发酵工业无菌技术

《发酵工业无菌技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发酵工业无菌技术（66页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第 四 章 发 酵 工 业 的 无 菌 技 术 4.1 灭 菌 与 消 毒 的 区 别灭 菌 ： 用 物 理 或 化 学 方 法 杀 死 或 除 去 环 境 中所 有 微 生 物 ， 包 括 营 养 细 胞 、 细 菌 芽 孢 和孢 子消 毒 ： 用 物 理 或 化 学 方 法 杀 死 物 料 、 容 器 、器 皿 内 外 的 病 源 微 生 物 。 培 养 基 灭 菌 的 目 的 1， 在 发 酵 过 程 中 夹 杂 其 它 杂 菌 造 成 的 后 果 ： 生 产 菌 和 杂 菌 同 时 生 长 ， 生 产 菌 丧 失 生 产 能 力 ； 在 连 续 发 酵 过 程 中 ， 杂 菌 的 生

2、长 速 度 有 时 会 比生 产 菌 生 长 得 更 快 ， 结 果 使 发 酵 罐 中 以 杂 菌 为主 ； 杂 菌 及 其 产 生 的 物 质 ， 使 提 取 精 制 发 生 困 难 杂 菌 会 降 解 目 的 产 物 ； 杂 菌 会 污 染 最 终 产 品 ， 杂 菌 会 污 染 最 终 产 品 ； 发 酵 时 如 污 染 噬 菌 体 ， 可 使 生 产 菌 发 生 溶 菌 现象 。 2， 工 业 上 具 体 措 施 包 括 ：（ 1） 使 用 的 培 养 基 和 设 备 须 经 灭 菌 ；（ 2） 好 氧 培 养 中 使 用 的 空 气 须 除 菌 处 理 ；（ 3） 设 备 应 严

3、密 ， 发 酵 罐 维 持 正 压 环 境 ；（ 4） 培 养 过 程 中 加 入 的 物 料 应 经 过 灭 菌 ；（ 5） 使 用 无 污 染 的 纯 粹 种 子 。3， 培 养 基 灭 菌 的 目 的杀 灭 培 养 基 中 的 微 生 物 ， 为 后 续 发 酵 过 程 创 造 无菌 的 条 件 。 4， 培 养 基 灭 菌 的 要 求（ 1） 达 到 要 求 的 无 菌 程 度 （ 10-3）（ 2） 尽 量 减 少 营 养 成 分 的 破 坏 ， 在 灭 菌 过 程 中 ，培 养 基 组 分 的 破 坏 ， 是 由 两 个 基 本 类 型 的 反 应 引起 的 ：培 养 基 中 不

4、同 营 养 成 分 间 的 相 互 作 用 ；对 热 不 稳 定 的 组 分 如 氨 基 酸 和 维 生 素 等 的 分 解 。 4.2发 酵 工 业 污 染 的 防 治 策 略4.2.1污 染 的 危 害1.使 生 物 反 应 的 基 质 或 产 物 ， 因 杂 菌 的 消 耗 而损 失 ， 造 成 生 产 能 力 的 下 降 。2. 杂 菌 也 会 产 生 代 谢 产 物 ， 这 就 使 产 物 的 提 取更 加 困 难 ， 造 成 得 率 降 低 ， 产 品 质 量 下 降 。3. 有 些 杂 菌 会 分 解 产 物 ， 使 生 产 失 败 。4. 杂 菌 大 量 繁 殖 后 ， 会 改

5、 变 反 应 液 的 pH值 ， 使反 应 异 常 。5. 如 果 发 生 噬 菌 体 污 染 ， 生 产 菌 细 胞 将 被 裂 解 ，使 生 产 失 败 。 4.2.2杂 菌 污 染 的 防 治 杂 菌 的 检 查 与 类 型 判 断显 微 镜 检 查 法平 板 划 线 培 养肉 汤 培 养发 酵 过 程 的 异 常 观 察 法 ： 溶 解 氧 水 平 异 常 变 化 、 通 过传 感 器 或 取 样 分 析 观 察 PH的 变 化 、 尾 气 中 CO2异 常变 化污 染 的 原 因 分 析种 子 带 菌 、 空 气 带 菌 、 设 备 渗 漏 、 灭 菌 不 彻 底 、 操 作失 误

