(优选)培养基灭菌及设备
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3、N/N0 为灭菌程度的指标。 例如：培养基100m3，含菌105个/ml,，要求灭菌后存活菌数10-3
个/罐，则N0/N = (100×106×105 /10-3) = 1016，为计算方便， 取 ln(N0/N )=36.8
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。
❖——① 杂菌孢子的热灭死动力学 ❖——② 反应器的形式和操作方式 ❖——③ 培养基中有效成分受热破坏的可接受
范围
（二）微生物的热死灭动力学方程
1、对数残留定律
对数残留定律：实验证明，对培养基进 行湿热灭菌时，培养基中微生物受热死 亡的速率与残存的微生物数量成正比。 即微生物营养细胞的均相热死灭菌动力 学符合化学反应的一级反应动力学。即：
发酵罐常用的阀门种类：
❖人工启闭：截止阀、闸门阀、针形阀、 橡皮隔膜阀
❖自动启闭：止逆阀、安全阀 ❖自动控制：电磁阀
三、分批灭菌的设计计算
（一）分批灭菌的操作
分批灭菌（间歇灭菌、实罐灭菌、实消）
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（一般是发酵罐）一起进行灭菌，也称实罐灭菌。这 种方法不需专门的灭菌设备，在发酵罐中进行，灭菌效果可 靠。分批灭菌对蒸汽的压力要求较低，在3～4×105Pa（表压） 就可满足要求，但在灭菌过程中，蒸汽用量波动大，造成锅 炉负荷波动大。
（二）微生物的耐热性
1、1/10衰减时间按何热死速度常数 2、热死时间 3、热死温度 4、热阻及相对热阻
三、培养基的灭菌
（一）培养基湿热灭菌需解决的工程问题 （1）将培养基中的杂菌总数N0 杀灭到可
以接受的总数N（10-3）， 需要多高的温 度、多长的时间为合理。
（2）灭菌温度和时间的确定取决于：
dC
d
KdC
对方程
ln K lnA E RT
两边对T取导数，得
方程：
d lnK
E
dT
R
由方程可得出结论：反应的ΔE越高，lnK对T的 变化率越大，即T的变化对K的影响越大试验表 明，细菌孢子热死灭反应的ΔE很高，而某些有 效成分热破坏反应的ΔE较低。
将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭 速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的ΔE很低， 温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭 菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少。
四、影响培养湿热灭菌的因素
（1）pH：影响微生物的耐热性。一般， pH 6.0~8.0时，微生物最不容易死亡。
（2）培养基成分：油脂、糖类及一定浓 度的蛋白质都回增加微生物的耐热性；高 浓度的盐类、色素则会削弱其耐热性。
（3）气泡：影响传热。 （4）颗粒：大颗粒（1mm以上）的传热
系数很低，使灭菌不彻底。
上式转换：
ln K lnA E RT
可以看出：
（1）活化能ΔE的大小对K值有重大影响。 其它条件相同时，ΔE越高，K越低，热死速 率越慢。
（2）不同菌的孢子的热死灭反应ΔE可能各 不相同。
将ΔE/R 作为微生物受热死亡时对温度敏感 性的度量。
培养基中的某些营养物质也会受热破坏， 其反应动力学方程也可看作一级反应：
在发酵罐中进行实罐灭菌，是典型的分批灭菌。全过程 包括升温、保温、降温三个过程。
分批灭菌的优缺点
优点：1. 设备投资较少 2. 染菌的危险性较小 3. 人工操作较方便 4. 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜
缺点：灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波 动大，一般只限于中小型发酵装置。
保证分批灭菌成功 的要素
第2节 培养基灭菌的工程设计
一、灭菌对象和无菌标准
灭菌对象：应选择耐热杆菌芽孢 无菌标准：常取N=NS=10-3
二、发酵罐的管道与阀门
（一）管道的连接方式
螺纹连接：上下水管 焊接：物料、蒸汽、腐蚀性介质输送管道 法兰连接：需经常维修或易燃易爆车间的
