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1、1发酵培养基超高温连续灭菌发酵培养基超高温连续灭菌 新技术与新设备新技术与新设备河北科技大学生物科学与工程学院徐亲民石 家 庄 吉 瑞 节 能 技 术 有 限 公 司联系电话： 0311-68058351，13513370405 E-mail：q_ 2015年3月2湿热灭菌原理 利用高温和高湿，将热量传递给微生物，使其 蛋白质变性、凝固，不可逆地失去功能，从而 杀死微生物。 水蒸汽的潜热大，穿透力强，在冷凝时能释放 大量热量，使被灭菌物体迅速升温，因而灭菌 效果大大优于干热灭菌和其他灭菌方法。在一大气压下，1 L 100的沸水冷却至室温(25) 释放的热量是75 kCal，而1 kg 100的
2、蒸汽凝结成 1 L 100的水释放的的热量是540 kCal。蒸汽在被灭菌物体表面冷凝造成负压，吸引更多 的蒸汽进入，从而产生较大的穿透力并使被灭菌 物体迅速升温。3微生物的一级热死动力学d dNkNt= = 0 0ln ktNktNN eN = =或= =或式中，N0为灭菌前的活细胞数，N为灭菌t时间后的 残存活细胞数，k为与温度相关的比热死速率常数。 以上公式适用于微生物营养细胞的热死过程。积分得对数残存方程式：4嗜热脂肪芽孢杆菌的热死曲线 直角坐标survivorstime1,000,000800,000600,000400,000200,0000e.g. moist heat at 1
3、34Bacillus stearothermophilus湿热灭菌原理5嗜热脂肪芽孢杆菌的热死曲线 对数坐标survivorstime106105104103102100e.g. moist heat at 134CBacillus stearothermophilus101湿热灭菌原理6比热死速率常数k k 随温度而变化 (服从阿累尼乌斯 方程式)比热死速率常数与灭菌温度的关系0.010.11100.002520.002540.002560.002580.002600.002620.002640.002660.00268 1/T(1/k)k(min-1)/E RTkAe= =式中，A经验常数
4、 E热死活化能 R气体常数 T绝对温度7比热死速率常数k的测定ln kT 1(K 1)tg= E/R在上述阿累尼乌斯 方程式两边取对数， 得由此可作图得右图 直线，其斜率为 E/R，截距为 ln A。01lnlnEkkR T=k08十进热死时间D十进热死时间D使活细胞数量减少 90%所需的受热时间，代表细胞对热的抵 抗力大小。由可得则0ktNN e = =010kDNeN=ln102.303Dkk=湿热灭菌原理9Z值Z值使十进热死时间D延长或缩短十 倍所需降低或提高的温度，从另一角度 代表细胞对热的抵抗力大小。12 12 21log(/)TTZTTDD=式中，D2/ D1= 10，T1和T2分
5、别为对应于十进热 死时间D1和D2的灭菌温度。湿热灭菌原理10一些微生物的热死动力学参数E11某些微生物和营养物质的活化能微生物E(kJ/mol) 营养物质 E(kJ/mol)枯草杆菌芽孢318.19叶酸70.35嗜热脂肪芽孢 杆菌芽孢283.46维生素B192.11维生素B298.70维生素B1296.70葡萄糖100.4912等效灭菌原理 依据上述原理，可以推导出：在达到与121、30min同样灭 菌效果的前提下，灭菌温度与所需灭菌时间及营养破坏率呈 以下曲线关系微生物以嗜热脂肪芽胞杆菌为代表(Z=10)，营 养素以维生素B1为代表(E=92.11)；T的单位为K。012345678910
