第3章滅菌與空氣凈化

1、第一次作業(yè)第一次作業(yè)1、什么是發(fā)酵？什么是發(fā)酵工程？、什么是發(fā)酵？什么是發(fā)酵工程？2、簡述典型好氣性發(fā)酵的一般工藝流程、簡述典型好氣性發(fā)酵的一般工藝流程第二次作業(yè)第二次作業(yè)1、菌種選育具體有哪些方法？、菌種選育具體有哪些方法？2、菌種保藏的原理是什么？有哪些方法？、菌種保藏的原理是什么？有哪些方法？3、設(shè)計一個從自然界篩選產(chǎn)淀粉酶的高溫菌、設(shè)計一個從自然界篩選產(chǎn)淀粉酶的高溫菌 的實驗方案，詳細(xì)說明主要步驟。的實驗方案，詳細(xì)說明主要步驟。第三次作業(yè)第三次作業(yè)1、種子擴(kuò)大培養(yǎng)的一般流程是怎樣的？、種子擴(kuò)大培養(yǎng)的一般流程是怎樣的？2、影響種子質(zhì)量的因數(shù)有哪些？、影響種子質(zhì)量的因數(shù)有哪些？3.1 滅菌

2、滅菌滅菌滅菌：用物理或化學(xué)方法殺死或除去物料或：用物理或化學(xué)方法殺死或除去物料或 設(shè)備中設(shè)備中所有微生物所有微生物，包括營養(yǎng)細(xì)胞、細(xì)，包括營養(yǎng)細(xì)胞、細(xì) 菌芽孢和孢子。菌芽孢和孢子。消毒消毒：用物理或化學(xué)方法殺死空氣、容器內(nèi)外：用物理或化學(xué)方法殺死空氣、容器內(nèi)外 及環(huán)境中的及環(huán)境中的微生物微生物，一般只能殺死營養(yǎng)，一般只能殺死營養(yǎng) 細(xì)胞。細(xì)胞。 除菌除菌：用過濾的方法除去空氣或液體中的：用過濾的方法除去空氣或液體中的 微生物及其孢子。微生物及其孢子。3.1.1 發(fā)酵工業(yè)常用的滅菌方法發(fā)酵工業(yè)常用的滅菌方法1、干熱滅菌法、干熱滅菌法2、濕熱滅菌法、濕熱滅菌法3、射線滅菌法、射線滅菌法4、化學(xué)藥劑滅

3、菌法、化學(xué)藥劑滅菌法5、過濾除菌法、過濾除菌法3.1.2 濕熱滅菌原理濕熱滅菌原理1、微生物的熱阻、微生物的熱阻 致死溫度：殺死微生物的極限溫度致死溫度：殺死微生物的極限溫度 致死時間：在致死溫度時，殺死全部微生致死時間：在致死溫度時，殺死全部微生 物所需的時間物所需的時間 熱阻：指微生物在某一特定條件（溫度和熱阻：指微生物在某一特定條件（溫度和 加熱方式）下的致死時間加熱方式）下的致死時間 表表3-1 幾種微生物對濕熱的相對抵抗力幾種微生物對濕熱的相對抵抗力微生物名稱微生物名稱 大腸桿菌大腸桿菌 細(xì)菌芽孢細(xì)菌芽孢 霉菌孢子霉菌孢子 病病 毒毒相對抵抗力相對抵抗力 1 3 000 000 21

4、0 152、微生物的熱死規(guī)律、微生物的熱死規(guī)律對數(shù)殘留定律對數(shù)殘留定律 實驗證明，微生物營養(yǎng)細(xì)胞的均相熱實驗證明，微生物營養(yǎng)細(xì)胞的均相熱死滅動力學(xué)符合化學(xué)反應(yīng)的一級反應(yīng)動力死滅動力學(xué)符合化學(xué)反應(yīng)的一級反應(yīng)動力學(xué)，即：學(xué)，即： （1 1）式中：式中：為開始滅菌時原有活菌數(shù)（個），為開始滅菌時原有活菌數(shù)（個）， N 為經(jīng)過為經(jīng)過t時間滅菌后的殘留菌數(shù)（個）時間滅菌后的殘留菌數(shù)（個） 由上式可知滅菌時間取決于污染程度由上式可知滅菌時間取決于污染程度N 、滅、滅菌程度菌程度N 和和K值值 。一般只考慮細(xì)菌的芽孢作為計算依據(jù)。一般只考慮細(xì)菌的芽孢作為計算依據(jù)。 如果要求達(dá)到徹底滅菌，即如果要求達(dá)到徹底滅

