4微生物工程第四章发酵工业的无菌技术ppt课件

1、第 四 章发酵工业的无菌技术.一、根本概念 二、发酵工业污染的防治战略三、发酵工业的无菌技术四、培育基及设备管道灭菌 五、空气除菌本章内容.灭菌(sterilization):用化学或物理方法杀死物料或设备中一切生命物质的过程。消毒(disinfection):用物理或化学方法杀死空气、地表以及容器和器具外表的微生物。 除菌(degermation): 用过滤方法除去空气或液体中的微生物及其孢子。 防腐(antisepsis): 用物理或化学方法杀死或抑制微生物的生长和繁衍 。一、根本概念.消毒与灭菌的区别消毒：外表微生物，只能杀死营养细胞杀菌：一切生命体消毒与灭菌在发酵工业中的运用消毒：发酵

2、车间环境、设备、器具的无菌处置灭菌：培育基等物料的无菌处置.一污染的危害二杂菌污染的防治 二、发酵工业污染的防治战略.耗费营养；合成非目的产物，菌体自溶、发粘等呵斥分别困难等；改动体系pH值；杂菌分解目的产物；噬菌体对细菌发酵破坏极大。一污染的危害1.染菌的不良后果.A细菌谷氨酸：发酵周期短，培育基不太丰富，较少染杂菌，但噬菌体要挟大。肌苷：缺陷型消费菌，培育基丰富，易染菌，营养成分迅速被耗费，严重抑制菌生长和合成代谢产物。2.染菌危害的详细分析1染菌对不同菌种发酵的影响.B. 霉菌PenG：青霉素水解酶上升，PenG迅速破坏，发酵一无所获。柠檬酸：pH2.0，不易染菌，主要防止前期染菌。C.

3、 酵母菌易污染细菌以及野生酵母菌 D. 疫苗无论污染的是活菌、死菌或内外毒素，都应全部废弃。.青霉素：怕染细短产气杆菌链霉素：怕染细短杆菌、假单孢杆菌和产气杆菌四环素：怕染双球菌、芽孢杆菌和荚膜杆菌柠檬酸：怕染青霉菌肌苷酸：怕染芽孢杆菌谷氨酸：怕染噬菌体，易呵斥延续污染常见发酵产品容易污染的杂菌：.种子扩展时期染菌 灭菌后弃去发酵前期染菌 应迅速重新灭菌，补充必要的营养成分，重新接种2不同发酵时期染菌对发酵的影响.发酵中期染菌 挽救困难，应早发现，应根据各种发酵的特点和详细情况尽快处置 。 抗生素发酵 输入正常发酵的另一罐发酵液. 柠檬酸发酵 a. 污染细菌：加大通风，加速产酸；参与盐酸等条p

4、H3.0以下，抑制细菌 b. 污染酵母：参与0.0250.035g/L CuSO4抑制酵母；通风加大，加速产酸。 c.染黄曲霉：参与另一罐将近发酵成熟的醪液，pH下降，黄曲霉自溶。 d.青霉菌：在pH很低下可以生长。提早放罐。.发酵后期污染染菌量不太多，可继续发酵污染严重，那么提早放罐杀菌剂的添加：前期无必要，添加本钱； 发现后参与，效果要详细评价.丝状菌发酵被产酸菌污染：pH不断下降，菌丝大量自溶，发酵液粘度黏度添加，过滤困难 处置方法：将发酵液加热后再加助滤剂； 先加絮凝剂使蛋白质凝聚后沉淀杂菌分泌较多蛋白质杂质时，使水相和溶媒之间极易发生乳化。3杂菌污染对发酵产物提取和产质量量的影响杂质

5、增多，黏度增大，产生泡沫等.显微镜检查法平板划线培育或斜面培育检查法肉汤培育检查法 发酵过程的异常景象判别溶解氧程度异常变化pH异常变化尾气中CO2异常变化其他异常景象黏度、泡沫、颜色等二杂菌污染的防治1. 染菌的检查与判别.12.主要缘由： 种子带菌 空气带菌 设备渗漏 灭菌不彻底 操作失误 技术管理不善2. 污染缘由分析.从污染杂菌的种类分析；从污染时间进展分析；从染菌的程度进展分析。污染缘由分析方法：.1种子带菌的防治 培育基及器具彻底灭菌防止菌种在移接过程中受污染防止菌种在培育及保藏过程中污染3. 杂菌污染的途径及其预防.2过滤空气带菌及其防治正确选择采气口 高处采气、前置粗过滤器设计

