第二章培養(yǎng)基滅菌

其次章培育基滅菌第一節(jié)概述其次節(jié)加熱滅菌的基本原理第三節(jié)分批滅菌的設(shè)計(jì)計(jì)算第四節(jié)連續(xù)滅菌的設(shè)計(jì)計(jì)算教學(xué)要求：駕馭培育基和設(shè)備滅菌的意義和方法。分批滅菌和連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)比較。培育基滅菌的工程設(shè)計(jì)、培育基與設(shè)備、管道滅菌條件。重點(diǎn)：要求深刻理解與嫻熟駕馭的重點(diǎn)內(nèi)容1、常用的各種滅菌方法及在發(fā)酵工業(yè)中的選用。2、培育基滅菌原理，分批滅菌和連續(xù)滅菌的概念。難點(diǎn)：1、培育基滅菌方法的選用。2、培育基滅菌的理論基礎(chǔ)。講解并描述的內(nèi)容第一培育基滅菌的目的、要求和方法其次濕熱滅菌的理論基礎(chǔ)第三培育基滅菌的工程設(shè)計(jì)一、滅菌的概念和必要性二、滅菌的方法三、培育基滅菌的要求四、液體培育基滅菌的特點(diǎn)第一節(jié)概述染菌的危害性滅菌的方法培育基滅菌的要求液體培育基滅菌的特點(diǎn)本節(jié)學(xué)問(wèn)點(diǎn)：熱滅菌原理重點(diǎn)：微生物的培育過(guò)程：培育基配制→滅菌→接種→培育工程上的滅菌是指用物理或化學(xué)因子殺滅有生活實(shí)力的細(xì)菌養(yǎng)分體和芽孢或孢子的方法。消毒是消退病原微生物的措施。在工業(yè)中一般都籠統(tǒng)地稱為殺菌或滅菌。工業(yè)規(guī)模的液體培育基滅菌，殺滅雜菌比除去雜菌更為常用。滅菌的目的：純種發(fā)酵。1.滅菌的定義用物理或化學(xué)因素除去物品上全部生活微生物的方法。一、滅菌的概念和必要性從字義上來(lái)看，消毒就是消退毒害，這里的“毒害”就是指?jìng)魅驹椿蛑虏【囊馑?，英文中的“dis-infection”也是“消退傳染”的意思。所以，消毒是一種接受較溫順的理化因素，僅殺死物體表面或內(nèi)部一部分對(duì)人體有害的病原菌，而對(duì)被消毒的物體基本無(wú)害的措施。消毒（disinfection）滅菌與消毒的區(qū)分滅菌：用物理或化學(xué)方法殺死或除去環(huán)境中全部微生物，包括養(yǎng)分細(xì)胞、細(xì)菌芽孢和孢子消毒：用物理或化學(xué)方法殺死物料、容器、器皿內(nèi)外的病源微生物。防腐就是利用某種理化因素完全抑制霉腐微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而達(dá)到防止食品等發(fā)生霉腐的措施。（1）低溫（2）缺氧（3）干燥（4）高滲（5）高酸度（6）防腐劑防腐（antisepsis）化療即化學(xué)治療。它是利用具有高度選擇毒力（即對(duì)病原菌具有高度毒力而對(duì)宿主無(wú)顯著毒性）的化學(xué)物質(zhì)來(lái)抑制宿主體內(nèi)病原微生物的生長(zhǎng)繁殖，借以達(dá)到治療該傳染病的一種措施。用于化療目的的化學(xué)物質(zhì)稱化學(xué)治療劑。最重要的化學(xué)治療劑如各種抗生素、磺胺類藥物和中草藥中的有效成分等。化療（chemotherapy）為什么要進(jìn)行培育基滅菌？由于生物反應(yīng)系統(tǒng)中通常含有比較豐實(shí)的養(yǎng)分物質(zhì)，簡(jiǎn)潔受到雜菌污染，由于雜菌的存在，會(huì)有以下各種不良后果：?1)生物反應(yīng)的基質(zhì)或產(chǎn)物因雜菌的消耗而損失，造成生產(chǎn)實(shí)力的下降。?2)由于雜菌所產(chǎn)生的一些代謝產(chǎn)物變更了發(fā)酵液的某些理化性質(zhì)，使目標(biāo)產(chǎn)物的提取困難，造成收得率降低或使產(chǎn)品質(zhì)量下降。?3)污染的雜菌可能會(huì)分解產(chǎn)物，而使生產(chǎn)失效。?4)發(fā)生噬菌體污染，微生物細(xì)胞被裂解，而使生產(chǎn)失效。2必要性3工業(yè)上具體措施包括：1）運(yùn)用的培育基和設(shè)備須經(jīng)滅菌；2）好氧培育中運(yùn)用的空氣應(yīng)經(jīng)除菌處理；3）設(shè)備應(yīng)嚴(yán)密，發(fā)酵罐維持正壓環(huán)境；4）培育過(guò)程中加入的物料應(yīng)經(jīng)過(guò)滅菌；5）運(yùn)用無(wú)污染的純粹種子。4培育基滅菌的目的殺滅培育基中的微生物，為后續(xù)發(fā)酵過(guò)程創(chuàng)建無(wú)菌的條件。1.化學(xué)試劑滅菌2.電磁波、射線滅菌紫外線、陰極射線、X射線、γ射線3.加熱滅菌（包括常壓或蒸汽高壓加熱法）火焰滅菌、干熱滅菌、濕熱滅菌二、滅菌的方法工業(yè)上培育基滅菌運(yùn)用的方法是濕熱滅菌。濕熱滅菌簡(jiǎn)便、有效、經(jīng)濟(jì)。常用的化學(xué)試劑：氧化劑：0.%~0.25%KMnO4溶液、0.5%~1%漂白粉溶液醇醛類：75%酒精、0.25%新潔爾滅、10%甲醛溶液、環(huán)氧乙烷酚類：苯酚溶液、來(lái)蘇爾1.化學(xué)藥物滅菌利用化學(xué)試劑對(duì)微生物的氧化作用或損傷細(xì)胞等進(jìn)行滅菌。利用高能電磁波、紫外線或放射性物質(zhì)產(chǎn)生的高能粒子射線穿透微生物細(xì)胞進(jìn)行滅菌。紫外線、陰極射線、X射線、γ射線2.電磁波、射線滅菌高溫致死原理：由于它使微生物的蛋白質(zhì)和核酸等重要生物高分子發(fā)生變性、破壞，例如它可使核酸發(fā)生脫氨、脫嘌呤或降解，以及破壞細(xì)胞膜上的類脂質(zhì)成分等。每一種微生物都有確定的最適生長(zhǎng)溫度范圍。當(dāng)微生物處于最低溫度以下時(shí)，代謝作用幾乎停止而處于休眠狀態(tài)。當(dāng)溫度超過(guò)最高限度時(shí)，微生物細(xì)胞中的原生質(zhì)膠體和酶起了不行逆的凝固變性，使微生物在很短時(shí)間內(nèi)死亡，加熱滅菌即是依據(jù)微生物這一特性而進(jìn)行的。3.加熱滅菌主要原理在確定溫度范圍內(nèi)，溫度越低，細(xì)菌繁殖越慢；溫度越高，繁殖越快。但溫度太高，細(xì)菌就會(huì)死亡。不同的細(xì)菌有不同的最適生長(zhǎng)溫度和耐熱、耐冷實(shí)力。巴氏消毒其實(shí)就是利用病原體不是很耐熱的特點(diǎn)，用適當(dāng)?shù)臏囟群捅貢r(shí)間處理，將其全部殺滅。但經(jīng)巴氏消毒后，仍保留了小部分無(wú)害或有益、較耐熱的細(xì)菌或細(xì)菌芽孢，因此巴氏消毒牛奶要在4℃左右的溫度下保存，且只能保存3~10天，最多16天。現(xiàn)行方法當(dāng)今運(yùn)用的巴氏殺菌程序種類繁多?！暗蜏亻L(zhǎng)時(shí)間”(LTLT)處理是一個(gè)間歇過(guò)程，如今只被小型乳品廠用來(lái)生產(chǎn)一些奶酪制品?！案邷囟虝r(shí)間”(HTST)處理是一個(gè)“流淌”過(guò)程，通常在板式熱交換器中進(jìn)行，如今被廣泛應(yīng)用于飲用牛奶的生產(chǎn)。通過(guò)該方式獲得的產(chǎn)品不是無(wú)菌的，即仍含有微生物，且在儲(chǔ)存和處理的過(guò)程中須要冷藏?！翱焖侔褪蠚⒕敝饕獞?yīng)用于生產(chǎn)酸奶乳制品。目前國(guó)際上通用的巴氏高溫消毒法主要有兩種：

