2.培养基准备及培养基的灭菌设备

（3）维持设备的计算与设计
①维持罐的计算与设计 a．维持罐要做得瘦长些，一般取 H/D=2.0～2.5最佳。设备外壁要有保温 层。 b．物料在维持罐中停留的时间：根据计算 得到的理论灭菌时间×（3～5）倍。在 设计中一般取3倍。
①维持罐的计算与设计
c．维持罐容积
V维持罐体积 V物料流量
停留

e (e
KF W2 c2
KF W2 c2
1)

t1 f
t1 s
dt1 t1 t2 s
KF W2 c2
1)
t1s t2 s ln t1 f t2 s
（二）连续灭菌的设备及计算
将配制好的培养基在向发酵罐等
培养装臵输送的同时进行加热、 保温和冷却而进行灭菌。 工厂里也称连消。
1.1Gc(t f ts )
b．塔式加热器蒸汽导入管径
sv

4
d s
2 内
sv d内 0.785 3600s
c.加热塔塔身内径

4 ( D d )m Vm VS
2 内 2 外
Vm VS 2 d内 d外 0.785 3600m
d．加热塔有效塔高
V维持罐体积 V物料流量 停留
V维持罐体积 V封底 V圆筒 0.13D
3

4
D2 H
②管式维持器的计算与设计
a．要使培养基在管道内处于平推流（或称 活塞流）状态，Re＞10000。一般要求 培养基流速处于0.25～0.6m/s。 b．根据培养基的流量与培养基在管道里的 流速，即可计算出管道的直径，并根据 无缝钢管规格进行圆整。

在高温灭菌时糖类物质容易被破坏 且易和有机氮源相结合，并产生氨 基糖，而对微生物会产生一定的毒 性，严重时将会抑制微生物的生长 发育，破坏整个发酵代谢过程。
3．培养基实罐灭菌时间的计算

在工业化发酵生产中通常不考虑培养 基由室温升至121℃和由121℃冷却到 发酵培养温度这两个阶段的灭菌效应， 只是把保温维持阶段看作是培养基实 罐灭菌的时间。
Gc1 dt1 G c1dt1 W2 c2 t2 t2 s d d W2 c2 t2 t2 s 又有W2 c2 t2 t2 s KF tm
t1 t2 s t1 t2 KF
ln t1 t2 s t1 t2
1．实罐灭菌前的准备

为了保证灭菌的成功，在实罐灭菌 前，除培养基配制要注意溶解均一， 不要含有结块、结团物或异物外， 检查发酵罐的严密性尤为重要，特 别要检查与发酵罐直接相连的阀门 的严密性。
2．实罐灭菌操作过程
根据实罐灭菌过程，用表压
0.3～0.4MPa的饱和蒸汽把培养 基先加热升温到灭菌温度，保温 维持一段时间，再冷却降温到发 酵温度。
k Ae
E 1 N0 1 RT N 0 将上式代入 ln ，得： e ln k NS A NS
E lnK ln A RT
E 1 d ln K d( ) R T
液体培养基的制备及杀菌设备
• 培养基热灭菌的动力学
细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能
细菌死亡(kJ/mol) 活化能E 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
若考虑加热升温阶段的灭菌效应

升温阶段

培养基升温至T2时菌的总数由N0减少至NP
培养基实罐灭菌过程的热量计算
培养基实罐灭菌过程的热量计算

升温阶段间接加热
培养基实罐灭菌过程的热量计算

升温阶段
培养基实罐灭菌过程的热量计算

升温阶段直接加热
培养基实罐灭菌过程的热量计算

保温阶段
培养基实罐灭菌过程的热量计算
t1 t2 s t1e KF ln t2 t1 t2 W2 c2
KF W2 c2
t1 t2 s
KF W2 c2
e
冷却时间的计算
t2 t2 s t1e
KF W2 c2
t1 t2 s t2 s e e
KF W2 c2
KF W2 c2
t1 t2 s (e
连续灭菌系统设备
1、配料罐： 用于培养基的配制 2、预热罐：定容和预热 预热目的：使培养基在后续的加热 过程中能快速升温到指定的灭菌温 度，同时避免过多的蒸馏水进入培 养基，减少震动和噪声。
3.连消泵


输送培养基的泵一般可采用离心泵、旋涡泵、往 复泵等。 连续灭菌系统要求流量稳定，故目前比较理想的 连消泵是螺条泵。
e e
KF W2 c2
KF W2 c2
1)
KF W2 c2
Gc1 dt1 Gc1 d W2 c2 t2 t2 s W2 c2 Gc1 d 0 W2 c2 Gc1 W2 c2 e (e
KF W2 c2
(e
KF W2 c2
1)
dt1 t1 t2 s
实 罐 灭 菌 操 作 过 程
升温阶段
保温阶段
培养基冷 却阶段
实罐灭菌过程中要牢记：
凡是与培养基接触的管道都
要进蒸汽， 凡是不与培养基接触的管道 都要排汽。
实罐灭菌的质量优劣判别标准
培养基灭菌后达到无菌要求；
营养成分破坏少；
灭菌后培养基体积与计料体积相
符； 泡沫要少。
特别注意
2、培养基准备及培养基的 灭菌设备
培养基的灭菌

灭菌：利用物理或化学方法杀灭或除去
物料及设备中一切有生命物质的过程。
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。 对大部分微生物的培养，均需严格的灭菌。

保温阶段
培养基实罐灭菌过程的热量计算

冷却阶段
冷却水流量的计算
W2c2 t2 t2 s KF tm
t1 t2 s t1 t2 KF
t1 t2 s ln t1 t2
KF W2 t1 t2 s c2 ln t1 t2
冷却时间的计算


