发酵工艺原理第五章

1第五章培养基的灭菌2本章讲述的内容第一节培养基灭菌的目的、要求和方法第二节湿热灭菌的理论基础3第一节培养基灭菌的目的、要求和方法一、定义1，培养基灭菌的定义•是指从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子，或从中将其除去。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。42，灭菌与消毒的区别•灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子•消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物。5二、培养基灭菌的目的1，在发酵过程中夹杂其它杂菌造成的后果：•生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；•在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主；•杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难•杂菌会降解目的产物；•杂菌会污染最终产品，杂菌会污染最终产品；•发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。62，工业上具体措施包括：1）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；3）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；5）使用无污染的纯粹种子。73，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。84，培养基灭菌的要求•达到要求的无菌程度（10-3）•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：–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。94，灭菌的方法•化学法–化学药品灭菌法•物理法–干热灭菌法–湿热灭菌法–射线灭菌法105，湿热灭菌的原理•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死亡，加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的。116，湿热灭菌中的相关定义•杀死微生物的极限温度称为致死温度。在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间称为致死时间；在致死温度以上，温度愈高，致死时间愈短。•微生物的热阻：是指微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间。相对热阻是指某一微生物在某条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。12各种微生物对湿热的相对热阻微生物相对热阻营养细胞和酵母1.0细菌芽孢3×106霉菌孢子2~10病毒和噬菌体1~5137，湿热灭菌的优点•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；•蒸汽有很大的潜热；•操作方便，易管理。14第二节湿热灭菌的理论基础一，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N0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。•灭菌温度和时间的确定取决于：–杂菌孢子的热灭死动力学–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15二、微生物的热死灭动力学方程•实验证明，微生物营养细胞的均相热死灭动力学符合化学反应的一级反应动力学，即：（1）N：任一时刻的活细菌浓度（个/L）t：时间（min）K：比热死速率常数（min-1）NkdtdN16•取边界条件t0=0，N=N0，对（1）积分得（2）或（3）tKNN0lnKteNN017•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学。这可能与孢子壁的化学成分及结构有关。但当温度超过120˚C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动力学即符合一级反应规律。18三、温度对K的影响•微生物的热死灭动力学接近一级反应动力学•它的比热死灭速率常数K与灭菌温度T的关系可用阿累尼乌斯方程表征（4）A：频率因子（min-1）ΔE：活化能（J/mol）R：通用气体常数[J/（mol.k）]RTEeAK/19•从（4）可以看出：–活化能ΔE的大小对K值有重大影响。其它条件相同时，ΔE越高，K越低，热死灭速率越慢。–不同菌的孢子的热死灭反应ΔE可能各不相同。–对（4）两边取对数，得（5）–K是ΔE和T的函数，K的对T的变化率与ΔE有关，对（5）两边对T的导数，得（6）RTEeAK/（4）20AKRTElnln（5）1/TK（min-1）21–K是ΔE和T的函数，K的对T的变化率与ΔE有关，对（5）两边对T的导数，得（6）由（6）可得出结论：反应的ΔE越高，lnK对T的变化率越大，即T的变化对K的影响越大2lnTREdTKd（6）22•试验表明，细菌孢子热死灭反应的ΔE很高，而某些有效成分热破坏反应的ΔE较低。•将温度提高到一定程度，会加速细菌孢子的死灭速度，缩短灭菌时间，由于有效成分的ΔE很低，温度的提高只能稍微增大其破坏速度，但由于灭菌时间的显著缩短，有效成分的破坏反而减少受热物质ΔE（J/mol）维生素B1296232维生素B1盐酸盐92048嗜热脂肪芽孢杆菌孢子283257肉毒梭菌孢子343088枯草杆菌孢子31798423•ΔEBS=67000×4.184（J/mol）•ΔEVB=22000×4.184（J/mol）•将灭菌温度从105˚C提高到127˚C•KVB从0.02（min-1）提高到0.06（min-1）•KBS从0.12（min-1）提高到40.0（min-1）嗜热脂肪芽孢杆菌孢子和维生素B1的lnK-1/T图24嗜热脂肪芽孢杆菌孢子死灭程度为N/N0=10-16时，灭菌温度对维生素B1破坏的影响灭菌温度（˚C）达到灭菌程度的时间（min）维生素B1的损失（%）10084399.9911075891207.6271300.851101400.10731500.015125四、连续灭菌与间歇灭菌的比较1，连续灭菌的优缺点•优点–保留较多的营养质量–容易放大–较易自动控制；–糖受蒸汽的影响较少；–缩短灭菌周期；–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。•缺点–设备比较复杂，投资较大。262，分批灭菌的优缺点•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，一般只限于中小型发酵装置。27五、影响灭菌的因素•培养基成分对灭菌的影响–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。•培养基的物理状态对灭菌的影响•培养基中微生物数量对灭菌的影响•培养基中氢离子浓度对灭菌的影响–培养基中氢离子浓度直接影响灭菌的效果。培养基的酸碱度越大，所需杀灭微生物的温度越低。28•微生物细胞中水分对灭菌的影响–细胞含水越多，蛋白质变性的温度越底•微生物细胞菌龄对灭菌的影响–老细胞水分含量低、低龄细胞水分含量高•空气排除情况对灭菌的影响•搅拌对灭菌的影响•泡沫对灭菌的影响