2010 第二章 第三节 培养基灭菌

6
实罐灭菌的有关计算
蒸汽用量 灭菌时间 冷却水量 冷却时间
7
实罐灭菌计算
灭菌升温 分两个时期 蒸汽间接加热 间接加热到70-95℃左右，再直接加热至 再直接加热至121 ℃ 间接加热 再直接加热至 工厂设计时，对升温阶段，主要计算： 间接、直接加热阶段的 加热所需时间 间接、直接加热阶段的 蒸汽耗量（二者公式相同，结果 相加即是升温时的蒸汽总耗量）
25
例 6 将例 2.4的间歇灭菌过程改为连 消： 2. 有一发酵罐，内装培养 基 40立方米，设每毫升培养 基中含有耐热的芽孢 2 × 10 7 个， 连续灭菌的温度为 131℃，此时的灭菌速度常 数为0.25 秒 −1，试求灭菌失败的 几率为0.001 （即灭菌后残留的芽孢 数为0.001个）所需的时间。
2 为25℃，用 2公斤 /厘米（表压）的蒸汽经蛇管 间接加热至 90℃，取 K＝400 千卡 /米 2 ⋅ 小时 ⋅ ℃，
C ＝1千卡 /公斤 ⋅ ℃，求此升温阶段的加 热时间及蒸汽用量？ 若用10℃的冷却水，将培养基 从120℃降到 30℃，已知发酵液 t 1 = 80℃时，冷却水出口温度 t 2 = 30℃，求灭菌的降温过程 中的冷却水用量，及冷 却时间。
但小罐（ 以下）实际生产中不考虑， 但小罐（ 40m3以下）实际生产中不考虑，保险一些 大罐的升温时间长，为减少培养基营养损失， 大罐的升温时间长，为减少培养基营养损失，应考虑此影响 计算方法有兴趣的同学可参考陈国豪的生物工程设备一书） （计算方法有兴趣的同学可参考陈国豪的生物工程设备一书）
14
4 保温阶段的蒸汽耗量 在保温阶段，活蒸汽仍不断通入发酵罐，由发酵罐顶若 干出口排出 此段蒸汽耗量可估算为： 直接加热的蒸汽耗量的30直接加热的蒸汽耗量的30-50% 30 40m3以上的罐，取30%， 40m3以下的罐，取50% 如，一个10m3的罐，升温时直接加热用蒸汽1.6吨， 则保温时用约0.5-0.8吨。
空罐灭菌的蒸汽耗量 S (Kg) 有如下的估算：
S = V F × ρ S × 5倍左右 VF
:发酵罐的全容积 全容积，m3 全容积 :灭菌罐压下蒸汽的密度，kg/m3
ρS
5
（二）实罐灭菌（间歇灭菌）
操作： 进料完毕，开搅拌 开搅拌以防料液沉淀 开搅拌 开夹套蒸气阀，使料液预热升温至70-95℃,关搅拌 关搅拌 关闭夹套蒸气阀门，开空气、出料、取样三个阀门进 蒸气，开排汽阀，包括小辫子（进料管、补料管、接种 管）和排汽管。 升温至121 ℃，保温30min（实际上要计算确定） 保温结束，关过滤器排气阀、进汽阀，关夹套下水道 阀，开冷却水进水阀。 待罐压低于过滤器压力时，通入无菌空气，开搅拌 开搅拌， 开搅拌 降温至培养温度。
λ，加热蒸汽的热焓，千卡/公斤 是查表得的蒸汽供应温度 t1 下的热焓 t 3，蒸汽冷凝后的液体温度 直接加热时，为培养基的终温t2f，
间接加热时，为加热蒸汽的温度t1，此时分母值 即为温度为t1时水的汽化潜热
11
3. 保温灭菌时间 复习： 蒸汽湿热灭菌 理论灭菌时间
N0 1 τ= 2.303 log k Ns
17
2.冷却阶段计算 已知t 1s = 120℃，t 1f = 30℃，t 2s = 10℃，取C1＝C 2＝1千卡/公斤， 发酵液t 1 = 80℃时，冷却水出口温度t 2 = 30℃，则有： Β=e
