第五章滅菌與除菌

第五章滅菌與除菌第一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五在發(fā)酵過程中夾雜其它雜菌造成的后果：生產(chǎn)菌和雜菌同時(shí)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(shí)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；發(fā)酵時(shí)如污染噬菌體，可使生產(chǎn)菌發(fā)生溶菌現(xiàn)象。培養(yǎng)基滅菌的目的第三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五滅菌方法化學(xué)物質(zhì)滅菌輻射滅菌干熱滅菌臭氧滅菌濕熱滅菌過濾除菌第一節(jié)滅菌和除菌的基本原理、方法滅菌（sterilization）：采用化學(xué)或物理因素殺滅或除掉物料及設(shè)備中一切微生物的技術(shù)或工藝過程，稱為滅菌。第四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五1、化學(xué)試劑滅菌法化學(xué)試劑：甲醛、乙醇或新潔爾滅、高錳酸鉀等適用范圍：環(huán)境空氣、皮膚及器械的表面消毒2、射線滅菌法電磁波、紫外線或放射性物質(zhì)適用范圍：無菌室、接種箱第五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五3、干熱滅菌法工業(yè)上采用滅菌條件為在160℃下保溫1-2h適用范圍：金屬或玻璃器皿4、濕熱滅菌法利用飽和蒸汽進(jìn)行滅菌、條件為：121℃，30’

適用范圍：廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)備及培養(yǎng)基的滅菌例：高壓滅菌鍋第六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五5、過濾除菌法利用過濾方法阻留微生物適用范圍：熱敏物質(zhì)、制備無菌空氣等第七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五

項(xiàng)目

方法本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)化學(xué)物質(zhì)滅菌化學(xué)反應(yīng)簡單不適合培養(yǎng)基滅菌輻射滅菌紫外線與菌體核酸的光化學(xué)反應(yīng)；其它射線使水分子產(chǎn)生自由基，強(qiáng)氧化性紫外線應(yīng)用廣泛Ｘ-射線不經(jīng)濟(jì)，不安全干熱滅菌加速與溫度有關(guān)的胞內(nèi)反應(yīng)濕熱滅菌蒸汽釋出潛熱使蛋白不可逆變性經(jīng)濟(jì)快速適用范圍廣臭氧滅菌氧化作用安全高效過濾滅菌過濾除去微生物可用于熱敏物質(zhì)第八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五一、熱滅菌的原理高溫致死原理：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。濕熱滅菌要比干熱滅菌更有效，①蛋白質(zhì)凝固所需的溫度與其含水量有關(guān)，含水量愈大，發(fā)生凝固所需的溫度愈低。②蒸氣放出大量潛熱，加速提高溫度。③濕熱的穿透力比干熱大

熱滅菌方法：（1）常壓法（2）加壓法第九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基滅菌方法1、高壓蒸汽滅菌鍋、手提式滅菌鍋。容量小。2、立式或臥式滅菌鍋。容量較大，一般能裝幾十瓶或幾百瓶。3、滅菌柜。要和蒸汽鍋爐配套，用于大量種瓶培養(yǎng)基的滅菌，一次能裝幾百至幾千瓶。

第十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五殺死微生物的極限溫度稱為致死溫度(lethaltemperature)。在致死溫度下，殺死全部微生物所需的時(shí)間稱為致死時(shí)間；在致死溫度以上，溫度愈高，致死時(shí)間愈短。

濕熱滅菌中的相關(guān)定義第十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五微生物相對熱阻營養(yǎng)細(xì)胞和酵母1.0細(xì)菌芽孢3×106霉菌孢子2~10病毒和噬菌體1~5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(shí)間。相對熱阻是指某一微生物在某條件下的致死時(shí)間與另一微生物在相同條件下的致死時(shí)間的比值。問題：芽孢或孢子的熱阻要比營養(yǎng)細(xì)胞的熱阻大的原因？吡啶二羧酸(dipicolicacid)第十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五1.對數(shù)殘留定律

實(shí)驗(yàn)證明，微生物營養(yǎng)細(xì)胞的均相熱死滅動(dòng)力學(xué)符合化學(xué)反應(yīng)的一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，即：t：滅菌時(shí)間sk：比死亡速率s-1，dNt/dt代表菌的瞬時(shí)變化速率)N0：開始滅菌時(shí)原有菌體數(shù)Nt：殘留菌體數(shù)，個(gè)/ml二、滅菌動(dòng)力學(xué)第十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五10t(min)N/N0大腸桿菌在不同溫度下的死亡曲線10-110-210-310-42468106058565410t(min)N/N0嗜熱脂肪芽孢桿菌芽孢在不同溫度下的死亡曲線10-110-210-310-4510152025121116110108105實(shí)驗(yàn)證明，細(xì)菌孢子的熱殺滅動(dòng)力學(xué)與營養(yǎng)細(xì)胞的有所不同。它表現(xiàn)為非對數(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)也接近對數(shù)死亡動(dòng)力學(xué)即符合一級反應(yīng)規(guī)律。2.非對數(shù)死亡規(guī)律第十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五培養(yǎng)基滅菌需解決的工程問題

