1、 单元三单元三 灭菌技术灭菌技术教学目的与要求：教学目的与要求：了解灭菌的概念及必要性，掌握灭了解灭菌的概念及必要性，掌握灭菌方法、湿热灭菌的原理、微生物的热死动力学、影菌方法、湿热灭菌的原理、微生物的热死动力学、影响培养基灭菌的因素，以达到在工业生产上能进行简响培养基灭菌的因素，以达到在工业生产上能进行简单的灭菌操作，并且能应用该理论解决简单的实际问单的灭菌操作，并且能应用该理论解决简单的实际问题。题。2022-7-311第1页，共103页。教学重点：教学重点：微生物的热死动力学、影响培养基灭菌微生物的热死动力学、影响培养基灭菌的因素、分批灭菌设计、连续灭菌设计的因素、分批灭菌设计、连续灭菌
2、设计 教学难点：教学难点：分批灭菌设计、连续灭菌设计分批灭菌设计、连续灭菌设计 2022-7-312第2页，共103页。绝大多数的发酵过程需要在无菌条件下进绝大多数的发酵过程需要在无菌条件下进行，因此培养基的灭菌必须合理的设计，使之既行，因此培养基的灭菌必须合理的设计，使之既能达到所需的无菌程度，又能保证培养基中有效能达到所需的无菌程度，又能保证培养基中有效成分的破坏在允许的围之内成分的破坏在允许的围之内,培养基的优劣直接关培养基的优劣直接关系到实验和研究的成败与否及微生物发酵生产的系到实验和研究的成败与否及微生物发酵生产的效率。效率。2022-7-313第3页，共103页。主要内容主要内容1
3、.1.灭菌的概念和必要性灭菌的概念和必要性2.2.灭菌的方法灭菌的方法3.3.湿热灭菌的原理湿热灭菌的原理4.4.培养基在工程上要解决的课题培养基在工程上要解决的课题5.5.微生物的热死动力学微生物的热死动力学6.6.影响培养基灭菌的因素影响培养基灭菌的因素7.7.分批灭菌设计分批灭菌设计8.8.连续灭菌设计连续灭菌设计2022-7-314第4页，共103页。一一.灭菌的概念和必要性灭菌的概念和必要性灭菌：灭菌：是指用物理或化学因子杀灭有生活能力的细菌营养体和芽孢或孢子的方法。消毒：消毒：消除病原微生物的措施。在工业中一般都笼统地称为杀菌或灭菌。2022-7-315第5页，共103页。灭菌的意
4、义：灭菌的意义：微生物是无孔不入、无处不在的，但在自然界却很微生物是无孔不入、无处不在的，但在自然界却很难找到纯培养状态下生长的微生物。自从发酵工业利用难找到纯培养状态下生长的微生物。自从发酵工业利用纯培养技术以来，许多发酵过程特别是氨基酸等新型发纯培养技术以来，许多发酵过程特别是氨基酸等新型发酵工业都要求纯种培养，即在培养期间除大量繁殖生产酵工业都要求纯种培养，即在培养期间除大量繁殖生产菌外，不允许其他微生物存在（通常称之为杂菌）。菌外，不允许其他微生物存在（通常称之为杂菌）。2022-7-316第6页，共103页。如有杂菌，可引起以下的后果：如有杂菌，可引起以下的后果：生产菌和杂菌同时在培
5、养基中生长，结果丧失了生产菌和杂菌同时在培养基中生长，结果丧失了生产能力。生产能力。杂菌的生长速度有时比生产菌生长得快，结果使杂菌的生长速度有时比生产菌生长得快，结果使反应器中以杂菌为主。反应器中以杂菌为主。杂菌会污染最终产品。杂菌会污染最终产品。2022-7-317第7页，共103页。杂菌所产生的物质，使提取产物时发生困难。杂菌所产生的物质，使提取产物时发生困难。杂菌降解所需要的产物。杂菌降解所需要的产物。发酵如污染了噬菌体，可使生产菌株发生溶菌发酵如污染了噬菌体，可使生产菌株发生溶菌 现象。现象。2022-7-318第8页，共103页。工程上灭菌：工程上灭菌：是指使用物理或化学方法将培是指
6、使用物理或化学方法将培 养基中的杂菌的细胞和孢子杀灭至不影响发酵为养基中的杂菌的细胞和孢子杀灭至不影响发酵为限。限。灭菌是为了保证进行灭菌是为了保证进行纯培养（纯种）发酵。纯培养（纯种）发酵。2022-7-319第9页，共103页。2022-7-3110第10页，共103页。2022-7-3111第11页，共103页。二二.灭菌的方法灭菌的方法(所有的灭菌，不全针对培养基）所有的灭菌，不全针对培养基）2022-7-3112第12页，共103页。1 1、湿热灭菌、湿热灭菌 根据被灭菌物品的不同，选择各种不同温度的根据被灭菌物品的不同，选择各种不同温度的蒸汽进行灭菌，蒸汽进行灭菌，是工业上常用的灭
