发酵工程第2讲

3.1.2分批灭菌的操作过程：a.培养基的预热：灭菌培养基需先加热到80—90℃

，然后再导入蒸汽升温灭菌。预热目的是防止蒸汽直接导入培养基温差大，导致大量冷凝水，稀释了培养基；防止直接蒸汽导入引起泡沫急剧上升而溢料。预热方法是先将各排气阀打开，将蒸汽引入夹套或蛇管进行预热，等罐温升到80—90℃

，将排气阀逐渐关小。b.将蒸汽从进气口、出料口、取样口直接导入罐内同

时开排气管排气阀、补料管排气阀、接种管排气阀、消沫剂管排气阀，各路进、排气要通畅（三进四出），罐内液体翻动要剧烈，以使物料温度均一。

c.排气量不宜过大，以节约蒸汽用量。d.罐温上升到120℃—130℃

，罐压105Pa，保温30分e.灭菌将要结束时，立即用无菌空气保压（注意此时罐内压力必须低于过滤器压力，否则将出现培养基倒流），再开冷却水降温待种，以防罐压迅速下降产生负压而吸入外界空气。3.2连续灭菌（连消）连续灭菌即培养基在发酵罐外经过一套连续灭菌设备，以比分批灭菌高的温度和较短的时间进行快速连续加热灭菌，并快速冷却，再立即输入预先经过空罐灭菌后的发酵罐中。

3.2.1喷淋冷却连消流程培养液预热：待灭菌的培养液预热到60℃—75℃

。连续灭菌：由连消泵送到连消塔式底，料液在此被加热到灭菌温度，由顶部流出，一般控制培养基输入连消塔的速度<0.1m/min，温度132℃

，在塔内的停留时间为20—30s。维持灭菌温度：连消后料液再输入维持罐保温一定时间。在生产实际中，一般维持5—8min。

理论维持时间由t=2.303/k（lgN

0/Ns）式求出。冷却：料液经喷淋冷却器冷却到生产要求的温度。进入预先经过空罐灭菌后的发酵罐中。

3.2.2真空冷却连消流程由于负压培养基本身产生大量二次蒸气被抽出，消耗了大量热量，醪温迅速冷却。3.2.3板式换热器连消流程优点：结构紧凑，传热效率高，应用范围广。波纹板分A、B两种，板片组装是，A片和B片交替排列，各板片之间形成狭窄的网状流体通道，板片上的4个角孔，形成流体的分配管和汇集管。密封垫片把冷、热两流体分开，在板片的两面，冷、热两流体分别流入各通道，在流动中两种流体通过板片换热。波纹板采用0.6～12mm厚的不锈钢、纯钛或钛合金板材薄片冲压而成，热交换能力很强。波纹板的波纹结构，使液体在板间流动能不断改变方向和速度，形成剧烈的喘流，提高热交换能力。其传热系数在同等条件下比一般钢管壳式传热器高3～5倍，对低粘度的液体，传热可达6000W/（m2·k）。

3.3连续灭菌与实罐灭菌的比较实罐灭菌：无需专用设备，培养基受热时间长，营养易破坏。对蒸汽的要求不是太高。连续灭菌：营养成分破坏少，适宜大规模生产，易于自动化控制，对蒸汽的要求高。3.4连续灭菌的主要设备

喷嘴式连消塔套管式连消塔

4影响培养基灭菌的其他因素实际灭菌中，除了杂菌的种类，数量，灭菌的温度和时间外，培养基的成分，pH值，培养基中颗粒与泡沫等对培养基灭菌也有影响。4.1pH值培养基中氢离子浓度直接影响灭菌的效果。培养基的酸度越大，所需杀灭微生物的温度越低，时间越短，pH值6-8时微生物最耐热。4.2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。4.3泡沫：灭菌应避免产生泡沫，因为泡沫能形成隔层，使热量难以传递，不易达到微生物致死温度。4.4培养基的物理状态：牛顿型培养基（细菌、酵母），非牛顿型培养基（放线菌、霉菌）固体培养基比液体培养基灭菌时间长，液体的传热效率高。4.5微生物细胞中水含量：在一定范围内，微生物细胞含水量越多，则蛋白质的凝固温度越低。4.6微生物的菌龄：年老细胞对不良环境的抵抗力比年轻细胞强，这与细胞中蛋白质的含水量有关，年老细胞中水份含量低。4.7微生物的耐热性：细菌的营养体、酵母、霉菌的菌丝体对热较为敏感，而放线菌、霉菌孢子比营养细胞的抗热性强，细菌的芽孢抗热性更强。4.8培养基中微生物的数量4.9空气的排除4.10搅拌第五章无菌空气的制备发酵工业大多数是利用好氧微生物进行纯种培养，通常以空气作为氧源，空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物，空气中一般有103~104个/m31

空气除菌的方法1.1加热灭菌加热灭菌是一种有效可靠的灭菌方法，可以用蒸汽、电能、空气压缩过程产生的热量进行灭菌。但采用蒸汽或电能加热大量的空气，即不经济又不安全，不适宜于工业化大生产。

1.2

辐射杀菌X射线、γ射线、紫外线、超声波等从理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。但通常用于无菌室和医院手术室等空气对流不大的环境，不适应发酵大生产使用。

