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發(fā)酵工藝:發(fā)酵滅菌原理及全自動滅菌技術(shù)介紹
在發(fā)酵工業(yè)中,對培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌廣泛使用濕熱滅菌法。工廠里,蒸汽比較容易獲得,控制操作條件方便,是一種簡單而又價廉、有效的滅菌方法。
用濕熱滅菌的方法處理培養(yǎng)基,其加熱受熱時間與滅菌程度和營養(yǎng)成分的破壞都有關(guān)系。營養(yǎng)成分的減少將影響菌種的培養(yǎng)和產(chǎn)物的生成,所以滅菌程度和營養(yǎng)成分的破壞成為滅菌工作中的主要矛盾,恰當(dāng)掌握加熱受熱時間是滅菌工作的關(guān)鍵。
一、濕熱滅菌相關(guān)理論:
1、微生物的死亡速率:對數(shù)殘留定律
微生物受熱死亡的原因,主要是因高溫使微生物體內(nèi)的一些重要蛋白質(zhì),如酶等發(fā)生凝固、變性,從而導(dǎo)致微生物無法生存而死亡。微生物受熱而喪失活力,但其物理性質(zhì)不變。在一定溫度下,微生物的受熱死亡遵照分子反應(yīng)速度理論。在滅菌過程中,微生物的死亡速率與任一瞬時殘存的活菌數(shù)成正比,即對數(shù)殘留定律。
用N表示殘留活菌個數(shù),則活菌的減少率(死亡率)與N呈線性關(guān)系,即:
積分邊界條件:N0→Nθ;t0=0
注:
式中,θ:滅菌時間(s);
K,滅菌速度常數(shù);
N0:滅菌開始時培養(yǎng)基中雜菌個數(shù)(個);
N:經(jīng)過滅菌時間θ后殘存的活菌數(shù)(個),一般取N = 0.001,即1000次滅菌中有1 次失敗
關(guān)于上述公式幾點說明:
(1)K值越大,微生物越易死亡;
(2)一定溫度下,K隨M種類不同而異。一般來說,細(xì)菌營養(yǎng)體、酵母菌、放線菌、病毒及噬菌體對熱的抵抗力較弱,而細(xì)菌芽孢、霉菌孢子則較強。
(3)隨著溫度的變化,K有很大變化。溫度對K的影響遵循阿侖尼烏斯定律:
A:系數(shù),s-1;
△E:活化能,J/mol;
R:氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);
T:絕對溫度。
2、兩種常見滅菌方式:分批滅菌和連續(xù)滅菌理論時間計算及優(yōu)劣比較
(1)分批滅菌
分批滅菌通常分為升溫、保壓和降溫三個階段。
如只考慮保溫階段,以耐熱的芽孢桿菌為滅菌對象,發(fā)酵罐內(nèi)裝培養(yǎng)基40m3,121℃分批滅菌,初始培養(yǎng)基中含芽孢107個/mL,關(guān)于理論滅菌時間T計算可根據(jù)公式:
其中A=1.34×1036 s-1,
ΔE=2.844×105 J/mol,
則k=0.0281 s-1;
No=40×106×107=4×1014個,
Nt=0.001個,則T=24min,
理論上與一般分批滅菌條件121℃滅菌30min相差不大;若考慮升溫階段對滅菌的貢獻(xiàn),初始溫度從100℃計算,從保溫開始時培養(yǎng)基中活微生物數(shù)不是No而是Np,則:
其中Km為100℃至121℃時間內(nèi)滅菌常數(shù)平均值:
km=0.0061s-1,Np=2.65×1011個,保溫滅菌時間T=19.7min??紤]升溫段的滅菌作用后,保溫時間比不考慮的減少了18%。因此,發(fā)酵罐體積越大,其分批滅菌的升溫時間長,就更應(yīng)考慮升溫段的滅菌作用,其保溫時間應(yīng)更短。
(2)連續(xù)滅菌
連續(xù)滅菌過程中,培養(yǎng)基需要在短時間被加熱到滅菌溫度(130-140℃),短時間保溫(5-8min),快速冷卻,進(jìn)入已滅菌完畢的發(fā)酵罐。如忽略升溫的滅菌作用,根據(jù)公式
得到停留時間T=2.7min。從上述數(shù)據(jù)得出連續(xù)滅菌時間短,培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)損耗相對較少,然而連續(xù)滅菌對設(shè)備要求較高。
二、影響培養(yǎng)基滅菌效果的主要因素
1、培養(yǎng)基成分
培養(yǎng)基中的油脂、糖類和蛋白質(zhì)通常能夠增加微生物的耐熱性,使微生物的熱致死速率變慢,這主要是因為有機物質(zhì)會在微生物細(xì)胞外形成一層薄膜,阻礙熱的傳入,因此應(yīng)提高滅菌溫度或延長滅菌時間。相反培養(yǎng)基中高濃度的鹽類(如8%以上NaCl溶液)、色素會減弱微生物細(xì)胞的耐熱性,一般較易滅菌。在固形物含量高的情況下,滅菌溫度要高些。
2、培養(yǎng)基的pH值
pH對微生物的耐熱性影響很大。在pH6.0-8.0范圍內(nèi)微生物最耐熱,pH<6.0時,氫離子極易滲入細(xì)胞內(nèi),從而改變細(xì)胞的生理反應(yīng)促進(jìn)其死亡,故pH愈低,滅菌所需的時間愈短。一般微生物生長對培養(yǎng)基的pH都有一定的要求,在不允許調(diào)節(jié)pH的情況下,就要考慮適當(dāng)延長滅菌時間或提高滅菌溫度。
