發(fā)酵工程的滅菌與除菌1

滅菌與除菌當前第1頁\共有124頁\編于星期五\18點本章主要內(nèi)容

第一節(jié)染菌的危害第二節(jié)滅菌和除菌的基本原理第三節(jié)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌第四節(jié)空氣除菌當前第2頁\共有124頁\編于星期五\18點第一節(jié)

染菌的危害雜菌污染會產(chǎn)生哪些不良后果？為防止雜菌污染應(yīng)采取哪些措施？當前第3頁\共有124頁\編于星期五\18點第二節(jié)

滅菌和除菌的基本原理當前第4頁\共有124頁\編于星期五\18點第一節(jié)滅菌和除菌的基本原理一、常用滅菌方法當前第5頁\共有124頁\編于星期五\18點第一節(jié)滅菌和除菌的基本原理滅菌：是利用物理或化學(xué)的方法殺滅或去除物料或設(shè)備中所有的有生命的有機體的技術(shù)或工藝過程。消毒：是采用較溫和的理化方法，僅殺死對人體有害的病原微生物的過程。(消毒只能殺死營養(yǎng)細胞而不能殺死芽孢或孢子。)除菌：是指用過濾方法除去空氣或液體中所有的微生物及其孢子。當前第6頁\共有124頁\編于星期五\18點第一節(jié)滅菌和除菌的基本原理防腐：就是利用某種理化因素完全抑制霉腐微生物的生長繁殖，從而達到防止食品等發(fā)生霉腐的措施。如：低溫，缺氧，干燥，高滲，高酸度，防腐劑?；熂椿瘜W(xué)治療：是利用具有高度選擇毒力（即對病原微生物具有高度毒力而對宿主無顯著毒性）的化學(xué)物質(zhì)來抑制宿主體內(nèi)病原微生物的生長繁殖，借以達到治療該傳染病的一種措施。當前第7頁\共有124頁\編于星期五\18點滅菌和除菌的基本原理發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中常用的滅菌方法：化學(xué)物質(zhì)滅菌、熱滅菌輻射滅菌過濾介質(zhì)除菌臭氧（O3）滅菌

當前第8頁\共有124頁\編于星期五\18點干熱滅菌法火焰灼燒法熱空氣滅菌法濕熱滅菌法常壓滅菌高壓滅菌巴氏消毒法煮沸消毒法間歇滅菌法高壓—121℃

15min；低壓—105℃

30min。當前第9頁\共有124頁\編于星期五\18點二、高溫濕熱滅菌高溫濕熱滅菌是利用飽和蒸汽直接接觸需要滅菌的物品以殺死微生物。濕熱滅菌法是目前最常用的基本滅菌方法，一般的濕熱滅菌條件為121℃(表壓約0.1MPa)，維持20~30min。當前第10頁\共有124頁\編于星期五\18點濕熱滅菌優(yōu)點：①蒸汽來源方便，操作簡單，價格低廉，本身無毒；②蒸汽有強的穿透力(能殺死耐熱的芽孢桿菌)和很大的潛熱，滅菌效果可靠；因此被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。當前第11頁\共有124頁\編于星期五\18點雜菌的名稱溫度/℃最低最適最高嗜熱芽孢桿菌526575枯草芽孢桿菌1530~3755大腸桿菌1030~3743酵母菌0.525~3040

幾種雜菌適應(yīng)溫度范圍當前第12頁\共有124頁\編于星期五\18點能夠殺死微生物的溫度稱為致死溫度。第一節(jié)滅菌和除菌的基本原理

幾種雜菌致死溫度范圍雜菌名稱致死溫度/℃致死時間/min嗜熱芽孢桿菌12012枯草芽孢桿菌1006~17大腸桿菌6010肺炎球菌565~7酵母菌50~605~1013當前第13頁\共有124頁\編于星期五\18點在致死溫度下殺死全部微生物所需要的時間稱為致死時間。不同的微生物的致死溫度和致死時間也有差別。一般無芽孢的營養(yǎng)菌體在60℃保溫l0min即可全部被殺死，而芽孢在100%下保溫數(shù)十分鐘乃至數(shù)小時才能被殺死，某些嗜熱細菌在121℃下可耐受20-30min。當前第14頁\共有124頁\編于星期五\18點熱阻：指微生物在某一種特定條件下（主要指溫度和加熱方式）的致死時間。一般來說，滅菌是否徹底，是以能否殺死熱阻大的芽孢桿菌為指標。相對熱阻：是指某一微生物在某一條件下的致死時間與另一微生物在相同條件下的致死時間之比。當前第15頁\共有124頁\編于星期五\18點滅菌方式大腸桿菌細菌或酵母營養(yǎng)細胞細菌芽胞霉菌孢子噬菌體和病毒干熱1110002~101濕熱113×1062~101~5苯酚1110×1081~230甲醛112502~102紫外線112~55~1005~1016當前第16頁\共有124頁\編于星期五\18點三、干熱滅菌是指在干燥高溫條件下，微生物細胞內(nèi)的各種與溫度有關(guān)的氧化反應(yīng)速度迅速增加，使微生物的致死率迅速增高的過程。常用滅菌條件：160℃下保溫1~2h。當前第17頁\共有124頁\編于星期五\18點四、輻射滅菌輻射滅菌是利用高能量的電磁輻射和微粒輻射來殺滅微生物。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。

