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1、第五章培养基及设备的灭菌第一节 培养基灭菌的目的、要求培养基灭菌的目的、要求和方法和方法第二节第二节湿热灭菌的理论基础湿热灭菌的理论基础第三节第三节培养基灭菌的工程设计培养基灭菌的工程设计第一第一节培养基培养基灭菌的目的、要求和方菌的目的、要求和方法法 一、定义 1 1，培养基灭菌的定义，培养基灭菌的定义是指从培养基中杀灭有生活能力的细是指从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子，或从中将其除去。菌营养体及其孢子，或从中将其除去。工业规模的液体培养基灭菌，杀灭杂工业规模的液体培养基灭菌，杀灭杂菌比除去杂菌更为常用。菌比除去杂菌更为常用。2，灭菌与消毒的区别灭菌灭菌：用物理或化学方法杀死或除
2、去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子消毒消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。二、培养基灭菌的目的 1 1，在，在发酵酵过程中程中夹杂其它其它杂菌造成的后果：菌造成的后果：生生产菌和菌和杂菌同菌同时生生长，生，生产菌菌丧失生失生产能力；能力；在在连续发酵酵过程中，程中，杂菌的生菌的生长速度有速度有时会比生会比生产菌菌生生长得更快，得更快，结果使果使发酵罐中以酵罐中以杂菌菌为主；主；杂菌及其菌及其产生的物生的物质，使提取精制，使提取精制发生困生困难杂菌会降解目的菌会降解目的产物；物；杂菌会菌会污染最染最终产品；品；发酵酵时如如污染噬菌体，可使生染噬菌体，可使生产
3、菌菌发生溶菌生溶菌现象。象。2，工业上具体措施包括： 1）使用的培养基和使用的培养基和设备须经灭菌菌； 2）好氧培养中使用的空气应经除菌处理； 3）设备应严密，发酵罐维持正压环境； 4）培养培养过程中加入的物料程中加入的物料应经过灭菌菌； 5）使用无污染的纯粹种子。3，培养基，培养基灭菌的目的菌的目的杀灭培养基中的微生物，培养基中的微生物，为后后续发酵酵过程程创造无菌的条件。造无菌的条件。4，培养基，培养基灭菌的要求菌的要求达到要求的无菌程度（达到要求的无菌程度（1010-3-3）尽量减少营养成分的破坏，在灭菌过程尽量减少营养成分的破坏，在灭菌过程中，培养基组分的破坏，是由两个基本中，培养基组
4、分的破坏，是由两个基本类型的反应引起的：类型的反应引起的：p培养基中不同营养成分间的相互作用；培养基中不同营养成分间的相互作用；p对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等的对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等的分解分解。5，灭菌的方法菌的方法化学法化学法化学化学药品品灭菌法菌法:0.1%0.25%KMnO4溶液、溶液、0.5%1%漂白粉溶液、漂白粉溶液、75%酒精、酒精、0.25%新新洁尔灭、10%甲甲醛溶液、溶液、苯酚溶液、苯酚溶液、来来苏尔物理法物理法干干热灭菌法菌法: :进行干行干热灭菌菌时，微生物，微生物细胞胞发生氧生氧化，微生物体内蛋白化，微生物体内蛋白质变性和性和电解解质浓缩引引起中毒等作
5、用，其中氧化作用起中毒等作用，其中氧化作用导致微生物死致微生物死亡是主要依据。由于微生物亡是主要依据。由于微生物对干干热的耐受力的耐受力比比对湿湿热强得多，故干得多，故干热灭菌所需的温度要菌所需的温度要高，高，时间要要长，一般，一般160170，11.5h。实际应用用时，对一些要求保持干燥的一些要求保持干燥的实验器具和材料可以采用干器具和材料可以采用干热灭菌法。菌法。射射线灭菌法菌法以紫外以紫外线最常用。紫外最常用。紫外线对芽芽孢和和营养养细胞都胞都能起作用，但能起作用，但细菌芽菌芽孢和霉菌和霉菌孢子子对紫外紫外线的的抵抗力抵抗力强。紫外。紫外线的穿透力低，的穿透力低，仅适用于表面适用于表面灭