管道 承插连接：铸铁水管
（二）用于发酵罐的阀门
dN KN
d
N：任一时刻的活细菌浓度（个/L） t：时间（s） K：比热死速率常数（s-1）
取边界条件t0 = 0，N = N0，对（1）积分 得
ln
N N0
K
或 τ 1 ln N0 KN
N/N0 即为湿热灭菌中微生物的存活率。
2、耐热细菌芽孢的热死模型
菌体相继死亡模型：
NR → NS → ND 热死动力学方程：
（优选）培养基灭菌及设备
3、干热灭菌 160℃～250℃干燥保温。用于须保持干燥
的器具和材料。
4、湿热灭菌 高压饱和蒸汽。通常120℃维持20～
30min。
5、过滤除菌
二、微生物的热死及耐热性
（一）湿热灭菌的原理
每一种微生物都有一定的最适生长温度 范围。当微生物处于最低温度以下时， 代谢作用几乎停止而处于休眠状态。当 温度超过最高限度时，微生物细胞中的 原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性， 使微生物在很短时间内死亡，加热灭菌 即是根据微生物这一特性而进行的。
N N0
KR KR Ks
[
exp (Ksτ)
Ks KR
exp (
K R τ)]
（三）温度对死亡速率的影响
微生物的热死亡动力学接近一级反应动力 学，它的比热死亡速率常数K与灭菌温度 T的关系可用阿累尼乌斯方程表征：
K A eE / RT
A：频率因子（s-1） ΔE：死亡活化能（J/mol） R：通用气体常数[8.314J/（mol.k）] T：热力学温度（K）
➢ 内部结构合理(主要是 无死角)，焊缝及轴封 装置可靠，蛇管无穿 孔现象
➢ 压力稳定的蒸汽 ➢ 合理的操作方法。
发酵罐的接管图
பைடு நூலகம் （二）基础条件的确定
1、污染度N0 ：一般假定位104～106个/ml 2、灭菌度N：实际计算时取N ＝10-3，即处理1000只有一个或微
生物（一般是针对周期长，成本高的发酵）。
ln N0/N =36.8是总的判据，是由升温、保温、降温三段实现 的。
4、污染菌的热死特性 要了解是否符合对数残留定律，确定K，A，E的值。对不 同细胞，选取不同的T和t。
5、培养罐中温度与时间的关系 大量培养液分批灭菌时，加热和冷却时 间不能忽略。总灭 菌时间等于升温、保温和降温三段时间之和。
个/罐，则N0/N = (100×106×105 /10-3) = 1016，为计算方便， 取 ln(N0/N )=36.8
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。
❖——① 杂菌孢子的热灭死动力学 ❖——② 反应器的形式和操作方式 ❖——③ 培养基中有效成分受热破坏的可接受
范围
（二）微生物的热死灭动力学方程
1、对数残留定律
对数残留定律：实验证明，对培养基进 行湿热灭菌时，培养基中微生物受热死 亡的速率与残存的微生物数量成正比。 即微生物营养细胞的均相热死灭菌动力 学符合化学反应的一级反应动力学。即：
发酵罐常用的阀门种类：
❖人工启闭：截止阀、闸门阀、针形阀、 橡皮隔膜阀
❖自动启闭：止逆阀、安全阀 ❖自动控制：电磁阀
三、分批灭菌的设计计算
（一）分批灭菌的操作
分批灭菌（间歇灭菌、实罐灭菌、实消）
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（一般是发酵罐）一起进行灭菌，也称实罐灭菌。这 种方法不需专门的灭菌设备，在发酵罐中进行，灭菌效果可 靠。分批灭菌对蒸汽的压力要求较低，在3～4×105Pa（表压） 就可满足要求，但在灭菌过程中，蒸汽用量波动大，造成锅 炉负荷波动大。
（二）微生物的耐热性
1、1/10衰减时间按何热死速度常数 2、热死时间 3、热死温度 4、热阻及相对热阻
三、培养基的灭菌
（一）培养基湿热灭菌需解决的工程问题 （1）将培养基中的杂菌总数N0 杀灭到可
以接受的总数N（10-3）， 需要多高的温 度、多长的时间为合理。
（2）灭菌温度和时间的确定取决于：
dC
d
KdC
对方程
ln K lnA E RT
两边对T取导数，得
方程：
d lnK
E
dT
R
由方程可得出结论：反应的ΔE越高，lnK对T的 变化率越大，即T的变化对K的影响越大试验表 明，细菌孢子热死灭反应的ΔE很高，而某些有 效成分热破坏反应的ΔE较低。