7、菌方法是工业上常用的灭菌方法。2022-7-3113第13页，共103页。2022-7-3114第14页，共103页。2022-7-3115第15页，共103页。2022-7-3116第16页，共103页。（4 4）巴氏消毒法（）巴氏消毒法（PasteurizationPasteurization）：）：利用热力利用热力杀死液体中的病原菌或一般的杂菌，同时不致严重杀死液体中的病原菌或一般的杂菌，同时不致严重损害其质量的消耗方法。由巴斯德创用以消毒酒精损害其质量的消耗方法。由巴斯德创用以消毒酒精类，故名。加温类，故名。加温61.161.162.8 30min62.8 30min，或，或71.7
8、71.7 151530s30s。常用于消毒牛奶和酒类等。常用于消毒牛奶和酒类等。2022-7-3117第17页，共103页。（5 5）高压蒸汽灭菌法：）高压蒸汽灭菌法：压力蒸汽灭菌是在专门的压力压力蒸汽灭菌是在专门的压力蒸汽灭菌器中进行的，是热力灭菌中使用最普遍、效蒸汽灭菌器中进行的，是热力灭菌中使用最普遍、效果最可靠的一种方法。其优点是穿透力强，灭菌效果果最可靠的一种方法。其优点是穿透力强，灭菌效果可靠，能杀灭所有微生物。可靠，能杀灭所有微生物。目前使用的压力灭菌器可分为两类：下排气式压目前使用的压力灭菌器可分为两类：下排气式压力灭菌器和预真空压力灭菌器，适用于耐高温、耐水物力灭菌器和预真空
9、压力灭菌器，适用于耐高温、耐水物品的灭菌。品的灭菌。2022-7-3118第18页，共103页。2 2、干热灭菌、干热灭菌干热灭菌比湿热灭菌需要更高的温度与较长的时间。干热灭菌比湿热灭菌需要更高的温度与较长的时间。（1 1）干烤：）干烤：利用干烤箱，加热利用干烤箱，加热16016018021802小时，可杀死小时，可杀死一切微生物，包括芽胞菌。主要用于玻璃器皿、瓷器等一切微生物，包括芽胞菌。主要用于玻璃器皿、瓷器等的灭菌。的灭菌。2022-7-3119第19页，共103页。（2）烧灼和焚烧：烧灼是直接用火焰杀死微生物，适用于微生物实验室的接种针等不怕热的金属器材的灭菌。焚烧是彻底的消毒方法，但
10、只限于处理废弃的污染物品，如无用的衣物、纸张、垃圾等。焚烧应在专用的焚烧炉内进行。2022-7-3120第20页，共103页。2022-7-3121第21页，共103页。2022-7-3122第22页，共103页。（4 4）微波：）微波：微波是一种波长为微波是一种波长为1mm1mm到到1m1m左右的电磁波，左右的电磁波，频率较高，可穿透玻璃、塑料薄膜与陶瓷等物质，但不频率较高，可穿透玻璃、塑料薄膜与陶瓷等物质，但不能穿透金属表面。微波能使介质内杂乱无章的极性分子能穿透金属表面。微波能使介质内杂乱无章的极性分子在微波场的作用下，按波的频率往返运动，互相冲撞和在微波场的作用下，按波的频率往返运动，
11、互相冲撞和磨擦而产生热，介质的温度可随之升高，因而在较低的磨擦而产生热，介质的温度可随之升高，因而在较低的温度下能起到消毒作用。温度下能起到消毒作用。2022-7-3123第23页，共103页。一般认为其杀菌机理除热效应以外，还有电磁共一般认为其杀菌机理除热效应以外，还有电磁共振效应，场致力效应等的作用。消毒中常用的微振效应，场致力效应等的作用。消毒中常用的微波有波有2450MHZ2450MHZ与与915MHZ915MHZ两种。微波照射多用于食两种。微波照射多用于食品加工。在医院中可用于检验室用品、非金属器品加工。在医院中可用于检验室用品、非金属器械、无菌病室的食品食具、药杯及其它用品的消械、
12、无菌病室的食品食具、药杯及其它用品的消毒。毒。2022-7-3124第24页，共103页。微波长期照射可引起眼睛的晶状混浊、睾微波长期照射可引起眼睛的晶状混浊、睾丸损伤和神经功能紊乱等全身性反应，因此必丸损伤和神经功能紊乱等全身性反应，因此必须关好门后才开始操作。须关好门后才开始操作。2022-7-3125第25页，共103页。（5）紫外线 紫外线的特点是对芽孢和营养细胞都能起作用，但细菌芽孢和霉菌孢子对其抵抗力大，且紫外线穿透力极低，所以只能用于表面灭菌，对固体物质灭菌不彻底。一般无菌室、超净工作台和摇瓶间等可采用30w紫外灯泡照射20-30min，以波长2600A左右灭菌效果最好。2022
13、-7-3126第26页，共103页。在同样的温度下，温热的杀菌效果比干热好，其原在同样的温度下，温热的杀菌效果比干热好，其原因有：因有：蛋白质凝固所需的温度与其含水量有关，含水量愈大，蛋白质凝固所需的温度与其含水量有关，含水量愈大，发生凝固所需的温度愈低。湿热灭菌的菌体蛋白质吸收水发生凝固所需的温度愈低。湿热灭菌的菌体蛋白质吸收水分，因较大同一温度的干热空气中易于凝固。分，因较大同一温度的干热空气中易于凝固。2022-7-3127第27页，共103页。温热灭菌过程中蒸气放出大量潜热，加速提温热灭菌过程中蒸气放出大量潜热，加速提高湿度。因而湿热灭菌比干热所要温度低，如高湿度。因而湿热灭菌比干热所
