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1、2、培养基准备及培养基的灭菌设备培养基的灭菌培养基的灭菌n灭菌灭菌：利用物理或化学方法杀灭或除去：利用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中一切有生命物质的过程。物料及设备中一切有生命物质的过程。发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染杂菌，则会导致：杂菌，则会导致：基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降；下降；产物的提取或分离困难，造成收率降低或使产品的产物的提取或分离困难，造成收率降低或使产品的质量下降；质量下降；改变反应介质的改变反应介质的pH，使生物反应发生变化；，使生物反应发生变化；分解产物，使生
2、产过程失败；分解产物，使生产过程失败；发生噬菌体污染，使生产过程失败。发生噬菌体污染，使生产过程失败。n对大部分微生物的培养，均需严格的灭菌。对大部分微生物的培养，均需严格的灭菌。灭菌方法灭菌方法n 常用的灭菌方法有：常用的灭菌方法有：n（1）化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、）化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、高锰酸钾、环氧乙烷等；高锰酸钾、环氧乙烷等；n（2）射线灭菌：）射线灭菌：x-射线射线、-射线射线、紫外线；紫外线；n（3）干热灭菌；）干热灭菌；n（4）湿热灭菌；）湿热灭菌；n（5）过滤除菌）过滤除菌n对于液体培养基，我国仍采用蒸汽加热对于液体培养基，我国仍采用蒸汽加热灭菌的较多。灭
3、菌的较多。液体培养基的制备及杀菌设备微生物的受热死灭过程属于一级反应，所以：上式积分：得：l 对数残留公式与理论灭菌时间n 培养基热灭菌的动力学液体培养基的制备及杀菌设备将上式代入，得：n 培养基热灭菌的动力学l 灭菌温度与菌死亡的反应速率常数的关系 培养基热灭菌的动力学液体培养基的制备及杀菌设备 细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能细菌死亡(kJ/mol)酶、蛋白质或维生素破坏葡萄糖破坏活化能E4.187(50100)4.187(226)4.18724 可见，细胞死亡的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能大得多，所以细菌的死亡速率要比营养成分的破坏速率快得多。采用湿热法对液体培养基进
4、行灭菌时，采用高温短时间的灭菌方法，以减少营养成分的破坏。培养基及发酵设备的灭菌 分批灭菌（实罐灭菌或实消）分批灭菌（实罐灭菌或实消）空罐灭菌（空消）空罐灭菌（空消）连续灭菌（连消）连续灭菌（连消）过滤器及管道灭菌过滤器及管道灭菌（一）实罐灭菌的计算（一）实罐灭菌的计算n又称：间歇灭菌、分批灭菌、实消又称：间歇灭菌、分批灭菌、实消n将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，又称分批灭菌。度，然后接种发酵，又称分批灭菌。分批灭菌（实罐灭菌）要保证分批灭菌的成功，
5、必须有：1.内部结构合理，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐；2.压力稳定的蒸汽；3.合理的操作方法。1实罐灭菌前的准备n 为了保证灭菌的成功，在实罐灭菌为了保证灭菌的成功，在实罐灭菌前，除培养基配制要注意溶解均一，前，除培养基配制要注意溶解均一，不要含有结块、结团物或异物外，不要含有结块、结团物或异物外，检查发酵罐的严密性尤为重要，特检查发酵罐的严密性尤为重要，特别要检查与发酵罐直接相连的阀门别要检查与发酵罐直接相连的阀门的严密性。的严密性。2实罐灭菌操作过程 n根据实罐灭菌过程，用表压根据实罐灭菌过程，用表压0.30.30.4MPa0.4MPa的饱和蒸汽把培养基先的饱和蒸汽把培养基