一種是將牛奶加熱到62~65℃，保持30分鐘。接受這一方法，可殺死牛奶中各種生長(zhǎng)型致病菌，滅菌效率可達(dá)97.3%~99.9%，經(jīng)消毒后殘留的只是部分嗜熱菌及耐熱性菌以及芽孢等，但這些細(xì)菌多數(shù)是乳酸菌，乳酸菌不但對(duì)人無(wú)害反而有益健康。

其次種方法將牛奶加熱到75~90℃，保溫15~16秒，其殺菌時(shí)間更短，工作效率更高。但殺菌的基本原則是，能將病原菌殺死即可，溫度太高反而會(huì)有較多的養(yǎng)分損失。主要應(yīng)用主要為牛奶的一種滅菌法，既可殺死對(duì)健康有害的病原菌又可使乳質(zhì)盡量少發(fā)生變更。也就是依據(jù)對(duì)耐高溫性極強(qiáng)的結(jié)核菌熱致死曲線和乳質(zhì)中最易受熱影響的奶油分別性熱破壞曲線的差異原理，在低溫下長(zhǎng)時(shí)間或高溫下短時(shí)間進(jìn)行加熱處理的一種方法。其中，在60℃以下加熱30分鐘的方式，作為低溫滅菌的標(biāo)準(zhǔn)，早為世界廣泛接受。利用高溫處理，雖對(duì)乳質(zhì)多少有些影響，但可增加滅菌效果，這種方法稱為高溫滅菌（sterilization），也就是在95℃以上加熱20分鐘。巴氏滅菌法除牛奶之外，也可應(yīng)用于發(fā)酵產(chǎn)品。

