第三章 生物細胞培養(yǎng)基滅菌設(shè)備

1、發(fā)酵機械與設(shè)備發(fā)酵機械與設(shè)備n徐徐 明明 芳芳 博博 士士n教教 授授n暨暨 南南 大大 學學 生生 科科 院院n2015-09-25目錄緒論緒論第一篇第一篇 生物質(zhì)原料處理設(shè)備生物質(zhì)原料處理設(shè)備第二篇第二篇 生物反應設(shè)備生物反應設(shè)備第三篇第三篇 產(chǎn)物分離設(shè)備產(chǎn)物分離設(shè)備第四篇第四篇 其他設(shè)備其他設(shè)備第一篇第一篇 生物質(zhì)原料處理設(shè)備生物質(zhì)原料處理設(shè)備n第一章第一章 生物質(zhì)原料預處理設(shè)備生物質(zhì)原料預處理設(shè)備n第二章 生物細胞培養(yǎng)基制備設(shè)備本章內(nèi)容本章內(nèi)容生物反應器生物反應器檢測控檢測控制儀表制儀表培養(yǎng)基培養(yǎng)基（）經(jīng)加工經(jīng)加工原料原料酶酶細胞細胞生物催化劑生物催化劑（游離或固定化）（游離或固定化）

2、機械能機械能除除菌菌空氣空氣產(chǎn)品提取純化產(chǎn)品提取純化副產(chǎn)品副產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)品廢物廢物熱能熱能營養(yǎng)物營養(yǎng)物典型工業(yè)生物技術(shù)過程典型工業(yè)生物技術(shù)過程培養(yǎng)基制備工藝過程：培養(yǎng)基制備工藝過程： 思考題n1.工業(yè)上防止雜菌污染的措施有哪些？n2.如何計算滅菌時間如何計算滅菌時間？n3.某發(fā)酵罐內(nèi)裝某發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培養(yǎng)基，采用連續(xù)滅菌，滅菌溫度為培養(yǎng)基，采用連續(xù)滅菌，滅菌溫度為1310C，原污染程度為每，原污染程度為每1ml含有含有2105個雜菌，已知個雜菌，已知1310C時滅時滅菌速度常數(shù)為菌速度常數(shù)為15min-1，求滅菌所需的維持時間，求滅菌所需的維持時間。n4、板式換熱器的結(jié)構(gòu)域工作原理、板式換熱

3、器的結(jié)構(gòu)域工作原理n5、噴淋冷卻連續(xù)滅菌主要設(shè)備與滅菌流程噴淋冷卻連續(xù)滅菌主要設(shè)備與滅菌流程6、噴射加熱連續(xù)滅菌噴射加熱連續(xù)滅菌主要設(shè)備與滅菌流程主要設(shè)備與滅菌流程7、薄板式換熱器連續(xù)滅菌、薄板式換熱器連續(xù)滅菌主要設(shè)備與滅菌流程主要設(shè)備與滅菌流程8、n9、發(fā)酵罐實罐滅菌操作要點？、發(fā)酵罐實罐滅菌操作要點？n10、發(fā)酵罐的滅菌操作步驟1、概述：染菌的危害染菌的危害3 3、實驗室滅菌的常規(guī)設(shè)備、實驗室滅菌的常規(guī)設(shè)備4、濕熱滅菌原理與計算1、概述染菌的危害：染菌的危害：。滅菌的定義滅菌的定義n定義： 滅菌與消毒的區(qū)別： 是用物理或化學方法殺死或除去環(huán)境中所有所有 微生物微生物，包括營養(yǎng)細胞、細菌芽孢

