發(fā)酵工程課件第五章.ppt

第五章發(fā)酵工程的滅菌與空氣除菌 第一節(jié)常用的滅菌方法與原理第二節(jié)培養(yǎng)基滅菌工藝第三節(jié)空氣除菌 第一節(jié)常用的滅菌方法與原理 原理 藥物與微生物細(xì)胞中的成分反應(yīng) 使蛋白質(zhì)變性酶失活 使用范圍 器皿 雙手和實(shí)驗(yàn)室 無菌室的環(huán)境滅菌 不能用于培養(yǎng)基滅菌 一常見的滅菌方法 一 化學(xué)物質(zhì)滅菌 滅菌 指用化學(xué)或物理的方法殺滅或去除物料及設(shè)備中所有生命物質(zhì)的技術(shù)或工藝過程 常用的滅菌劑 二 輻射滅菌 原理 利用高能量的電磁輻射與菌體核酸的光化學(xué)反應(yīng)造成菌體死亡 常用 紫外線 X射線和 射線 使用范圍 用于室內(nèi)空氣及器皿表面滅菌 三 干熱滅菌 原理 利用高溫對微生物有氧化 蛋白質(zhì)變性和電解質(zhì)濃縮作用而殺滅微生物 常用方法 灼燒和電熱箱加熱 140 180 1 2小時使用范圍 玻璃及金屬用具及沙土管滅菌 四 濕熱滅菌 原理 蒸汽冷凝放出大量潛熱 具有穿透力 且在高溫有水分條件下 蛋白質(zhì)易變性 常用方法 水煮常壓滅菌 100 飽和蒸汽滅菌 一般121 30min使用范圍 培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備滅菌 五 過濾除菌 原理 利用微生物不能透過濾膜除菌 方法 0 01 0 45 m孔徑濾膜 使用范圍 用于壓縮空氣 酶溶液及其他不耐熱化合物溶液除菌 二 濕熱滅菌原理 一 生物熱死動力學(xué) 對數(shù)殘存定律 dN dt KNN 菌體個數(shù) 個 t 滅菌時間 min k 反應(yīng)速度常數(shù) min 1 dN dt 菌受熱死亡速率 個 min 如何通過實(shí)驗(yàn)根據(jù)對數(shù)殘存定律確定某一溫度 某一微生物的K 1 K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 二 反應(yīng)速率常數(shù)K 2 K與滅菌溫度有關(guān)K Ae E RT 阿累尼烏斯方程 LnK LnA E RTA 比例常數(shù)R 氣體常數(shù) J molK T 絕對溫度 K E 殺死細(xì)菌所需的活化能 J mol 二 培養(yǎng)基滅菌工藝 一 培養(yǎng)基滅菌時間的選擇t 1 k Ln N0 N 其中K 一般耐熱的細(xì)菌芽孢的K值N0 細(xì)菌及芽孢數(shù)之和N 10 3 二 培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇選擇即能達(dá)到滅菌要求 又保證營養(yǎng)成分不被破壞的溫度 1 培養(yǎng)基營養(yǎng)成分破壞動力學(xué)方程 dC dt K CLn C C0 K t dC dt 營養(yǎng)物降解速度mol LhC 營養(yǎng)物濃度mol LK 營養(yǎng)物降解反應(yīng)速度常數(shù)1 st 時間 S K A e E RTLnK LnA E RTA 比例常數(shù)R 氣體常數(shù) J molK T 絕對溫度 K E 營養(yǎng)物破壞所需的活化能 J mol 2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果滅菌活化能大于培養(yǎng)基破壞活化能E E 3 當(dāng)溫度升高時微生物死亡速度常數(shù)比營養(yǎng)物質(zhì)降解速度常數(shù)變化得大4 達(dá)到相同滅菌效果 T越高 K越大 所需t越短 采用高溫短時 HTST 滅菌效果好 三 影響滅菌效果的因素微生物種類 不同的微生物k值不同 初始菌量 在保持N值不變的前提下 t與初始菌量N0的對數(shù)成正比 培養(yǎng)基成份 油脂 蛋白質(zhì)增加微生物的耐熱性 傳熱與混合狀況 影響受熱均勻度 培養(yǎng)基中固體顆粒的存在影響熱穿透 蒸汽中空氣的存在降低蒸汽分壓和滅菌溫度 pH 酸性pH下可加快微生物熱死速率 第二節(jié)培養(yǎng)基滅菌工藝 一 分批滅菌 batchsterilization 二 連續(xù)滅菌 continuoussterilization 一分批滅菌方法 實(shí)驗(yàn)室種子培養(yǎng)基 手提式滅菌鍋結(jié)構(gòu)示意圖 