通常，市場(chǎng)上出售的袋裝牛奶就是接受巴氏滅菌法生產(chǎn)的。工廠采來(lái)鮮牛奶，先進(jìn)行低溫處理，然后用巴氏消毒法進(jìn)行滅菌。用這種方法生產(chǎn)的袋裝牛奶通?？梢员４孑^長(zhǎng)時(shí)間。

巴氏消毒法也不是萬(wàn)能的，經(jīng)過(guò)巴氏消毒法處理的牛奶仍舊要儲(chǔ)存在較低的溫度下（一般＜4℃），否則還是有變質(zhì)的可能性。因此市場(chǎng)上很多出售袋裝牛奶的方法是很不規(guī)范的。

巴氏消毒純鮮奶較好地保存了牛奶的養(yǎng)分與自然風(fēng)味，在全部牛奶品種中是最好的一種。其實(shí)，只要巴氏消毒奶在4℃左右的溫度下保存，細(xì)菌的繁殖就特別慢，牛奶的養(yǎng)分和風(fēng)味就可在幾天內(nèi)保持不變。利用高溫飽和蒸汽將物料的溫度上升使微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)變性進(jìn)行滅菌。滅菌條件：121℃下處理30min多數(shù)細(xì)菌和真菌的養(yǎng)分細(xì)胞在60℃左右處理5～10min后即可殺死；酵母菌和真菌的孢子稍耐熱些，要用80℃以上的溫度處理才能殺死；而細(xì)菌的芽孢最耐熱，一般要在120℃下處理15min才能殺死。（2）濕熱滅菌法濕熱滅菌要比干熱滅菌更有效。a.原生質(zhì)在含水量高的狀況下易變性凝固b.蒸汽的穿透力強(qiáng)濕熱滅菌效果：致死溫度和致死時(shí)間致死溫度：殺滅微生物的極限溫度。致死時(shí)間：在致死溫度下或以上滅死微生物所需時(shí)間。熱阻：微生物在某一特定條件下的死亡時(shí)間。濕熱滅菌分：a.分批滅菌b.連續(xù)滅菌間歇滅菌法，又稱丁達(dá)爾滅菌法或分段滅菌法。適用于不耐熱培育基的滅菌。方法是：將待滅菌的培育基在80～100℃下蒸煮15～60分鐘，以殺死其中全部微生物的養(yǎng)分細(xì)胞，然后置室溫或37℃下保溫過(guò)夜，誘導(dǎo)殘留的芽孢發(fā)芽，其次天再以同法蒸煮和保溫過(guò)夜，如此連續(xù)重復(fù)3天，即可在較低溫度下達(dá)到徹底滅菌的效果。加壓常規(guī)加壓滅菌法盛有適量水的加壓蒸汽滅菌鍋加熱煮沸，徹底驅(qū)盡空氣后將鍋密閉，再接著加熱至121℃（壓力為1kg／cm2或15磅／英寸2），時(shí)間維持15～20分鐘，也可接受在較低的溫度（115℃，即0.7kg／cm2或10磅／英寸2）下維持35分鐘的方法。此法適合于一切微生物學(xué)試驗(yàn)室、醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)或發(fā)酵工廠中對(duì)培育基及多種器材、物料的滅菌。

連續(xù)加壓滅菌法在發(fā)酵行業(yè)里也稱“連消法”。此法只在大規(guī)模的發(fā)酵工廠中作培育基滅菌用。主要操作：將培育基在發(fā)酵罐外連綿不斷地進(jìn)行加熱、維持和冷卻，然后才進(jìn)入發(fā)酵罐。培育基一般在135～140℃下處理5～15秒鐘。連續(xù)加壓滅菌法優(yōu)點(diǎn)①因接受高溫瞬時(shí)滅菌，故既可殺滅微生物，又可最大限度削減養(yǎng)分成分的破壞，從而提高了原料的利用率，比“實(shí)罐滅菌”（120℃，30分鐘）提高產(chǎn)量5～10％；②由于總的滅菌時(shí)間較分批滅菌注明顯削減，所以縮短了發(fā)酵罐的占用周期，從而提高了它的利用率；③由于蒸汽負(fù)荷勻整，故提高了鍋爐的利用率；④適宜于自動(dòng)化操作；⑤降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。高溫對(duì)培育基成分的有害影響及其防止消退高溫有害影響的措施（1）接受特殊加熱滅菌法（2）對(duì)易破壞的含糖培育基進(jìn)行滅菌時(shí)，應(yīng)先將糖液與其他成分分別滅菌后再合并；（3）對(duì)含Ca2+或Fe3+的培育基與磷酸鹽先作分別滅菌，然后再混合，就不易形成磷酸鹽沉淀；（4）對(duì)含有在高溫下易破壞成分的培育基（如含糖組合培育基）可進(jìn)行低壓滅菌（在112℃即0.57kg／cm2或8磅／英寸2下滅菌15分鐘）或間歇滅菌；（5）在大規(guī)模發(fā)酵工業(yè)中，可接受連續(xù)加壓滅菌法進(jìn)行培育基的滅菌滅菌設(shè)備

l、高壓蒸汽滅菌

生產(chǎn)中運(yùn)用高壓蒸汽滅菌鍋的型號(hào)很多手提式滅菌鍋，容量小，多用于某種培育基滅菌。立式或臥式滅菌鍋較大，多用于原種或少量栽培種培育基的滅菌，一般能裝幾十瓶或幾百瓶。滅菌柜要和蒸汽鍋爐配套，用于大量的原種和栽培種培育基的滅菌，一次能裝幾百至幾千瓶(袋)。但投資太大，適合大型菌種場(chǎng)運(yùn)用。

