第三章 培养基的制备和灭菌设备
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1 1 2 1
间接加热时间：
GC 1 T t 1 1 ln KF T t 2
G—培养基的质量，Kg C1—培养基的比热，kJ/kg.℃ K—总传热系数， kJ/m2.h.℃ F—传热面积，m2
式中：τ1—间接加热时间，h
T—加热蒸汽温度，℃
t1—加热前培养基的温度，℃ t2—加热后培养基的温度，℃
三、连续灭菌流程与设备
一、灭菌的基本理论
（一）灭菌目的
1. 避免生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而
损失，造成生产转化率的下降 2. 杂菌的代谢物质，会使所要产物的提取和分离 变得困难，造成收得率降低或使产品质量下降 3. 有些杂菌会分解产物，或噬菌体裂解生产菌细 胞，使生产失败
（二）灭菌方法
灭菌：射线灭菌、药物灭菌、热灭菌 分离：离心沉淀、介质过滤
灭菌失败的几率为0.001所需的时间。
解：
N 0 40 106 2 107 8 1014 (个) N S 0.001(个 ） k 0.25( s ) 1 N0 t ln 2.7(m in ) k NS
1
二、分批灭菌过程与计算
（一）分批灭菌操作过程 (实罐灭菌或实消)
维持保温阶段
实罐灭菌的进汽和排汽原则 “非进即出”，所有与发酵 罐连接的管道在灭菌过程 中如果不进入蒸汽就一定 要进行排汽 进汽：凡开口在培养基液 面以下的各连接管道及冲 视镜管道都应进汽 排汽：凡开口在液面之上 者均应排汽
“三进四出”、“三进五 出”
冷却降温阶段
关汽：关闭各排汽、
T t1 T t
KF WC2
Ae
T t1 t T A
T t1 T t
培养基：
∵
dQ GC1dT
dQ GC 1dT WC 2(t t1) d d
T t1 WC 2(T t1) A
T t1 WC (T t1) A
冷却水
t1
移项：
KF t t1 WC 2 tm
平均温度差：
(T t1) (T t ) t t1 t m T t1 T t1 ln ln T t T t
KF t t1 T t1 ln 两式合并： WC 2 tm T t
e
设 则
KF WC 2
km—τp阶段的平均灭菌速率常数，s-1
km
T2
T1
kdT
T1 T 2
1 近似计算： km (k 1 k 2 4k中) 6
式中：k1—T1（ 100℃）时灭菌速率常数，s-1 k2—T2（ 灭菌温度）时灭菌速率常数，s-1
K中—(T1＋T2)/2时灭菌速率常数，s-1
保温时间：
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
当温度升高时，细菌的死亡速率的增加要比营养成分的破坏
速率的增加大得多，而所需灭菌时间大大缩短
采用高温短时间的灭菌方法，可以减少营养成分的损失
例1：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 2×107个，在121 ℃时的灭菌速率常数为0.0287s-1。 试求灭菌失败的几率为0.001所需的时间。 解：
k Ae
E RT
式中： E—活化能 T—加热温度 R—气体常数 A—常数
（六）灭菌温度
加热温度和受热时间与灭菌程度和营养成分的破坏都有关系
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) 活化能E 4.187×(50～100) 酶、蛋白质或维生素破坏 4.187×(2～26) 葡萄糖破坏 4.187×24
3、流程
①.连消塔加热－喷淋冷却连续灭菌流程 流程：连消塔、维持罐、喷淋冷却器
培养基用泵打入 连消塔与蒸汽直 接混合升温 1 达到灭菌温度后 进入维持罐 维持一定时间后 经喷淋冷却进入 发酵罐
2 4 5 3 6 7