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(shí)間為合理。滅菌溫度和時(shí)間的確定取決于：雜菌的熱滅死動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器的形式和操作方式培養(yǎng)基中有效成分受熱破壞的可接受范圍第十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五在一定溫度下，比死亡速率k隨微生物種類不同而不同。

營養(yǎng)細(xì)胞VS芽孢(spore,endospore

)同一種微生物來說，比死亡速率k值隨著溫度的變化而變化。營養(yǎng)細(xì)胞的熱死表現(xiàn)出典型的對數(shù)死亡速率三、滅菌的溫度和時(shí)間第十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五同一種微生物來說，比死亡速率k值隨著溫度的變化而變化。阿侖尼烏斯定律A：系數(shù)?E：活化能從（4）可以看出：活化能ΔE的大小對k值有重大影響。其它條件相同時(shí)，ΔE越高，k越低，熱死速率越慢。不同菌的熱死滅反應(yīng)ΔE可能各不相同。Arrheniuslaw第十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五（5）1/Tk（min-1）對（4）兩邊取對數(shù)，得（5）第十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五大部分培養(yǎng)基的破壞可認(rèn)為是一級反應(yīng)培養(yǎng)基成分的破壞第二十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五培養(yǎng)基溫度微生物死亡比速第二十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五培養(yǎng)基成分的破壞兩式相除微生物死亡比速第二十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子和維生素B1的lnk-1/T圖將滅菌溫度從105?C提高到127?CKVB從0.02(min-1)提高到0.06(min-1)KBS從0.12(min-1)提高到40.0(min-1)將溫度提高到一定程度，會加速細(xì)菌孢子的死滅速度，縮短滅菌時(shí)間，由于有效成分的ΔE很低，溫度的提高只能稍微增大其破壞速度，但由于滅菌時(shí)間的顯著縮短，有效成分的破壞反而減少。第二十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五嗜熱脂肪芽孢桿菌孢子死滅程度為N/N0=10-16時(shí)，滅菌溫度對維生素B1破壞的影響滅菌溫度（?C）達(dá)到滅菌程度的時(shí)間（min）維生素B1的損失（%）10084399.9911075891207.6271300.851101400.10731500.0151第二十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五培養(yǎng)基滅菌的要求達(dá)到要求的無菌程度（10-3）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(gè)基本類型的反應(yīng)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。第二節(jié)培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌第二十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五

概念：將配制好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐內(nèi)，用直接蒸汽加熱，達(dá)到滅菌要求的溫度和壓力后維持一定時(shí)間，再冷卻至發(fā)酵要求的溫度，這一工藝過程稱分批滅菌（實(shí)罐滅菌）。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備要求低，操作簡便缺點(diǎn)：營養(yǎng)成份有損失罐利用率低不能采用高溫快速滅菌工藝一、分批滅菌(batchsterilization)第二十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五在發(fā)酵罐中進(jìn)行實(shí)罐滅菌，是典型的分批滅菌。全過程包括升溫、保溫、降溫三個(gè)過程第二十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五1)升溫階段前期：G、培養(yǎng)基質(zhì)量；c、比熱容；Ts、蒸汽溫度；h、傳熱系數(shù)；F、換熱面積其中：夾套的傳熱系數(shù)230-350W/m2℃蛇管的傳熱系數(shù)350-520W/m2℃整理后溫度和時(shí)間的關(guān)系為：第二十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五1)升溫階段后期：升溫階段，隨著溫度升高，比死亡速率常數(shù)不斷增大，100℃后更為明顯，故不能用一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。若升溫結(jié)束時(shí)菌數(shù)為N1，則：第二十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五死亡比速為常數(shù)2)保溫階段死亡比速不是常數(shù)3)冷卻階段第三十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五孢子熱死亡的規(guī)律符合積分，得

在分批滅菌過程中第三十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五升溫、冷卻階段T是時(shí)間t的函數(shù)，K不是常數(shù)，所以：

式中Kh是保溫階段的孢子比熱死亡速度常數(shù)第三十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五總滅菌時(shí)間：各階段的滅菌貢獻(xiàn)大致為：20:75:5第三十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五1)升溫階段加熱蒸汽用量l和Cs分別為蒸汽的熱焓和比熱容2）保溫階段F：蒸汽排出口的面積；P：蒸汽壓力；V、蒸汽的比體積t:蒸汽排出的時(shí)間

19.1vPFtS=第三十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五注意事項(xiàng)：a)經(jīng)一段預(yù)熱時(shí)間預(yù)熱至90℃，使物料受熱均勻，減少冷凝水量b)達(dá)到滅菌溫度（120℃）時(shí)，開始計(jì)算維持時(shí)間（保溫時(shí)間）。生產(chǎn)上采用30minc)采用快速冷卻方式，減少營養(yǎng)成份的損失d)滅菌結(jié)束時(shí)，立即向罐內(nèi)通入無菌空氣，以維持罐壓，再開啟冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。第三十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五三路進(jìn)汽：直接蒸汽從通風(fēng)、取樣和出料口進(jìn)入罐內(nèi)直接加熱，直到所規(guī)定的溫度，并維持一定的時(shí)間。這就是所謂的“三路進(jìn)氣”。

