01 培养基制备设备

付彦凯中国矿业大学化学工程（生物化工）TEL:[phone]QQ:942686055MatlabEndnoteGoogle学术小木虫生物工程设备（生化设备操作技术）第一章培养基制备设备第一章培养基制备设备第一节培养基的灭菌设备1.1培养基的灭菌设备液体培养基的灭菌可利用热量、化学药物和电磁波，也可用机械方法，例如过滤、离心分离、静电等方法，还有的采用x-射线、γ-射线、紫外线、超声波、微波等对物料进行灭菌。但我国仍采用蒸汽加热灭菌的较多。工厂中蒸汽容易获得，这种方法采用高温短时间灭菌，培养基营养成分的破坏较少，又便于自动化，是一种简单、廉价、有效的灭菌方法。任务一•在生物工程中，不同的系统对培养基灭菌程度的要求不同。绝对的无菌是不可能的，也是不合理的。对于液体培养基的热灭菌，工程上要解决的问题是：将培养基的活菌总数N0杀灭到可以接受的总数N时，需要多高的温度、多长的时间呢？1.1培养基的灭菌设备1.1.1培养基的热灭菌动力学在一定温度下，活的微生物杂菌细胞（包括杂菌芽孢），受热死亡过程遵照分子反应速度理论，与一级化学反应中未反应分子的减少速度类似。杂菌是一个复杂的高分子体系，其受热死亡是因蛋白质高分子物质不活泼，结果导致蛋白质变性，这种反应同属于一级反应。1．对数残留公式与理论灭菌时间杂菌在一定温度下，受热死亡遵循一级反应方程的规律。1.1培养基的灭菌设备()dNd(2-4)dNkNdNk活菌的减少率与有下列关系：——活菌个数；——受热时间；——反应速度常数，（s-1），大小与微生物的种类和加热温度有关。将上式积分：——灭菌时间，——灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数，mL；——经灭菌时间后，残存活菌的个数，mL0sNN0(2-5)SONXNdNkdN1.1培养基的灭菌设备00(2-6)N2.303lg(2-7)ssNInkNkN得：以上两式是分别以自然对数形式和常用对数形式表示的液体热灭菌的对数残留公式。由上两式可得理论灭菌时间：001(2-8)1=2.303lg(2-9)ssNInkNNkN1020304050607080901000.911.11.21.31.4x104NStimefplot('1000*log(10^6/x)',[1,100])xlabel('N_S')ylabel('time')1.1培养基的灭菌设备0sN理论灭菌时间，是指特定灭菌温度下的灭菌时间，但实际生产中蒸汽加热灭菌的时间则以工厂的经验数据来确定，通常高温灭菌时间为15～30s，然后根据生产的类型再在维持罐内维持8～25。若要求培养基灭菌后绝对无菌，即，从上面公式可以看出，灭菌时间将等于无穷大，这当然是不可能的。根据实际情况，培养基灭菌后，以培养液中还残留一定的活菌数来计算。工程上，通常以，即杂菌污染降低到被处理的每1000罐中，只残留一个活菌。310/sN个罐1.1培养基的灭菌设备2E-RT(2-10)k=AedInKEdTRT1.1.2．灭菌温度与菌死亡的反应速度常数的关系微生物的热死属于单分子反应，所以灭菌温度与菌死亡的反应速度常数的关系可用一级反应的公式——阿累尼乌斯方程表示：取：式中——菌死亡的速度常数，1/s——阿累尼乌斯常数，1/s；——气体常数（1.987×4.187J/(K·mol）(见图1-1菌死亡速度常数与温度的关系)——热力学温度，K；——细菌孢子的活化能，4.187J/mol;——2.718kARTEe1.1培养基的灭菌设备温度与菌死亡速度常数的关系，可用图1-1(细菌芽孢）作例子说明。在图中k和1/T之间呈直线关系。得：这就是加热灭菌的时间和温度之间的理论关系。实际上，湿热灭菌的时间和温度还要受培养基的质量、杂菌浓度、杂菌种类、培养基的pH等因素的影响。从上式中也可以看出，灭菌时间和温度与活化能有一定的关系。