发酵工程 4 发酵工业无菌技术

4发酵工业的无菌技术思考题1、发酵工业中污染杂菌的危害及其预防措施2、灭菌、消毒、除菌与防腐3、灭菌的常用方法及其机理4、湿热灭菌的理论计算5、空气灭菌的常用方法6、简述好氧发酵无菌空气制备的工艺流程与要求。什么是染菌？发酵过程中除了生产菌以外，还有其它菌生长繁殖。一、发酵工业的无菌处理灭菌（sterilization）是指用物理或化学方法杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质的过程。灭菌实质上可分杀菌和溶菌两种，前者指菌体虽死，但形体尚存，后者则指菌体杀死后，其细胞发生溶化、消失的现象。消毒（disinfection）是指用化学或物理的方法杀灭或去除病原微生物的过程，它一般只能杀死营养细胞而不能杀灭细菌芽孢。消毒是一种采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部一部分对人体有害的病原菌，而对被消毒的物体基本无害的措施。除菌（degerming）是用过滤方法除去空气或液体中的微生物及其孢子。防腐（antisepsis）就是利用某种理化因素完全抑制霉腐微生物的生长繁殖，从而达到防止食品等发生霉腐的措施。如低温、缺氧、干燥、高渗、添加防腐剂等。1）由于杂菌污染，使发酵培养基因杂菌的消耗而损失，造成产率的下降；2）由于杂菌所产生的某些代谢产物，或染菌后发酵液某些理化性质的改变，使产物的提取变得困难，造成得率降低或使产品质量下降；3）污染的杂菌可能会分解产物而使生产失败；二、杂菌污染的危害4）污染的杂菌大量繁殖，会改变反应介质的pH，从而使生物化学反应发生异常变化；5）发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解而使生产失败等。三、发酵污染及其危害的具体分析1、染菌对不同菌种发酵的影响细菌：发酵周期短，主要防止噬菌体的污染；营养缺陷型细菌：生长能力差，所需培养基营养丰富，易受生长较快杂菌的污染；霉菌：发酵周期较长，易染菌。对于有机酸发酵，中、后期pH较低不易发生染菌；酵母：易受生长较快的细菌及野生酵母的污染。放线菌由于生长的最适pH为7左右，因此染细菌为多，而霉菌生长pH为5左右，因此染酵母菌为多。青霉素发酵染菌，绝大多数杂菌都能直接产生青霉素酶，而另一些杂菌则可被青霉素诱导而产生青霉素酶。不论在发酵前期、中期或后期，染有能产生青霉素酶的杂菌，都能使青霉素迅速破坏。不同产品链霉素、四环素、红霉素、卡那霉素等虽不象青霉素发酵染菌那样一无所得，但也会造成不同程度的危害。如杂菌大量消耗营养干扰生产菌的正常代谢；改变pH，降低产量。灰黄霉素、制霉菌素、克念菌素等抗生素抑制霉菌，对细菌几乎没有抑制和杀灭作用。不同产品对疫苗生产危害很大。现在疫苗多采用深层培养，这是一类不加提纯而直接使用的产品，在其深层培养过程中，一旦污染杂菌，不论死菌、活菌或内外毒素，都应全部废弃。因此，发酵罐容积越大，污染杂菌后的损失也越大。2、污染不同种类和性质的微生物的影响（1）污染噬菌体噬菌体的感染力很强，传播蔓延迅速，也较防治，故危害极大。污染噬菌体后，可使发酵产量大幅度下降，严重的造成断种，被迫停产。（2）污染其它杂菌有些杂菌会使生产菌自溶产生大量泡沫，即使添加消泡剂也无法控制逃液，影响发酵过程的通气搅拌。有的杂菌会使发酵液发臭、发酸，致使pH下降，使不耐酸的产品破坏。特别是染芽孢杆菌，由于芽孢耐热，不易杀死，往往一次染菌后会反复染菌。由于接种量较小，生产菌生长一开始不占优势，而且培养基营养丰富，容易污染杂菌。种子染菌对发酵危害极大，应严格控制种子染菌，如在此阶段染菌，应将培养液全部废弃。3、不同发酵时期染菌对发酵的影响（1）种子培养期染菌（2）发酵前期染菌发酵前期最易染菌。原因发酵前期菌量不很多，与杂菌没有竞争优势；且还未合成产物（抗生素）或产生很少，抵御杂菌能力弱。在这个时期要特别警惕以防止染菌的发生。