14、要温度低，如在同一温度下，则湿热灭菌所需时间比干热短。在同一温度下，则湿热灭菌所需时间比干热短。湿热的穿透力比干热大，使深部也能达到灭菌温湿热的穿透力比干热大，使深部也能达到灭菌温度，故湿热比干热收效好。度，故湿热比干热收效好。2022-7-3128第28页，共103页。2022-7-3129第29页，共103页。2022-7-3130第30页，共103页。三.湿热灭菌的原理湿热灭菌：就是直接用高温蒸汽灭菌。蒸汽在冷凝时释放出 大量潜能，并且蒸汽具有强大穿透力，蒸汽的湿热破坏菌体蛋白质和核酸的化学键，使酶失活，微生物因代谢障而死亡。湿热灭菌的效果，取决与致死温度和致死时间。致死温度：是杀灭微生
15、物的极限温度。致死时间：是在致死温度下杀灭全部微生物所需时间。2022-7-3131第31页，共103页。热阻（对热抵抗力）：微生物在某一特定条件（一定 的温度、加热方式）的死亡时间。相对热阻：指在相同条件下两种微生物热阻的比值。芽孢的热阻特别高的原因：芽孢具有吡啶二羧酸，能增强对热抵抗力芽孢厚而且结构致密，热不易透过芽孢的游离水分少，蛋白质含水量较营养细胞蛋白质含水量低。在实际生产中，由于不能完全了解杂菌的数量和类型，因此要以相对热阻大的芽孢作为灭菌的依据。2022-7-3132第32页，共103页。工业上湿热灭菌分为分批灭菌和连续灭菌工业上湿热灭菌分为分批灭菌和连续灭菌分批灭菌（实消）：分
16、批灭菌（实消）：将培养基置于反应器中用将培养基置于反应器中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后维持一定时间，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，这叫分批再冷却到发酵温度，然后接种发酵，这叫分批灭菌。灭菌。连续灭菌（连消）：连续灭菌（连消）：将培养基在罐外连续进行将培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却然后进入到反应器的杀菌方加热、维持和冷却然后进入到反应器的杀菌方法就是连续灭菌。法就是连续灭菌。2022-7-3133第33页，共103页。2022-7-3134第34页，共103页。2022-7-3135第35页，共103页。2022-7-3136第36页，共103
17、页。四.培养基在工程上要解决的课题 将培养基中的杂菌总数杀灭到可以接受的总数需要多高的温度、多长的时间。选择最佳灭菌条件，达到既杀灭杂菌又尽量减少营养成分的破坏。2022-7-3137第37页，共103页。2022-7-3138第38页，共103页。2022-7-3139第39页，共103页。2 2、对数残留定律：、对数残留定律：在一定温度下，微生物的受热死亡符合单分在一定温度下，微生物的受热死亡符合单分子反应动力学即微生物的热死亡速率与任一瞬间残存的活菌数子反应动力学即微生物的热死亡速率与任一瞬间残存的活菌数成正比。成正比。热死灭动力学方程热死灭动力学方程 dN/dt=-KN dN/dt=-
18、KN式中：式中：N-N-残存的活菌数（个）残存的活菌数（个）t-t-灭菌时间（灭菌时间（minmin）K-K-杀菌速率常数（杀菌速率常数（minmin-1-1）或叫死亡速率常数。）或叫死亡速率常数。K K是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据，其大小与微生物是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据，其大小与微生物的种类和加热温度有关。的种类和加热温度有关。dN/dt-dN/dt-菌的瞬时变化率，即死亡速率。菌的瞬时变化率，即死亡速率。2022-7-3140第40页，共103页。将方程积分后得：将方程积分后得：N N0 0：开始灭菌开始灭菌(t=0)(t=0)时原有活菌数时原有活菌数N Ns s：
19、经时间经时间t t后残存活菌数后残存活菌数D D值：活的微生物在受热过程中减少到原来数目值：活的微生物在受热过程中减少到原来数目的的1/101/10（N Ns s/N/N0 0=1/10=1/10）2022-7-3141第41页，共103页。3.温度对杀菌速率常数K的影响 微生物受热蛋白质变性而死亡，温度对杀菌速率常数的影响可以用阿累尼乌斯（Arrhenins)方程表示：K=Ae-E/RTK-杀菌速率常数（死亡速率常数）（min-1）A-频率因子（阿累尼乌斯常数），因菌种的不同而异。E-活化能（J/mol）T-绝对温度（K）T=t+273.15R-气体常数 8.36J/mol.K(或1.98c