立式滅菌鍋2、常壓蒸汽滅菌鍋

常壓蒸汽滅菌鍋是用鐵鍋、磚、水泥砌成的，造價(jià)低，適于一般生產(chǎn)單位和專業(yè)戶運(yùn)用。大小可依據(jù)須要而定，但最大的鍋每次裝料也最好不超過(guò)500公斤。3、烘箱

烘箱主要是用于玻璃器皿的干燥和滅菌，也可用于其它物品烘干。三、培育基滅菌的要求培育基滅菌程度：因發(fā)酵系統(tǒng)而不同（1）達(dá)到要求的無(wú)菌程度（即可以接受的范圍）（2）盡量削減養(yǎng)分成分的破壞，在滅菌過(guò)程中，培育基組分的破壞，是由兩個(gè)基本類型的反應(yīng)引起的：培育基中不同養(yǎng)分成分間的相互作用；對(duì)熱不穩(wěn)定的組分如氨基酸和維生素等的分解。培育基滅菌需解決的問(wèn)題：滅菌的溫度滅菌的時(shí)間四、發(fā)酵工業(yè)培育基滅菌的特點(diǎn)數(shù)量多含有很多固體物質(zhì)有利于生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)便利易行價(jià)格便宜培育基滅菌應(yīng)接受高溫蒸汽滅菌——濕熱滅菌濕熱滅菌的優(yōu)點(diǎn)蒸汽來(lái)源簡(jiǎn)潔，操作費(fèi)用低，本身無(wú)毒；蒸汽有強(qiáng)的穿透力，滅菌易于徹底；蒸汽有很大的潛熱；操作便利，易管理。培育基濕熱滅菌需解決的工程問(wèn)題將培育基中的雜菌總數(shù)N0殺滅到可以接受的總數(shù)N（10-3），須要多高的溫度、多長(zhǎng)的時(shí)間為合理。滅菌溫度和時(shí)間的確定取決于：雜菌孢子的熱死滅動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器的形式和操作方式培育基中有效成分受熱破壞的可接受范圍

其次節(jié)加熱滅菌的基本原理一、相關(guān)概念二、微生物的熱死原理——對(duì)數(shù)殘存定律三、滅菌溫度與菌反應(yīng)速度常數(shù)的關(guān)系四、影響培育基滅菌的因素

本節(jié)學(xué)問(wèn)點(diǎn)：致死溫度、致死時(shí)間、熱阻微生物的熱死原理——對(duì)數(shù)殘存定律菌溫度與菌反應(yīng)速度常數(shù)的關(guān)系影響培育基滅菌的因素重點(diǎn)：對(duì)數(shù)殘存定律難點(diǎn)：滅菌溫度與反應(yīng)速度常數(shù)的關(guān)系

一、相關(guān)概念致死溫度：殺死微生物的極限溫度。致死時(shí)間：在致死溫度下殺死全部微生物所須要的時(shí)間。微生物對(duì)熱的反抗力用“熱阻”表示。熱阻指微生物在某一條件下的致死時(shí)間。養(yǎng)分細(xì)胞和細(xì)菌芽孢對(duì)熱的反抗力不同。相對(duì)熱阻：在相同條件下兩種微生物熱阻的比值。

