发酵过程连续灭菌
1、培养基灭菌方法综述 培养基的灭菌方法包括物理法（电磁波、射线）、机械法（过滤、离心等）、化学法（化学药剂）和加热法。由于实际生产中培养基数量很多，又含有固形物，一般不采用机械法和物理法灭菌。若采用化学法，所加化学药剂会导致发酵产物分离纯化困难。因此，培养基的灭菌，特别是液体培养基的灭菌都采用加热灭菌法。 2.影响灭菌的因素 影响培养基灭菌的因素有很多，包括杂菌种类、灭菌温度和时间、培养基成分、pH 值、培养基中的颗粒以及泡沫等。针对于某一特定培养基来说，温度和时间是加热灭菌工艺中最重要的两个参数。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmt80RoqOGmKPeMDlR3IZ9I9DQ1CDBibUwapnNib97rv0HlJHN92ffoCcZA/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=12.2分批灭菌 2.2分批灭菌 分批灭菌也称实罐灭菌或实消，指将配制好的培养基全部输送至发酵反应器后，通入蒸汽直接加热，再冷却至接种温度的灭菌过程。此过程的加热、维持保温和冷却三个阶段均在发酵反应器中完成。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmtnTZYuScJGTKWEE3Zs8AWU6Fcs9LsrrwNSsIkjsp6miaOAiaR9FomA2iaQ/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1 实消多适用于小规模发酵以及易产生泡沫的培养基的灭菌，一般认为实消灭菌比较彻底，效果更为可靠。连消工艺更加符合“高温快速”的灭菌动力学原则，可以通过自控实现生产过程的半连续生产，提高了工程的自动化水平，省去了实消过程中繁琐的人力劳动。连消和实消常见指标对比见表3。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmtLJAT0XGP5FQooxRyJOahxeia0Hg6EaibGZALiaZt5zhNfia7LT826qmxIw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1上表选自李忠阳的《利福霉素培养基连消控制过程的改进》 连续灭菌 连续灭菌也称连消，指将培养基在发酵反应器外，通过专门灭菌装置，连续在不同设备中分别进行加热、维持保温和冷却，然后进入发酵反应器的灭菌过程。 常见的连消工艺有4 种：连消塔加热喷淋冷却连消工艺、喷射加热真空冷却连消工艺、板式换热器连消工艺、连消塔加热螺旋板换热器冷却连消工艺。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmtbZbdgvgdicPialKXYLBposVTEbeoQM53NUnMWGgibiaGfsf2OqEeGb7IgQ/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=11、连消塔加热喷淋冷却连消工艺 连消塔加热喷淋冷却连消工艺的主要设备包括连消塔、维持罐和喷淋冷却器（冷却排管）。工艺流程如图2 所示。data:image/png;base64,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 连消塔是培养基短时连续加热达到灭菌温度的设备，分为套管式和喷射式两类。培养基进入喷射加热器，与蒸汽相遇，瞬间升温至灭菌温度（一般为140℃），然后流入蛇形维持管，在灭菌温度下维持2 min~3 min，通过膨胀阀门进入真空冷却器，迅速冷却至接种温度。喷射加热器结构示意图见图5。 连消塔加热喷淋冷却连消工艺设备较少，流程较短，操作简单，是较早工业应用的连消方式。但该法需使用大量的冷却水2、喷射加热真空冷却连消工艺 喷射加热真空冷却连消工艺的设备包括喷射加热器、蛇形维持管和真空冷却器，培养基进入喷射加热器，与蒸汽相遇，瞬间升温至灭菌温度（一般为140℃），然后流入蛇形维持管，在灭菌温度下维持2 min~3 min，通过膨胀阀门进入真空冷却器，迅速冷却至接种温度。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmtBl6OScGMIWWjr0TULFHWKxpkzoHCtFoIyTU0JsVMeYUvuj4EOoBdVw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1 喷射加热真空冷却连消工艺易实现“高温快速”灭菌的要求，但是该工艺对膨胀阀门、真空冷却器等设备的品质及操作要求较高。 3、板式换热器连消工艺