20、al/mol.K)2022-7-3142第42页，共103页。活化能活化能:在反应动力学中指出，分子的碰撞只有某些分子在反应动力学中指出，分子的碰撞只有某些分子的碰撞才是有效的碰撞。这些分子在碰撞时，所具有的的碰撞才是有效的碰撞。这些分子在碰撞时，所具有的内能比在该温度下其它分子所具有的平均内能要大，正内能比在该温度下其它分子所具有的平均内能要大，正是这种过剩的能量才是分子在所指的条件下进行反应所是这种过剩的能量才是分子在所指的条件下进行反应所必需具备的能量，这个能量就是活化能。必需具备的能量，这个能量就是活化能。2022-7-3143第43页，共103页。从阿累尼乌斯方程可以得出以下结论：从
21、阿累尼乌斯方程可以得出以下结论：1 1）活化能）活化能E E的大小对的大小对K K值有重大影响，其他条件值有重大影响，其他条件相同时相同时E E愈高，愈高，K K值愈低，热死速率愈慢。值愈低，热死速率愈慢。2 2）不同菌的孢子热死反应的）不同菌的孢子热死反应的E E可能各不相同，在可能各不相同，在相同相同T T灭菌，尚不能肯定灭菌，尚不能肯定E E低的孢子的死亡速度一低的孢子的死亡速度一定比定比E E高的快，因为高的快，因为K K并不是唯一决定于并不是唯一决定于E E。3 3）对方程两边取对数得：）对方程两边取对数得：lnK=-E/RT+lnAlnK=-E/RT+lnA2022-7-3144第
22、44页，共103页。在不同的温度在不同的温度T T下做灭菌实验，求得相应的下做灭菌实验，求得相应的K K值，按值，按lnK-1/TlnK-1/T作图，从直线的斜率可以求出作图，从直线的斜率可以求出E E。4 4）K K是是E E和和T T的函数，的函数，K K对对T T的变化率与的变化率与E E有关。有关。反应的活化能反应的活化能E E愈高，温度愈高，温度T T的变化对的变化对K K的影响愈的影响愈大。大。对上式两边求导数得：对上式两边求导数得：dlnK/dT=dlnK/dT=E/(RTE/(RT2 2)2022-7-3145第45页，共103页。六六.影响培养基灭菌的因素影响培养基灭菌的因素
23、1.1.营养成分的保持营养成分的保持湿热灭菌时，微生物被热死的同时，培养基的湿热灭菌时，微生物被热死的同时，培养基的营养成分也遭到了一定的破坏。特别是氨基酸和维营养成分也遭到了一定的破坏。特别是氨基酸和维生素。在热的作用下某些营养成分还可能因受热而生素。在热的作用下某些营养成分还可能因受热而相互之间发生反应，造成培养基中原有营养成分的相互之间发生反应，造成培养基中原有营养成分的数量变化，因而影响培养基质量。数量变化，因而影响培养基质量。2022-7-3146第46页，共103页。例如：还原糖与氨基酸、肽、蛋白质等发生化学反例如：还原糖与氨基酸、肽、蛋白质等发生化学反应，形成应，形成5-5-羟甲
24、基糠醛和类黑精。羟甲基糠醛和类黑精。培养基成分受热分解的反应也是属于一级反应，培养基成分受热分解的反应也是属于一级反应，符合对数残留定律和阿累尼乌斯方程：符合对数残留定律和阿累尼乌斯方程：-dc/dt=K -dc/dt=KC C K K =Ae=Ae-E/RT-E/RTK K-培养基成分的破坏速度常数培养基成分的破坏速度常数E E-培养基营养成分破坏的活化能培养基营养成分破坏的活化能2022-7-3147第47页，共103页。养分虽因温度养分虽因温度增高破坏增加，但增高破坏增加，但灭菌时间虽短，破灭菌时间虽短，破坏量减少。坏量减少。2022-7-3148第48页，共103页。2022-7-31
25、49第49页，共103页。实验表明细菌孢子热死反应的活化能实验表明细菌孢子热死反应的活化能E E很高，营养很高，营养成分破坏的活化能较低。随着温度上升，菌体孢子死亡成分破坏的活化能较低。随着温度上升，菌体孢子死亡速度常数增加倍数大于培养基成分破坏速度常数增加倍速度常数增加倍数大于培养基成分破坏速度常数增加倍数。所以当温度升高时，杂菌死亡速度要比营养成分破数。所以当温度升高时，杂菌死亡速度要比营养成分破坏速度快得多。根据这一原理，培养基灭菌采用高温短坏速度快得多。根据这一原理，培养基灭菌采用高温短时的方法能达到灭菌的效果，又可以减少营养成分的破时的方法能达到灭菌的效果，又可以减少营养成分的破坏。