6、和 技 术 管 理 不 善分 析 污 染 杂 菌 的 种 类分 析 污 染 杂 菌 的 时 间分 析 污 染 杂 菌 的 程 度 杂 菌 污 染 的 途 径 及 其 预 防种 子 带 菌 及 其 预 防 ：1.培 养 基 及 其 器 具 彻 底 灭 菌2.避 免 菌 种 在 移 接 中 污 染3.避 免 菌 种 在 培 养 和 保 藏 中 污 染过 滤 空 气 带 菌 及 其 防 治设 备 的 渗 漏 或 死 角 染 菌 及 其 防 治培 养 基 灭 菌 不 彻 底 导 致 染 菌 及 其 防 治操 作 不 当 造 成 染 菌噬 菌 体 染 菌 及 其 防 治 4.3发 酵 工 业 的 无 菌

7、 技 术 工 业 上 具 体 措 施 包 括 ： （ 1） 使 用 的 培 养 基 和 设 备 须 经 灭 菌 ； （ 2） 好 氧 培 养 中 使 用 的 空 气 应 经 除 菌 处 理 ； （ 3） 设 备 应 严 密 ， 发 酵 罐 维 持 正 压 环 境 ； （ 4） 培 养 过 程 中 加 入 的 物 料 应 经 过 灭 菌 ； （ 5） 使 用 无 污 染 的 纯 粹 种 子 。 灭 菌 的 方 法 （ 1） 化 学 法 化 学 药 品 灭 菌 法 （ 2） 物 理 法 干 热 灭 菌 法 湿 热 灭 菌 法 射 线 灭 菌 法 过 滤 除 菌 法 火 焰 灭 菌 法 4.4发 酵

8、 培 养 基 及 设 备 管 道 灭 菌 4.4.1湿 热 灭 菌 原 理湿 热 灭 菌 中 的 相 关 定 义 杀 死 微 生 物 的 极 限 温 度 称 为 致 死 温 度 。 在 致 死 温 度 下 ， 杀死 全 部 微 生 物 所 需 的 时 间 称 为 致 死 时 间 ； 在 致 死 温 度 以 上 ， 温度 愈 高 ， 致 死 时 间 愈 短 。微 生 物 的 热 阻 ： 是 指 微 生 物 在 某 一 特 定 条 件 （ 主 要 是 温 度 和 加热 方 式 ） 下 的 致 死 时 间 。 相 对 热 阻 是 指 某 一 微 生 物 在 某 条 件 下的 致 死 时 间 与 另

9、一 微 生 物 在 相 同 条 件 下 的 致 死 时 间 的 比 值 。 微 生 物 相 对热 阻营 养 细胞 和 酵母细 菌 芽孢霉 菌 孢子病 毒 和噬 菌 体 1.03 10621015各 种 微 生 物 对 湿 热 的 相 对 热 阻湿 热 灭 菌 的 优 点蒸 汽 来 源 容 易 ， 操 作 费 用 低 ， 本 身 无 毒 ；蒸 汽 有 强 的 穿 透 力 ， 灭 菌 易 于 彻 底 ；蒸 汽 有 很 大 的 潜 热 ；操 作 方 便 ， 易 管 理 。 4.4.1湿 热 灭 菌 的 理 论 基 础 一 ， 培 养 基 湿 热 灭 菌 需 解 决 的 工 程 问 题1.将 培 养