又称：间歇灭菌、分批灭菌、实消
将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定 灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温 度，然后接种发酵，又称分批灭菌。
• 分批灭菌（实罐灭菌）
要保证分批灭菌的成功，必须有： 1.内部结构合理，焊缝及轴封装置 可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐； 2.压力稳定的蒸汽； 3.合理的操作方法。
H=ωmτ=0.1τ
e．蒸汽导入管上的开孔与小孔数


蒸汽导入管的小孔与管壁的夹角呈45o， 小孔直径可取5～8mm。 小孔总面积=蒸汽导入管截面积的80 ％～100％
n

4
d
2 孔

4
d
2 内
n （
d内 d孔
）
2
（2）喷射式加热器
喷射式加热器的特点是蒸汽和物料密切 混合、加热在瞬间内完成。
• 分批灭菌（实罐灭菌）
灭菌时间的计算 例：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。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。
解：
N 0 40 106 2 107 8 1014 (个) N S 0.001 个） ( k 0.0287( s 1 ) 1 N0 t ln 23.9(min) k NS
1.喷嘴 2.吸入口 3.吸入室 4.混合喷嘴 5.混合段 6.扩大管
喷射式加热器
连 消 加 热 器
混合式连消塔
喷射式加热器的计算设计




喷射式加热器设计中，喷嘴的设计是关 键。 根据物料流量计算出喷嘴直径后，按比 例确定其他各部尺寸。 喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于 10mm。 延长混合段的长度有利于蒸汽与物料的 混合。
培养基实罐灭菌时间的计算
14845 lg K 36.127 T
N0 1 ln k Ns
培养基实罐灭菌时间的计算


发酵罐体积在40m3以下，可以不考虑加热 升温阶段的灭菌效应，这样可以避免复杂 的变温灭菌过程的计算。 在灭菌操作时不要人为地再延长灭菌时间 作为安全系数，这样会导致培养基营养成 分破坏过大。
可见，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，所以细菌的死亡速率要比营养成分的破坏速率快得多。 采用湿热法对液体培养基进行灭菌时，采用高温短时间的灭 菌方法，以减少营养成分的破坏。
•
培养基及发酵设备的灭菌
分批灭菌（实罐灭菌或实消） 空罐灭菌（空消） 连续灭菌（连消）
过滤器及管道灭菌
（一）实罐灭菌的计算
②管式维持器的计算与设计
c．培养基理论灭菌时间：
d．求取管式维持器的长度。 在Pe＞1000的前提下可取较小的值。 e．设备制造完成经密封性试验后，外臵保 温层。
1 N0 2.303 lg k Ns
6、降温设备（冷却设备）
保温后的培养基需迅速降温至
接近培养温度（40－45℃）。
冷却设备要求严密性好，冷却
连续灭菌系统设备流程
•
连续灭菌流程
灭菌时间的计算
例：有一发酵罐，内装培养基40m2，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。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。
解：
N 0 40 106 2 107 8 1014 (个) N S 0.001(个 ） k 0.25( s 1 ) t 1 N0 ln 2.7(m i n ) k NS
喷射式加热器的计算设计
a．加热塔内物料流量
G F 2g p
b．连消塔的容积
V=（Vm＋VS）·τ
5.保温设备（维持设备）
目的：将培养基维持灭菌温度 一段时间，是杀灭微生物的主 要过程。
（1）维持罐
（2）管式维持器
来自百度文库



可克服维持设备中物料的返混现象。 管式维持器外形酷似喷淋换热器，外壁包裹 保温层。 管式维持器的长度与管径由保温灭菌时间及 培养基的流量确定。 培养基在管式维持器中的流速可取0.3～ 0.6m/s，要保证培养基在管式维持器中流动 处于活塞流状态。
4、加热器
目的：使培养基在较短的时间
（20－30s）快速升温。 目前加热器使用得最广泛的加热 器有塔式加热器和喷射式加热器。
塔式加热器
又称连消塔、连消 器，这是一种汽液 混合型加热装臵
塔式加热器的设计
a．加热蒸汽的用量：
S Gc(t f ts ) i ct f i ct f (1 )
连续灭菌流程的优点
（1）提高产量，设备利用率高。 （2）与分批灭菌比较，培养液受热时间短， 培养基中营养成分破坏较少。 （3）产品质量较易控制；蒸汽负荷均衡， 操作方便。 （4）降低了劳动强度，适用于自动控制。
连续灭菌系统设备
培养基连续灭菌系统设备由 配料罐（池）、送料泵、预热罐、 连消泵、加热器、维持罐和冷却 器7个关键设备组成
效率高。
（1） 喷淋冷却器
喷淋冷却器
这种设备结构简单、清理维修方
便，管外结的水垢可以定期铲除， 料液不易染菌，冷却液呈膜状沿 管子外壁向下流动。
（2） 螺旋板式换热器
传热效率高， 结构紧凑，可 缩短冷却时间， 降低冷却水用 量，还可在室 内安装，效果 也很好。
对数残留公式与理论灭菌时间
微生物的受热死灭过程属于一级反应，所以： 上式积分：
dN kN d

NS
N0
dN k d 0 N
得：
1 N 0 2.303 N 0 ln lg k NS k NS
2.303 k
0 .9
液体培养基的制备及杀菌设备
培养基热灭菌的动力学 灭菌温度与菌死亡的反应速率常数的关系 E RT
灭菌方法


常用的灭菌方法有： （1）化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、 高锰酸钾、环氧乙烷等； （2）射线灭菌：x-射线、 β-射线、紫外线； （3）干热灭菌； （4）湿热灭菌； （5）过滤除菌

对于液体培养基，我国仍采用蒸汽加热 灭菌的较多。
液体培养基的制备及杀菌设备
培养基热灭菌的动力学