6、先加热升温到灭菌温度，保温维持加热升温到灭菌温度，保温维持一段时间，再冷却降温到发酵温一段时间，再冷却降温到发酵温度。度。实罐灭菌操作过程 升温阶段升温阶段保温阶段保温阶段培养基冷培养基冷却阶段却阶段实罐灭菌过程中要牢记：n凡是与培养基接触的管道都凡是与培养基接触的管道都要要进蒸汽进蒸汽，n凡是不与培养基接触的管道凡是不与培养基接触的管道都要都要排汽排汽。实罐灭菌的质量优劣判别标准n培养基灭菌后达到无菌要求；培养基灭菌后达到无菌要求；n营养成分破坏少；营养成分破坏少；n灭菌后培养基体积与计料体积相灭菌后培养基体积与计料体积相符；符；n泡沫要少。泡沫要少。n在高温灭菌时糖类物质容易被破坏在高温灭
7、菌时糖类物质容易被破坏且易和有机氮源相结合，并产生氨且易和有机氮源相结合，并产生氨基糖，而对微生物会产生一定的毒基糖，而对微生物会产生一定的毒性，严重时将会抑制微生物的生长性，严重时将会抑制微生物的生长发育，破坏整个发酵代谢过程。发育，破坏整个发酵代谢过程。特别注意3培养基实罐灭菌时间的计算n在工业化发酵生产中通常不考虑培养在工业化发酵生产中通常不考虑培养基由室温升至基由室温升至121121和由和由121121冷却到冷却到发酵培养温度这两个阶段的灭菌效应，发酵培养温度这两个阶段的灭菌效应，只是把保温维持阶段看作是培养基实只是把保温维持阶段看作是培养基实罐灭菌的时间。罐灭菌的时间。培养基实罐灭菌
8、时间的计算培养基实罐灭菌时间的计算n发酵罐体积在发酵罐体积在40m40m3 3以下，可以不考虑加热以下，可以不考虑加热升温阶段的灭菌效应，这样可以避免复杂升温阶段的灭菌效应，这样可以避免复杂的变温灭菌过程的计算。的变温灭菌过程的计算。n在灭菌操作时不要人为地再延长灭菌时间在灭菌操作时不要人为地再延长灭菌时间作为安全系数，这样会导致培养基营养成作为安全系数，这样会导致培养基营养成分破坏过大。分破坏过大。分批灭菌（实罐灭菌）灭菌时间的计算灭菌时间的计算例：例：有一发酵罐，内装培养基40m3，在121的温度下进行实罐灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在121 时的灭菌速率常数为0.02
9、87s-1。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。解：解：若考虑加热升温阶段的灭菌效应若考虑加热升温阶段的灭菌效应n升温阶段升温阶段n培养基升温至T2时菌的总数由N0减少至NP培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n升温阶段间接加热培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n升温阶段培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n升温阶段直接加热培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n保温阶段培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n保温阶段培养基实罐灭菌过程
10、的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n冷却阶段冷却水流量的计算冷却时间的计算冷却时间的计算（二）连续灭菌的设备及计算（二）连续灭菌的设备及计算n将配制好的培养基在向发酵罐等将配制好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行灭菌。保温和冷却而进行灭菌。n工厂里也称工厂里也称连消连消。连续灭菌流程的优点连续灭菌流程的优点 （1）提高产量，设备利用率高。）提高产量，设备利用率高。（2）与分批灭菌比较，培养液受热时间短，）与分批灭菌比较，培养液受热时间短，培养基中营养成分破坏较少。培养基中营养成分破坏较少。（3）产品质量较易控制；蒸汽负荷均衡，）产品
11、质量较易控制；蒸汽负荷均衡，操作方便。操作方便。（4）降低了劳动强度，适用于自动控制。）降低了劳动强度，适用于自动控制。连续灭菌系统设备连续灭菌系统设备培养基连续灭菌系统设备由培养基连续灭菌系统设备由配料罐（池）、送料泵、预热罐、配料罐（池）、送料泵、预热罐、连消泵、加热器、维持罐和冷却连消泵、加热器、维持罐和冷却器器7 7个关键设备组成个关键设备组成 连续灭菌系统设备流程连续灭菌系统设备流程 灭菌时间的计算灭菌时间的计算例：例：有一发酵罐，内装培养基40m2，在131的温度下进行连续灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在131 时的灭菌速率常数为0.25s-1。试求灭菌失败的机率
