第三章__培养基的制备和灭菌设备

蒸汽
喷射加热器
真空
生培养液
❖培养基用泵打入喷射加
膨胀阀
热器与蒸汽混合升温
维持管
急聚蒸发室
❖进入管道维持器保温
一定时间
❖进入真空闪急蒸发室
灭菌好的培养液
冷却降温
. 图 2-5 加 热 -真 空 冷 却 连 续 灭 菌 流 程
特点
20s
2-3min
20s
144℃
❖ 加热和冷却在瞬间完成，
温 度
营养成分破坏最少 27℃
4
6
7
5
接混合升温 1
3
❖ 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
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
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
3dG1C A T2dT
0
W2C A1T 1 Tt1
冷却降温时间：
3G1C AlnT1t1
W2CA1 T2t1
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：
S1 GC1(T2 T1)
I
式中：I—加热蒸汽的焓，kJ/kg
λ—冷凝水的焓，kJ/kg
❖ 培养液的预热过程同时为灭菌后培养液的冷却过 程，减少了加热蒸汽和冷却水的用量
.
4、设备构造和计算
（1）连消塔
作用：加热培养基至灭菌 温度
蒸汽
出料口
培养液
要求：在20s~30s或更短 的
时间内将料液加热 至130℃~140℃ 培 养 液 类型：套管式、混合式
排液口
蒸汽进口 进料口
.
图 2 -7 连 消 塔 的 构 造
❖ 冷却降温时间：（双变量不稳定传热）
冷却水：
d dQ kF tmW2C (tt1)t
移项：
Biblioteka Baidu
KF t t1 WC2 tm
GT 冷t1却水
平均温度差：
tm(Tltn1)T(T t1t)lntTt1t1
Tt
Tt
.
两式合并：
KFtt1lnTt1 W2C tm Tt
KF
eWC2
T t1
T t
设
KF
AeW C2
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
①.加热设备：加热均匀， 1 4 4 ℃ 2 0 s 2 - 3 m i n 2 0 s 快速升温到灭菌温度
（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
（时间一致）
27℃
③.冷却设备：传热速率高，
尽快冷却到发酵要求
时 间 (min)
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 .
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
2
❖ 培养基用泵打入 连消塔与蒸汽直
❖ 管道维持器保证物料先
时 间 (min)
进先出，缩短保温时间 图 2 - 3 培 养 基 连 续 灭 菌 过 程 中 温 度 的 变 化 蒸汽
❖ 真空冷却器需要安装一 生 培 养 液 喷 射 加 热 器
真空
台出料泵，或将其置于 发酵罐10m以上的高处
维持管
膨胀阀 急聚蒸发室
❖ 真空冷却可能造成培养 基重新污染
灭菌好的培养液
.
图 2-5 加 热 -真 空 冷 却 连 续 灭 菌 流 程
③.板式换热连续灭菌流程 流程：薄板换热器加热、管道维持、薄板换
热器冷却
灭菌好的培养液
蒸汽
水冷 却段
热回 收段
加热 段
冷却水
生培养液
维持段
图 2-6 薄 板.换 热 器 连 续 灭 菌 流 程
特点
❖ 在一台薄板换热器中完成培养液的预热、加热及 冷却三个过程
.
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： dQkF(Tt) 蒸汽 T
d
Gt
培养基： dQGC1dt
两式合并： 上式积分：
GC1dt kF(Tt)
d
01dG K.C F 1 tt12Td-tt
冷凝水
间接加热时间： 1 GC1lnTt1
N0 40106 2107 81014(个) NS 0.001(个） k 0.0287(s1) t 1 ln N0 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 灭菌失败的几率为0.001所需的时间。 解：
图 2 -8 连 消 器 的 构 造
结构
蒸汽
用两根以上管子套合组成
内管壁上开有45°向下倾 斜的小孔，孔径一般为
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/m3·h·℃ 、 ρ=1000kg/m3）
lnA
W KF C2ln A
A lnA KF3
A1
GC1lnT1t1
计算W和Q
T2 t1
.
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
❖ 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℃
.
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
❖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：
N0 40106 2107 81014(个) NS 0.001(个） k 0.25(s1) t 1 ln N0 2.7(min)
k NS
.
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)
❖ 升温：将培养基置于 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
上式积分
NS dNk d
N N0
0
.
对数残留定律 1lnN0 2.30l3gN0
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
不考虑升、降温阶段的灭菌作用时：
保温时间： 21lnN0 2.30l3gN0
（灭菌时间）
k NS k
计算升温阶段的灭菌作用时：∵
NS
p
1 ln N0
km Np
∴
Np
N0 e km p
式中：τp—升温时间，h （一般是指从100℃到灭菌温度的时间）
.
km—τp阶段的平均灭菌速率常数，s-1
T2 kdT
KF Tt2
式中：τ1—间接加热时间，h
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 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，℃
② 维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） ❖ 维持保温时间：
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？
.
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
❖ 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；灭 菌所需时间较长，使培养基中营养成 分破坏较多；用汽不平衡 适用：生产规模较小或极易发泡、粘度较大 难以连续灭菌的培养基灭菌
km T1 T1T 2
近似计算：
1 km (k1k24k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： 21lnNp 2.30l3gNp
k NS. k NS
③ 冷却降温阶段（间接冷却到发酵温度）
保温蒸汽用量：
S2 1.19F2 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
KF
A eWC2
计算冷却时间τ3和冷却水用量 Q= W τ3
要求τ3时间完成冷却，试差求A
3
GC1 KF
A lnT1t1 A1 T2t1
E
k Ae 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
活化能E
细菌死亡(kJ/mol) 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
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 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
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，使所有管道 都被加热蒸汽（或二次蒸 汽）经过而实现热灭菌 ❖ 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、 进汽阀门
T t1
T t
则 t T T t1 A
.
培养基： dQGC 1dT
∵
d dQ Gd1C dTW2C (tt1)
W2C (TTt1t1) A
WC2(Tt1)TA t1
1 WC 2(Tt1)1( )
A
.
∴ dG1C 1 dTG1C A dT
W2C 11Tt1 W2C A1Tt1 A
上式积分：
.
（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） ④ 2、加热和冷却介质用量 ⑤ 加热蒸汽用量（热量衡算） ⑥ 保温蒸汽用量（估算） ⑦ 冷却水用量 （冷却水流量和冷却时间）
（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
dN kN
d
式中： τ——受热时间 N——活菌个数 k——反应速率常数，随反应温度变化