X射線的穿透力極強，但不經(jīng)濟，并且向四面八方輻射，不適于發(fā)酵生產(chǎn)使用。當前第18頁\共有124頁\編于星期五\18點紫外線波長為2100~3100?的紫外線有滅菌作用，最常用的波長2537?的紫外線。主要是與菌體核酸發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而造成菌體死亡。紫外線對微生物菌體和芽胞均有殺滅作用，有高度致死效果。但紫外線的穿透力很低，僅適用于表面和局部空間滅菌，如臺面、潔凈室、更衣室等?，F(xiàn)在，紫外線常與HVAC相結(jié)合用于氣相循環(huán)消毒。HVAC是Heating,VentilationandAirConditioning的英文縮寫，就是空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)的控制系統(tǒng)。當前第19頁\共有124頁\編于星期五\18點五、化學(xué)物質(zhì)滅菌原理：某些化學(xué)藥劑能與微生物細胞中的某種成分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，如使蛋白質(zhì)變性、酶類失活、破壞細胞膜透性而具有殺菌或消毒的作用。常用的化學(xué)藥劑：甲醛、氯(或次氯酸鈉)、高錳酸鉀、環(huán)氧乙烷、苯酚、季氨鹽(如新潔爾滅)、氯化汞等。適用情況：①培養(yǎng)基里含有蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)亦易與上述化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，②同時藥物加入培養(yǎng)基之后很難除掉。適合于局部空間或某些器具的消毒，但不適合用于培養(yǎng)基的滅菌。當前第20頁\共有124頁\編于星期五\18點六、靜電除菌

靜電除菌是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達到除塵滅菌的目的。21當前第21頁\共有124頁\編于星期五\18點空氣進空氣出鋼絲電暈電極鋼管沉淀電極—++當前第22頁\共有124頁\編于星期五\18點優(yōu)點：阻力小，約0.01MPa；除水、除油的效果好耗電少，每處理1000m3的空氣每小時僅耗電0.2~0.8KW。缺點：

靜電除菌效果不是很高，一般在85~99%之間。當前第23頁\共有124頁\編于星期五\18點七、臭氧（O3）滅菌

臭氧是一種強氧化劑，滅菌過程屬生物化學(xué)氧化反應(yīng)。原理是：臭氧在常溫、常壓下分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，很快自行分解成氧氣（O2）和單個氧原子（O）；后者具有極強的氧化作用，能氧化分解細菌內(nèi)部氧化葡萄糖所必須的酶，從而破壞其細胞膜，將它殺死；直接與細菌、病毒作用，破壞它們的細胞器和DNA、RNA，使細菌的新陳代謝受阻，導(dǎo)致細菌死亡；作用于細胞外膜的脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖，使細菌發(fā)生通透性畸變而溶解死亡。當前第24頁\共有124頁\編于星期五\18點我國在GMP驗證過程中人們大力推薦臭氧滅菌方法。臭氧滅菌有許多特點：

O3為氣體，能迅速彌漫到整個滅菌空間，滅菌無死角，濃度分布均勻。臭氧滅菌為溶菌級方法，殺菌徹底。殺菌能力與過氧乙酸相當，高于其它消毒劑。殺菌廣譜，可殺滅細菌繁殖體和芽孢、病毒、真菌等，并可破壞肉毒桿菌毒素。另外，O3對霉菌也有極強的殺滅作用。臭氧制備是利用我們周圍的大氣制取(現(xiàn)有成型產(chǎn)品：臭氧發(fā)生器），現(xiàn)制現(xiàn)用，不需儲藏設(shè)施，節(jié)省原料儲儲所需的占地面積。臭氧分解形成的單個氧原子（O）則會自行重新結(jié)合成為普通氧分子（O2），不存在任何有毒殘留物，沒有二次污染，故稱無污染消毒劑(綠色消毒劑)。當前第25頁\共有124頁\編于星期五\18點臭氧滅菌在藥品生產(chǎn)中具有廣泛的用途。①對管道容器的滅菌；②與HVAC相結(jié)合，利用中央空調(diào)凈化系統(tǒng)對潔凈區(qū)的滅菌；③對原輔助材料和工作器具的滅菌；④對密閉空間的滅菌；⑤對藥廠用水的滅菌處理。當前第26頁\共有124頁\編于星期五\18點八、介質(zhì)過濾除菌

工業(yè)上主要用于熱敏性物質(zhì)(氨水、丙醇等)和空氣的除菌。按過濾除菌機制不同而分為絕對過濾深層過濾當前第27頁\共有124頁\編于星期五\18點1、絕對過濾絕對過濾最常用的過濾材料是微孔濾膜。選擇孔徑為0.2μm或0.45μm的濾膜就可達到除菌的目的。對動物細胞血清培養(yǎng)基選用0.1μm孔徑的濾膜來除去支原體的污染。濾膜材料可以是醋酸纖維素、尼龍、聚醚砜、聚丙烯等。絕對過濾易于控制過濾后空氣質(zhì)量，節(jié)約能量和時間，操作簡便。

