發(fā)酵工程的滅菌與空氣除菌

發(fā)酵工程的滅菌與空氣除菌第1頁/共52頁如，生產(chǎn)菌和雜菌同時生長，生產(chǎn)菌喪失生產(chǎn)能力；在連續(xù)發(fā)酵過程中，雜菌的生長速度有時會比生產(chǎn)菌生長得更快，結(jié)果使發(fā)酵罐中以雜菌為主；雜菌及其產(chǎn)生的物質(zhì)，使提取精制發(fā)生困難；雜菌會降解目的產(chǎn)物；雜菌會污染最終產(chǎn)品；發(fā)酵時如污染噬菌體，可使生產(chǎn)菌發(fā)生溶菌現(xiàn)象。因此，要求保證純種培養(yǎng)，在接種前，要對發(fā)酵罐、管道、空氣除菌系統(tǒng)及補料系統(tǒng)等設備進行空氣消毒，對培養(yǎng)基、消泡劑、補料液和空氣需徹底除菌，還要對生產(chǎn)環(huán)境進行消毒處理，防止雜菌和噬菌體的大量繁殖。在發(fā)酵過程中夾雜其它雜菌會造成嚴重的后果第2頁/共52頁本章內(nèi)容第一節(jié)常用的滅菌方法第二節(jié)培養(yǎng)基與發(fā)酵設備的滅菌第三節(jié)空氣的除菌第3頁/共52頁第一節(jié)常用的滅菌方法一、定義1、培養(yǎng)基滅菌的定義是指從培養(yǎng)基中殺滅有生活能力的細菌營養(yǎng)體及其孢子，或從中將其除去。工業(yè)規(guī)模的液體培養(yǎng)基滅菌，殺滅雜菌比除去雜菌更為常用。2、滅菌與消毒的區(qū)別滅菌（sterilization）：用物理或化學方法殺死或除去環(huán)境中所有微生物，包括營養(yǎng)細胞、細菌芽孢和孢子消毒：用物理或化學方法殺死物料、容器、器皿內(nèi)外的病源微生物。第4頁/共52頁二、工業(yè)生產(chǎn)中的滅菌1、工業(yè)上具體措施包括（1）使用的培養(yǎng)基和設備須經(jīng)滅菌；（2）好氧培養(yǎng)中使用的空氣應經(jīng)除菌處理；（3）設備應嚴密，發(fā)酵罐維持正壓環(huán)境；（4）培養(yǎng)過程中加入的物料應經(jīng)過滅菌；（5）使用無污染的純粹種子。2、培養(yǎng)基滅菌的目的殺滅培養(yǎng)基中的微生物，為后續(xù)發(fā)酵過程創(chuàng)造無菌的條件。3、培養(yǎng)基滅菌的要求（1）達到要求的無菌程度（10-3）（2）盡量減少營養(yǎng)成分的破壞，在滅菌過程中，培養(yǎng)基組分的破壞，是由兩個基本類型的反應引起的：培養(yǎng)基中不同營養(yǎng)成分間的相互作用；對熱不穩(wěn)定的組分如氨基酸和維生素等的分解。第5頁/共52頁4、滅菌的方法（1）化學法（化學藥品滅菌法）：化學藥品直接作用于微生物而將其殺死的方法。消毒劑與防腐劑的區(qū)分并不嚴格，常用的化學藥劑有：石碳酸、甲醛、氯化汞、碘酒、酒精等。主要用于生產(chǎn)車間環(huán)境、無菌室空間、接種操作前小型器具及雙手的消毒等以及染菌后的培養(yǎng)基。根據(jù)滅菌對象的不同使用方法有浸泡、添加、擦拭、噴灑、氣態(tài)熏蒸等。第6頁/共52頁（2）物理法①干熱滅菌法：灼燒滅菌法；玻璃器皿、金屬器材和其他耐高溫的物品在干熱滅菌器中，于160℃下保存1h。有紙或棉塞者滅菌不能超過170℃。②射線滅菌法：利用紫外線、高能電磁波或放射性物質(zhì)產(chǎn)生的γ射線進行滅菌的方法，波長范圍在200～275nm的紫外線具有殺菌作用，殺菌作用最強的范圍是250～270nm，波長為253.7nm的紫外線殺菌作用最強。在紫外燈下直接暴露，一般繁殖型微生物約3～5min，芽孢約10min即可殺滅。但其穿透力較差，一般只適于接種室、超凈工作臺、無菌培養(yǎng)室及物質(zhì)表面殺菌。不同微生物對紫外線的抵抗力不同，對桿菌殺滅力強，對球菌次之，對酵母菌、霉菌等較弱，因此常與化學滅菌結(jié)合使用。③過濾除菌：使用適當?shù)倪^濾材料或介質(zhì)對液體或氣體進行過濾，出去微生物的方法。主要適用于：熱敏感物質(zhì)（生長因子、抗生素、培養(yǎng)基）的滅菌和發(fā)酵用無菌空氣的制備。第7頁/共52頁④濕熱滅菌法：利用飽和蒸汽進行滅菌。釋放大量熱量和強大穿透力使生物大分子化學鍵受到破壞。常用于培養(yǎng)基、發(fā)酵設備、附屬設備、管道和實驗器材的滅菌。煮沸滅菌法：將物品在水中煮沸15-20min，一般微生物細胞可殺死，但不能殺死孢子。適用于食品、器具消毒。無芽孢菌用60℃10min，芽孢用100℃10min，嗜熱細菌用120℃20-30min可完全殺死。巴氏消毒法：有的食物經(jīng)煮沸或用更高的溫度處理會損害它的營養(yǎng)價值或色香味，則采用巴氏消毒，已達消毒和防腐目的。60-62℃30min或70℃15min，以殺死其中的病原菌或部分微生物的營養(yǎng)體。適用于牛奶、啤酒、黃酒醬油、醋等食品。間歇滅菌法：反復幾次的常壓蒸汽滅菌，已達到殺死微生物營養(yǎng)體和芽孢的目的。100℃30-60min而殺死微生物營養(yǎng)體，置37℃培養(yǎng)1h，使其芽孢發(fā)育成營養(yǎng)體，次日再同樣的方法處理，反復3次。適用于不能高壓滅菌的物質(zhì)，如糖類明膠牛奶培養(yǎng)基等。高壓蒸汽滅菌：使用密閉的高壓蒸汽滅菌鍋。實驗室常用壓力為0.1兆帕（MPa，一公斤的壓力），121℃15-30min，可殺死各種微生物及芽孢。常用于培養(yǎng)基、發(fā)酵設備、管道、實驗器材等。

