第六章 发酵工程基本操作

1．阻截滞留： 微粒随空气气流向前运
动，随气流运动的粒子在接近纤维表面 的部分由于与过滤介质接触而被纤维吸 附捕集，这种作用称之为阻截滞留。
空气流速愈小，纤维直径愈细，阻拦 截留作用愈大。
2．惯性冲击滞留：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变运动方 向时，微粒惯性作用使其仍沿原方向前进碰撞 到纤维表面，产生摩擦粘附而使微粒被截留在 纤维表面，这种作用称惯性冲击滞留。 截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，截留效果也 愈好。此外，其作用也与纤维直径有关，纤维 愈细，捕集效果愈好。惯性冲击滞留在介质除 尘中起主要作用。

（2）还可以用气体灭菌剂如环氧乙烷等
对个别成分进行灭菌处理。
六、灭菌效果监测
１、高压蒸汽灭菌效果监测 (1) 高压蒸汽灭菌指示卡 ：将卡片放入灭

菌器不同部位，观察灭菌后指示卡颜色变化。

(2)芽孢菌片法：将染有嗜热脂肪杆菌芽孢
105cfu/ml的菌片包好、放入灭菌器内。灭菌 后作细菌计数测定。对照是不经灭菌的菌片， 芽孢完全被杀灭或杀灭率达99.9999％为合格。

（二）实罐灭菌

将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预 定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发 酵温度，然后接种发酵，这叫做实罐灭菌， 又称分批灭菌。
三路进汽：蒸汽直接从通风、取样和出料口 进入罐内直接加热，直到所规定的温度，并 维持一定的时间。这就是所谓的“三路进 汽”。

（三）连续加压灭菌法

②提高了发酵罐、锅炉的利用率；
③降低了劳动强度；适宜自动化操作。
采用高温灭菌的原理及优点

杀死微生物芽孢的活化能大于维生素分解的活 化能，灭菌中总体上希望尽可能的杀灭微生物， 同时少破坏营养成分。
灭菌温度上升，灭菌速度常数增加速度大于培 养基成分破坏增加的速度，因此，灭菌温度上 升，则杀死微生物速度增加大于培养基成分破 坏速度的增加。 因而生产中多采用高温或超高温灭菌，其在杀 灭微生物的同时可减少培养基营养成分的破坏
空气净化的流程
吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤 进入空气压缩机（120-150℃） 冷却（20-25℃），除去油、水，再加热 至30-35℃。 最后通过总过滤器和分过滤器除菌，获 得洁净度、压力、温度和流量都符合要 求的无菌空气。

四、过滤除菌设备原理
概述：

目前发酵工厂采用的空气过滤设备大多 数是传统的深层过滤设备，滤层厚度一 般为1～2米，所用的过滤介质一般是棉 花、活性炭、玻璃纤维、焦炭等。
浓度较高的培养基相对需要较高温度和 较长时间灭菌。



3、培养基中的颗粒物质
培养基中的颗粒物质大，灭菌困难，反之，灭
菌容易。一般说来，含有颗粒对培养基灭菌影
响不大，但在培养基混有较大颗粒，特别是存 在凝结成团的胶体时，会影响灭菌效果，必须 过滤除去。
五、其他除菌方法

（1）过滤除菌法 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。在体外培养时，过滤除 菌大多用于遇热容易变性而失效的试剂 或培养液。
第六章 发酵工程基本操作
第一节 严格消毒灭菌
一、灭菌（sterilization）
除菌的方法

培养基的加热灭菌（包括常压或蒸汽高压加热
法）

空气的过滤除菌


紫外线或电离辐射
化学药物灭菌
二、灭菌设备
l、高压蒸汽灭菌

手提式灭菌锅 立式或卧式灭菌锅 灭菌柜 多用于少量培养基的 灭菌，一般能装几十瓶或几百瓶。


１、棉花—活性炭过滤器
棉花是最常用的过滤介质，通常用纤维不太长 的原棉，其具有一定的弹性，经湿热灭菌、干 燥后仍能保持原有疏松状态。过滤阻力较活性 炭大（10~12倍）。

活性炭常被加工成粒状，其过滤效率比棉花低， 但具有阻力小，吸附力强（可吸附空气中有害 物质，如油、水）的特点，通常与棉花介质一 起使用，减少过滤层的阻力。

《 药品生产管理规范》中洁净度标准
洁净级别 尘粒数（粒/L） 菌落数


粒径≥0.5μm
100 ≤3.5 10000 ≤350 100000 ≤3500 ﹥100000 ≤35000
＜1 ＜3 ＜10 暂缺
二、空气除菌的方法
（一） 辐射杀菌 （二） 热杀菌 （三） 静电除菌 （四） 过滤除菌
3．高流量过滤器
Domnick
Hunter公司开发的聚四氟乙烯（PTFE） 材料为滤芯的高流量过滤器，它结合了深层过滤技 术和新的膜折叠技术。其过滤机理和过滤效率均同 Bio-x过滤器，但所用材料PTEE是一种坚韧的疏水 性材质，增加了过滤面积，使空气流量为Bio-x的3 倍，延长了使用寿命。这种过滤器的空隙率达94%， 大于普通的膜过滤器。
过滤网 高压水入口
空气入口
图4-9 水雾除尘装置
3 油水分离器

