4微生物工程第四章發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)ppt課件

1、第 四 章發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù).一、根本概念 二、發(fā)酵工業(yè)污染的防治戰(zhàn)略三、發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)四、培育基及設(shè)備管道滅菌 五、空氣除菌本章內(nèi)容.滅菌(sterilization):用化學或物理方法殺死物料或設(shè)備中一切生命物質(zhì)的過程。消毒(disinfection):用物理或化學方法殺死空氣、地表以及容器和器具外表的微生物。 除菌(degermation): 用過濾方法除去空氣或液體中的微生物及其孢子。 防腐(antisepsis): 用物理或化學方法殺死或抑制微生物的生長和繁衍 。一、根本概念.消毒與滅菌的區(qū)別消毒：外表微生物，只能殺死營養(yǎng)細胞殺菌：一切生命體消毒與滅菌在發(fā)酵工業(yè)中的運用消毒：發(fā)酵

2、車間環(huán)境、設(shè)備、器具的無菌處置滅菌：培育基等物料的無菌處置.一污染的危害二雜菌污染的防治 二、發(fā)酵工業(yè)污染的防治戰(zhàn)略.耗費營養(yǎng)；合成非目的產(chǎn)物，菌體自溶、發(fā)粘等呵斥分別困難等；改動體系pH值；雜菌分解目的產(chǎn)物；噬菌體對細菌發(fā)酵破壞極大。一污染的危害1.染菌的不良后果.A細菌谷氨酸：發(fā)酵周期短，培育基不太豐富，較少染雜菌，但噬菌體要挾大。肌苷：缺陷型消費菌，培育基豐富，易染菌，營養(yǎng)成分迅速被耗費，嚴重抑制菌生長和合成代謝產(chǎn)物。2.染菌危害的詳細分析1染菌對不同菌種發(fā)酵的影響.B. 霉菌PenG：青霉素水解酶上升，PenG迅速破壞，發(fā)酵一無所獲。檸檬酸：pH2.0，不易染菌，主要防止前期染菌。C.

3、 酵母菌易污染細菌以及野生酵母菌 D. 疫苗無論污染的是活菌、死菌或內(nèi)外毒素，都應(yīng)全部廢棄。.青霉素：怕染細短產(chǎn)氣桿菌鏈霉素：怕染細短桿菌、假單孢桿菌和產(chǎn)氣桿菌四環(huán)素：怕染雙球菌、芽孢桿菌和莢膜桿菌檸檬酸：怕染青霉菌肌苷酸：怕染芽孢桿菌谷氨酸：怕染噬菌體，易呵斥延續(xù)污染常見發(fā)酵產(chǎn)品容易污染的雜菌：.種子擴展時期染菌 滅菌后棄去發(fā)酵前期染菌 應(yīng)迅速重新滅菌，補充必要的營養(yǎng)成分，重新接種2不同發(fā)酵時期染菌對發(fā)酵的影響.發(fā)酵中期染菌 挽救困難，應(yīng)早發(fā)現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)各種發(fā)酵的特點和詳細情況盡快處置 。 抗生素發(fā)酵 輸入正常發(fā)酵的另一罐發(fā)酵液. 檸檬酸發(fā)酵 a. 污染細菌：加大通風，加速產(chǎn)酸；參與鹽酸等條p

4、H3.0以下，抑制細菌 b. 污染酵母：參與0.0250.035g/L CuSO4抑制酵母；通風加大，加速產(chǎn)酸。 c.染黃曲霉：參與另一罐將近發(fā)酵成熟的醪液，pH下降，黃曲霉自溶。 d.青霉菌：在pH很低下可以生長。提早放罐。.發(fā)酵后期污染染菌量不太多，可繼續(xù)發(fā)酵污染嚴重，那么提早放罐殺菌劑的添加：前期無必要，添加本錢； 發(fā)現(xiàn)后參與，效果要詳細評價.絲狀菌發(fā)酵被產(chǎn)酸菌污染：pH不斷下降，菌絲大量自溶，發(fā)酵液粘度黏度添加，過濾困難 處置方法：將發(fā)酵液加熱后再加助濾劑； 先加絮凝劑使蛋白質(zhì)凝聚后沉淀雜菌分泌較多蛋白質(zhì)雜質(zhì)時，使水相和溶媒之間極易發(fā)生乳化。3雜菌污染對發(fā)酵產(chǎn)物提取和產(chǎn)質(zhì)量量的影響雜質(zhì)

