～21μm

，重量約1500kg/m3。裝填時要分層均勻，最后要壓緊，裝填密度以150～200kg/m3為好。b.玻璃纖維直徑一般為8～19μm

，重量約為2600kg/m3。纖維直徑越小強度越小，裝填系數(shù)不宜太大，一般在6%～10%，其阻力損失一般比棉花小。如果采用硅硼玻璃纖維，可得直徑0.3～0.5μm的高強度纖維，一般制成2—3mm厚的濾材，裝填過濾器，可用于去除噬菌體和所有的微生物。c.活性炭活性炭有非常大的比表面積，主要通過表面吸附作用吸附截留微生物。一般為直徑為3mm、長5～10mm的圓柱狀。其空氣阻力較小，僅為棉花的1/12，但過濾效率比棉花低得多。目前，一般將活性炭夾裝在兩層棉花中使用，以降低濾層的阻力。它的用量一般為總過濾層的1/3～1/2。d.超細玻璃纖維紙超細玻璃纖維紙是利用質(zhì)量較好的無堿玻璃，采用噴吹法制成的直徑很小的纖維（直徑為1～1.5μm

）。由于其纖維直徑太小，不宜散裝填充，一般采用造紙的

方法將超細玻璃纖維制成0.25～

1mm厚的纖維紙。目前，國內(nèi)大多采用多層疊合超細玻璃纖維紙（8～

10層），可增加強度但過濾效果無顯著提高，因濾層間無空氣重新分布的空間。傳統(tǒng)超細玻璃纖維紙強度、抗?jié)裥阅懿?，現(xiàn)研制出JU型除菌濾紙，可以耐油、水和蒸汽的反復加熱殺菌，過濾效率更高，阻力更低。

e.燒結材料包括燒結金屬（蒙乃爾合金、青銅等）、燒結陶瓷、燒結塑料等。一般孔隙在10～30μm之間。目前我國生產(chǎn)的蒙乃爾合金燒結板或管由鈦、錳等合金粉末燒結而成。強度高，使用壽命長，耐受高溫反復殺菌?？讖诫S粉末大小和燒結工藝情況而變化，一般為5～15μm

，過濾效果中等。適用于二級分過濾器。

燒結聚合物，如聚乙烯醇（PVA）過濾板。

f.新型過濾介質(zhì)

MiliPore公司的0.22μm

的膜式過濾器，用可耐蒸汽殺菌的膜材PVDF（聚偏氟乙烯）和PTFE（聚四氟乙烯）制成。這種過濾器可除去全部細菌等微生物，但不能除去噬菌體。

英國的DH公司研制的絕對空氣過濾器，可100%除去0.01μm

以上的微粒。它有兩種過濾介質(zhì)，一種是直徑為0.5μm

的超細玻璃纖維（稱Bio-x濾材），而另一種是膨化PTFE。

我國在空氣絕對過濾技術上獲得長足的進步，由核工業(yè)凈化過濾工程技術中心研制的JPF型聚偏二氟乙烯膜折疊式空氣過濾器。JLS型微孔燒結金屬過濾器以金屬鎳為材料，采用特殊微末冶金技術制成，有JLS-D，Y，W三種，以上二種空氣過濾器具有國際水平。

2無菌空氣制備的工藝流程兩級冷卻、兩級分離的空氣除菌流程空氣粗過濾空壓機列管冷卻器旋風分離器儲氣罐列管冷卻器去霧器總過濾器分過濾器空氣進罐

旋風分離器1.法蘭2.進出口節(jié)管

3.殼體4.列管

5.封頭6.進出口管列管式冷凝器按材質(zhì)分為碳鋼列管式冷凝器，不銹鋼列管式冷凝器和碳鋼與不銹鋼混合列管式冷凝三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、U型管式換熱器，按結構分為單程、雙管程和多管程，傳熱面積為0.5-500m2。總過濾器纖維、顆粒介質(zhì)深層過濾器（總空氣過濾器）空氣過濾器的尺寸主要包括直徑D和有效濾層高度L。其中，

D=4qv/πvs式中qv—空氣流經(jīng)過濾器時的體積流量m3/s

vs—空截面空氣速度，m/s工廠常用棉花、活性炭作為過濾器的介質(zhì)，棉花以纖維2～

3cm的原棉，填充密度130～150kg/