5、菌，即N 0則所需滅菌則所需滅菌時間時間t ，這在實際生產(chǎn)上不可行。在實際設(shè)，這在實際生產(chǎn)上不可行。在實際設(shè)計時常采用計時常采用N 0.001，即在，即在1000批次滅菌中有批次滅菌中有一次失敗。一次失敗。 反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)K是微生物耐熱性的一種特征，是微生物耐熱性的一種特征，它隨微生物種類和滅菌溫度而異。相同溫度下，它隨微生物種類和滅菌溫度而異。相同溫度下，K值越小則微生物越耐熱。同一種微生物在不同值越小則微生物越耐熱。同一種微生物在不同滅菌溫度下，滅菌溫度下，K值不同。滅菌溫度越低，值不同。滅菌溫度越低，K值越值越?。粶缇鷾囟仍礁?，小；滅菌溫度越高，K值越大值越大 因此提高滅菌溫度

6、，因此提高滅菌溫度，K值增大，滅菌時間顯值增大，滅菌時間顯著縮短。著縮短。 3.1.3 培養(yǎng)基的滅菌培養(yǎng)基的滅菌1、培養(yǎng)基滅菌溫度和時間的選擇、培養(yǎng)基滅菌溫度和時間的選擇 在化學(xué)反應(yīng)的一級反應(yīng)動力學(xué)類型中，當(dāng)在化學(xué)反應(yīng)的一級反應(yīng)動力學(xué)類型中，當(dāng)其他條件不變時，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系其他條件不變時，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系可用阿倫尼烏斯（可用阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程表示：）方程表示： 由于雜菌死亡屬一級動力學(xué)反應(yīng)，大部分由于雜菌死亡屬一級動力學(xué)反應(yīng)，大部分培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞為一級分解反應(yīng)。在滅培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞為一級分解反應(yīng)。在滅菌時，當(dāng)溫度由菌時，當(dāng)溫度由T 升到升到T ，滅

7、菌速率常數(shù)，滅菌速率常數(shù)K和和培養(yǎng)基成分破壞速率常數(shù)培養(yǎng)基成分破壞速率常數(shù) K都變化。滅菌速都變化。滅菌速率常數(shù)率常數(shù)K值在值在T 、T 時分別為：時分別為：將兩式相除并取對數(shù)得：將兩式相除并取對數(shù)得： (1)(1) 同樣，滅菌時培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞也同樣，滅菌時培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞也可得類似關(guān)系：可得類似關(guān)系： (2)(2)將式（將式（1）和式（）和式（2）相除得：）相除得： 由于殺死細(xì)菌芽孢的活化能由于殺死細(xì)菌芽孢的活化能E大于營養(yǎng)成大于營養(yǎng)成分破壞的活化能分破壞的活化能E，因此，因此 ，即，即隨溫度升高，滅菌速率常數(shù)增加的倍數(shù)大于隨溫度升高，滅菌速率常數(shù)增加的倍數(shù)大于營養(yǎng)成分破壞速率常數(shù)

8、增加的倍數(shù)，也就是營養(yǎng)成分破壞速率常數(shù)增加的倍數(shù)，也就是說溫度升高，雜菌死亡速率大于培養(yǎng)基成分說溫度升高，雜菌死亡速率大于培養(yǎng)基成分破壞的速率。破壞的速率。 達(dá)到相同的滅菌效果，提高滅菌溫度可明達(dá)到相同的滅菌效果，提高滅菌溫度可明顯縮短滅菌時間，并減少培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破顯縮短滅菌時間，并減少培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的破壞，這就是通常說的壞，這就是通常說的“高溫短時滅菌法高溫短時滅菌法”。如。如將芽孢桿菌和維生素將芽孢桿菌和維生素B2放在一起滅菌，當(dāng)溫度放在一起滅菌，當(dāng)溫度維持維持118加熱加熱15min，可殺死，可殺死99.99%的細(xì)菌的細(xì)菌芽孢，維生素芽孢，維生素B2破壞率為破壞率為10%；而在；而在

