培养基的制备和灭菌设备

❖ 进汽：凡开口在培养基液 面以下的各连接管道及冲 视镜管道都应进汽
❖ 排汽：凡开口在液面之上 者均应排汽
❖ “三进四出”、“三进五 出”
冷却降温阶段
❖ 关汽：关闭各排汽、 进汽阀门
❖ 通水：向罐夹套或 蛇管中通入冷却水 降温
❖ 送气：向罐内送入 无菌空气，降温不 降压
（二）分批灭菌特点
优点：不需要专门的灭菌设备，投资少；对 设备要求简单，对蒸汽的要求也比较 低；操作简单易行，灭菌效果可靠
KF T t2
式中：τ1—间接加热时间，h
G—培养基的质量，Kg C1—培养基的比热，kJ/kg.℃ K—总传热系数， kJ/m2.h.℃ F—传热面积，m2 T—加热蒸汽温度，℃ t1—加热前培养基的温度，℃ t2—加热后培养基的温度，℃
② 维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） ❖ 维持保温时间：
N0 40106 2107 8 1014 (个) N S 0.001(个 ） k 0.25(s1 ) t 1 ln N0 2.7(min)
k NS
二、分批灭菌过程与计算
（一）分批灭菌操作过程
(实罐灭菌或实消)
❖ 升温：将培养基置于 发酵罐中用蒸汽加热
❖ 保温：达到预定灭菌 温度后维持一定时间
A
WC2(T t1)(1 1 ) A
∴ d GC1 1 dT GC1 A dT
WC 2 1 1 T t1 WC 2 A 1 T t1 A
上式积分：
3 d GC1 A T2 dT
0
WC 2 A 1 T1 T t1
冷却降温时间：
3 GC1 A ln T 1 t1
WC 2 A 1 T 2 t1
式中： T1—培养基冷却前的温度，℃ T2—培养基冷却后的温度，℃
2、加热和冷却介质用量
加热蒸汽用量：
S1 GC1(T 2 T 1)
I
式中：I—加热蒸汽的焓，kJ/kg
λ—冷凝水的焓，kJ/kg
保温蒸汽用量：
S 2 1.19 F 2
P
式中：F—排汽口的面积，m2 P—罐内蒸汽压力，atm υ—蒸汽比容，m3/kg
缺点：占罐时间长，发酵罐的利用率低；灭 菌所需时间较长，使培养基中营养成 分破坏较多；用汽不平衡
适用：生产规模较小或极易发泡、粘度较大 难以连续灭菌的培养基灭菌
（三）分批灭菌的计算
❖ 确定灭菌操作的时间和所需加热及冷却介质用量 1、灭菌操作时间 ① 加热升温阶段(先间接加热，后直接加热) ② 维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） ③ 冷却降温阶段（间接冷却到发酵温度） 2、加热和冷却介质用量 ① 加热蒸汽用量（热量衡算） ② 保温蒸汽用量（估算） ③ 冷却水用量 （冷却水流量和冷却时间）
膨胀阀 急聚蒸发室
❖ 真空冷却可能造成培养 基重新污染
灭菌好的培养液
图2-5 加热-真空冷却连续灭菌流程
③.板式换热连续灭菌流程 流程：薄板换热器加热、管道维持、薄板换
热器冷却
灭菌好的培养液
蒸汽
水冷 却段
热回 收段
加热 段
冷却水
生培养液
维持段
图2-6 薄板换热器连续灭菌流程
特点
❖ 在一台薄板换热器中完成培养液的预热、加热及 冷却三个过程
⑤ 若用10℃的冷却水，冷却灭菌后的培养基，将其从 121℃降至30℃。已知当培养基降至80℃时，冷却水出 口温度为30℃，求冷却水用量及冷却时间？
三、连续灭菌流程与设备
连续灭菌（连消）：将培养基连续加热升温、
1、特点
保温灭菌、冷却降温
优点： 提高产量，设备利用率高 培养基受热时间较短，所含
营养成分破坏较少 蒸汽负荷均衡，操作方便 降低了劳动强度，适宜自动
T2 kdT
km T1 T1 T 2
近似计算：
1 km (k1 k 2 4k中)
6
式中：k1—T1（ 100℃）时灭菌速率常数，s-1 k2—T2（ 灭菌温度）时灭菌速率常数，s-1 K中—(T1＋T2)/2时灭菌速率常数，s-1
保温时间： 2 1 ln Np 2.303 lg N p
KF t t1 ln T t1
WC2 tm
T t
KF
e W C2
T t1
T t
设
KF
A eWC2
T t1
T t
则 t T T t1 A
培养基： dQ GC1dT
∵ dQ GC1dT WC2(t t1)
d
d
WC2(T T t1 t1) A
WC
2(T
t1)
T
t1
❖细胞死亡的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能大得多 ❖当温度升高时，细菌的死亡速率的增加要比营养成分的破坏
速率的增加大得多，而所需灭菌时间大大缩短 ❖采用高温短时间的灭菌方法，可以减少营养成分的损失
