滅菌與空氣凈化

第四章發(fā)酵工業(yè)的無(wú)菌技術(shù)

4.1發(fā)酵工業(yè)的無(wú)菌技術(shù)一、幾個(gè)概念1、滅菌：用物理或化學(xué)方法殺死或除去物料或設(shè)備中所有微生物，包括營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞、細(xì)菌芽孢和孢子。2、消毒：用物理或化學(xué)方法殺死空氣、容器內(nèi)外及環(huán)境中的病原微生物，一般只能殺死營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞。3、除菌：用過(guò)濾的方法除去空氣或液體中的微生物及其孢子。二、常用的無(wú)菌技術(shù)和方法1、干熱滅菌法2、濕熱滅菌法3、射線滅菌法4、化學(xué)藥劑滅菌法5、過(guò)濾除菌法4.2發(fā)酵培養(yǎng)基及設(shè)備管道滅菌4.2.1濕熱滅菌原理一、微生物的熱阻

1、致死溫度：殺死微生物的極限溫度

2、致死時(shí)間：在致死溫度時(shí)，殺死全部微生物所需的時(shí)間

3、熱阻：指微生物在某一特定條件（溫度和加熱方式）下的致死時(shí)間

表4-3幾種微生物對(duì)濕熱的相對(duì)抵抗力微生物名稱(chēng)大腸桿菌細(xì)菌芽孢霉菌孢子病毒相對(duì)抵抗力

130000002～101～5二、微生物的熱死規(guī)律——對(duì)數(shù)殘留定律實(shí)驗(yàn)證明，微生物營(yíng)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(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，即：由上式可知滅菌時(shí)間取決于污染程度N0、滅菌程度Nt和K值。①一般只考慮細(xì)菌的芽孢作為計(jì)算依據(jù)。②如果要求達(dá)到徹底滅菌，即Nt＝0則所需滅菌時(shí)間t∞，這在實(shí)際生產(chǎn)上不可行。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)常采用Nt＝0.001，即在1000批次滅菌中有一次失敗。③反應(yīng)速率常數(shù)K是微生物耐熱性的一種特征，它隨微生物種類(lèi)和滅菌溫度而異。4.2.2培養(yǎng)基滅菌溫度和時(shí)間的選擇

——高溫短時(shí)滅菌法在化學(xué)反應(yīng)的一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)類(lèi)型中，當(dāng)其他條件不變時(shí)，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系可用阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程表示：由于雜菌死亡屬一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，在滅菌時(shí)，當(dāng)溫度由T1升到T2，滅菌速率常數(shù)K和培養(yǎng)基成分破壞速率常數(shù)K’都變化。滅菌速率常數(shù)K值在T1、T2時(shí)分別為：將兩式相除并取對(duì)數(shù)得：

(1)

同樣，大部分培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的破壞為一級(jí)分解反應(yīng)，滅菌時(shí)培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的破壞也可得類(lèi)似關(guān)系：

(2)將式（1）和式（2）相除得：由于殺死細(xì)菌芽孢的活化能E大于營(yíng)養(yǎng)成分破壞的活化能E‘，因此>，即隨溫度升高，滅菌速率常數(shù)增加的倍數(shù)大于營(yíng)養(yǎng)成分破壞速率常數(shù)增加的倍數(shù)，也就是說(shuō)溫度升高，雜菌死亡速率大于培養(yǎng)基成分破壞的速率。達(dá)到相同的滅菌效果，提高滅菌溫度可明顯縮短滅菌時(shí)間，并減少培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分的破壞，這就是通常說(shuō)的“高溫短時(shí)滅菌法”。4.2.3培養(yǎng)基的滅菌方法分批滅菌液體培養(yǎng)基連續(xù)滅菌固體培養(yǎng)基：轉(zhuǎn)鼓式滅菌機(jī)滅菌分批滅菌也稱(chēng)實(shí)消、實(shí)罐滅菌、間歇滅菌，是指將配制好的培養(yǎng)基輸入發(fā)酵罐內(nèi)，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進(jìn)行滅菌的操作過(guò)程

。在發(fā)酵罐中進(jìn)行實(shí)罐滅菌，是典型的分批滅菌。全過(guò)程包括升溫、保溫、降溫三個(gè)過(guò)程。（1）滅菌前的準(zhǔn)備（2）進(jìn)料（3）滅菌①升溫②保溫③降溫連續(xù)滅菌也稱(chēng)連消，指培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐輸送的同時(shí)，在罐外經(jīng)過(guò)一套滅菌設(shè)備連續(xù)的加熱滅菌，冷卻后送入空消后的發(fā)酵罐的滅菌法。連續(xù)滅菌的流程有3種：