9、120時時加熱加熱1.5min，細(xì)菌芽孢死亡率仍為，細(xì)菌芽孢死亡率仍為99.99%，而，而維生素維生素B2破壞率為破壞率為5%。2、培養(yǎng)基的滅菌方法、培養(yǎng)基的滅菌方法（1）分批滅菌）分批滅菌 也稱實消、實罐滅菌、間歇滅菌，是也稱實消、實罐滅菌、間歇滅菌，是指將配制好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐內(nèi)，直接指將配制好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐內(nèi)，直接通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進(jìn)行滅通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進(jìn)行滅菌的操作過程菌的操作過程 。 在發(fā)酵罐中進(jìn)行實罐滅菌，是典型的在發(fā)酵罐中進(jìn)行實罐滅菌，是典型的分批滅菌。全過程包括升溫、保溫、降溫分批滅菌。全過程包括升溫、保溫、降溫三個過程。三個過程。（2）連續(xù)滅菌

10、）連續(xù)滅菌 也稱連消，指培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外經(jīng)也稱連消，指培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外經(jīng)過一套滅菌設(shè)備連續(xù)的加熱滅菌，冷卻過一套滅菌設(shè)備連續(xù)的加熱滅菌，冷卻后送入空消后的發(fā)酵罐的滅菌法。后送入空消后的發(fā)酵罐的滅菌法。 連續(xù)滅菌的流程有連續(xù)滅菌的流程有3種：種：（a)a)噴射加熱連續(xù)滅菌流程噴射加熱連續(xù)滅菌流程(b) 噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程（c）薄板換熱器連續(xù)滅菌流程）薄板換熱器連續(xù)滅菌流程（3）固體培養(yǎng)基滅菌）固體培養(yǎng)基滅菌 固體培養(yǎng)基也和液體培養(yǎng)基一樣，要先固體培養(yǎng)基也和液體培養(yǎng)基一樣，要先蒸煮滅菌，但固體培養(yǎng)基呈粒狀、片狀或粉蒸煮滅菌，但固體培養(yǎng)基呈粒狀、片狀或粉狀，流動性差不易翻動，吸

11、水加熱容易成團(tuán)，狀，流動性差不易翻動，吸水加熱容易成團(tuán)，冷卻困難。針對這些特點(diǎn)設(shè)計的轉(zhuǎn)鼓式滅菌冷卻困難。針對這些特點(diǎn)設(shè)計的轉(zhuǎn)鼓式滅菌機(jī)常用于酒廠、醬油廠。該設(shè)備能承受一定機(jī)常用于酒廠、醬油廠。該設(shè)備能承受一定壓力，裝料后旋緊進(jìn)出口蓋，就如同密封容壓力，裝料后旋緊進(jìn)出口蓋，就如同密封容器。轉(zhuǎn)鼓以器。轉(zhuǎn)鼓以0.51r/min徐徐轉(zhuǎn)動，培養(yǎng)基得徐徐轉(zhuǎn)動，培養(yǎng)基得到翻動，蒸汽沿軸心通入加熱培養(yǎng)基，達(dá)到到翻動，蒸汽沿軸心通入加熱培養(yǎng)基，達(dá)到一定溫度后進(jìn)行保溫滅菌。滅菌完畢用真空一定溫度后進(jìn)行保溫滅菌。滅菌完畢用真空泵沿空心軸抽真空，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壓力降低，培養(yǎng)泵沿空心軸抽真空，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壓力降低，培養(yǎng)基冷卻?；鋮s

12、。3、連續(xù)滅菌與分批滅菌的比較、連續(xù)滅菌與分批滅菌的比較（1）連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)）連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)設(shè)備投資較少設(shè)備投資較少染菌的危險性較小染菌的危險性較小人工操作較方便人工操作較方便對培養(yǎng)基中固體物質(zhì)含對培養(yǎng)基中固體物質(zhì)含量較多時更為適宜量較多時更為適宜4、影響培養(yǎng)基滅菌的其他因素、影響培養(yǎng)基滅菌的其他因素 影響培養(yǎng)基滅菌除了所污染雜菌的種影響培養(yǎng)基滅菌除了所污染雜菌的種類、數(shù)量、滅菌時間和溫度外，培養(yǎng)基成類、數(shù)量、滅菌時間和溫度外，培養(yǎng)基成分、分、pH值、培養(yǎng)基中顆粒、泡沫等對培養(yǎng)值、培養(yǎng)基中顆粒、泡沫等對培養(yǎng)基滅菌也有影響。基滅菌也有影響。（1）培養(yǎng)基成分）培養(yǎng)基成分 油脂，糖類及一