當前第28頁\共有124頁\編于星期五\18點2、深層過濾（介質(zhì)過濾）空氣中的微生物大多數(shù)是細菌和芽孢，還有一定數(shù)量的霉菌、酵母和病毒。細菌的大小為零點幾微米至幾微米，這些微生物在空氣中極少單獨游離存在，基本都是附著在灰塵、液滴等微粒的表面上。當前第29頁\共有124頁\編于星期五\18點微生物細胞：寬×長/μm孢子：寬×長/μm產(chǎn)氣桿菌1.0~1.5×1.0~2.5蠟狀芽孢桿菌1.3~2.0×8.1~25.8普通變形桿菌0.5~1.0×1.0~3.0地衣芽孢桿菌0.5~0.7×1.8~3.3巨大芽孢桿菌0.9~2.1×2.0~10.00.6~1.2×0.9~1.7蕈狀芽孢桿菌0.6~1.6×1.6~13.6枯草芽孢桿菌0.5~1.1×1.6~4.80.5~1.0×0.9~1.8金黃色小球菌0.5~1.0×0.5~1.0酵母菌3.0~5.0×5.0~19.0病毒0.0015~0.225×0.0015~0.28霉狀分枝桿菌0.6~1.6×1.6~13.60.8~1.2×0.8~1.830當前第30頁\共有124頁\編于星期五\18點介質(zhì)過濾除菌的原理與絕對過濾除菌的原理是不同的，介質(zhì)過濾介質(zhì)間的空隙往往遠大于顆粒直徑。如棉花纖維直徑一般為16~20μm，充填系數(shù)為8%時，棉花纖維間形成的空隙為20~50μm。球菌的直徑一般在0.5~2μm，桿菌一般長1-5μm，寬0.5~lμm。當前第31頁\共有124頁\編于星期五\18點

因為過濾介質(zhì)層是由無數(shù)的纖維縱橫交錯組成的，形成的網(wǎng)格阻礙氣流前進，使氣流無數(shù)次地改變運動速度和運動方向，這些改變引起空氣中微粒的慣性沖擊、攔截、擴散、重力沉降和靜電吸附等作用，于是大大增加了微粒被纖維捕獲的幾率。32當前第32頁\共有124頁\編于星期五\18點(1)慣性沖擊截留作用：撞上去被吸附；

這種慣性沖擊作用的程度取決于微粒的動能、纖維阻力、氣流速度。慣性沖擊作用的強弱與氣流流速成正比，空氣流速大時，慣性沖擊就起主導(dǎo)作用。當前第33頁\共有124頁\編于星期五\18點(2)攔截截留作用：速度太慢動能不足被吸附；

當氣流速度較低時，微粒的運動軌跡與空氣流線相似。氣流改變力向時，微粒的流向隨之改變，與纖維表面接觸時就被捕集，這種作用叫攔截。θ<90o當前第34頁\共有124頁\編于星期五\18點(3)布朗擴散截留作用：不規(guī)則運動增強了接觸機會；直徑很小(＜1μm)的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生不規(guī)則的直線運動稱為布朗運動。結(jié)果使較小的微粒聚集成為較大的微粒，增加了與纖維接觸的機會，當與纖維接觸時就被捕集，這種作用叫做擴散。當前第35頁\共有124頁\編于星期五\18點(4)重力沉降作用：對大顆粒有效；

空氣中的灰塵微粒所受的重力大于氣流對它的支持力時，微粒就會沉降。

直徑50μm以上的顆粒沉降作用比較顯著，小顆粒只有在氣流速度很慢時才有沉降作用。當前第36頁\共有124頁\編于星期五\18點(5)靜電吸引作用：異性相吸。

空氣在非導(dǎo)體物質(zhì)中間進行相對運動時，由于摩擦?xí)a(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，特別是纖維更為顯著。懸浮在空氣中的微生物顆粒大多帶有不同的電荷。有人曾測定，大腸埃希菌、枯草芽孢桿菌約有75%的孢子帶負電荷，15%的孢子帶正電荷，其余10%的孢子是電中性的。當前第37頁\共有124頁\編于星期五\18點

在過濾除菌中，有時很難分辨上述各種機理各自所做出貢獻的大小，多是五種作用的綜合結(jié)果。隨著參數(shù)的變化，各種作用之間有著復(fù)雜的關(guān)系，目前還未能作準確的理論計算。

一般認為慣性沖擊、攔截和布朗擴散運動的作用較大，而重力沉降作用和靜電吸引的作用則很小。VcVc當前第38頁\共有124頁\編于星期五\18點

空氣過濾后的微粒數(shù)與過濾前的微粒數(shù)的比值稱為穿透率P，則

P=——式中N0—過濾前空氣中的微粒含量(個)；

Nt—過濾后空氣中的微粒含量(個)。介質(zhì)過濾效率η是指被捕集的微粒數(shù)與空氣中原有的微粒數(shù)的比值，是衡量過濾設(shè)備過濾能力的指標。

η=———=1-——=1-PNtN0N0-NtN0NtN0當前第39頁\共有124頁\編于星期五\18點1）纖維直徑：在其他條件相同時，介質(zhì)纖維直徑越小，過濾效率越高。2）介質(zhì)的填充厚度與密度：對于相同的介質(zhì)，填充厚度和密度越大則過濾效率越高，但同時流速也越小。3）空氣流速：在空氣流速很低時，過濾效率隨氣流速度增加而降低；當氣流速度增加到臨界值后，過濾效率隨氣流速度增加而提高；氣流速度高達一定值后，過濾效率再降低，所以要通過實驗方法來摸索最適流速。當前第40頁\共有124頁\編于星期五\18點培養(yǎng)基的滅菌1.分批滅菌2.連續(xù)滅菌發(fā)酵罐的滅菌1.空消2.實消物料管路的滅菌倒種管路的滅菌補料液的滅菌消沫劑的滅菌第二節(jié)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌當前第41頁\共有124頁\編于星期五\18點一、溫度和時間對培養(yǎng)基滅菌的影響

