生物工程的滅菌技術(shù)

1、1生物工程的滅菌技術(shù)生物工程的滅菌技術(shù)麥浩榮(廣東省石油化工設(shè)計(jì)院廣州510130)摘要：本文重點(diǎn)介紹了發(fā)酵工程中培養(yǎng)基及有關(guān)設(shè)備、物料和空氣管道的滅菌技術(shù)，確保達(dá)到無(wú)菌要求，滿足純種發(fā)酵。并且對(duì)閥門的選用做了簡(jiǎn)單的介紹。關(guān)鍵詞：發(fā)酵、滅菌、無(wú)菌一前言生物工程是當(dāng)代科技的高新技術(shù)，是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。生物工程最大的特點(diǎn)在于充分利用生物物質(zhì)資源，節(jié)約能源，易于實(shí)現(xiàn)潔凈生產(chǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)一般化工技術(shù)難于實(shí)現(xiàn)的化工過程。本人參與一項(xiàng)

2、生物工程的設(shè)計(jì)工作，該工程是根據(jù)科研成果直接設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)裝置。所生產(chǎn)的產(chǎn)品為透明質(zhì)酸聚合物(PHA)為生物可降解塑料產(chǎn)品的添加劑。設(shè)計(jì)主要是根據(jù)中試結(jié)果進(jìn)行放大設(shè)計(jì)。該生物工程包括配料、發(fā)酵、絮凝、壓濾、造粒、提取、產(chǎn)品干燥回收、溶劑回收等工序。其中配料與發(fā)酵屬于生物工程，而絮凝及后面的工序?qū)儆诨瘜W(xué)工程。這里主要介紹發(fā)酵工程的滅菌技術(shù)。常用的發(fā)酵工藝流程圖見圖1所示。圖1典型的微生物分批培養(yǎng)工藝流程圖二滅菌技術(shù)生物化學(xué)工程

3、是運(yùn)用化學(xué)工程的原理和方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室所取得的生物技術(shù)成果加以開發(fā)，使之成為生物反應(yīng)過程的一門科學(xué)，是以活的細(xì)胞為催化劑或由細(xì)胞提出來(lái)的酶為催化劑的反應(yīng)過程。所以必須進(jìn)行純種培養(yǎng)，也就是只允許生產(chǎn)菌存在和生長(zhǎng)繁殖，不允許其他微生物共存。因?yàn)樯锓磻?yīng)系統(tǒng)中通常會(huì)含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，易受雜菌污染，會(huì)產(chǎn)生以下不良的后果：①如果受到雜菌污染，會(huì)使生物反應(yīng)基質(zhì)或產(chǎn)物因雜菌消耗而損失，造成生產(chǎn)能力下降；②由于雜菌產(chǎn)生的一些代謝產(chǎn)物，或者雜菌改變了發(fā)酵液

4、的某些理化性質(zhì)，使產(chǎn)物的提取變得困難，造成收得率降低或使產(chǎn)品質(zhì)量下降；③污染的雜菌大量繁殖，會(huì)改變反應(yīng)介質(zhì)的pH值，從而使生物反應(yīng)發(fā)生異常變化；④發(fā)生的噬菌體污染，使生產(chǎn)菌細(xì)胞裂解，而使生產(chǎn)失敗等等。所以整個(gè)發(fā)酵過程必須強(qiáng)調(diào)無(wú)菌操作，牢固確立無(wú)菌觀念。除了設(shè)備應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定要求，保證沒有死角，沒有構(gòu)成感染可能的因素外，必須對(duì)培養(yǎng)基和生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌和消毒，防止雜菌和噬菌體污染，達(dá)到無(wú)菌要求。必須注意幾方面：菌體無(wú)雜菌，培養(yǎng)基及有關(guān)設(shè)