例1：有一发酵罐，内装培养基40m3，在121℃的温度 下进行实罐灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢 2×107个，在121 ℃时的灭菌速率常数为0.0287s-1。 试求灭菌失败的几率为0.001所需的时间。 解：
不考虑升、降温阶段的灭菌作用时：
保温时间： 2 1 ln N0 2.303 lg N0
（灭菌时间）
k NS
k
计算升温阶段的灭菌作用时：∵
NS
p
1
ln N0
km Np
∴
Np
N0 ekm p
式中：τp—升温时间，h （一般是指从100℃到灭菌温度的时间）
km—τp阶段的平均灭菌速率常数，s-1
❖ 培养液的预热过程同时为灭菌后培养液的冷却过 程，减少了加热蒸汽和冷却水的用量
4、设备构造和计算
（1）连消塔
作用：加热培养基至灭菌 温度
蒸汽
出料口
培养液
要求：在20s~30s或更短 的
时间内将料液加热
至130℃~140℃
培养液
类型：套管式、混合式
排液口
蒸汽进口 进料口
图2-7 连消塔的构造
图2-8 连消器的构造
① 不计升、降温阶段的灭菌作用，灭菌所需时间？ （logK＝－14854/T+36.127）
② 其它条件不变，培养基体积增大一倍，灭菌时间是多 少？
③ 若已知升降温阶段培养基从100℃升至121℃共需 15min，那么升温结束时，培养基中残存芽孢数及在 121℃保温时间？
④ 若发酵罐的传热面积为25m2，则用2kg/cm2（表）的 蒸汽间接加热使培养基由25℃升至90℃，所需时间？ （K=4.187×400KJ/m3·h·℃ 、 ρ=1000kg/m3）
N0 40106 2107 81014 (个) NS 0.001(个） k 0.0287(s1) t 1 ln N0 23.9(min)
k NS
例2：有一发酵罐，内装培养基40m3，在131℃的温度 下进行连续灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢 2×107个，在131 ℃时的灭菌速率常数为0.25s-1。试求 灭菌失败的几率为0.001所需的时间。 解：
1、灭菌操作时间
① 加热升温阶段(先间接加热，后直接加热)
❖ 间接加热时间：（不稳定传热）
传热速率： dQ kF(T t) 蒸汽 T
d
Gt
培养基： dQ GC1dt
两式合并： 上式积分：
GC1dt kF(T t)
d
1 d
0
GC1 KF
t2 dt t1 T - t
冷凝水
间接加热时间： 1 GC1 ln T t1
冷却水用量： 已知冷却水流量W，计算A
KF
A eWC2
计算冷却时间τ3和冷却水用量 Q= W τ3
要求τ3时间完成冷却，试差求A
3
GC1 KF
A ln A 1
T1 t1 T 2 t1
ln A
W KF C2 ln A
A ln A KF 3
A 1
GC1ln T 1 t1
计算W和Q
T 2 t1
第三章 培养基的制备设备
主要内容：第一节 培养基的灭菌设备 第二节 原料的蒸煮与糖化设备 第三节 麦芽汁的制备设备 第四节 淀粉水解制糖设备
学习要求：掌握培养基的分批灭菌计算、连 续灭菌流程和设备的结构及设计 了解培养基制备设备的结构和设计
第一节 培养基的灭菌设备
一、灭菌的基本理论 二、分批灭菌过程与计算 三、连续灭菌流程与设备
分批灭菌讨论： ❖ 对于工业规模的灭菌操作，完成整个灭
菌周期一般约需3h~5h，其各阶段对灭菌 效果贡献大致如下：
N加/N总=20% N保/N总=75% N冷/N总=5%
习题：有一发酵罐，内装培养基18.5m3，于121℃下进行实 罐灭菌。若每毫升培养基中含耐热芽孢杆菌2×107个， 灭菌失败几率是10－3，试求
（三）加热灭菌方式
培养基→加热升温→维持保温→冷却降温→发酵
分批灭菌：三个过程在一个设备内完成 连续灭菌：三个过程分别在不同的设备内完成
（四）灭菌要求
❖ 达到无菌程度 ❖ 尽量减少营养成分损失 ❖ 降低能量消耗
（五）理论灭菌时间
微生物的受热死灭过程属于一级—受热时间 N——活菌个数 k——反应速率常数，随反应温度变化
E
k Ae RT
式中： E—活化能
T—加热温度 R—气体常数 A—常数
（六）灭菌温度
加热温度和受热时间与灭菌程度和营养成分的破坏都有关系
细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能
活化能E
细菌死亡(kJ/mol) 4.187×(50～100)
酶、蛋白质或维生素破坏 4.187×(2～26)
葡萄糖破坏 4.187×24
温度，密封性好，回
图2-3 培养基连续灭菌过程中温度的变化
收热能