用濕熱滅菌方法對培養(yǎng)基滅菌，在殺滅微生物的同時，也會對營養(yǎng)成分造成破壞。在高壓加熱的條件下，會使糖液焦化變色、維生素失活、醛糖與氨基化合物反應(yīng)、不飽和醛聚合、一些化合物水解等。滅菌溫度（?C）達到滅菌程度的時間（min）維生素B1的損失（%）100110120130140150843757.60.8510.1070.01599.9989271031一、溫度和時間對培養(yǎng)基滅菌的影響嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子死亡程度為N/N0=10-16時，滅菌溫度對維生素B1破壞的影響42當前第42頁\共有124頁\編于星期五\18點滅菌溫度、滅菌時間和維生素B1破壞量的比較

滅菌溫度/℃滅菌時間/minB1破壞量/%10040099.3110306711515501204271300.581400.0821500.01<143當前第43頁\共有124頁\編于星期五\18點二、影響培養(yǎng)基滅菌的其它因素1、培養(yǎng)基成分

在固形物含量高的情況下，滅菌溫度要高些。培養(yǎng)基成分對大腸桿菌滅菌影響環(huán)境水10%糖液30%糖液致死60~65℃，10min70℃，4~6min70℃，30min44當前第44頁\共有124頁\編于星期五\18點2、培養(yǎng)基的pH值溫度孢子數(shù)滅菌時間(min)(℃)(個/ml)pH=6.15.35.04.74.5120100008753311510000252516131311010000706535302410010000740720180150150當前第45頁\共有124頁\編于星期五\18點3、培養(yǎng)基的物理狀態(tài)培養(yǎng)基的物理狀態(tài)對滅菌有極大的影響。

固體培養(yǎng)基的滅菌時間要比液體培養(yǎng)基的滅菌時間長，如果100℃時液體培養(yǎng)基的滅菌時間為1h，固體培養(yǎng)基則需要2~3h才能達到同樣的滅菌效果。越濃稠的培養(yǎng)基滅菌所需時間越長。當前第46頁\共有124頁\編于星期五\18點4、泡沫泡沫中的空氣會形成隔熱層，使傳熱困難，對滅菌極為不利。對易產(chǎn)生泡沫的培養(yǎng)基進行滅菌時，可加入少量消泡劑。5、培養(yǎng)基中的微生物性質(zhì)與數(shù)量不同成分的培養(yǎng)基中含菌性質(zhì)與量是不同的。培養(yǎng)基中微生物數(shù)量越多，達到無菌要求所需的滅菌時間也越長。天然基質(zhì)培養(yǎng)基，特別是營養(yǎng)豐富或變質(zhì)的原料中的含菌量遠比化工原料的含菌量多，因此滅菌時間要適當延長。當前第47頁\共有124頁\編于星期五\18點6、冷空氣排除情況高壓蒸汽滅菌的關(guān)鍵問題是為熱的傳導(dǎo)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。因為冷空氣導(dǎo)熱性差，阻礙蒸汽接觸欲滅菌物品。當前第48頁\共有124頁\編于星期五\18點工業(yè)生產(chǎn)中對于大量的培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌，最有效、最常用的方法是蒸汽滅菌(即濕熱滅菌)。培養(yǎng)基的滅菌包括分批滅菌：將配制好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐內(nèi)，經(jīng)過間接蒸汽預(yù)熱，然后直接通入飽和蒸汽加熱，使培養(yǎng)基和設(shè)備一起滅菌，達到要求的溫度和壓力后維持一定時間，再冷卻至發(fā)酵要求的溫度，這一工藝過程稱為分批滅菌或?qū)嵐逌缇?。全程包括加熱、維持、冷卻三個過程。三、培養(yǎng)基分批滅菌分批滅菌連續(xù)滅菌當前第49頁\共有124頁\編于星期五\18點加熱：包括預(yù)熱和升溫。預(yù)熱：培養(yǎng)基在攪拌狀態(tài)下，排放夾套或蛇管中的冷水，開啟排氣管閥，在夾套或蛇管內(nèi)緩慢通入蒸汽以預(yù)熱料液，當發(fā)酵罐的溫度預(yù)熱至80~90℃，關(guān)閉夾套或蛇管蒸汽閥門。作用：使物料糊化、溶脹并均勻受熱；減少冷凝水的生成；減輕蒸汽流沖擊發(fā)酵液產(chǎn)生的噪音。當前第50頁\共有124頁\編于星期五\18點升溫：培養(yǎng)基加熱至90℃，關(guān)閉夾套或蛇管蒸汽閥門后，由空氣進口取樣管放料管通入蒸汽對培養(yǎng)基直接加熱。開啟排氣管閥進料管(補料管)接種管排氣閥消泡劑管排氣。液面當前第51頁\共有124頁\編于星期五\18點保溫：當發(fā)酵罐內(nèi)溫度升至110℃左右，控制進出蒸汽閥門直至溫度達121℃、壓力為0.1MPa時，開始保溫。在保溫階段，凡開口在培養(yǎng)基液面以下各管道都應(yīng)通蒸汽，開口在培養(yǎng)基液面以上的各管道則應(yīng)排蒸汽，與罐相連通的管道均應(yīng)遵循蒸汽“不進則出”的原則，才能保證滅菌徹底，不留死角；各路蒸汽進入要均勻暢通，防止短路逆流；罐內(nèi)液體翻動要激烈；各路排氣也要暢通，但排氣量不宜過大，以節(jié)約蒸汽；維持壓力、溫度恒定直到保溫結(jié)束。當前第52頁\共有124頁\編于星期五\18點冷卻降溫：為了減少營養(yǎng)成分的破壞，多采用快速冷卻方式。保溫到時間后，依次關(guān)閉各排汽、進汽閥；待罐內(nèi)壓力降至0.05MPa左右(注意罐壓必須低于空氣過濾器壓力)時，迅速向罐內(nèi)通入無菌空氣，以維持發(fā)酵罐降溫過程中的正壓；開啟冷卻系統(tǒng)，向夾套或蛇管中通入冷水，使培養(yǎng)基快速降至所需溫度。當前第53頁\共有124頁\編于星期五\18點實罐滅菌主要是在保溫階段起作用，在升溫階段后期也有一定的滅菌作用。滅菌時，蒸汽總管道壓力要求不低于0.3MPa，使用壓力(通入罐中的蒸汽壓力)不低于0.2MPa。加熱冷卻維持當前第54頁\共有124頁\編于星期五\18點優(yōu)點設(shè)備要求低，不需要附加專門的加熱和冷卻設(shè)備，投資少；操作簡便，滅菌效果可靠；對蒸汽的要求較低，一般0.2-0.3MPa即可滿足要求。缺點加熱和冷卻時間較長，營養(yǎng)成分有一定的損失；罐利用率低；不能采用高溫快速滅菌工藝；在滅菌過程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負荷波動大；冷卻水用量大。培養(yǎng)基分批滅菌的優(yōu)、缺點：當前第55頁\共有124頁\編于星期五\18點培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外經(jīng)過一套滅菌設(shè)備連續(xù)加熱滅菌，冷卻后送入已滅菌的發(fā)酵罐內(nèi)，這種工藝過程稱為連續(xù)滅菌。連續(xù)滅菌工藝的優(yōu)點是：可采用高溫快速滅菌方法，營養(yǎng)成分破壞少；組成培養(yǎng)基的耐熱性物料和不耐熱性物料可分開在不同溫度下滅菌，以減少物料的破壞；也可將糖和氮源分開滅菌，以免醛基與氨基發(fā)生反應(yīng)，防止有害物質(zhì)生成；發(fā)酵罐非生產(chǎn)占用時間短，容積利用率高；熱能利用合理，適合自動化控制；蒸汽用量平穩(wěn)。四、培養(yǎng)基連續(xù)滅菌當前第56頁\共有124頁\編于星期五\18點缺點是：蒸汽壓力一般要求高于0.5MPa；不適用于黏度大或固形物含量高的培養(yǎng)基的滅菌；需增加一套連續(xù)滅菌設(shè)備，投資較大；增多了操作環(huán)節(jié)，增加了染菌的幾率。當前第57頁\共有124頁\編于星期五\18點1、連續(xù)滅菌(工藝/設(shè)備)流程