5、增多，黏度增大，產(chǎn)生泡沫等.顯微鏡檢查法平板劃線培育或斜面培育檢查法肉湯培育檢查法 發(fā)酵過程的異常景象判別溶解氧程度異常變化pH異常變化尾氣中CO2異常變化其他異常景象黏度、泡沫、顏色等二雜菌污染的防治1. 染菌的檢查與判別.12.主要緣由： 種子帶菌 空氣帶菌 設(shè)備滲漏 滅菌不徹底 操作失誤 技術(shù)管理不善2. 污染緣由分析.從污染雜菌的種類分析；從污染時間進展分析；從染菌的程度進展分析。污染緣由分析方法：.1種子帶菌的防治 培育基及器具徹底滅菌防止菌種在移接過程中受污染防止菌種在培育及保藏過程中污染3. 雜菌污染的途徑及其預(yù)防.2過濾空氣帶菌及其防治正確選擇采氣口 高處采氣、前置粗過濾器設(shè)計

6、合理的空氣預(yù)處置流程 減少含油量和濕度設(shè)計和安裝合理的空氣過濾器 介質(zhì)選擇.3設(shè)備的滲漏或“死角呵斥的染菌及其防治設(shè)備的滲漏染菌：發(fā)酵設(shè)備、管道、閥門的破損等而引起的污染。“死角：蒸汽不能到達預(yù)定的滅菌部位或該部位的冷空氣不能在加熱過程中排凈。發(fā)酵罐的“死角管道安裝不當或配置不合理構(gòu)成“死角. 常出現(xiàn)“死角的地方：銜接點：法蘭、內(nèi)襯、接口、表頭、聯(lián)軸器、小部件：罐內(nèi)部件及其支撐件如攪拌軸拉桿、冷卻盤管、擋板、空氣分布管及其支撐件口：人孔或手孔、排風管接口、燈孔、視鏡口、進料管口.滅菌時蒸汽不易通達的“死角及其消除方法.發(fā)酵罐罐底膿皰狀積垢呵斥“死角 .法蘭銜接不當呵斥的“死角 .4培育基與設(shè)備

7、滅菌不徹底的防治5操作不當呵斥染菌 6噬菌體染菌及其防治原料性狀的影響 滅菌時溫度和壓力不對滅菌過程中產(chǎn)生的泡沫呵斥染菌延續(xù)滅菌維持時間不夠或壓力動搖大 滅菌后期的罐壓驟變冷卻負壓 .采取哪些措施可以堅持無菌發(fā)酵？物料、培育基、中間補料都要滅菌；發(fā)酵設(shè)備及輔助設(shè)備空氣過濾安裝、各種發(fā)酵罐進出口銜接安裝和管道要滅菌徹底；好氧發(fā)酵通入的空氣要除菌；種子無污染；接種無菌操作過關(guān)；為了堅持發(fā)酵的長期無菌形狀，需維持一定的正壓。.三、發(fā)酵工業(yè)的無菌技術(shù)滅菌方法干熱滅菌法 濕熱滅菌法 射線滅菌法 化學藥劑滅菌法過濾除菌法火焰滅菌法 .四、發(fā)酵培育基及設(shè)備管道滅菌一濕熱滅菌原理 二分批滅菌實罐滅菌 三延續(xù)滅