第8頁/共52頁本章內(nèi)容第一節(jié)常用的滅菌方法第二節(jié)培養(yǎng)基與發(fā)酵設備的滅菌第三節(jié)空氣的除菌第9頁/共52頁第二節(jié)培養(yǎng)基與發(fā)酵設備的滅菌一、滅菌的機理（一）化學滅菌機理：化學物質(zhì)（高錳酸鉀、漂白粉等）與微生物細胞中的某些成分產(chǎn)生化學反應，如蛋白質(zhì)變性、核算的破壞、酶的失活、細胞膜頭型的改變而殺死微生物。（二）紫外線滅菌機理：在紫外線照射下微生物細胞的DNA遭到破壞，形成胸腺嘧啶二聚體和胞嘧啶水合物，抑制DNA的復制。此外，空氣在紫外線照射下生成的臭氧也有一定的殺菌作用。（三）干熱滅菌機理：在干燥高溫條件下，微生物細胞內(nèi)的各種與溫度有關(guān)的氧化還原反應速度迅速增加，致死微生物。第10頁/共52頁（四）濕熱滅菌

1、濕熱滅菌中的相關(guān)定義殺死微生物的極限溫度稱為致死溫度。在致死溫度下，殺死全部微生物所需的時間稱為致死時間；在致死溫度以上，溫度愈高，致死時間愈短。

微生物的熱阻：是指微生物在某一特定條件（主要是溫度和加熱方式）下的致死時間。一般評價滅菌徹底與否的指標主要是看能否完全殺死熱阻大的芽孢桿菌。

各種微生物對濕熱的相對熱阻第11頁/共52頁

2、濕熱滅菌的優(yōu)點蒸汽來源容易，操作費用低，本身無毒；蒸汽有強的穿透力，滅菌易于徹底；蒸汽有很大的潛熱；操作方便，易管理。

3、濕熱滅菌的機理每一種微生物都有一定的最適生長溫度范圍。當微生物處于最低溫度以下時，代謝作用幾乎停止而處于休眠狀態(tài)。當溫度超過最高限度時，微生物細胞中的原生質(zhì)膠體和酶起了不可逆的凝固變性，使微生物在很短時間內(nèi)死亡，加熱滅菌即是根據(jù)微生物這一特性而進行的。微生物受熱死亡的原因主要是高溫使微生物體內(nèi)的一些重要蛋白質(zhì)發(fā)生凝固、變性，而致使微生物。致死溫度、致死時間兩者呈反比一般情況微生物營養(yǎng)體60℃10min即可死亡，但是細菌芽胞需要100℃幾十分鐘及數(shù)小時才能被殺死。第12頁/共52頁4、培養(yǎng)基濕熱滅菌需解決的工程問題1）將培養(yǎng)基中的雜菌總數(shù)N0