配料輸料加熱保溫冷卻滅菌的發(fā)酵罐預(yù)熱當前第58頁\共有124頁\編于星期五\18點第一種：連消一噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程

40-50℃132℃，20~30″維持5~7分鐘預(yù)熱至60-70℃配料罐當前第59頁\共有124頁\編于星期五\18點常用輸料泵旋渦泵往復(fù)泵螺桿泵當前第60頁\共有124頁\編于星期五\18點132℃，20~30″預(yù)熱至60-70℃配料罐當前第61頁\共有124頁\編于星期五\18點套管式連消塔培養(yǎng)基由塔外管下部側(cè)面進入，在兩管間向上流動，被內(nèi)管噴出蒸汽加熱到126~132℃，再由外管上部側(cè)面流出，進入維持罐。培養(yǎng)液流動線速度要小于0.1m/s；在管內(nèi)逗留時間為15~20秒，塔高10m左右。蒸汽當前第62頁\共有124頁\編于星期五\18點噴嘴式連消塔料液進口63當前第63頁\共有124頁\編于星期五\18點汽液混合式連消塔當前第64頁\共有124頁\編于星期五\18點(3)保溫由于加熱器加熱時間較短，光靠這段時間滅菌是不夠的，維持罐的作用是使料液在滅菌溫度下保持5~7min，以達到滅菌目的。壓力一般保持0.4Mpa。當前第65頁\共有124頁\編于星期五\18點(4)冷卻當前第66頁\共有124頁\編于星期五\18點冷卻培養(yǎng)基送入發(fā)酵罐配料罐熱交換器40-50℃132℃20-30″60-75℃5-8min當前第67頁\共有124頁\編于星期五\18點第二種噴射加熱一真空冷卻連續(xù)滅菌流程

真空閃急冷卻器維持管道噴射加熱器滅菌培養(yǎng)基未滅菌培養(yǎng)基優(yōu)點：此流程由于受熱時間短，不致引起培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的嚴重破壞；維持管能保證先進入的培養(yǎng)基先輸出，避免過熱或滅菌不徹底的現(xiàn)象。缺點是隨著蒸汽的冷凝使培養(yǎng)基稀釋，由于培養(yǎng)基黏度的變化，使滅菌溫度和壓力的控制受到影響；如維持時間較長，維持管的長度就需要很長，安裝使用不便。當前第68頁\共有124頁\編于星期五\18點噴射加熱器1噴嘴,2吸入口,3吸入室,4混合噴嘴，5混合段，6擴大管當前第69頁\共有124頁\編于星期五\18點20℃31℃35℃100℃140℃120~132℃35℃55℃55℃120℃120℃第三種板式換熱器連續(xù)滅菌流程熱回收器加熱器維持管道冷卻器當前第70頁\共有124頁\編于星期五\18點熱交換器板式螺旋板式螺旋板式連續(xù)滅菌系統(tǒng)當前第71頁\共有124頁\編于星期五\18點板式冷卻器當前第72頁\共有124頁\編于星期五\18點冷液熱液冷液變熱熱液變冷當前第73頁\共有124頁\編于星期五\18點第三節(jié)

