最新发酵工艺原理4精品课件.ppt

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1、发酵工艺原理发酵工艺原理4n灭菌：指用化学或物理的方法杀灭灭菌：指用化学或物理的方法杀灭或去除物料及设备中所有生命物质或去除物料及设备中所有生命物质的技术或工艺过程。的技术或工艺过程。 二二. 湿热灭菌原理湿热灭菌原理 n1.生物热死动力学（对数残存定律）生物热死动力学（对数残存定律） dN / dt =- K N N：菌体个数（个）：菌体个数（个） t : 灭菌时间（灭菌时间（min） k：反应速度常数（：反应速度常数（min-1）dN / dt: 菌受热死亡速率菌受热死亡速率(个个/min)Ln N/ N0 = - K t N= N0 e- K t以菌的残留数以菌的残留数Ln N/ N0的

2、对数与时间的对数与时间t 作作图，得出一条直线，其斜率为图，得出一条直线，其斜率为- K （P222 图图14-1） 如何通过实验根据对数残存定律确定某一如何通过实验根据对数残存定律确定某一温度温度,某一微生物的某一微生物的K ？1). K 与菌种的特性有关与菌种的特性有关相同温度下，微生物越耐热，相同温度下，微生物越耐热， k值越小。值越小。相同温度下，微生物越不耐热，相同温度下，微生物越不耐热，k值越大。值越大。 2 .反应速率常数反应速率常数K2). K 与灭菌温度有关与灭菌温度有关K=A e E / RT（阿累尼乌斯方程）（阿累尼乌斯方程）Ln K =Ln A- E/ RTA：比例常数

3、：比例常数R：气体常数：气体常数(J/ mol K)T：绝对温度：绝对温度( K)E：杀死细菌所需的活：杀死细菌所需的活化能（化能（J/ mol）嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢的热死曲线0.00010.0010.010.110510152025加热时间（m i n ）N/N0121118115110105 第二节 培养基和发酵设备的灭菌工艺 n一培养基灭菌时间的选择一培养基灭菌时间的选择t =1/ k * Ln( N0/ N) 其中其中 K：一般耐热的细菌芽孢的：一般耐热的细菌芽孢的K值值 N0 ：细菌及芽孢数之和：细菌及芽孢数之和 N：10 -3二二. 培养基灭菌温度的选择培养基灭菌温度的选择选择即能

4、达到灭菌要求，选择即能达到灭菌要求，又保证营养成分不被破坏的温度又保证营养成分不被破坏的温度n1.培养基营养成分破坏动力学方程培养基营养成分破坏动力学方程-dC/dt = K C-dC/dt :营养物降解速度营养物降解速度 mol / L hC: 营养物浓度营养物浓度 mol / LK : 营养物降解反应速度常数营养物降解反应速度常数 1 / st ：时间：时间( S )Ln (C/ C0 ) = - K tK = A e- E/ RT Ln K =Ln A- E/ RTA：比例常数：比例常数R：气体常数：气体常数(J/ mol K)T：绝对温度：绝对温度( K)E：营养物破坏所需的活化能（：

5、营养物破坏所需的活化能（J/ mol）2.根据实验结果灭菌活化能大于培养基破根据实验结果灭菌活化能大于培养基破坏活化能坏活化能E E P225 表14-113. 灭菌反应灭菌反应营养物破坏反应营养物破坏反应 T1 Ln K1 =Ln A- E/ RT1 Ln K1 =Ln A- E/ RT1 T2 Ln K2 =Ln A- E/ RT2 Ln K2 =Ln A- E/ RT2 Ln ( K2/ K1) = E/ R(1/ T1- 1/ T2 ) Ln ( K2 / K1 )= E/ R(1/T1- 1/T2)Ln( K2/ K1) = ELn ( K2 / K1 ) E Ln ( K2 / K

6、1) Ln ( K2 / K1 ) K2 / K1 K2 / K1 当温度升高时微生物死亡速度常数比营养物质降解速度常数变化得大4达到相同灭菌效果，达到相同灭菌效果，T越高，越高，K越大，所需越大，所需t 越短，采用高温短时（越短，采用高温短时（HTST）灭菌效果好）灭菌效果好n 三三 影响灭菌效果的因素影响灭菌效果的因素n微生物种类：不同的微生物微生物种类：不同的微生物k值不同。值不同。n初始菌量：在保持初始菌量：在保持N值不变的前提下，值不变的前提下，t 与与初始菌量初始菌量N0的对数成正比。的对数成正比。n培养基成份：油脂、蛋白质增加微生物的耐培养基成份：油脂、蛋白质增加微生物的耐热性。