8、菌連消四發(fā)酵培育基及設(shè)備管道滅菌技術(shù).定義：微生物對熱的抵抗力稱為熱阻，即指微生物在某一特定條件下溫度的致死時間。相對熱阻：指某一微生物在某一條件下的致死時間與另一微生物在一樣條件下的致死時間之比。一濕熱滅菌原理1.微生物的熱阻致死溫度 致死時間.在一定溫度下，微生物受熱致死遵照分子反響速度實際，微生物受熱死亡的速率-dN/dt與任何瞬間殘留的活菌數(shù)N成正比，即： k ：比死亡速率常數(shù)。k，熱阻, t 當Nt=0時， t=， 既無意義，也不能夠。 普通采用Nt=0.001，即1000次中只需一次失敗2.濕熱滅菌的對數(shù)殘留定律.大腸桿菌在不同溫度下的殘留曲線嗜熱脂肪芽孢桿菌芽孢在不同溫度下的死亡

9、曲線 .某些微生物受熱死亡的速率不符合對數(shù)殘留定律：如一些微生物芽孢。 Nt/N0=kR/(kR-kS) exp(kst)-ks/kR exp(-kRt) NR：耐熱性活芽孢數(shù)；Ns：敏感性活芽孢數(shù) ND：死亡的芽孢數(shù)； N0：初始活芽孢數(shù)。 kR：耐熱性芽孢的比死亡速率； ks：敏感性芽孢的比死亡速率；3.非對數(shù)殘留定律.在T一樣時，對數(shù)與非對數(shù)定律的滅菌時間t不同。.微生物死亡與培育物質(zhì)受熱破壞都可看作一級反響：式中C：對熱不穩(wěn)定物質(zhì)的濃度；k：分解速度常數(shù)； k的變化也遵照阿累尼烏斯方程： 都與相應(yīng)的活化能及T有關(guān)4. 滅菌溫度和時間的選擇.當T1 T2 (k2/k1)/(k2/k1)=

10、E/E1 (EE 表4-4 p68) 隨著T上升，菌死亡速率添加倍數(shù)大于培育基成分分解速率添加倍數(shù)，故普通選擇高溫快速滅菌 表4-5。.1培育基成分營養(yǎng)物質(zhì)類型油脂、糖類及一定濃度的蛋白質(zhì)、高濃度有機物等添加微生物的耐熱性。NaCl含量：低濃度1%-2%對微生物有維護作用；高濃度8%-10%以上減弱微生物的耐熱性。5. 影響培育基滅菌的其它要素.2培育基pHpH6.0-8.0，微生物最耐熱，pH 液體培育基4泡沫泡沫中的空氣構(gòu)成隔熱層，對滅菌極為不利。5培育基中的微生物數(shù)量微生物多芽孢桿菌，滅菌時間長.夾套或蛇管排冷水，開啟排氣管閥，空氣管通蒸汽，也可夾套內(nèi)通蒸汽達70左右取樣管放料管通蒸汽1

11、20，1105pa保溫保溫階段，凡液面以下各管道都應(yīng)通蒸汽，液面上其他各管道那么應(yīng)排蒸汽，不留死角，維持壓力、溫度恒定罐壓接近空氣壓力向罐內(nèi)通無菌空氣保溫終了，依次封鎖各排汽、進汽閥門夾套或蛇管中通冷水 培育基降溫到所需溫度二分批滅菌實罐滅菌1.滅菌工藝過程空氣過濾器滅菌并用空氣吹干.滅菌的可靠性主要在保溫階段進展，可以簡單地利用公式 4-3 粗略估算滅菌所需時間。2. 滅菌時間的估算.例1：有一發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培育基，在121溫度下實罐滅菌，原污染程度為每1ml有2105個耐熱細菌芽孢，知121時滅菌速度常數(shù)k=1.8min-1，求滅菌失敗機率為0.001時所需時間。 解：N0=40106

12、2105=81012(個) Nt=0.001(個) k=1.8(min-1) (Nt/N0)=-kt t=2.303/klg(N0/Nt)=2.303/1.8lg(81015) =20.34(min) 由于升溫階段就有部分菌被殺滅，實踐保溫階段時間比計算值要短。.工藝流程噴淋冷卻延續(xù)滅菌流程放射加熱延續(xù)滅菌流程 薄板式換熱器延續(xù)滅菌流程 滅菌時間的計算 (Ct/C0)=kt t=2.303/klg(C0/Ct) 式中：C0、Ct分別為單位體積培育基滅菌前、后 的含菌數(shù)3.延續(xù)滅菌連消.例2某發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培育基，采用延續(xù)滅菌，滅菌溫度為131，原污染程度為每1ml含有2105個雜菌，知13