6、合理的空气预处置流程 减少含油量和湿度设计和安装合理的空气过滤器 介质选择.3设备的渗漏或“死角呵斥的染菌及其防治设备的渗漏染菌：发酵设备、管道、阀门的破损等而引起的污染。“死角：蒸汽不能到达预定的灭菌部位或该部位的冷空气不能在加热过程中排净。发酵罐的“死角管道安装不当或配置不合理构成“死角. 常出现“死角的地方：衔接点：法兰、内衬、接口、表头、联轴器、小部件：罐内部件及其支撑件如搅拌轴拉杆、冷却盘管、挡板、空气分布管及其支撑件口：人孔或手孔、排风管接口、灯孔、视镜口、进料管口.灭菌时蒸汽不易通达的“死角及其消除方法.发酵罐罐底脓疱状积垢呵斥“死角 .法兰衔接不当呵斥的“死角 .4培育基与设备

7、灭菌不彻底的防治5操作不当呵斥染菌 6噬菌体染菌及其防治原料性状的影响 灭菌时温度和压力不对灭菌过程中产生的泡沫呵斥染菌延续灭菌维持时间不够或压力动摇大 灭菌后期的罐压骤变冷却负压 .采取哪些措施可以坚持无菌发酵？物料、培育基、中间补料都要灭菌；发酵设备及辅助设备空气过滤安装、各种发酵罐进出口衔接安装和管道要灭菌彻底；好氧发酵通入的空气要除菌；种子无污染；接种无菌操作过关；为了坚持发酵的长期无菌形状，需维持一定的正压。.三、发酵工业的无菌技术灭菌方法干热灭菌法 湿热灭菌法 射线灭菌法 化学药剂灭菌法过滤除菌法火焰灭菌法 .四、发酵培育基及设备管道灭菌一湿热灭菌原理 二分批灭菌实罐灭菌 三延续灭

8、菌连消四发酵培育基及设备管道灭菌技术.定义：微生物对热的抵抗力称为热阻，即指微生物在某一特定条件下温度的致死时间。相对热阻：指某一微生物在某一条件下的致死时间与另一微生物在一样条件下的致死时间之比。一湿热灭菌原理1.微生物的热阻致死温度 致死时间.在一定温度下，微生物受热致死遵照分子反响速度实际，微生物受热死亡的速率-dN/dt与任何瞬间残留的活菌数N成正比，即： k ：比死亡速率常数。k，热阻, t 当Nt=0时， t=， 既无意义，也不能够。 普通采用Nt=0.001，即1000次中只需一次失败2.湿热灭菌的对数残留定律.大肠杆菌在不同温度下的残留曲线嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢在不同温度下的死亡

9、曲线 .某些微生物受热死亡的速率不符合对数残留定律：如一些微生物芽孢。 Nt/N0=kR/(kR-kS) exp(kst)-ks/kR exp(-kRt) NR：耐热性活芽孢数；Ns：敏感性活芽孢数 ND：死亡的芽孢数； N0：初始活芽孢数。 kR：耐热性芽孢的比死亡速率； ks：敏感性芽孢的比死亡速率；3.非对数残留定律.在T一样时，对数与非对数定律的灭菌时间t不同。.微生物死亡与培育物质受热破坏都可看作一级反响：式中C：对热不稳定物质的浓度；k：分解速度常数； k的变化也遵照阿累尼乌斯方程： 都与相应的活化能及T有关4. 灭菌温度和时间的选择.当T1 T2 (k2/k1)/(k2/k1)=