殺滅到可以接受的總數(shù)N（10-3）需要多高的溫度、多長的時間為合理。2）滅菌溫度和時間的確定取決于：（1）雜菌孢子的熱滅死動力學（2）反應器的形式和操作方式（3）培養(yǎng)基中有效成分受熱破壞的可接受范圍

5、生物熱死動力學（對數(shù)殘存定律）

在一定的溫度下，微生物致死遵循分子反應速率理論，即：表達式：dN/dt=-kN，即微生物的死亡速率（dN/dt）與任何一瞬間殘留的活菌數(shù)成正比，所以稱為對數(shù)殘存定律。

(N為活細菌數(shù)，t為受熱時間，k熱死速率常數(shù)）對上式積分得：N=N0e-kt

或：t=ln(N0/N)/k(N0為開始滅菌時的活細菌數(shù)；N為經(jīng)時間t后殘存的活細菌數(shù)）可以根據(jù)殘留菌數(shù)的要求用上式計算滅菌時間t0（理論N=0，實際N=0.001）第13頁/共52頁幾種微生物的對數(shù)殘存量與時間的關(guān)系曲線第14頁/共52頁①K與菌種的特性有關(guān)相同溫度下，微生物越耐熱，k值越小。相同溫度下，微生物越不耐熱，k值越大。6、反應速率常數(shù)K②K與滅菌溫度有關(guān)K=A·e–⊿E/RT（遵循阿侖烏斯定律）lgK=-⊿E/(2.303RT)+lgAA：比例常數(shù)R：氣體常數(shù)（J/(mol·K)）T：絕對溫度（K）⊿E：殺死細菌所需的活化能（J/mol）第15頁/共52頁7、殺滅細菌芽孢的溫度和時間成熟的細菌芽孢除含有大量的鈣-吡啶二羧酸成分外，還處于脫水狀態(tài)，成熟芽孢的核心只含有營養(yǎng)細胞水分的10%～30%。這些特性大大增加了芽孢的抗熱和抵抗化學物質(zhì)的能力。在相同溫度下殺滅不同細菌芽孢所需時間不同，一方面因為不同細菌芽孢對熱的耐受性不同，另外培養(yǎng)條件的不同也使耐熱性產(chǎn)生差別。表多數(shù)細菌芽孢的滅菌溫度與時間溫度/℃100110115121125130時間/min120015051156.42.4第16頁/共52頁8、影響培養(yǎng)基滅菌的因素（1）培養(yǎng)基成分培養(yǎng)液中油脂、糖類及一定濃度的蛋白質(zhì)會增加微生物的耐熱性。高濃度鹽類、色素能削減其耐熱性。隨著滅菌條件的強化,培養(yǎng)基成分的熱變質(zhì)加速，特別是維生素。因此培養(yǎng)液滅菌一般都采用高溫短時加熱的方式，這樣可以達到徹底滅菌和把營養(yǎng)分破壞減少到最低限度的目的。（2）培養(yǎng)基成分顆粒度培養(yǎng)基成分的顆粒越大，蒸汽穿透所需時間越長。小于1mm顆粒的培養(yǎng)基，可不必考慮顆粒對滅菌的影響，但對于含有少量大顆粒及粗纖維培養(yǎng)基的滅菌，特別是存在凝結(jié)成團的膠體時會影響滅菌效果，則應適當提高滅菌溫度或過濾除去。第17頁/共52頁（3）培養(yǎng)基pHpH對微生物耐熱性影響很大。微生物一般在pH6.0～8.0時最耐熱；pH＜6.0，氫離子易滲入微生物細胞內(nèi)，從而改變細胞的生理反應促使其死亡。pH越低，滅菌所需時間越短。（4）微生物細胞含水量

含水量少，蛋白質(zhì)不易變性，但在滅菌時，如果是含水量很高的物品，高溫蒸汽的穿透效果也會降低，所以滅菌時間也要延長。第18頁/共52頁（5）微生物性質(zhì)與數(shù)量各種微生物對熱的抵抗力相差較大，細菌的營養(yǎng)體、酵母、霉菌的菌絲體對熱較為敏感，而放線菌、酵母、霉菌孢子對熱的抵抗力較強；繁殖期的微生物對高溫的抵抗力比衰老期微生物抵抗力小得多；微生物數(shù)量越多，所需滅菌時間越長；天然原料配成的培養(yǎng)基含菌量高于純粹用化學試劑配制成的組合培養(yǎng)基。（6）冷空氣排除情況高壓蒸汽滅菌的關(guān)鍵是為熱的傳導提供良好條件，而其中最重要的是使冷空氣從滅菌器中順利排出。因為冷空氣不但導熱性差，阻礙蒸汽解除欲滅菌的物品，還可會降低蒸汽分壓，使罐內(nèi)實際溫度低于壓力表所對應的溫度，造成滅菌溫度不夠。（7）泡沫泡沫中的空氣形成隔熱層，使熱量難以滲透進去，需加消泡劑。（8）攪拌