（a）噴射加熱連續(xù)滅菌流程（b）噴淋冷卻連續(xù)滅菌流程（c）薄板換熱器連續(xù)滅菌流程（3）固體培養(yǎng)基滅菌固體培養(yǎng)基也和液體培養(yǎng)基一樣，要先蒸煮滅菌，但固體培養(yǎng)基呈粒狀、片狀或粉狀，流動(dòng)性差不易翻動(dòng)，吸水加熱容易成團(tuán)，冷卻困難。針對(duì)這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鼓式滅菌機(jī)常用于酒廠、醬油廠。該設(shè)備能承受一定壓力，裝料后旋緊進(jìn)出口蓋，就如同密封容器。轉(zhuǎn)鼓以0.5～1r/min徐徐轉(zhuǎn)動(dòng)，培養(yǎng)基得到翻動(dòng)，蒸汽沿軸心通入加熱培養(yǎng)基，達(dá)到一定溫度后進(jìn)行保溫滅菌。滅菌完畢用真空泵沿空心軸抽真空，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壓力降低，培養(yǎng)基冷卻。

連續(xù)滅菌與分批滅菌的比較（1）連續(xù)滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)保留較多的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量容易放大較易自動(dòng)控制；縮短滅菌周期；發(fā)酵罐利用率高；蒸汽負(fù)荷均勻。在某些情況下，可使發(fā)酵罐的腐蝕減少；缺點(diǎn)設(shè)備比較復(fù)雜，投資較大，染菌幾率大，對(duì)蒸汽要求高，不適用大量固體物質(zhì)的滅菌。（2）分批滅菌的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)設(shè)備投資較少染菌的危險(xiǎn)性較小人工操作較方便對(duì)培養(yǎng)基中固體物質(zhì)含量較多時(shí)更為適宜缺點(diǎn)滅菌過(guò)程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負(fù)荷波動(dòng)大，一般只限于中小型發(fā)酵裝置。4.2.4設(shè)備和管道的滅菌1、種子罐、發(fā)酵罐、計(jì)量罐、補(bǔ)料罐等的空罐滅菌及管道滅菌2、空氣總過(guò)濾器和分過(guò)濾器滅菌3、種子培養(yǎng)基實(shí)罐滅菌4、發(fā)酵培養(yǎng)基實(shí)罐滅菌5、發(fā)酵培養(yǎng)基連續(xù)滅菌6、補(bǔ)料實(shí)罐滅菌4.2.5影響培養(yǎng)基滅菌的其他因素影響培養(yǎng)基滅菌除了所污染雜菌的種類(lèi)、數(shù)量、滅菌時(shí)間和溫度外，培養(yǎng)基成分、pH值、培養(yǎng)基中顆粒、泡沫等對(duì)培養(yǎng)基滅菌也有影響。（1）培養(yǎng)基成分油脂，糖類(lèi)及一定濃度的蛋白質(zhì)可增加微生物的耐熱性，另一些物質(zhì)，如高濃度的鹽類(lèi)，色素等可削弱其耐熱性。（2）pH值培養(yǎng)基pH為6.0～8.0時(shí)，微生物耐熱性好，pH＜6.0時(shí)氫離子容易滲入微生物細(xì)胞內(nèi)，從而改變細(xì)胞的生理反應(yīng)促使其死亡，所以培養(yǎng)基的pH值越低，滅菌所需時(shí)間越短。（3）培養(yǎng)基的物理狀態(tài)顆粒小滅菌容易，顆粒大滅菌難。當(dāng)培養(yǎng)基中有直徑大于1mm的顆粒物則明顯影響滅菌效果，蒸汽很難滲透到顆粒內(nèi)部，稱(chēng)為“滅菌不透”，應(yīng)過(guò)濾除去。（4）泡沫泡沫中的空氣形成隔熱層，使傳熱困難，熱難穿透過(guò)去殺滅微生物。

（5）微生物細(xì)胞的含水量含水越多，微生物越易死亡（6）微生物細(xì)胞的菌齡菌齡越老則越不易死亡（7）空氣排除情況空氣排出越徹底，微生物越易死亡4.2.6滅菌時(shí)間的計(jì)算（1）分批滅菌時(shí)間的計(jì)算【例4-1】