其内部同时采用直接拦截， 惯性碰撞，布朗扩散及凝 聚等机理，能有效地去除 空气中的水、油雾、尘埃， 内部不锈钢丝网可清洗， 使用寿命长。
空气出口
d
1
金属丝网
空气进口
L
D
h'
d
2
排污口
图4-13 丝网分离器示意图
h
排气
进气
出灰口 图4-11 旋风分离器

热灭菌

热空气进入培养系统之前，一般均需用压缩机 压缩，提高压力。

空气压缩后温度可达到120℃以上，保持一定
时间后，便可杀菌。
大型空气压缩机
静电除菌



静电除尘器可除去空气中的水雾、油雾、尘埃， 同时也除去微生物。 原理：利用静电引力来吸附带电粒子而达到除 尘灭菌目的。 对于一些直径小的微粒，所带电荷小，不能被 吸附而沉降。
２、紫外线消毒效果监测 ⑴ 微型紫外线强度计：

第二节
空气除菌
一、空气除菌概述
发酵对空气处理要求随发酵产品和菌种不同而异。

半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格， 一般无需复杂的空气净化处理；
密闭的深层通气发酵需严格的纯净培养，进入发 酵罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和过滤除 菌等处理。


培养基连消工艺流程图
四. 影响培养基灭菌的因素

1、pH值的影响 pH值对微生物的耐热性影响很大，pH为 6.0-8.0时微生物最不易死亡， pH<6.0时 氢离子易渗入微生物的细胞内。
2、培养基成分

培养基的成分中，油脂、糖类、蛋白质 都是传热的不良介质，会增加微生物的 耐热性，使灭菌困难。
3．布朗扩散运动：直径小于1μ m的微粒 在运动中往往产生一种不规则的布朗运动， 使微粒间相互凝集成较大的粒子，从而发 生重力沉降或被介质阻留。但是这种作用 只有在气流速度较低时才较显著。
４、重力沉降作用

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。
4 空 气 贮 罐
空气出口
空气入口
图4-10 空气贮罐示意图
两级分离、冷却、加热空气除菌
高效前置过滤除菌流程
5 1 3 2 4 6 7
图4-5 高效前置过滤空气除菌流程 1-高效前置过滤器 2-压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-丝网分离器 6-加热器 7-过滤器
利用压缩机抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机 ， 再经冷却、分离，进入主过滤器过滤，就可获得无菌程度很高的空气。

棉花活性炭过滤器的过滤效率可达99%.


其过滤介质装填为：
上部和下部装填棉花，其厚度为总过滤层 的2³（1/4~1/3），中间再装入1/2~1/3厚 度的活性炭。一般棉花的填充密度为 150~200公斤/米3，活性炭40~450公斤/米3。
上花板 纤维介质
出口
活性炭颗粒 纤维介质 下花板 进口
空气过滤
（一）深层过滤原理

棉花的纤维直径一般为16~20微米。填充 系数为8%时，棉花纤维所形成网格的孔 隙为20～50微米，微粒大小为(0.5-2微米)。

微粒气流运动方向改变引起微粒对滤层 纤维产生惯性冲击滞留、阻截滞留、重 力沉降、布朗扩散、静电吸附等作用而 把微粒滞留在纤维表面上。
纤维介质阻留微粒的机制
５、静电吸附作用
干空气对非导体物质相对运动摩擦产生 诱导电荷，纤维和树脂处理过的纤维， 尤其是一些合成纤维更为显著。 悬浮在空气中的微生物微粒大多带有不 同的电荷，这些带电的微粒会受带异性 电荷的物体所吸引而沉降。

（二）空气过滤除菌介质
１、棉花：纤维细长，16-20 μm，填充150-200 kg/ 立方米 ２、玻璃纤维：直径8-19 μm，直径越小越好，但 小易断，缺点：更换时碎末飞扬，过敏 ３、活性炭 ：大表面，物理吸附，空气阻力小，常 夹带在二层棉花中降低阻力 ４、超细玻璃纤维纸:拦截为主，直径1-1.5 μm，有 较高过滤效率。缺点为强度差，受热后松散。
图4-20 棉花（玻璃棉）-活性炭过滤器示意图
过滤器失效


1.活性炭灰化
压缩空气进入过滤器后引起活性炭颗粒间相互 碰撞摩擦，久而成为粉末(灰化)，活性炭的体 积逐渐变小，过滤器内空间逐渐增大，到达定程度时，便会发生棉花成90°翻身现象。空
气会未经过滤而进入罐内，引起染菌。


2. 棉花粉末化
棉花经过多次加热灭菌后，颜色逐渐变深，靠近 过滤器壁的棉花受夹层蒸气烤干，受热剧烈，容 易变成粉末而被空气带走，造成过滤层有缝隙， 使过滤层疏松而漏风．甚至还因过高的压力和过 长时间烘烤而引起棉花活性炭着火。