發(fā)酵工程第18章1

1、第第18章章 培養(yǎng)基滅菌及滅菌設備培養(yǎng)基滅菌及滅菌設備雜菌污染產生的雜菌污染產生的不良后果不良后果雜菌的污染，使生物反應的某些基質和產物消耗而損失，造成生產能力和得率下降；雜菌所產生的一些代謝產物，使產物的分離困難；污染的雜菌可能會分解產物，而使生產失??；污染的雜菌大量繁殖，會改變反應介質的ph等理化性質，從而使生物反應異常；當發(fā)生噬菌體污染，微生物細胞被裂解，而使生產失敗。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；設備應嚴格密封，生物反應器中需維持高于環(huán)境的壓力。滅菌是指采用物理

2、或化學方法殺滅或去除物料或設備中一切有生命物質的過程。常用的滅菌方法有以下幾種：化學藥劑滅菌；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、濃度及培養(yǎng)基的性質、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)。當溫度超過微生物生長溫度的上限時，微生物細胞

3、中的蛋白質會發(fā)生不可逆的凝固變性變化，在很短時間內引起微生物的死亡。熱滅菌即是利用微生物的這一特性進行的。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菌為標準。18.2.1 熱滅菌的原理熱滅菌的原理營養(yǎng)細胞熱滅菌可認為是一級反應：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：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

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，也可看作是化學動力學中的一級反應，其反應動力學方程式為： 在化學反應中，其他條件不變，則分解速率常數(shù)k 和溫度的關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，進行滅菌。連續(xù)滅菌時，培養(yǎng)基能在短時間內加熱到保溫溫度，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)滅菌的設備和計算1.預熱預熱可在培養(yǎng)基配制罐或預熱罐中進行，使培養(yǎng)基的溫度升到70左右。18.4.2 連續(xù)滅菌的設備和計算3保溫培養(yǎng)基在加熱器中被加熱到預定的滅菌

8、溫度后，進入保溫設備（維持設備）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)滅菌的保溫設備有兩種形式：罐式保溫設備、管式保溫設備。18.4.2 連續(xù)滅菌的設備和計算管式維持器計算管式維持器計算:采用擴散模型計算管式維持器，可按以下順序進行：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。設管道維持器的內徑，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備進行降溫：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，它的結構簡單，廣泛地被用作連續(xù)滅菌的冷卻設備。用一些化學藥劑與微生物發(fā)生反應而達到殺菌作用。常用的化學藥劑有甲醛、氯（或次氯酸鈉）、高錳酸鉀、環(huán)氧乙烷、