10、基 中 的 杂 菌 总 数 N0 杀 灭 到 可 以 接 受 的 总 数 N（ 10 3） ， 需 要 多 高 的 温 度 、 多 长 的 时 间 为 合 理 。 2.灭 菌 温 度 和 时 间 的 确 定 取 决 于 ： （ 1） 杂 菌 孢 子 的 热 灭 死 动 力 学 （ 2） 反 应 器 的 形 式 和 操 作 方 式 （ 3） 培 养 基 中 有 效 成 分 受 热 破 坏 的 可 接 受 范 围 二 、 微 生 物 的 热 死 灭 动 力 学 方 程 实 验 证 明 ， 微 生 物 营 养 细 胞 的 均 相 热 死 灭 动 力 学 符 合 化 学 反 应 的一 级 反 应 动

11、力 学 ， 即 ：N： 任 一 时 刻 的 活 细 菌 浓 度 （ 个 /L）t： 时 间 （ min）活 菌 的 减 少 率 与 N的 关 系 1NkdtdN 2ln 0 tKNN K： 比 热 死 速 率 常 数 （ min-1）取 边 界 条 件 t=0， N=N0， 对 （ 1） 积 分 得或 30 KteNN lnN0/N=kt2.303logN0/N=ktt=2.303 /k logN0/N 对 数 残 存 规 律工 厂 的 经 验 数 据 ， 高 温 灭 菌 时 间 15 30s,维 持 8 25min。 培 养 基 达 到 完 全 灭 菌 时 ， 灭 菌 温 度 和 灭 菌 时

12、 间 对 培 养 基 养 分破 坏 的 比 较 （ 以 VitB1为 准 ）灭 菌 温 度 0C 灭 菌 时 间 min 营 养 成 分 破 坏 率 （ ） 100 400 99.3 110 36 67 115 15 50 120 4 27 130 0.5 8 145 0.08 2 150 0.01 1 4.4.2 培 养 基 灭 菌 的 工 程 设 计 一 、 无 菌 的 标 准 根 据 微 生 物 热 死 灭 方 程 ， 要 求 灭 菌 后 达 到 绝对 无 菌 是 很 难 做 到 的 ， 也 是 不 必 要 的 。 因 此在 工 程 设 计 中 常 取 N=10-3。 二 、 分 批 灭

13、 菌 分 批 灭 菌 的 设 计 在 发 酵 罐 中 进 行 实 罐 灭 菌 ， 是 典 型 的 分批 灭 菌 。 全 过 程 包 括 升 温 、 保 温 、 降 温 三 个过 程 。 7NkdtdN 8ln 0 tKNN 9lnlnlnlnln 221022100 NNNNNNNNNNNNNN 10ln 10 0 / t RTENN dteA 11ln 12 21 ttKhNN 12ln 322 / dteA tt RTENN 孢 子 热 死 亡 的 规 律 符 合积 分 得 （ 8）在 分 批 灭 菌 过 程 中 因 为 升 温 、 冷 却 阶 段 T是 时 间 t的 函 数 ， K不 是

14、 常 数 ， 所 以 ：式 中 K h是 保 温 阶 段 的 孢 子 比 热 死 亡 速 度 常 数 保 证 间 歇 灭 菌 成 功 的 要 素（ 1） 内 部 结 构 合 理 (主 要 是 无 死 角 )， 焊 缝 及 轴 封 装 置 可 靠 ，蛇 管 无 穿 孔 现 象（ 2） 压 力 稳 定 的 蒸 汽（ 3） 合 理 的 操 作 方 法 。 发 酵 罐 的 接 管 图 培 养 基 间 歇 灭 菌 过 程 中 应 注 意 的 问 题（ 1） 温 度 和 压 力 的 关 系（ 2） 泡 沫 问 题（ 3） 投 料 过 程 中 ， 麸 皮 和 豆 饼 粉 等 固 形 物 在 罐 壁 上 残

15、留 的 问 题（ 4） 灭 菌 结 束 后 应 立 即 引 入 无 菌 空 气 保 压三 、 连 续 灭 菌 的 设 计1， 连 续 灭 菌 的 流 程（ 1） 喷 射 加 热 连 续 灭 菌 喷 射 加 热 连 续 灭 菌 流 程 典 型 的 喷 射 加 热 连 续 灭 菌 时 的 温 度 和 时 间 曲 线 图（ 2） 薄 板 换 热 器 连 续 灭 菌 薄 板 换 热 器 连 续 灭 菌 流 程 薄 板 换 热 器 连 续 灭 菌 时 的 温 度 和 时 间 曲 线 图（ 3） 喷 淋 冷 却 连 续 灭 菌 喷 淋 冷 却 连 续 灭 菌 流 程 连 消 器 喷 射 加 热 器 薄 板

