第3章 灭菌与空气净化

3.2
空气净化
一、空气净化的方法 1 加热灭菌 2 静电除尘 3 介质过滤除菌
二、 空气过滤除菌的原理和介质 按照过滤除菌机理不同，过滤除菌分为： 绝对过滤：尘埃或M直径＞过滤介质孔径 相对过滤：尘埃或M直径＜过滤介质孔径 这种相对过滤又称为深层介质过滤。 1、空气过滤除菌的原理 （1） 布朗扩散作用 （2） 拦截作用 （3） 惯性碰撞 （4） 重力沉降 （5） 静电吸引
①棉花 ②玻璃纤维 ③活性炭 这类过滤介质对0.3μm以下的颗粒过滤效率 仅为99%，难以满足工业发酵的无菌要求，需多 次过滤。 缺点：体积大，占用空间大，操作困难，装 填介质费时费力且松紧度不易掌握，空气压力降 大，介质灭菌和吹干耗用大量的蒸汽和空气。
深 层 棉 花 、 活 性 炭 过 滤 器 的 结 构
将两式相除并取对数得： (1)
同样，灭菌时培养基营养成分的破坏也 可得类似关系：
(2)
将式（1）和式（2）相除得：
由于杀死细菌芽孢的活化能E大于营养成
分破坏的活化能E‘，因此
>
，即
随温度升高，灭菌速率常数增加的倍数大于
营养成分破坏速率常数增加的倍数，也就是
说温度升高，杂菌死亡速率大于培养基成分 破坏的速率。
连续灭菌的流程有3种：
（a)喷射加热连续灭菌流程
(b) 喷淋冷却连续灭菌流程
（c）薄板换热器连续灭菌流程
（3）固体培养基灭菌 固体培养基也和液体培养基一样，要先 蒸煮灭菌，但固体培养基呈粒状、片状或粉 状，流动性差不易翻动，吸水加热容易成团， 冷却困难。针对这些特点设计的转鼓式灭菌 机常用于酒厂、酱油厂。该设备能承受一定 压力，装料后旋紧进出口盖，就如同密封容 器。转鼓以0.5～1r/min徐徐转动，培养基得 到翻动，蒸汽沿轴心通入加热培养基，达到 一定温度后进行保温灭菌。灭菌完毕用真空 泵沿空心轴抽真空，转鼓内压力降低，培养 基冷却。
达到相同的灭菌效果，提高灭菌温度可明 显缩短灭菌时间，并减少培养基营养成分的破 坏，这就是通常说的“高温短时灭菌法”。如 将芽孢杆菌和维生素B2放在一起灭菌，当温度 维持118℃加热15min，可杀死99.99%的细菌 芽孢，维生素B2破坏率为10%；而在120℃时 加热1.5min，细菌芽孢死亡率仍为99.99%，而 维生素B2破坏率为5%。
2、微生物的热死规律——对数残留定律 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力 学，即： （1 ）
N：任一时刻的残留的活菌数（个）
t：灭菌时间（min）
K：反应速率常数（min-1）
取边界条件t0=0，N=N0，对（1）积分得
式中：N0为开始灭菌时原有活菌数（个）， Nt为经过t时间灭菌后的残留菌数（个） K为反应速率常数（min-1）
2、培养基的灭菌方法 （1）分批灭菌 也称实消、实罐灭菌、间歇灭菌，是 指将配制好的培养基输入发酵罐内，直接 通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行灭 菌的操作过程 。
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。
（2）连续灭菌
也称连消，指培养基在发酵罐外经 过一套灭菌设备连续的加热灭菌，冷却 后送入空消后的发酵罐的灭菌法。
1、干热灭菌法 2、湿热灭菌法 3、射线灭菌法 4、化学药剂灭菌法 5、过滤除菌法
3.1.2 湿热灭菌原理
1、微生物的热阻 致死温度：杀死微生物的极限温度 致死时间：在致死温度时，杀死全部微生 物所需的时间 热阻：指微生物在某一特定条件（温度和 加热方式）下的致死时间
表3-1 几种微生物对湿热的相对抵抗力 微生物名称 大肠杆菌 细菌芽孢 霉菌孢子 病 毒 相对抵抗力 1 3 000 000 2～10 1～ 5
由上式可知灭菌时间取决于污染程度N0、灭 菌程度Nt和K值 。 ①一般只考虑细菌的芽孢作为计算依据。 ②如果要求达到彻底灭菌，即Nt＝0则所需灭菌 时间t ∞，这在实际生产上不可行。在实际设 计时常采用Nt＝0.001，即在1000批次灭菌中有 一次失败。 ③反应速率常数K是微生物耐热性的一种特征， 它随微生物种类和灭菌温度而异。相同温度下， K值越小则微生物越耐热。同一种微生物在不同 灭菌温度下，K值不同。灭菌温度越低，K值越 小；灭菌温度越高，K值越大
第3章
3.1 灭菌
灭菌与空气净化
灭菌：用物理或化学方法杀死或除去物料或 设备中所有微生物，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空气、容器内外 及环境中的微生物，一般只能杀死营养 细胞。
除菌：用过滤的方法除去空气或液体中的 微生物及其孢子。
3.1.1 发酵工业常用的灭菌方法
（2）过滤纸类介质
① 超细玻璃纤维纸：这类介质过滤效果较好， 对空气的阻力和压力降较小。缺点是强度不够， 特别是受潮后强度更差。 ②石棉滤板：优点是湿强度大，受潮时不易穿 孔或折断，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间长。 缺点是由于纤维直径大，过滤效率不高，只适 用于空气分过滤器。 ③滤棒：