10、E/E1 (EE 表4-4 p68) 随着T上升，菌死亡速率添加倍数大于培育基成分分解速率添加倍数，故普通选择高温快速灭菌 表4-5。.1培育基成分营养物质类型油脂、糖类及一定浓度的蛋白质、高浓度有机物等添加微生物的耐热性。NaCl含量：低浓度1%-2%对微生物有维护作用；高浓度8%-10%以上减弱微生物的耐热性。5. 影响培育基灭菌的其它要素.2培育基pHpH6.0-8.0，微生物最耐热，pH 液体培育基4泡沫泡沫中的空气构成隔热层，对灭菌极为不利。5培育基中的微生物数量微生物多芽孢杆菌，灭菌时间长.夹套或蛇管排冷水，开启排气管阀，空气管通蒸汽，也可夹套内通蒸汽达70左右取样管放料管通蒸汽1

11、20，1105pa保温保温阶段，凡液面以下各管道都应通蒸汽，液面上其他各管道那么应排蒸汽，不留死角，维持压力、温度恒定罐压接近空气压力向罐内通无菌空气保温终了，依次封锁各排汽、进汽阀门夹套或蛇管中通冷水 培育基降温到所需温度二分批灭菌实罐灭菌1.灭菌工艺过程空气过滤器灭菌并用空气吹干.灭菌的可靠性主要在保温阶段进展，可以简单地利用公式 4-3 粗略估算灭菌所需时间。2. 灭菌时间的估算.例1：有一发酵罐内装40m3培育基，在121温度下实罐灭菌，原污染程度为每1ml有2105个耐热细菌芽孢，知121时灭菌速度常数k=1.8min-1，求灭菌失败机率为0.001时所需时间。 解：N0=40106

12、2105=81012(个) Nt=0.001(个) k=1.8(min-1) (Nt/N0)=-kt t=2.303/klg(N0/Nt)=2.303/1.8lg(81015) =20.34(min) 由于升温阶段就有部分菌被杀灭，实践保温阶段时间比计算值要短。.工艺流程喷淋冷却延续灭菌流程放射加热延续灭菌流程 薄板式换热器延续灭菌流程 灭菌时间的计算 (Ct/C0)=kt t=2.303/klg(C0/Ct) 式中：C0、Ct分别为单位体积培育基灭菌前、后 的含菌数3.延续灭菌连消.例2某发酵罐内装40m3培育基，采用延续灭菌，灭菌温度为131，原污染程度为每1ml含有2105个杂菌，知13

13、1 时灭菌速度常数为15min-1，求灭菌所需的维持时间。延续灭菌时间的估算解：C0=2105(个/ml) Ct=0.001/(40106)=2.510-11(个/ml) t=2.303/klg(C0/Ct)=2.303/15lg(2105)/(2.510-11) =2.37 min.喷淋冷却延续灭菌流程.放射加热延续灭菌流程.薄板式换热器延续灭菌流程.延续灭菌的优点：高温短时，营养成分破坏少，发酵产率高；发酵罐利用率高； 蒸汽负荷平衡； 采用板式换热器时，可节约大量能量；适宜采用自动控制，劳动强度小；可实现将耐热性物料和不耐热性物料在不同温度下分开灭菌，减少营养成分的破坏。分批灭菌与延续灭菌

14、的比较适用于大型罐.延续灭菌的缺陷：对小型罐无优势，不方便，对设备要求高；蒸汽动摇时灭菌不彻底；当培育基中含有固体颗粒或有较多泡沫时，以分批灭菌好，可防止灭菌不彻底。.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育基中固体物质含量较多时更为适宜分批灭菌的优缺陷：缺陷营养成分破坏较大灭菌过程中蒸汽用量变化大，呵斥锅炉负荷动摇大。普通只限于中小型发酵安装。.1、种子罐、发酵罐、计量罐、补料罐等的空罐灭 菌及管道灭菌；2、空气总过滤器和分过滤器灭菌 ；3、种子培育基实罐灭菌； 4、发酵培育基实罐灭菌； 5、发酵培育基延续灭菌； 6、补料实罐灭菌。 4. 发酵培育基及设备管道灭菌技术温度维持时间