板式换热器连消工艺主要由三个板式换热器和一段蛇形维持管组成。三个换热器分别作为预热器、加热器和冷却器。冷的培养基进入预热器，与已经加热维持后的培养基进行热交换。预热后的料液进入加热器，与蒸汽换热，料液在20 s 左右的时间内升温至灭菌温度（一般为147℃），然后进入蛇形维持管，在灭菌温度下维持2 min~3 min，维持后的料液再进入预热器，与待灭菌料液分别进行预冷却和预热，预冷却后的料液进入冷却器，用循环冷却水继续冷却。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmtx4zSpHZZkXd0MooM04nYjtd1cD5Xx44wXYMhw6CjwM6Sp35BCWAibeA/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1 换热器连消工艺也常用三个螺旋板换热器代替板式换热器。ALFA LAVAL 公司推出一种连消方案，流程与上述工艺相同，只是换热器改用螺旋板换热器。示意图见图7。data:image/png;base64,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 预热器的使用大大提高了连消工艺的节能意义和推广价值。板式和螺旋板换热器连消工艺中预热器的设置有效地利用了物料的余热，但物料不与蒸汽直接接触，需要更高的蒸汽温度和压力，还需增加蒸汽冷凝水回收设备，而且板式换热器也有潜在的因设备密封而引起染菌的问题。 汪国刚《膜式混合器在发酵连消过程中的应用》中提到了下图的改进方案，解决了在连消过程中由于物料有大颗粒时产生的振动噪音和拆装的问题。其原理是在设备中部通入蒸汽，蒸汽与物料在喷嘴处混合，然后越过消音锤，进入维持罐。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmt4ceSiciaSZ4broBIDjJudnib4oT25Sx6icelzcRqFk09QicShrQmuYT7YPw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=14、连消塔+螺旋板+冷却连消工艺 此工艺主要由连消塔、维持罐和两个螺旋板换热器组成。两个螺旋板换热器分别作为预热器和冷却器。此工艺在红霉素、维生素C 等发酵生产中经常用到。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmtlygLN5aZ9uxLIhWxfsvAkwkANQ6tfk9d0zIMB2xzW2ppLBs2cibBTdw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1 冷料液经过连消泵由配料罐打入预热器，与灭菌维持后的料液热交换，接着进入连消塔与蒸汽混合，快速升温至灭菌温度（一般在135℃），进入维持罐维持5 min~8 min，再进入预热器与冷料热交换，预冷却后进入冷却器用循环水冷却降温至40℃~50℃，送入发酵罐后再冷却至培养温度。 连消塔加热螺旋板换热器冷却连消工艺综合了以上几种连消工艺的一些优点，物料与蒸汽混合灭菌效果更好，只要蒸汽温度控制得当，可以适当避免过热现象，预热器的使用降低了能耗，节约了蒸汽和冷却水用量，是节能型工艺，螺旋板换热器换热系数也较高，密封性也较好 技术难点1、连续灭菌涉及的设备管道多，提高了染菌的风险。因此材质、接口的焊接技术及阀门、泵的密封性能都是设备在使用前验证，及使用过程再验证的重点。2、温度的控制。温度控制除了需要有冷媒外，对蒸汽的压力和流量均匀提出更高的要求，而且要求智能仪表可以根据这些参数进行控制，防止温度不均一。3、设备管道在设计中要进行液体力学分析，保证物料在流动过程中能够保证先进先出，防止返混现象，否则便只能通过延长灭菌时间和提高灭菌温度和增大保险系数。4、参数的监控和分析。软件中最好能够根据用户经验设置报警，因为仪表也有可能失效，通过多参数的关联分析，可以及时发现问题。5、对物料的性质要求较高，比较物料的颗粒大小要严格控制，防止大颗粒物料。下图是某企业的连消的控制系统。http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/OVibtzuKCWVcibNRI4B2ibl0OVZqOBibBqmtjmpaf3ia89L5icEF2iarGOV0JFtXwtHqJNb0gdYnrbdfR4f6yfaFiclQQw/640?wx_fmt=jpeg&wxfrom=5&wx_lazy=1敬请关注发酵人公众号
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