26、坏。为什么要采用高温短时灭菌为什么要采用高温短时灭菌2022-7-3150第50页，共103页。2.2.微生物的耐热性微生物的耐热性 细菌芽孢的热阻较大，灭菌所需要的时间取决于细菌芽孢的热阻较大，灭菌所需要的时间取决于把细菌芽孢减少到所规定数目的时间。同时一个细菌把细菌芽孢减少到所规定数目的时间。同时一个细菌只能形成一个芽孢，故把培养基中细菌和芽孢数之和只能形成一个芽孢，故把培养基中细菌和芽孢数之和作为计算依据比较合理。作为计算依据比较合理。2022-7-3151第51页，共103页。3.pH3.pH值值 对微生物的耐热性影响很大对微生物的耐热性影响很大 pH pH值值=6.08.0=6.08
27、.0时，微生物最不易死亡时，微生物最不易死亡 pH6.0 pH6.0时，微生物比较容易死亡，此时时，微生物比较容易死亡，此时H H+很容易很容易渗入微生物的细胞，从而改变细胞的生理反应，促使渗入微生物的细胞，从而改变细胞的生理反应，促使其死亡。所以培养基的其死亡。所以培养基的pHpH越低，所需的时间也越短。越低，所需的时间也越短。2022-7-3152第52页，共103页。2022-7-3153第53页，共103页。4.4.培养基成分培养基成分 高浓度的有机物会包于细胞周围，形成高浓度的有机物会包于细胞周围，形成一层薄膜，影响热的传入。而高浓度的盐一层薄膜，影响热的传入。而高浓度的盐类、色素则
28、削弱其耐热性，灭菌较易。类、色素则削弱其耐热性，灭菌较易。例如：大肠杆菌在水中加热至例如：大肠杆菌在水中加热至60-6560-65便便死亡，在死亡，在10%10%糖液中需糖液中需7070加热加热4-64-6分钟才分钟才死亡，在死亡，在30%30%糖液中需糖液中需3030分钟才死亡。分钟才死亡。2022-7-3154第54页，共103页。5.5.泡沫泡沫泡沫中的空气形成隔热层，使热量难以渗透进去，杀泡沫中的空气形成隔热层，使热量难以渗透进去，杀死其中的杂菌。因此灭菌时需要加入适量的消泡剂。死其中的杂菌。因此灭菌时需要加入适量的消泡剂。2022-7-3155第55页，共103页。6.6.颗粒颗粒颗
29、粒小，容易灭菌，颗粒大，则难灭菌。颗粒小，容易灭菌，颗粒大，则难灭菌。对于含有少量较大颗粒及粗纤维的培养基，可用对于含有少量较大颗粒及粗纤维的培养基，可用粗滤的方法（不应影响培养基质量）予以除去，粗滤的方法（不应影响培养基质量）予以除去，培养基结块会造成培养基灭菌的不彻底，必须注培养基结块会造成培养基灭菌的不彻底，必须注意。意。2022-7-3156第56页，共103页。七七.分批灭菌设计分批灭菌设计 分批灭菌不需其它设备，操作简单易行。省去分批灭菌不需其它设备，操作简单易行。省去了连消设备和操作，节省了动力。缺点是升温慢、了连消设备和操作，节省了动力。缺点是升温慢、降温也慢，增加了发酵前的准
30、备时间，延长了发酵降温也慢，增加了发酵前的准备时间，延长了发酵周期，设备利用低，而且无法采用高温短时灭菌，周期，设备利用低，而且无法采用高温短时灭菌，因而不可避免的使培养基中营养成分遭到一定程度因而不可避免的使培养基中营养成分遭到一定程度的破坏，但是国外通过采取增大搅拌功率，增大冷的破坏，但是国外通过采取增大搅拌功率，增大冷却面积等措施，充分利用其优点而避免其缺点，即却面积等措施，充分利用其优点而避免其缺点，即使大罐也采用实消。使大罐也采用实消。2022-7-3157第57页，共103页。1.1.基础条件的确定基础条件的确定污染度污染度N N0 0灭菌开始时，培养基中的杂菌的个数（个）灭菌开始
31、时，培养基中的杂菌的个数（个）N N0 0应取芽孢细菌数和细菌芽孢数之和。应取芽孢细菌数和细菌芽孢数之和。2022-7-3158第58页，共103页。灭菌度灭菌度NsNs经过灭菌时间经过灭菌时间t t后，培养基中残存的活菌个（个后，培养基中残存的活菌个（个)也称为杀菌程度。如要求灭菌绝对无菌则也称为杀菌程度。如要求灭菌绝对无菌则Ns=0Ns=0，则则t=t=。这是无法做到的。工程上通常上取。这是无法做到的。工程上通常上取Ns=10-3Ns=10-3个个/罐，即灭菌罐，即灭菌10001000只罐，只残留只罐，只残留1 1个杂个杂菌或灭菌菌或灭菌10001000次，只残留一个杂菌次，只残留一个杂菌