空氣除菌當前第74頁\共有124頁\編于星期五\18點一、空氣除菌的必要性1.空氣的構(gòu)成氧氣氮氣惰性氣體二氧化碳水蒸氣氣態(tài)物質(zhì)的混合物懸浮在空氣中的塵粒構(gòu)成地殼的無機物質(zhì)顆粒煙灰植物花粉種類繁多的細菌和其他微生物空氣當前第75頁\共有124頁\編于星期五\18點2.空氣中微生物的數(shù)量與環(huán)境有密切關(guān)系空氣中的含菌量和種類一般干燥、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，一般城市空氣中雜菌數(shù)為103~104個／m3

；地面又比高空的空氣含菌量多，離地面越高，含菌量越少；一般每升高3.05米，空氣中的含菌量就降低一個數(shù)量級。各地空氣中所懸浮的微生物種類及比例各不相同，以細菌和細菌芽胞為主，也有酵母、霉菌和病毒，數(shù)量也隨條件的變化而異。當前第76頁\共有124頁\編于星期五\18點空氣中的塵埃數(shù)與細菌數(shù)的關(guān)系如下式：式中y：空氣中的微生物數(shù)量，個/m3；

x：空氣中的塵埃顆粒數(shù)量，個/m3。所以空氣除菌主要是去除空氣中的微粒(0.6-1μm）。當前第77頁\共有124頁\編于星期五\18點3.空氣除菌的必要性絕大多數(shù)工業(yè)發(fā)酵均是利用好氧微生物進行純種培養(yǎng)，無論是生長還是合成代謝產(chǎn)物都需要消耗大量的溶解氧，用于基質(zhì)同化、菌體生長和產(chǎn)物代謝。這些氧氣的來源是空氣，但空氣中含有各種各樣的微生物，它們一旦隨空氣進入發(fā)酵液，便會染菌，空氣除菌不徹底是發(fā)酵染菌的主要原因之一。例如，一個通氣量為40m3/min的發(fā)酵罐，一天所需的空氣量高達5.75×104m3，假如空氣中含菌量為103~104/m3，那么一天將有5.9×106個微生物細胞進入發(fā)酵罐。當前第78頁\共有124頁\編于星期五\18點空氣除菌的方法很多，如過濾除菌、熱殺菌、靜電除菌、輻射殺菌等，各種除菌方法的除菌效果、設(shè)備條件、經(jīng)濟指標各不相同。實際生產(chǎn)中所需的除菌程度要根據(jù)發(fā)酵工藝而定，既要避免染菌，又要盡量簡化除菌流程，以減少設(shè)備投資和正常運轉(zhuǎn)的動力消耗。如酵母培養(yǎng)所用的培養(yǎng)基成分以糖為主，酵母菌能利用無機氮，要求的pH較低，一般細菌較難繁殖，而酵母的繁殖速度又較快，能抵抗少量的雜菌影響，因此對無菌空氣的要求不十分嚴格，可采用高壓離心式鼓風機通風即可。氨基酸、抗生素的生產(chǎn)菌等，發(fā)酵周期長，耗氧量大，無菌程度要求也嚴格，無菌，無灰塵，無雜質(zhì)，無水，并要求有一定的溫度和壓力，空氣必須經(jīng)過嚴格的脫水、脫油和過濾除菌處理后才能通入發(fā)酵罐。當前第79頁\共有124頁\編于星期五\18點二、發(fā)酵用無菌空氣的概念和質(zhì)量標準為確保生產(chǎn)在純種培養(yǎng)狀態(tài)下進行，嚴格無菌條件下發(fā)酵用無菌空氣的質(zhì)量標準要求如下：連續(xù)提供，保持一定流量；保證發(fā)酵罐0.1-2.0VVM的需氣量；保持一定的壓強；表壓達到0.2~0.4MPa?？諝獾南鄬穸仍谶M入發(fā)酵罐之前≤70%。進罐前的空氣溫度要比培養(yǎng)溫度略高或相同。潔凈度達到N=10-3

；當前第80頁\共有124頁\編于星期五\18點三、空氣過濾除菌流程當前第81頁\共有124頁\編于星期五\18點三、空氣過濾除菌流程1、高空采氣一般認為，高度每上升3.05m，空氣中微生物量下降一個數(shù)量級，因此，空氣吸入口一般都選在上風口比較潔凈處，高度一般在10m左右，設(shè)計流速8m/s。

