发酵工程：4第四章 发酵工程灭菌技术.ppt

 第四章第四章  发酵工程灭菌技术发酵工程灭菌技术第一节第一节  培养基灭菌培养基灭菌第二节第二节  发酵工程培养基的过滤除菌发酵工程培养基的过滤除菌第三节第三节   空气过滤除菌空气过滤除菌第四节第四节  发酵罐废气的过滤除菌发酵罐废气的过滤除菌本章学习要点本章学习要点1、、掌握发酵工程培养基灭菌和空气除菌的原理、方法和相关掌握发酵工程培养基灭菌和空气除菌的原理、方法和相关计算设计理解培养基灭菌的残留定律和空气过滤除菌的对数计算设计理解培养基灭菌的残留定律和空气过滤除菌的对数穿透定律穿透定律2、、了解培养基灭菌和空气除菌的方法及设备流程；提高空气了解培养基灭菌和空气除菌的方法及设备流程；提高空气过滤效率措施；理解培养基连续灭菌和分批灭菌的特点及高温过滤效率措施；理解培养基连续灭菌和分批灭菌的特点及高温短时灭菌技术原理；培养基连续灭菌和分批灭菌技术的应用短时灭菌技术原理；培养基连续灭菌和分批灭菌技术的应用3、了解、了解影响培养基灭菌的因素；掌握常用空气过滤介质类型影响培养基灭菌的因素；掌握常用空气过滤介质类型和特点和特点；；理解理解L90的意义染菌的危害性染菌的危害性灭菌的方法灭菌的方法培养基灭菌的要求培养基灭菌的要求液体培养基灭菌的特点液体培养基灭菌的特点知识点：知识点：热灭菌原理热灭菌原理重点：重点：一、概述一、概述第一节第一节   培养基灭菌培养基灭菌微生物的培养过程：微生物的培养过程：                       培养基配制培养基配制→灭菌灭菌→接种接种→培养培养     工程上的灭菌是指用物理或化学因子杀灭有生活能力的细菌工程上的灭菌是指用物理或化学因子杀灭有生活能力的细菌营养体和芽孢或孢子的方法。

营养体和芽孢或孢子的方法消毒是消除病原微生物的措施消毒是消除病原微生物的措施在工业中一般都笼统地称为杀菌或灭菌工业规模的液体培在工业中一般都笼统地称为杀菌或灭菌工业规模的液体培养基灭菌，杀灭杂菌比除去杂菌更为常用养基灭菌，杀灭杂菌比除去杂菌更为常用灭菌的目的：纯种发酵灭菌的目的：纯种发酵1. 灭菌的定义灭菌的定义 用物理或化学因素除去物品上所有生活微生物的方法用物理或化学因素除去物品上所有生活微生物的方法一）灭菌的概念和必要性（一）灭菌的概念和必要性为什么要进行培养基灭菌？为什么要进行培养基灭菌？    由于生物反应系统中通常含有比较丰实的营养物质，容易由于生物反应系统中通常含有比较丰实的营养物质，容易受到杂菌污染，由于杂菌的存在，会有以下各种不良后受到杂菌污染，由于杂菌的存在，会有以下各种不良后果：果：•1)生物反应的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产生物反应的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降能力的下降 •2)由于杂菌所产生的一些代谢产物改变了发酵液的某些理由于杂菌所产生的一些代谢产物改变了发酵液的某些理化性质，使目标产物的提取困难，造成收得率降低或使化性质，使目标产物的提取困难，造成收得率降低或使产品质量下降。

产品质量下降 •3)污染的杂菌可能会分解产物，而使生产失效污染的杂菌可能会分解产物，而使生产失效 •4)发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失效发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失效2 灭菌的必要性灭菌的必要性3  工业上具体措施工业上具体措施包括：包括： 1）使用的培养基和设备须经灭菌；）使用的培养基和设备须经灭菌； 2）好氧培养中使用的空气应经除菌处理；）好氧培养中使用的空气应经除菌处理； 3）设备应严密，发酵罐维持正压环境；）设备应严密，发酵罐维持正压环境； 4）培养过程中加入的物料应经过灭菌；）培养过程中加入的物料应经过灭菌； 5）使用无污染的纯粹种子使用无污染的纯粹种子4  培养基灭菌的目的培养基灭菌的目的§杀灭培养基中的微生物，为后续发酵过程创造无菌的条件杀灭培养基中的微生物，为后续发酵过程创造无菌的条件1.化学试剂灭菌化学试剂灭菌2.电磁波、射线灭菌电磁波、射线灭菌     紫外线、阴极射线、紫外线、阴极射线、X射线、射线、γ射线射线3.加热灭菌（包括常压或蒸汽高压加热法）加热灭菌（包括常压或蒸汽高压加热法）    火焰灭菌、干热灭菌、湿热灭菌火焰灭菌、干热灭菌、湿热灭菌（二）灭菌的方法（二）灭菌的方法工业上培养基灭菌使用的方法是湿热灭菌。

工业上培养基灭菌使用的方法是湿热灭菌湿热灭菌简便、有效、经济湿热灭菌简便、有效、经济常用的化学试剂：常用的化学试剂：氧化剂：氧化剂：0.%~0.25%KMnO4溶液、溶液、0.5%~1%漂白粉溶液漂白粉溶液醇醛类：醇醛类：75%酒精、酒精、0.25%新洁尔灭、新洁尔灭、10%甲醛溶液、环氧甲醛溶液、环氧乙烷乙烷酚类：苯酚溶液、来苏尔酚类：苯酚溶液、来苏尔1. 1. 化学药物灭菌化学药物灭菌利用化学试剂对微生物的氧化作用或损伤细胞等利用化学试剂对微生物的氧化作用或损伤细胞等进行灭菌进行灭菌利用高能电磁波、紫外线或放射性物质产生的高能利用高能电磁波、紫外线或放射性物质产生的高能粒子射线穿透微生物细胞进行灭菌粒子射线穿透微生物细胞进行灭菌紫外线、阴极射线、紫外线、阴极射线、X射线、射线、γ射线射线2.2.电磁波、射线灭菌电磁波、射线灭菌高温致死原理：由于它使微生物的蛋白质和核酸等重要高温致死原理：由于它使微生物的蛋白质和核酸等重要生物高分子发生变性、破坏，例如它可使核酸发生脱氨、生物高分子发生变性、破坏，例如它可使核酸发生脱氨、脱嘌呤或降解，以及破坏细胞膜上的类脂质成分等脱嘌呤或降解，以及破坏细胞膜上的类脂质成分等。

每一种微生物都有一定的最适生长温度范围当微生物每一种微生物都有一定的最适生长温度范围当微生物处于最低温度以下时，代谢作用几乎停止而处于休眠状处于最低温度以下时，代谢作用几乎停止而处于休眠状态当温度超过最高限度时，微生物细胞中的原生质胶态当温度超过最高限度时，微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性，使微生物在很短时间内体和酶起了不可逆的凝固变性，使微生物在很短时间内死亡，加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的死亡，加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的3.3.加热灭菌加热灭菌连连巴氏灭菌法巴氏灭菌法(pasteurization)，亦称低温消毒法，冷杀菌法，是，亦称低温消毒法，冷杀菌法，是一种利用较低的温度既可杀死病菌又能保持物品中营养物质风一种利用较低的温度既可杀死病菌又能保持物品中营养物质风味不变的消毒法味不变的消毒法 巴氏灭菌法的产生来源于巴斯德解决啤酒变酸问题的努力当巴氏灭菌法的产生来源于巴斯德解决啤酒变酸问题的努力当时，法国酿酒业面临着一个头疼的问题：啤酒在酿出后会变酸，时，法国酿酒业面临着一个头疼的问题：啤酒在酿出后会变酸，根本无法饮用而且这种变酸现象还时常发生。