16、 换 热 器维 持 罐 四 、 连 续 灭 菌 与 间 歇 灭 菌 的 比 较1， 连 续 灭 菌 的 优 缺 点优 点保 留 较 多 的 营 养 质 量容 易 放 大较 易 自 动 控 制 ；糖 受 蒸 汽 的 影 响 较 少 ；缩 短 灭 菌 周 期 ；在 某 些 情 况 下 ， 可 使 发 酵 罐 的 腐 蚀 减 少 ；发 酵 罐 利 用 率 高 ；蒸 汽 负 荷 均 匀 。缺 点设 备 比 较 复 杂 ， 投 资 较 大 。 优 点设 备 投 资 较 少染 菌 的 危 险 性 较 小人 工 操 作 较 方 便对 培 养 基 中 固 体 物 质 含 量 较 多 时 更 为 适 宜缺 点灭

17、 菌 过 程 中 蒸 汽 用 量 变 化 大 ， 造 成 锅 炉 负 荷 波 动 大 ， 一 般 只限 于 中 小 型 发 酵 装 置 。2， 分 批 灭 菌 的 优 缺 点五 、 影 响 灭 菌 的 因 素 采 用 一 台 连 续 灭 菌 设 备 ， 培 养 液 流 量 为18m3/h， 发 酵 罐 装 料 量 为 36m3， 原 始 污 染度 为 106个 ， 要 求 灭 菌 度 N 10-3个 罐 ， 灭 菌温 度 为 398k， 查 图 得 此 时 得 反 应 速 度 常 数 11min-1， 试 求 维 持 时 间 t。 解 ： 发 酵 罐 培 养 液 原 有 菌 数 ： 36 10

18、6 103 103 3.6 1013(个 /罐 ） 由 公 式 得 ： t=2.303/klgN0/N （ 1） 培 养 基 成 分 对 灭 菌 的 影 响油 脂 ， 糖 类 及 一 定 浓 度 的 蛋 白 质 可 增 加微 生 物 的 耐 热 性 ， 另 一 些 物 质 ， 如 高 浓 度的 盐 类 ， 色 素 等 可 削 弱 其 耐 热 性 。（ 2） 培 养 基 的 物 理 状 态 对 灭 菌 的 影 响（ 3） 培 养 基 中 微 生 物 数 量 对 灭 菌 的 影 响（ 4） 培 养 基 中 氢 离 子 浓 度 对 灭 菌 的 影 响培 养 基 中 氢 离 子 浓 度 直 接 影 响

19、 灭 菌 的 效果 。 培 养 基 的 酸 碱 度 越 大 ， 所 需 杀 灭 微 生物 的 温 度 越 低 。 （ 5） 微 生 物 细 胞 中 水 分 对 灭 菌 的 影 响细 胞 含 水 越 多 ， 蛋 白 质 变 性 的 温 度 越 低（ 6） 微 生 物 细 胞 菌 龄 对 灭 菌 的 影 响老 细 胞 水 分 含 量 低 、 低 龄 细 胞 水 分 含 量 高（ 7） 空 气 排 除 情 况 对 灭 菌 的 影 响（ 8） 搅 拌 对 灭 菌 的 影 响（ 9） 泡 沫 对 灭 菌 的 影 响 六 、 发 酵 罐 的 灭 菌 培 养 基 的 灭 菌 如 果 是 采 用 连 续 灭