13、定濃度的蛋白質(zhì)可增油脂，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。度的鹽類，色素等可削弱其耐熱性。（2）pH值值 培養(yǎng)基培養(yǎng)基pH為為6.08.0時，微生物耐熱時，微生物耐熱性好，性好，pH6.0時氫離子容易滲入微生物細(xì)時氫離子容易滲入微生物細(xì)胞內(nèi)，從而改變細(xì)胞的生理反應(yīng)促使其死胞內(nèi)，從而改變細(xì)胞的生理反應(yīng)促使其死亡，所以培養(yǎng)基的亡，所以培養(yǎng)基的pH值越低，滅菌所需時值越低，滅菌所需時間越短。間越短。（3）培養(yǎng)基的物理狀態(tài)）培養(yǎng)基的物理狀態(tài) 顆粒小滅菌容易，顆粒大滅菌難。當(dāng)顆粒小滅菌容易，顆粒大滅菌難。當(dāng)培

14、養(yǎng)基中有直徑大于培養(yǎng)基中有直徑大于1mm的顆粒物則明顯的顆粒物則明顯影響滅菌效果，蒸汽很難滲透到顆粒內(nèi)部，影響滅菌效果，蒸汽很難滲透到顆粒內(nèi)部，稱為稱為“滅菌不透滅菌不透”，應(yīng)過濾除去。，應(yīng)過濾除去。（4）泡沫）泡沫 泡沫中的空氣形成隔熱層，使傳熱困泡沫中的空氣形成隔熱層，使傳熱困難，熱難穿透過去殺滅微生物。難，熱難穿透過去殺滅微生物。 （5）微生物細(xì)胞的含水量）微生物細(xì)胞的含水量 含水越多，微生物越易死亡含水越多，微生物越易死亡（6）微生物細(xì)胞的菌齡）微生物細(xì)胞的菌齡 菌齡越老則越不易死亡菌齡越老則越不易死亡（7）空氣排除情況）空氣排除情況 空氣排出越徹底，微生物越易死亡空氣排出越徹底，微生

15、物越易死亡5、滅菌時間的計算、滅菌時間的計算（1）分批滅菌時間的計算）分批滅菌時間的計算【例【例3-1】 有一發(fā)酵罐內(nèi)裝有一發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培養(yǎng)基，在培養(yǎng)基，在121進(jìn)行實罐滅菌。原污染程度為每進(jìn)行實罐滅菌。原污染程度為每1mL有有2105個耐熱細(xì)菌芽孢，個耐熱細(xì)菌芽孢，121時滅菌速時滅菌速率常數(shù)為率常數(shù)為1.8min1。求滅菌失敗機(jī)率為。求滅菌失敗機(jī)率為0.001時所需的滅菌時間。時所需的滅菌時間。 有一發(fā)酵罐，內(nèi)裝有一發(fā)酵罐，內(nèi)裝80 m3培養(yǎng)基，在培養(yǎng)基，在121溫度下進(jìn)行實罐滅菌。設(shè)每毫升培養(yǎng)溫度下進(jìn)行實罐滅菌。設(shè)每毫升培養(yǎng)基中含有耐熱菌的芽孢數(shù)為基中含有耐熱菌的芽孢數(shù)為1.251

16、07個，個，大腸桿菌為大腸桿菌為5107個，霉菌為個，霉菌為2.5107 個個121時滅菌速率常數(shù)為時滅菌速率常數(shù)為0.0287s1。試求。試求滅菌失敗幾率為滅菌失敗幾率為0.001時所需的滅菌時間。時所需的滅菌時間。 （2）連續(xù)滅菌時間的計算）連續(xù)滅菌時間的計算【例【例3-2】 若將例若將例3-1中的培養(yǎng)基采用連續(xù)中的培養(yǎng)基采用連續(xù)滅菌，滅菌溫度為滅菌，滅菌溫度為131，此溫度下滅菌速，此溫度下滅菌速率常數(shù)為率常數(shù)為15min1，求滅菌所需的維持時，求滅菌所需的維持時間。間。 一、空氣凈化的方法一、空氣凈化的方法 1 加熱滅菌加熱滅菌 2 靜電除塵靜電除塵 3 介質(zhì)過濾除菌介質(zhì)過濾除菌二、二

17、、 空氣過濾除菌的原理和介質(zhì)空氣過濾除菌的原理和介質(zhì) 按照過濾除菌機(jī)理不同，過濾除菌分為：按照過濾除菌機(jī)理不同，過濾除菌分為：絕對過濾：絕對過濾：塵埃或塵?；騇直徑過濾介質(zhì)孔徑直徑過濾介質(zhì)孔徑相對過濾：相對過濾：塵?；驂m?；騇直徑過濾介質(zhì)孔徑直徑過濾介質(zhì)孔徑 這種相對過濾又稱為深層介質(zhì)過濾。這種相對過濾又稱為深層介質(zhì)過濾。1、空氣過濾除菌的、空氣過濾除菌的原理原理（1） 布朗擴(kuò)散作用布朗擴(kuò)散作用 （2） 攔截作用攔截作用（3） 慣性碰撞慣性碰撞 （4） 重力沉降重力沉降（5） 靜電吸引靜電吸引 當(dāng)氣流速度較大時，慣性撞擊起主要作用，當(dāng)氣流速度較大時，慣性撞擊起主要作用， 除菌效率隨氣流速度增加