6、菌和无菌室、培养菌和无菌室、培养间等空等空间的的灭菌，且距照菌，且距照射物不超射物不超过1.2m；对固体物料固体物料灭菌不菌不彻底，也底，也不能用于液体物料的不能用于液体物料的灭菌。菌。过滤除菌法除菌法 利用过滤方法阻留微生物，也可达到除菌的利用过滤方法阻留微生物，也可达到除菌的目的，这就是过滤除菌法。目的，这就是过滤除菌法。 此法仅适用于澄清液体和气体的除此法仅适用于澄清液体和气体的除菌。工业上常用过滤法大量制备无菌空气，菌。工业上常用过滤法大量制备无菌空气，供好氧微生物培养过程使用。供好氧微生物培养过程使用。小颗粒的相对尺寸小颗粒的相对尺寸8.040人发直径裸眼可见最小颗粒花粉红细胞酵母和
7、真菌6.0100 mm806020105.0沙雷氏菌 假单胞菌 0.43.02.01.00.80.60.50.34.0 mm 湿湿热灭菌法菌法利用利用饱和蒸汽和蒸汽进行行灭菌的方法称菌的方法称为湿湿热灭菌法。由菌法。由于蒸汽有很于蒸汽有很强的穿透能力，湿的穿透能力，湿热灭菌菌对耐耐热芽芽孢杆杆菌来菌来说，温度升高，温度升高10时，灭菌速度常数可增加菌速度常数可增加810倍，倍，对营养养细胞更高。蒸汽来源方便，价格低胞更高。蒸汽来源方便，价格低廉，廉，灭菌效果可靠，是目前最菌效果可靠，是目前最为常用的常用的灭菌方法。菌方法。一般的湿一般的湿热灭菌条件菌条件为121，30min。1)，湿热灭菌的原
8、理 每一种微生物都有一定的最适生长温度范围。当微生物处于最低温度以下时，代谢作用几乎停止而处于休眠状态。当温度超过最高限度时，微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性，使微生物在很短时间内死亡，加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的。借助蒸汽释放的热能使微生物中的蛋白质,酶,核酸分子内部的化学键,特别是氢键受到破坏,引起不可逆的变性,使微生物死亡2)，湿，湿热灭菌中的相关定菌中的相关定义杀死微生物的极限温杀死微生物的极限温度称为度称为致死温度致死温度。在致死。在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间称为温度下，杀死全部微生物所需的时间称为致死致死时间时间；在致死温度以上，温度愈高，致死时
9、间；在致死温度以上，温度愈高，致死时间愈短。愈短。微生物的热阻微生物的热阻：是指微生物在某一特定条件是指微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间。（主要是温度和加热方式）下的致死时间。相相对热阻对热阻是指某一微生物在某条件下的致死时间是指某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。芽芽孢的的热阻特阻特别高的原因：高的原因：芽芽孢具有吡具有吡啶二二羧酸，能增酸，能增强对热抵抗力抵抗力芽芽孢厚而且厚而且结构致密，构致密，热不易透不易透过芽芽孢的游离水分少，蛋白的游离水分少，蛋白质含水含水量量较营养养细胞蛋白胞蛋白
10、质含水量低。含水量低。在在实际生生产中，由于不能完全了解中，由于不能完全了解杂菌的数量和菌的数量和类型，因此要以相型，因此要以相对热阻大的芽阻大的芽孢作作为灭菌的依据。菌的依据。各种微生物各种微生物对湿湿热的相的相对热阻阻微生物相对热阻营养细胞和酵母1.0细菌芽孢3106霉菌孢子210病毒和噬菌体153)，湿，湿热灭菌的菌的优缺点缺点优点点蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底；蒸汽有很大的潜热；蒸汽有很大的潜热；操作方便，易管理。操作方便，易管理。缺点缺点: :蒸汽直接加到培养基蒸汽直接加到培养基