避免局部過熱或形成滅菌死角第19頁/共52頁二、培養(yǎng)基的滅菌

無菌的標準：根據(jù)微生物熱死滅方程，要求滅菌后達到絕對無菌是很難做到的，也是不必要的。因此在工程設計中常取N=10-3。工業(yè)化生產(chǎn)中培養(yǎng)基的滅菌采用濕熱滅菌方式，主要有兩種方法：分批滅菌和連續(xù)滅菌。分批滅菌和連續(xù)滅菌比較

連續(xù)滅菌與分批滅菌比較具有很多優(yōu)點，尤其是當生產(chǎn)規(guī)模大時，優(yōu)點更為顯著。主要體現(xiàn)在以下幾方面：①可采用高溫短時滅菌，培養(yǎng)基受熱時間短，營養(yǎng)成分破壞少，有利于提高發(fā)酵產(chǎn)率；②發(fā)酵罐利用率高；③蒸汽負荷均衡；④采用板式換熱器時，可節(jié)約大量能量；⑤適宜采用自動控制，勞動強度小。

但當培養(yǎng)基中含有固體顆粒或培養(yǎng)基有較多泡沫時，以采用分批滅菌為好，因為在這種情況下用連續(xù)滅菌容易導致滅菌不徹底。對于容積小的發(fā)酵罐，連續(xù)滅菌的優(yōu)點不明顯，而采用分批滅菌比較方便。