巴斯德受人邀根本无法饮用而且这种变酸现象还时常发生巴斯德受人邀请去研究这个问题经过长时间的观察，他发现使啤酒变酸的请去研究这个问题经过长时间的观察，他发现使啤酒变酸的罪魁祸首是乳酸杆菌营养丰富的啤酒简直就是乳酸杆菌生长罪魁祸首是乳酸杆菌营养丰富的啤酒简直就是乳酸杆菌生长的天堂采取简单的煮沸的方法是可以杀死乳酸杆菌的，但是，的天堂采取简单的煮沸的方法是可以杀死乳酸杆菌的，但是，这样一来啤酒也就被煮坏了巴斯德尝试使用不同的温度来杀这样一来啤酒也就被煮坏了巴斯德尝试使用不同的温度来杀死乳酸杆菌，而又不会破坏啤酒本身最后，巴斯德的研究结死乳酸杆菌，而又不会破坏啤酒本身最后，巴斯德的研究结果是：以果是：以50~60摄氏度的温度加热啤酒半小时，就可以杀死啤酒摄氏度的温度加热啤酒半小时，就可以杀死啤酒里的乳酸杆菌和芽孢，而不必煮沸这一方法挽救了法国的酿里的乳酸杆菌和芽孢，而不必煮沸这一方法挽救了法国的酿酒业这种灭菌法也就被称为酒业这种灭菌法也就被称为“巴氏灭菌法巴氏灭菌法” 主要原理主要原理　　在一定温度范围内，温度越低，细菌繁殖越慢；温度越高，　　在一定温度范围内，温度越低，细菌繁殖越慢；温度越高，繁殖越快。

但温度太高，细菌就会死亡不同的细菌有不同的最繁殖越快但温度太高，细菌就会死亡不同的细菌有不同的最适生长温度和耐热、耐冷能力适生长温度和耐热、耐冷能力巴氏消毒其实就是利用病原体不是很耐热的特点，用适当的温度巴氏消毒其实就是利用病原体不是很耐热的特点，用适当的温度和保温时间处理，将其全部杀灭但经巴氏消毒后，仍保留了小和保温时间处理，将其全部杀灭但经巴氏消毒后，仍保留了小部分无害或有益、较耐热的细菌或细菌芽孢，因此巴氏消毒牛奶部分无害或有益、较耐热的细菌或细菌芽孢，因此巴氏消毒牛奶要在要在4℃左右的温度下保存，且只能保存左右的温度下保存，且只能保存3~10天，最多天，最多16天 现行方法现行方法　　当今使用的巴氏杀菌程序种类繁多　　当今使用的巴氏杀菌程序种类繁多低温长时间低温长时间”(LTLT)处理是一个间歇过程，如今只被小型乳品处理是一个间歇过程，如今只被小型乳品厂用来生产一些奶酪制品厂用来生产一些奶酪制品高温短时间高温短时间”(HTST)处理是一个处理是一个“流动流动”过程，通常在板式热过程，通常在板式热交换器中进行，如今被广泛应用于饮用牛奶的生产通过该方式交换器中进行，如今被广泛应用于饮用牛奶的生产。

通过该方式获得的产品不是无菌的，即仍含有微生物，且在储存和处理的过获得的产品不是无菌的，即仍含有微生物，且在储存和处理的过程中需要冷藏程中需要冷藏快速巴氏杀菌快速巴氏杀菌”主要应用于生产酸奶乳制品主要应用于生产酸奶乳制品目前国际上通用的巴氏高温消毒法主要有两种：目前国际上通用的巴氏高温消毒法主要有两种：　　一种是将牛奶加热到　　一种是将牛奶加热到62~65℃，保持，保持30分钟采用这一分钟采用这一方法，可杀死牛奶中各种生长型致病菌，灭菌效率可达方法，可杀死牛奶中各种生长型致病菌，灭菌效率可达97.3%~99.9%，经消毒后残留的只是部分嗜热菌及耐热性菌，经消毒后残留的只是部分嗜热菌及耐热性菌以及芽孢等，但这些细菌多数是乳酸菌，乳酸菌不但对人无以及芽孢等，但这些细菌多数是乳酸菌，乳酸菌不但对人无害反而有益健康害反而有益健康　　第二种方法将牛奶加热到　　第二种方法将牛奶加热到75~90℃，保温，保温15~16秒，其杀秒，其杀菌时间更短，工作效率更高但杀菌的基本原则是，能将病菌时间更短，工作效率更高但杀菌的基本原则是，能将病原菌杀死即可，温度太高反而会有较多的营养损失原菌杀死即可，温度太高反而会有较多的营养损失。

 主要应用主要应用　　主要为牛奶的一种灭菌法，既可杀死对健康有害的病原　　主要为牛奶的一种灭菌法，既可杀死对健康有害的病原菌又可使乳质尽量少发生变化也就是根据对耐高温性极强菌又可使乳质尽量少发生变化也就是根据对耐高温性极强的结核菌热致死曲线和乳质中最易受热影响的奶油分离性热的结核菌热致死曲线和乳质中最易受热影响的奶油分离性热破坏曲线的差异原理，在低温下长时间或高温下短时间进行破坏曲线的差异原理，在低温下长时间或高温下短时间进行加热处理的一种方法其中，在加热处理的一种方法其中，在60℃以下加热以下加热30分钟的方式，分钟的方式，作为低温灭菌的标准，早为世界广泛采用利用高温处理，作为低温灭菌的标准，早为世界广泛采用利用高温处理，虽对乳质多少有些影响，但可增强灭菌效果，这种方法称为虽对乳质多少有些影响，但可增强灭菌效果，这种方法称为高温灭菌（高温灭菌（sterilization），也就是在），也就是在95℃以上加热以上加热20分钟巴氏灭菌法除牛奶之外，也可应用于发酵产品巴氏灭菌法除牛奶之外，也可应用于发酵产品　　通常，市场上出售的袋装牛奶就是采用巴氏灭菌法生产　　通常，市场上出售的袋装牛奶就是采用巴氏灭菌法生产的。

工厂采来鲜牛奶，先进行低温处理，然后用巴氏消毒法的工厂采来鲜牛奶，先进行低温处理，然后用巴氏消毒法进行灭菌用这种方法生产的袋装牛奶通常可以保存较长时进行灭菌用这种方法生产的袋装牛奶通常可以保存较长时间巴氏消毒法也不是万能的，经过巴氏消毒法处理的牛奶仍然巴氏消毒法也不是万能的，经过巴氏消毒法处理的牛奶仍然要储存在较低的温度下（一般＜要储存在较低的温度下（一般＜4℃），否则还是有变质的），否则还是有变质的可能性因此市场上很多出售袋装牛奶的方法是很不规范的因此市场上很多出售袋装牛奶的方法是很不规范的　　　　　　巴氏消毒纯鲜奶较好地保存了牛奶的营养与天然风味，　　巴氏消毒纯鲜奶较好地保存了牛奶的营养与天然风味，在所有牛奶品种中是最好的一种其实，只要巴氏消毒奶在在所有牛奶品种中是最好的一种其实，只要巴氏消毒奶在4℃左右的温度下保存，细菌的繁殖就非常慢，牛奶的营养左右的温度下保存，细菌的繁殖就非常慢，牛奶的营养和风味就可在几天内保持不变和风味就可在几天内保持不变 （（ 1 ）干热灭菌法）干热灭菌法利用热空气将微生物体内的蛋白质氧化进行灭菌利用热空气将微生物体内的蛋白质氧化进行灭菌灭菌条件：灭菌条件： 160℃下处理下处理60min将金属制品或清洁玻璃器皿放入电热烘箱内，将金属制品或清洁玻璃器皿放入电热烘箱内， 160～～170℃ 维持维持1～～2小时，即可达到彻底灭菌的目的。

在这种条件下，小时，即可达到彻底灭菌的目的在这种条件下，可使细胞膜破坏、蛋白质变性、原生质干燥，以及各种细胞可使细胞膜破坏、蛋白质变性、原生质干燥，以及各种细胞成分发生氧化成分发生氧化        火焰灭菌（灼烧）火焰灭菌（灼烧），利用火焰直接将微生物杀死是一种最，利用火焰直接将微生物杀死是一种最彻底的干热灭菌方法，但它只能用于接种环、接种针等少数彻底的干热灭菌方法，但它只能用于接种环、接种针等少数对象的灭菌对象的灭菌 利用高温饱和蒸汽将物料的温度升高使微生物体内的蛋白质利用高温饱和蒸汽将物料的温度升高使微生物体内的蛋白质变性进行灭菌变性进行灭菌灭菌条件：灭菌条件： 121℃下处理下处理30min多数细菌和真菌的营养细胞在多数细菌和真菌的营养细胞在60℃左右处理左右处理5～～10min后即可后即可杀死；杀死；酵母菌和真菌的孢子稍耐热些，要用酵母菌和真菌的孢子稍耐热些，要用80℃以上的温度处理才以上的温度处理才能杀死；能杀死；而细菌的芽孢最耐热，一般要在而细菌的芽孢最耐热，一般要在120℃下处理下处理15min才能杀死才能杀死2）湿热灭菌法）湿热灭菌法湿热灭菌要比干热灭菌更有效湿热灭菌要比干热灭菌更有效。