11、, ,带来水分带来水分, ,细胞浓度细胞浓度发生变化发生变化, ,关键因素影响很大关键因素影响很大, ,蒸汽量算进去蒸汽量算进去 , ,怕湿的怕湿的 不能不能, ,碳酸钙变成氧化钙碳酸钙变成氧化钙, ,不能同时不能同时 加加进去进去 . .尿素灭菌与培养基的灭菌不同尿素灭菌与培养基的灭菌不同 . .物料的物料的不同灭菌要求不同灭菌要求 第二节 湿热灭菌的理论基础 一、培养基湿一、培养基湿热灭菌需解决的工程菌需解决的工程问题将培养基中的杂菌总数将培养基中的杂菌总数N N0 0杀灭到可以接受的总杀灭到可以接受的总数数N N（1010-3-3），需要多高的温度、多长的时间为），需要多高的温度、多长的
12、时间为合理。合理。灭菌温度和时间的确定取决于：灭菌温度和时间的确定取决于：杂菌孢子的热灭死动力学杂菌孢子的热灭死动力学反应器的形式和操作方式反应器的形式和操作方式培养基中有效成分受热破坏的可接受范围培养基中有效成分受热破坏的可接受范围二、微生物的热死灭动力学方程实验证明，微生物营养细胞的均相热死灭动力学实验证明，微生物营养细胞的均相热死灭动力学符合化学反应的一级反应动力学，即：符合化学反应的一级反应动力学，即： （1 1） N N：任一时刻的活细菌浓度（个：任一时刻的活细菌浓度（个/L/L） t t：时间（：时间（minmin） K K：比热死速率常数（：比热死速率常数（minmin-1-1）
13、100时不同时间活菌的存活数时间时间存活数存活数时间时间存活数存活数0910715110661.21072021057810625210495106300113106取边界条件t0=0，N=N0，对（1）积分得 （2）或 （3）同一微生物,温度不同k不 同,一般温度月底,k越小,温度高,k值大相同温度下,k越小越耐热,121下细菌芽孢的k为1min,营养细胞10-1010实验还证明，细菌孢子的热杀灭动力学与营养实验还证明，细菌孢子的热杀灭动力学与营养细胞的有所不同。它表现为非对数的死亡动力细胞的有所不同。它表现为非对数的死亡动力学。这可能与孢子壁的化学成分及结构有关。学。这可能与孢子壁的化学成
14、分及结构有关。但当温度超过但当温度超过120120C C时，热阻极强的嗜热脂肪时，热阻极强的嗜热脂肪芽孢杆菌孢子的热杀灭动力学也接近对数死亡芽孢杆菌孢子的热杀灭动力学也接近对数死亡动力学即符合一级反应规律。动力学即符合一级反应规律。三、温度对K的影响(灭菌温度的选择)微生物的热死灭动力学接近一级反应动力学它的比热死灭速率常数K与灭菌温度T的关系可用阿累尼乌斯方程表征 （4） A：频率因子（min-1）E：活化能（J/mol） R：通用气体常数J/（）从（4）可以看出：活化能E的大小对K值有重大影响。其它条件相同时， E越高，K越低，热死速率越慢。不同菌的孢子的热死灭反应E可能各不相同。对（4）
15、两边取对数，得（5） K是E和T的函数，K的对T的变化率与有关，对（5）两边取 T的导数，得（6）（4）（5）1/TK（min-1）K是E和T的函数，K对T的变化率与E有关由（6）可得出结论： 反应的E越高，lnK对T的变化率越大，即T的变化对K的影响越大（6）培养基成份受热破坏的化学分解反应也符合灭菌过程中,当温度变化时,活菌死亡动力学常数k和培养基成分 破坏速度常数 k都变化,温度 由T1升高到 T2,K分别为微生物的灭菌两式相除并取对数得培养基成分的破坏也有类似关系两式相除试验表明，细菌孢子热死灭反应的试验表明，细菌孢子热死灭反应的EE很高，而某很高，而某些有效成分热破坏反应的些有效成分