四路出汽：直接蒸汽從排氣、接種、進(jìn)料和消沫劑管排氣分批滅菌設(shè)備示意圖第三十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五連續(xù)滅菌(continuoussterilization)概念：培養(yǎng)基在發(fā)酵罐外經(jīng)過一套滅菌設(shè)備連續(xù)的加熱滅菌，冷卻后送入一滅菌的發(fā)酵罐內(nèi)的工藝過程稱為連續(xù)滅菌優(yōu)點(diǎn)：可采用高溫快速滅菌工藝發(fā)酵罐非生產(chǎn)占用時(shí)間縮短，容積利用率提高熱能利用率合理，適于自動(dòng)化控制

缺點(diǎn)：不適合高粘度的培養(yǎng)基的滅菌染菌可能性增高第三十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五ＡＢＣＤＥ清洗系統(tǒng)滅菌后的培養(yǎng)基由熱交換器組成的連續(xù)滅菌系統(tǒng)第三十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五薄板換熱器連續(xù)滅菌流程進(jìn)料35℃100℃120℃維持120℃蒸汽147℃120℃55℃出料35℃水20℃31℃流程中采用了薄板換熱器作為培養(yǎng)液的加熱和冷卻器，蒸汽在薄板換熱器的加熱段使培養(yǎng)液的溫度升高，經(jīng)維持段保溫一定時(shí)間后，培養(yǎng)基在薄板換熱器的冷卻段進(jìn)行冷卻，從而使培養(yǎng)基的預(yù)熱、加熱滅菌及冷卻過程可在同一設(shè)備內(nèi)完成。該流程的加熱和冷卻時(shí)間比噴射加熱連續(xù)滅菌流程要長些，但由于在培養(yǎng)基的預(yù)熱過程同時(shí)也起到了滅菌后培養(yǎng)基的冷卻，因而節(jié)約了蒸汽和冷卻水的用量。連續(xù)滅菌的流程1第三十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五由熱交換器組成的連續(xù)滅菌系統(tǒng)的特點(diǎn)螺旋板式流道寬，流速快，適合于粘度較大的培養(yǎng)基的滅菌；板式適于粘度較小的培養(yǎng)基的滅菌含淀粉的培養(yǎng)基，須經(jīng)酸解或酶解降低粘度后，才能進(jìn)行連續(xù)滅菌粘度過大的培養(yǎng)基需增加滅菌時(shí)間連續(xù)滅菌Ⅰ第四十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五蒸汽直接加熱培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌系統(tǒng)

系統(tǒng)：直接用蒸汽加熱培養(yǎng)基至滅菌溫度缺點(diǎn)：隨蒸汽冷凝培養(yǎng)基被稀釋，引起培養(yǎng)基粘度變化，使滅菌的溫度和壓力不易控制連續(xù)滅菌第四十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五噴射加熱連續(xù)滅菌流程滅菌介質(zhì)原料介質(zhì)蒸汽T=140度保溫段真空流程中采用了蒸汽噴射器，它使培養(yǎng)液與高溫蒸汽直接接觸，從而在短時(shí)間內(nèi)可將培養(yǎng)液急速升溫至預(yù)定的滅菌溫度然后在該溫度下維持一段時(shí)間滅菌，滅菌后的培養(yǎng)基通過一膨脹閥進(jìn)入真空冷卻器急速冷卻，從圖中可以看出，由于該流程中培養(yǎng)基受熱時(shí)間短，營養(yǎng)物質(zhì)的損失也就不很嚴(yán)重連續(xù)滅菌的流程2第四十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五噴射加熱器第四十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第四十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵罐蒸汽蒸汽冷卻水無菌培養(yǎng)基配料罐泵連消塔維持罐冷卻管包括（1）配料預(yù)熱罐，將配制好的料液預(yù)熱到60-70℃，以避免連續(xù)滅菌時(shí)由于料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊；（2）連消塔，連消塔的作用主要是使高溫蒸汽與料液迅速接觸混和，并使料液的溫度很快升高到滅菌溫度（126-132℃