有一發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培養(yǎng)基，在121℃進(jìn)行實(shí)罐滅菌。原污染程度為每1mL有2×105個(gè)耐熱細(xì)菌芽孢，121℃時(shí)滅菌速率常數(shù)為1.8min－1。求滅菌失敗機(jī)率為0.001時(shí)所需的滅菌時(shí)間。有一發(fā)酵罐，內(nèi)裝80m3培養(yǎng)基，在121℃溫度下進(jìn)行實(shí)罐滅菌。設(shè)每毫升培養(yǎng)基中含有耐熱菌的芽孢數(shù)為1.25×107個(gè)，大腸桿菌為5×107個(gè)，霉菌為2.5×107個(gè)121℃時(shí)滅菌速率常數(shù)為0.0287s－1。試求滅菌失敗幾率為0.001時(shí)所需的滅菌時(shí)間。（2）連續(xù)滅菌時(shí)間的計(jì)算【例4-2】若將例3-1中的培養(yǎng)基采用連續(xù)滅菌，滅菌溫度為131℃，此溫度下滅菌速率常數(shù)為15min－1，求滅菌所需的維持時(shí)間。4.3空氣除菌4.3.1空氣除菌的方法1、加熱滅菌2、靜電除菌3、介質(zhì)過(guò)濾除菌4.3.2空氣過(guò)濾除菌的原理和介質(zhì)按照過(guò)濾除菌機(jī)理不同，過(guò)濾除菌分為：1、絕對(duì)過(guò)濾：塵埃或M直徑＞過(guò)濾介質(zhì)孔徑2、相對(duì)過(guò)濾：塵?；騇直徑＜過(guò)濾介質(zhì)孔徑這種相對(duì)過(guò)濾又稱(chēng)為深層介質(zhì)過(guò)濾。一、空氣過(guò)濾除菌的原理

1.布朗擴(kuò)散作用

2.攔截作用4.重力沉降

3.慣性碰撞5.靜電吸引①當(dāng)氣流速度較大時(shí)，慣性撞擊起主要作用，除菌效率隨氣流速度增加而上升②當(dāng)氣流速度較小時(shí)，布朗擴(kuò)散起主要作用，除菌效率隨氣流速度增加而降低③當(dāng)氣流速度中等時(shí)，攔截起主要作用④當(dāng)氣流速度過(guò)大時(shí)，已被捕集的微粒又被湍動(dòng)的氣流夾帶返回氣流中，除菌效率下降二、空氣過(guò)濾除菌的介質(zhì)

1.纖維狀或顆粒狀介質(zhì)①棉花②玻璃纖維③活性炭這類(lèi)過(guò)濾介質(zhì)對(duì)0.3μm以下的顆粒過(guò)濾效率僅為99%，難以滿(mǎn)足工業(yè)發(fā)酵的無(wú)菌要求，需多次過(guò)濾。

缺點(diǎn)：體積大，占用空間大，操作困難，裝填介質(zhì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且松緊度不易掌握，空氣壓力降大，介質(zhì)滅菌和吹干耗用大量的蒸汽和空氣。深層棉花、活性炭過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)

2.過(guò)濾紙類(lèi)介質(zhì)①超細(xì)玻璃纖維紙：這類(lèi)介質(zhì)過(guò)濾效果較好，對(duì)空氣的阻力和壓力降較小。缺點(diǎn)是強(qiáng)度不夠，特別是受潮后強(qiáng)度更差。②石棉濾板：優(yōu)點(diǎn)是濕強(qiáng)度大，受潮時(shí)不易穿孔或折斷，能耐受蒸汽反復(fù)殺菌，使用時(shí)間長(zhǎng)。缺點(diǎn)是由于纖維直徑大，過(guò)濾效率不高，只適用于空氣分過(guò)濾器。③濾棒：

3.燒結(jié)材料類(lèi)介質(zhì)

燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料等4.新型過(guò)濾介質(zhì)①能除去全部M，但不能除去噬菌體的過(guò)濾介質(zhì)，主要有膜孔小于0.22um的聚偏四氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTFE）膜材②能除去小至0.01um的微粒，可除去噬菌體，主要有Bio-X濾材和膨化聚四氟乙烯4.3.3空氣過(guò)濾除菌的流程1、空氣的處理：（1）空氣的粗濾空調(diào)過(guò)濾網(wǎng)作用：主要是捕集較大的灰塵顆粒型式：

