4-培养基的灭菌详解
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第三节 培养基的灭菌设备
发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染 杂菌，则会导致： ①基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生 产能力的下降； ②产物的提取或分离困难，造成收率降低或 使产品的质量下降； ③改变反应介质的pH，使生物反应发生变 化； ④分解产物，使生产过程失败； ⑤发生噬菌体污染，使生产过程失败。
为了保证培养过程的正常进行，防止染菌的发生， 对大部分微生物的培养，包括实验室操作和工业 生产，均需严格的灭菌。
液体培养基的灭菌的方法有： ⑴利用热能； ⑵利用化学药物； ⑶利用机械方法，例如过滤、离心分离、静电等 方法； ⑷采用x—射线、β—射线、紫外线、超声波、微 波、电磁波等对物料进行灭菌。
（二）培养基分批Βιβλιοθήκη Baidu菌
间歇灭菌的操作（如图）： 发酵罐的空气分过滤器灭菌并用空气吹干。 进料完毕，开搅拌以防料液沉淀。 开夹套蒸气阀，使料液预热升温至80℃，关闭夹套蒸气 阀门。 开空气、出料、取样阀门，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）。当升温至 110℃左右，控制进出汽阀门直至温度121 ℃，保温 30min。 保温结束后，关过滤器排气阀、排汽阀、进汽阀；关夹 套下水道阀；开冷却水进回水阀。 待罐压低于过滤器压力时，开空气进气阀通入无菌空气， 通入冷却水，将培养基温度降至培养温度。
连消塔加热的连续灭菌流程
2、喷射加热的连续灭菌流程
料液高速喷出，将蒸汽吸入与之混合。 培养基在指定的灭菌温度下逗留的时间由维持 段管子的长度来保证。
灭过菌的培
养基通过一膨 胀阀进入真空 冷却器而急速 冷却。
3、薄板换热器连续灭菌流程
培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维持 及冷却的过程。 由于待灭菌培养液的预热过程同时作为灭菌培养 液的冷却过程，因而节约了能耗。
（三）培养基连续灭菌
培养基连续灭菌的优点: (1)培养液受热时间短，营养成分破坏较少； (2) 设备利用率高； (3) 操作方便。适用于自动控制。 缺点:设备比较复杂，投资较大。 1、连消塔加热的连续灭菌流程（如下图 ） 待灭菌料液由连消泵送入连消塔底端，料液 在此被加热蒸汽立即加热到灭菌温度，由顶部 流出，进入维持罐，维持8～25min，后经喷淋 冷却器冷却到生产要求的温度。
取边界条件t0=0，N=N0，对（1）积分得
N0 ln kt N N N 0e k t 1 N0 t ln k N
上述公式即为液体热灭菌的
对数残留公式和理论灭菌时间公式。
2．十进衰减时间与反应速度常数k
⑴十进衰减时间t0.9 N 1 当 即＝90％时： N 0 10 t0.9 1 N0 1 2.303 ln ＝ ln10＝ k N k k
Ea dlnk 2 dT RT
式中，R——摩尔气体常量， A及Ea分别叫指前因子（或频
k Ae
Ea / RT
率因子）及活化能。
[Ea ]=J/mol ， A 的单位与 k 相同。
Ea lnk lnA RT
⑴从以上方程可以看出： ①活化能E的大小对k值有重大影响。其它条 件相同时，E越高，k越低，热死速率越慢。 ②不同菌的孢子的热死灭反应E各不相同。 ③反应的E越高，lnk 对T 的变化率越大，即T 的变化对k的影响越大。 ⑵试验表明，细菌孢子热死灭反应的E很高，而 某些有效（营养）成分热破坏反应的E较低。 培养基灭菌时将温度提高到一定程度，会加 速细菌孢子的死灭速度，稍微增大对有效成分 的破坏速度。但由于灭菌时间的显著缩短，有 效成分的破坏反而减少。