）；（3）維持罐，連消塔加熱的時(shí)間很短，光靠這段時(shí)間的滅菌是不夠的，維持罐的作用是使料液在滅菌溫度下保持5-7min，以達(dá)到滅菌的目的；（4）冷卻管，從維持罐出來的料液要經(jīng)過冷卻排管進(jìn)行冷卻，生產(chǎn)上一般采用冷水噴淋冷卻，冷卻到40-50℃后，輸送到預(yù)先已經(jīng)滅菌過的罐內(nèi)。Ⅲ.連消系統(tǒng)第四十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五連續(xù)滅菌設(shè)備的結(jié)構(gòu)（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)：套管式連消塔第四十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五噴嘴式連消塔第四十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五維持罐第四十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五冷卻設(shè)備常用噴淋冷卻器、套管冷卻器和板式熱交換器。另外，管式熱交換器和螺旋板式熱交換器也有使用。第四十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第五十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第五十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第五十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第五十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五調(diào)漿缸連消泵連消塔維持罐噴淋冷卻器冷卻水蒸汽放汽滅菌好的培養(yǎng)基連消滅菌系統(tǒng)第五十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五連續(xù)滅菌與分批滅菌的比較與選擇分批滅菌優(yōu)點(diǎn)：1．不需附加設(shè)備2．

蒸汽利用率高3．

節(jié)約勞動(dòng)力

缺點(diǎn)1．滅菌后培養(yǎng)基質(zhì)量比較差2．

罐的利用率低3.冷卻水用量大連續(xù)滅菌優(yōu)點(diǎn)：1采用高溫快速滅菌法2．有利于自動(dòng)控制3．節(jié)省冷卻水4.物料分開滅菌缺點(diǎn)1．

投資費(fèi)用高2．

對物料要求高3．

蒸汽用量大第五十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵設(shè)備滅菌發(fā)酵罐滅菌

實(shí)罐滅菌（實(shí)消），與培養(yǎng)基一起滅菌連續(xù)滅菌時(shí)，發(fā)酵罐需在培養(yǎng)基滅菌前進(jìn)行空罐滅菌（空消）附屬設(shè)備滅菌分空氣過濾器補(bǔ)料系統(tǒng)消泡劑系統(tǒng)第五十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵罐空消之后不能立即冷卻，先用無菌空氣保壓，待滅菌的培養(yǎng)基輸入罐內(nèi)后，才可以開冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。分空氣過濾器在發(fā)酵罐滅菌之前進(jìn)行滅菌，滅菌后用空氣吹干備用。補(bǔ)料罐的滅菌溫度視物料性質(zhì)而定，如糖水，滅菌時(shí)蒸汽壓力為0.1MPa(120℃)，保溫30分鐘。油罐(消泡劑罐)滅菌時(shí)，其蒸汽壓力為0.15-0.18MPa，保溫60分鐘。補(bǔ)料管路、消泡劑管路可與補(bǔ)料罐、油罐同時(shí)舉行滅菌，保溫時(shí)間為1小時(shí)。移種管路滅菌一般要求蒸汽壓力為0.3～0.45MPa，保溫1小時(shí)。發(fā)酵設(shè)備的滅菌第五十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五補(bǔ)料液的滅菌在發(fā)酵過程中，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。如果補(bǔ)料量較大，而具有連續(xù)性時(shí)，則采用連續(xù)滅菌較為合適。也有利用過濾法對另補(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直接通入蒸汽。所有的附屬設(shè)備和管道都要經(jīng)過滅菌。第五十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)空氣滅菌發(fā)酵工業(yè)應(yīng)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(gè)極低的百分?jǐn)?shù)，從而能控制發(fā)酵污染至極小機(jī)會。此種空氣稱為“無菌空氣”。無菌空氣(Asepticair)的概念第五十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五空氣中微生物的分布空氣中微生物的含量和種類，隨地區(qū)，季節(jié)和空氣中灰塵粒子多少，以及人們的活動(dòng)情況而異。北方氣候干燥，寒冷，空氣中的含菌量較少，離地面越高，含菌量越少；一般每升高10米，空氣中的含菌量就降低一個(gè)數(shù)量級；城市的空氣中含菌量較多，農(nóng)村的空氣中含菌量較少，一般城市空氣中雜菌數(shù)為3000~8000個(gè)／米3?？諝獾臏缇蠛头椒ǖ诹摚惨话偃唔?，編輯于2023年，星期五空氣中的微生物種類以細(xì)菌和細(xì)菌芽孢較多，也有酵母，霉菌和病毒。微生物大小不一，一般附著在空氣中的灰塵上或霧滴上。灰塵粒子的平均大小約0.6μm左右，所以空氣除菌主要是去除空氣中的微粒(0.6-1μm）第六十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五空氣除菌的方法和要求工業(yè)發(fā)酵對空氣處理的要求隨發(fā)酵產(chǎn)品和菌種不同而異。固體制曲和酵母生產(chǎn)中無菌要求不十分嚴(yán)格，一般無需復(fù)雜的空氣凈化處理；密閉的深層通氣發(fā)酵需嚴(yán)格的純凈培養(yǎng)，進(jìn)入發(fā)酵罐前空氣必須進(jìn)行冷卻、脫水、脫油和過濾除菌等處理。第六十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵用空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)提供一定量的壓縮空氣。VVM來表述：單位時(shí)間(min)、單位體積(m3)培養(yǎng)基中通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的體積(m3)空氣的壓強(qiáng)，一般為0.2-0.4Mpa進(jìn)入過濾器之前，空氣的相對濕度≤60%第六十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五一、空氣除菌的方法和殺菌機(jī)理（一）輻射殺菌種類：超聲波、高能陰極射線、X射線、γ射線、β射線、紫外線等原理：破壞核酸、蛋白質(zhì)活性而起殺菌作用。第六十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五目前應(yīng)用較廣泛的還是紫外線。紫外線波長為253.7-265nm時(shí)殺菌效力最強(qiáng)，它的殺菌力與紫外線的強(qiáng)度成正比，與距離的平方成反比。應(yīng)用：常用于無菌室和醫(yī)院手術(shù)室等空氣對流不大的環(huán)境下消毒。缺點(diǎn)：效率低，需要時(shí)間長，一般要結(jié)合其他方法（甲醛熏蒸等）。