第20頁/共52頁（一）分批滅菌（batchsterilization）又稱間歇滅菌，就是將配制好的培養(yǎng)基全部輸入發(fā)酵罐內(nèi)或其他裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設備加熱至滅菌溫度后維持一定時間，再冷卻到接種溫度，這一工藝過程稱為實罐滅菌，是使培養(yǎng)基和發(fā)酵罐同時滅菌的一種方式。優(yōu)點：無需專一滅菌設備，操作簡便。缺點：加熱和冷卻時間較長，易發(fā)生過熱破壞營養(yǎng)分的現(xiàn)象，發(fā)酵罐利用率低。滅菌流程：培養(yǎng)基的加熱一般用直接蒸汽通入罐內(nèi)，冷卻是冷卻水通入蛇管或夾層間接進行。滅菌時間過程包括：加熱、維持、冷卻所需要的時間。第21頁/共52頁流程操作：先預熱一定時間，使物料溶脹均勻受熱，預熱90℃以上時，將蒸汽直接通入培養(yǎng)基及罐中，可減少冷凝水生成量。溫度達到120℃時計算維持時間。生產(chǎn)中常用維持時間30min。為了減少營養(yǎng)成分的破壞多采用快速冷卻方式，立即向罐內(nèi)通入無菌空氣，以維持罐壓,然后開啟冷卻系統(tǒng)進行冷卻。第22頁/共52頁分批滅菌設備示意圖三路進汽：蒸汽從通風、取樣和出料口進入罐內(nèi)直接加熱，直到所規(guī)定的溫度，并維持一定的時間。這就是所謂的“三路進氣”。四路出汽：在液面以上的管道口則應排放空氣，即蒸汽從排氣、接種、進料和消沫劑管排氣。這樣做可以達到不留滅菌死角。第23頁/共52頁（二）連續(xù)滅菌(continuoussterilization)連續(xù)滅菌是將培養(yǎng)基通過專門設計的滅菌器，進行連續(xù)流動滅菌后，進入預先滅過菌的發(fā)酵罐中的滅菌方式，也稱之為連消。連續(xù)滅菌設備主要由滅菌系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)及電器系統(tǒng)組成。附屬設備由進料輸送帶散布機，出料輸送帶等組成。滅菌系統(tǒng)采用專一滅菌設備--連消塔(或器)。優(yōu)點：①高溫快速滅菌工藝，營養(yǎng)成分破壞的少；②發(fā)酵罐的非生產(chǎn)占用時間短，容積利用率提高；③熱能利用合理，適合實行自動化控制；缺點：①不適用于粘度大或固形物含量高的培養(yǎng)基滅菌；②增加一套連續(xù)滅菌設備，增多了操作環(huán)節(jié)，增加染菌的機率。第24頁/共52頁連消塔-噴淋冷卻連續(xù)滅菌的基本流程流程：在短時間內(nèi)使物料在連消塔中的溫度達到滅菌溫度126℃～132℃，然后進入維持罐中保溫5～8min，然后物料以層流(避免紊流造成混流、錯流致使滅菌時間不準的現(xiàn)象發(fā)生)的方式保持先進先出、后進后出的狀態(tài)流至維持罐出口完成滅菌時間，再進入冷卻器快速換熱冷卻后進入滅菌完畢的發(fā)酵罐中。第25頁/共52頁噴射加熱-真空冷卻連續(xù)滅菌流程圖典型的蒸汽噴射式-真空冷卻過程中培養(yǎng)基溫度隨時間的變化曲線噴射器結(jié)構(gòu)示意圖第26頁/共52頁連續(xù)滅菌與分批滅菌的比較1、連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點?優(yōu)點–保留較多的營養(yǎng)質(zhì)量–容易放大–較易自動控制；–糖受蒸汽的影響較少；–縮短滅菌周期；–在某些情況下，可使發(fā)酵罐的腐蝕減少；–發(fā)酵罐利用率高；–蒸汽負荷均勻。?缺點–設備比較復雜，投資較大。2、分批滅菌的優(yōu)缺點?優(yōu)點–設備投資較少–染菌的危險性較小–人工操作較方便–對培養(yǎng)基中固體物質(zhì)含量較多時更為適宜?缺點–滅菌過程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負荷波動大，一般只限于中小型發(fā)酵裝置。第27頁/共52頁（三）固體培養(yǎng)基滅菌固體培養(yǎng)基要先蒸煮滅菌,但固體培養(yǎng)基呈粒狀、片狀或粉狀，流動性差，不易翻動，吸水加熱易成團,冷卻困難。針對這些特點設計的轉(zhuǎn)鼓式滅菌機常用于酒廠、醬油廠。轉(zhuǎn)鼓式滅菌器，可以0.5～1r/min轉(zhuǎn)動，培養(yǎng)基能得到較為充分的混勻，軸的中心是一帶孔的圓管，蒸汽沿軸中心通入鼓內(nèi)培養(yǎng)基中進行加熱，達到一定溫度后，進行保溫滅菌。滅菌結(jié)束后用真空泵對轉(zhuǎn)鼓抽氣，降低鼓內(nèi)壓力和培養(yǎng)基的溫度。1、吸氣口；2、真空管；3、花管；4、攪拌葉；5、水蒸氣轉(zhuǎn)鼓式滅菌器第28頁/共52頁三、管道與發(fā)酵罐等的滅菌（1）種子罐、發(fā)酵罐、計量罐、補料罐等的空罐滅菌及管道滅菌從有關(guān)管道通入蒸汽，使罐內(nèi)蒸汽壓力達0.147MPa，維持45min，滅菌過程從閥門、邊閥排出空氣，并使蒸汽通過到達死角滅菌。滅菌完畢，關(guān)閉蒸汽后，待罐內(nèi)壓力低于空氣過濾器壓力時，通入無菌空氣保持罐壓0.098MPa。（2）空氣總過濾器和分過濾器滅菌排出過濾器中的空氣，從過濾器上部通入蒸汽，并從上、下排氣口排氣，維持壓力0.174MPa滅菌2h。滅菌完畢，通入壓縮空氣吹干。（3）種子培養(yǎng)基實罐滅菌從夾層通入蒸汽間接加熱至80℃，再從取樣管、進風管、接種管進蒸汽，進行直接加熱，同時關(guān)閉夾層蒸汽進口閥門，升溫至121℃，維持30min。谷氨酸發(fā)酵的種子培養(yǎng)基實罐滅菌為110℃，維持10min。（4）消泡劑滅菌直接加熱至121℃，維持30min。（5）補料實罐滅菌根據(jù)料液不同而異，淀粉料液為121℃，維持5min。（6）尿素溶液滅菌

105℃，維持5min。第29頁/共52頁本章內(nèi)容第一節(jié)常用的滅菌方法第二節(jié)培養(yǎng)基與發(fā)酵設備的滅菌第三節(jié)空氣的除菌一、發(fā)酵使用的凈化空氣的標準二、空氣凈化的方法三、介質(zhì)過濾除菌的原理四、空氣凈化的工藝流程第30頁/共52頁一、發(fā)酵使用的凈化空氣的標準（一）無菌空氣的概念

發(fā)酵工業(yè)應用的“無菌空氣”是指通過除菌處理使空氣中含菌量降低在一個極低的百分數(shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機會。此種空氣稱為“無菌空氣”。（二）空氣中微生物的分布空氣中的含菌量隨環(huán)境不同而有很大差異：