當前第82頁\共有124頁\編于星期五\18點2、前過濾從大氣中吸入的空氣常帶有灰塵、沙土、細菌等，在進入空氣壓縮機前要先經(jīng)過前過濾器，濾去灰塵、沙土等固體顆粒，以減少往復(fù)式空氣壓縮機活塞和氣缸的磨損，延長空氣壓縮機的使用壽命，保證空氣壓縮機的效率，要求過濾效率高，阻力小，容灰量大，否則會增加壓縮機的吸人負荷和降低壓縮機的排氣量。當前第83頁\共有124頁\編于星期五\18點布袋過濾：結(jié)構(gòu)最簡單，只要將濾布縫制成與骨架相同形狀的布袋，緊套于焊在進氣管的骨架上，并縫緊所有會造成短路的空隙。其過濾效率和阻力損失要視所選用的濾布結(jié)構(gòu)情況和過濾面積而定。布袋過濾器填料過濾器油浴洗滌裝置水霧除塵裝置前過濾通常采用當前第84頁\共有124頁\編于星期五\18點布袋式過濾器85當前第85頁\共有124頁\編于星期五\18點填料式粗過濾器一般用油浸鐵回絲、玻璃纖維或其他合成纖維等作填料，過濾效果比布袋過濾稍好，阻力損失也較小，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占地面積也較大，內(nèi)部填料經(jīng)常洗換才能保持一定的過濾作用，操作比較麻煩。當前第86頁\共有124頁\編于星期五\18點油浴洗滌裝置

在空氣進人裝置后要通過油箱中的油層洗滌，空氣中的微粒被油黏附而逐漸沉降于油箱底部而被除去，經(jīng)過油浴的空氣因帶有油霧，需要經(jīng)過百葉窗式的圓盤，分離較大粒油霧，再經(jīng)過濾網(wǎng)分離小顆粒油霧后，才能吸入壓縮機。87當前第87頁\共有124頁\編于星期五\18點水霧除塵裝置空氣從設(shè)備底部進入，經(jīng)上部噴下的水霧洗滌，將空氣中的灰塵、微生物微粒黏附沉降，從器底排出。88當前第88頁\共有124頁\編于星期五\18點粒子0.5μm1μm5μm去除率%50~7055~8890~9989當前第89頁\共有124頁\編于星期五\18點3、空氣壓縮機供給發(fā)酵用的無菌空氣，為了克服過濾介質(zhì)阻力、發(fā)酵液靜壓力和管道阻力，故一般使用空氣壓縮機輸送?？諌簷C有兩種渦輪式和往復(fù)式當前第90頁\共有124頁\編于星期五\18點4、空氣貯罐

結(jié)構(gòu)較簡單，裝有安全閥、壓力表的空罐殼體。作用：儲氣消除壓縮機排出空氣的脈動，維持穩(wěn)定的空氣壓力；利用重力沉降作用使大的油滴和水滴沉降下來；利用壓縮機熱量熱滅菌。貯罐緊接著壓縮機其后，對設(shè)備防腐、冷卻器熱交換都有利。

當前第91頁\共有124頁\編于星期五\18點5、空氣冷卻器空氣經(jīng)壓縮，出口處的壓力一般在0.2Mpa以上；溫度會顯著升高，壓縮比愈高，溫度也愈高，含濕量愈大。往復(fù)式空氣壓縮機出口空氣溫度達120℃，而渦輪式壓縮機出口空氣溫度達150℃，能起到一定的滅菌作用。當前第92頁\共有124頁\編于星期五\18點但目前生產(chǎn)中應(yīng)用的過濾介質(zhì)難以耐受這樣高的溫度，①會引起過濾介質(zhì)的炭化或燃燒；②增大培養(yǎng)裝置的降溫負荷，給培養(yǎng)過程溫度的控制帶來困難；③高溫空氣還會增加培養(yǎng)液水分的蒸發(fā)，對微生物的生長和生物合成都是不利的；④在潮濕地域和季節(jié)，空氣中含水量較高，為了避免過濾介質(zhì)受潮而失效，冷卻還可以達到降濕的目的。當前第93頁\共有124頁\編于星期五\18點冷卻的設(shè)備列管式熱交換器沉浸式熱交換器噴淋式熱交換器當前第94頁\共有124頁\編于星期五\18點列管式空氣冷卻器95當前第95頁\共有124頁\編于星期五\18點6、氣液分離器/油水分離器冷凝水和油霧黏附在纖維表面，可能成為微生物微穿透濾層的途徑，降低過濾效率，嚴重時還會浸潤介質(zhì),使過濾介質(zhì)失效，失去除菌作用。當前第96頁\共有124頁\編于星期五\18點一般采用油水分離器與除沫器相結(jié)合的方法除塵、除油、除水。50μm以上的液滴用旋風分離器除掉，5μm以上的液滴用絲網(wǎng)除沫器捕捉。近年生產(chǎn)中使用的無油潤滑空氣壓縮機(如透平式、螺旋桿式)免除了油對壓縮空氣的污染，但空氣中的水分仍需冷卻除掉，否則也會影響過濾介質(zhì)的除菌效率。當前第97頁\共有124頁\編于星期五\18點旋風分離器：利用離心力進行沉降水和油滴；介質(zhì)過濾器：利用慣性進行攔截水和油滴。當前第98頁\共有124頁\編于星期五\18點特點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便；對分離10m以上的微粒效率較高，但對10m以下的微粒比較困難。旋風分離器工作原理當前第99頁\共有124頁\編于星期五\18點內(nèi)部填料可拆換或清洗，使用壽命長。對1μm以上的霧滴除去率98%。絲網(wǎng)介質(zhì)分離器原理：當前第100頁\共有124頁\編于星期五\18點7、空氣的加熱一般采用列管式換熱器或套管式加熱器，以降低空氣相對濕度(要求在60%以下)，保證過濾介質(zhì)不致受潮失效。當前第101頁\共有124頁\編于星期五\18點8、空氣除菌加熱后的空氣進入空氣過濾器(介質(zhì)多為棉花活性炭或玻璃纖維)進行除菌?？偪諝膺^濾器一般用2臺，交替使用。每個發(fā)酵罐前還需單獨配備分過濾器。