15、程序.空气除菌的必要性 好氧发酵需大量空气，空气带菌是发酵染菌的主要缘由之一。五、空气除菌辐射杀菌、加热杀菌、静电除菌、过滤除菌一空气除菌方法.辐射杀菌：超声波、高能阴极射线，x射线、射线、射线、紫外线(2265 3287 )加热杀菌：加热方法可用蒸汽、电和空气紧缩机产生的热量 静电除菌：常用于干净任务台、干净任务室所需无菌无尘空气的第一次除尘，配合高效过滤器运用。过滤除菌：采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物而获得无菌空气。空气除菌方法.流程主要设备：空气紧缩机 、空气过滤器 附属设备：粗过滤器、气液分别器、空气贮罐、空气冷却器 二空气过滤除菌1. 对空气过滤除菌流程的要求.根据地

16、理、气候环境和设备条件综合思索 环境污染较重，要思索改动吸风的条件；暖和潮湿的南方，要加强除水设备 ；加强消除油雾的污染紧缩机耗油，可采用无油光滑的往复式紧缩机；配备前置粗过滤器及空气贮罐。紧缩空气相对湿度=50%60%经过过滤器为好。空气过滤除菌流程的详细要求：.空气除菌系统：冷却、分别油水、加热、过滤几种典型的设备流程 两级冷却、加热除菌流程 冷热空气直接混合式空气除菌流程高效前置过滤空气除菌流程将空气冷却至露点以上的流程利用热空气加热冷空气流程一次冷却和析水的空气过滤流程2.空气除菌流程的分析.1. 原理：除尘(外源空气的前处置)：防塞，提高过滤效率和滤器寿命； 措施：建吸风塔、粗过滤器

17、布袋过滤器、填料过滤器、油浴洗涤和水雾除尘安装等、高效前置过滤器降温：防烧伤介质及水分蒸发严重，对发酵不利除油、除水：防塞因油膜堵，防止过滤器长菌堵塞因水滴加热：坚持相对湿度稳压：防止压力动摇，贮罐 2. 预处置流程设计的简繁关键：去湿问题三空气预处置.1-粗过滤器；2-空压机；3-贮罐；4，6-冷却器；5-旋风分别器；7-丝网分别器；8-加热器；9-过滤器 两级冷却、加热除菌流程图.1-粗过滤器；2-紧缩机；3-贮罐；4-冷却器；5-丝网分别器；6-过滤器 冷热空气直接混合式空气除菌流程图 . 利用热空气加热冷空气的流程表示图1-高空采风；2-粗过滤器；3-紧缩机；4-热交换器；5-冷却器；

18、6，7-析水器；8-空气总过滤器；9-空气分过滤器.1高空采风；2粗过滤器；3紧缩机；4冷却器；5冷却器；6空气总过滤器；7空气分过滤器将空气冷却至露点以上的流程.1高效前置过滤器；2紧缩机；3贮罐；4冷却器；5丝网分别器；6加热器；7过滤器高效前置过滤空气除菌流程图.1高空采风；2粗过滤器；3紧缩机；4冷却器；5，6析水器；7贮罐；8加热器；9空气总过滤器；10空气分过滤器一次冷却和析水的空气过滤流程表示图.空气的紧缩过程可看作绝热过程，故紧缩后的空气温度与被紧缩的程度有关： T2=T1(P2/P1)(k-1)/k 式中 T1,T2紧缩前后空气的绝对温度，K P1,P2 紧缩前后空气的绝对压

19、强，Pa k绝热指数，空气为1.4 假设紧缩为多变过程，那么可用多变指数m对于 空气m=1.2-1.3替代绝热指数k。空气紧缩和紧缩空气的冷却.例4-1：20oC的大气被紧缩至表压 2.5kg/cm2时温度是多少？ 解：T1=20+273=293k P2/P1=2.5+1.033/1.033=3.42 m=1.3 T2=T1(P2/P1)(m-1)/m=2933.420.3/1.3=389k t2=389-273=116oC.绝对湿度：1m3 湿空气中含有的水蒸气绝对量(kg)相对湿度：空气的绝对湿度与同温度下饱和绝对湿度之比值或者空气中水蒸汽分压与同温度时的饱和水蒸汽压之比值，称为空气的相对