KA WC 2
=
t 1 - t 2s 80 − 10 ＝ ＝1.4 t 1 - t 2 80 − 30
KA 400 × 30 故上式中的W可算出为：W = = = 35664公斤/小时＝35.66吨/小时 ln1.4 lnB 则冷却时间为： G ⋅ C1 τ＝ W ⋅ C2 Β t 1s - t 2s 28000 1.4 120 - 10 ＝ = 4.68小时 ln ln Β - 1 t 1f - t 2s 35664 0.4 30 - 10
解： N 0 = 40 × 10 6 × 2 × 10 7 = 8 × 1014 个 N s = 0.001个 N0 2.303 2.303 τ＝ log = log 8 × 1017 = 1436秒＝23.9分钟 K N s 0.0287
(
)
13
在实际灭菌中，在升温阶段就有部分杂菌被杀死，特别 是加热到100℃以后，此作用更明显，因此所需保温灭菌 时间比计算结果要小。 一般认为，灭菌时间可减少10%左右
18
（三）培养基连续灭菌流程
培养基连续灭菌的优点 高温瞬时灭菌，物料受热时间短，营养成分破坏少； 总的灭菌时间较实罐灭菌大为减少 蒸汽负荷均衡，可避免用气高峰，锅炉利用率高。
19
20
培养基连续灭菌的缺点
涉及设备多，能耗大 对总蒸汽压力要求高 操作繁杂 物料焦化结垢经常发生，要时常检查清理 培养基中不含有固体颗粒或泡沫较少 时适用
15
5 实罐灭菌的冷却阶段的计算
此冷却过程属不稳定传 热，不像发酵阶段冷却 时，培养基温度不变， 此处 培养基温度也是渐降的 。 下式可用来计算冷却水 用量，或冷却时间
K，平均传热系数，千卡/平方米/小时/℃
KA
Β=e
WC 2
t 1 - t 2s = t1 - t 2
A, 传热面积，平方米 其中：
21
（三）培养基连续灭菌流程 系统：加热 加热（连消塔/喷射加热器）、维持 维持（维持 加热 维持 罐/维持管）与冷却 冷却（喷淋/薄板换热）三部分 冷却
与淀粉质原料的糖化流程的功能分工很像
操作过程：
先用蒸汽对整个工艺流程中的有关设备进行消毒，然后， 将底物或培养基连续通过设备进行消毒
22
（三）培养基连续灭菌流程
已知，查表得加热蒸汽温度t 1＝132.9℃，t 2s = 25℃，t 2f ＝90℃，
τ=
G ⋅ C t 1 - t 2s 28000 132.9 − 25 = 2.15小时 ln ＝ ln K ⋅ A t 1 - t 2f 400 × 30 132.9 − 90
蒸汽用量计算，取Q' 为加热量的5%，温度132.9℃时的蒸汽汽化潜热为 G ⋅ C(t 2f - t 2s ) + Q' 28000 ⋅ (90 − 25) S= ＝1.05 × ＝3688.5公斤＝3.69吨 518.1 λ - t3 518.1千卡/公斤（ = λ − t 3） ，则有
注意！ 注意！此公式中的温度符号与前加热 阶段的符号有重复，但意义不同的！ 阶段的符号有重复，但意义不同的！
t 1，培养基冷却过程中的 任一温度 t 2，培养基温度为 t 1时的冷却水的相应出口 温度。
16
例2.5 有一装量为 28 m 3的发酵罐，蛇管面积为 30 m 2，现进行实罐灭菌，培 养基原始温度
3
二
灭菌的实际操作