–一般干燥寒冷的北方空氣中的含菌量較少，而潮濕溫暖的南方則含菌量較多；

–人口稠密的城市比人口少的農(nóng)村含菌量多；

–地面又比高空的空氣含菌量多。各地空氣中所懸浮的微生物種類及比例各不相同，數(shù)量也隨條件的變化而異，一般設計時以含量為103~104個／m3進行計算。第31頁/共52頁（三）發(fā)酵對空氣無菌程度的要求

各種不同的發(fā)酵過程，對空氣無菌程度的要求也不同：不同菌種的生產(chǎn)能力、生長速度、發(fā)酵周期、產(chǎn)物性質(zhì)、培養(yǎng)基營養(yǎng)成分和pH的差異等不同，對空氣質(zhì)量有不同的要求；發(fā)酵周期長短的不同：氨基酸和抗生素；同一工廠的不同生產(chǎn)區(qū)域有不同的空氣質(zhì)量要求。

一般按染菌機率為10-3來計算，即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1~2次染菌?？諝鉄o菌程度用空氣潔凈度來表示，指潔凈環(huán)境中空氣含塵（微粒）量多少的程度?？諝鉂崈舳鹊木唧w高低用空氣潔凈度級別來區(qū)分，這種級別又是用操作時間內(nèi)空氣的計數(shù)含塵量（就是單位容積空氣中所含某種大小微粒的數(shù)量）來表示的。環(huán)境空氣的潔凈等級生產(chǎn)區(qū)分類潔凈級別/級每升空氣中≥0.5mm塵粒數(shù)每升空氣中≥5mm塵粒數(shù)菌落數(shù)/個控制區(qū)100000≤3500≤25≤1010000≤350≤2.5≤3潔凈區(qū)1000≤35≤0.25≤2100≤3.50≤1第32頁/共52頁二、空氣凈化的方法空氣凈化就是除去或殺滅空氣中的微生物。主要有：熱殺菌（加熱滅菌）輻射殺菌靜電除菌過濾除菌第33頁/共52頁（一）熱殺菌利用壓縮熱進行空氣滅菌的流程圖空氣進口溫度為21℃，出口溫度為187～198℃，壓力為0.7MPa；在實際應用中，對培養(yǎng)裝置與空氣壓縮機的相對位置，連接壓縮機與培養(yǎng)裝置之間的管道的滅菌以及管道的長度等問題都必須考慮——在連接壓縮機和貯氣罐之間的管路上加保溫層；加裝空氣冷卻器，排除冷凝水，以防止在管道設備死角積聚而造成雜菌繁殖；第34頁/共52頁（二）輻射殺菌1、原理

α射線、X射線、β射線、γ射線、紫外線、超聲波等從理論上講都能破壞蛋白質(zhì)，破壞生物活性物質(zhì)，從而起到殺菌作用。2、應用范圍

通常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室。3、缺點

殺菌效率較低，殺菌時間較長。一般要結(jié)合甲醛蒸汽等來保證無菌室的無菌程度。不適宜大規(guī)模的空氣滅菌。第35頁/共52頁（三）靜電除菌1、原理

利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵、除菌的目的。懸浮于空氣中的微生物，其孢子大多帶有不同的電荷，沒有帶電荷的微粒進入高壓靜電場時都會被電離變成帶電微粒。但對于一些直徑很小的微粒，它所帶的電荷很小，當產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對微粒的拖帶力或微粒布朗擴散運動的動量時，則微粒就不能被吸附而沉降，所以靜電除塵對很小的微粒效率較低。2、優(yōu)點阻力小，約1.01325×104Pa