20、湿度。 =Pw/Ps 式中：Pw空气中水蒸气分压， Pa Ps同温度下水的饱和蒸气压，Pa空气的湿含量X：1kg干空气中含有的水汽量 kg/kg干空气3. 几个与湿空气相关的重要概念. 设Gg kg干空气中含Gw kg水蒸汽时，那么 X=Gw/Gg 又Pw/Pg=nw/ng=(Gw/Mw)/(Gg/Mg) =(Gw/Gg)(Mg/Mw) Mw，Mg为水和空气分子量， P= Pw+Pg X=Gw/Gg=(PwMw)/(PgMg)=(18/28.94)(Pw/Pg) X=0.622Pw/(P-Pw) 4-24空气的湿含量X.将Ps=Pw代入式4-1中得 X=0.622Ps/P-Ps 式4-25所以

21、，知某一温度T时值，便可求得X。 当X一定时，T1T2，导致12 ，那么X1=0.6221Ps1/(P1-1Ps1)X2=0.6222Ps2/(P2-2Ps2)X1=X2 2=1(PS1/PS2)(P2/P1) 式4-261与X的关系.当X发生变化，即有水析出时，X降低，此时 2=100%， 定义：当=1时，空气中水蒸气已饱和，此时温度称为露点Td。当TP1) 紧缩比 愈大，露点愈高思索题答案：Ps同温度下水的饱和蒸气压，Pa.设析出水后，在升温阶段X=0，可以求出析水后应升温到多少度才干满足相对湿度坚持50-60%？根据式4-26 后= dPsd/Ps后 Ps后= dPsd/ 后 Ps后T后

22、加热后空气的温度.四空气预处置流程设计.例4-2：温度20、=85%的空气，当紧缩至2.0kg/cm2时，温度为120，求此时空气相对湿度是多少？假设在压力不变的情况下将温度冷却至40后，求相对湿度又是多少？ 知：20时，Ps1=0.0238 kg/cm2, 120时，Ps2=2.025 kg/cm2 ，40时，Ps3=0.0752 kg/cm2 解：120时，相对湿度为 40时，相对湿度为.例4-3：假设将例4中空气继续冷却，至水析出，求露点td？假定压力不变 解：知4100%，X一定，P一定由所以查蒸汽压表，0.059 kg/cm2饱和蒸汽压对应温度td35。所以，当t35，继续冷却时，有

23、水析出。 .例4-4：假设将例5中的空气冷却至28压力不变，求其湿含量为多少？并求每公斤干空气将析出多少水分？知：28时，Ps50.0385 kg/cm2解： 而最初 所以，每公斤干空气将析出水分： XX1-X50.0124-0.00800.0044水.例4-5：假设将例6中空气加热至38 时，求其6？ 38 时，Ps60.0675 kg/cm2解：升温时X不变，56时值下降 也可根据X6X50.0080 不变，由 得.棉花玻璃纤维活性炭 超细玻璃纤维纸 石棉滤板 烧结资料过滤介质 新型过滤介质 五空气过滤介质.深层棉花、活性炭过滤器的构造 .烧结资料类介质 烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料等.新

24、型过滤介质.六空气过滤除菌原理.按照过滤除菌机理不同，过滤除菌分为：1、绝对过滤：尘埃或M直径过滤介质孔径2、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。空气过滤除菌的原理 1. 布朗分散作用 2. 拦截作用 4. 重力沉降 3. 惯性碰撞 5. 静电吸引. 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添加而上升 当气流速度较小时，布朗分散起主要作用， 除菌效率随气流速度添加而降低 当气流速度中等时，拦截起主要作用 当气流速度过大时，已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带前往气流中，除菌效率下降.减少进口空气的含菌数量； 主要方法：正确选择进风口；提高进口空气的采气位置；采用粗过滤预处置。 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。针对不同地域，设计合理的空气预处置工艺流程，以到达除油、水和杂质的目的 。七提高过滤除菌效率的措施.降低进入空气过