第四章 工业发酵灭菌

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破坏,引起不可逆的变性,使微生物死亡。
热阻:微生物在某一种条件下的致死时间。
适用范围;广泛用于生产设备、培养基的灭菌。
同温下相对于干热灭菌,杀菌效力更强。 原因: (1)湿热条件下,菌体吸收水分,蛋白质更易凝 固。原因:含水量加大,所需凝固温度降低。 (2)湿热蒸汽的穿透力大 (3)湿热的蒸汽有潜热存在 湿热灭菌方法分为:煮沸灭菌法、巴氏消毒法、间 歇式、高压蒸汽灭菌法
二、培养基的灭菌方法
(一)分批灭菌 是在每批培养基全部流入发酵罐后,就在罐内通入蒸汽,加 热至灭菌温度后,维持一定时间,再冷却到接种温度。实罐 灭菌时,发酵罐与培养基一起灭菌。 特点:不需要其他附属设备,操作简单,为常用的灭菌方法 缺点:加热和冷却时间长,营养随时间增长而降低,发酵罐利 用率低,不能采用高温快速灭菌工艺。 罐体容积越大,,加热和冷却时间越长。 分批灭菌时间:T总=t1+t2+t3。其中t1、t2、t3分别为加热、维 持、冷却时间 注意事项:预热时间、操作、管道的衔接处等的灭菌问题
蒸汽不直接与培养基接触,通过热交换器对培养基加热 热交换器有:板式和螺旋板式两种 螺旋板式特点:适用于含固行悬浮物的培养基灭菌。流道宽, 流速快,减少热交换器表面的结垢。 灭菌过程:新鲜培养基→残热回收器→加热到90~120℃ → 第二个热交换器→140 ℃ →维持30~120S → 第三个热交换器(冷却) →到符合要求温度的 培养基(20~30S) 注意:含淀粉的培养基,要水或酶解 含颗粒的培养基,增加灭菌时间
煮沸法:
将要消毒的物品放入水中煮沸(100度)。
煮沸时间:
15—20分,杀死微生物营养细胞
1—2h,杀死芽孢。加碳酸钠或石炭酸(0.5%)
对象:适用食品或器材的消毒
巴氏消毒法: 待消毒的物体在60~62℃加热30min或在70℃加热 15min,杀死病原菌和一部分微生物。 对象:牛奶、啤酒、黄酒、酱油等食品 特点:不损害某些食品的营养价值和色香味 举例:啤酒的灭菌
三、发酵设备灭菌
1、实罐灭菌:培养基同发酵罐一起灭菌 2、培养基连续灭菌:空罐先灭菌。 方法:蒸汽,压力为0.147~0.180Mpa,45~60min.空消 之后不能立即冷却,用无菌空气保压,灭菌后的培养基或 相关物料输入后,冷却。发酵用。 附属设备灭菌: (1)分空气过滤器。发酵罐前灭菌 (2)补料罐:灭菌温度确定要视物料情况 (3)补料管路、消泡剂管路与补料罐、油管等同时灭 菌

几个概念: 消毒:用物理或化学方法杀死物料、容器、环境 中的一切病原微生物(表面)一般只能杀死营养 细胞而不能杀死细菌芽孢。

灭菌:用物理或化学方法杀死或除去所有微生物 除菌:采用过滤方法除去空气或液体中的微生物 或孢子。
第一节 灭菌方法

一、灭菌方法 1 热灭菌法 2 辐射灭菌法 3 化学灭菌法 4 过滤除菌法
注意事项:紫外线穿透率力底,只能用于表面灭 菌。30W紫外线灯照射30min ,可取到杀菌效果。 一般和化学试剂合用

紫外线灭菌机理: 使微生物的DNA链断裂,破坏核糖和磷酸的连接 引起DNA分子内或分子间氢键断裂,使微生物死 亡
化学灭菌法 化学灭菌法:化学药品直接作用于微生物将其杀死 的方法。 适用范围:生产车间、无菌室、实验室、接种前的 小型器具及手的消毒。 使用方法:浸泡、添加、擦拭、喷洒等
工业发酵灭菌
课程目标

1、理解工业发酵常用灭菌方法的基本原理和适用范围 2、掌握工业发酵培养基和发酵罐设备的灭菌工艺的选择 3、掌握无菌空气制备的基本知识和典型工艺流程
概述

1、发酵工业大都是纯种培养,生产过程只能有生 产菌,不允许有其他菌(危害)