染菌率低，平均低于10-15％除水、除油的效果好耗電少

管式靜電除塵器1-鋼絲（電暈電極）；2-鋼管（沉淀電極）；3-高壓絕緣瓷瓶；4-鋼板；5-空氣出口；6-封頭；7-鋼板；8-法蘭；9-空氣進口。3、缺點設備龐大、一次性投資較大、捕集率尚嫌不夠，需要采取其它措施。第36頁/共52頁三、介質(zhì)過濾除菌的原理（一）定義：讓含菌空氣通過過濾介質(zhì)以阻截空氣中所含微生物，而取得無菌空氣的方法。通過過濾處理的空氣可達無菌，并有足夠的壓力和適宜的溫度以供耗氧培養(yǎng)過程使用。該法是目前廣泛用來獲得大量無菌空氣的常規(guī)方法。第37頁/共52頁（二）空氣過濾器一個空氣過濾器的功能是從氣體中除去污染物（微生物）以使達到所需的氣體的無菌程度。過濾器經(jīng)常被認為是一種簡單的網(wǎng)或篩子，過濾/分離是在一個平面上進行的。實際上，空氣過濾器的濾材具有深度?！皬澢ǖ馈钡慕Y(jié)果對污染物的去除起到了輔助作用。第38頁/共52頁（三）絕對過濾和深層過濾絕對過濾：主要特點是過濾介質(zhì)孔隙小于或大大小于被過濾的微粒直徑，其孔隙小于0.5mm，甚至小于0.1mm（一般大小為1mm），將空氣中的細菌除去。深層過濾：污染物被過濾介質(zhì)內(nèi)部捕獲的一種過濾方式，濾孔貫穿于整個介質(zhì)厚度。又分為兩種——①以纖維（以棉花、玻璃纖維、尼龍等）或顆粒狀（活性炭）介質(zhì)為過濾層，這種過濾層較深，其空隙一般大于50mm，即遠大于細菌，因此這種除菌不是真正意義上的過濾作用，而是靠靜電、擴散、慣性和阻截等作用將細菌截留在濾層中；②用超細玻璃纖維（紙）、石棉板、燒結(jié)金屬板、聚乙烯醇、聚四氟乙烯等為介質(zhì)，濾層薄，但孔隙仍大于0.5mm，因此仍屬于深層過濾的范疇。絕對過濾——表面過濾深層過濾第39頁/共52頁（四）介質(zhì)過濾除菌的原理1、布朗擴散截留作用在很慢的氣流速度和較小的纖維間隙中布朗擴散作用大大增加微粒與纖維的接觸滯留機會。在假設微粒擴散運動的距離為X，則離纖維表面距離小于等于X的氣流微粒會因為擴散運動而與纖維接觸，截留在纖維上。2、攔截截留作用

降低氣流速度，可使慣性截留作用接近于零，此時的氣流速度成為臨界氣流速度。氣流速度在臨界速度以下時，微粒不能因慣性滯留于纖維上，捕集效率顯著下降。但實踐證明，隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對微粒的捕集效率又回升，說明有另一種機理在起作用，這就是攔截捕集作用。微生物微粒直徑很小，質(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動慢慢靠近纖維時，微粒所在的主導氣流流線受纖維所阻，從而改變流動方向，繞過纖維前進，而在纖維的周邊形成一層邊界滯流區(qū)。滯流區(qū)的氣流速度更慢，進到滯流區(qū)的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被粘附滯留，稱為攔截捕集作用。被隨機運動的氣體分子碰撞的顆粒撞擊到過濾介質(zhì)上并被吸附截留第40頁/共52頁3、慣性撞擊截留作用在過濾器中的濾層交錯著無數(shù)的纖維，好像形成層層的網(wǎng)格，隨著纖維直徑減小，充填密度的增大，所形成的網(wǎng)格就越緊密，網(wǎng)格的層數(shù)也就越多，纖維間的間隙就越小。當帶有微生物的空氣通過濾層時，無論順纖維方向流動或是垂直于纖維方向流動，僅能從纖維的間隙通過。由于纖維交錯所阻迫，使空氣要不斷改變運動方向和速度才能通過濾層。當微粒隨氣流以一定速度垂直向纖維方向運動時，因障礙物(介質(zhì))的出現(xiàn)，空氣流線由直線變成曲線，即當氣流突然改變方向時，沿空氣流線運動的微粒由于慣性作用仍然繼續(xù)以直線前進。慣性使它離開主導氣流；走的是圖中虛線的軌跡。氣流寬度b以內(nèi)的粒子，與介質(zhì)碰撞而被捕集。這種捕集由于微粒直沖到纖維表面，因摩擦粘附，微粒就滯留在纖維表面上，這稱為慣性沖擊滯留作用。當流經(jīng)過濾介質(zhì)時流體必須沿彎曲通道行進。這將增加過濾機制的有效性。當流體改變運動方向時，慣性使顆粒撞擊到濾材表面并由于吸附力而停留第41頁/共52頁慣性捕集是空氣過濾器除菌的重要作用，其大小取決于顆粒的動能和纖維的阻力，也就是取決于氣流的流速。慣性力與氣流流速成正比，當流速過低時，慣性捕集作用很小，甚至接近于零；當空氣流速增至足夠大時，慣性捕集則起主導作用。