13、1 時滅菌速度常數(shù)為15min-1，求滅菌所需的維持時間。延續(xù)滅菌時間的估算解：C0=2105(個/ml) Ct=0.001/(40106)=2.510-11(個/ml) t=2.303/klg(C0/Ct)=2.303/15lg(2105)/(2.510-11) =2.37 min.噴淋冷卻延續(xù)滅菌流程.放射加熱延續(xù)滅菌流程.薄板式換熱器延續(xù)滅菌流程.延續(xù)滅菌的優(yōu)點：高溫短時，營養(yǎng)成分破壞少，發(fā)酵產(chǎn)率高；發(fā)酵罐利用率高； 蒸汽負荷平衡； 采用板式換熱器時，可節(jié)約大量能量；適宜采用自動控制，勞動強度??；可實現(xiàn)將耐熱性物料和不耐熱性物料在不同溫度下分開滅菌，減少營養(yǎng)成分的破壞。分批滅菌與延續(xù)滅菌

14、的比較適用于大型罐.延續(xù)滅菌的缺陷：對小型罐無優(yōu)勢，不方便，對設(shè)備要求高；蒸汽動搖時滅菌不徹底；當培育基中含有固體顆粒或有較多泡沫時，以分批滅菌好，可防止滅菌不徹底。.優(yōu)點設(shè)備投資較少染菌的危險性較小人工操作較方便對培育基中固體物質(zhì)含量較多時更為適宜分批滅菌的優(yōu)缺陷：缺陷營養(yǎng)成分破壞較大滅菌過程中蒸汽用量變化大，呵斥鍋爐負荷動搖大。普通只限于中小型發(fā)酵安裝。.1、種子罐、發(fā)酵罐、計量罐、補料罐等的空罐滅 菌及管道滅菌；2、空氣總過濾器和分過濾器滅菌 ；3、種子培育基實罐滅菌； 4、發(fā)酵培育基實罐滅菌； 5、發(fā)酵培育基延續(xù)滅菌； 6、補料實罐滅菌。 4. 發(fā)酵培育基及設(shè)備管道滅菌技術(shù)溫度維持時間

15、程序.空氣除菌的必要性 好氧發(fā)酵需大量空氣，空氣帶菌是發(fā)酵染菌的主要緣由之一。五、空氣除菌輻射殺菌、加熱殺菌、靜電除菌、過濾除菌一空氣除菌方法.輻射殺菌：超聲波、高能陰極射線，x射線、射線、射線、紫外線(2265 3287 )加熱殺菌：加熱方法可用蒸汽、電和空氣緊縮機產(chǎn)生的熱量 靜電除菌：常用于干凈任務(wù)臺、干凈任務(wù)室所需無菌無塵空氣的第一次除塵，配合高效過濾器運用。過濾除菌：采用定期滅菌的介質(zhì)來阻截流過的空氣所含的微生物而獲得無菌空氣?？諝獬椒?流程主要設(shè)備：空氣緊縮機 、空氣過濾器 附屬設(shè)備：粗過濾器、氣液分別器、空氣貯罐、空氣冷卻器 二空氣過濾除菌1. 對空氣過濾除菌流程的要求.根據(jù)地

16、理、氣候環(huán)境和設(shè)備條件綜合思索 環(huán)境污染較重，要思索改動吸風的條件；暖和潮濕的南方，要加強除水設(shè)備 ；加強消除油霧的污染緊縮機耗油，可采用無油光滑的往復(fù)式緊縮機；配備前置粗過濾器及空氣貯罐。緊縮空氣相對濕度=50%60%經(jīng)過過濾器為好?？諝膺^濾除菌流程的詳細要求：.空氣除菌系統(tǒng)：冷卻、分別油水、加熱、過濾幾種典型的設(shè)備流程 兩級冷卻、加熱除菌流程 冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程高效前置過濾空氣除菌流程將空氣冷卻至露點以上的流程利用熱空氣加熱冷空氣流程一次冷卻和析水的空氣過濾流程2.空氣除菌流程的分析.1. 原理：除塵(外源空氣的前處置)：防塞，提高過濾效率和濾器壽命； 措施：建吸風塔、粗過濾器