20、菌 法 。 则 发 酵 罐 应 在 加 入 灭菌 的 培 养 基 前 先 行 单 独 灭 菌 。 通 常 是 用 蒸 汽 加 热 发 酵 罐 的 夹 套 或蛇 管 并 从 空 气 分 布 管 中 通 入 蒸 汽 ， 充 满 整 个 容 器 后 ， 再 从 排 气 管中 缓 缓 排 出 。 容 器 内 的 蒸 汽 压 力 保 持 1公 斤 ， 20分 钟 。 在 保 温 结束 后 ， 关 键 是 随 即 通 入 无 菌 空 气 ， 使 容 器 保 持 正 压 ， 防 止 形 成 真空 而 吸 入 带 菌 的 空 气 。七 、 补 料 液 的 灭 菌 在 发 酵 过 程 中 ， 往 往 要 向 发

21、 酵 罐 中 补 入 各 种 不 同 的 料 液 。 这些 料 液 都 必 需 经 过 灭 菌 。 灭 菌 的 方 法 则 视 料 液 的 性 质 、 体 积 和 补料 速 率 而 定 。 如 果 补 料 量 较 大 ， 而 具 有 连 续 性 时 ， 则 采 用 连 续 灭菌 较 为 合 适 。 也 有 利 用 过 滤 法 对 另 补 料 液 进 行 除 菌 。 补 料 液 的 分批 灭 菌 ， 通 常 是 向 盛 有 物 料 的 容 器 中 直 接 通 入 蒸 汽 。 所 有 的 附 属设 备 和 管 道 都 要 经 过 灭 菌 。 4.5 空 气 除 菌 4.5.1空 气 中 微 生 物

22、 的 分 布 和 发 酵 工 业 对 空 气 无菌 程 度 的 要 求 无 菌 空 气 的 概 念 通 过 除 菌 处 理 使 空 气 中 含 菌 量 降 低 在 一 个 极低 的 百 分 数 ， 从 而 能 控 制 发 酵 污 染 至 极 小 机 会 。此 种 空 气 称 为 “ 无 菌 空 气 ” 。空 气 中 微 生 物 的 分 布 一 般 设 计 时 以 含 量 为 103104个 m3进 行 计 算 。 提 问 引 出 新 课 请 问 你 在 实 验 室 已 接 触 过 哪 些 “ 无 菌 空 气 ”的 例 子 ？ 发 酵 对 空 气 无 菌 程 度 的 要 求酵 母 菌 培 养氨

23、基 酸液 体 曲抗 生 素 一 般 按 染 菌 机 率 为 10-3来 计 算 ， 即1000次 发 酵 周 期 所 用 的 无 菌 空 气 只 允许 12次 染 菌 。 4.5.2空 气 除 菌 方 法1、 辐 射 灭 菌 射 线 、 X射 线 、 射 线 、 射 线 、 紫 外 线 、 超 声波 2、 加 热 灭 菌 利 用 空 压 机 所 产 生 的 热 来 进 行 灭 菌 3、 静 电 除 菌 对 1m的 微 粒 去 除 率 达 99 ， 消 耗 能量 小 ， 每 处 理 1000m3的 空 气 每 小 时 只 耗电 0.40.8kW。 空 气 的 压 力 损 失 小 ， 一 般仅 (

24、315) 133.3Pa。 但 对 设 备 维 护 和 安全 技 术 措 施 要 求 较 高 。静 电 除 尘 器1-钢 丝 （ 电 晕 电 极 ） ； 2-钢 管 （ 沉淀 电 极 ） ； 3-高 压 绝 缘 瓷 瓶 ； 4-钢板 ； 5-空 气 出 口 ； 6-封 头 ； 7-钢 板 ； 8-法 兰 ； 9-空 气 出 口 用 静 电 除 菌 净 化 空 气 有 如 下 优 点 ：(1)阻 力 小 ， 约 1.01325 104Pa；(2)染 菌 率 低 ， 平 均 低 于 1015 ；(3)除 水 、 除 油 的 效 果 好 ；(4)耗 电 少 。 缺 点 是 设 备 庞 大 ， 需 要