12、为0.001所需的时间。解：解：连续灭菌流程连续灭菌系统设备连续灭菌系统设备1 1、配料罐：、配料罐：用于培养基的配制用于培养基的配制2 2、预热罐：、预热罐：定容和预热定容和预热n预热目的：预热目的：使培养基在后续的加热使培养基在后续的加热过程中能快速升温到指定的灭菌温过程中能快速升温到指定的灭菌温度，同时避免过多的蒸馏水进入培度，同时避免过多的蒸馏水进入培养基，减少震动和噪声。养基，减少震动和噪声。3.3.连消泵连消泵n输送培养基的泵一般可采用离心泵、旋涡泵、往输送培养基的泵一般可采用离心泵、旋涡泵、往复泵等。复泵等。n连续灭菌系统要求流量稳定，故目前比较理想的连续灭菌系统要求流量稳定，故
13、目前比较理想的连消泵是螺条泵。连消泵是螺条泵。4、加热器n目的：目的：使培养基在较短的时间使培养基在较短的时间（202030s30s）快速升温。）快速升温。n目前加热器使用得最广泛的加热目前加热器使用得最广泛的加热器有器有塔式加热器塔式加热器和和喷射式加热器喷射式加热器。塔式加热器 又称连消塔、连消又称连消塔、连消器，这是一种器，这是一种汽液汽液混合型混合型加热装置加热装置 塔式加热器的设计a a加热蒸汽的用量：加热蒸汽的用量：b b塔式加热器蒸汽导入管径塔式加热器蒸汽导入管径 c.加热塔塔身内径 d加热塔有效塔高 H=m=0.1 e蒸汽导入管上的开孔与小孔数 n蒸汽导入管的小孔与管壁的夹角呈
14、蒸汽导入管的小孔与管壁的夹角呈4545o o，小孔直径可取小孔直径可取5 58mm8mm。n小孔总面积小孔总面积=蒸汽导入管截面积的蒸汽导入管截面积的8080100100（2）喷射式加热器 喷射式加热器的特点是蒸汽和物料密切喷射式加热器的特点是蒸汽和物料密切混合、加热在瞬间内完成。混合、加热在瞬间内完成。1.喷嘴喷嘴 2.吸入口吸入口 3.吸入室吸入室 4.混合喷嘴混合喷嘴 5.混合段混合段 6.扩大管扩大管喷射式加热器混合式连消塔混合式连消塔 连连消消加加热热器器 喷射式加热器的计算设计 n喷射式加热器设计中，喷射式加热器设计中，喷嘴喷嘴的设计是关的设计是关键。键。n根据物料流量计算出喷嘴直
15、径后，按比根据物料流量计算出喷嘴直径后，按比例确定其他各部尺寸。例确定其他各部尺寸。n喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于10mm10mm。n延长延长混合段混合段的长度有利于蒸汽与物料的的长度有利于蒸汽与物料的混合。混合。喷射式加热器的计算设计 a a加热塔内物料流量加热塔内物料流量b b连消塔的容积连消塔的容积 V=（VmVS）5.保温设备（维持设备）目的：目的：将培养基维持灭菌温度将培养基维持灭菌温度一段时间，是杀灭微生物的主一段时间，是杀灭微生物的主要过程。要过程。（1）维持罐（2）管式维持器 n可克服维持设备中物料的返混现象。可克服维持设备中物料的返混现
16、象。n管式维持器外形酷似喷淋换热器，外壁包裹管式维持器外形酷似喷淋换热器，外壁包裹保温层。保温层。n管式维持器的长度与管径由保温灭菌时间及管式维持器的长度与管径由保温灭菌时间及培养基的流量确定。培养基的流量确定。n培养基在管式维持器中的流速可取培养基在管式维持器中的流速可取0.30.30.6m/s0.6m/s，要保证培养基在管式维持器中流动，要保证培养基在管式维持器中流动处于活塞流状态。处于活塞流状态。（3）维持设备的计算与设计 维持罐的计算与设计维持罐的计算与设计 a a维持罐要做得瘦长些，一般取维持罐要做得瘦长些，一般取 H/D=2.0H/D=2.02.52.5最佳。设备外壁要有保温最佳。设备外壁要有保温层。层。b b物料在维持罐中物料在维持罐中停留的时间停留的时间：根据计算：根据计算得到的理论灭菌时间得到的理论灭菌时间（3 35 5）倍。在）倍。在设计中一般取设计中一般取3 3倍。倍。维持罐的计算与设计维持罐的计算与设计c c维持罐容积维持罐容积 管式维持器的计算与设计管式维持器的计算与设计 a a要使培养基在管道内处于要使培养基在管道内处于平推流平推流（或称（或称活塞流活塞流）