16、热破坏反应的EE较低。即随着温度的较低。即随着温度的升高升高, ,灭菌速率常数增加的倍数大于培养基成分分灭菌速率常数增加的倍数大于培养基成分分解的速度常数的增加倍数解的速度常数的增加倍数. .将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭速将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的度，缩短灭菌时间，由于有效成分的EE很低，温很低，温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭菌时度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少受热物质受热物质E（J/mol）维生素维生素B1296232维生素维生素B1
17、盐酸盐盐酸盐92048嗜热脂肪芽孢杆菌孢子嗜热脂肪芽孢杆菌孢子283257肉毒梭菌孢子肉毒梭菌孢子343088枯草杆菌孢子枯草杆菌孢子317984B族维生素和细菌芽孢的活化能族维生素和细菌芽孢的活化能EBS=67000 4.184（J/mol）EVB=22000 4.184 （J/mol）将灭菌温度从将灭菌温度从105C提提高到高到127 CKVB从从（min-1）提高到）提高到（min -1 ）KBS从从（min-1）提高到）提高到（min -1 ）嗜热脂肪芽孢杆菌孢子和嗜热脂肪芽孢杆菌孢子和维生素维生素B1的的lnK-1/T图图嗜嗜热脂肪芽脂肪芽孢杆菌杆菌孢子死子死灭程度程度为N/N0=1
18、0-16时，灭菌温度菌温度对维生素生素B1破坏的破坏的影响影响灭菌温度（C）达到灭菌程度的时间（min）维生素B1的损失（%）10084399.9911075891207.6271300.851101400.10731500.0151第三节 培养基灭菌的工程设计 一、无菌的标准根据微生物热死灭方程，要求灭菌后达到绝对无菌是很难做到的，也是不必要的。因此在工程设计中常取N=10-3二、分批灭菌1，分批灭菌的设计(间歇灭菌或实罐灭菌) 间歇灭菌即实消，是在每批培养基全部流入发酵间歇灭菌即实消，是在每批培养基全部流入发酵罐后，就在罐内通入蒸汽加热至灭菌温度，维持一定罐后，就在罐内通入蒸汽加热至灭菌温
19、度，维持一定时间，再冷却到接种温度。实罐灭菌时，发酵罐与培时间，再冷却到接种温度。实罐灭菌时，发酵罐与培养基一起灭菌。养基一起灭菌。 规模较小的发酵罐往往采用分批灭菌的方法。这种方法不需要其它设备，操作简单易行，故获得较普遍采用。其缺点是加热和冷却所需时间较长，增加了发酵前的准备时间，也就相应地延长了发酵周期，使发酵罐的利用率降低。所以大型发酵罐采用这种方法在经济上是不合理的。同时，分批灭菌无法采用高温短时间灭菌，因而不可避免地使培养基中营养成分遭到一定程度的破坏。但是对于极易发泡或粘度很大难以连续灭菌的培养基，即使对于大型发酵罐也不得不仍然采用分批灭菌的方法。分批灭菌仍被许多工厂采用在发酵罐
20、中进行实罐灭菌。全过程包括升温、保温、降温三个过程孢子热死亡的规律符合因为升温、冷却阶段T是时间t的函数，K不是常数，所以： （7） （8） （9） 式中Kh是保温阶段的孢子比热死亡速度常数分批分批灭菌中几种菌中几种换热方式的温度方式的温度-时间变化关系化关系T：介：介质温度（温度（K）；）；T0：介：介质初温（初温（K）；）；t：时间（min）；）；h：蒸汽相：蒸汽相对于介于介质的的热焓（kJ/kg）；）；s：蒸汽的重量流率（：蒸汽的重量流率（kg/min）M：介：介质重量重量(kg)；Cp：介：介质比比热kJ/()；TH：热源温度源温度(K)U：总传热系数系数kJ/（）（）；q：传热速率（