图2-4 连续灭菌设备流程示意图 1-配料罐（拌料罐）2-蒸汽入口 3-连消塔 4-维持罐 5-培养基出口 6-喷淋冷却 7-冷却水
保温蒸汽用量
S 2 1.19F 2 P
式中：F—排汽口的面积，m2 P—罐内蒸汽压力，atm υ—蒸汽比容，m3/kg
冷却水用量
已知冷却水流量W，计算A
Ae
KF WC 2
计算冷却时间τ3和冷却水用量
要求τ3时间完成冷却，试差求A
Q= W τ3
KF W C 2 ln A
A KF 3 ln A T 1 t1 A 1 GC 1 ln T 2 t1 计算W和Q
第三章 培养基的制备设备
主要内容：第一节 培养基的灭菌设备
第二节 原料的蒸煮与糖化设备
第三节 麦芽汁的制备设备
第四节 淀粉水解制糖设备
学习要求：掌握培养基的分批灭菌计算、连
续灭菌流程和设备的结构及设计 了解培养基制备设备的结构和设计
第一节 培养基的灭菌设备
一、灭菌的基本理论 二、分批灭菌过程与计算
N—活菌个数 k—反应速率常数，随反应温度变化
上式积分
NS
N0
dN k d 0 N
对数残留定律
1 N 0 2.303 N 0 ln lg k NS k NS
式中：τ—理论灭菌时间，s N0—灭菌前，杂菌个数（浓度），个/mL Ns—灭菌后，残存活菌个数（浓度），个/mL 通常Ns＝10－3 k—菌死亡的反应速率常数，s－1 与微生物的种类和加热温度有关
2
1 WC 2(T t1)(1 ) A
GC 1 1 dT GC 1 A dT ∴ d WC 2 1 1 T t 1 WC 2 A 1 T t 1 A T GC 1 A dT 上式积分： 0 d WC 2 A 1 T T t
3 2 1 1
冷却降温时间：
GC 1 A T 1 t1 3 ln WC 2 A 1 T 2 t 1
式中： T1—培养基冷却前的温度，
℃
T2—培养基冷却后的温度，
2、加热和冷却介质用量
加热蒸汽用量
GC 1(T 2 T 1) S1 I
式中：I—加热蒸汽的焓，kJ/kg λ—冷凝水的焓，kJ/kg
GC1 A T 1 t1 3 ln KF A 1 T 2 t 1 ln A
分批灭菌讨论：
对于工业规模的灭菌操作，完成整个灭菌周期 一般约需3h~5h，其各阶段对灭菌效果贡献大 致如下： N加/N总=20% N保/N总=75% N冷/N总=5%
习题：有一发酵罐，内装培养基18.5m3，于121℃下进行实 罐灭菌。若每毫升培养基中含耐热芽孢杆菌2×107个，灭 菌失败几率是10－3，试求 ① 不计升、降温阶段的灭菌作用，灭菌所需时间？ （logK ＝－14854/T+36.127） ② 其它条件不变，培养基体积增大一倍，灭菌时间是多少？ ③ 若已知升降温阶段培养基从100℃升至121℃共需15min， 那么升温结束时，培养基中残存芽孢数及在121℃保温时 间？ ④ 若发酵罐的传热面积为25m2，则用2kg/cm2（表）的蒸汽 间接加热使培养基由25℃升至90℃，所需时间？ （K=4.187×400KJ/m2· ℃ 、 ρ=1000kg/m3） h· ⑤ 若用10℃的冷却水，冷却灭菌后的培养基，将其从121℃ 降至30℃。已知当培养基降至80℃时，冷却水出口温度为 30℃，求冷却水用量及冷却时间？
②维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） 维持保温时间 不考虑升、降温阶段的灭菌作用时：
（灭菌时间）
1 N 0 2.303 N 0 lg 保温时间： 2 ln k NS k NS
计算升温阶段的灭菌作用时： ∵
∴
N0 1 p ln km Np
N0 Np k m p e
式中：τp—升温时间，h （一般是指从100℃到灭菌温度的时间）
升温：将培养基臵于 发酵罐中用蒸汽加热 保温：达到预定灭菌 温度后维持一定时间 降温：冷却到发酵温 度后接种发酵
加热升温阶段
间接加热：打开各