a.原生质在含水量高的情况下易变性凝固原生质在含水量高的情况下易变性凝固 b.蒸汽的穿透力强蒸汽的穿透力强湿热灭菌效果：致死温度和致死时间湿热灭菌效果：致死温度和致死时间致死温度：杀灭微生物的极限温度致死温度：杀灭微生物的极限温度致死时间：在致死温度下或以上灭死微生物所需时间致死时间：在致死温度下或以上灭死微生物所需时间热阻：微生物在某一特定条件下的死亡时间热阻：微生物在某一特定条件下的死亡时间湿热灭菌分：湿热灭菌分：a.分批灭菌分批灭菌 b.连续灭菌连续灭菌间歇灭菌法，又称丁达尔灭菌法或分段灭菌法适用于不耐热培间歇灭菌法，又称丁达尔灭菌法或分段灭菌法适用于不耐热培养基的灭菌养基的灭菌方法是：将待灭菌的培养基在方法是：将待灭菌的培养基在80～～100℃下蒸煮下蒸煮15～～60分钟，以分钟，以杀死其中所有微生物的营养细胞，然后置室温或杀死其中所有微生物的营养细胞，然后置室温或37℃下保温过下保温过夜，诱导残留的芽孢发芽，第二天再以同法蒸煮和保温过夜，夜，诱导残留的芽孢发芽，第二天再以同法蒸煮和保温过夜，如此连续重复如此连续重复3天，即可在较低温度下达到彻底灭菌的效果。

天，即可在较低温度下达到彻底灭菌的效果加压加压 常规加压灭菌法常规加压灭菌法§盛有适量水的加压蒸汽灭菌锅加热煮沸，彻底驱尽空盛有适量水的加压蒸汽灭菌锅加热煮沸，彻底驱尽空气后将锅密闭，再继续加热至气后将锅密闭，再继续加热至121℃（压力为（压力为1kg／／cm2或或15磅／英寸磅／英寸2），时间维持），时间维持15～～20分钟，也可采用在分钟，也可采用在较低的温度（较低的温度（115℃，即，即0.7kg／／cm2或或10磅／英寸磅／英寸2）下）下维持维持35分钟分钟的方法§此法适合于一切微生物学实验室、医疗保健机构或发此法适合于一切微生物学实验室、医疗保健机构或发酵工厂中对培养基及多种器材、物料的灭菌酵工厂中对培养基及多种器材、物料的灭菌    连续加压灭菌法连续加压灭菌法§在发酵行业里也称在发酵行业里也称“连消法连消法”此法只在大规模的发此法只在大规模的发酵工厂中作培养基灭菌用酵工厂中作培养基灭菌用§主要操作：将培养基在发酵罐外连续不断地进行加热、主要操作：将培养基在发酵罐外连续不断地进行加热、维持和冷却，然后才进入发酵罐培养基一般在维持和冷却，然后才进入发酵罐培养基一般在135～～140℃下处理下处理5～～15秒钟。

秒钟 连续加压灭菌法优点连续加压灭菌法优点 ①①因采用因采用高温瞬时灭菌高温瞬时灭菌，故既可杀灭微生物，又可最大限，故既可杀灭微生物，又可最大限度减少营养成分的破坏，从而提高了原料的利用率，比度减少营养成分的破坏，从而提高了原料的利用率，比“实罐灭菌实罐灭菌”（（120℃，，30分钟）提高产量分钟）提高产量5～～10％；％；②②由于总的灭菌时间较分批灭菌注明显减少，所以由于总的灭菌时间较分批灭菌注明显减少，所以缩短了缩短了发酵罐的占用周期发酵罐的占用周期，从而提高了它的利用率；，从而提高了它的利用率；③③由于由于蒸汽负荷均匀蒸汽负荷均匀，故提高了锅炉的利用率；，故提高了锅炉的利用率；④④适宜于适宜于自动化自动化操作；操作；⑤⑤降低降低了操作人员的了操作人员的劳动强度劳动强度 高温对培养基成分的有害影响及其防止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（（1）采用特殊加热灭菌法）采用特殊加热灭菌法 （（2）对易破坏的含糖培养基进行灭菌时，应先将糖液与其他成）对易破坏的含糖培养基进行灭菌时，应先将糖液与其他成分分别灭菌后再合并；分分别灭菌后再合并；（（3）对含）对含Ca 2+或或Fe 3+的培养基与磷酸盐先作分别灭菌，然后的培养基与磷酸盐先作分别灭菌，然后再混合，就不易形成磷酸盐沉淀；再混合，就不易形成磷酸盐沉淀；（（4）对含有在高温下易破坏成分的培养基（如含糖组合培养基））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（在可进行低压灭菌（在112℃即即0.57kg／／cm2或或8磅／英寸磅／英寸2下灭下灭菌菌15分钟）或间歇灭菌；分钟）或间歇灭菌；（（5）在大规模发酵工业中，可采用连续加压灭菌法进行培养基）在大规模发酵工业中，可采用连续加压灭菌法进行培养基的灭菌的灭菌 灭菌设备灭菌设备 l、高压蒸汽灭菌、高压蒸汽灭菌        生产中使用高压蒸汽灭菌锅的型号很多生产中使用高压蒸汽灭菌锅的型号很多     手提式灭菌锅，容量小，多用于某种培养基灭菌。

手提式灭菌锅，容量小，多用于某种培养基灭菌     立式或卧式灭菌锅较大，多用于原种或少量栽培种培养基的立式或卧式灭菌锅较大，多用于原种或少量栽培种培养基的灭菌，一般能装几十瓶或几百瓶灭菌，一般能装几十瓶或几百瓶    灭菌柜要和蒸汽锅炉配套，用于大量的原种和栽培种培养基灭菌柜要和蒸汽锅炉配套，用于大量的原种和栽培种培养基的灭菌，一次能装几百至几千瓶的灭菌，一次能装几百至几千瓶(袋袋)但投资太大，适合大但投资太大，适合大型菌种场使用型菌种场使用立式灭菌锅立式灭菌锅2、常压蒸汽灭菌锅、常压蒸汽灭菌锅    常压蒸汽灭菌锅是用铁锅、砖、水常压蒸汽灭菌锅是用铁锅、砖、水泥砌成的，造价低，适于一般生产单位和专业户使用泥砌成的，造价低，适于一般生产单位和专业户使用大小可根据需要而定，但最大的锅每次装料也最好不大小可根据需要而定，但最大的锅每次装料也最好不超过超过500公斤3、烘箱、烘箱   烘箱主要是用于玻璃器皿的干燥和灭菌，也可烘箱主要是用于玻璃器皿的干燥和灭菌，也可用于其它物品烘干用于其它物品烘干 （三）培养基灭菌的要求（三）培养基灭菌的要求培养基灭菌程度：因发酵系统而不同培养基灭菌程度：因发酵系统而不同（1）达到要求的无菌程度（即可以接受的范围））达到要求的无菌程度（即可以接受的范围）（（2）尽量减少营养成分的破坏，在灭菌过程中，培养）尽量减少营养成分的破坏，在灭菌过程中，培养基组分的破坏，是由两个基本类型的反应引起的：基组分的破坏，是由两个基本类型的反应引起的： 培养基中不同营养成分间的相互作用；对热不稳定的组培养基中不同营养成分间的相互作用；对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等的分解。

分如氨基酸和维生素等的分解培养基灭菌需解决的问题：培养基灭菌需解决的问题： 灭菌的温度灭菌的温度 灭菌的时间灭菌的时间（四）发酵工业培养基灭菌的特点（四）发酵工业培养基灭菌的特点数量多数量多含有很多固体物质含有很多固体物质有利于生产菌的生长有利于生产菌的生长方便易行价格便宜方便易行价格便宜培养基灭菌应采用高温蒸汽灭菌培养基灭菌应采用高温蒸汽灭菌——湿热灭菌湿热灭菌湿热灭菌的优点湿热灭菌的优点蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底；蒸汽有很大的潜热；蒸汽有很大的潜热；操作方便，易管理操作方便，易管理培养基湿热灭菌需解决的工程问题培养基湿热灭菌需解决的工程问题§将培养基中的杂菌总数将培养基中的杂菌总数N0杀灭到可以接受的总数杀灭到可以接受的总数N（（10-3），需要多高的温度、多长的时间为合理需要多高的温度、多长的时间为合理§灭菌温度和时间的确定取决于：灭菌温度和时间的确定取决于：•杂菌孢子的热死灭动力学杂菌孢子的热死灭动力学•反应器的形式和操作方式反应器的形式和操作方式•培养基中有效成分受热破坏的可接受范围培养基中有效成分受热破坏的可接受范围    知识点：知识点：致死温度、致死时间、热阻致死温度、致死时间、热阻微生物的热死原理微生物的热死原理——对数残存定律对数残存定律菌温度与菌反应速度常数的关系菌温度与菌反应速度常数的关系影响培养基灭菌的因素影响培养基灭菌的因素    重点：对数残存定律重点：对数残存定律难点：灭菌温度与反应速度常数的关系难点：灭菌温度与反应速度常数的关系二、加热灭菌的基本原理二、加热灭菌的基本原理    （一）相关概念（一）相关概念    致死温度：杀死微生物的极限温度。