措施可以用降低培养温度，调整补料量，用酸碱调pH值，缩短培养周期等措施予以补救。如果前期染菌，且培养基养料消耗不多，可以重新灭菌，补加一些营养，重新接种再用。发酵中期染菌，处理困难，危害很大。（3）发酵中期染菌发酵中期染菌会严重干扰产生菌的代谢。杂菌大量产酸，培养液pH下降；糖、氮消耗快，发酵液发粘，菌丝自溶，产物分泌减少或停止，有时甚至会使已产生的产物分解。有时也会使发酵液发臭，产生大量泡沫。措施降温培养，减少补料，密切注意代谢变化情况。如果发酵单位到达一定水平可以提前放罐，或者抗生素生产中可以将高单位的发酵液输送一部分到染菌罐，抑制杂菌。（4）发酵后期染菌发酵后期发酵液内已积累大量的产物，特别是抗生素，对杂菌有一定的抑制或杀灭能力。因此如果染菌不多，对生产影响不大。如果染菌严重，又破坏性较大，可以提前放罐。4、杂菌污染对发酵产物提取和产品质量的影响1）发酵染菌对过滤的影响染菌的发酵液一般发粘，菌体大多数自溶，所以在发酵液过滤时不能或很难形成滤饼，导致过滤困难。污染杂菌的种类对过滤的影响程度有差异，如污染霉菌时，影响较小，而污染细菌时很难过滤。由于过滤困难，过滤时间拉长，影响发酵液储罐和过滤设备的周转使用，破坏了生产平衡。染菌发酵液还会因过滤困难而大幅度降低过滤收率，直接影响提取总收率。2）发酵染菌对提取的影响染菌发酵液中含有比正常发酵液更多的水溶性蛋白和其它杂质。采用有机溶剂萃取的提炼工艺，则极易发生乳化，很难使水相和溶剂相分离，影响进一步提纯。采用直接用离子交换树脂的提取工艺，如链霉素、庆大霉素，染菌后大量杂菌黏附在离子交换树脂表面，或被离子交换树脂吸附，大大降低离子交换树脂的交换容量，而且有的杂菌很难用水冲洗干净，洗脱时与产物一起进入洗脱液，影响进一步提纯。四、杂菌污染的防治1、染菌的检查显微镜检查法：平板划线培养检查法：肉汤培养检查法：发酵过程的异常现象观察法：溶解氧、pH、尾气中的CO2含量、发酵液黏度、颜色等的异常变化，都可能是发生染菌的重要信息。溶解氧水平的异常变化污染好氧性杂菌，溶解氧在短时间内下降，并接近零值，长时间不能回升；污染非好氧性杂菌，生产菌受到抑制，耗氧量减少，溶解氧升高。pH异常对于污染产酸菌或利用碳源效率高生长较快的杂菌，会使pH迅速下降。尾气中CO2含量异常污染杂菌，糖耗加快，CO2含量增加；感染噬菌体，糖耗减慢，CO2含量减少。2、污染的原因分析染菌的原因复杂，包括种子带菌、空气带菌、设备渗漏、培养基或补料液灭菌不彻底、操作失误、技术管理不善等。日本工业技术院发酵研究所多年来抗生素发酵染菌原因分析项目百分率%种子带菌或怀疑种子带菌9.64接种时罐压跌零0.19培养基灭菌不透0.79总空气系统有菌19.96泡沫冒顶0.48夹套穿孔12.36盘管穿孔5.89接种管穿孔0.39阀门渗漏1.45搅拌轴密封渗漏2.09罐盖漏1.54其它设备渗漏10.13操作原因10.15原因不明24.941）从污染杂菌的种类分析污染耐热芽孢杆菌：培养基或设备灭菌不彻底；污染不耐热杂菌：种子带菌、空气除菌不彻底、设备渗漏或操作问题；污染浅绿色菌落杂菌：冷却盘管渗漏引起；污染霉菌：无菌室灭菌不彻底，或操作问题；污染酵母菌：糖液灭菌不彻底。2）从污染时间分析发酵前期染菌：种子带菌、培养基或设备灭菌不彻底、操作不当或空气带菌；发酵后期染菌：中间补料污染、设备渗漏或操作问题。3）从染菌程度分析多个罐染菌：种子带菌、空气系统问题；个别罐染菌：设备问题、操作不当。3、杂菌污染的途径及其预防措施1）种子带菌种子带菌又分为种子本身带菌和种子培养过程中染菌。加强种子管理，严格无菌操作，种子本身带菌是可以克服的。种子培养过程染菌与发酵一样有许多因素造成。防止种子带菌制备种子时对沙土管及摇瓶严格加以控制。沙土制备时要多次间歇灭菌注意接种时的无菌操作子瓶、母瓶的移种和培养无菌室和摇床间都要保持清洁。无菌室内要供给恒温恒湿的无菌空气，还要装紫外灯用以灭菌，或用化学药品灭菌。无菌室要求在无菌室中装有紫外灯，打开紫外灯，照半小时，关灯后15分钟再接种。