排气阀，将蒸汽引 入夹套或蛇管进行 间接加热，待罐温 升至80~90℃，将排 气阀逐渐关小 直接加热：将蒸汽 从进气口、排料口、 取样口直接通入罐 中，使罐温上升到 118~120℃
（三）分批灭菌的计算
确定灭菌操作的时间和所需加热及冷却介质用量 1、灭菌操作时间 ① 加热升温阶段(先间接加热，后直接加热) ② 维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） ③ 冷却降温阶段（间接冷却到发酵温度） 2、加热和冷却介质用量 ① 加热蒸汽用量（热量衡算） ② 保温蒸汽用量（估算） ③ 冷却水用量 （冷却水流量和冷却时间）
三、连续灭菌流程与设备
连续灭菌（连消）：将培养基连续加热升温、 1、特点
保温灭菌、冷却降温
优点： 提高产量，设备利用率高 培养基受热时间较短，所含 营养成分破坏较少 蒸汽负荷均衡，操作方便 降低了劳动强度，适宜自动 控制 缺点：需要专门设备，投资较大 设备较多，染菌机会也相应较多
2、要求
②.喷射加热－真空冷却连续灭菌流程 流程：喷射加热、管道维持、真空冷却 培养基用泵打入喷 射加热器与蒸汽混 合升温 进入管道维持器保温 一定时间
蒸汽 喷射加热器 生培养液 膨胀阀 维持管 急聚蒸发室 真空
进入真空闪急蒸发室 冷却降温
灭菌好的培养液
图2-5 加热-真空冷却连续灭菌流程
ห้องสมุดไป่ตู้
特点
N 0 40 106 2 107 8 1014 (个) N S 0.001 个） ( k 0.0287( s 1 ) 1 N0 t ln 23.9(min) k NS
例2：有一发酵罐，内装培养基40m3，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 2×107个，在131 ℃时的灭菌速率常数为0.25s-1。试求
加热和冷却在瞬间完成， 营养成分破坏最少 生培养液 管道维持器保证物料先 进先出，缩短保温时间 真空冷却器需要安装一 台出料泵，或将其置于 发酵罐10m以上的高处 真空冷却可能造成培养 基重新污染
蒸汽 喷射加热器 真空
膨胀阀 维持管 急聚蒸发室
1、灭菌操作时间
①加热升温阶段(先间接加热，后直接加热) 间接加热时间（不稳定传热）
传热速率： 培养基：
dQ kF (T t ) 蒸汽 T d
G
t
dQ GC1dt
冷凝水
GC 1dt 两式合并： kF (T t ) d GC t dt 上式积分： d t T - t 0 KF
①.加热设备：加热均匀，
20s 2-3min 20s
快速升温到灭菌温度 144℃ （温度一致） ②.维持设备：使培养基按 温 度 顺序流动，维持灭菌 温度达到灭菌时间 27℃ （时间一致） ③.冷却设备：传热速率高， 时间(min) 尽快冷却到发酵要求 温度，密封性好，回 图2-3 培养基连续灭菌过程中温度的变化 收热能
（三）加热灭菌方式
培养基→加热升温→维持保温→冷却降温→发酵
分批灭菌：三个过程在一个设备内完成 连续灭菌：三个过程分别在不同的设备内完成
（四）灭菌要求
达到无菌程度 尽量减少营养成分损失 降低能量消耗
（五）理论灭菌时间
微生物的受热死灭过程属于一级反应 式中： τ—受热时间
dN kN d
进汽阀门
通水：向罐夹套或
蛇管中通入冷却水 降温
送气：向罐内送入
无菌空气，降温不 降压
（二）分批灭菌特点
优点：不需要专门的灭菌设备，投资少
对设备要求简单，对蒸汽的要求也比较低
操作简单易行，灭菌效果可靠
缺点：占罐时间长，发酵罐的利用率低
受热时间较长，培养基中营养成分破坏较多 用汽不平衡 适用：生产规模较小或品种多 极易发泡、粘度较大难以连续流动的培养基
1 Np 2.303 N p 2 ln lg k NS k NS
③冷却降温阶段（间接冷却到发酵温度） 冷却降温时间（双变量不稳定传热）
冷却水：
dQ kF tm WC 2(t t1) d
t
G T