二、微生物的熱死滅動(dòng)力學(xué)方程濕熱蒸汽冷凝時(shí)釋放大量潛熱，并具有強(qiáng)大的穿透力，在高溫順?biāo)嬖跁r(shí)，微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)極易發(fā)生不行逆的凝固性變性，致使微生物在短時(shí)間內(nèi)死亡。由于濕熱滅菌有經(jīng)濟(jì)和快速等特點(diǎn)，因此被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。用蒸汽加熱的方法對(duì)培育基滅菌的要求是:既要達(dá)到確定的滅菌程度，又要盡量削減營(yíng)養(yǎng)成分的破壞。微生物的熱死原理——對(duì)數(shù)殘存定律對(duì)數(shù)殘存定律——熱死滅動(dòng)力學(xué)方程某些分子的分解和分子內(nèi)部的重新排列的反應(yīng)屬于單分子反應(yīng)。雜菌雖然是一個(gè)困難的高分子體系，但其受熱被殺死，主要緣由是高溫能使蛋白質(zhì)變性，這種反應(yīng)屬與單分子反應(yīng)。故在確定溫度下，微生物受熱死亡符合單分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在滅菌過(guò)程中，活菌漸漸削減，其削減量隨殘存活菌數(shù)的削減而逐減，即微生物熱死亡速率與任一瞬間殘存活菌數(shù)成正比，即對(duì)數(shù)殘存定律：死亡速率殘存活菌數(shù)滅菌時(shí)間（min）熱死速度常數(shù)（殺菌速度常數(shù)）與菌的種類和加熱溫度有關(guān)（min-1）。是推斷微生物受熱死亡難易程度的基本依據(jù)。K值俞小，則此微生物俞耐熱。N0---滅菌起先(t=0)時(shí)，原有活菌數(shù)（污染度)N---經(jīng)過(guò)滅菌時(shí)間t后殘存活菌數(shù)積分將存活率與滅菌時(shí)間t在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)會(huì)可以得到直線。直線的斜率為K，K值越大表示微生物越簡(jiǎn)潔死亡。存活率T確定，K隨微生物種類不同而不同。如，在121℃，枯草芽胞桿菌FS5230的K：0.047～0.063s-1；梭狀芽胞桿菌PA3679的K：0.03s-1；嗜熱脂肪桿菌FS1518的K：0.013s-1。同一種微生物，養(yǎng)分細(xì)胞和芽胞的K值也有很大的差別，養(yǎng)分細(xì)胞易于受熱死亡，K值很高。120℃滅菌K值可大致為1010（min-1）數(shù)量級(jí)，而細(xì)菌孢子的K值在120℃只有100數(shù)量級(jí)。表2-1。三、比熱死亡速率常數(shù)1、微生物的種類K=f（菌種，溫度）試驗(yàn)還證明，細(xì)菌孢子的熱殺滅動(dòng)力學(xué)與養(yǎng)分細(xì)胞的有所不同。它表現(xiàn)為非對(duì)數(shù)的死亡動(dòng)力學(xué)。這可能與孢子壁的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)有關(guān)。但當(dāng)溫度超過(guò)120?C時(shí)，熱阻極強(qiáng)的嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子的熱殺滅動(dòng)力學(xué)也接近對(duì)數(shù)死亡動(dòng)力學(xué)即符合一級(jí)反應(yīng)規(guī)律。

推斷題對(duì)于同一種細(xì)菌，它的K（比熱死亡速率常數(shù))是固定的。細(xì)菌孢子的比熱死亡速率常數(shù)比養(yǎng)分細(xì)胞的大。溫度越高，細(xì)菌的比熱死亡速率常數(shù)越低。1/10衰減時(shí)間D值：活得微生物在受熱過(guò)程中削減到原來(lái)數(shù)目的1/10(N/N0=1/10)所須要的時(shí)間。即有D與K成反比。

Arrhenius方程:K=Ae-ΔE/RT或lnK=-ΔE/RT+lnAΔE——活化能（J/mol），其值俞大，k值越低，微生物不易死亡K——菌死亡的速度常數(shù)（1／min），A——阿累尼烏斯常數(shù)，也稱頻率因子（1／min），因菌種不同而異R——?dú)怏w常數(shù)（8.36J／K.mol）T——確定溫度（K）（273.15）2滅菌溫度與K的關(guān)系ΔE——活化能（J/mol）。其值俞大，k值越低，微生物不易死亡。不同菌的活化能不同。兩邊取對(duì)數(shù)得：

對(duì)lnK=－△E/RT+lnA兩邊求T的導(dǎo)數(shù)=，

和△E的關(guān)系：△E越大，越大細(xì)菌孢子熱死滅反應(yīng)的△E很高，而大部分養(yǎng)分物質(zhì)熱破壞反應(yīng)的△E很低，因而將T提高到確定程度會(huì)加速細(xì)菌孢子的死滅速率，從而縮短在上升溫度下的滅菌時(shí)間（ln(N/N0)=－Kt）；由于養(yǎng)分成分熱破壞的△E很低，上述的溫度提高只能略微增大其熱破壞溫度，但由于滅菌時(shí)間的顯著縮短，結(jié)果是養(yǎng)分成分的破壞量在允許的范圍內(nèi)。1、養(yǎng)分成分的保持培育基成分受熱分解的反應(yīng)也屬一級(jí)反應(yīng)，符合對(duì)數(shù)殘存定律和阿氏方程：K’——養(yǎng)分物破壞的反應(yīng)速率常數(shù)（min-1）C——養(yǎng)分物濃度（mol/L）E’——養(yǎng)分物分解反應(yīng)的活化能（J/mol）

四、影響培育基滅菌的因素通常E比E’大很多?；瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)指出：在活化能大的反應(yīng)中，反應(yīng)速率隨溫度變更也大。故當(dāng)溫度上升時(shí)，雜菌死亡速率要比養(yǎng)分成分破壞速度快得多。故接受HTST方法，可以削減養(yǎng)分成分破壞。滅菌的目的：有效殺滅雜菌，同時(shí)盡可能降低對(duì)養(yǎng)分的破壞程度。2、微生物的耐熱性3、pH值4、培育基成分5、泡沫6、顆粒嗜熱脂肪芽胞桿菌孢子和維生素B1的熱處理數(shù)據(jù)（確定T下，ln(N/N0)=－Kt），就不同的T，求得前者的比熱死亡速率常數(shù)KBS和后者的比破壞速率常數(shù)KVB，按lnK—1/T標(biāo)會(huì)，得圖，分批滅菌的例題

