生化工程 第二章 培养基灭菌

本章主要内容
第一节 分批灭菌 第二节 连续灭菌
培养基灭菌程度N / N0
• 培养基灭菌程度的要求因发酵系统而异。 某些培养过程，由于培养基中的基质不易 被一般微生物利用 , 或温度、 pH 不适于一 般微生物的生长，则对无菌程度要求低； 但是有一些培养过程对无菌程度要求高， 例如抗生素的生产过程。
第一节
•
分批灭菌
二
分批灭菌的设计
而且绝对的无菌也是不必要的，工程上 只要求培养基中杂菌降低到合理的程度，然 后进行细胞的培养，失败的可能性很小。 • 那么无菌程度降低到多少为好呢？ • 有一个设计标准（判据）
N N0：未灭菌培养基的含菌数。 N ：灭菌后培养基中存活的菌体数， No
第一节
分批灭菌
T 灭菌温度 升 温 N0
N1
保 温
N2
降 温 N
ln(N0 / N1)
ln(N1/ N2)
ln(N2 / N) t2 t3 time
to
t1
• ln (N0/N1) = K(t1-t0) • K是变数，t变化，T变化，K也变化。
dN K N dt
dN K dt N
t1 t1
二
分批灭菌的设计
• 常取N=10-3个/罐。 • 它的意义是：灭菌 103次，存活一个活菌 孢子的机会为1次。 • 例如：培养基100m3，含菌105个/ml,，要 求灭菌后存活菌数10-3个/罐
那么
N 103 个 / 罐 16 = 5 10 6 10 100 10 个/罐 No
为计算方便
第一节
分批灭菌
• 一、微生物的热死灭动力学 对培养基进行湿热灭菌时，培养基中的微 生物受热死亡（微生物体内蛋白质变性）的速 率与残存的微生物数量成正比。
dN kN dt
ln(N/N0 ) = -K t
均相系统，它 符合化学反应 的一级反应动 力学。
K（比热死亡速率常数）由两个因素均定 1、微生物的种类 2、灭菌温度。
50 12 0 3. 59
55 12 0 3. 59
58 11 0 0. 36
63 10 0 0. 03
70 90
10 2 60
12 0 44
14 0 33
0
0
0
0
0
0
t：min,T:℃ , K:min-1 ,发酵罐60m3，N0=105个/ml，N=10-3 问设计的T-t过程是否达到灭菌要求，如不能，应如何改进？
第一节
分批灭菌
二
分批灭菌的设计
• 例如：某发酵罐分批灭菌最高温度 120℃，保持 5min ，设计 的温度和时间关系如下： • （A=7.94×1038min-1；△E=278441J/mol;R=8.28J/mol· K）
t T K
0 30
10 50
30 90
36 10 0 0. 03
43 11 0 0. 36
K A e
E / RT
Kd A'e
E '/ RT
杂菌 dN kN dt ln(N/N0 ) = -K t
营养物质 dc Kd c dt ln(C/C0 ) = -Kd t
K A e
E / RT
Kd A'e
△K，

E '/ RT
△T ，
N2 ln A e E / RT dt N3 t2
t3
这三个判据中，保温段可以算出，升温段和 降温段不好办，因为不知道T和t之间的函数关系。
• 是否有这样的函数关系呢？ • 一些学者已经作出的常用的换热方式 T-t 关系式。
第一节
分批灭菌
二
分批灭菌的设计
• 除了这种积 分方式以外， 工程上还常 用图解积分 法，即从设 计的T-t数 据换算成Kt数据，进 行图解积分。
第一节
分批灭菌
二
分批灭菌的设计
1、分批灭菌的操作
高压蒸汽锅
第一节
分批灭菌
二
分批灭菌的设计
• 2、分批灭菌的设计 • 要求绝对的无菌在工业上很难做到， • 因为： kt N ln Kt N Noe No
N=0，则e-kt= 0, 1/ekt= 0, ekt=∞, t=∞ 因此，绝对的无菌很难做到。
N0
Ln(N0 / N1)
to
t1
t2
t3
time
Ln
N0/N
=36.8是总的判据，是由升温、保温、降温三段实现的 No N1 N2 ln （N0/N） ln N 1 × N 2 × N
= （
+ln
）
ln N /N
=ln
No N1
N1 N2
+ln
N2 N
第一节
•
分批灭菌
二
分批灭菌的设计
在灭菌过程中，必需设计出灭菌过 程的操作时间和温度。 • 首先根据培养过程对培养基无菌程 度的要求提出无菌判据（ ln ）， N 然后依据所使用的灭菌设备，和设计 No 出的灭菌温度和时间来计算出实际的 N ln ，看能否达到开始提出的无 No 菌要求。
△ Kd
也就是K对T的变化率是怎么样的？
灭菌动力学的重要结论
细菌孢子热死灭反应的△ E 很高，而大部 分营养物质热破坏反应的△E很低，因而将T 提高到一定程度会加速细菌孢子的死灭速率， 从而缩短在升高温度下的灭菌时间 （ ln(N/N0 ) = - K t ）；由于营养成分热 破坏的△ E 很低，上述的温度提高只能稍微 增大其热破坏温度，但由于灭菌时间的显著 缩短，结果是营养成分的破坏量在允许的范 围内。
Ln（N0/N ）= 36.8
第一节
分批灭菌
二
分批灭菌的设计
• 分批灭菌过程： 升温、保温和 降温，灭菌主 要是在保温过 程中实现的， 在升温的后期 和冷却的初期， 培养基的温度 很高，因而对 灭菌也有一定 贡献。
T 灭菌温度 N1 保 温 N2 降 温
Ln(N1 / N2)
升 温
N Ln(N2 / N)
第一节 分批灭菌 二 分批灭菌的设计 1、分批灭菌的操作 将配好的培养基打入发酵罐，通入 蒸汽将培养基和所用的设备一起进行灭 菌，也称实罐灭菌。 优点： （1）不需专门的灭菌设备。 （2）对蒸汽的压力要求较低，在3～ 4×105Pa（表压）就可满足要求。 缺点：在灭菌过程中，蒸汽用量波动大， 造成锅炉负荷波动大。
升温段：
No ln Kdt AeE / RT dt N1 t 0 t0
T 灭菌温度
升 温 N0
to
N1
保 温
ln(N1 / N2)
N2 降 温 ln(N2 / N) t2 t3 N
ln(N0 / N1)
t1
time
保温段：Ln(N1/N2)= K(t2-t1) T一定，K是常数。 降温段：