1．对数残留公式与理论灭菌时间
实验证明，杂菌在一定温度下受热死灭动力学符 合化学反应的一级反应动力学，即：
dN kN dt
N：任一时刻的活细菌浓度（个/L或个/mL） t： 灭菌时间（min或s） k：反应速率常数（min-1或s-1） 上式也可以解释成微生物减少的速率与任一瞬间 残留的菌数成正比。
思考题
1、液体培养基为何要灭菌？灭菌的方法有 哪些？ 2、请你推导出液体热灭菌的对数残留公式， 并与空气过滤除菌的对数穿透定律公式作 比较，说明其意义和应用范围。 3、为何培养基灭菌时选择高温短时？试应 用培养基灭菌动力学方程式说明之。 4、培养基连续灭菌的有何优点？阐述培养 基连续灭菌流程设备组成及其作用。
我国目前大都采用蒸汽加热灭菌。也称为 湿热灭菌法。 其优点是： ⑴可采用高温短时间，培养基的营养成分 的破坏较少， ⑵便于自动化，提高生产率。
（一）培养基热灭菌的动力学
在一定温度下，活的微生物杂菌细胞（包 括杂菌芽孢），受热死灭过程与一级化学 反应中反应物浓度随时间的减小相类似。 杂菌是一个复杂的高分子体系，其受热死 亡是因蛋白质高分子物质的不活性化，结 果导致蛋白质变性。这种反应同属于一级 反应。
⑵ k 值是判断微生物受热死亡难易程度的基本依 据。它的大小表示微生物受热死灭的快慢。k值愈 小，t 值越大，则该微生物愈耐热。 由于细菌芽孢的k值比生长期细菌和霉菌的k值小 得多，故湿热灭菌的程度要以杀死细菌的芽孢为 准。
3、温度对k的影响
微生物的热死灭动力学接近一级反应动力 学；它的反应速率常数k与灭菌温度T的关 系可用阿累尼乌斯方程表征
※板式换热器 薄板冲压成特殊形状，板与板之间的间隙 很窄。流体在狭窄弯曲的通道中流动时， 经过多次方向和流速的改变，使流程破坏， 产生湍流，强化传热过程，提高传热系数。
根据流体通过板间的流动方 式，分为条流板和网流板
根据流体流动路线， 分为直线流型和对 角流型两种
根据板型结构分为球面凸 纹板和波纹板等。波纹板 片又有水平纹波板、人字 形波纹板、圆弧形波纹板 和倾斜波纹板
发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染 杂菌，则会导致： ①基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生 产能力的下降； ②产物的提取或分离困难，造成收率降低或 使产品的质量下降； ③改变反应介质的pH，使生物反应发生变 化； ④分解产物，使生产过程失败； ⑤发生噬菌体污染，使生产过程失败。
为了保证培养过程的正常进行，防止染菌的发生， 对大部分微生物的培养，包括实验室操作和工业 生产，均需严格的灭菌。
液体培养基的灭菌的方法有： ⑴利用热能； ⑵利用化学药物； ⑶利用机械方法，例如过滤、离心分离、静电等 方法； ⑷采用x—射线、β—射线、紫外线、超声波、微 波、电磁波等对物料进行灭菌。
（二）培养基分批Βιβλιοθήκη Baidu菌
间歇灭菌的操作（如图）： 发酵罐的空气分过滤器灭菌并用空气吹干。 进料完毕，开搅拌以防料液沉淀。 开夹套蒸气阀，使料液预热升温至80℃，关闭夹套蒸气 阀门。 开空气、出料、取样阀门，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）。当升温至 110℃左右，控制进出汽阀门直至温度121 ℃，保温 30min。 保温结束后，关过滤器排气阀、排汽阀、进汽阀；关夹 套下水道阀；开冷却水进回水阀。 待罐压低于过滤器压力时，开空气进气阀通入无菌空气， 通入冷却水，将培养基温度降至培养温度。
连消塔加热的连续灭菌流程
2、喷射加热的连续灭菌流程
料液高速喷出，将蒸汽吸入与之混合。 培养基在指定的灭菌温度下逗留的时间由维持 段管子的长度来保证。
灭过菌的培
养基通过一膨 胀阀进入真空 冷却器而急速 冷却。
3、薄板换热器连续灭菌流程