第六十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五（二）熱滅菌法熱殺菌是一種有效的、可靠的殺菌辦法?？諝鉁囟扰c微生物熱死滅的時(shí)間

溫度200℃250℃300℃350℃時(shí)間15.1s5.1s2.1s1.05s第六十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五直接加熱：消耗大量能源，增設(shè)許多換熱設(shè)備，不經(jīng)濟(jì)。空氣壓縮產(chǎn)熱：空氣在進(jìn)入培養(yǎng)系統(tǒng)之前，一般需用空壓機(jī)以提高壓力，所以空氣熱滅菌時(shí)所需溫度的提高，可直接利用空氣壓縮時(shí)的溫度升高來實(shí)現(xiàn)。第六十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五空氣熱滅菌流程示意圖1-空氣壓縮機(jī)2-粗過濾器3-保溫管4-貯氣罐5-保溫罐6-列管式冷卻器7-渦輪壓縮機(jī)8-預(yù)熱器9-粗過濾器10-空氣吸入塔1-空氣壓縮機(jī)2-粗過濾器3-保溫管4-貯氣罐5-保溫罐6-列管式冷卻器7-渦輪壓縮機(jī)10-空氣吸入塔9-粗過濾器8-預(yù)熱器第六十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五（三）靜電除菌原理：利用靜電引力來吸附帶電粒子而達(dá)到除塵滅菌的目的。氣體進(jìn)入高壓直流電場時(shí)會被電離。靜電除塵器裝置圖電離區(qū)捕集區(qū)第六十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五優(yōu)點(diǎn)：除塵效果好，耗能?。刻幚?000m3空氣每小時(shí)只耗電0.2-0.8kW），設(shè)備較小。缺點(diǎn)：對設(shè)備維護(hù)和安全技術(shù)措施要求較高（微粒積累到一定厚度時(shí)，極板間放電，極板電壓下降，微粒吸附力減弱）。但對于一些直徑很小的微粒，它所帶的電荷很少，當(dāng)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運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量時(shí)，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。第七十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五（四）過濾除菌過濾除菌——使空氣通過經(jīng)高溫滅菌的介質(zhì)過濾層，將空氣中的微生物等顆粒阻截在介質(zhì)層中，而達(dá)到除菌的目的。常用的過濾介質(zhì)——棉花、活性炭、超細(xì)玻璃纖維、石棉濾板、PVA燒結(jié)材料過濾介質(zhì)、燒結(jié)金屬過濾介質(zhì)等。第七十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五常用的過濾介質(zhì)按孔隙大小可以分為兩類：介質(zhì)孔隙大于微生物——需有一定厚度的介質(zhì)濾層才能除菌，也稱相對過濾。介質(zhì)孔隙小于微生物——微生物直接被截留，也稱絕對過濾。第七十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五

空氣中常見雜菌的大小菌種細(xì)胞孢子寬，μm長，μm寬，μm長，μm金黃色小球菌0.5~1.0———產(chǎn)氣桿菌1.0~1.51.0~2.5——蠟樣芽孢桿菌1.3~2.08.1~25.8——普通變形桿菌0.5~1.01.0~3.0——地衣芽孢桿菌0.5~0.71.8~3.3——枯草芽孢桿菌0.5~1.11.6~4.80.5~1.00.9~1.8巨大芽孢桿菌0.9~2.12.0~10.00.6~1.20.9~1.7霉?fàn)罘种U菌0.6~1.61.6~13.60.8~1.20.8~1.8第七十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五放大后的棉花（左）和尼龍纖維（右）活性炭空氣過濾介質(zhì)第七十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五玻璃纖維土工格柵無堿玻璃纖維短切紗第七十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五燒結(jié)金屬多孔材料第七十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五常用的空氣過濾器1、棉花活性炭、玻璃纖維過濾器立式圓筒形，內(nèi)部充填過濾介質(zhì)，空氣由下向上通過過濾介質(zhì)，以達(dá)到除菌的目的。第七十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五過濾器的結(jié)構(gòu)孔板—金屬絲網(wǎng)—麻布織品—棉花—麻布織品—活性炭—麻布織品—棉花—麻布織品—金屬絲網(wǎng)—孔板1）總高度中，上下棉花層厚度為總過濾層的1/4--1/3；中間活性炭層為1/3-1/2。2）在鋪棉花層之前先在下孔板鋪上—層30--40目的金屬絲網(wǎng)和織物(如麻布等)，使空氣均勻進(jìn)入棉花濾層。