18、而上升除菌效率隨氣流速度增加而上升 當(dāng)氣流速度較小時，布朗擴(kuò)散起主要作用，當(dāng)氣流速度較小時，布朗擴(kuò)散起主要作用， 除菌效率隨氣流速度增加而降低除菌效率隨氣流速度增加而降低 當(dāng)氣流速度中等時，攔截起主要作用當(dāng)氣流速度中等時，攔截起主要作用 當(dāng)氣流速度過大時，已被捕集的微粒又被湍當(dāng)氣流速度過大時，已被捕集的微粒又被湍動的氣流夾帶返回氣流中，除菌效率下降動的氣流夾帶返回氣流中，除菌效率下降 2、空氣過濾除菌的介質(zhì)、空氣過濾除菌的介質(zhì) （1 1） 纖維狀或顆粒狀介質(zhì)纖維狀或顆粒狀介質(zhì) 棉花棉花 玻璃纖維玻璃纖維 活性炭活性炭 這類過濾介質(zhì)對這類過濾介質(zhì)對0.3m以下的顆粒過濾效率以下的顆粒過濾效率僅為

19、僅為99%，難以滿足工業(yè)發(fā)酵的無菌要求，需多，難以滿足工業(yè)發(fā)酵的無菌要求，需多次過濾。次過濾。 缺點(diǎn)：體積大，占用空間大，操作困難，裝缺點(diǎn)：體積大，占用空間大，操作困難，裝填介質(zhì)費(fèi)時費(fèi)力且松緊度不易掌握，空氣壓力降填介質(zhì)費(fèi)時費(fèi)力且松緊度不易掌握，空氣壓力降大，介質(zhì)滅菌和吹干耗用大量的蒸汽和空氣。大，介質(zhì)滅菌和吹干耗用大量的蒸汽和空氣。深層棉花、活性炭過濾器的結(jié)構(gòu) （2）過濾紙類介質(zhì)）過濾紙類介質(zhì) 超細(xì)玻璃纖維紙：這類介質(zhì)過濾效果較好，超細(xì)玻璃纖維紙：這類介質(zhì)過濾效果較好，對空氣的阻力和壓力降較小。缺點(diǎn)是強(qiáng)度不夠，對空氣的阻力和壓力降較小。缺點(diǎn)是強(qiáng)度不夠，特別是受潮后強(qiáng)度更差。特別是受潮后強(qiáng)度更

20、差。石棉濾板：優(yōu)點(diǎn)是濕強(qiáng)度大，受潮時不易穿石棉濾板：優(yōu)點(diǎn)是濕強(qiáng)度大，受潮時不易穿孔或折斷，能耐受蒸汽反復(fù)殺菌，使用時間長。孔或折斷，能耐受蒸汽反復(fù)殺菌，使用時間長。缺點(diǎn)是由于纖維直徑大，過濾效率不高，只適缺點(diǎn)是由于纖維直徑大，過濾效率不高，只適用于空氣分過濾器。用于空氣分過濾器。濾棒：濾棒： 3. 燒結(jié)材料類介質(zhì)燒結(jié)材料類介質(zhì) 燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料等燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料等4. 新型過濾介質(zhì)新型過濾介質(zhì) 能除去全部能除去全部M，但不能除去噬菌體的過，但不能除去噬菌體的過濾介質(zhì)，主要有膜孔小于濾介質(zhì)，主要有膜孔小于0.22um的聚偏四氟的聚偏四氟乙烯（乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（）和聚四氟乙烯（PTFE）膜材）膜材 能除去小至能除去小至0.01um的微粒，可除去噬的微粒，可除去噬菌體，主要有菌體，主要有Bio-X濾材和膨化聚四氟乙烯濾材和膨化聚四氟乙烯三、三、 空氣過濾除菌的流程空氣過濾除菌的流程1、空氣的預(yù)處理：、空氣的預(yù)處理：（1） 空氣的粗濾空氣的粗濾（2） 空氣的壓縮和穩(wěn)壓空氣的