培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维持 及冷却的过程。 由于待灭菌培养液的预热过程同时作为灭菌培养 液的冷却过程，因而节约了能耗。
（三）培养基连续灭菌
培养基连续灭菌的优点: (1)培养液受热时间短，营养成分破坏较少； (2) 设备利用率高； (3) 操作方便。适用于自动控制。 缺点:设备比较复杂，投资较大。 1、连消塔加热的连续灭菌流程（如下图 ） 待灭菌料液由连消泵送入连消塔底端，料液 在此被加热蒸汽立即加热到灭菌温度，由顶部 流出，进入维持罐，维持8～25min，后经喷淋 冷却器冷却到生产要求的温度。
取边界条件t0=0，N=N0，对（1）积分得
N0 ln kt N N N 0e k t 1 N0 t ln k N
上述公式即为液体热灭菌的
对数残留公式和理论灭菌时间公式。
2．十进衰减时间与反应速度常数k
⑴十进衰减时间t0.9 N 1 当 即＝90％时： N 0 10 t0.9 1 N0 1 2.303 ln ＝ ln10＝ k N k k
Ea dlnk 2 dT RT
式中，R——摩尔气体常量， A及Ea分别叫指前因子（或频
k Ae
Ea / RT
率因子）及活化能。
[Ea ]=J/mol ， A 的单位与 k 相同。
Ea lnk lnA RT
⑴从以上方程可以看出： ①活化能E的大小对k值有重大影响。其它条 件相同时，E越高，k越低，热死速率越慢。 ②不同菌的孢子的热死灭反应E各不相同。 ③反应的E越高，lnk 对T 的变化率越大，即T 的变化对k的影响越大。 ⑵试验表明，细菌孢子热死灭反应的E很高，而 某些有效（营养）成分热破坏反应的E较低。 培养基灭菌时将温度提高到一定程度，会加 速细菌孢子的死灭速度，稍微增大对有效成分 的破坏速度。但由于灭菌时间的显著缩短，有 效成分的破坏反而减少。
1．对数残留公式与理论灭菌时间
实验证明，杂菌在一定温度下受热死灭动力学符 合化学反应的一级反应动力学，即：
dN kN dt
N：任一时刻的活细菌浓度（个/L或个/mL） t： 灭菌时间（min或s） k：反应速率常数（min-1或s-1） 上式也可以解释成微生物减少的速率与任一瞬间 残留的菌数成正比。
思考题
1、液体培养基为何要灭菌？灭菌的方法有 哪些？ 2、请你推导出液体热灭菌的对数残留公式， 并与空气过滤除菌的对数穿透定律公式作 比较，说明其意义和应用范围。 3、为何培养基灭菌时选择高温短时？试应 用培养基灭菌动力学方程式说明之。 4、培养基连续灭菌的有何优点？阐述培养 基连续灭菌流程设备组成及其作用。
我国目前大都采用蒸汽加热灭菌。也称为 湿热灭菌法。 其优点是： ⑴可采用高温短时间，培养基的营养成分 的破坏较少， ⑵便于自动化，提高生产率。
（一）培养基热灭菌的动力学
在一定温度下，活的微生物杂菌细胞（包 括杂菌芽孢），受热死灭过程与一级化学 反应中反应物浓度随时间的减小相类似。 杂菌是一个复杂的高分子体系，其受热死 亡是因蛋白质高分子物质的不活性化，结 果导致蛋白质变性。这种反应同属于一级 反应。
⑵ k 值是判断微生物受热死亡难易程度的基本依 据。它的大小表示微生物受热死灭的快慢。k值愈 小，t 值越大，则该微生物愈耐热。 由于细菌芽孢的k值比生长期细菌和霉菌的k值小 得多，故湿热灭菌的程度要以杀死细菌的芽孢为 准。
3、温度对k的影响
微生物的热死灭动力学接近一级反应动力 学；它的反应速率常数k与灭菌温度T的关 系可用阿累尼乌斯方程表征
※板式换热器 薄板冲压成特殊形状，板与板之间的间隙 很窄。流体在狭窄弯曲的通道中流动时， 经过多次方向和流速的改变，使流程破坏， 产生湍流，强化传热过程，提高传热系数。
根据流体通过板间的流动方 式，分为条流板和网流板
根据流体流动路线， 分为直线流型和对 角流型两种
根据板型结构分为球面凸 纹板和波纹板等。波纹板 片又有水平纹波板、人字 形波纹板、圆弧形波纹板 和倾斜波纹板