布袋式過(guò)濾器、油浴洗滌過(guò)濾器水霧除塵過(guò)濾器、填料式過(guò)濾器旋風(fēng)分離式過(guò)濾器等要求：過(guò)濾效率高，阻力?。ㄗ枇Υ髣t增加空壓機(jī)的吸入負(fù)荷，降低壓縮空氣的排出量）將濾布縫制成與骨架相同形狀的布袋，繃緊縫于焊接在進(jìn)風(fēng)口的骨架上。多用毛質(zhì)絨布或合成纖維濾布；濾布應(yīng)定期更換。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，過(guò)濾效率高；但過(guò)濾阻力大布袋式過(guò)濾器油浴洗滌過(guò)濾器空氣通過(guò)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。百葉窗式的圓盤(pán)可分離大滴油霧，過(guò)濾網(wǎng)分離小顆粒油霧。效果好；但耗油多水霧除塵過(guò)濾器空氣從設(shè)備底部進(jìn)口管吸入，經(jīng)裝置上部噴下的水霧洗滌，空氣中的灰塵、微生物微粒被黏附沉降，從器底排出。空氣流速1-3m/s，太高則帶入水霧太多，降低空壓機(jī)的排氣量。（2）空氣的壓縮和穩(wěn)壓小型空壓機(jī)空氣貯罐作用：消除空壓機(jī)排出空氣量的脈動(dòng)維持穩(wěn)定的壓力分離部分油水

過(guò)高溫度的壓縮空氣如果直接進(jìn)入空氣過(guò)濾器，有可能引起過(guò)濾介質(zhì)的炭化或燃燒；且增大了發(fā)酵罐的降溫負(fù)荷；高溫空氣還會(huì)增加發(fā)酵液水分的蒸發(fā)，影響微生物的生長(zhǎng)。冷卻器類(lèi)型：

立式列管式熱交換器沉浸式熱交換器噴淋式熱交換器（3）壓縮空氣的冷卻（4）壓縮空氣除油除水作用：分離空氣中被冷凝成霧狀的水霧和油霧氣液分離器大氣中總含有一定量的水分，并以氣態(tài)存在?？諝庵械乃魵夥謮号c同溫度下的飽和蒸汽壓之比，稱(chēng)為相對(duì)濕度或相對(duì)濕含量。1）當(dāng)空氣中的水蒸氣過(guò)多，超過(guò)飽和度（相對(duì)濕度100%）時(shí)；2）或在空氣冷卻至露點(diǎn)以下時(shí)

空氣中的水蒸氣才會(huì)形成水滴析出夜間空氣溫度降低時(shí)，空氣中的水分會(huì)有一部分析出，形成露水或霜。這說(shuō)明在水蒸氣含量不變的情況下，由于溫度的降低，能夠使空氣中原來(lái)未達(dá)飽和的水蒸氣可變成飽和蒸氣，多余的水分就會(huì)析出。使水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度就叫作露點(diǎn)。氣液分離器型式：絲網(wǎng)分離器旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器原理：利用氣流從切線方向進(jìn)入容器，在容器內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力場(chǎng)來(lái)分離重度較大的微粒。優(yōu)缺點(diǎn)：旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便；對(duì)分離10m以上的微粒效率較高，但對(duì)10m以下的微粒比較困難。絲網(wǎng)分離器原理：利用填料的慣性攔截優(yōu)點(diǎn)：由于絲網(wǎng)的表面間隙小，可除去較細(xì)小的霧狀微粒，分離效率可達(dá)98-99%填料：

不銹鋼絲，塑料絲

0.1-0.4mm（5）壓縮空氣的再加熱（6）空氣總過(guò)濾器過(guò)濾（7）空氣分過(guò)濾器過(guò)濾二、空氣凈化的一般流程：

空氣吸氣口粗過(guò)濾器空壓機(jī)貯罐

冷卻器分離器加熱器總過(guò)濾器

分過(guò)濾器無(wú)菌空氣1.冷熱空氣直接混合的除菌流程2.高效前置過(guò)濾器除菌流程空氣吸氣口粗過(guò)濾器高效前置過(guò)濾器

空壓機(jī)貯罐冷卻器分離器加熱器總過(guò)濾器3.兩級(jí)冷卻、分離、加熱的除菌流程