當前第102頁\共有124頁\編于星期五\18點四、空氣過濾器類型空氣除菌就是除去或殺滅空氣中的微生物。其方法有：輻射殺菌、加熱殺菌、化學(xué)藥物殺菌靜電吸附介質(zhì)過濾除菌殺菌除菌生物加工過程所需的無菌空氣要求高，用量大，要選擇運行可靠、操作方便、設(shè)備簡單、節(jié)省材料和減少動力消耗的有效除菌方法。當前第103頁\共有124頁\編于星期五\18點1、棉花活性炭過濾器

為圓筒形，過濾介質(zhì)由上下兩層棉花和中間一層顆?；钚蕴拷M成，由兩層多孔篩板將過濾介質(zhì)壓緊并加以固定?？装褰饘俳z網(wǎng)麻布織品麻布織品麻布織品麻布織品金屬絲網(wǎng)孔板用作總空氣過濾器當前第104頁\共有124頁\編于星期五\18點棉花常用未經(jīng)脫脂的，壓緊后仍有彈性，纖維長度適中(約2~3cm)。棉花的纖維直徑約為16~20μm，實密度(或稱真密度)為1520kg/m3，通常過濾器內(nèi)棉化的填充密度為130~150kg/m3，故其填充系數(shù)為8.5%~10%。為了使棉花填放平整，可先將棉花彈成比過濾器圓筒稍大的棉墊后再放入過濾器內(nèi)。當前第105頁\共有124頁\編于星期五\18點常用的顆粒狀活性炭是小圓柱體，大小為小3mm×(10~15)mm，密度為1140kg/m3，填充密度為(500±30)kg/m3，故填充系數(shù)為44%左右。過濾器用的活性炭應(yīng)質(zhì)地堅硬，不易被壓碎，顆粒均一，裝填時細粒及粉末要篩去。介質(zhì)層的高度與纖維性質(zhì)、直徑、填充密度、氣流速度和過濾器持續(xù)使用時間有關(guān)。裝填過濾器時，介質(zhì)層總高度約為0.3~1.0m，棉花層:活性炭層:棉花層高度比=1:(1~2):1。當前第106頁\共有124頁\編于星期五\18點通過過濾器的氣流速度(以壓縮空氣通過過濾器筒身的截面積為基準)一般為0.2~0.3m/s?？諝庖话銖南虏繄A筒切線方向通入，從上部圓筒切線方向排出，以減少阻力損失。出口不宜安裝在頂蓋上，以免檢修時拆裝管道困難。107當前第107頁\共有124頁\編于星期五\18點優(yōu)點：棉花活性炭過濾器設(shè)備簡單，填充層厚，吸收油水能力強，過濾效果可靠，使用周期長；一般作為空氣總過濾器用。缺點：體積大，但更換介質(zhì)時勞動強度大；如填裝不勻，容易造成空氣短路，甚至介質(zhì)被吹翻，使過濾器失效；此外，壓降也較大，介質(zhì)滅菌和吹干耗用大量蒸汽和空氣。當前第108頁\共有124頁\編于星期五\18點過濾器失效壓縮空氣進入過濾器后便引起活性炭顆粒之間相互頂撞與摩擦，久而成為粉末(灰化)，活性炭的體積也逐漸變小，于是過濾器內(nèi)的空間逐漸增大，到達一定程度時，便會發(fā)生棉花吹翻現(xiàn)象。這樣空氣便會未經(jīng)過濾而進入罐內(nèi)，引起染菌。棉花經(jīng)過多次加熱滅菌后，顏色逐漸變深，靠近過濾器壁的棉花，因經(jīng)受夾層蒸汽的烤干，受熱更為劇烈，更容易變成粉末，而被空氣帶走，造成過濾層有縫隙，使過濾層疏松而漏風。甚至還因過高的壓力和過長時間的烘烤而引起棉花活性炭著火的事故。當前第109頁\共有124頁\編于星期五\18點2、平板式超細纖維過濾器

過濾時，空氣從筒身中部切線方向進入，空氣中的水霧、油霧沉于筒底，由排污管排出，空氣通過下孔板經(jīng)超細纖維濾紙過濾后，從上孔板進入頂蓋經(jīng)排氣孔排出。110當前第110頁\共有124頁\編于星期五\18點過濾介質(zhì)-超細纖維濾紙由玻璃纖維制成：纖維直徑1.0~1.2μm，孔徑約為1.0~1.5μm，厚約0.25~0.40mm，實密度為2600kg/m3，填充密度為384kg/m3，故填充率為14.8%。當前第111頁\共有124頁\編于星期五\18點安裝時，通常以3~6張濾紙疊合在一起，為了使濾紙能平整地置于過濾器內(nèi)，能經(jīng)受滅菌時蒸汽的沖擊和使用時空氣的沖擊，在過濾器筒身和頂蓋的法蘭間夾有兩塊相互契合的多孔板(板上開有很多φ8mm的小孔，開孔面積約占板面積的40%左右)以夾住濾紙，在濾紙上下兩面分別鋪上細銅絲網(wǎng)和麻布用以保護，同時墊以橡皮墊，再用法蘭盤壓緊，以保證過濾器的嚴密。當前第112頁\共有124頁\編于星期五\18點濾紙常用酚