32、,是个概率是个概率指数。指数。2022-7-3159第59页，共103页。杂菌的热死特性的选择杂菌的热死特性的选择 由于最耐热的芽孢一般很少发现，由于最耐热的芽孢一般很少发现，所以在灭菌计算时不是把所有的细菌当所以在灭菌计算时不是把所有的细菌当作最耐热的芽孢，而是通常用一般耐热作最耐热的芽孢，而是通常用一般耐热的细菌芽孢的的细菌芽孢的K K值。值。K=Ae K=Ae-E/RT-E/RT=7.94=7.9410103838e e-68700/1.98T-68700/1.98T2022-7-3160第60页，共103页。灭菌程度的指标灭菌程度的指标N0/Ns:N0/Ns:在分批灭菌设计中，为了计算
33、的方便取在分批灭菌设计中，为了计算的方便取V=ln N0/NsV=ln N0/Ns（灭菌准数，（灭菌准数，DelDel值），作为设计的值），作为设计的依据，也是设计成功与否的判据。依据，也是设计成功与否的判据。2022-7-3161第61页，共103页。例：培养基例：培养基100m100m3 3，含菌，含菌10105 5个个/ml/ml，要求灭菌，要求灭菌后杂菌数后杂菌数N Ns s=10=10-3-3则：则：N N0 0/N/Ns s=(100=(10010106 6 10105 5)/10)/10-3-3=10=101616 ln N ln N0 0/N/Ns s=36.8=36.8 20
34、22-7-3162第62页，共103页。2.2.灭菌灭菌曲线曲线2022-7-3163第63页，共103页。2022-7-3164第64页，共103页。lnNlnN0 0/N/Ns s=Kt=Kt因为：因为：lnNlnN0 0/N/Ns s=ln(N=ln(N0 0/N/N1 1 N N1 1/N/N2 2 N N2 2/N/Ns s)lnNlnN0 0/N/Ns s=lnN=lnN0 0/N/N1 1+lnN+lnN1 1/N/N2 2+lnN+lnN2 2/N/Ns slnNlnN0 0/N/Ns s是由三块积分面积是由三块积分面积升温阶段升温阶段lnNlnN0 0/N/N1 1、保温阶段
35、保温阶段lnNlnN1 1/N/N2 2、降温阶段降温阶段lnNlnN2 2/N/Ns s合成的。合成的。可以合理设计这三块面积的大小，使其和等可以合理设计这三块面积的大小，使其和等于灭菌准数于灭菌准数lnNlnN0 0/N/Ns s。2022-7-3165第65页，共103页。然而分批灭菌的然而分批灭菌的T-tT-t过程曲线不是任意给定的。它过程曲线不是任意给定的。它决定于加热方式、换热面积的大小、传热系数的高低、决定于加热方式、换热面积的大小、传热系数的高低、换热介质的温度及培养基的质量等多种因素。换热介质的温度及培养基的质量等多种因素。2022-7-3166第66页，共103页。2022
36、-7-3167第67页，共103页。2022-7-3168第68页，共103页。3.分批灭菌讨论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35h，其各阶段对灭菌效果贡献大致如下：V加/V总=0.2 V保/V总=0.75 V冷/V总=0.05 2022-7-3169第69页，共103页。八八.连续灭菌设计连续灭菌设计连续灭菌可以采用高温短时连续灭菌可以采用高温短时,使培养基养分破使培养基养分破坏减少到最低限度，从而增加生产率坏减少到最低限度，从而增加生产率,并且缩短了并且缩短了发酵周期。发酵周期。对于黏度过大或固体成分较多的培养基，要实对于黏度过大或固体成分较多的培养基，要实现
37、连续灭菌困难较大，设备较复杂，投资大，且在发酵现连续灭菌困难较大，设备较复杂，投资大，且在发酵罐外附加的设备可能造成二次污染的机会。罐外附加的设备可能造成二次污染的机会。2022-7-3170第70页，共103页。定义流体在反应器中的平均停留时间为则：=V/QV-反应器中液体所占的体积(L,m3)Q-通过反应器的液体流率(L/min,m3/h)假如任一物料微团在反应器内所经历的时间等于平均停留时间，则可以实现升温、保温、降温过程接近以下的T-t图2022-7-3171第71页，共103页。2022-7-3172第72页，共103页。然而上述假设实际难以成立。在实际的反应器中，与流动方向相垂直的
38、截面上存在着不同的流速分布，这必然存在物料微团间的轴向混合。这种是经历了不同反应时间的物料的混合，称为反混。2022-7-3173第73页，共103页。2022-7-3174第74页，共103页。（一）连续灭菌器的流体流动模型（一）连续灭菌器的流体流动模型1、活塞流模型（、活塞流模型（PF）在反应器内与流体流向相垂直的横截面上的径向流速分布是均一的，即完全不存在返混。实际上，长径比很大的管式反应器接近与这种理想的流型。2022-7-3175第75页，共103页。2、连续式全混流模型（、连续式全混流模型（CFSTR)这是另一种理想化的流型。设定反应器内的混合足够强烈，因而反应器内物料的浓度处处相