2、保证纯种发酵,在生产菌种接种之前要对培养 基、空气系统、流加料、发酵罐及管道系统等灭 菌,对环境要消毒.
第三节 空气除菌

概述
1、需氧发酵需要氧气,特别是深层发酵要不断将空气通入 发酵罐。 2、空气中有微生物和灰尘等,在通入发酵罐前要严格处理 3、发酵类型不同,对于空气的无菌程度要求不同。 4、发酵工业无菌空气的制备方法:介质过滤除菌法
一、空气中的微生物分布特点
附着在尘埃和雾沫上、数量和分布随地区、高低、季节、空 气中尘埃多少不同而不同。
三、介质过滤除菌
按机制分:绝对介质过滤除菌、深层介质过滤除菌 (一) 绝对介质过滤除菌 过滤介质之间的空隙小于被滤除微生物。过滤介质 是各种微孔滤膜。由超细纤维制成,孔径小于 0.45um. 工业化:折叠膜滤芯的过滤器。 (二)深层介质过滤除菌 过滤介质空隙和过滤介质纤维的直径大于被除去微生 物。


(四)深层空气过滤介质
两种:1、纤维状物或颗粒状物为介质构成的过滤器 2、滤纸、滤棒、滤板构成的过滤器



四、空气过滤除菌工艺流程 1、空气冷却过滤流程
空气→粗过滤→压缩机→升温→贮罐→冷却器(除油水等) →总过滤器→无菌空气 2、两极冷却除菌流程 空气→粗过滤→压缩机→升温→贮罐→冷却器(油水等) →旋风分离器分离→冷却器(较小的雾粒) →网丝分离 器分离→过滤器→无菌空气 3、高效前置过滤除菌流程 空气→高效前置过滤器→压缩机→升温→贮罐→冷却器→ 丝网分离器→加热器→过滤器→无菌空气
1、热灭菌法:
原理:加热使微生物蛋白质变性
包括:干热灭菌法、湿热灭菌法
(1 ) 干热灭菌法
火焰灭菌:采用火焰直接杀死微生物。如接种针、接
种环等的灭菌。该方法应用范围有限。
干热灭菌: 概念:在红外线或电热作用下,在设备内加热,主 要用于保持干燥的物料、器具等灭菌。 方法:常用在烘箱内,烘箱内的温度160~170度, 维持1~2小时
间歇灭菌法: 采用反复几次常压蒸汽灭菌法。杀死微生物营养体 和芽孢。 具体方法:待灭菌物品,放入灭菌器中加热到 100℃,维持30~60min ,取出,冷却,37℃恒 温箱中培养1小时,次日同法处理。共三次 对象:不宜高压灭菌的物质。如糖类明胶牛奶培养 基等
高压蒸汽灭菌: 主要使用密闭的高压蒸汽灭菌锅。使用广泛。 方法:压力0.1MPa,温度121度,维持15—30min. 注意事项:灭菌完毕,缓缓减压
2、影响培养基灭菌效果的因素
(1)培养基的成分 油脂、糖类、蛋白质、低质量分数(1%--2%)NaCl溶液 (2)pH值: pH为6—8,微生物最耐热, pH小于6,氢离 子易渗入微生物细胞内,改变细胞生理反应促使其死亡。 pH愈低,灭菌所需时间愈短。 (3)培养基中的颗粒。颗粒大,灭菌易;颗粒小,灭菌难 (4)泡沫:泡沫中的空气形成隔热层,传热困难。难以杀 死微生物。
(2)喷射加热、维持管和真空冷却器组成的连消系统 蒸汽直接喷入培养基中,培养液急速升温到预定灭菌温度, 培养基在此温度下,维持一定时间后,通过一膨胀阀进入 真空冷却器而迅速冷却。保证培养基先进先出,避免过热 或灭菌不彻底。 优点:升温快、营养成分损失少、 缺点:培养基随蒸汽冷凝而稀释。
2、蒸汽间接加热连续灭菌系统
总结优缺点: 湿热灭菌优点:蒸汽来源容易、蒸汽穿透力强,灭 菌彻底、蒸汽有很大潜热、可调节压强 湿热灭菌的缺点:设备费用高,不能用于怕受潮的 物料的灭菌。


2 辐射灭菌
辐射灭菌:利用高能量的电磁辐射和微粒辐射来
杀死微生物。紫外线最为常用。

适用范围:接种室,超净工作台、无菌培养室及
物质表面。



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除菌机制:网格阻碍气流直线前进,气流改变方向和速度, 引起微粒与滤层纤维产生碰撞、阻截、静电吸附和扩散等。 被截流在介质中。 (1)、惯性碰撞作用:微粒惯性较大,不能及时改变方 向,冲到县委表面,摩擦黏附。作用大小取决于颗粒的动 能、纤维阻力、气流速度。其与气流速度成正比。 (2)、阻截作用 气流速度降到临界速度以下时,纤维对 微粒的捕集效率增加。 (3)、扩散作用 布朗运动。在很慢的气流和较小的纤维 间隙中,扩散作用大大增加 (4)、重力沉降作用 与阻截作用相配合,增强了阻截捕 集作用 (5)、静电吸附