25、 采 用 高 压 电 技 术 ， 且 一 次 性 投 资 较 大 ；对 发 酵 工 业 来 说 ， 其 捕 集 率 尚 嫌 不 够 ， 需 要 采 取 其 它 措 施 。4、 介 质 过 滤 常 用 的 过 滤 介 质 ： 棉 花 、 玻 璃 纤 维 、 活 性 炭 、超 细 玻 璃 纤 维 纸 、 石 棉 滤 板 、 烧 结 材 料 、 新型 过 滤 介 质 。 4.5.3空 气 过 滤 除 菌（ 一 ） 、 空 气 过 滤 除 菌 流 程 1、 高 空 采 风 、 两 次 冷 却 、 两 次 分 油 水 、适 当 加 热 流 程 特 点 ： 两 次 冷 却 、 两 次 分 油 水 、 适

26、当 加 热 。空 气 第 一 次 冷 却 到 30 35 ， 第 二 级 冷 却至 20 25 ， 经 分 水 后 加 热 到 30 35 ，因 为 温 度 升 高 ， 相 对 湿 度 下 降 。 2、 冷 热 空 气 直 接 混 合 式 空 气 除 菌 流 程 特 点 ： 省 去 一 级 冷 却 和 分 离 设 备 及 空 气 再加 热 设 备 ， 简 化 了 流 程 ， 使 冷 却 水 用 量 也降 低 了 。 压 缩 空 气 从 贮 罐 出 来 分 两 路 ， 一部 分 进 冷 却 器 ， 经 分 离 器 分 离 水 、 油 雾 后与 另 一 部 分 未 处 理 过 的 高 温 压 缩

27、空 气 混 合 ，使 混 合 后 的 空 气 温 度 为 30 35 ， 相 对 湿度 为 50 60%。 其 他 几 种 空 气 除 菌 流 程 高 效 前 置 过 滤 除 菌 流 程 在 压 缩 机 前 设 置 一 台 高 效 过 滤 器 ， 这 样 便可 降 低 过 滤 器 负 荷 （ 即 多 次 过 滤 ） ， 达 到空 气 除 菌 的 要 求 。 假 设a.空 气 中 微 粒 在 滤 层 中 为 均 匀 递 减 ， 即 每一 纤 维 薄 层 除 去 同 样 百 分 率 的 杂 菌 。 b. 空 气 中 的 微 粒 与 纤 维 表 面 接 触 后 即 被吸 附 。 c. 过 滤 器 的

28、 过 滤 效 率 与 空 气 中 的 微 粒 浓度 无 关 。d. 过 滤 介 质 每 根 纤 维 的 空 气 流 态 ， 不 因其 它 邻 近 纤 维 的 存 在 而 受 影 响 。 3， 连 续 灭 菌 设 备 的 结 构 及 计 算（ 1） 设 备 结 构 ：套 管 式 连 消 塔 喷 嘴 式 连 消 塔 假 设a.空 气 中 微 粒 在 滤 层 中 为 均 匀 递 减 ， 即 每一 纤 维 薄 层 除 去 同 样 百 分 率 的 杂 菌 。 b. 空 气 中 的 微 粒 与 纤 维 表 面 接 触 后 即 被吸 附 。 c. 过 滤 器 的 过 滤 效 率 与 空 气 中 的 微 粒 浓度 无 关 。d. 过 滤 介 质 每 根 纤 维 的 空 气 流 态 ， 不 因其 它 邻 近 纤 维 的 存 在 而 受 影 响 。 假 设a.空 气 中 微 粒 在 滤 层 中 为 均 匀 递 减 ， 即 每一 纤 维 薄 层 除 去 同 样 百 分 率 的 杂 菌 。 b. 空 气 中 的 微 粒 与 纤 维 表 面 接 触 后 即 被吸 附 。 c. 过 滤 器 的 过 滤 效 率 与 空 气 中 的 微 粒 浓度 无 关 。d. 过 滤 介 质 每 根 纤 维 的 空 气 流 态 ， 不 因其 它 邻 近 纤 维 的 存 在 而 受 影 响 。