第3章 滅菌與空氣凈化

第一次作業(yè)1、什么是發(fā)酵？什么是發(fā)酵工程？2、簡(jiǎn)述典型好氣性發(fā)酵的一般工藝流程第二次作業(yè)1、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？3、設(shè)計(jì)一個(gè)從自然界篩選產(chǎn)淀粉酶的高溫菌的實(shí)驗(yàn)方案，詳細(xì)說(shuō)明主要步驟。第三次作業(yè)1、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？第3章滅菌與空氣凈化3.1滅菌滅菌：用物理或化學(xué)方法殺死或除去物料或設(shè)備中所有微生物，包括營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞、細(xì)菌芽孢和孢子。消毒：用物理或化學(xué)方法殺死空氣、容器內(nèi)外及環(huán)境中的微生物，一般只能殺死營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞。除菌：用過(guò)濾的方法除去空氣或液體中的微生物及其孢子。3.1.1發(fā)酵工業(yè)常用的滅菌方法1、干熱滅菌法2、濕熱滅菌法3、射線滅菌法4、化學(xué)藥劑滅菌法5、過(guò)濾除菌法3.1.2濕熱滅菌原理1、微生物的熱阻致死溫度：殺死微生物的極限溫度致死時(shí)間：在致死溫度時(shí)，殺死全部微生物所需的時(shí)間熱阻：指微生物在某一特定條件（溫度和加熱方式）下的致死時(shí)間

表3-1幾種微生物對(duì)濕熱的相對(duì)抵抗力微生物名稱(chēng)大腸桿菌細(xì)菌芽孢霉菌孢子病毒相對(duì)抵抗力130000002～101～52、微生物的熱死規(guī)律——對(duì)數(shù)殘留定律實(shí)驗(yàn)證明，微生物營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的均相熱死滅動(dòng)力學(xué)符合化學(xué)反應(yīng)的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，即：

（1）N：任一時(shí)刻的殘留的活菌數(shù)（個(gè)）t：滅菌時(shí)間（min）K：反應(yīng)速率常數(shù)（min-1）取邊界條件t0=0，N=N0，對(duì)（1）積分得式中：N0為開(kāi)始滅菌時(shí)原有活菌數(shù)（個(gè)），

Nt為經(jīng)過(guò)t時(shí)間滅菌后的殘留菌數(shù)（個(gè)）

K為反應(yīng)速率常數(shù)（min-1）由上式可知滅菌時(shí)間取決于污染程度N0、滅菌程度Nt和K值。①一般只考慮細(xì)菌的芽孢作為計(jì)算依據(jù)。②如果要求達(dá)到徹底滅菌，即Nt＝0則所需滅菌時(shí)間t∞，這在實(shí)際生產(chǎn)上不可行。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)常采用Nt＝0.001，即在1000批次滅菌中有一次失敗。③反應(yīng)速率常數(shù)K是微生物耐熱性的一種特征，它隨微生物種類(lèi)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滅菌溫度下，K值不同。滅菌溫度越低，K值越?。粶缇鷾囟仍礁?，K值越大因此提高滅菌溫度，K值增大，滅菌時(shí)間顯著縮短。3.1.3培養(yǎng)基的滅菌1、培養(yǎng)基滅菌溫度和時(shí)間的選擇在化學(xué)反應(yīng)的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)類(lèi)型中，當(dāng)其他條件不變時(shí)，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系可用阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程表示：

由于雜菌死亡屬一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，大部分培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的破壞為一級(jí)分解反應(yīng)。在滅菌時(shí)，當(dāng)溫度由T1升到T2，滅菌速率常數(shù)K和培養(yǎng)基成分破壞速率常數(shù)K’都變化。滅菌速率常數(shù)K值在T1、T2時(shí)分別為：將兩式相除并取對(duì)數(shù)得：

(1)

同樣，滅菌時(shí)培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的破壞也可得類(lèi)似關(guān)系：

(2)將式（1）和式（2）相除得：由于殺死細(xì)菌芽孢的活化能E大于營(yíng)養(yǎng)成分破壞的活化能E‘，因此>，即隨溫度升高，滅菌速率常數(shù)增加的倍數(shù)大于營(yíng)養(yǎng)成分破壞速率常數(shù)增加的倍數(shù)，也就是說(shuō)溫度升高，雜菌死亡速率大于培養(yǎng)基成分破壞的速率。達(dá)到相同的滅菌效果，提高滅菌溫度可明顯縮短滅菌時(shí)間，并減少培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的破壞，這就是通常說(shuō)的“高溫短時(shí)滅菌法”。如將芽孢桿菌和維生素B2放在一起滅菌，當(dāng)溫度維持118℃加熱15min，可殺死99.99%的細(xì)菌芽孢，維生素B2破壞率為10%；而在120℃時(shí)加熱1.5min，細(xì)菌芽孢死亡率仍為99.99%，而維生素B2破壞率為5%。2、培養(yǎng)基的滅菌方法（1）分批滅菌也稱(chēng)實(shí)消、實(shí)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(guò)程。在發(fā)酵罐中進(jìn)行實(shí)罐滅菌，是典型的分批滅菌。全過(guò)程包括升溫、保溫、降溫三個(gè)過(guò)程。（2）連續(xù)滅菌也稱(chēng)連消，指培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外經(jīng)過(guò)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。