第七十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五1）在充填介質(zhì)區(qū)間的過濾器圓筒外部裝有夾套，夾套的作用是在消毒時(shí)對過濾介質(zhì)加熱，但要小心控制，溫度過高，則容易使棉花焦化而局部喪失過濾效能，甚至有燒焦著火的危險(xiǎn)。2）空氣一般從下部圓筒切線方向通入，從上部圓筒排出。3）過濾器上方應(yīng)裝有安全閥、壓力表，罐底裝有排污孔，以便經(jīng)常檢查空氣冷卻是否完全，過濾介質(zhì)是否潮濕等情況。第七十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第八十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五

是適應(yīng)充填薄層的過濾板或過濾紙，結(jié)構(gòu)如圖4-11。由罐身、頂蓋、濾層、夾板和緩沖層構(gòu)成。2.平板式纖維紙分過濾器第八十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五工作原理：空氣從筒身中部切線方向進(jìn)入，空氣中的水霧油霧沉于筒底，由排污管排出，空氣經(jīng)緩沖層通過下孔板經(jīng)薄層介質(zhì)過濾后，從上孔板進(jìn)入頂蓋排氣孔排出。第八十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五1）平板式過濾器過濾面積局限于圓筒的截面積，當(dāng)過濾面積要求較大時(shí)，則設(shè)備直徑很大。2）將過濾介質(zhì)卷裝在孔管上，如圖4-12，總的過濾面積比平板式大很多。但卷裝濾紙時(shí)要防止空氣從紙縫走短路。過濾器的安裝和檢查比較困難。3.管式過濾器第八十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五金屬燒結(jié)管過濾器金屬燒結(jié)管過濾器金屬燒結(jié)過濾芯是完全用金屬粉末通過高溫?zé)Y(jié)而成。其孔隙大小可精確地調(diào)控，根據(jù)應(yīng)用需要，金屬粉末即可制成孔隙小到0.5μm，也能得到微孔達(dá)到200μm的過濾芯。

使用壽命長、耐高熱、氣體阻力小、安裝維修方便。第八十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五4.微孔膜過濾器是由耐高溫、疏水的、厚度為150微米的聚四氟乙烯膜構(gòu)成?？讖?.1-0.45微米體積小，處理量大，壓降小，除菌效率高。第八十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第八十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五直接攔截絕對截留-顆粒被捕獲在濾材纖維之間形成的孔中顆粒大于孔徑(一）絕對過濾除菌機(jī)理第八十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五（二）相對過濾除菌機(jī)理原理：也稱深層過濾，是依靠氣流通過濾層時(shí)，基于濾層纖維的層層阻礙，迫使空氣在流動(dòng)過程中出現(xiàn)無數(shù)次改變氣速大小和方向的繞流運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致微生物微粒與濾層纖維間產(chǎn)生撞擊、攔截、布朗擴(kuò)散、重力沉降及靜電引力等作用，從而把微生物微粒截留、捕集在纖維表面上，實(shí)現(xiàn)了過濾。第八十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五除菌機(jī)理分類：——慣性沖擊滯留作用機(jī)理——攔截滯留作用機(jī)理——布朗擴(kuò)散作用機(jī)理——重力沉降作用機(jī)理——靜電吸附作用機(jī)理第八十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五原理：當(dāng)微粒隨氣流以一定的速度垂直向纖維方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣受阻即改變運(yùn)動(dòng)方向，繞過纖維前進(jìn)，而微粒由于它的運(yùn)動(dòng)慣性較大，未能及時(shí)改變運(yùn)動(dòng)方向隨主導(dǎo)氣流前進(jìn)，于是微粒直沖到纖維的表面，由于磨擦粘附，微粒就滯留在纖維表面上。1、慣性沖擊滯留作用機(jī)理第九十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五２、攔截滯留作用機(jī)理