4、和孢子。用物理或化學方法殺死物料、容器、器皿內(nèi)外的病源微生物病源微生物。 1n目的：n要求：n達到要求的達到要求的(雜菌污染降低到被處理的每雜菌污染降低到被處理的每1000罐中只殘留罐中只殘留1個活菌的程度個活菌的程度, ,）；n盡量減少營養(yǎng)成分的破壞。盡量減少營養(yǎng)成分的破壞。3、實驗室滅菌的常規(guī)設(shè)備、實驗室滅菌的常規(guī)設(shè)備 主要是因高溫使微生物體內(nèi)的一些重要蛋白質(zhì)，如蛋白質(zhì)，如酶等，發(fā)生凝固、變性，酶等，發(fā)生凝固、變性，從而導致微生物無法生存而死亡。n致死溫度與致死時間致死溫度與致死時間：n 蒸汽來源容易，操作費用低，本身無毒；蒸汽來源容易，操作費用低，本身無毒；n蒸汽有強的穿透力，滅菌易于徹

5、底；蒸汽有強的穿透力，滅菌易于徹底；n蒸汽有很大的潛熱；蒸汽有很大的潛熱；n操作方便，易管理。操作方便，易管理。n微生物營養(yǎng)細胞的均相熱死滅動力學符合化學反應的一級反應動力學，即： N-任一時刻的活細菌濃度，個/L； t-時間，min； K-比熱死速率常數(shù)，min-1，越小越耐熱 NkdtdN微生物的熱力致死動力學方程微生物的熱力致死動力學方程：取邊界條件取邊界條件t0=0，N=N0，對上式積分得，對上式積分得 或或 為理論滅菌時間的對數(shù)殘留規(guī)律公式為理論滅菌時間的對數(shù)殘留規(guī)律公式。0012.303lnlgttNNtKNKN0kttNeN問題：能不能做到絕對無菌？ n升溫、冷卻兩階段也有一升溫

6、、冷卻兩階段也有一定的滅菌效果，考慮到定的滅菌效果，考慮到，故可以簡單地利，故可以簡單地利用式用式n (N/N0) =-kt 來粗略估算滅菌所需時間。來粗略估算滅菌所需時間。http:/ 解解：N0=401062105=81012(個) Nt=0.001(個) k=1.8(min-1) (Nt/N0)=-kt t=2.303/klg(N0/Nt)=2.303/1.8lg(81015) =20.34(min) 由于升溫階段就有部分菌被殺滅，特別是當培由于升溫階段就有部分菌被殺滅，特別是當培 養(yǎng)基加熱至養(yǎng)基加熱至1000C以上，這個作用較為顯著，以上，這個作用較為顯著， 故實際保溫階段時間比計算值

7、要短。故實際保溫階段時間比計算值要短。n n1、板式換熱器滅菌、板式換熱器滅菌n2、管道式換熱器滅菌、管道式換熱器滅菌一、板式換熱器滅菌一、板式換熱器滅菌 2009.09鄭裕國 王遠山 汪釗 陳小龍 朱勍 徐建妙1、板式換熱器的組成滅菌滅菌三類連續(xù)滅菌（連消）三類連續(xù)滅菌（連消）n1.噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程n2.噴射加熱連續(xù)滅菌流程噴射加熱連續(xù)滅菌流程 n3.薄板式換熱器連續(xù)滅菌流程薄板式換熱器連續(xù)滅菌流程 (Ct/C0)=kt t=2.303/klg(C0/Ct) 式中：式中：C0、Ct分別為單位體積培養(yǎng)基滅菌前、后分別為單位體積培養(yǎng)基滅菌前、后 的含菌數(shù)。的含菌數(shù)。 n例

8、例2某發(fā)酵罐內(nèi)裝某發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培養(yǎng)基，采用連續(xù)滅菌，滅菌溫培養(yǎng)基，采用連續(xù)滅菌，滅菌溫度為度為1310C，原污染程度為每，原污染程度為每1ml含有含有2105個雜菌，已知個雜菌，已知1310C時滅菌速度常數(shù)為時滅菌速度常數(shù)為15min-1，求滅菌所需的維持時間。，求滅菌所需的維持時間。1、連續(xù)滅菌時間的估算、連續(xù)滅菌時間的估算解：解：C0=2105(個/ml) Ct=0.001/(40106)=2.510-11(個/ml) t=2.303/klg(C0/Ct)=2.303/15lg(2105)/(2.510-11) =2.37 min 配料罐 連消泵 連消塔 維持罐 冷卻罐 蒸汽 蒸汽