立式 臺式 臥式 一分批滅菌 batchsterilization 一 定義 將配制好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐中 用蒸汽加熱 使培養(yǎng)基和設(shè)備同時滅菌的一種滅菌方式 二 操作過程 空罐準(zhǔn)備 清洗 檢修和檢測 升溫 把培養(yǎng)基加熱到滅菌所需的溫度 保溫維持 在滅菌溫度下保持滅菌所需時間 冷卻保壓 把培養(yǎng)基的溫度降低到接種的溫度 溫度隨滅菌時間的變化 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 三 發(fā)酵罐分批滅菌示意圖 二 連續(xù)滅菌 continuoussterilization 定義 將培養(yǎng)基通過專門設(shè)計的滅菌器 進(jìn)行連續(xù)流動滅菌后 進(jìn)入預(yù)先滅過菌的發(fā)酵罐中的滅菌方式 流程 一 由熱交換器組成的滅菌系統(tǒng) 二 蒸汽直接噴射型的連續(xù)滅菌系統(tǒng) 三 由連消塔 維持罐和噴淋冷卻組成的滅菌系統(tǒng) 由熱交換器組成的滅菌系統(tǒng)工藝流程圖 溫度隨時間的變化 蒸汽直接噴射型的連續(xù)滅菌系統(tǒng) 溫度隨滅菌時間的變化 連消塔 噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程 預(yù)熱至60 70 132 40 50 維持?jǐn)?shù)分鐘 三 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)約勞動力缺點(diǎn)1 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 可以把培養(yǎng)基按其性質(zhì)分開滅菌3 有利于自動控制4 節(jié)省冷卻水缺點(diǎn)1 投資費(fèi)用高2 對物料要求高3 蒸汽用量大 四 培養(yǎng)基滅菌方法選擇原則 1 培養(yǎng)基成份 易降解成分 液化情況等 2 設(shè)備狀況 冷卻面積 傳動裝置等 3 動力條件 五 高溫對培養(yǎng)基成分的有害影響及其防止 六 消除高溫有害影響的措施 采用特殊加熱滅菌法 連續(xù)滅菌方法 對易破壞的含糖培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌時 應(yīng)先將糖液與其他成分分別滅菌后再合并 對含Ca2 或Fe3 的培養(yǎng)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 對含有在高溫下易破壞成分的培養(yǎng)基 如含糖組合培養(yǎng)基 可進(jìn)行低壓滅菌 第三節(jié)空氣除菌 一空氣凈化的方法二空氣的過濾除菌原理和介質(zhì)三空氣凈化的流程四附屬設(shè)備 空氣中微生物的數(shù)量與環(huán)境有密切關(guān)系 一般干燥寒冷的北方 空氣中含微生物量較少 而濕潤溫暖的南方空氣中含微生物較多 城市空氣中的微生物含量 103 104個 m3 比人口稀少的農(nóng)村多 地平面空氣中微生物含量比高空多 空氣滅菌的必要性好氧微生物在培養(yǎng)過程中 其生長 繁殖 代謝均需要大量氧氣的參與 所需氧氣通常是以空氣的形式提供的 空氣中含大量的各類微生物 如果隨空氣一同進(jìn)入培養(yǎng)系統(tǒng) 便會在合適的條件下大量繁殖 與目的菌株競爭性消耗營養(yǎng)物質(zhì) 并產(chǎn)生各種副產(chǎn)物 從而干擾或破壞純種培養(yǎng)過程的正常進(jìn)行 甚至使培養(yǎng)過程徹底失敗導(dǎo)致倒罐 因此空氣的滅菌是好氧培養(yǎng)過程中的一個重要環(huán)節(jié) 熱滅菌法靜電除菌介質(zhì)過濾除菌法 一空氣凈化的方法 各種不同的培養(yǎng)過程 鑒于其所用菌種的生長能力強(qiáng)弱 生長速率的快慢 培養(yǎng)周期的長短以及培養(yǎng)基中pH值差異 對空氣滅菌的要求也不相同 所以 對空氣滅菌的要求應(yīng)根據(jù)具體情況而定 一般可按10 3的染菌概率 即在1000次培養(yǎng)過程中 只允許一次是由于空氣滅菌不徹底而造成染菌 致使培養(yǎng)過程失敗 空氣凈化的方法大致有以下幾種 1 熱滅菌法 基于加熱后微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì) 