制备无菌空气注意:1、提高空气进入压缩机的洁净度 2、 除尽压缩空气中的油水 提高空气洁净度方法:1、提高吸气口的高度 2、先经过 粗效过滤器
1、蒸汽直接加热连续灭菌系统
定义:蒸汽直接加入到培养基中,快速加热到杀菌温 度,维持一段时间,冷却到发酵温度的过程。分两 种形式: (1)连消塔、维持罐和冷却器组成连续灭菌系统 配料罐将培养基预热到60—70度,防止培养基在杀 菌时料液与蒸汽温度相差过大,而产生水汽撞击声 (危害) 连消塔使培养基迅速升温(20s)(126—132度) 维持塔:使培养基温度保持在灭菌温度下一段时间 (5—7min) 冷却塔:将培养基迅速冷却到40—50度,输送到灭菌 后的发酵罐内。
注意:不能超过180度、灭菌物体不能放得太紧、 降温时缓缓进行、温度降到80度以下时才能开烘 箱门。 原理:氧化作用 缺点:干热的穿透力弱,微生物对干热的耐受力比 湿热强很多,需要的灭菌温度相比较要高,时间 要长。
(2 ) 湿热灭菌
原理:借助蒸汽释放的热,使微生物细胞中的蛋白
质、核酸、酶分子内的化学键,特别是氢键受到
化学灭菌机理
化学物质容易与微生物细胞中的某种成分产生化学 反应。如蛋白质变性、酶类失活、破坏细胞膜通 透性,杀灭微生物。
注:不适合培养基的灭菌,适用于局部空间或器械
的灭菌。 例:P46 常用化学灭菌剂,共7种
第二节 培养基和发酵设备的灭菌

一、培养基灭菌条件的选择 条件选择原则:能达到灭菌、营养基成分破坏最少。 1、灭菌温度和时间选择:(对数残留定律) 营养成分破坏分解反应:dc/dt=-kc(k为速率常数) 阿累尼乌斯方程:K’=A’e-E’/RT (1) 菌体死亡也属一级动力学:K=Ae-E/RT (2) 由(1)和(2),得到 结论:随着温度的升高,灭菌反应速度常数的增加倍数大于 营养成分破坏反应速度常数增加的倍数。用Q10表示。 灭菌方法:采取高温快速灭菌
(二)、连续灭菌(连消)
指培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备连续的加热灭 菌冷却后送入已灭菌的发酵罐的灭菌工艺过程。 温度:126—132度, 总蒸汽压力:0.044—0.049MPa以上。 优点:营养成分破坏少,发酵罐非生产占用时间短, 容积利用率高,蒸汽负荷均匀,锅炉利用率高,适 用于工业化生产。 缺点:不能用于黏度大、固形物含量高的培养基;增 加了连续灭菌设备、增加了染菌概率。 分类:按设备和工艺来分:(1)蒸汽直接加热连续 灭菌 (2)蒸汽间接加热连续 灭菌
(三)介质除菌效率
概念:指被介质层捕集的尘埃颗粒数与空气中原有的颗粒 数的比。 实质:空气中的微生物大大延长了在空气中的停留时间,在 发酵周期内,保证不让空气中的杂菌漏进发酵罐内。
公式:P=N2/N1 P为透过率,N1为过滤前的微粒数,N2为 过滤后的微粒数
除菌效率:η= (N1-N2)/ N1=1 - P 注意:在实际生产中, N2 取0.001.含义是1000次发酵中有 一次因空气带菌而染菌。
二、空气除菌方法
加热灭菌法、静电除菌法、介质过滤除菌法。 (一)加热灭菌法:将空气加热到一定温度,维持一段时间, 杀灭空气中微生物的方法。工业化采用空气空气压缩过程产 生的热量灭菌。(对于无菌程度要求不高的发酵过程可采用) (二)静电除菌。灰尘和细菌的空气,产生电离,产生的离子 使灰尘和微生物成为载电体,捕集在电极上。 (三)介质过滤除菌:空气通过经高温灭菌过的介质过滤层, 微生物等颗粒阻截在介质层。工业上大多数采用。
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