5、備管路徹底滅菌，設(shè)備嚴(yán)密，空氣滅菌。2.1培養(yǎng)基滅菌培養(yǎng)基滅菌是指從培養(yǎng)基中殺滅有生活能力的細(xì)菌營(yíng)養(yǎng)體及其孢子，或從中除去之。工業(yè)規(guī)模上的液體培養(yǎng)基滅菌，殺滅雜菌比除去雜菌更為常用，其中熱滅菌最為簡(jiǎn)便、有效和經(jīng)濟(jì)。對(duì)于液體培養(yǎng)基的熱滅菌，工程上所要解決的課題是：將培養(yǎng)基中的雜菌總數(shù)N0殺滅到可以接受的總數(shù)的N，需要多高的溫度，多長(zhǎng)的時(shí)間為合理，這決定與雜菌孢子的熱死滅動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)器的形式和操作方法，還決定于培養(yǎng)基中有效成分受熱破壞的可接

6、收范圍。2.1.1分批滅菌微生物受熱被殺死，主要原因是高熱能使蛋白質(zhì)變性。這種反應(yīng)屬于單分子反應(yīng)，死亡速率可視為一級(jí)反應(yīng)，即與殘存的微生物數(shù)量成正比。即：dvdt=kN(2.1)式中N為任一時(shí)刻的活細(xì)菌濃度，個(gè)L；t為時(shí)間，min；k為比熱死速率常數(shù)，min1。對(duì)式(2.1)積分，取邊界條件t0=0N=N0，得：lnNN0=kt或N=N0ekt(2.2)維持滅菌溫度T不變，經(jīng)歷不同的滅菌時(shí)間，3圖4分批滅菌時(shí)典型的溫度變化孢子受熱死亡規(guī)

7、律符合dvdt=kN，故lnN0N=kt；lnN0N=)ln(22110NNNNNN??=lnN0N1lnN1N2lnN2NlnN0N是由三塊面積lnN0N1，lnN1N2，lnN2N合成的?？梢院侠碓O(shè)計(jì)這三塊面積的大小，使其和等于lnN0N的預(yù)定值。然而分批滅菌的Tt過程不是任意給定的。它取決于加熱方式，換熱面積的大小，傳熱系數(shù)的高低，換熱介質(zhì)的溫度培養(yǎng)基的質(zhì)量等諸多因素。要盡可能加快換熱速度，以盡可能縮短升溫和冷卻的時(shí)間，延長(zhǎng)保溫時(shí)

8、間，以達(dá)到細(xì)菌孢子的殺滅和培養(yǎng)基中有效成分的最大保留。在本設(shè)計(jì)中，一、二級(jí)種子罐滅菌是采用實(shí)罐滅菌的方式來(lái)進(jìn)行的。2.1.3連續(xù)滅菌連續(xù)滅菌的加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段是分別在不同的專有設(shè)備中進(jìn)行。由于培養(yǎng)基能在短時(shí)間內(nèi)加熱到保溫溫度，并能很快被冷卻。因此，可在比分批滅菌更高的溫度下滅菌，滅菌時(shí)間縮短，這有利于減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的破壞。連續(xù)滅菌所用蒸汽壓力一般高于5x105Pa(表壓)。圖5、圖6兩種基本的滅菌裝置。圖5是由管式或板式換熱器把培

9、養(yǎng)基間接加熱和冷卻；圖6則用蒸汽把培養(yǎng)基加熱到滅菌溫度，經(jīng)保溫后，再進(jìn)行閃急冷卻。圖5板式熱交換器連續(xù)滅菌裝置圖6蒸汽噴射連續(xù)滅菌裝置第一種方式的特點(diǎn)是單位體積的熱交換器具有較高的傳熱面積，且可根據(jù)生產(chǎn)需要，改變其換熱面積的大小。第二種方式是用蒸汽直接噴射物料，被加熱的物料通過保溫，最后用閃急膨脹法冷卻。其特點(diǎn)是加熱、冷卻極為短暫，缺點(diǎn)是培養(yǎng)基被蒸汽的冷凝水稀釋。在本設(shè)計(jì)里，培養(yǎng)基的滅菌采用了以上兩種方式的組合形式，并加以改進(jìn)，流程見圖