由圖算出：△EBS=67000×4.184J/mol△EVB=22000×4.184J/mol?lnK=-△E/RT+lnA依據(jù)上圖，若把滅菌溫度從105℃（1/T=2.64×10-3）提高到127℃（1/T=2.50×10-3），則KVB從0.02min-1增大到0.06min-1，KBS從0.12增大到40.0min-1，也就是說(shuō)，滅菌溫度提高了22℃，嗜熱脂肪芽胞桿菌孢子的比熱死亡速率增大330倍，而維生素Bd比熱死亡速率僅僅增加了3倍。培育基滅菌的工程設(shè)計(jì)無(wú)菌的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)微生物熱死滅方程，要求滅菌后達(dá)到確定無(wú)菌是很難做到的，也是不必要的。因此在工程設(shè)計(jì)中常取N=10-3一、分批滅菌的操作二、基礎(chǔ)條件的確定三、滅菌效率的計(jì)算四、分批滅菌的探討第三節(jié)分批滅菌的設(shè)計(jì)計(jì)算分批滅菌的操作過(guò)程分批滅菌時(shí)間的計(jì)算操作時(shí)間的計(jì)算本節(jié)學(xué)問(wèn)點(diǎn)重點(diǎn)：分批滅菌的操作和計(jì)算難點(diǎn)：分批滅菌的操作和計(jì)算一、分批滅菌的操作間歇滅菌（實(shí)罐滅菌、實(shí)消）將配好的培育基打入發(fā)酵罐，通入蒸汽將培育基和所用的設(shè)備（一般是發(fā)酵罐）一起進(jìn)行滅菌，也稱實(shí)罐滅菌。這種方法不需特地的滅菌設(shè)備，在發(fā)酵罐中進(jìn)行，滅菌效果牢靠。分批滅菌對(duì)蒸汽的壓力要求較低，在3～4×105Pa（表壓）就可滿足要求，但在滅菌過(guò)程中，蒸汽用量波動(dòng)大，造成鍋爐負(fù)荷波動(dòng)大。在發(fā)酵罐中進(jìn)行實(shí)罐滅菌，是典型的分批滅菌。全過(guò)程包括升溫、保溫、降溫三個(gè)過(guò)程。間歇滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.設(shè)備投資較少2.染菌的危急性較小3.人工操作較便利4.對(duì)培育基中固體物質(zhì)含量較多時(shí)更為適宜缺點(diǎn)：滅菌過(guò)程中蒸汽用量變更大，造成鍋爐負(fù)荷波動(dòng)大，一般只限于中小型發(fā)酵裝置。保證間歇滅菌成功的要素內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理(主要是無(wú)死角)，焊縫及軸封裝置牢靠，蛇管無(wú)穿孔現(xiàn)象壓力穩(wěn)定的蒸汽合理的操作方法。發(fā)酵罐的接管圖二、基礎(chǔ)條件的確定1、污染度N0一般假定位104～106個(gè)/ml2、滅菌度N實(shí)際計(jì)算時(shí)取N＝10-3，即處理1000只有一個(gè)或微生物（一般是針對(duì)周期長(zhǎng)，成本高的發(fā)酵）。3、N/N0為滅菌程度的指標(biāo)。例如：培育基100m3，含菌105個(gè)/ml,，要求滅菌后存活菌數(shù)10-3個(gè)/罐，則N0/N=(100×106×105/10-3)=1016，為計(jì)算便利，取ln(N0/N)=36.8分批滅菌過(guò)程：升溫、保溫順降溫，滅菌主要是在保溫過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，在升溫的后期和冷卻的初期，培育基的溫度很高，因而對(duì)滅菌也有確定貢獻(xiàn)。LnN0/N=36.8是總的判據(jù)，是由升溫、保溫、降溫三段實(shí)現(xiàn)的。4、污染菌的熱死特性要了解是否符合對(duì)數(shù)殘留定律，確定K，A，E的值。對(duì)不同細(xì)胞，選取不同的T和t。5、培育罐中溫度與時(shí)間的關(guān)系大量培育液分批滅菌時(shí)，加熱和冷卻時(shí)間不能忽視。總滅菌時(shí)間等于升溫、保溫順降溫三段時(shí)間之和。t=t1+t2+t3三、滅菌效率的計(jì)算若滅菌溫度恒定為T(mén)，那么到規(guī)定滅菌度（N）所需殺菌時(shí)間

當(dāng)滅菌℃隨時(shí)間變更時(shí)，K也變更，則有積分

用V表示滅菌效果，則有V總＝ln(N0/NS)=V加+V保+V冷

升溫、維持和冷卻過(guò)程中滅菌效果分別為V加V保V冷加熱和冷卻后積分，簡(jiǎn)化得公式，P146頁(yè)例如：某發(fā)酵罐分批滅菌最高溫度120℃，保持5min，設(shè)計(jì)的溫度和時(shí)間關(guān)系如下：發(fā)酵罐100m3，N0=105個(gè)/ml，N=10-3，已知升溫順冷卻的滅菌效果不超過(guò)總滅菌效果的25%，問(wèn)設(shè)計(jì)的T-t過(guò)程是否達(dá)到滅菌要求，如不能，應(yīng)如何改進(jìn)？（A=7.94×1038min-1；△E=278441J/mol;R=8.28J/mol·K）實(shí)際生產(chǎn)上，培育基干脆蒸汽加熱和間接冷卻的計(jì)算。P12工業(yè)規(guī)模的滅菌操作，完成整個(gè)滅菌周期的時(shí)間是3~5h，各階段的貢獻(xiàn)大致如下：