9、放汽 冷卻水 無菌培養(yǎng)基 進發(fā)酵罐 加熱保溫冷卻2、連消塔連消塔-噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程（1）連消塔）連消塔設(shè)備構(gòu)造 。 圖2-8 連 消 器 的 構(gòu) 造出 料 口排 液 口蒸 汽 進 口進 料 口圖2-7 連 消 塔 的 構(gòu) 造 培 養(yǎng) 液蒸 汽培 養(yǎng) 液 圖2-9 維 持 罐 的 外 形出 料人 孔放 汽測 溫 口進 料（2）維持罐）維持罐體積計算：V-維持罐容積，m3；v-料液體積流量，m3/h；- 維持時間，825min；充滿系數(shù)60vV（3 3）冷卻設(shè)備）冷卻設(shè)備 圖2-4 連續(xù)滅菌設(shè)備流程示意圖1-配料罐（拌料罐）2-蒸汽入口 3-連消塔 4-維持罐 5-培養(yǎng)基出

10、口 6-噴淋冷卻 7-冷卻水1234567 配料罐 連消泵 連消塔 維持罐 冷卻罐 蒸汽 蒸汽 放汽 冷卻水 無菌培養(yǎng)基 進發(fā)酵罐 （4）連消塔）連消塔-噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程加熱保溫冷卻連消塔連消塔- -噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程（1 1）配料預熱罐配料預熱罐，將配好的料液預熱預熱到6070，以避免滅菌時由于料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊聲；（2）連消塔，是使高溫蒸汽與料液高溫蒸汽與料液迅速接觸混合，并使料液的溫度很快升高到滅菌溫度（126126132132）；）；（3 3）維持罐維持罐，維持料液溫度，延長滅菌時間（4）冷卻管，生產(chǎn)上一般采用冷水噴淋冷卻

11、，冷水噴淋冷卻，冷卻到冷卻到40405050后后，輸送到預先已經(jīng)滅菌過的罐內(nèi)。 圖2-5 加熱-真空冷卻連續(xù)滅菌流程生培養(yǎng)液蒸汽噴射加熱器維持管膨脹閥急聚蒸發(fā)室滅菌好的培養(yǎng)液真空 。 圖2-10 噴射加熱器示意圖1-噴嘴 2-吸入口 3-吸入室 4-混合噴嘴 5-混合段 6-擴大管料液已加熱料液 2 3 4 5 6 優(yōu)點：（2 2）、噴射加熱）、噴射加熱- -真空冷卻流程真空冷卻流程4、板式換熱器滅菌流程、板式換熱器滅菌流程。 圖2-6 薄板換熱器連續(xù)滅菌流程維持段蒸汽加熱段熱回收段水冷卻段生培養(yǎng)液冷卻水滅菌好的培養(yǎng)液1、板式換熱器的組成n在中進行實罐滅菌實罐滅菌，是典型的分批滅菌。n全過程包

12、括升溫、保溫、升溫、保溫、降溫三個過程降溫三個過程NkdtdNtKNN0lnNNNNNNNNNNNNNN22110221100lnlnlnlnln：n n n Kh-保溫階段的孢子比熱死亡速度常數(shù)1100/lntRTENNdteA1221lnttKhNNdteAttRTENN322/ln溫度隨滅菌時間的變化溫度隨滅菌時間的變化 培養(yǎng)基的間歇滅菌就培養(yǎng)基的間歇滅菌就是將配制好的培養(yǎng)基是將配制好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐或其他裝放在發(fā)酵罐或其他裝置中，通入蒸汽將培置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進行加熱滅菌的過進行加熱滅菌的過 程，程，通常也稱為實罐滅菌。通常也稱為實罐滅菌。 間歇滅