21、速率（kJ/min）Cp：冷却：冷却剂比比热；W：冷却：冷却剂流率；流率；TCO：冷却：冷却剂温度温度参见微生物工程工艺原理P226伦世仪主编生化工程P13。2，保，保证间歇歇灭菌菌成功的要素成功的要素内部结构合理内部结构合理( (主主要是无死角要是无死角) )，焊，焊缝及轴封装置可缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔靠，蛇管无穿孔现象现象压力稳定的蒸汽压力稳定的蒸汽合理的操作方法合理的操作方法。发酵罐的接管图发酵罐的接管图3，培养基，培养基间歇歇灭菌菌过程中程中应注意的注意的问题温度和压力的关系温度和压力的关系泡沫问题泡沫问题投料过程中，麸皮和豆饼粉等固形物投料过程中，麸皮和豆饼粉等固形物在罐壁上残
22、留的问题在罐壁上残留的问题灭菌结束后应立即引入无菌空气保压灭菌结束后应立即引入无菌空气保压三、连续灭菌的设计培养基的连续灭菌，就是将配好的培养基培养基的连续灭菌，就是将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行灭菌热、保温和冷却而进行灭菌1，连续灭菌的流程菌的流程上上图为连续灭菌菌过程中温度的程中温度的变化情况。由化情况。由图可以看可以看出，出，连续灭菌菌时，培养基可在短，培养基可在短时间内加内加热到保温温到保温温度，并且能很快地冷却，因此可在比度，并且能很快地冷却，因此可在比间歇歇灭菌更高的菌更高的温度下温度下进行行灭菌，而由于菌
23、，而由于灭菌温度很高，保温菌温度很高，保温时间就就相相应地可以很短，极有利于减少培地可以很短，极有利于减少培养基中的养基中的营养物养物质的破坏。的破坏。 在在连续灭菌菌过程中，程中，1.蒸汽用量蒸汽用量虽平平稳，但气，但气压一般要求高于（表一般要求高于（表压）。）。2.连消消设备比比较复复杂，投，投资较大。采用大。采用连续灭菌菌时，发酵罐酵罐应在在连续灭菌开始前先菌开始前先进行空消，以容行空消，以容纳经过灭菌的培养基。菌的培养基。3.加加热器、器、维持罐和冷却器也持罐和冷却器也应先先进行行灭菌，然后才菌，然后才能能进行培养基行培养基连续灭菌。菌。4.组成培养基的耐成培养基的耐热性物料和不耐性物
24、料和不耐热性物料可在不同性物料可在不同温度下分开温度下分开灭菌，以减少物料受菌，以减少物料受热破坏的程度，也破坏的程度，也可将糖和氮源分开可将糖和氮源分开灭菌，以免菌，以免醛基与氨基基与氨基发生反生反应而生成有害物而生成有害物质。5.对于粘度于粘度过高或固体成分高或固体成分较多的培养多的培养基要基要实现连消困消困难较多，主要是多，主要是灭菌的菌的均匀度均匀度问题。设计这类物料的物料的连消消设备必必须避免管道避免管道过长，或尽可能将淀粉，或尽可能将淀粉质物料先行液化物料先行液化。图是一种连消塔、维持罐、喷淋冷却的连续灭菌流程。配好的培养基用泵打入连消塔与蒸汽直接混合，达到灭菌温度后进入维持罐，维
25、持一定时间后经喷淋冷却器冷却至一定温度后进入发酵罐。连续灭菌的基本设备一般包括（1）配料预热罐，将配好的料液预热到6070，以避免灭菌时由于料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击声；（2）连消塔，连消塔的作用主要是使高温蒸汽与料液迅速接触混合，并使料液的温度很快升高到灭菌温度（126132）；（3）维持罐，连消塔加热的时间很短，光靠这段时间的灭菌是不够的；（4）冷却管，从维持罐出来的料液要经过冷却管进行冷却，生产上一般采用冷水喷淋冷却，冷却到4050后，输送到预先已经灭菌过的罐内。（一）连消塔喷淋冷却流程（二）喷射加热真空冷却流程（三）板式换热器灭菌流程该流程中采用了薄板流程中采用了薄板换热器作
26、器作为培养液的加培养液的加热和冷却器，培养液在和冷却器，培养液在设备中同中同时完成完成预热、灭菌及冷却菌及冷却过程，蒸汽加程，蒸汽加热段使培养液的温度升高，段使培养液的温度升高，经维持段保温一段持段保温一段时间，然后在薄板，然后在薄板换热器的另一段冷却，从而使培养器的另一段冷却，从而使培养基的基的预热、加、加热灭菌及冷却菌及冷却过程可在同一程可在同一设备内完成。内完成。虽然利用板式然利用板式热交交换器器进行行连续灭菌菌时，加，加热和冷却培养液所需要的和冷却培养液所需要的时间比使用比使用喷射式射式连续灭菌稍菌稍长，但，但灭菌周期菌周期则较间歇歇灭菌小得多。由于待菌小得多。由于待灭菌培养液的菌培养