V加/V總=0.2V保/V總=0.75V冷/V總=0.05四、分批滅菌的探討溫度和壓力的關(guān)系泡沫問(wèn)題投料過(guò)程中，麩皮和豆餅粉等固形物在罐壁上殘留的問(wèn)題滅菌結(jié)束后應(yīng)馬上引入無(wú)菌空氣保壓培育基間歇滅菌過(guò)程中應(yīng)留意的問(wèn)題一、連續(xù)滅菌概念二、連續(xù)滅菌流程三、連續(xù)滅菌計(jì)算四.連續(xù)滅菌反應(yīng)器的流體流淌模型第四節(jié)連續(xù)滅菌及其計(jì)算連續(xù)滅菌的工作原理連續(xù)滅菌的工藝流程連續(xù)滅菌時(shí)間的計(jì)算連續(xù)滅菌反應(yīng)器設(shè)備及計(jì)算本節(jié)學(xué)問(wèn)點(diǎn)：重點(diǎn)：連續(xù)滅菌的工藝流程、設(shè)備及計(jì)算難點(diǎn)：連續(xù)滅菌計(jì)算及應(yīng)用一、連續(xù)滅菌概念連續(xù)滅菌（連消）：培育基在罐外連續(xù)進(jìn)行加熱、維持和冷卻，然后進(jìn)入發(fā)酵罐的殺菌方法。連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)–保留較多的養(yǎng)分質(zhì)量–簡(jiǎn)潔放大–較易自動(dòng)限制；–糖受蒸汽的影響較少；–縮短滅菌周期；–在某些狀況下，可使發(fā)酵罐的腐蝕削減；–發(fā)酵罐利用率高；–蒸汽負(fù)荷勻整。缺點(diǎn)–設(shè)備比較困難，投資較大，簡(jiǎn)潔造成污染。二、連續(xù)滅菌流程1、連消塔－噴淋冷卻流程設(shè)備浩大，易發(fā)生局部受熱不均。

2、噴射加熱－真空冷卻流程加熱和冷卻在瞬間完成，養(yǎng)分成分破壞少。

典型的噴射加熱連續(xù)滅菌時(shí)的溫度和時(shí)間曲線圖3、薄板換熱器連續(xù)滅菌流程培育基在設(shè)備中同時(shí)完成預(yù)熱、滅菌及冷卻過(guò)程。薄板換熱器連續(xù)滅菌流程薄板換熱器連續(xù)滅菌時(shí)的溫度和時(shí)間曲線圖4、連續(xù)滅菌設(shè)備的結(jié)構(gòu)套管式連消塔噴嘴式連消塔維持罐噴射加熱器薄板換熱器干脆蒸汽連續(xù)滅菌設(shè)備溫度和時(shí)間的關(guān)系。由于加熱和冷卻時(shí)間極短，可省略。滅菌時(shí)間主要是維持器中停留時(shí)間。故只有維持器的設(shè)計(jì)與滅菌程度有關(guān)。已知滅菌溫度，理論滅菌時(shí)間可按下式估算：殺菌速率常數(shù)K可取一般耐熱細(xì)菌芽孢的K值，并按下式計(jì)算：三、連續(xù)滅菌計(jì)算τ=式中：V反應(yīng)器中液體所占的體積（L，m3）Q通過(guò)反應(yīng)器的流體流速（L/min，m3/min），τ為流體在反應(yīng)器中停留的時(shí)間。在設(shè)計(jì)連續(xù)滅菌設(shè)備時(shí)，必需相識(shí)到并不是培育基的每一質(zhì)點(diǎn)都在反應(yīng)器中停留同樣的時(shí)間。四.連續(xù)滅菌反應(yīng)器的流體流淌模型實(shí)際的反應(yīng)器中，與流淌方向相垂直的截面上各質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）的流速不同（有流速分布）。實(shí)際的反應(yīng)器中，與流淌方向相垂直的截面上各質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）的流速不同（有流速分布），這就必定造成物料間的（軸向）混合，（由于有返混現(xiàn)象）這樣就不能保證物料先進(jìn)的先出，后進(jìn)的后出，那么有的物料滅菌時(shí)間長(zhǎng)，有的滅菌時(shí)間短，有的物料達(dá)到了滅菌要求，而有的沒(méi)有達(dá)到，由此我們?cè)谠O(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，確定考慮到這個(gè)現(xiàn)象，引入的τ概念。返混現(xiàn)象：反應(yīng)器中停留時(shí)間不同的物料之間的混合稱為返混。依據(jù)返混的程度，在化學(xué)工程中建立了兩種志向的連續(xù)流淌反應(yīng)器模型：連續(xù)攪拌罐（CSTR）：返混為∞活塞流反應(yīng)器（PFR）反應(yīng)器：返混為0（1）PFR模型（活塞流模型）plugflowreactor活塞反應(yīng)器是指反應(yīng)器中物料的流淌狀況滿足活塞流假設(shè)，物料沿同一方向以相同速度向前流淌，在流淌方向上沒(méi)有物料返混，全部物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都是相同的。（長(zhǎng)徑比很大的管式反應(yīng)器，沒(méi)有彎頭、閥門(mén)、管件、接近于PFR模型）滅菌狀況：在PFR內(nèi)進(jìn)行恒溫?zé)釡缇?，沿流淌的方向，活孢子的濃度N下降，熱死滅速率也相應(yīng)下降，但對(duì)于同一截面上活孢子濃度相等，熱死滅速率也相等；沿流淌方向，活孢子濃度及熱死滅速率相應(yīng)下降，下降的規(guī)律確定于菌體死滅反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算有通式如下：進(jìn)入量=排出量+反應(yīng)量+積累量積分ln=－K?t結(jié)論：活塞流的滅菌效果與間歇反應(yīng)器的分批滅菌效果相同，反應(yīng)速度增加，但是可以節(jié)約升降溫的時(shí)間。常把PFR反應(yīng)器用于升至滅菌溫度后的恒溫?zé)釡缇?。攪拌猛烈的?shí)際連續(xù)反應(yīng)器（機(jī)械攪拌、氣流或液流攪拌）可以接近于CSTR特性。那么這樣反應(yīng)器的N、N0、t、k等參數(shù)之間的關(guān)系是怎樣的數(shù)學(xué)表達(dá)式呢？?因?yàn)檎麄€(gè)反應(yīng)器內(nèi)濃度分布勻整，所以對(duì)進(jìn)出整個(gè)反應(yīng)器的物料——活菌數(shù)進(jìn)行物料衡算。?進(jìn)入量=排出量+反應(yīng)量+積累量?QN0=QN+K·N·V+0整理QN0=N（Q+K·V）（2）CSTR模型（全混流模型）返混：是不同反應(yīng)時(shí)間的物料之間的混合。?PFR：返混程度最小?CSTR：返混程度最大?高/徑↑，返混程度↓；?高/徑↓，返混程度↑實(shí)際的大部分反應(yīng)器都介于這兩種志向的反應(yīng)器之間，象塔式，短管式反應(yīng)器，都存在確定程度的返混。3）擴(kuò)散模型