39、等，反应速度也处处相等，不随时间而变。搅拌强烈的反应器，可以接近于CFSTR特性。要在同一温度下灭菌，达到同样的灭菌效果，CFSTR的灭菌时间比PF长的多。2022-7-3176第76页，共103页。3、扩散模型、扩散模型高径比不大的反应器如短管式或塔式反应器内的流体流动，具有不大的返混。可以把这种流动简化为活塞流和轴向扩散的叠加。2022-7-3177第77页，共103页。（二）连续灭菌流程（二）连续灭菌流程连续灭菌因加热和冷却设备的不同，可有各种流程形式。连续灭菌因加热和冷却设备的不同，可有各种流程形式。一般在连续灭菌时，应采用新型的热交换设备，以缩短一般在连续灭菌时，应采用新型的热交换设
40、备，以缩短升温和杀菌后的冷却时间。升温和杀菌后的冷却时间。1 1、连消塔、连消塔喷淋冷却流程喷淋冷却流程 图图8-82 2、喷射加热、喷射加热真空冷却流程真空冷却流程 图图8-98-93 3、薄板热交换器连续灭菌流程、薄板热交换器连续灭菌流程 图图8-108-10 2022-7-3178第78页，共103页。2022-7-3179第79页，共103页。这是国内味精厂普遍采用的连续灭菌流程。培养基用这是国内味精厂普遍采用的连续灭菌流程。培养基用泵打入连消塔与蒸汽直接混合，达到灭菌温度后进入维持泵打入连消塔与蒸汽直接混合，达到灭菌温度后进入维持罐，维持一定时间后经喷淋冷却器冷却至一定温度后进入罐，
41、维持一定时间后经喷淋冷却器冷却至一定温度后进入发酵罐。该流程是比较陈旧的设计，设备较庞大；维持罐发酵罐。该流程是比较陈旧的设计，设备较庞大；维持罐直径较大，不能保证物料先进先出，易发生局部过热或灭直径较大，不能保证物料先进先出，易发生局部过热或灭菌不足的现象；喷淋冷却管道很长，对于黏度较高、固形菌不足的现象；喷淋冷却管道很长，对于黏度较高、固形物含量较多的培养基极易堵塞。物含量较多的培养基极易堵塞。2022-7-3180第80页，共103页。为了提高热量利用和节约冷却水，可采用一为了提高热量利用和节约冷却水，可采用一台套管式换热器或板式换热器置于维持罐及冷却台套管式换热器或板式换热器置于维持罐
42、及冷却器中间，使生培养基与热培养基先进行一次热交器中间，使生培养基与热培养基先进行一次热交换，得到预热后再进入连消塔。换，得到预热后再进入连消塔。2022-7-3181第81页，共103页。2022-7-3182第82页，共103页。图图8-98-9所示，是一种喷射加热、管道维持、真空冷却的连续灭所示，是一种喷射加热、管道维持、真空冷却的连续灭菌流程。生培养液先用泵打入喷射加热器，以较高速度自喷菌流程。生培养液先用泵打入喷射加热器，以较高速度自喷咀喷出，借高速流体的抽吸作用与蒸汽混合后进入管道维持咀喷出，借高速流体的抽吸作用与蒸汽混合后进入管道维持器，经一定时间后通过一膨胀阀进入真空闪急蒸发器
43、而冷却器，经一定时间后通过一膨胀阀进入真空闪急蒸发器而冷却至至70-8070-80，在进入发酵罐冷却到接种温度。，在进入发酵罐冷却到接种温度。2022-7-3183第83页，共103页。此流程的优点是：此流程的优点是：加热和冷却在瞬间完成，营养成分加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏少，可以采用高温灭菌，把温度升高到破坏少，可以采用高温灭菌，把温度升高到140140而而不至于引起培养基营养成分的严重破坏。设计合适不至于引起培养基营养成分的严重破坏。设计合适的管道维持器能保证物料先进先出，避免过热。但的管道维持器能保证物料先进先出，避免过热。但如果维持时间较长时维持管长度就很大，给安装和如果维持时
44、间较长时维持管长度就很大，给安装和使用带来不便，所以象酒精厂的醪液蒸煮等大多仍使用带来不便，所以象酒精厂的醪液蒸煮等大多仍采用维持罐。采用维持罐。2022-7-3184第84页，共103页。灭菌温度取决于喷射加热器中加入蒸汽的压力和流量。灭菌温度取决于喷射加热器中加入蒸汽的压力和流量。要保持灭菌温度很定就要使蒸汽压力及培养基流量稳要保持灭菌温度很定就要使蒸汽压力及培养基流量稳定，故易设置自控装置，如自控的滞后较大，也会引定，故易设置自控装置，如自控的滞后较大，也会引起操作不稳定而产生灭菌不透或过热现象。起操作不稳定而产生灭菌不透或过热现象。2022-7-3185第85页，共103页。此外，由于