3. 烧结材料类介质
四、提高过滤效率的措施 1. 减少进口空气的含菌数量 ① 正确选择进风口 ② 提高进口空气的采风位置，即高空采风 ③ 对压缩前的空气采用粗过滤处理 2. 设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌 效率高的过滤介质 3. 针对不同地区设计合理的空气处理流程 4. 降低进入过滤器的空气相对湿度，保证过 滤介质在干燥状态下工作
4、影响培养基灭菌的其他因素 影响培养基灭菌除了所污染杂菌的种 类、数量、灭菌时间和温度外，培养基成 分、pH值、培养基中颗粒、泡沫等对培养 基灭菌也有影响。 （1）培养基成分 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）pH值 培养基pH为6.0～8.0时，微生物耐热 性好，pH＜6.0时氢离子容易渗入微生物细 胞内，从而改变细胞的生理反应促使其死 亡，所以培养基的pH值越低，灭菌所需时 间越短。 （3）培养基的物理状态 颗粒小灭菌容易，颗粒大灭菌难。当 培养基中有直径大于1mm的颗粒物则明显 影响灭菌效果，蒸汽很难渗透到颗粒内部， 称为“灭菌不透”，应过滤除去。
（4）泡沫 泡沫中的空气形成隔热层，使传热困 难，热难穿透过去杀灭微生物。 （5ຫໍສະໝຸດ Baidu微生物细胞的含水量 含水越多，微生物越易死亡 （6）微生物细胞的菌龄 菌龄越老则越不易死亡 （7）空气排除情况 空气排出越彻底，微生物越易死亡
5、灭菌时间的计算
（1）分批灭菌时间的计算 【例3-1】 有一发酵罐内装40m3培养基，在 121℃进行实罐灭菌。原污染程度为每1mL 有2×105个耐热细菌芽孢，121℃时灭菌速 率常数为1.8min－1。求灭菌失败机率为 0.001时所需的灭菌时间。
3、连续灭菌与分批灭菌的比较 （1）连续灭菌的优缺点
优点 缺点 保留较多的营养质量 设备比较复杂，投 容易放大 资较大。 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。
（2）分批灭菌的优缺点
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。
第一次作业
1、什么是发酵？什么是发酵工程？ 2、简述典型好气性发酵的一般工艺流程 第二次作业 1、菌种选育具体有哪些方法？ 2、菌种保藏的原理是什么？有哪些方法？ 3、设计一个从自然界筛选产淀粉酶的高温菌 的实验方案，详细说明主要步骤。
第三次作业
1、种子扩大培养的一般流程是怎样的？ 2、影响种子质量的因数有哪些？
① 当气流速度较大时，惯性撞击起主要作用， 除菌效率随气流速度增加而上升 ② 当气流速度较小时，布朗扩散起主要作用， 除菌效率随气流速度增加而降低 ③ 当气流速度中等时，拦截起主要作用 ④ 当气流速度过大时，已被捕集的微粒又被湍 动的气流夹带返回气流中，除菌效率下降
2、空气过滤除菌的介质
（1） 纤维状或颗粒状介质
有一发酵罐，内装80 m3培养基，在 121℃温度下进行实罐灭菌。设每毫升培养 基中含有耐热菌的芽孢数为1.25×107个， 大肠杆菌为5×107个，霉菌为2.5×107 个 121℃时灭菌速率常数为0.0287s－1。试求 灭菌失败几率为0.001时所需的灭菌时间。
（2）连续灭菌时间的计算 【例3-2】 若将例3-1中的培养基采用连续 灭菌，灭菌温度为131℃，此温度下灭菌速 率常数为15min－1，求灭菌所需的维持时 间。
2、空气净化的一般流程： 空气吸气口 粗过滤器 空压机 贮罐 冷却器 分离器 加热器 总过滤器 分过滤器 无菌空气 （1）冷热空气直接混合的除菌流程
（2）高效前置过滤器除菌流程 空气吸气口 粗过滤器 高效前置过滤器 空压机 贮罐 冷却器 分离器 加热器 总过滤器
（3） 两级冷却、分离、加热的除菌流程 空气吸气口 粗过滤器 空压机 贮罐 冷却器 旋风分离器 冷却器 丝网分离器 加热器 总过滤器
因此提高灭菌温度，K值增大，灭菌时间显 著缩短。
3.1.3 培养基的灭菌
1、培养基灭菌温度和时间的选择 在化学反应的一级反应动力学类型中，当 其他条件不变时，反应速率常数与温度的关系 可用阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程表示：
由于杂菌死亡属一级动力学反应，大部分 培养基营养成分的破坏为一级分解反应。在灭 菌时，当温度由T1升到T2，灭菌速率常数K和 培养基成分破坏速率常数 K’都变化。灭菌速率 常数K值在T1、T2时分别为：
烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料等
4. 新型过滤介质
① 能除去全部M，但不能除去噬菌体的过 滤介质，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 体，主要有Bio-X滤材和膨化聚四氟乙烯
三、 空气过滤除菌的流程
1、空气的预处理： （1） 空气的粗滤 （2） 空气的压缩和稳压 （3） 压缩空气的冷却 （4） 压缩空气除油除水 （5） 压缩空气的再加热