7、热性。 n传热与混合状况：影响受热均匀度。传热与混合状况：影响受热均匀度。 n培养基中固体颗粒的存在影响热穿透。培养基中固体颗粒的存在影响热穿透。 n蒸汽中空气的存在降低蒸汽分压和灭菌温度。蒸汽中空气的存在降低蒸汽分压和灭菌温度。 npH：酸性：酸性pH下可加快微生物热死速率下可加快微生物热死速率 四四. 培养基和发酵设备的灭菌方法培养基和发酵设备的灭菌方法（一）实验室种子培养基灭菌方法（一）实验室种子培养基灭菌方法使用高压蒸汽灭菌锅使用高压蒸汽灭菌锅 手提式灭菌锅。手提式灭菌锅。容量小。容量小。立式或卧式灭菌锅。立式或卧式灭菌锅。容量较大，容量较大，一般能装几十瓶或几百瓶。一般能装几十瓶或几

8、百瓶。灭菌柜。灭菌柜。要和蒸汽锅炉配套，要和蒸汽锅炉配套，用于大量种瓶培养基的灭菌，用于大量种瓶培养基的灭菌，一次能装几百至几千瓶一次能装几百至几千瓶(袋袋)。四四. 培养基和发酵设备的灭菌方法培养基和发酵设备的灭菌方法n（二）分批灭菌（二）分批灭菌(batch sterilization) n1定义：定义： 将配制好的培养基输入发酵罐中，用蒸汽将配制好的培养基输入发酵罐中，用蒸汽加热，使培养基和设备同时灭菌的一种灭加热，使培养基和设备同时灭菌的一种灭菌方式。菌方式。n 2操作过程：操作过程：空罐准备：清洗、检修和检测。空罐准备：清洗、检修和检测。升温：把培养基加热到灭菌所需的温度。升温：把培

9、养基加热到灭菌所需的温度。保温维持：在灭菌温度下保持灭菌所需时间。保温维持：在灭菌温度下保持灭菌所需时间。冷却保压：把培养基的温度降低到接种的温度。冷却保压：把培养基的温度降低到接种的温度。温度随灭菌时间的变化温度随灭菌时间的变化三路进汽：三路进汽：直接蒸汽直接蒸汽从通风、取样和出料从通风、取样和出料口进入罐内直接加热，口进入罐内直接加热，直到所规定的温度，直到所规定的温度，并维持一定的时间。并维持一定的时间。这就是所谓的这就是所谓的“三路三路进气进气”。*四路出汽：四路出汽：直接蒸汽直接蒸汽从排气、接种、进料从排气、接种、进料和消沫剂管排气和消沫剂管排气分批灭菌设备示意图分批灭菌设备示意图n

10、 三）连续灭菌三）连续灭菌(continuous sterilization)1定义：将培养基通过专门设计的灭菌器，进行连定义：将培养基通过专门设计的灭菌器，进行连续流动灭菌后，进入预先灭过菌的发酵罐中的灭菌续流动灭菌后，进入预先灭过菌的发酵罐中的灭菌方式。方式。 2流程：流程： 1)由热交换器组成的灭菌系统由热交换器组成的灭菌系统 2)蒸汽直接喷射型的连续灭菌系统蒸汽直接喷射型的连续灭菌系统 3）由连消塔、维持罐和喷淋冷却组成的灭菌系统）由连消塔、维持罐和喷淋冷却组成的灭菌系统 由热交换器组成的灭菌系统工艺流程图由热交换器组成的灭菌系统工艺流程图温度随时间的变化温度随时间的变化蒸汽直接喷射型

11、的连续灭菌系统蒸汽直接喷射型的连续灭菌系统温度随灭菌时间的变化温度随灭菌时间的变化由连消塔、维持罐和喷淋冷却组成的灭菌系统由连消塔、维持罐和喷淋冷却组成的灭菌系统三）连续灭菌与分批灭菌的比较与选择三）连续灭菌与分批灭菌的比较与选择分批灭菌分批灭菌优点：优点：1不需附加设备不需附加设备2 蒸汽利用率高蒸汽利用率高3 节约劳动力节约劳动力 缺点缺点1 培养基质量比较差培养基质量比较差2 罐的利用率低罐的利用率低3. 冷却水用量大冷却水用量大连续灭菌连续灭菌优点：优点：1 采用高温快速灭菌法采用高温快速灭菌法2可以把培养基按其性质分开灭菌可以把培养基按其性质分开灭菌3 有利于自动控制有利于自动控制4