原理：當(dāng)氣流速度下降到一定值時(shí)，若微粒隨氣流慢慢靠近纖維時(shí)，受纖維所阻改變方向，繞過纖維前進(jìn)，并在纖維的周邊形成一層邊界滯留區(qū)，滯留區(qū)的氣流流速更慢，當(dāng)與纖維表面接觸時(shí)就被捕集。第九十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五３、布朗擴(kuò)散作用機(jī)理原理：直徑很小的微粒在很慢的氣流中能產(chǎn)生一種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，稱為布朗擴(kuò)散。氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)對空氣中細(xì)微塵粒的碰撞，使塵粒也隨之做布朗運(yùn)動(dòng)。塵粒越小，布朗運(yùn)動(dòng)越顯著。注意：布朗擴(kuò)散作用在較大的氣速或較大的纖維間隙中是不起作用的。第九十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五４、重力沉降作用機(jī)理原理：重力沉降是一個(gè)穩(wěn)定的分離作用，當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對它的拖帶力時(shí)，微粒就容易沉降。這種作用只有在塵粒較大時(shí)才存在。第九十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五５、靜電吸附作用機(jī)理原理：懸浮在空氣中的微粒大多帶有不同電荷，這些帶電的微粒會受帶異性電荷的物體所吸引而沉降。同時(shí)，氣流通過纖維介質(zhì)時(shí)，由于氣流磨擦，使纖維上都帶電荷。第九十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五圖5過濾除菌效率（η）與氣流速（υs）度的關(guān)系第九十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五介質(zhì)過濾效率1、深層過濾效率的計(jì)算N1——過濾前空氣中微粒含量N2——過濾后空氣中微粒含量N2/N1——過濾前后空氣中含有微粒數(shù)的比值，即穿透濾層的微粒數(shù)與原有微粒數(shù)的比值，稱為穿透率。第九十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五2、對數(shù)穿透定律研究過濾器的過濾規(guī)律時(shí)，先排除一些復(fù)雜的因素，假定：過濾器中過濾介質(zhì)每一纖維的空氣流態(tài)并不因其它鄰近纖維的存在而受影響；空氣中的微粒與纖維表面接觸后即被吸附，不再被氣流帶走；過濾器的過濾效率與空氣中微粒的濃度無關(guān)；空氣中的微粒在濾層中遞減均勻，即每一纖維薄層除去同樣百分率的菌體。第九十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五空氣通過單位濾層后，微粒濃度下降量與進(jìn)入此介質(zhì)的空氣中的微粒濃度成正比，即：

(1)個(gè)數(shù)第九十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五將（1）整理，積分（2）（3）或第九十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五3、介質(zhì)層厚度的計(jì)算式中的N1可根據(jù)進(jìn)口空氣的菌體濃度、空氣流量及持續(xù)使用時(shí)間算出。如空氣中的原始菌濃度為10000個(gè)／m3，空氣流量為200m3／min，持續(xù)使用2000h，則N1為2.4×1011個(gè)菌，N2一般可假定為10-3個(gè)菌。于是N1／N2＝2.4×1014，在設(shè)計(jì)空氣過濾器時(shí)，我們常把N1／N2＝1015作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。K值與纖維介質(zhì)的性質(zhì)、直徑、填充率、氣流速度以及菌體大小有關(guān)。

由（2）或（3）得（4）（5）或第一百頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第一百零一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第一百零二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五過濾壓力降第一百零三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五過濾器的尺寸主要是確定過濾器的內(nèi)徑D和有效過濾的高度，最后定出整個(gè)過濾器的高度尺寸。過濾器的內(nèi)徑D可以根據(jù)空氣量及流速求出：第一百零四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五過濾器失效壓縮空氣進(jìn)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(dá)-定程度時(shí)，便會發(fā)生棉花成90°翻身現(xiàn)象。這樣空氣便會未經(jīng)過濾而進(jìn)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(fēng)．甚至還因過高的壓力和過長時(shí)間的烘烤而引起棉花活性炭著火的事故。第一百零五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五二、過濾除菌的流程第一百零六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五空氣過濾除菌工藝一、對空氣除菌流程的要求

空氣壓縮--------水分---------油霧流程的制訂根據(jù)無菌空氣的要求、環(huán)境條件、設(shè)備、投資等考慮。如在環(huán)境污染比較嚴(yán)重的地方，要考慮改變吸風(fēng)的條件，以降低過濾器的負(fù)荷，提高空氣的無菌程度；在溫暖潮濕的南方，要加強(qiáng)除水設(shè)施，以確保和發(fā)揮過濾器的最大除菌效率；在壓縮機(jī)耗油嚴(yán)重的設(shè)備流程中則要加強(qiáng)消除油霧的污染等等。第一百零七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五空氣

高空取氣管除塵器

空氣壓縮機(jī)

貯氣罐

一級冷卻器

油水分離器

二級冷卻器除霧器

加熱器

總過濾器分過濾器無菌空氣典型的空氣除菌流程分析發(fā)酵生產(chǎn)中制備無菌空氣的大致過程如下:第一百零八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五0采風(fēng)塔高空取氣管是遠(yuǎn)離地面幾十米的管子。一般而言，地面附近空氣中所含的微生物和灰塵等均比高空空氣中含的多，據(jù)資料介紹，每升高10米，空氣中雜菌可降低一個(gè)數(shù)量級，因此從高空取氣要比從低空取氣有利得多。一、空氣預(yù)處理設(shè)備第一百零九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五1、粗過濾器安裝在空氣壓縮機(jī)前的粗過濾器。作用：捕集較大的灰塵顆粒，防止壓縮機(jī)受損，同時(shí)也可減輕總過濾器負(fù)荷。要求：過濾效率高，阻力小，否則會增加空氣壓縮機(jī)的吸入負(fù)荷和降低空氣壓縮機(jī)的排氣量。分類：布袋過濾、填料式過濾、油浴洗滌和水霧除塵等。第一百一十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五含塵氣流從下部進(jìn)入圓筒形濾袋，在通過濾料的孔隙時(shí)，粉塵被濾料阻留下來，透過濾料的清潔氣流由排出口排出。沉積于濾料上的粉塵層，在機(jī)械振動(dòng)的作用下從濾料表面脫落下來，落入灰斗中。