式中： W-冷却水的流量， kg/h C2-冷却水的比热， kJ/kg.℃ t1-冷却水的进口温度，℃
间接加热时间：
GC 1 T t 1 1 ln KF T t 2
G—培养基的质量，Kg C1—培养基的比热，kJ/kg.℃ K—总传热系数， kJ/m2.h.℃ F—传热面积，m2
式中：τ1—间接加热时间，h
T—加热蒸汽温度，℃
t1—加热前培养基的温度，℃ t2—加热后培养基的温度，℃
三、连续灭菌流程与设备
一、灭菌的基本理论
（一）灭菌目的
1. 避免生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而
损失，造成生产转化率的下降 2. 杂菌的代谢物质，会使所要产物的提取和分离 变得困难，造成收得率降低或使产品质量下降 3. 有些杂菌会分解产物，或噬菌体裂解生产菌细 胞，使生产失败
（二）灭菌方法
灭菌：射线灭菌、药物灭菌、热灭菌 分离：离心沉淀、介质过滤
灭菌失败的几率为0.001所需的时间。
解：
N 0 40 106 2 107 8 1014 (个) N S 0.001(个 ） k 0.25( s ) 1 N0 t ln 2.7(m in ) k NS
1
二、分批灭菌过程与计算
（一）分批灭菌操作过程 (实罐灭菌或实消)
维持保温阶段
实罐灭菌的进汽和排汽原则 “非进即出”，所有与发酵 罐连接的管道在灭菌过程 中如果不进入蒸汽就一定 要进行排汽 进汽：凡开口在培养基液 面以下的各连接管道及冲 视镜管道都应进汽 排汽：凡开口在液面之上 者均应排汽
“三进四出”、“三进五 出”
冷却降温阶段
关汽：关闭各排汽、
T t1 T t
KF WC2
Ae
T t1 t T A
T t1 T t
培养基：
∵
dQ GC1dT
dQ GC 1dT WC 2(t t1) d d
T t1 WC 2(T t1) A
T t1 WC (T t1) A
冷却水
t1
移项：
KF t t1 WC 2 tm
平均温度差：
(T t1) (T t ) t t1 t m T t1 T t1 ln ln T t T t
KF t t1 T t1 ln 两式合并： WC 2 tm T t
e
设 则
KF WC 2
km—τp阶段的平均灭菌速率常数，s-1
km
T2
T1
kdT
T1 T 2
1 近似计算： km (k 1 k 2 4k中) 6
式中：k1—T1（ 100℃）时灭菌速率常数，s-1 k2—T2（ 灭菌温度）时灭菌速率常数，s-1
K中—(T1＋T2)/2时灭菌速率常数，s-1
保温时间：
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
当温度升高时，细菌的死亡速率的增加要比营养成分的破坏
速率的增加大得多，而所需灭菌时间大大缩短
采用高温短时间的灭菌方法，可以减少营养成分的损失
例1：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 2×107个，在121 ℃时的灭菌速率常数为0.0287s-1。 试求灭菌失败的几率为0.001所需的时间。 解：
k Ae
E RT
式中： E—活化能 T—加热温度 R—气体常数 A—常数
（六）灭菌温度
加热温度和受热时间与灭菌程度和营养成分的破坏都有关系
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) 活化能E 4.187×(50～100) 酶、蛋白质或维生素破坏 4.187×(2～26) 葡萄糖破坏 4.187×24
3、流程
①.连消塔加热－喷淋冷却连续灭菌流程 流程：连消塔、维持罐、喷淋冷却器
培养基用泵打入 连消塔与蒸汽直 接混合升温 1 达到灭菌温度后 进入维持罐 维持一定时间后 经喷淋冷却进入 发酵罐
2 4 5 3 6 7
图2-4 连续灭菌设备流程示意图 1-配料罐（拌料罐）2-蒸汽入口 3-连消塔 4-维持罐 5-培养基出口 6-喷淋冷却 7-冷却水