酶 熱變性而得以實(shí)現(xiàn) 它與培養(yǎng)基的加熱滅菌相比 雖都是加熱法把微生物殺死 但兩者的本質(zhì)是有區(qū)別的 鑒于空氣在進(jìn)入培養(yǎng)系統(tǒng)之前 一般均需用壓縮機(jī)壓縮 提高壓力 所以 空氣熱滅菌時所需的溫度 就不必用蒸汽或其他載熱體加熱 而可直接利用空氣壓縮時的溫度升高來實(shí)現(xiàn) 空氣經(jīng)壓縮后溫度可升到200 以上 保持一定時間后 便可實(shí)現(xiàn)干熱殺菌 利用空氣壓縮時所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行滅菌的原理對制備大量無菌空氣具有特別重要的意義 在實(shí)際應(yīng)用時 對培養(yǎng)裝置與空氣壓縮機(jī)的相對位置 連接壓縮機(jī)與培養(yǎng)裝置的管道滅菌以及管道長度等問題都必須加以仔細(xì)考慮 近年來一些工廠已使用靜電除塵除去空氣中的水霧 油霧 塵埃 同時也除去了空氣中的微生物 靜電除菌時是利用靜電引力來吸附帶電粒子而達(dá)到除塵滅菌的目的 懸浮于空氣中的微生物 其孢子大多數(shù)帶有不同的電荷 沒有帶電荷的微粒進(jìn)入高壓靜電場時都會被電離成帶電顆粒 對于一些直徑很小的微粒 它所帶的電荷很小 當(dāng)產(chǎn)生的引力等于或小于微粒布朗擴(kuò)散運(yùn)動的動量時 則微粒就不能被吸附而沉降 所以靜電除塵滅菌對很小的微粒效率較低 2 靜電除菌 過濾除菌法是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 通過過濾除菌處理的空氣可達(dá)到無菌 并有足夠的壓力和適宜的溫度以供好氧培養(yǎng)過程之用 該法廣泛應(yīng)用 是獲得大量無菌空氣的常規(guī)方法 在生產(chǎn)中使用最多 3 介質(zhì)過濾除菌法 按過濾機(jī)制的不同 絕對過濾利用微孔濾膜 其孔隙小于0 5甚至0 1 m 將空氣中的細(xì)菌濾除 從而獲得無菌空氣 深層介質(zhì)過濾由多種介質(zhì)組成過濾層 濾層較深 空隙較大 靠靜電 擴(kuò)散 慣性和阻截作用等將細(xì)菌截留在濾層中 從而獲得無菌空氣 二 空氣的深層過濾除菌原理和介質(zhì) 空氣的過濾除菌原理 布朗擴(kuò)散截留作用攔截截留作用慣性撞擊截留作用重力沉降作用靜電吸引作用 空氣的過濾除菌原理 在過濾除菌中 有時很難分辨上述各種機(jī)理各自所作貢獻(xiàn)的大小 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(zhǔn)確的理論計算 一般認(rèn)為慣性撞擊截留 攔截截留和布朗運(yùn)動截留的作用較大 而重力和靜電引力的作用則很小 氣流速度小 布朗擴(kuò)散截留和攔截截留顯著氣流速度大 慣性撞擊截留作用顯著 空氣過濾除菌的介質(zhì) 用于空氣過濾的過濾介質(zhì)有 1 紙類過濾介質(zhì) 3 微孔濾膜類過濾介質(zhì) 2 纖維狀或顆粒狀過濾介質(zhì) 過濾器的結(jié)構(gòu) 1 深層棉花 活性炭 玻璃纖維 過濾器 深層棉花過濾器是立式圓筒形 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 填充物按下列順序安裝 金屬絲網(wǎng)和麻布的作用是使空氣均勻進(jìn)入棉花濾層 在充填介質(zhì)區(qū)間的過濾器圓筒外部有裝夾套 作用為在消毒時對過濾介質(zhì)加熱 要十分小心控制 溫度過高容易使棉花焦化而局部喪失過濾效率 甚至有燒焦著火的危險 空氣一般從下部圓筒切線方向通入 從上部圓筒排出 出口不宜安裝在頂蓋 以免檢修時拆裝管道困難 孔板 鐵絲網(wǎng) 麻布 棉花 麻布 活性炭 麻布 棉花 麻布 鐵絲網(wǎng) 孔板 過濾器上方裝有安全閥 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 過慮介質(zhì)是否潮濕等情況 安裝介質(zhì)要求緊密均勻 壓緊要一致 彈簧壓緊裝置可以保持在一定位移范圍內(nèi)對孔板的一定壓力 2 平板式纖維紙分過濾器 空氣從筒身中部切線方向進(jìn)入 空氣中的水霧沉入筒底 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 金屬絲網(wǎng)和麻布的作用仍是使空氣均勻進(jìn)入濾層 3 