13、菌過程包括間歇滅菌過程包括升溫升溫、保溫保溫和和冷卻等冷卻等三個階段三個階段，圖，圖57為為培養(yǎng)基間歇滅菌過程培養(yǎng)基間歇滅菌過程中的溫度變化情況。中的溫度變化情況。某發(fā)酵罐內(nèi)裝培養(yǎng)基某發(fā)酵罐內(nèi)裝培養(yǎng)基40m3,在在121下進下進行分批滅菌，設(shè)每毫升培養(yǎng)基中含耐熱行分批滅菌，設(shè)每毫升培養(yǎng)基中含耐熱的芽孢為的芽孢為107個，求理論滅菌時間？個，求理論滅菌時間？（分批滅菌的滅菌常數(shù)（分批滅菌的滅菌常數(shù) lgk=-14845/T + 36.127） 解：N0= 40106107=41014 N=0.001 lgk=-14845/T + 36.127 =-14845/(273+121)+36.127 =

14、-1.55 k=0.0281 s -1 t= 1/k lnN0/N = 1/0.0281 ln41014/0.001 =1442.6 s =24 min 分空氣過濾器滅菌分空氣過濾器滅菌并用空氣吹干并用空氣吹干夾套或蛇管排冷水，開啟夾套或蛇管排冷水，開啟，也，也可夾套內(nèi)通蒸汽可夾套內(nèi)通蒸汽達達70左右左右取樣管取樣管放料管放料管汽汽120，1105pa保溫保溫保溫階段，凡液面以下各管保溫階段，凡液面以下各管道都應通蒸汽，液面上其余道都應通蒸汽，液面上其余各管道則應排蒸汽，不留死各管道則應排蒸汽，不留死角，維持壓力、溫度恒定角，維持壓力、溫度恒定罐壓接近空氣壓力罐壓接近空氣壓力向罐內(nèi)通無菌空氣向

15、罐內(nèi)通無菌空氣保溫結(jié)束，依次關(guān)閉保溫結(jié)束，依次關(guān)閉各排汽、進汽閥門各排汽、進汽閥門夾套或蛇管中通冷水夾套或蛇管中通冷水 培養(yǎng)基降溫到所需溫度培養(yǎng)基降溫到所需溫度滅菌流程（三路進氣、四路出氣）滅菌流程（三路進氣、四路出氣）三路進汽三路進汽：直接蒸直接蒸汽從汽從進入罐內(nèi)直接加進入罐內(nèi)直接加熱，直到所規(guī)定的溫熱，直到所規(guī)定的溫度，并維持一定的時度，并維持一定的時間。這就是所謂的間。這就是所謂的“三路進氣三路進氣”。* ：直接蒸汽直接蒸汽從從排氣排氣分批滅菌設(shè)備示意圖分批滅菌設(shè)備示意圖 n總蒸汽管道壓力要求不低于0.3-0.35Mpa，使用壓力不低于0.2Mpa。n空消空消：n一般維持罐壓0.150.

16、2Mpa，圖2-11 實罐滅菌設(shè)備示意圖冷凝水冷卻水進口排料管進汽取樣管進汽進汽冷卻水出口排氣排氣排氣排氣消沫劑管出氣口接種管進料口進汽進氣管三路進氣三路進氣n保溫階段保溫階段， 間歇滅菌間歇滅菌n是在所用的發(fā)酵罐或其他培養(yǎng)裝置中進行的，它是是在所用的發(fā)酵罐或其他培養(yǎng)裝置中進行的，它是在配制罐中配好培養(yǎng)基后，通過專用管道輸入發(fā)酵在配制罐中配好培養(yǎng)基后，通過專用管道輸入發(fā)酵罐等培養(yǎng)設(shè)備中，然后開始滅菌。罐等培養(yǎng)設(shè)備中，然后開始滅菌。n在進行培養(yǎng)基的間歇滅菌之前，通常先將發(fā)酵罐等在進行培養(yǎng)基的間歇滅菌之前，通常先將發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置的分空氣過濾器進行滅菌，并且用培養(yǎng)裝置的分空氣過濾器進行滅菌，并且用