空氣流速v0是影響捕集效率的重要參數(shù)。在一定條件下(微生物微粒直徑、纖維直徑、空氣溫度)，改變氣流的流速就是改變微粒的運動慣性力；當氣流速度下降時，微粒的運動速度隨之下降，微粒的動量減少，慣性力減弱，微粒脫離主導氣流的可能性也減少，相應纖維滯留微粒的寬度減小，即捕集效率下降。氣流速度下降到微粒的慣性力不足以使其脫離主導氣流對纖維產(chǎn)生碰撞，即在氣流的任一處，微粒也隨氣流改變運動方向繞過纖維前進。停留的顆粒減小了濾孔的孔徑慣性撞擊第42頁/共52頁4、重力沉降作用微粒雖小，但仍具有重力。當微粒重力超過空氣作用于其上的浮力時，即發(fā)生一種沉降加速度。當微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時，微粒就發(fā)生沉降現(xiàn)象。就單一重力沉降而言，大顆粒比小顆粒作用顯著，一般50μm以上的顆粒沉降作用才顯著。對于小顆粒只有氣流速度很慢時才起作用。重力沉降作用一般是與攔截作用相配合，即在纖維的邊界滯留區(qū)內(nèi)。微粒的沉降作用提高了攔截捕集作用。5、靜電吸附作用干空氣對非導體的物質(zhì)作相對運動摩擦時，會產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，對于纖維和樹脂處理過的纖維，尤其是一些合成纖維更為顯著。懸浮在空氣中的微生物大多帶有不同的電荷。有人測定微生物孢子帶電情況時發(fā)現(xiàn)，約有75％的孢子具有1~60負電荷單位，15％的孢子帶有5~14正電荷單位，其余10％則為中性，這些帶電荷的微粒會被帶相反電荷的介質(zhì)所吸附。此外，表面吸附也屬這個范疇，如活性炭的大部分過濾效能應是表面吸附作用。第43頁/共52頁6、上述機理中，有時很難分辨是哪一種單獨起作用。下圖是單纖維除菌總效率ηs(包括慣性、擴散、攔截等作用)與氣流速度的關(guān)系?？偟膩碚f，當氣流速度較大時(約大于0.1m/s)，慣性捕集是主要的。而流速較小時，擴散作用占優(yōu)勢。前者的除菌效率隨氣流速度增加而增加，后者則相反。而在兩者之間，在ηs極小值附近，可能是攔截作用占優(yōu)勢。以上幾種作用機理在整個過程中，隨著參數(shù)變化有著復雜的關(guān)系，目前還未能作準確的理論計算。第44頁/共52頁四、空氣凈化的工藝流程發(fā)酵使用的無菌空氣除對無菌程度有要求外，還要充分考慮空氣的溫度、濕度與壓力。無菌空氣制備的整個過程包括兩個部分：一是對進入空氣過濾器的空氣進行預處理，達到合適的空氣狀態(tài)（溫度、濕度）；二是對空氣進行過濾處理，以除去微生物顆粒，滿足生物細胞培養(yǎng)需要?？諝鈨艋话氵^程：把吸氣口吸入的空氣先經(jīng)過壓縮前的過濾，然后進入空氣壓縮機，從空壓機出來的空氣（一般壓力在1.96×105Pa以上，溫度120～150℃），先冷卻到適當?shù)臏囟龋?0～25℃）除去油和水，在加熱至30～35℃，使其相對濕度為50%～60%，最后通過總過濾器和分過濾器除菌，從而獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合要求的無菌空氣。第45頁/共52頁這是一個較完整的空氣除菌流程，包括兩次冷卻、兩次分離、適當加熱。經(jīng)第一次冷卻后，大部分的水、油都已經(jīng)結(jié)成較大的霧粒，且霧粒濃度較大，適宜用旋風分離器分離；二級冷卻器使空氣進一步冷卻后析出較小的霧粒，采用絲網(wǎng)分離器分離。經(jīng)兩次分離后，空氣帶的霧沫就較小，兩級冷卻可以減少油膜污染對傳熱的影響。該流程適宜于各種氣候條件，能充分分離空氣中的水分，使空氣在低的相對濕度下進入過濾器，提高了過濾效率。尤其適合于潮濕地區(qū)的空氣除菌。（一）兩級冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程第46頁/共52頁1、采風塔

提高空氣吸氣口的高度可以減少吸入空氣的微生物含量。據(jù)報道，吸氣口每提高10m，微生物數(shù)量減少一個數(shù)量級。由于空氣中的微生物數(shù)量因地區(qū)、氣候而不同，因此吸氣口的高度也必須因地制宜，一般以離地面5~10m為好。在吸氣口處需要設置防止顆粒及雜物吸入的篩網(wǎng)(也可以裝在粗過濾器上)，以免損壞空氣壓縮機。如果將粗過濾器提高到相當于吸氣口的高度，則不需另設吸氣口。2、粗過濾