17、布袋過濾器、填料過濾器、油浴洗滌和水霧除塵安裝等、高效前置過濾器降溫：防燒傷介質(zhì)及水分蒸發(fā)嚴重，對發(fā)酵不利除油、除水：防塞因油膜堵，防止過濾器長菌堵塞因水滴加熱：堅持相對濕度穩(wěn)壓：防止壓力動搖，貯罐 2. 預(yù)處置流程設(shè)計的簡繁關(guān)鍵：去濕問題三空氣預(yù)處置.1-粗過濾器；2-空壓機；3-貯罐；4，6-冷卻器；5-旋風分別器；7-絲網(wǎng)分別器；8-加熱器；9-過濾器 兩級冷卻、加熱除菌流程圖.1-粗過濾器；2-緊縮機；3-貯罐；4-冷卻器；5-絲網(wǎng)分別器；6-過濾器 冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程圖 . 利用熱空氣加熱冷空氣的流程表示圖1-高空采風；2-粗過濾器；3-緊縮機；4-熱交換器；5-冷卻器；

18、6，7-析水器；8-空氣總過濾器；9-空氣分過濾器.1高空采風；2粗過濾器；3緊縮機；4冷卻器；5冷卻器；6空氣總過濾器；7空氣分過濾器將空氣冷卻至露點以上的流程.1高效前置過濾器；2緊縮機；3貯罐；4冷卻器；5絲網(wǎng)分別器；6加熱器；7過濾器高效前置過濾空氣除菌流程圖.1高空采風；2粗過濾器；3緊縮機；4冷卻器；5，6析水器；7貯罐；8加熱器；9空氣總過濾器；10空氣分過濾器一次冷卻和析水的空氣過濾流程表示圖.空氣的緊縮過程可看作絕熱過程，故緊縮后的空氣溫度與被緊縮的程度有關(guān)： T2=T1(P2/P1)(k-1)/k 式中 T1,T2緊縮前后空氣的絕對溫度，K P1,P2 緊縮前后空氣的絕對壓

19、強，Pa k絕熱指數(shù)，空氣為1.4 假設(shè)緊縮為多變過程，那么可用多變指數(shù)m對于 空氣m=1.2-1.3替代絕熱指數(shù)k?？諝饩o縮和緊縮空氣的冷卻.例4-1：20oC的大氣被緊縮至表壓 2.5kg/cm2時溫度是多少？ 解：T1=20+273=293k P2/P1=2.5+1.033/1.033=3.42 m=1.3 T2=T1(P2/P1)(m-1)/m=2933.420.3/1.3=389k t2=389-273=116oC.絕對濕度：1m3 濕空氣中含有的水蒸氣絕對量(kg)相對濕度：空氣的絕對濕度與同溫度下飽和絕對濕度之比值或者空氣中水蒸汽分壓與同溫度時的飽和水蒸汽壓之比值，稱為空氣的相對

20、濕度。 =Pw/Ps 式中：Pw空氣中水蒸氣分壓， Pa Ps同溫度下水的飽和蒸氣壓，Pa空氣的濕含量X：1kg干空氣中含有的水汽量 kg/kg干空氣3. 幾個與濕空氣相關(guān)的重要概念. 設(shè)Gg kg干空氣中含Gw kg水蒸汽時，那么 X=Gw/Gg 又Pw/Pg=nw/ng=(Gw/Mw)/(Gg/Mg) =(Gw/Gg)(Mg/Mw) Mw，Mg為水和空氣分子量， P= Pw+Pg X=Gw/Gg=(PwMw)/(PgMg)=(18/28.94)(Pw/Pg) X=0.622Pw/(P-Pw) 4-24空氣的濕含量X.將Ps=Pw代入式4-1中得 X=0.622Ps/P-Ps 式4-25所以