致死温度：杀死微生物的极限温度    致死时间：在致死温度下杀死全部微生物所需要的时间致死时间：在致死温度下杀死全部微生物所需要的时间    微生物对热的抵抗力用微生物对热的抵抗力用“热阻热阻”表示热阻指微生物在某一表示热阻指微生物在某一条件下的致死时间条件下的致死时间    营养细胞和细菌芽孢对热的抵抗力不同营养细胞和细菌芽孢对热的抵抗力不同    相对热阻：在相同条件下两种微生物热阻的比值相对热阻：在相同条件下两种微生物热阻的比值 （二）培养基灭菌动力学（二）培养基灭菌动力学湿热蒸汽冷凝时释放大量潜热，并具有强大的穿透力，在高湿热蒸汽冷凝时释放大量潜热，并具有强大的穿透力，在高温和水存在时，微生物细胞中的蛋白质极易发生不可逆的凝温和水存在时，微生物细胞中的蛋白质极易发生不可逆的凝固性变性，致使微生物在短时间内死亡固性变性，致使微生物在短时间内死亡由于湿热灭菌有经济和快速等特点，因此被广泛用于工业生由于湿热灭菌有经济和快速等特点，因此被广泛用于工业生产用蒸汽加热的方法对培养基灭菌的用蒸汽加热的方法对培养基灭菌的要求是要求是:  既要达到一定的灭菌程度，既要达到一定的灭菌程度， 又要尽量减少营又要尽量减少营 养成分的破坏。

养成分的破坏微生物的热死原理微生物的热死原理——对数残存定律对数残存定律对数残存定律对数残存定律——热死灭动力学方程热死灭动力学方程某些分子的分解和分子内部的重新排列的反应属于单分子反应某些分子的分解和分子内部的重新排列的反应属于单分子反应杂菌虽然是一个复杂的高分子体系，但其受热被杀死，主要原杂菌虽然是一个复杂的高分子体系，但其受热被杀死，主要原因是高温能使蛋白质变性，这种反应属与单分子反应故在一因是高温能使蛋白质变性，这种反应属与单分子反应故在一定温度下，微生物受热死亡符合定温度下，微生物受热死亡符合单分子反应动力学单分子反应动力学在灭菌过在灭菌过程中，活菌逐渐减少，其减少量随残存活菌数的减少而逐减，程中，活菌逐渐减少，其减少量随残存活菌数的减少而逐减，即微生物热死亡速率与任一瞬间残存活菌数成正比，即对数残即微生物热死亡速率与任一瞬间残存活菌数成正比，即对数残存定律：存定律： 死亡速率死亡速率残存活菌数残存活菌数灭菌时间（灭菌时间（minmin））热死速度常数（杀菌速度常数）热死速度常数（杀菌速度常数）与菌的种类和加热温度有关与菌的种类和加热温度有关（（min-1）是判断微生物）是判断微生物受热死亡难易程度的基本依受热死亡难易程度的基本依据。

据K值俞小，则此微生物值俞小，则此微生物俞耐热N0---灭菌开始灭菌开始(t=0)时，原有活菌数（污染度时，原有活菌数（污染度)Nt  ---经过灭菌时间经过灭菌时间t后残存活菌数后残存活菌数积分存活率存活率将存活率与灭菌时间将存活率与灭菌时间t在半对数坐标纸上标在半对数坐标纸上标会可以得到直线直会可以得到直线直线的斜率为线的斜率为K，， K值值越大表示微生物越容越大表示微生物越容易死亡    T一定，一定，K随微生物种类不同而不同随微生物种类不同而不同    如，在如，在121℃，枯草芽胞杆菌，枯草芽胞杆菌FS5230的的K：：0.047～～0.063s-1；梭状芽胞杆菌；梭状芽胞杆菌PA3679的的K：：0.03 s-1；嗜热脂肪杆；嗜热脂肪杆菌菌FS1518的的K：：0.013 s-1    同一种微生物，营养细胞和芽胞的同一种微生物，营养细胞和芽胞的K值也有很大的差别，值也有很大的差别，营养细胞易于受热死亡营养细胞易于受热死亡，，K值很高120℃灭菌灭菌K值可大值可大致为致为1010（（min-1）数量级，而细菌孢子的）数量级，而细菌孢子的K值在值在120℃只只有有100数量级。

数量级三、比热死亡速率常数三、比热死亡速率常数 K1、微生物的种类对、微生物的种类对K值的影响值的影响实验还证明，细菌孢子的热杀灭动力学与营养实验还证明，细菌孢子的热杀灭动力学与营养细胞的有所不同它表现为非对数的死亡动力细胞的有所不同它表现为非对数的死亡动力学这可能与孢子壁的化学成分及结构有关这可能与孢子壁的化学成分及结构有关但当温度超过但当温度超过120˚C时，热阻极强的嗜热脂肪时，热阻极强的嗜热脂肪芽孢杆菌孢子的热杀灭动力学也接近对数死亡芽孢杆菌孢子的热杀灭动力学也接近对数死亡动力学即符合一级反应规律动力学即符合一级反应规律1/101/10衰减时间衰减时间D D值：值： 活活得得微微生生物物在在受受热热过过程程中中减减少少到到原原来来数数目目的的1/10 1/10 (N/N(N/N0 0=1/10)=1/10)所需要的时间即有所需要的时间即有D D与与K K成反比 Arrhenius方程方程:                        K=Ae-ΔE/RT 　　ΔE——活活化化能能（（J/mol）），，其其值值俞俞大大，，k值值越越低低，，微微生生物物不易死亡不易死亡K——菌死亡的速度常数（菌死亡的速度常数（1／／min），），A——阿阿累累尼尼乌乌斯斯常常数数，，也也称称频频率率因因子子（（1／／min）），，因因菌菌种不同而异种不同而异 R——气体常数（气体常数（8.36J／／K.mol）） T——绝对温度（绝对温度（K）） （（273.15））2  温度对温度对K值的影响值的影响ΔE——活化能（活化能（J/mol）。

1.其值俞大，其值俞大，k值越低，微生物不易死亡值越低，微生物不易死亡2.不同菌的活化能不同不同菌的活化能不同3.两边取对数得：两边取对数得：              对ln K = －△E /RT + ln A 两边求T的导数 = ， 和△E的关系：△E越大， 越大      细菌孢子热死灭反应的细菌孢子热死灭反应的△△E很高，而大部分营养物质热破坏很高，而大部分营养物质热破坏反应的反应的△△E很低，因而将很低，因而将T提高到一定程度会加速细菌孢子的提高到一定程度会加速细菌孢子的死灭速率，从而缩短在升高温度下的灭菌时间（死灭速率，从而缩短在升高温度下的灭菌时间（ ln(N/N0 ) =－－K t ）；由于营养成分热破坏的）；由于营养成分热破坏的△△E很低，上述的温度提高很低，上述的温度提高只能稍微增大其热破坏温度，但由于灭菌时间的显著缩短，只能稍微增大其热破坏温度，但由于灭菌时间的显著缩短，结果是营养成分的破坏量在允许的范围内结果是营养成分的破坏量在允许的范围内1、营养成分的保持、营养成分的保持     培养基成分受热分解的反应也属一级反应，培养基成分受热分解的反应也属一级反应，符合对数残存定律：符合对数残存定律：                                Xt /X0=e-Kt              K ——营养物破坏的反应速率常数营养物破坏的反应速率常数              X0 ——开始灭菌时营养物的初浓度开始灭菌时营养物的初浓度              Xt ——灭菌灭菌t时间后营养物的浓度时间后营养物的浓度阿氏方程表述：阿氏方程表述： ln K = ln A —△△E /RT灭菌对培养基中营养成分的影响灭菌对培养基中营养成分的影响•通通常常E比比E’大大很很多多。