12、 节省冷却水节省冷却水缺点缺点1 投资费用高投资费用高2 对物料要求高对物料要求高3 蒸汽用量大蒸汽用量大选择原则：选择原则： 1 培养基成份（易降解成分、液化情况等）培养基成份（易降解成分、液化情况等） 2 设备状况（冷却面积、传动装置等）设备状况（冷却面积、传动装置等） 3. 动力条件动力条件 四、高温对培养基成分的有害影响及其防止四、高温对培养基成分的有害影响及其防止 消除高温有害影响的措施消除高温有害影响的措施n（1 1）采用特殊加热灭菌法）采用特殊加热灭菌法( (连续灭菌方法）连续灭菌方法）n（2 2）对易破坏的含糖培养基进行灭菌时，）对易破坏的含糖培养基进行灭菌时，应先将糖液与其他

13、成分分别灭菌后再合并；应先将糖液与其他成分分别灭菌后再合并；n（3 3）对含）对含Ca2+或或Fe3+的培养基与磷酸盐先的培养基与磷酸盐先作分别灭菌，然后再混合，就不易形成磷作分别灭菌，然后再混合，就不易形成磷酸盐沉淀；酸盐沉淀；n（4 4）对含有在高温下易破坏成分的培养基）对含有在高温下易破坏成分的培养基（如含糖组合培养基）可进行低压灭菌（如含糖组合培养基）可进行低压灭菌 第三节第三节 空气除菌空气除菌n一、无菌空气的要求一、无菌空气的要求 n1 .空气中的微生物空气中的微生物 空气中的微生物种类以细菌和细菌芽空气中的微生物种类以细菌和细菌芽孢孢较多，较多，也有酵母，霉菌也有酵母，霉菌孢子孢

14、子和病毒。和病毒。 这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰这些微生物大小不一，一般附着在空气中的灰尘上或雾滴上，空气中微生物的含量一般为尘上或雾滴上，空气中微生物的含量一般为10103 310104 4个米个米3 3。 灰尘粒子的平均大小约灰尘粒子的平均大小约0.6m0.6m左右，所以空气左右，所以空气除菌主要是去除空气中的微粒除菌主要是去除空气中的微粒(0.6-1m (0.6-1m ）第三节第三节 空气除菌空气除菌n一、无菌空气的要求一、无菌空气的要求 n无菌空气的标准无菌空气的标准 百分数：百分数：99.99美国联邦宇航局等级标准：美国联邦宇航局等级标准：100级（直径小于级（直径小于0

15、.5微米粒子数少于微米粒子数少于3.5个个/L）温度：温度：25 40 湿度：湿度：30%45% 1. 纤维或颗粒介质填充床过滤器：纤维或颗粒介质填充床过滤器：棉花、玻璃纤维、腈纶、涤纶、棉花、玻璃纤维、腈纶、涤纶、维尼纶或活性炭等维尼纶或活性炭等 2.折叠式硼硅酸超细纤维过滤器：折叠式硼硅酸超细纤维过滤器：超细玻璃纤维超细玻璃纤维 3.烧结金属、陶瓷过滤器烧结金属、陶瓷过滤器 n二二 介质除菌：介质除菌：原理：过滤介质填充到过滤器中，空气流过时借助惯原理：过滤介质填充到过滤器中，空气流过时借助惯性碰撞、阻截、扩散、静电吸附、沉降等作用将尘埃性碰撞、阻截、扩散、静电吸附、沉降等作用将尘埃微生物

16、截留在介质中，达到除菌的目的。微生物截留在介质中，达到除菌的目的。主要设备：填充床过滤器主要设备：填充床过滤器发酵生产中制备无菌空气的大致过程发酵生产中制备无菌空气的大致过程 介质除菌介质除菌 高空取气管高空取气管是远离地面几十米的管子。一般而言，地面附近空气中所含的 微生物和灰尘等均比高空空气中含的多，据资料介绍，每升高10米，空气中杂菌可降低一个数量级，因此从高空取气要比从低空取气有利得多。 两级分离、冷却、加热的空气除菌流程级分离、冷却、加热的空气除菌流程 粗过滤器粗过滤器压缩机压缩机 贮罐贮罐冷却器冷却器 丝网分离器丝网分离器 过滤器过滤器 高效前置过滤器高效前置过滤器压缩机压缩机贮罐贮罐冷却器冷却器 丝网分离器丝网分离器加热器加热器过滤器过滤器 三三 膜过滤（绝对过滤）膜过滤（绝对过滤） 原理：利用微孔滤膜（原理：利用微孔滤膜（microporous membrane）对空气进行过滤，膜的孔）对空气进行过滤，膜的孔径径0.2-0.45微米，大于这一孔径的微生物微米，大于这一孔径的微生物能绝对截留。能绝对截留。膜过滤器膜过滤器 ：聚四氟乙烯、偏聚二氟乙烯、：聚四氟乙烯、偏聚二氟乙烯、聚丙烯、纤维素脂膜等聚丙烯、纤维素脂膜等41 结束语结束语