第一百一十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五填料式粗過濾器，一般用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。第一百一十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五空氣進(jìn)入裝置后要通過油箱中的油層洗滌，空氣中的微粒被油粘附而逐漸沉降于油箱底部而被除去。需除油霧。第一百一十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五空氣從設(shè)備底部進(jìn)入后，經(jīng)上部噴下的水霧洗滌，將空氣中的灰塵、微生物微粒粘附沉降，從器底排出?？諝饬魉俨荒芴螅话阍?-2m/s的范圍，否則帶出的水霧太多，影響壓縮機(jī)，降低排氣量。第一百一十四頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五2、空氣壓縮機(jī)分類：離心式空氣壓縮機(jī)和往復(fù)式空氣壓縮機(jī)兩種。離心式：輸氣量大，輸出空氣壓力穩(wěn)定，效率高，輸出的空氣不帶油霧。往復(fù)式：靠活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而將空氣抽吸和壓出。壓力不穩(wěn)定，有油霧。第一百一十五頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五3.貯氣罐

往復(fù)式空氣壓縮機(jī)排出的氣體具有不連續(xù)性，通過貯氣緩沖罐的緩沖作用保證用供氣的連續(xù)性，防止由于往復(fù)式空壓機(jī)所產(chǎn)生的脈沖而引起的壓力波動(dòng)。維持穩(wěn)定的空氣壓力，同時(shí)利用重力沉降作用分離部分油霧。

圖10貯氣罐1-安全閥2-壓力表3-空氣入口4-排污閥5-人孔6-空氣進(jìn)口圖10貯氣罐1-安全閥2-壓力表3-空氣入口4-排污閥5-人孔6-空氣進(jìn)口圖10貯氣罐1-安全閥2-壓力表3-空氣入口4-排污閥5-人孔6-空氣進(jìn)口圖10貯氣罐1-安全閥2-壓力表3-空氣入口4-排污閥5-人孔6-空氣進(jìn)口第一百一十六頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五4、空氣冷卻器分類：（1）立式列管式熱交換器（2）噴淋式熱交換器（3）沉浸式熱交換器壓縮后空氣溫度顯著上升，需冷卻——因?yàn)閴嚎s后的高溫空氣能引起過濾介質(zhì)的炭化或燃燒，增大發(fā)酵罐的降溫負(fù)荷，增加培養(yǎng)液水分的蒸發(fā)。圖17空氣冷卻器第一百一十七頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第一百一十八頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五5、氣液分離器將空氣中冷凝成霧狀的水霧和油霧粒子除去。分類：旋風(fēng)分離器和填料分離器兩種。第一百一十九頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五旋風(fēng)分離器：利用氣體在切線方向進(jìn)入容器時(shí)在容器內(nèi)形成的螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力場來分離重度較大的粒子。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。適用于分離5um以上的微粒。構(gòu)造：進(jìn)氣管、上筒體、下錐體和中央升氣管等對直徑在200μm以上的顆粒最好先用重力沉降法除去，以減小對器壁的磨損；對于直徑5μm以下的顆粒，除塵效率很低，需采用袋濾器或濕法捕集。

第一百二十頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五第一百二十一頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五填料分離器：是利用各種填料如焦炭、活性炭、瓷環(huán)、金屬絲網(wǎng)、塑料絲網(wǎng)等的慣性攔截作用分離空氣中水霧或油霧第一百二十二頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五二級冷卻器由于季節(jié)關(guān)系或其它原因?qū)嚎s空氣的冷卻效果達(dá)不到工藝要求的情況下，可增設(shè)二級冷卻器，再次冷卻。其結(jié)構(gòu)和一級冷卻器相似。6.除霧器

通過油水分離器凈化過的空氣，仍含有粒度較小的雜質(zhì)及油水霧滴，需在除霧器中進(jìn)一步除去。除霧器結(jié)構(gòu)較簡單，可為一個(gè)中間夾有填料瓷環(huán)或絲網(wǎng)的容器，油水霧滴遇到填料瓷環(huán)或絲網(wǎng)便凝聚下來，最后，可通過油水排出口排出,內(nèi)部不銹鋼絲網(wǎng)可清洗，使用壽命長。常用絲網(wǎng)除沫器

第一百二十三頁，共一百三十七頁，編輯于2023年，星期五7.加熱器為了降低進(jìn)入總過濾器的空氣的相對濕度，使總過濾器保持干燥，需要在除霧器后加一個(gè)