将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭 速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的ΔE很低， 温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭 菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少。
四、影响培养湿热灭菌的因素
（1）pH：影响微生物的耐热性。一般， pH 6.0~8.0时，微生物最不容易死亡。
（2）培养基成分：油脂、糖类及一定浓 度的蛋白质都回增加微生物的耐热性；高 浓度的盐类、色素则会削弱其耐热性。
（3）气泡：影响传热。 （4）颗粒：大颗粒（1mm以上）的传热
系数很低，使灭菌不彻底。
上式转换：
ln K lnA E RT
可以看出：
（1）活化能ΔE的大小对K值有重大影响。 其它条件相同时，ΔE越高，K越低，热死速 率越慢。
（2）不同菌的孢子的热死灭反应ΔE可能各 不相同。
将ΔE/R 作为微生物受热死亡时对温度敏感 性的度量。
培养基中的某些营养物质也会受热破坏， 其反应动力学方程也可看作一级反应：
在发酵罐中进行实罐灭菌，是典型的分批灭菌。全过程 包括升温、保温、降温三个过程。
分批灭菌的优缺点
优点：1. 设备投资较少 2. 染菌的危险性较小 3. 人工操作较方便 4. 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜
缺点：灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波 动大，一般只限于中小型发酵装置。
保证分批灭菌成功 的要素
第2节 培养基灭菌的工程设计
一、灭菌对象和无菌标准
灭菌对象：应选择耐热杆菌芽孢 无菌标准：常取N=NS=10-3
二、发酵罐的管道与阀门
（一）管道的连接方式
螺纹连接：上下水管 焊接：物料、蒸汽、腐蚀性介质输送管道 法兰连接：需经常维修或易燃易爆车间的
管道 承插连接：铸铁水管
（二）用于发酵罐的阀门
dN KN
d
N：任一时刻的活细菌浓度（个/L） t：时间（s） K：比热死速率常数（s-1）
取边界条件t0 = 0，N = N0，对（1）积分 得
ln
N N0
K
或 τ 1 ln N0 KN
N/N0 即为湿热灭菌中微生物的存活率。
2、耐热细菌芽孢的热死模型
菌体相继死亡模型：
NR → NS → ND 热死动力学方程：
（优选）培养基灭菌及设备
3、干热灭菌 160℃～250℃干燥保温。用于须保持干燥
的器具和材料。
4、湿热灭菌 高压饱和蒸汽。通常120℃维持20～
30min。
5、过滤除菌
二、微生物的热死及耐热性
（一）湿热灭菌的原理
每一种微生物都有一定的最适生长温度 范围。当微生物处于最低温度以下时， 代谢作用几乎停止而处于休眠状态。当 温度超过最高限度时，微生物细胞中的 原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性， 使微生物在很短时间内死亡，加热灭菌 即是根据微生物这一特性而进行的。
N N0
KR KR Ks
[
exp (Ksτ)
Ks KR
exp (
K R τ)]
（三）温度对死亡速率的影响
微生物的热死亡动力学接近一级反应动力 学，它的比热死亡速率常数K与灭菌温度 T的关系可用阿累尼乌斯方程表征：
K A eE / RT
A：频率因子（s-1） ΔE：死亡活化能（J/mol） R：通用气体常数[8.314J/（mol.k）] T：热力学温度（K）
➢ 内部结构合理(主要是 无死角)，焊缝及轴封 装置可靠，蛇管无穿 孔现象
➢ 压力稳定的蒸汽 ➢ 合理的操作方法。
发酵罐的接管图
பைடு நூலகம் （二）基础条件的确定
1、污染度N0 ：一般假定位104～106个/ml 2、灭菌度N：实际计算时取N ＝10-3，即处理1000只有一个或微
生物（一般是针对周期长，成本高的发酵）。
ln N0/N =36.8是总的判据，是由升温、保温、降温三段实现 的。
4、污染菌的热死特性 要了解是否符合对数残留定律，确定K，A，E的值。对不 同细胞，选取不同的T和t。
5、培养罐中温度与时间的关系 大量培养液分批灭菌时，加热和冷却时 间不能忽略。总灭 菌时间等于升温、保温和降温三段时间之和。