21、，知某一溫度T時值，便可求得X。 當X一定時，T1T2，導致12 ，那么X1=0.6221Ps1/(P1-1Ps1)X2=0.6222Ps2/(P2-2Ps2)X1=X2 2=1(PS1/PS2)(P2/P1) 式4-261與X的關(guān)系.當X發(fā)生變化，即有水析出時，X降低，此時 2=100%， 定義：當=1時，空氣中水蒸氣已飽和，此時溫度稱為露點Td。當TP1) 緊縮比 愈大，露點愈高思索題答案：Ps同溫度下水的飽和蒸氣壓，Pa.設(shè)析出水后，在升溫階段X=0，可以求出析水后應(yīng)升溫到多少度才干滿足相對濕度堅持50-60%？根據(jù)式4-26 后= dPsd/Ps后 Ps后= dPsd/ 后 Ps后T后

22、加熱后空氣的溫度.四空氣預(yù)處置流程設(shè)計.例4-2：溫度20、=85%的空氣，當緊縮至2.0kg/cm2時，溫度為120，求此時空氣相對濕度是多少？假設(shè)在壓力不變的情況下將溫度冷卻至40后，求相對濕度又是多少？ 知：20時，Ps1=0.0238 kg/cm2, 120時，Ps2=2.025 kg/cm2 ，40時，Ps3=0.0752 kg/cm2 解：120時，相對濕度為 40時，相對濕度為.例4-3：假設(shè)將例4中空氣繼續(xù)冷卻，至水析出，求露點td？假定壓力不變 解：知4100%，X一定，P一定由所以查蒸汽壓表，0.059 kg/cm2飽和蒸汽壓對應(yīng)溫度td35。所以，當t35，繼續(xù)冷卻時，有

23、水析出。 .例4-4：假設(shè)將例5中的空氣冷卻至28壓力不變，求其濕含量為多少？并求每公斤干空氣將析出多少水分？知：28時，Ps50.0385 kg/cm2解： 而最初 所以，每公斤干空氣將析出水分： XX1-X50.0124-0.00800.0044水.例4-5：假設(shè)將例6中空氣加熱至38 時，求其6？ 38 時，Ps60.0675 kg/cm2解：升溫時X不變，56時值下降 也可根據(jù)X6X50.0080 不變，由 得.棉花玻璃纖維活性炭 超細玻璃纖維紙 石棉濾板 燒結(jié)資料過濾介質(zhì) 新型過濾介質(zhì) 五空氣過濾介質(zhì).深層棉花、活性炭過濾器的構(gòu)造 .燒結(jié)資料類介質(zhì) 燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料等.新

24、型過濾介質(zhì).六空氣過濾除菌原理.按照過濾除菌機理不同，過濾除菌分為：1、絕對過濾：塵?；騇直徑過濾介質(zhì)孔徑2、相對過濾：塵?；騇直徑過濾介質(zhì)孔徑 這種相對過濾又稱為深層介質(zhì)過濾?？諝膺^濾除菌的原理 1. 布朗分散作用 2. 攔截作用 4. 重力沉降 3. 慣性碰撞 5. 靜電吸引. 當氣流速度較大時，慣性撞擊起主要作用， 除菌效率隨氣流速度添加而上升 當氣流速度較小時，布朗分散起主要作用， 除菌效率隨氣流速度添加而降低 當氣流速度中等時，攔截起主要作用 當氣流速度過大時，已被捕集的微粒又被湍動的氣流夾帶前往氣流中，除菌效率下降.減少進口空氣的含菌數(shù)量； 主要方法：正確選擇進風口；提高進口空氣的采氣位置；采用粗過濾預(yù)處置。 設(shè)計和安裝合理的空氣過濾器，選用除菌效率高的過濾介質(zhì)。針對不同地域，設(shè)計合理的空氣預(yù)處置工藝流程，以到達除油、水和雜質(zhì)的目的 。七提高過濾除菌效率的措施.降低進入空氣過