化化学学反反应应动动力力学学指指出出：：在在活活化化能能大大的的反反应应中中，，反反应应速速率率随随温温度度变变化化也也大大故故当当温温度度升升高高时时，，杂杂菌菌死死亡亡速速率率要要比比营营养养成成分分破破坏坏速速度度快快得得多多故故采采用用HTST（高温短时）方法，可以减少营养成分破坏高温短时）方法，可以减少营养成分破坏灭菌的目的：有效杀灭杂菌，同时尽可能降低对灭菌的目的：有效杀灭杂菌，同时尽可能降低对营养的破坏程度营养的破坏程度1，连续灭菌的优缺点§优点优点•保留较多的营养质量保留较多的营养质量•容易放大，较易自动控制；容易放大，较易自动控制；•糖受蒸汽的影响较少；糖受蒸汽的影响较少；•缩短灭菌周期；缩短灭菌周期；•在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；•发酵罐利用率高，蒸汽负荷均匀发酵罐利用率高，蒸汽负荷均匀§缺点缺点•设备比较复杂，投资较大设备比较复杂，投资较大分批灭菌和连续灭菌的优缺点分批灭菌和连续灭菌的优缺点 2，分批灭菌的优缺点§优点优点•设备投资较少设备投资较少•染菌的危险性较小染菌的危险性较小•人工操作较方便人工操作较方便•对培养基中固体物质含量较多时更为适宜对培养基中固体物质含量较多时更为适宜§缺点缺点•灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷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。

波动大，一般只限于中小型发酵装置培养基灭菌的工程设计无菌的标准无菌的标准根据微生物热死灭方程，要求灭菌后达到绝对无菌是根据微生物热死灭方程，要求灭菌后达到绝对无菌是很难做到的，也是不必要的因此在工程设计中常取很难做到的，也是不必要的因此在工程设计中常取N=10-3一、分批灭菌的操作一、分批灭菌的操作二、基础条件的确定二、基础条件的确定三、三、灭菌效率的计算灭菌效率的计算分批灭菌的设计计算分批灭菌的设计计算一、分批灭菌的操作一、分批灭菌的操作间歇灭菌（实罐灭菌、实消）间歇灭菌（实罐灭菌、实消）   将配好的培养基打入发酵罐，通入蒸汽将培养基和所用的将配好的培养基打入发酵罐，通入蒸汽将培养基和所用的设备（一般是发酵罐）一起进行灭菌，也称实罐灭菌设备（一般是发酵罐）一起进行灭菌，也称实罐灭菌这种方法不需专门的灭菌设备，在发酵罐中进行，灭菌这种方法不需专门的灭菌设备，在发酵罐中进行，灭菌效果可靠分批灭菌对蒸汽的压力要求较低，在效果可靠分批灭菌对蒸汽的压力要求较低，在3～～4×105Pa（表压）就可满足要求，但在灭菌过程中，蒸（表压）就可满足要求，但在灭菌过程中，蒸汽用量波动大，造成锅炉负荷波动大。

汽用量波动大，造成锅炉负荷波动大  在发酵罐中进行实罐灭菌，是典型的分批灭菌全过程包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、降温三个过程括升温、保温、降温三个过程间歇灭菌的优缺点间歇灭菌的优缺点  优点：优点：1. 设备投资较少设备投资较少              2. 染菌的危险性较小染菌的危险性较小              3. 人工操作较方便人工操作较方便              4. 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜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，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一般只限于中小型发酵装置保证间歇灭菌成功的要素保证间歇灭菌成功的要素Ø内部结构合理内部结构合理(主要是无主要是无死角死角)，焊缝及轴封装置，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象可靠，蛇管无穿孔现象Ø压力稳定的蒸汽压力稳定的蒸汽Ø合理的操作方法合理的操作方法发酵罐的接管图发酵罐的接管图发酵罐的接管图发酵罐的接管图二、基础条件的确定二、基础条件的确定  1、污染度、污染度N0     一般假定位一般假定位104～～106个个/ml  2、灭菌度、灭菌度N    实际计算时取实际计算时取N ＝＝10-3，即处理，即处理1000只有一个活只有一个活微生物（一般是针对周期长，成本高的发酵）。

微生物（一般是针对周期长，成本高的发酵）  3、、N/N0 为灭菌程度的指标（总基准值、为灭菌程度的指标（总基准值、▽▽总总））例如：培养基例如：培养基100m3，含菌，含菌105个个/ml,，要求灭菌后存活菌数，要求灭菌后存活菌数10-3个个/罐，则罐，则N0/N   = (100×106×105  /10-3) = 1016，为计算方便，，为计算方便，取取 ln(N0/N )=36.8             分批灭菌过程：升温、保温和降温，灭菌主要是在保温分批灭菌过程：升温、保温和降温，灭菌主要是在保温过程中实现的，在升温的后期和冷却的初期，培养基的温度过程中实现的，在升温的后期和冷却的初期，培养基的温度很高，因而对灭菌也有一定贡献很高，因而对灭菌也有一定贡献              4、污染菌的热死特性、污染菌的热死特性       要了解是否符合对数残留定律，确定要了解是否符合对数残留定律，确定K，，A，，E的值对不同细胞，选取不同的对不同细胞，选取不同的T和和t基质值的计算、维持时间计算：根据阿氏方程和中基基质值的计算、维持时间计算：根据阿氏方程和中基准值计算准值计算））5、培养罐中温度与时间的关系、培养罐中温度与时间的关系      大量培养液分批灭菌时，加热和冷却时大量培养液分批灭菌时，加热和冷却时  间不能忽略。

间不能忽略总灭菌时间等于升温、保温和降温三段时间之和总灭菌时间等于升温、保温和降温三段时间之和           t=t1+t2+t3§分批灭菌工艺设计分批灭菌工艺设计Richards快速法快速法                                §温度和压力的关系温度和压力的关系§泡沫问题泡沫问题§投料过程中，麸皮和豆饼粉等固形物在罐壁上投料过程中，麸皮和豆饼粉等固形物在罐壁上残留的问题残留的问题§灭菌结束后应立即引入无菌空气保压灭菌结束后应立即引入无菌空气保压培养基间歇灭菌过程中应注意的问题一、连续灭菌概念一、连续灭菌概念    连续灭菌（连消）：连续灭菌（连消）：培养基在罐外连续进行加热、维持培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却，然后进入发酵罐的杀菌方法和冷却，然后进入发酵罐的杀菌方法连续灭菌的优缺点：连续灭菌的优缺点：     优点优点  –保留较多的营养质量保留较多的营养质量  –容易放大容易放大  –较易自动控制；较易自动控制；  –糖受蒸汽的影响较少；糖受蒸汽的影响较少；–缩短灭菌周期；缩短灭菌周期；–在某些情况下，可使发酵罐的腐在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；蚀减少；–发酵罐利用率高；发酵罐利用率高；–蒸汽负荷均匀。

蒸汽负荷均匀缺点缺点  –设备比较复杂，投资较大，容设备比较复杂，投资较大，容易造成污染易造成污染连续灭菌及其计算连续灭菌及其计算连续灭菌中维持时间的计算连续灭菌中维持时间的计算 注意点：注意点：1 1、由污染程度（、由污染程度（N0 起始总菌数）推算残留菌数起始总菌数）推算残留菌数Nt2 2、灭菌失败几率即一定总菌数中残留菌数、灭菌失败几率即一定总菌数中残留菌数§例例1：：有有一一发发酵酵罐罐内内装装40m3培培养养基基，，在在1210C温温度度下下实实罐罐灭灭菌菌，，原原污污染染程程度度为为每每1ml有有2×105个个耐耐热热细细菌菌芽芽孢孢，，已已知知1210C时时灭灭菌菌速速度度常常数数k=1.8min-1，，求求灭灭菌菌失失败败机机率为率为0.001时所需时间时所需时间    解解：N0=40×106×2×105=8×1012(个) Nt=0.001(个)   k=1.8(min-1)         ㏑(Nt/N0)=-kt                    t=2.303/k[lg(N0/Nt)]=2.303/1.8[lg(8×1015)]             =20.34(min)        由于升温阶段就有部分菌被杀灭，特别是当培由于升温阶段就有部分菌被杀灭，特别是当培        养基加热至养基加热至1000C以上，这个作用较为显著，以上，这个作用较为显著，        故实际保温阶段时间比计算值要短。