0011=(2-11)AERTsERTsNkAeInkNNeInN将代入中1.1培养基的灭菌设备图1-1菌死亡速度常数与温度的关系1.1培养基的灭菌设备3．活化能活化能是一种能量，是反应动力学中，能促使化学反应的一种能量。在活化能大的反应中，反应速度随温度的变化也大。反之，如果反应的活化能非常小，那么，反应速度随温度的变化也很小。据测定，细菌孢子死灭的活化能，大致在4.187×（50～100）KJ/mol的范围，营养成分中的酶、蛋白质或维生素破坏的活化能在4.187×（2～26）KJ/mol。从以上数值看，细菌死灭的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能大得多。图1-3表示了温度与细菌孢子死亡速度常数与酶或维生素破坏速度常数之间的关系。1.1培养基的灭菌设备图1-3温度对细菌孢子、维生素或酶破坏速度常数的关系1.1培养基的灭菌设备采用高温短时间对培养基进行灭菌，营养成分并不是不破坏，而是高温短时间可以使杂菌死亡，而营养成分因时间短破坏的较少。从而达到既灭菌彻底又较多的保持了营养成分的目的。从表1-1的实验数据中可以清楚地说明这个问题。1.1培养基的灭菌设备表1-1培养基达到完全灭菌时，灭菌温度和时间对培养基养分破坏的比较（以维生素B1为准）灭菌温度/℃灭菌时间/min营养成分破坏率/%灭菌温度/℃灭菌时间/min营养成分破坏率/%1101101151204003615499.36750271301451500.50.080.0182﹤1任务二•培养基制备中的常用灭菌设备有哪些？它们是如何工作的？它们有何优缺点？1.1培养基的灭菌设备1.1.2常用灭菌设备培养基的连续灭菌有以下优点：①提高产量，设备利用率高。②与分批灭菌比较，培养液受热时间短，培养基中营养成分破坏较少。③产品质量较易控制，蒸汽附和均衡，操作方便。④降低了劳动强度，适用于自动控制。2.2培养基的灭菌设备1．连消塔-喷淋冷却流程及设备（图1-5）图1-5为连消塔加热的连续灭菌流程。待灭菌料液由连消泵送入连消塔底端，料液在此被加热蒸汽立即加热到灭菌温度383～403K,由顶部流出，进入维持罐，维持8～25min，后经喷淋冷却器冷却到生产要求温度。连消塔构造如图1-10和图1-11。套管式连消塔内物料被加热到383～403K，培养液在管内高温灭菌的逗留时间为15～20s，流动线速度小于0.1m/s，蒸汽从小孔喷出速度为25～40m/s。2.2培养基的灭菌设备图1-5培养液连续灭菌流程1－料液罐；2－连消泵；3－连消塔；4－维持罐；5－喷淋冷却器2.2培养基的灭菌设备图1-10套管式连消塔图1-12连消器2.2培养基的灭菌设备2、喷射加热-真空冷却流程及设备图1-6所示为喷射加热的连续灭菌流程。培养液在指定的灭菌温度下逗留的时间由维持段管子的长度来保证。灭过菌的培养基通过一膨胀阀进入真空冷却器而急速冷却。此流程能保证培养液先进先出，避免过热或灭菌不透现象。图1-6为喷射加热示意图，当料液压入渐缩喷嘴，以高速喷出时，将蒸汽由吸入口经吸入室进入混合喷嘴中混合，混合段较长，有利于汽液混合。2.2培养基的灭菌设备图1-6喷射加热连续灭菌流程真空冷却器急速冷却2.2培养基的灭菌设备图1-13喷射加热器示意图1－喷嘴；2－吸入口；3－吸入室；4－混合喷嘴；5－混合段；6－扩大管2.2培养基的灭菌设备3、薄板换热器连续灭菌流程图1-7为薄板换热器连续灭菌流程。培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维持及冷却过程。利用薄板换热器进行连续灭菌时，加热和冷却培养液所需的时间比使用喷射式连续灭菌稍长，但灭菌周期则较间歇灭菌短得多。由于待灭菌培养液的预热过程同时为灭菌培养液的冷却的过程，所以节约了加热蒸汽及冷却水的消耗。2.2培养基的灭菌设备图1-7薄板换热器连续灭菌流程作业•P33：1、2（需画图）•请预习第二、三、四节。