用消毒药水如新洁而灭配成1/1000浓度擦桌子、拖地，开启超净台的通风，接种时必须在超净台上操作，超净台装有一台鼓风机，进风口有一粗过滤器，出风口有高效过滤器，保证无菌风从超净台吹出，外界有菌空气不可能进入接种区域，保证无菌条件。接种人员必须穿好无菌服，戴好口罩，手用酒精棉球擦干净。2）空气带菌从日本工业技术院分析空气带菌而造成的染菌为19.96％。国内外空气除菌技术虽已有较大改善，但仍然没有使染菌率降低到理想的程度。因为空气除菌系统较为复杂，环节多，偶遇不慎便会导致空气除菌失败。防止空气引起的染菌空气过滤除菌设备流程空压机储罐二级冷却加热器空气过滤器粗过滤空气冷却器的列管穿孔泄露，冷却水会渗入到空气中，造成染菌。棉花-活性炭过滤器长期使用后，棉花和活性炭的体积被压缩而松动，如果上下端棉花铺得厚薄不均，厚的一边阻力大空气不畅通，薄的一边空气容易通过，久而久之，薄的一边长期受空气顶吹而使棉花活性炭改变位置，造成过滤器失效。过滤器用蒸汽灭菌时，若被蒸汽冷凝水润湿就会降低或丧失过滤效能，灭菌完毕应立即缓慢通入压缩空气，将水分吹干。3）设备渗漏设备渗漏包括夹套穿孔、盘管穿孔、接种管穿孔、阀门渗漏、搅拌轴渗漏、罐盖漏和其它设备漏等。从日本工业技术院发酵研究所对染菌原因分析发现，这类染菌占33.85％。所以说加强设备本身及附属零部件的严密度检查，对制服染菌是极其主要的，也是重要的。防止设备渗漏发酵设备及附件由于化学腐蚀、电化学腐蚀，物料与设备摩擦造成机械磨损以及加工制作不良等原因会导致设备及附件渗漏。设备上一旦渗漏，就会造成染菌，例如冷却盘管、夹套穿孔渗漏，有菌的冷却水便会通过漏孔而进入发酵罐中招致染菌。阀门渗漏也会使带菌的空气或水进入发酵罐而造成染菌。设备上的漏隙如果肉眼能看见，容易发现，也容易治理；但有的微小泄漏，肉眼看不见，必须通过一定的试漏方法才能发现。试漏方法可采用水压试漏法。即被测设备的出口处装上压力表，将水压入设备，待设备中压力上升到要求压力，关闭进出水，看压力有否下降。压力下降则有渗漏。但有些渗漏很小，看不出何处漏水，可以用稀碱溶液压入设备，然后用蘸有酚酞的纱布揩，只要酚酞能变红处即为渗漏处。阀门渗漏可以用集气桶来试漏。方法是先在集气桶中装满水，然后关闭所有阀门，向发酵罐中通入空气，使罐压上升到要求压力，一般一公斤以上。由于集气桶连通各管道，观察哪根管子冒泡，即这根管子的阀门漏气。4）灭菌不彻底灭菌技术的好坏与灭菌质量很有关系蒸汽通入培养基。升温快慢、保温时间、泡沫的产生；蒸汽总压是否达到要求标准环境中的杂菌数量因季节而有很大差别。如上海第四制药厂在卡那霉素生产中，于炎热的夏季将连续灭菌预热至800C的培养基采样培养，可发现无法计数的大量的芽孢杆菌；而在冬季取样的培养中，则仅发现2～3个芽孢杆菌。原材料储存和保管，如液胨、玉米浆、母液糖等有机原料——杂菌的数量发酵罐、培养基配制罐等设备的清洗质量——有无灭菌的死角对减少或避免染菌仍然是十分必要的。五、发酵工业的无菌技术1．化学试剂灭菌法：常用试剂有甲醛、氯气（或次氯酸钠）、高锰酸钾、环氧乙烷、季铵盐（如新洁尔灭）、臭氧等。这些物质易与微生物细胞中的一些成分产生化学反应，如使蛋白质变性、酶类失活、破坏细胞膜通透性而杀灭微生物。由于化学试剂也会与培养基中的一些成分作用，而且加入培养基后不易去除，它不能用于培养基的灭菌，但染菌后的培养基可用化学药剂处理。2．辐射灭菌：利用高能量的电磁辐射和微粒辐射来杀灭微生物。如紫外线（穿透力低，仅适用于表面消毒和空气消毒）与菌体核酸的光化学反应而使菌体死亡；（0.01-0.14nm）的X射线、Co60产生的γ射线，它们含极高的能量，可使菌体内的水和有机物产生强烈的离子化反应，形成OH-、H2O2和有机过氧化物，从而在微生物体内引起氧化连锁反应，导致微生物菌体迅速死亡。近年兴起了微波灭菌。3．过滤除菌法适用于澄清液体和气体的除菌。是将液体或气体用微孔薄膜过滤，使大于孔径的细菌等微生物颗粒阻留，从而达到除菌目的