流體在管內(nèi)流淌，由于分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散的作用使一部分流體質(zhì)點(diǎn)返混了回去，這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化為在活塞流淌中疊加了一個(gè)與流淌方向相反的擴(kuò)散。費(fèi)克定律：擴(kuò)散通量（沿軸方向）=De?De：軸向擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s?C：質(zhì)點(diǎn)濃度，個(gè)/cm3?L：擴(kuò)散距離，cm?培育基的滅菌條件1、培育基的性質(zhì)：體積、培育基成分的可溶性2、加熱和冷卻階段滅菌效果加熱滅菌的技術(shù)要點(diǎn)第五節(jié)滅菌問(wèn)題的探討培育基成分對(duì)滅菌的影響油脂，糖類及確定濃度的蛋白質(zhì)可增加微生物的耐熱性，另一些物質(zhì)，如高濃度的鹽類，色素等可減弱其耐熱性。培育基的物理狀態(tài)對(duì)滅菌的影響培育基中微生物數(shù)量對(duì)滅菌的影響培育基中氫離子濃度對(duì)滅菌的影響培育基中氫離子濃度干脆影響滅菌的效果。培育基的酸堿度越大，所需殺滅微生物的溫度越低。影響滅菌的因素微生物細(xì)胞中水分對(duì)滅菌的影響細(xì)胞含水越多，蛋白質(zhì)變性的溫度越底微生物細(xì)胞菌齡對(duì)滅菌的影響老細(xì)胞水分含量低、低齡細(xì)胞水分含量高空氣解除狀況對(duì)滅菌的影響攪拌對(duì)滅菌的影響泡沫對(duì)滅菌的影響在發(fā)酵過(guò)程中，往往要向發(fā)酵罐中補(bǔ)入各種不同的料液。這些料液都必需經(jīng)過(guò)滅菌。滅菌的方法則視料液的性質(zhì)、體積和補(bǔ)料速率而定。假如補(bǔ)料量較大，而具有連續(xù)性時(shí)，則接受連續(xù)滅菌較為合適。也有利用過(guò)濾法對(duì)另補(bǔ)料液進(jìn)行除菌。補(bǔ)料液的分批滅菌，通常是向盛有物料的容器中干脆通入蒸汽。全部的附屬設(shè)備和管道都要經(jīng)過(guò)滅菌。習(xí)題1.常用的滅菌方法有哪些？發(fā)酵工業(yè)中為何應(yīng)用最廣的是濕熱滅菌？2.將10000千克的培育基在發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行分批滅菌，滅菌溫度為120℃，滅菌后要求每1000批中只有一個(gè)雜菌，培育基原始污染度為105個(gè)/g，試計(jì)算總殺菌效率V總＝？（V總＝ln(N0/N)）3.某廠所運(yùn)用的培育基含雜菌數(shù)為106/cm3，生產(chǎn)允許的染菌幾率是10-3，，問(wèn)當(dāng)發(fā)酵容器從1m3放大到10m3時(shí)，則滅菌準(zhǔn)數(shù)增加多少？4.試證明，式中D為1/10衰減時(shí)間，K為殺菌常數(shù)。5.某發(fā)酵罐分批滅菌最高溫度120℃，保持5min，設(shè)計(jì)的溫度和時(shí)間關(guān)系如下：發(fā)酵罐100m3，N0=105個(gè)/ml，N=10-3，已知