（一）空罐灭菌 也称空消。无论是种子罐、发酵罐、还是补料罐、消泡 罐，当物料未进罐前对罐进行的预先灭菌 空罐罐灭菌要求温度较高，灭菌时间较长 空罐罐灭菌要求温度较高， 通常空罐灭菌大都控制在 127-133 ℃（压力 0.150.2MPa），灭菌时间 30 -60 min。
4
空罐灭菌的蒸汽耗量
解： 1.升温阶段计算
4.2 若在 若在121度的保温阶段蒸汽耗量为 吨，不计 度的保温阶段蒸汽耗量为2.0吨 度ห้องสมุดไป่ตู้保温阶段蒸汽耗量为 热损失，则保温时产生的二次蒸汽（121度）有多少？ （已 热损失，则保温时产生的二次蒸汽（ 度 有多少？ 度时蒸汽的焓为650千卡 公斤，121度蒸汽的焓为 千卡/公斤 知132.9度时蒸汽的焓为 度时蒸汽的焓为 千卡 公斤， 度蒸汽的焓为 647千卡 公斤） 千卡/公斤 千卡 公斤）
去发酵 糖液 料 液 罐 塔 罐 消泡剂 消 持 连 维
水
消
23
24
连消步骤
培养基在配制罐中预热 预热到60-70℃ 预热 连消泵连续打入加热设备内 打入加热设备内，要求在20-30s 或更短的时间 打入加热设备内 内将培养基加热到130-140℃ 进入维持设备，保温一定时间。 进入维持设备 进入冷却设备，冷却至发酵温度 进入冷却设备 要计算的常有：蒸汽用量、维持时间、维持管长或维持罐 容积、连消塔参数
计算用蒸汽直接通入加热时， 度升温至90 作业 4.1 计算用蒸汽直接通入加热时，从25度升温至 度升温至 度的蒸汽耗量、 度升温到121度时的蒸汽耗量、从25度 度时的蒸汽耗量、 度的蒸汽耗量、从90度升温到 度升温到 度时的蒸汽耗量 度 升温到121度时的蒸汽耗量。 度时的蒸汽耗量。 升温到 度时的蒸汽耗量
第二章
培养基制备
液体培养基的灭菌
第三节
1
一
概述
发酵过程中灭菌的方法： 化学物质灭菌、干热灭菌、湿热灭菌、 辐射灭菌、过滤介质除菌
石炭酸 （苯酚 ）： 来苏尔： 2%~5%，器械、环境的喷雾消毒 2%，皮肤消毒
新洁尔灭 （苯扎溴铵 ）：0.25%，无菌室喷雾消毒，皮肤器械表面消毒 甲醛： 漂白粉： 气体挥发杀菌，处理 染菌罐 染菌罐、厂房定期消毒 10%，环境、车间下水道、地沟等污染源消毒
开动搅拌时
9
1、升温阶段的加热时间 直接加热的加热时间计算
先算出 直接加热的蒸汽用量，再按 蒸汽在管道中的线速度（~25 m/s），计算多长时间 这些蒸汽能通完
τ=
S ⋅V F ⋅ϖ
τ : 直接加热时间，秒
S：直接加热蒸汽用量，公斤 V：蒸汽相应压力下的比体积，立方米 / 公斤 F：进蒸汽管道的截面积，平方米（多管道面积相加）
τ ——灭菌时间（秒）
k——反应速度常数，与菌的种类和加热温度有关（秒－１） N0——灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数（个/毫升） Ns——经过灭菌时间τ后，残存活菌个数（个/毫升）
12
3. 保温灭菌时间
例 3 有一发酵罐，内装培 养基 40 立方米，在 121℃下实罐灭菌，设每毫 升 2. 培养基中含有耐热的芽 孢 2 × 10 7 个，在121℃时的灭菌速度常数为 0.0287 秒 −1， 试求灭菌失败的几率为 0.001 （即灭菌后残留的芽孢 数为0.001个）所需的时间。