17、 開始滅菌時，應先放去夾套或蛇管中的冷水，開啟開始滅菌時，應先放去夾套或蛇管中的冷水，開啟排氣管閥，通過空氣管向發(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)基通人蒸排氣管閥，通過空氣管向發(fā)酵罐內(nèi)的培養(yǎng)基通人蒸汽進行加熱，同時，也可在夾套內(nèi)通蒸汽進行間接汽進行加熱，同時，也可在夾套內(nèi)通蒸汽進行間接加熱。加熱。n當培養(yǎng)基溫度升到當培養(yǎng)基溫度升到70左右時，從取樣管和放料管左右時，從取樣管和放料管向罐內(nèi)通人蒸汽進一步加熱，當溫度升至向罐內(nèi)通人蒸汽進一步加熱，當溫度升至120C，罐壓為罐壓為1100Pa(表壓表壓)時，打開時，打開接種、補料、消泡接種、補料、消泡劑、酸、堿等管道閥門進行排汽，劑、酸、堿等管道閥門進行排汽，并調(diào)節(jié)好各

18、進汽并調(diào)節(jié)好各進汽和排汽閥門的排汽量，使罐壓和溫度保持在一定水和排汽閥門的排汽量，使罐壓和溫度保持在一定水平上進行保溫。當然在保溫過程中，應注意凡在培平上進行保溫。當然在保溫過程中，應注意凡在培養(yǎng)基液面下的各種進口管道都應通人蒸汽，而在液養(yǎng)基液面下的各種進口管道都應通人蒸汽，而在液面以上的其余各管道則應排放蒸汽，這樣才能不留面以上的其余各管道則應排放蒸汽，這樣才能不留死角，從而保證滅菌徹底。死角，從而保證滅菌徹底。n保溫結(jié)束后，依次關(guān)閉各排汽、進汽閥門，待罐內(nèi)保溫結(jié)束后，依次關(guān)閉各排汽、進汽閥門，待罐內(nèi)壓力低于空氣壓力后，向罐內(nèi)通入無菌空氣，在夾壓力低于空氣壓力后，向罐內(nèi)通入無菌空氣，在夾套或

19、蛇管中通冷水降溫，使培養(yǎng)基的溫度降到所需套或蛇管中通冷水降溫，使培養(yǎng)基的溫度降到所需的溫度，進行下一步的發(fā)酵和培養(yǎng)。的溫度，進行下一步的發(fā)酵和培養(yǎng)。n 培養(yǎng)基間歇滅菌過程中應注意的問題培養(yǎng)基間歇滅菌過程中應注意的問題分批滅菌的優(yōu)缺點n優(yōu)點n缺點：缺點：n對小型罐無優(yōu)勢，不方便，對設(shè)備要求高；對小型罐無優(yōu)勢，不方便，對設(shè)備要求高；n蒸汽波動時滅菌不徹底；蒸汽波動時滅菌不徹底；n當培養(yǎng)基中含有固體顆?；蛴休^多泡沫時，當培養(yǎng)基中含有固體顆?；蛴休^多泡沫時，以分批滅菌好，防止滅菌不徹底。以分批滅菌好，防止滅菌不徹底。 分批滅菌與連續(xù)滅菌的比較分批滅菌與連續(xù)滅菌的比較 分批滅菌與連續(xù)滅菌的比較分批滅菌與連續(xù)滅菌的比較 n連續(xù)滅菌的優(yōu)點：（適