27、液的预热过程同程同时为灭菌培养液的冷却菌培养液的冷却过程，所以程，所以节约了蒸汽及冷却水的用了蒸汽及冷却水的用量。量。2、连续灭菌设备的结构及计算（1）设备结构：套管式套管式连消塔消塔又称加热器，是培养基于蒸汽混合加热又称加热器，是培养基于蒸汽混合加热至灭菌温度的设备。要求在至灭菌温度的设备。要求在2030s2030s或更或更短的时间内将料液加热至短的时间内将料液加热至130140130140。生。生产中一般用产中一般用的活蒸汽与预热后的料液直的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。接接触而加热。连消塔用内外两根管子套合组成，内管连消塔用内外两根管子套合组成，内管开有开有4545向下倾斜的小孔，
28、孔径一般为向下倾斜的小孔，孔径一般为6mm6mm，蒸汽由此喷出。孔距应从上到下减，蒸汽由此喷出。孔距应从上到下减少，使蒸汽较为均匀。培养基由塔底进少，使蒸汽较为均匀。培养基由塔底进入，与小孔中喷出的蒸汽连续混合后在入，与小孔中喷出的蒸汽连续混合后在塔上部流出。培养基在塔内停留时间一塔上部流出。培养基在塔内停留时间一般取般取2030s2030s；线速度要求；线速度要求喷嘴式连消塔：培养基以较高流速从中间管喷入，蒸汽从管外环隙同时喷入，在器内进行混合，为了增加混合效果，器内设置一块弧形挡板。与近3m高的连消塔比较，尺寸大为减少，其高度仅为左右，使用效果也很好。此种形式的连消器实际上已接近于喷射加热
29、器。连消器维持罐持罐灭菌系统中的维持设备，主要是使加灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，因此，也时间，以达到灭菌的目的，因此，也可称保温设备。维持设备一般不需另可称保温设备。维持设备一般不需另行加热，但必须在维持设备的外壁用行加热，但必须在维持设备的外壁用绝热材料进行绝热，以免培养基冷却。绝热材料进行绝热，以免培养基冷却。维持罐为长圆筒形，高为直径的维持罐为长圆筒形，高为直径的2424倍，倍，上下封头为球形，如图所示。罐顶部上下封头为球形，如图所示。罐顶部设有人孔设有人孔1 1，进料管，进料管2 2由圆筒上部侧
30、面由圆筒上部侧面伸入后，在罐内通至下部，使料液自伸入后，在罐内通至下部，使料液自下向上流动，至上部侧面接管下向上流动，至上部侧面接管3 3流出，流出，要防止进料管要防止进料管2 2上部弯头处受料液磨损上部弯头处受料液磨损而使料液短路，引起低温灭菌时间不而使料液短路，引起低温灭菌时间不够而染菌。罐上部留有空间，以便安够而染菌。罐上部留有空间，以便安装压力表和排汽管。压力表管安装成装压力表和排汽管。压力表管安装成向下弯，以免管内冷凝污水落入维持向下弯，以免管内冷凝污水落入维持管内而污染料液，同时便于观察压力。管内而污染料液，同时便于观察压力。圆筒中部有温度计测温孔圆筒中部有温度计测温孔4 4。罐的
31、有效。罐的有效容积应能满足维持时间为容积应能满足维持时间为825min825min的需的需要。停止操作时，料液由管要。停止操作时，料液由管5 5排尽。排尽。喷射式加热器的特点是蒸汽和料液迅速接触，充分混合，加喷射式加热器的特点是蒸汽和料液迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。简单的喷射式加热器仅是一个喷嘴装热是在瞬时内完成的。简单的喷射式加热器仅是一个喷嘴装置，蒸汽由喷嘴喷出，料液从侧面进入器内而被蒸汽加热。置，蒸汽由喷嘴喷出，料液从侧面进入器内而被蒸汽加热。工厂中较常见的是一种在下游具有扩大室的喷射加热器。此工厂中较常见的是一种在下游具有扩大室的喷射加热器。此种加热器的喷嘴部分与一般喷嘴