3、培養(yǎng)基的物理狀態(tài)
培養(yǎng)基的物理狀態(tài)對滅菌有極大的影響。固體培養(yǎng)基的滅菌時間要比液體培養(yǎng)基的滅菌時間長,如果100℃時液體培養(yǎng)基的滅菌時間為1h,固體培養(yǎng)基則需要2-3h才能達(dá)到同樣的滅菌效果。其原因在于液體培養(yǎng)基滅菌時,熱量傳遞是由傳導(dǎo)作用和對流作用完成的,而固體培養(yǎng)基只有傳導(dǎo)作用而沒有對流作用。此外,液體培養(yǎng)基中水的傳熱系數(shù)要比固體有機物質(zhì)大得多。越濃稠的培養(yǎng)基滅菌所需時間越長。
4、泡沫
泡沫中的空氣會形成隔熱層,使傳熱困難,對滅菌極為不利。對易產(chǎn)生泡沫的培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌時,可加入少量消泡劑。
5、培養(yǎng)基中的微生物性質(zhì)與數(shù)量
不同成分的培養(yǎng)基中含菌性質(zhì)與量是不同的。培養(yǎng)基中微生物數(shù)量越多,達(dá)到無菌要求所需的滅菌時間也越長。天然基質(zhì)培養(yǎng)基,特別是營養(yǎng)豐富或變質(zhì)的原料中的含菌量遠(yuǎn)比化工原料的含菌量多,因此滅菌時間要適當(dāng)延長。含芽孢桿菌和霉菌孢子多的培養(yǎng)基,要適當(dāng)提高滅菌溫度或延長滅菌時間。
6、冷空氣排除情況
高壓蒸汽滅菌的關(guān)鍵問題是為熱的傳導(dǎo)提供良好條件,而其中最重要的是使冷空氣從滅菌器中順利排出。因為冷空氣導(dǎo)熱性差,阻礙蒸汽接觸欲滅菌物品。降低蒸汽分壓使之不能達(dá)到應(yīng)有的溫度,如果滅菌器內(nèi)冷空氣排除不徹底,壓力表所顯示的壓力就不單是罐內(nèi)蒸汽的壓力,還有空氣的分壓,罐內(nèi)的實際溫度低于壓力表所對應(yīng)的溫度,造成滅菌溫度不夠,檢驗滅菌器內(nèi)空氣排除度,可采用多種方法,最好的辦法是發(fā)酵罐同時裝有壓力表和溫度計。
三、全自動發(fā)酵滅菌技術(shù)
自動滅菌介紹:
滅菌在發(fā)酵過程中是一道必不可少的工序,決定著后續(xù)細(xì)菌培養(yǎng)的成敗,當(dāng)然,滅菌過程也會對培養(yǎng)基有一定的損傷和破壞作用。一段高質(zhì)量的滅菌過程,既能夠確保滅菌效果(除菌率99.999999%),又能夠確保培養(yǎng)基的新鮮度。目前國內(nèi)傳統(tǒng)發(fā)酵設(shè)備采用人工操作,三路進(jìn)汽的方式對發(fā)酵罐進(jìn)行實罐滅菌,人為影響不確定因素較大。甚至于出現(xiàn)同樣的培養(yǎng)基配方,同樣的發(fā)酵工藝,發(fā)酵收率相差很大。國外目前大都采用智能控制,自動滅菌的方案。能夠確保滅菌過程中的培養(yǎng)基的受熱和損傷程度一致,設(shè)備多冷點監(jiān)測,可以確保滅菌過程無死角。還可以降低了人工勞動力,減少了人為不確定因素導(dǎo)致滅菌失敗的風(fēng)險。
自動滅菌控制界面由豐澤生物提供
自動滅菌特點:
全自動原位在線滅菌整個過程采用PLC全自動線性控制,其特點如下:
1 溫度控制:罐內(nèi)溫度控制精度及靈敏度高,多階段溫度控制可保證升溫、恒溫及降溫分段控制及強大的延時功能,
2 壓力控制:高保真的壓力模擬曲線控制確保了罐頭殺菌過程的補壓、反壓及特殊產(chǎn)品殺菌的壓力控制。
3 操作流暢:發(fā)酵控制系統(tǒng)中可存儲多個殺菌公式,亦可現(xiàn)場方便地輸入新的殺菌公式,適合于不同產(chǎn)品的滅菌。溫度實時在線控制及顯示可使操作工及時掌握整個殺菌過程,完美的人機對話功能可使操作人員簡易的完成操作。
4 完美記錄:全自動滅菌技術(shù)采用了我們成熟的殺菌溫度記錄系統(tǒng)技術(shù),控制系統(tǒng)通過RS485通訊和電腦連接,系統(tǒng)可實時地顯示整個殺菌控制過程,亦可將殺菌過程的溫度壓力曲線自動地存儲到計算機中,用戶可以隨時查閱。也可以通過打印機隨時打印,可實現(xiàn)工廠遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理。
文/風(fēng)卷殘云 整理
本作者主要出沒于《發(fā)酵工程》代謝機理研究群、《發(fā)酵工程》大工藝6群
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關(guān)于發(fā)酵工藝的知識技巧了,學(xué)習(xí)以上的發(fā)酵工藝:發(fā)酵滅菌原理及全自動滅菌技術(shù)介紹知識,對于發(fā)酵工藝的幫助都是非常大的,這也是新手學(xué)習(xí)生物工程所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問題可以點擊右側(cè)人工服務(wù),我們會有專業(yè)的人士來為您解答。
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