連續(xù)滅菌的流程有3種：（a)噴射加熱連續(xù)滅菌流程(b)噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程（c）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、片狀或粉狀，流動(dòng)性差不易翻動(dòng)，吸水加熱容易成團(tuán)，冷卻困難。針對(duì)這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓式滅菌機(jī)常用于酒廠、醬油廠。該設(shè)備能承受一定壓力，裝料后旋緊進(jìn)出口蓋，就如同密封容器。轉(zhuǎn)鼓以0.5～1r/min徐徐轉(zhuǎn)動(dòng)，培養(yǎng)基得到翻動(dòng)，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。滅菌完畢用真空泵沿空心軸抽真空，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壓力降低，培養(yǎng)基冷卻。3、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)優(yōu)點(diǎn)保留較多的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量容易放大較易自動(dòng)控制；糖受蒸汽的影響較少；縮短滅菌周期；在某些情況下，可使發(fā)酵罐的腐蝕減少；發(fā)酵罐利用率高；蒸汽負(fù)荷均勻。缺點(diǎn)設(shè)備比較復(fù)雜，投資較大。（2）分批滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)設(shè)備投資較少染菌的危險(xiǎn)性較小人工操作較方便對(duì)培養(yǎng)基中固體物質(zhì)含量較多時(shí)更為適宜缺點(diǎn)滅菌過(guò)程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負(fù)荷波動(dòng)大，一般只限于中小型發(fā)酵裝置。4、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類(lèi)、數(shù)量、滅菌時(shí)間和溫度外，培養(yǎng)基成分、pH值、培養(yǎng)基中顆粒、泡沫等對(duì)培養(yǎng)基滅菌也有影響。（1）培養(yǎng)基成分油脂，糖類(lèi)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(lèi)，色素等可削弱其耐熱性。（2）pH值培養(yǎng)基pH為6.0～8.0時(shí)，微生物耐熱性好，pH＜6.0時(shí)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)促使其死亡，所以培養(yǎng)基的pH值越低，滅菌所需時(shí)間越短。（3）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)培養(yǎng)基中有直徑大于1mm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，稱(chēng)為“滅菌不透”，應(yīng)過(guò)濾除去。（4）泡沫泡沫中的空氣形成隔熱層，使傳熱困難，熱難穿透過(guò)去殺滅微生物。（5）微生物細(xì)胞的含水量含水越多，微生物越易死亡（6）微生物細(xì)胞的菌齡菌齡越老則越不易死亡（7）空氣排除情況空氣排出越徹底，微生物越易死亡5、滅菌時(shí)間的計(jì)算（1）分批滅菌時(shí)間的計(jì)算【例3-1】

有一發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培養(yǎng)基，在121℃進(jìn)行實(shí)罐滅菌。原污染程度為每1mL有2×105個(gè)耐熱細(xì)菌芽孢，121℃時(shí)滅菌速率常數(shù)為1.8min－1。求滅菌失敗機(jī)率為0.001時(shí)所需的滅菌時(shí)間。有一發(fā)酵罐，內(nèi)裝80m3培養(yǎng)基，在121℃溫度下進(jìn)行實(shí)罐滅菌。設(shè)每毫升培養(yǎng)基中含有耐熱菌的芽孢數(shù)為1.25×107個(gè)，大腸桿菌為5×107個(gè)，霉菌為2.5×107個(gè)121℃時(shí)滅菌速率常數(shù)為0.0287s－1。試求滅菌失敗幾率為0.001時(shí)所需的滅菌時(shí)間。（2）連續(xù)滅菌時(shí)間的計(jì)算【例3-2】若將例3-1中的培養(yǎng)基采用連續(xù)滅菌，滅菌溫度為131℃，此溫度下滅菌速率常數(shù)為15min－1，求滅菌所需的維持時(shí)間。3.2空氣凈化一、空氣凈化的方法1加熱滅菌2靜電除塵3介質(zhì)過(guò)濾除菌二、空氣過(guò)濾除菌的原理和介質(zhì)按照過(guò)濾除菌機(jī)理不同，過(guò)濾除菌分為：絕對(duì)過(guò)濾：塵埃或M直徑＞過(guò)濾介質(zhì)孔徑相對(duì)過(guò)濾：塵?；騇直徑＜過(guò)濾介質(zhì)孔徑這種相對(duì)過(guò)濾又稱(chēng)為深層介質(zhì)過(guò)濾。1、空氣過(guò)濾除菌的原理（1）布朗擴(kuò)散作用（2）攔截作用（3）慣性碰撞（4）重力沉降（5）靜電吸引①當(dāng)氣流速度較大時(shí)，慣性撞擊起主要作用，除菌效率隨氣流速度增加而上升②當(dāng)氣流速度較小時(shí)，布朗擴(kuò)散起主要作用，除菌效率隨氣流速度增加而降低③當(dāng)氣流速度中等時(shí)，攔截起主要作用④當(dāng)氣流速度過(guò)大時(shí)，已被捕集的微粒又