32、不同，料液在中间进入，蒸种加热器的喷嘴部分与一般喷嘴不同，料液在中间进入，蒸汽则在周围环隙中进入，同时下游有一个扩大室以使料液进汽则在周围环隙中进入，同时下游有一个扩大室以使料液进入，蒸汽则在周围环隙中进入，同时下游有一个扩大室以使入，蒸汽则在周围环隙中进入，同时下游有一个扩大室以使料液在进入加热器时的流速约为左右，蒸汽喷口的环隙面积料液在进入加热器时的流速约为左右，蒸汽喷口的环隙面积约为喷嘴外径的一倍，扩大管高度一般为约为喷嘴外径的一倍，扩大管高度一般为1 1米左右。此种加米左右。此种加热器结构简单，轻巧省料，且在操作过程中无噪声热器结构简单，轻巧省料，且在操作过程中无噪声。薄板换热器冷却冷
33、却设备冷却设备是将已灭菌的培养基加以冷却的设备，通常采用的是冷却设备是将已灭菌的培养基加以冷却的设备，通常采用的是喷淋冷却器，也可考虑用套管冷却器。喷淋冷却器，也可考虑用套管冷却器。喷淋冷却器是将水通过喷淋装置均匀地淋在水平的排管上，以喷淋冷却器是将水通过喷淋装置均匀地淋在水平的排管上，以冷却管内的培养基。培养基一般由排管下部进入，而由上部排冷却管内的培养基。培养基一般由排管下部进入，而由上部排出，流体在管内的流速约为。它具有结构简单，清洗方便的优出，流体在管内的流速约为。它具有结构简单，清洗方便的优点，且由于部分淋下的水滴在管表面被高温的管壁所汽化，其点，且由于部分淋下的水滴在管表面被高温的
34、管壁所汽化，其传热效率较高，传热系数为传热效率较高，传热系数为300kcal/m300kcal/m2 2hh左右，被广泛地左右，被广泛地用于连续灭菌过程中。用于连续灭菌过程中。套管冷却器是一种内管走热培养基，内外管间的管隙中走冷却套管冷却器是一种内管走热培养基，内外管间的管隙中走冷却水的冷却器。操作时，冷热两流体流向相反，以提高平均温度水的冷却器。操作时，冷热两流体流向相反，以提高平均温度差，节约用水。若将所制培养基代替冷却水，则培养基可获得差，节约用水。若将所制培养基代替冷却水，则培养基可获得预热的作用。此种冷却器与喷淋冷却器相比，消耗钢材较多，预热的作用。此种冷却器与喷淋冷却器相比，消耗钢
35、材较多，且内管有漏洞时不易被发现而引起严重污染，但其热利用较合且内管有漏洞时不易被发现而引起严重污染，但其热利用较合理，传热系数较高，一般可达理，传热系数较高，一般可达400 kcal/m400 kcal/m2 2hh。（2）连消塔及维持罐体积的计算A:连消塔培养液在管间流动，线速度为 ，则： 式中 培养液流速，m/s；G培养液流量，m3/h，蒸汽冷凝量使培养液量增加，但对灭菌设备中有关因素的影响是很小的，可以略而不计；D外管直径，m；d内管直径，m。则塔高 式中式中H连消塔高，消塔高，m；灭菌菌时间，s。内管蒸汽内管蒸汽喷孔孔总面面积和孔数和孔数计算：算：根据蒸汽消耗量（根据蒸汽消耗量（m3
36、/h）等于从小孔）等于从小孔喷出的蒸汽量（出的蒸汽量（m3/h）得：）得：则式中式中F蒸汽蒸汽喷孔的孔的总面面积，m3；蒸汽蒸汽喷孔的速度，孔的速度，m/s，通常采用，通常采用2540m/sV加加热蒸汽消耗量，蒸汽消耗量，m3/h。加热蒸汽喷孔数 为： 式中 n 喷孔数，个；d1喷孔直径，m。B维持罐持罐维持罐容持罐容积由下式由下式计算：算：式中式中V V 维持罐容积，维持罐容积，m m3 3；vv料液体积流量，料液体积流量，m m3 3/h/h；tt维持时间，维持时间，minmin，取经验数据为，取经验数据为825min825min，不，不同类型的发酵维持时间不同；同类型的发酵维持时间不同；