6、1112131415161718192021222324252627282930121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 灭菌温度T()灭菌时间t(min)0102030405060708090营养破坏率Y(%)ZT t =394 1030%1002= RTE eAY13历来发酵培养基的灭菌方法 实罐灭菌：发酵罐与培养基一同用高压 蒸汽进行灭菌的方法，又称原位灭菌。 连续灭菌：先用高压蒸汽进行发酵罐
7、空 罐灭菌，然后在发酵罐外用高压蒸汽在 流动状态下对培养基进行连续灭菌给料 的方法，又称离位在线灭菌。 通用灭菌控制参数：前者为121、30 min；后者为130145、10 s5 min。14历来的连续灭菌技术配料罐打料泵过滤器加热塔蒸汽维持罐冷却盘管喷淋器至发酵罐15历来 连续 灭菌 技术 的加 热塔 结构41、进汽内管 42、进料外管 43、进料口 44、出料口 45、喷汽尖管16改进型连续灭菌蒸汽喷射加热器(一)1、调节阀2、调节阀杆3、内管4、调节阀芯5、外管17改进型连续灭菌蒸汽喷射加热器（二）18历来两种灭菌技术的优缺点比较优点缺点 实 罐 灭 菌温度较易控制，控制精 度要求不高
8、在高温下维持时间长， 营养破坏严重 不需要另外增加设备， 投资省发酵罐占用时间长，设 备利用率低 对蒸汽压力要求不高有较长时间耗汽高峰， 造成蒸汽压力波动大 连 续 灭 菌高温短时间，灭菌效果 好，营养破坏少温度较难控制，控制精 度要求高 缩短发酵罐占用时间， 提高设备利用率增加装备成本耗汽均匀，无明显高峰要求较高蒸汽压力19历来连续灭菌技术的缺点 使用高压蒸汽使其不能在培养基中全部冷凝，不 仅乏汽排放量大，造成大量蒸汽潜热的浪费，而 且培养基容易局部过热； 培养基与蒸汽接触瞬间由于过热而形成颗粒状焦 煳块，容易堵塞喷射口，并在喷射器和维持罐内 壁形成料垢，不易清理，造成染菌隐患； 维持罐容易
9、发生返混现象，不能确保灭菌物料先 进先出、后进后出，为了确保灭菌彻底，必须延 长维持时间，造成物料营养成分的破坏； 冷却水消耗量大，且在冷却盘管外部极易形成水 垢，降低传热效果； 环境散热大、震动大、噪音大，操作条件恶劣。20历来实罐灭菌技术的缺点 发酵罐加热、灭菌、冷却占用的时间长(一般需 要24 h)，降低发酵罐利用率和产量； 培养基受热时间长，灭菌后色泽显著加深，营养 成分破坏严重； 乏汽排放量大，不但造成蒸汽热能的浪费，而且 带走一些挥发性营养成分，并污染大气； 蒸汽消耗不均衡，高峰突出，高峰期长，对锅炉 负载造成很大的冲击，需要较大的锅炉容量； 操作复杂，容易产生差错，造成染菌隐患；
10、 长时间在发酵罐内的高温冷却加速夹套或盘管内 水垢的积聚，不断降低传热效率； 冷凝水多，发酵培养基灭菌后体积难以控制。 加热过程震动大，影响厂房和设备寿命。21两种历来灭菌技术的共同缺点 培养基需要预热，而预热往往采用间壁加热方 式，容易在壁面形成煳垢，既降低传热效果， 又容易产生染菌隐患。 由于都没充分利用蒸汽潜热和热料的余热，故 蒸汽消耗量大，加上预热的蒸汽消耗，每灭菌 100吨培养基需要蒸汽30吨左右。 乏汽的排放造成挥发性营养物质的丢失和环境 的污染。22两种历来灭菌技术蒸汽消耗量比较 从理论上讲，连续灭菌加热温度较高、维持时间 较短，实罐灭菌加热温度较低、维持时间较长， 而罐体灭菌的
11、温度和维持时间是相同的（只不过 一个是分开灭菌，一个是一体灭菌），因此两者 的蒸汽消耗应该相当。 实际上，由于一般操作工在连续灭菌的空罐灭菌 阶段乏汽排放量要大于实罐灭菌，故连续灭菌的 总体蒸汽消耗量大于实罐灭菌。 这也是相当一部分工厂舍弃连续灭菌，采用实罐 灭菌的重要原因。23连续灭菌技术的改进 利用部分余热上世纪八十年代的教科书上，已有将部 分余热加以利用的连续灭菌新工艺（见 下页图），但由于设备设计、制作的困 难，直到大约十年前才开始商业化及应 用，应用的效果却不尽人意。这一改进型灭菌系统比传统的灭菌系统 节省蒸汽20%40%左右。24利用部分余热的连续灭菌示意图25利用部分余热连续灭菌