保温蒸汽用量
S 2 1.19F 2 P
式中：F—排汽口的面积，m2 P—罐内蒸汽压力，atm υ—蒸汽比容，m3/kg
冷却水用量
已知冷却水流量W，计算A
Ae
KF WC 2
计算冷却时间τ3和冷却水用量
要求τ3时间完成冷却，试差求A
Q= W τ3
KF W C 2 ln A
A KF 3 ln A T 1 t1 A 1 GC 1 ln T 2 t1 计算W和Q
第三章 培养基的制备设备
主要内容：第一节 培养基的灭菌设备
第二节 原料的蒸煮与糖化设备
第三节 麦芽汁的制备设备
第四节 淀粉水解制糖设备
学习要求：掌握培养基的分批灭菌计算、连
续灭菌流程和设备的结构及设计 了解培养基制备设备的结构和设计
第一节 培养基的灭菌设备
一、灭菌的基本理论 二、分批灭菌过程与计算
N—活菌个数 k—反应速率常数，随反应温度变化
上式积分
NS
N0
dN k d 0 N
对数残留定律
1 N 0 2.303 N 0 ln lg k NS k NS
式中：τ—理论灭菌时间，s N0—灭菌前，杂菌个数（浓度），个/mL Ns—灭菌后，残存活菌个数（浓度），个/mL 通常Ns＝10－3 k—菌死亡的反应速率常数，s－1 与微生物的种类和加热温度有关
2
1 WC 2(T t1)(1 ) A
GC 1 1 dT GC 1 A dT ∴ d WC 2 1 1 T t 1 WC 2 A 1 T t 1 A T GC 1 A dT 上式积分： 0 d WC 2 A 1 T T t
3 2 1 1
冷却降温时间：
GC 1 A T 1 t1 3 ln WC 2 A 1 T 2 t 1
式中： T1—培养基冷却前的温度，
℃
T2—培养基冷却后的温度，
2、加热和冷却介质用量
加热蒸汽用量
GC 1(T 2 T 1) S1 I
式中：I—加热蒸汽的焓，kJ/kg λ—冷凝水的焓，kJ/kg
GC1 A T 1 t1 3 ln KF A 1 T 2 t 1 ln A
分批灭菌讨论：
对于工业规模的灭菌操作，完成整个灭菌周期 一般约需3h~5h，其各阶段对灭菌效果贡献大 致如下： N加/N总=20% N保/N总=75% N冷/N总=5%
习题：有一发酵罐，内装培养基18.5m3，于121℃下进行实 罐灭菌。若每毫升培养基中含耐热芽孢杆菌2×107个，灭 菌失败几率是10－3，试求 ① 不计升、降温阶段的灭菌作用，灭菌所需时间？ （logK ＝－14854/T+36.127） ② 其它条件不变，培养基体积增大一倍，灭菌时间是多少？ ③ 若已知升降温阶段培养基从100℃升至121℃共需15min， 那么升温结束时，培养基中残存芽孢数及在121℃保温时 间？ ④ 若发酵罐的传热面积为25m2，则用2kg/cm2（表）的蒸汽 间接加热使培养基由25℃升至90℃，所需时间？ （K=4.187×400KJ/m2· ℃ 、 ρ=1000kg/m3） h· ⑤ 若用10℃的冷却水，冷却灭菌后的培养基，将其从121℃ 降至30℃。已知当培养基降至80℃时，冷却水出口温度为 30℃，求冷却水用量及冷却时间？
②维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） 维持保温时间 不考虑升、降温阶段的灭菌作用时：
（灭菌时间）
1 N 0 2.303 N 0 lg 保温时间： 2 ln k NS k NS
计算升温阶段的灭菌作用时： ∵
∴
N0 1 p ln km Np
N0 Np k m p e
式中：τp—升温时间，h （一般是指从100℃到灭菌温度的时间）
升温：将培养基臵于 发酵罐中用蒸汽加热 保温：达到预定灭菌 温度后维持一定时间 降温：冷却到发酵温 度后接种发酵
加热升温阶段
间接加热：打开各
排气阀，将蒸汽引 入夹套或蛇管进行 间接加热，待罐温 升至80~90℃，将排 气阀逐渐关小 直接加热：将蒸汽 从进气口、排料口、 取样口直接通入罐 中，使罐温上升到 118~120℃