管式過濾器 4 接迭式低速過濾器 三 空氣凈化的流程 空氣凈化一般是吸氣口吸入的空氣先經(jīng)過壓縮前的過濾 然后進(jìn)入空氣壓縮機(jī) 從空壓機(jī)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(dāng)?shù)臏囟?20 25 除去油和水 再加熱到30 35 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 一 空氣凈化的一般流程 具有一定壓力的空氣可以克服空氣在預(yù)處理 過濾除菌及有關(guān)設(shè)備 管道 閥門 過濾介質(zhì)等的壓力損失 并在培養(yǎng)過程中能夠維持一定的罐壓 因此 過濾除菌的流程必須有供氣設(shè)備 空氣壓縮機(jī) 對空氣提供足夠的能量 同時還要具有高效的過濾除菌設(shè)備以除去空氣中的微生物顆粒 對于其他附屬設(shè)備則要求盡量采用新技術(shù)以提高效率 精簡設(shè)備流程 降低設(shè)備投資 運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和動力消耗 并簡化操作 流程的制定要根據(jù)具體所在地的地理 氣候環(huán)境和設(shè)備條件來考慮 如在環(huán)境污染比較嚴(yán)重的地方要改變吸風(fēng)的條件 如采用高空吸風(fēng) 以降低過濾器的負(fù)荷 提高空氣的無菌程度 在溫暖潮濕的地方要加強(qiáng)除水設(shè)施以確保和發(fā)揮過濾器的最大除菌效率 要保持過濾器在比較高的效率下進(jìn)行過濾 并維持一定的氣流速度和不受油 水的干擾 則要有一系列的加熱 冷卻及分離和除雜設(shè)備來保證 這是一個比較完善的空氣除菌流程 可適應(yīng)各種氣候條件 能充分分離油水 使空氣達(dá)到較低的相對適度下進(jìn)入過濾器 以提高過濾效率 1 兩級冷卻 加熱除菌流程 二 幾種典型的空氣凈化流程 1 兩級冷卻 加熱除菌流程 二 幾種典型的空氣凈化流程 特點(diǎn) 兩次冷卻 兩次分離 適當(dāng)加熱 優(yōu)點(diǎn) 能提高傳熱系數(shù) 節(jié)約冷卻用水 油水分離得比較完全 經(jīng)第一冷卻器冷卻后 大部分的水 油都已結(jié)成較大的霧粒 20 m 且霧粒濃度較大 故適宜用旋風(fēng)分離器分離 第二冷卻器使空氣進(jìn)一步冷卻后析出較小霧粒 1 m 宜采用絲網(wǎng)分離器分離 這樣發(fā)揮絲網(wǎng)能夠分離較小直徑的霧粒和分離效率高的作用 通常 第一級冷卻到30 35 第二級冷卻到20 25 除水后 空氣的相對濕度仍是100 須用絲網(wǎng)分離器后的加熱器將空氣中的相對濕度降低至50 60 以保證過濾器的正常運(yùn)行 尤其適用于潮濕地區(qū) 其他地區(qū)可根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r 對流程中的設(shè)備作適當(dāng)?shù)脑鰷p 2 冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程 壓縮空氣從儲罐出來后分成兩部分 一部分進(jìn)入冷卻器 冷卻到較低溫度 經(jīng)分離器分離水 油霧后與另一部分未處理的高溫壓縮空氣混合 此時混合空氣已達(dá)到溫度為30 35 相對濕度為50 60 的要求 在進(jìn)入過濾器過濾 二 幾種典型的空氣凈化流程 2 冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程 特點(diǎn) 省去第二冷卻后的分離設(shè)備和空氣再加熱設(shè)備 流程簡單 利用壓縮空氣來加熱析水后的空氣 冷卻水用量少 適用于中等濕含量地區(qū) 但不適合空氣濕含量高的地區(qū) 二 幾種典型的空氣凈化流程 采用高效率的前置過濾設(shè)備 利用壓縮機(jī)的抽吸作用 使空氣先經(jīng)中 高效過濾后 再進(jìn)入空氣壓縮機(jī) 降低了主過濾器的負(fù)荷 所得的空氣無菌程度很高 二 幾種典型的空氣凈化流程 3 高效前置過濾空氣除菌流程 4 利用熱空氣加熱冷空氣的流程 利用壓縮后的熱空氣和冷卻后的冷空氣進(jìn)行熱交換 使冷空氣的溫度升高 降低相對濕度 對熱能的利用比較合理 熱交換器可兼做貯氣罐 但由于氣 氣換熱的傳熱系數(shù)很小 加熱面積要足夠大才能滿足要求 二 幾種典型的空氣凈化流