1.3

静电除菌静电除菌是利用静电引力吸附带电粒子而达到除菌除尘目的，悬浮在空气中的微生物其孢子大多带有不同的电荷，没有带电的粒子在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒，在捕集区被吸附除去。该方法对很小的微粒效率较低，此外一次性投资费用较大。。1.4过滤除菌法深层过滤除菌是目前发酵工业生产中最常用的空气除菌方法，它采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过空气中所包含的微生物，从而获得无菌空气。常用的介质：一类其孔隙大于微生物，故必须有一定的厚度才能达到过滤除菌的目的，另一类介质的孔隙小于微生物，称为绝对过滤介质。前者有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）、膜材料等。后者如微孔超滤膜等。

1.4.1

过滤除菌法的原理微粒随着空气流通过过滤层时，过滤层所形成的网格阻碍气流前进，使气流无数次的改变运动速度和运动方向而绕过纤维前进，这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性拦截、重力沉降、布朗扩散、

静电吸引等作用把微粒在滞留在纤维表面。气流的临界速度一般为：

0.4m~3m/s

1.4.2

过滤介质过滤介质是过滤除菌的关键，常用的过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、超细玻璃纤维纸、化学纤维等。介质过滤效率η是K、L的函数

η=1-e-kl

K—过滤常数L—滤层厚度，K值越大L可越小。优良的介质过滤效率η高，同时阻力降Δp越小越好，因此KL/Δp的值是过滤介质综合评价指标。

a.棉花（原棉）棉花的纤维直径一般为16～21μm

，重量约1500kg/m3。装填时要分层均匀，最后要压紧，装填密度以150～200kg/m3为好。b.玻璃纤维直径一般为8～19μm

，重量约为2600kg/m3。纤维直径越小强度越小，装填系数不宜太大，一般在6%～10%，其阻力损失一般比棉花小。如果采用硅硼玻璃纤维，可得直径0.3～0.5μm的高强度纤维，一般制成2—3mm厚的滤材，装填过滤器，可用于去除噬菌体和所有的微生物。c.活性炭活性炭有非常大的比表面积，主要通过表面吸附作用吸附截留微生物。一般为直径为3mm、长5～10mm的圆柱状。其空气阻力较小，仅为棉花的1/12，但过滤效率比棉花低得多。目前，一般将活性炭夹装在两层棉花中使用，以降低滤层的阻力。它的用量一般为总过滤层的1/3～1/2。d.超细玻璃纤维纸超细玻璃纤维纸是利用质量较好的无碱玻璃，采用喷吹法制成的直径很小的纤维（直径为1～1.5μm

）。由于其纤维直径太小，不宜散装填充，一般采用造纸的

方法将超细玻璃纤维制成0.25～

1mm厚的纤维纸。目前，国内大多采用多层叠合超细玻璃纤维纸（8～

10层），可增加强度但过滤效果无显著提高，因滤层间无空气重新分布的空间。传统超细玻璃纤维纸强度、抗湿性能差，现研制出JU型除菌滤纸，可以耐油、水和蒸汽的反复加热杀菌，过滤效率更高，阻力更低。

e.烧结材料包括烧结金属（蒙乃尔合金、青铜等）、烧结陶瓷、烧结塑料等。一般孔隙在10～30μm之间。目前我国生产的蒙乃尔合金烧结板或管由钛、锰等合金粉末烧结而成。强度高，使用寿命长，耐受高温反复杀菌。孔径随粉末大小和烧结工艺情况而变化，一般为5～15μm

，过滤效果中等。适用于二级分过滤器。

烧结聚合物，如聚乙烯醇（PVA）过滤板。

f.新型过滤介质

MiliPore公司的0.22μm

的膜式过滤器，用可耐蒸汽杀菌的膜材PVDF（聚偏氟乙烯）和PTFE（聚四氟乙烯）制成。这种过滤器可除去全部细菌等微生物，但不能除去噬菌体。

英国的DH公司研制的绝对空气过滤器，可100%除去0.01μm

以上的微粒。它有两种过滤介质，一种是直径为0.5μm

的超细玻璃纤维（称Bio-x滤材），而另一种是膨化PTFE。

我国在空气绝对过滤技术上获得长足的进步，由核工业净化过滤工程技术中心研制的JPF型聚偏二氟乙烯膜折叠式空气过滤器。JLS型微孔烧结金属过滤器以金属镍为材料，采用特殊微末冶金技术制成，有JLS-D，Y，W三种，以上二种空气过滤器具有国际水平。

2无菌空气制备的工艺流程两级冷却、两级分离的空气除菌流程空气粗过滤空压机列管冷却器旋风分离器储气罐列管冷却器去雾器总过滤器分过滤器空气进罐

旋风分离器1.法兰2.进出口节管

3.壳体4.列管

5.封头6.进出口管列管式冷凝器按材质分为碳钢列管式冷凝器，不锈钢列管式冷凝器和碳钢与不锈钢混合列管式冷凝三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单程、双管程和多管程，传热面积为0.5-500m2。总过滤器纤维、颗粒介质深层过滤器（总空气过滤器）空气过滤器的尺寸主要包括直径D和有效滤层高度L。其中，

D=4qv/πvs式中qv—空气流经过滤器时的体积流量m3/s

vs—空截面空气速度，m/s工厂常用棉花、活性炭作为过滤器的介质，棉花以纤维2～

3cm的原棉，填充密度130～150kg/