（三）分批灭菌的计算
确定灭菌操作的时间和所需加热及冷却介质用量 1、灭菌操作时间 ① 加热升温阶段(先间接加热，后直接加热) ② 维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） ③ 冷却降温阶段（间接冷却到发酵温度） 2、加热和冷却介质用量 ① 加热蒸汽用量（热量衡算） ② 保温蒸汽用量（估算） ③ 冷却水用量 （冷却水流量和冷却时间）
三、连续灭菌流程与设备
连续灭菌（连消）：将培养基连续加热升温、 1、特点
保温灭菌、冷却降温
优点： 提高产量，设备利用率高 培养基受热时间较短，所含 营养成分破坏较少 蒸汽负荷均衡，操作方便 降低了劳动强度，适宜自动 控制 缺点：需要专门设备，投资较大 设备较多，染菌机会也相应较多
2、要求
②.喷射加热－真空冷却连续灭菌流程 流程：喷射加热、管道维持、真空冷却 培养基用泵打入喷 射加热器与蒸汽混 合升温 进入管道维持器保温 一定时间
蒸汽 喷射加热器 生培养液 膨胀阀 维持管 急聚蒸发室 真空
进入真空闪急蒸发室 冷却降温
灭菌好的培养液
图2-5 加热-真空冷却连续灭菌流程
ห้องสมุดไป่ตู้
特点
N 0 40 106 2 107 8 1014 (个) N S 0.001 个） ( k 0.0287( s 1 ) 1 N0 t ln 23.9(min) k NS
例2：有一发酵罐，内装培养基40m3，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 2×107个，在131 ℃时的灭菌速率常数为0.25s-1。试求
加热和冷却在瞬间完成， 营养成分破坏最少 生培养液 管道维持器保证物料先 进先出，缩短保温时间 真空冷却器需要安装一 台出料泵，或将其置于 发酵罐10m以上的高处 真空冷却可能造成培养 基重新污染
蒸汽 喷射加热器 真空
膨胀阀 维持管 急聚蒸发室
1、灭菌操作时间
①加热升温阶段(先间接加热，后直接加热) 间接加热时间（不稳定传热）
传热速率： 培养基：
dQ kF (T t ) 蒸汽 T d
G
t
dQ GC1dt
冷凝水
GC 1dt 两式合并： kF (T t ) d GC t dt 上式积分： d t T - t 0 KF
①.加热设备：加热均匀，
20s 2-3min 20s
快速升温到灭菌温度 144℃ （温度一致） ②.维持设备：使培养基按 温 度 顺序流动，维持灭菌 温度达到灭菌时间 27℃ （时间一致） ③.冷却设备：传热速率高， 时间(min) 尽快冷却到发酵要求 温度，密封性好，回 图2-3 培养基连续灭菌过程中温度的变化 收热能
（三）加热灭菌方式
培养基→加热升温→维持保温→冷却降温→发酵
分批灭菌：三个过程在一个设备内完成 连续灭菌：三个过程分别在不同的设备内完成
（四）灭菌要求
达到无菌程度 尽量减少营养成分损失 降低能量消耗
（五）理论灭菌时间
微生物的受热死灭过程属于一级反应 式中： τ—受热时间
dN kN d
进汽阀门
通水：向罐夹套或
蛇管中通入冷却水 降温
送气：向罐内送入
无菌空气，降温不 降压
（二）分批灭菌特点
优点：不需要专门的灭菌设备，投资少
对设备要求简单，对蒸汽的要求也比较低
操作简单易行，灭菌效果可靠
缺点：占罐时间长，发酵罐的利用率低
受热时间较长，培养基中营养成分破坏较多 用汽不平衡 适用：生产规模较小或品种多 极易发泡、粘度较大难以连续流动的培养基
1 Np 2.303 N p 2 ln lg k NS k NS
③冷却降温阶段（间接冷却到发酵温度） 冷却降温时间（双变量不稳定传热）
冷却水：
dQ kF tm WC 2(t t1) d
t
G T
式中： W-冷却水的流量， kg/h C2-冷却水的比热， kJ/kg.℃ t1-冷却水的进口温度，℃