故实际保温阶段时间比计算值要短§例例2．某发酵罐内装．某发酵罐内装40m3培养基，采用连续灭菌，培养基，采用连续灭菌，灭菌温度为灭菌温度为1310C，原污染程度为每，原污染程度为每1ml含有含有2×105个杂菌，已知个杂菌，已知1310C时灭菌速度常数为时灭菌速度常数为15min-1，求，求灭菌所需的维持时间灭菌所需的维持时间解：N0=2×105(个/ml) Nt=0.001/(40×106)=2.5×10-11(个/ml) t=2.303/k[lg(N0/Nt)]=2.303/15×lg[(2×105)/(2.5×10-11)] =2.37 min二、连续灭菌流程二、连续灭菌流程  1、间接加热连续灭菌流程、间接加热连续灭菌流程       采用薄板换热器将待灭菌的培养基进行加热采用薄板换热器将待灭菌的培养基进行加热      流程图流程图  薄板换热器连续灭菌时薄板换热器连续灭菌时的温度和时间曲线图的温度和时间曲线图•薄板换热器薄板换热器2、直接加热连续灭菌流程、直接加热连续灭菌流程       除采用间接加热装置外，还利用蒸汽直接加热除采用间接加热装置外，还利用蒸汽直接加热 。

  优点：优点：1、加热时间短、加热时间短              2、可用于含悬浮颗粒的培养基、可用于含悬浮颗粒的培养基              3、成本低、成本低              4、易清洁和维护、易清洁和维护              5、蒸汽利用率高、蒸汽利用率高  缺点：缺点：1、易产生泡沫、易产生泡沫             2、培养基被稀释、培养基被稀释  喷射加热－真空冷却流程喷射加热－真空冷却流程       加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏少加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏少  典型的喷射加热连续灭菌时典型的喷射加热连续灭菌时的温度和时间曲线图的温度和时间曲线图连续灭菌设备的结构套管式连消加热套管式连消加热喷嘴式连消加热器喷嘴式连消加热器连消塔连消塔- -喷淋冷却连续灭菌流程喷淋冷却连续灭菌流程•维持罐•喷射加热器发酵培养基的过滤除菌发酵培养基的过滤除菌一、过滤除菌机理一、过滤除菌机理 1 1、惯性作用、惯性作用 2 2、扩散作用、扩散作用 3 3、静电吸附、静电吸附 4 4、拦截作用、拦截作用二、过滤器的类型二、过滤器的类型 1 1、非固定孔径过滤器（非拦截作用）、非固定孔径过滤器（非拦截作用） 2 2、固定孔径过滤器、固定孔径过滤器 （拦截作用）（拦截作用）深层过滤深层过滤滤浆滤饼过滤介质滤液滤饼过滤滤饼过滤推动力：重力、压力、离心力推动力：重力、压力、离心力 架桥现象架桥现象过滤除菌适用于含有热敏性物质的培养基，除菌要求：1、过滤后不含任何真菌、细菌、支原体等微生物2、过滤器表面吸附蛋白量尽量少（减少损失）3、过滤后培养基不含病毒4、过滤后不含内毒素第三节第三节  空气除菌空气除菌§空气除菌的意义空气除菌的意义§空气中的微生物空气中的微生物§好气性发酵对空气无菌度的要求好气性发酵对空气无菌度的要求§空气除菌的方法空气除菌的方法§过滤除菌的原理过滤除菌的原理§空气过滤除菌流程空气过滤除菌流程一一. .空气除菌的意义空气除菌的意义好气性微生物的生长和合成代谢产物都需要消好气性微生物的生长和合成代谢产物都需要消耗氧气。

工业生产上均采用空气作为氧气来源工业生产上均采用空气作为氧气来源然而，空气中有各种各样的微生物，为保证纯然而，空气中有各种各样的微生物，为保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死空气除菌的方法空气除菌的方法（重点）1 1、热杀菌、热杀菌将空气加热到一定温度后保温一定时间将空气加热到一定温度后保温一定时间, ,使微生物蛋使微生物蛋白热失活而致死白热失活而致死热杀菌是有效的，可靠热杀菌是有效的，可靠的杀菌方法，但是如果的杀菌方法，但是如果采用蒸汽或电热来加热采用蒸汽或电热来加热大量的空气，以达到杀大量的空气，以达到杀菌目的，这是十分不经菌目的，这是十分不经济的工业上是利用空济的工业上是利用空气压缩时放出的热量进气压缩时放出的热量进行杀菌2.2.辐射杀菌辐射杀菌高能阴极射线、高能阴极射线、X X射线、射线、γγ、、ββ射线、紫外线射线、紫外线都能破坏蛋白质活性而起到杀菌作用其中紫都能破坏蛋白质活性而起到杀菌作用其中紫外线用的较多，它在波长外线用的较多，它在波长226.5nm-328.7nm226.5nm-328.7nm时时杀菌最强一般用于无菌室、手术室杀菌杀菌最强。

一般用于无菌室、手术室杀菌3. 3. 静电除菌静电除菌 静电除尘法已广泛使用，除尘效率一般在静电除尘法已广泛使用，除尘效率一般在85~99%之间，但由于它消耗能量小，每处之间，但由于它消耗能量小，每处1000立方米的空气立方米的空气每小时只需电每小时只需电0.2~0.8kw空气压头损失小，一般只空气压头损失小，一般只在在4~20mm水柱静电除尘是利用静电引力来吸附带水柱静电除尘是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除菌除尘的目的悬浮于空气中的微生电粒子而达到除菌除尘的目的悬浮于空气中的微生物、微生物孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的物、微生物孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒，微粒在进入高压静电场时都会被电离变成带电微粒，但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降所朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降所以静电除菌对很小的微粒效率很低。

以静电除菌对很小的微粒效率很低4. 4. 过滤除菌过滤除菌①①绝对过滤绝对过滤绝对过滤是介质之间的孔隙小于被滤除的微生物，当空绝对过滤是介质之间的孔隙小于被滤除的微生物，当空气流过介质层后，空气中的微生物被滤除绝对过滤气流过介质层后，空气中的微生物被滤除绝对过滤易于控制过滤后空气质量，节约能量和时间，操作简易于控制过滤后空气质量，节约能量和时间，操作简便，它是多年来受到受到国内外科学工作者注意和研便，它是多年来受到受到国内外科学工作者注意和研究的问题它采用很细小的纤维介质制成，介质空隙究的问题它采用很细小的纤维介质制成，介质空隙小于小于0.5um0.5um②②介质过滤介质过滤介质过滤除菌是目前工业上用的较多的空气除菌方法，介质过滤除菌是目前工业上用的较多的空气除菌方法，它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微它是采用定期灭菌的介质来阻截流过的空气所含的微生物，而取得无菌空气常用的过滤介质有棉花、活生物，而取得无菌空气常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维等性炭或玻璃纤维等单根纤维过滤除菌的原理单根纤维过滤除菌的原理 当气流通过滤层时当气流通过滤层时, ,基于滤层纤维的层层阻碍基于滤层纤维的层层阻碍, ,迫使空气迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动, ,从从而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击, ,拦截拦截, ,布朗扩散布朗扩散, ,重重力及静电引力等作用力及静电引力等作用, ,从而把微生物微粒截留从而把微生物微粒截留, ,捕集在纤维表捕集在纤维表面上面上, ,实现了过滤的目的实现了过滤的目的. .1 1、惯性冲击滞留作用、惯性冲击滞留作用 2 2、滤层纤维阻挡作用、滤层纤维阻挡作用3 3、布朗扩散作用、布朗扩散作用 4 4、重力沉降作用、重力沉降作用 5 5、静电吸附作用、静电吸附作用            一般认为惯性撞击截留一般认为惯性撞击截留, ,拦截截留和布朗运动截留的作用拦截截留和布朗运动截留的作用较大较大, ,而重力和静电引力的作用则很小而重力和静电引力的作用则很小 §空气气流流速大时，气流中的微粒具有较大的惯性力。

当微空气气流流速大时，气流中的微粒具有较大的惯性力当微粒随气流以一定速度向纤维垂直运动因受纤维阻挡而急剧改粒随气流以一定速度向纤维垂直运动因受纤维阻挡而急剧改变运动方向时，由于微粒具有的惯性作用使它们仍然沿原来变运动方向时，由于微粒具有的惯性作用使它们仍然沿原来方向前进碰撞到纤维表面，产生方向前进碰撞到纤维表面，产生摩擦粘附摩擦粘附而使微粒被滞留在而使微粒被滞留在纤维表面，这种作用称惯性碰撞滞留纤维表面，这种作用称惯性碰撞滞留§纤维能滞留微粒的宽度区间纤维能滞留微粒的宽度区间d与纤维直径与纤维直径df之比称为单纤维的之比称为单纤维的惯性碰撞捕集效率，用惯性碰撞捕集效率，用η1表示表示§即即      η1＝＝d/df 1 1 惯性捕集作用惯性捕集作用实践证明，η1是惯性力的无因次准数是惯性力的无因次准数φ的函数，的函数，η1＝f(φ)￿V－颗粒运动速度（－颗粒运动速度（m/s））  ρp －颗粒密度－颗粒密度(kg/m3 )  dp－颗粒直径－颗粒直径(m)         df－纤维直径－纤维直径 (m)         μ－空气粘度－空气粘度   C－气体在表面滑动的可宁汉姆修正系数－气体在表面滑动的可宁汉姆修正系数空气临界速度空气临界速度Vc：： η1￿=￿0φ与纤维直径、颗粒运动速度（气流速度）有关可以下式与纤维直径、颗粒运动速度（气流速度）有关可以下式表示：表示：     滞留区域的大小决定于微粒运动的惯性力，所以，气流速度愈滞留区域的大小决定于微粒运动的惯性力，所以，气流速度愈大，惯性力大，滞留效果也愈好。