45、真空的影响，需要在蒸发室下面装一台此外，由于真空的影响，需要在蒸发室下面装一台出料泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面出料泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面1010米以上的米以上的高处，否则物料就不能流进发酵罐而进入真空系统，高处，否则物料就不能流进发酵罐而进入真空系统，这就给生产带来不便，尤其对于已经灭菌好的培养这就给生产带来不便，尤其对于已经灭菌好的培养基来说，出料泵的密封程度要求很高才能避免重新基来说，出料泵的密封程度要求很高才能避免重新污染，这个问题也是目前许多工厂不采用真空冷却污染，这个问题也是目前许多工厂不采用真空冷却的原因之一的原因之一 。2022-7-3186第86页，共103页。202
46、2-7-3187第87页，共103页。薄板换热器由于具有设备紧凑、占地面少、拆洗方薄板换热器由于具有设备紧凑、占地面少、拆洗方便、传热面积和传热系数高、不使热敏物料产生局部过便、传热面积和传热系数高、不使热敏物料产生局部过热现象等优点，被广泛用于食品、发酵、制药、化工部热现象等优点，被广泛用于食品、发酵、制药、化工部门作为加热、冷却或灭菌之用。门作为加热、冷却或灭菌之用。2022-7-3188第88页，共103页。图图8-108-10所示是采用板式换热器的连续灭菌流程，生所示是采用板式换热器的连续灭菌流程，生培养液进入板式换热器的热回收与熟培养液先进行培养液进入板式换热器的热回收与熟培养液先进
47、行一次热交换达到预热，以便提高热量的利用率，然一次热交换达到预热，以便提高热量的利用率，然后进入加热阶段到灭菌温度后引入维持器进行保温，后进入加热阶段到灭菌温度后引入维持器进行保温，灭菌好的熟培养液再进入热回收段作为生培养液的灭菌好的熟培养液再进入热回收段作为生培养液的加热介质，同时本身也得到一定程度的冷却，最后加热介质，同时本身也得到一定程度的冷却，最后进入冷却阶段用冷却水冷却到所需培养温度。进入冷却阶段用冷却水冷却到所需培养温度。2022-7-3189第89页，共103页。板式换热器的特点是：板式换热器的特点是：培养基在设备中同时完成预热、培养基在设备中同时完成预热、灭菌及冷却过程。虽然加
48、热和冷却生培养液所需时间比灭菌及冷却过程。虽然加热和冷却生培养液所需时间比使用喷射式连续灭菌较长，但灭菌周期比分批灭菌小得使用喷射式连续灭菌较长，但灭菌周期比分批灭菌小得多。由于生培养基的预热过程即灭菌培养基的冷却过程，多。由于生培养基的预热过程即灭菌培养基的冷却过程，所以节约了蒸汽及冷却水的用量，板式换热器的缺点是所以节约了蒸汽及冷却水的用量，板式换热器的缺点是制造加工复杂，必须有专业厂成批生产，密封要求高，制造加工复杂，必须有专业厂成批生产，密封要求高，密封填圈易损坏，需经常调换。密封填圈易损坏，需经常调换。2022-7-3190第90页，共103页。（三）连续灭菌计算（三）连续灭菌计算连
49、续灭菌过程中，加热和冷却所需时间极连续灭菌过程中，加热和冷却所需时间极短，为简化计算，可以把加热和冷却阶段短，为简化计算，可以把加热和冷却阶段效果略去。因而，只有维持器的计算与灭效果略去。因而，只有维持器的计算与灭菌程度相关。菌程度相关。2022-7-3191第91页，共103页。维持罐维持罐由式：由式：t t2 2=2.303/Klg(N=2.303/Klg(N0 0/N/Ns s)可以求出连续灭菌过可以求出连续灭菌过程所需的维持时间，根据流量和维持时间可定出程所需的维持时间，根据流量和维持时间可定出维持罐的装料容积。但要考虑返混现象，有可能维持罐的装料容积。但要考虑返混现象，有可能有部分物
50、料为达到所要求的灭菌程度而过早流出。有部分物料为达到所要求的灭菌程度而过早流出。2022-7-3192第92页，共103页。2022-7-3193第93页，共103页。例例 一台连续灭菌设备流量一台连续灭菌设备流量Q=6mQ=6m3 3/h/h，发酵罐装料容积，发酵罐装料容积40m40m3 3，原是污染度，原是污染度10105 5个个/ml/ml要求灭菌程度要求灭菌程度Ns=10Ns=10-3-3个个/批，批，灭菌温度灭菌温度T=125T=125，此时的，此时的K=11K=11分分-1-1，试求维持时间，试求维持时间t t2 2及及维持罐的装料容积维持罐的装料容积v v约需多少？约需多少？解：