12、系统的缺点采用的板式热交换器存在不流动和存料死角， 有些通道易发生堵塞，需要经常拆洗，增加 了操作的麻烦和染菌的风险； 管道维持虽然不再产生前后返混的现象，但 流动阻力大，散热面积大，不易保温，清洗 困难； 板式热交换器板与板之间的密封面很容易发 生串料和串水，是染菌的重大隐患； 余热没有被全部回收利用。 仍然需要高压蒸汽进行加热，仍然有部分乏 汽排放和挥发性营养物质的流失。26灭菌蒸汽消耗量的估算 无论是直接蒸汽实罐灭菌还是直接蒸汽连续灭 菌，其蒸汽消耗量都可以由灭菌后培养基体积 的增加（即冷凝水量）来估算。 如果没有任何乏汽排放，则冷凝水量就是蒸汽 消耗量。 原位实罐灭菌不可避免会有乏汽排
13、放，则蒸汽 消耗量应在冷凝水量的基础上增加10%15% 左右（随排汽点多少和阀门开启大小不同而异） 的乏汽排放量。 如果灭菌前将培养基预热，则还应加上预热的 蒸汽消耗。27灭菌蒸汽实际消耗现状 由于有大量乏汽的排放和散热损失，大多数生物 发酵厂家连续灭菌将1 t培养基由25加热到140 或实罐灭菌由25加热到121的实际饱和蒸汽消 耗分别为0.25 t和0.22 t左右，加上罐体加热和保温 维持，总饱和蒸汽消耗均在0.270.3 t，其中15% 左右作为乏汽排放掉了，70%左右作为余热浪费 掉了，其余为散热损失，总浪费率达90%左右。 挽回这90%的蒸汽损耗，是设计本连续灭菌系统 的目的。 注
14、：如果厂家使用的是过热蒸汽，由于其显热较大， 实际蒸汽消耗量可能要小于以上估计值。28新型超节能超高温连续灭菌系统 下面着重介绍由本人设计、石家庄吉瑞 节能技术有限公司制造的一种几乎完全几乎完全 利用蒸汽潜热加热、余热几乎完全几乎完全回收 利用的变频控制超节能超高温培养基全 自动连续灭菌系统。29设计背景设计背景 发酵产品的蒸汽成本约占直接生产成本的7% 12%，其中约75%80%消耗于培养基灭菌。 蒸汽是绝大多数动力（包括电力）之源。 我国的工业用蒸汽绝大多数来源于煤炭的燃烧， 造成严重的大气雾霾污染。 随着一次能源价格的增长，作为二次能源的蒸汽 价格也不断增长。与20年前相比，增长率超过
15、150%。 培养基灭菌过程中蒸汽的潜热和物料的余热没有 得到充分利用，有很大的节能潜力。 灭菌过程有大量乏汽排放，造成挥发性营养物质 的损失和环境污染。30节能原理（一） 假设我们利用的是0.33 MPa的饱和蒸汽，料液物理 性质与水相似，其起始温度为25，灭菌温度为 140，冷却温度35。查饱和水蒸气表，获得以下 数据：物料 饱和蒸气压(MPa) 温度() 比焓(kJ/kg) 汽化潜热(kJ/kg) 蒸汽0.33146.22740.92124.9 蒸汽0.2621402733.12143.8 水0.262140589.22143.8 水0.103121508.02199.4 水35146.5 水25104.831节能原理（二）由上表数据可知： 1 kg 0.33 MPa (146.2)的饱和蒸汽冷却到140所 释放的热量为 2740.9-2733.1=7.8 kJ/kg。 140的饱和蒸汽等温绝热压缩成140的高温饱和 水所释放的潜热为2143.8 kJ/kg。 以上两项相加得2143.8+7.8= 2151.6 kJ/kg。 1 kg水由25加热到140需要热量589.2-104.8 = 484.4 kJ/kg，需消耗0.33 MPa的饱和蒸汽484.4/ 2151.6 = 0.225 kg/kg。 如果是实罐灭菌，不算罐体加热，假设没有乏汽排 放(即蒸汽潜热全部释放