此外，惯性碰撞截面作用也大，惯性力大，滞留效果也愈好此外，惯性碰撞截面作用也与纤维直径有关，纤维愈细，捕集效果愈好惯性碰撞截面在与纤维直径有关，纤维愈细，捕集效果愈好惯性碰撞截面在介质除尘中起主要作用介质除尘中起主要作用 §当当气气流流速速度度降降到到临临界界速速度度以以下下是是时时，，微微粒粒不不再再由由于于惯惯性性碰碰撞撞而而被被截截留留随随气气流流运运动动的的粒粒子子在在接接近近纤纤维维表表面面的的部部分分由由于于与与过滤介质接触而被纤维吸附捕集过滤介质接触而被纤维吸附捕集，这种作用称之为阻拦滞留这种作用称之为阻拦滞留§单个纤维对微粒阻拦效率可表示为单个纤维对微粒阻拦效率可表示为R－微粒和纤维直径之比－微粒和纤维直径之比       ρ  －空气密度（－空气密度（kg/m3））Re－空气流的雷诺准数－空气流的雷诺准数      Re=df V ρ/μ2 2 拦截捕集作用拦截捕集作用( (阻截阻截) )空气流速愈小，纤维直径愈细，阻拦滞留作用愈大但是空气流速愈小，纤维直径愈细，阻拦滞留作用愈大但是在介质过滤的除尘除菌中，阻拦滞留并不起主要作用在介质过滤的除尘除菌中，阻拦滞留并不起主要作用。

§直直径径小小于于1μm的的微微粒粒在在运运动动中中往往往往产产生生一一种种不不规规则则的的布布朗朗运运动动而而与与纤纤维维接接触触且且附附着着于于纤纤维维表表面面而而被被捕捕集集，，且且可可使使微微粒粒间间相相互互凝凝集集成成较较大大的的粒粒子子，，增增加加了了微微粒粒与与纤纤维维的的接接触触滞滞留留机机会会从从而而发发生生重重力力沉沉降降或或被被介介质质截截留留但但是是这这种种作作用用只只有有在在气气流流速速度度较较低低时时才才较较显显著著，，此此种种情情况况可可大大大大增增强强阻阻拦拦截截留留作作用用当当这这些些微微粒粒离开它们所处位置中心时就可能被阻集在纤维表面离开它们所处位置中心时就可能被阻集在纤维表面§若若微微粒粒位位置置移移动动2X0，，则则可可用用2X0代代替替dp，，则则可可计计算算出出由由于于扩扩散散而导致的微粒阻集效率而导致的微粒阻集效率η3 3 3 布朗扩散捕集作用布朗扩散捕集作用§重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降大于气流对它的拖带力时，微粒就容易沉降§就单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，就单一的重力沉降情况下，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用。

对于小颗粒只有在气流速度很慢时才起作用§一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留一般它是与拦截作用相配合的，即在纤维的边界滞留区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率区内，微粒的沉降作用提高了拦截滞留的捕集效率 ４４ 重力沉降捕集作用重力沉降捕集作用§干干空空气气对对非非导导体体的的物物质质相相对对运运动动磨磨擦擦时时，，会会产产生生诱诱导导电电荷荷，，纤纤维维和和树树脂脂处处理理过过的的纤纤维维，，尤尤其其是是一一些些合合成成纤纤维维更更为显著§悬悬浮浮在在空空气气中中的的微微生生物物微微粒粒大大多多带带有有不不同同的的电电荷荷，，如如枯枯草草杆杆菌菌孢孢子子15%带带正正电电荷荷，，70%带带负负电电荷荷，，15%中中性性，， 这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降这些带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降§就纤维过滤器而言，重力沉降作用和静电吸附不计，则就纤维过滤器而言，重力沉降作用和静电吸附不计，则单个纤维的阻集效率单个纤维的阻集效率ηη可表示为可表示为 η η ＝＝ηη1 1+ +ηη2 2+ +ηη3 3５５ 静电吸附捕集作用静电吸附捕集作用 使使空空气气通通经经高高温温灭灭菌菌的的介介质质过过滤滤层层，，将将空空气气中中的的微微生生物物等等颗颗粒粒滞滞留留在在介介质质中中而而达达到到除除菌菌的的目目的的。

常常用用的的过过滤滤介介质质一一般般是是棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸及烧结材料等棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸及烧结材料等 过滤材料孔径一般比细菌大，对细菌的滞留主要靠滞留作用，过滤材料孔径一般比细菌大，对细菌的滞留主要靠滞留作用，由多种机制构成：惯性碰撞、阻拦、布朗运动、重力沉降、由多种机制构成：惯性碰撞、阻拦、布朗运动、重力沉降、静电吸引等静电吸引等 1 过滤除菌的机制过滤除菌的机制六、空气过滤器的设计计算六、空气过滤器的设计计算过滤除菌效率过滤除菌效率穿透率穿透率过滤效率过滤效率穿透率是经过滤后空气中剩留颗粒数与原有颗粒数之比，过滤穿透率是经过滤后空气中剩留颗粒数与原有颗粒数之比，过滤效率是被捕集的颗粒数与原有颗粒数之比（也叫捕集效率）效率是被捕集的颗粒数与原有颗粒数之比（也叫捕集效率）2  深层过滤除菌原理深层过滤除菌原理§介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，介质过滤效率与介质纤维直径关系很大，在其他条件相同时，介质纤维直径越小，过滤效率越高介质纤维直径越小，过滤效率越高§对于相同介质，过滤效率与介质滤层厚度、介质填充密度和对于相同介质，过滤效率与介质滤层厚度、介质填充密度和空气流量有关。

空气流量有关影响介质过滤效率的因素影响介质过滤效率的因素    空气过滤时，其中的颗粒数空气过滤时，其中的颗粒数N随着滤床厚度随着滤床厚度L的增加而减少，其的增加而减少，其规律可表示为规律可表示为K－过滤常数（决定于过滤介质的性质和操作情况），－过滤常数（决定于过滤介质的性质和操作情况），cm积分得积分得上式即为对数穿透定律上式即为对数穿透定律过滤常数过滤常数K与许多因素有关，如空气流速与许多因素有关，如空气流速V、纤维直径、纤维直径df、颗粒直径、颗粒直径dp和纤维填充密度等，一般经实验求得和纤维填充密度等，一般经实验求得L90：过滤效率：过滤效率90％的滤层厚度％的滤层厚度从上式可知，从上式可知，K越大，越大，L90就越小过滤器的效率由过滤除去的颗粒数与最初进来的颗粒数过滤器的效率由过滤除去的颗粒数与最初进来的颗粒数比值决定即：比值决定即：3  深层过滤除菌的计算深层过滤除菌的计算L：滤层厚度：滤层厚度例题例题１一个１一个20m3发酵罐所需通气率为发酵罐所需通气率为10m3/min，发酵周期，发酵周期100h对过滤介质研究后认为最合适空气流线速度对过滤介质研究后认为最合适空气流线速度为为0.15m/s，此时的过滤常数，此时的过滤常数k 值为值为0.67cm-1，试计，试计算过滤器的尺寸（发酵厂中空气含菌算过滤器的尺寸（发酵厂中空气含菌200个／个／m3，，生产可接受的染菌几率为生产可接受的染菌几率为10-3)。