37、充满系数，取。充满系数，取。4，连续灭菌菌设计及及计算算举例例参参见课本本8384页课后作后作业一台一台连续灭菌器的菌器的灭菌温度是度菌温度是度,要求在要求在40min内内对30m3的培养基的培养基进行行灭菌菌,培养基的原始培养基的原始污染染度是度是105个菌个菌/cm3,要求要求灭菌后菌后30m3培养基培养基中只有中只有一个一个菌菌,试计算算灭菌菌时间应多多长?四、连续灭菌与间歇灭菌的比较1，连续灭菌的优缺点，连续灭菌的优缺点优点点保留保留较多的多的营养养质量量容易放大容易放大较易自易自动控制；控制；糖受蒸汽的影响糖受蒸汽的影响较少；少；缩短短灭菌周期；菌周期；在某些情况下，可使在某些情况下
38、，可使发酵罐的腐酵罐的腐蚀减少；减少；发酵罐利用率高；酵罐利用率高；蒸汽蒸汽负荷均匀。荷均匀。缺点缺点设备比比较复复杂，投，投资较大。大。2，分批灭菌的优缺点，分批灭菌的优缺点优点点设备投投资较少少染菌的危染菌的危险性性较小小人工操作人工操作较方便方便对培养基中固体物培养基中固体物质含量含量较多多时更更为适宜适宜缺点缺点灭菌菌过程中蒸汽用量程中蒸汽用量变化大，造成化大，造成锅炉炉负荷波荷波动大，一般只限于中小型大，一般只限于中小型发酵装置。酵装置。五、影响五、影响灭菌的因素菌的因素培养基成分对灭菌的影响培养基成分对灭菌的影响油脂，糖类及一定浓度的蛋白质可增加微生物油脂，糖类及一定浓度的蛋白质可
39、增加微生物的耐热性，另一些物质，如高浓度的盐类，色的耐热性，另一些物质，如高浓度的盐类，色素等可削弱其耐热性。素等可削弱其耐热性。培养基的物理状态对灭菌的影响培养基的物理状态对灭菌的影响培养基中微生物数量对灭菌的影响培养基中微生物数量对灭菌的影响培养基中氢离子浓度对灭菌的影响培养基中氢离子浓度对灭菌的影响培养基中氢离子浓度直接影响灭菌的效果。培培养基中氢离子浓度直接影响灭菌的效果。培养基的养基的 酸碱度越大，所需杀灭微生物的温度酸碱度越大，所需杀灭微生物的温度越低。越低。微生物细胞中水分对灭菌的影响微生物细胞中水分对灭菌的影响细胞含水越多，蛋白质变性的温度越底细胞含水越多，蛋白质变性的温度越底
40、微生物细胞菌龄对灭菌的影响微生物细胞菌龄对灭菌的影响老细胞水分含量低、低龄细胞水分含量高老细胞水分含量低、低龄细胞水分含量高空气排除情况对灭菌的影响空气排除情况对灭菌的影响搅拌对灭菌的影响搅拌对灭菌的影响泡沫对灭菌的影响泡沫对灭菌的影响六、六、发酵罐的酵罐的灭菌菌培养基的灭菌如果是采用连续灭菌法。则发培养基的灭菌如果是采用连续灭菌法。则发酵罐应在加入灭菌的培养基前先行单独灭菌。酵罐应在加入灭菌的培养基前先行单独灭菌。通常是用蒸汽加热发酵罐的夹套或设管并从通常是用蒸汽加热发酵罐的夹套或设管并从空气分布管中通入蒸汽，充满整个容器后，空气分布管中通入蒸汽，充满整个容器后，再从排气管中缓缓排出。容器内
41、的蒸汽压力再从排气管中缓缓排出。容器内的蒸汽压力保持保持1 1公斤，公斤，2020分钟。在保温结束后，关键分钟。在保温结束后，关键是随即通入无菌空气，使容器保持正压，防是随即通入无菌空气，使容器保持正压，防止形成真空而吸入带菌的空气。止形成真空而吸入带菌的空气。七、补料液的灭菌在发酵过程中，往往要向发酵罐中补入各种不在发酵过程中，往往要向发酵罐中补入各种不同的料液。这些料液都必需经过灭菌。同的料液。这些料液都必需经过灭菌。灭菌的方法则视料液的性质、体积和补料速率灭菌的方法则视料液的性质、体积和补料速率而定。而定。如果补料量较大，而具有连续性时，则采用连如果补料量较大，而具有连续性时，则采用连续灭菌较为合适。续灭菌较为合适。也有利用过滤法对另补料液进行除菌。也有利用过滤法对另补料液进行除菌。补料液的分批灭菌，通常是向盛有物料的容器补料液的分批灭菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽。中直接通入蒸汽。所有的附属设备和管道都要经过灭菌。所有的附属设备和管道都要经过灭菌。