2 上题中如将空气的线速度降低到上题中如将空气的线速度降低到0.03m/s，，K值即下值即下降降0.087cm-1，则在１，则在１min 内越过过滤器进入发酵罐内越过过滤器进入发酵罐中的微生物为多少？此时过滤层的厚度应增加到多中的微生物为多少？此时过滤层的厚度应增加到多少？少？解：由对数穿透定律解：由对数穿透定律过滤器的截面积可由空气的体积流速除以气流线速度得到，即过滤器的截面积可由空气的体积流速除以气流线速度得到，即空气过滤常用介质空气过滤常用介质 过滤介质是过滤除菌的关键过滤介质是过滤除菌的关键过滤对介质的要求：吸附性强，除菌效率高，耐受高温高压，过滤对介质的要求：吸附性强，除菌效率高，耐受高温高压，不易被油水污染，阻力小，空气流量大，成本低，易更换不易被油水污染，阻力小，空气流量大，成本低，易更换常用的介质有棉花、活性炭、玻璃棉、化学纤维、超细玻璃纤常用的介质有棉花、活性炭、玻璃棉、化学纤维、超细玻璃纤维、纤维板、石棉滤板等维、纤维板、石棉滤板等1 1）棉花）棉花§棉棉花花是是最最常常用用的的过过滤滤介介质质，，通通常常要要用用纤纤维维不不太太长长的的原原棉棉，，因因为为它它具具有有一一定定的的弹弹性性，，虽虽然然几几经经湿湿热热灭灭菌菌，，干干燥燥后后仍仍能能保持原有的疏松状态。

保持原有的疏松状态§棉花的过滤阻力较活性炭大（棉花的过滤阻力较活性炭大（1010～～1212倍）2 2）活性炭）活性炭§活活性性炭炭通通常常被被加加工工成成粒粒状状，，其其过过滤滤效效率率比比棉棉花花低低，，但但具具有有阻阻力力小小，，吸吸附附力力强强（（可可吸吸附附空空气气中中有有害害物物质质，，如如油油、、水水））的特点，通常与棉花介质一起使用，减少过滤层的阻力的特点，通常与棉花介质一起使用，减少过滤层的阻力3 3）玻璃纤维）玻璃纤维§ 纤纤维维直直径径越越小小越越好好但但太太小小强强度度低低，，阻阻力力大大一一般般填填充充系系数在数在6-10%6-10%，填充密度，填充密度130-280kg/m130-280kg/m3 3，阻力损失比棉花小阻力损失比棉花小1  传统过滤介质传统过滤介质4 4）超细玻璃纤维纸）超细玻璃纤维纸§高高速速过过滤滤介介质质低低速速过过滤滤时时以以拦拦截截扩扩散散为为主主当当气气流流速速度度超过临界速度时，属于惯性冲击超过临界速度时，属于惯性冲击§过滤效率高，阻力损失小但机械强度差过滤效率高，阻力损失小但机械强度差5 5）石棉滤板）石棉滤板§20%20%纤维小而直的蓝石棉和纤维小而直的蓝石棉和8%8%纸浆纤维混合打浆压制而成。

纸浆纤维混合打浆压制而成§过滤效率较低过滤效率较低§耐湿，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间较长耐湿，能耐受蒸汽反复杀菌，使用时间较长1 1）烧结材料过滤介质）烧结材料过滤介质§有烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料等多种有烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料等多种§烧结聚合物如聚乙烯醇滤板（烧结聚合物如聚乙烯醇滤板（PVAPVA）可经受高温杀菌可经受高温杀菌2 2）微孔滤膜）微孔滤膜§是是由由高高分分子子聚聚合合物物经经压压制制、、热热熔熔粘粘接接或或在在适适当当溶溶剂剂、、添添加加剂和成孔剂中成膜而制成的薄膜剂和成孔剂中成膜而制成的薄膜§孔径均匀，过滤精度高可反复蒸汽灭菌，容尘空间大孔径均匀，过滤精度高可反复蒸汽灭菌，容尘空间大§阻力小、更换方便、处理量大阻力小、更换方便、处理量大§主要有两类产品：主要有两类产品：§一类是超细硼硅酸纤维滤材经特殊聚四氟乙烯涂层；一类是超细硼硅酸纤维滤材经特殊聚四氟乙烯涂层；§另一类是采用聚四氟乙烯疏水性滤材，单层膜另一类是采用聚四氟乙烯疏水性滤材，单层膜2 新型过滤介质新型过滤介质空气过滤除菌设备及流程空气过滤除菌设备及流程（重点）               1. 1. 压缩空气的预处理压缩空气的预处理§空气经压缩后具有很高的温度空气经压缩后具有很高的温度§冷却后又具有较高的相对湿度冷却后又具有较高的相对湿度§经过空气压缩机后的空气带有油滴经过空气压缩机后的空气带有油滴§水滴、油滴污染空气过滤器水滴、油滴污染空气过滤器1 1）压缩空气的冷却）压缩空气的冷却§压缩后的高温空气能引起过滤介质的炭化或压缩后的高温空气能引起过滤介质的炭化或燃烧燃烧§增大发酵罐的降温负荷增大发酵罐的降温负荷§增加发酵液水分的蒸发增加发酵液水分的蒸发§给培养温度的控制带来困难给培养温度的控制带来困难§影响微生物生长影响微生物生长§一般用列管式冷却器进行冷却一般用列管式冷却器进行冷却2 2）除油除水）除油除水§大气中总含有一定量水分，并以体态存大气中总含有一定量水分，并以体态存在在§空气压缩后的绝对含湿量不变，当其冷空气压缩后的绝对含湿量不变，当其冷却时，相对湿度增大却时，相对湿度增大§一般用相对湿度在一般用相对湿度在60%60%的压缩空气进行过的压缩空气进行过滤除菌，不会将过滤器潮湿而影响过滤滤除菌，不会将过滤器潮湿而影响过滤效果效果2. 2. 空气过滤除菌一般流程空气过滤除菌一般流程1 1）粗过滤器）粗过滤器§安装在空气压缩机前的过滤设备安装在空气压缩机前的过滤设备§捕集较大的灰尘颗粒，保护空气压缩机捕集较大的灰尘颗粒，保护空气压缩机§布袋过滤器布袋过滤器§油浴洗涤过滤装置油浴洗涤过滤装置§水雾除尘装置水雾除尘装置2 2）空气贮罐）空气贮罐§消除压缩机排除空气量的脉冲，维持稳消除压缩机排除空气量的脉冲，维持稳定的空气压力定的空气压力§利用重力沉降作用除去部分油雾利用重力沉降作用除去部分油雾§紧接空气压缩机安装紧接空气压缩机安装§有些装有冷却管有些装有冷却管3 3）空气冷却器）空气冷却器4 4）气液分离器）气液分离器§利用离心力进行沉降的旋风分离器利用离心力进行沉降的旋风分离器§对于对于1010 m m以上的微粒分离效率较高以上的微粒分离效率较高§一般冷凝水雾的粒子大小在一般冷凝水雾的粒子大小在10~200 10~200  m m§填料式分离器具有较高的分离效率，可填料式分离器具有较高的分离效率，可除去较细小的雾状微粒（除去较细小的雾状微粒（5 5  m m ））5 5）空气过滤器）空气过滤器§过滤除菌的关键设备过滤除菌的关键设备§空隙小于细菌、孢子：阻留作用空隙小于细菌、孢子：阻留作用§绝对过滤介质绝对过滤介质§聚乙烯醇缩甲醛树脂（聚乙烯醇缩甲醛树脂（PVFPVF）制成的）制成的0.3 0.3  m m滤膜滤膜§孔径大于微生物的过滤介质孔径大于微生物的过滤介质§如用棉花、玻璃纤维、合成纤维和颗粒活如用棉花、玻璃纤维、合成纤维和颗粒活性炭填充的过滤器性炭填充的过滤器§将过滤材料制成纸、板或管状，除菌效果将过滤材料制成纸、板或管状，除菌效果较好较好1、高空采风、两次冷却、两次分油水、高空采风、两次冷却、两次分油水、适当加热流程适当加热流程 §特点 ：两次冷却、两次分油水、适当加热。

空气第一次冷却到30～35℃，第二级冷却至20～25℃，经分水后加热到30～35℃，因为温度升高，相对湿度下降空气处理其他流程空气处理其他流程 2 2、冷热空气直接混合式空气除菌流程、冷热空气直接混合式空气除菌流程 §特点 ：省去一级冷却和分离设备及空气再加热设备，简化了流程，使冷却水用量也降低了压缩空气从贮罐出来分两路，一部分进冷却器，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，使混合后的空气温度为30～35℃，相对湿度为50～60% 高效前置过滤除菌流程高效前置过滤除菌流程§在压缩机前设置一台高效过滤器，这样便可降低过滤器负荷（即多次过滤），达到空气除菌的要求 空气处理实用流程图空气处理实用流程图。