发酵与酿造技术4.发酵灭菌课件.ppt
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- 发酵 酿造 技术 灭菌 课件
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1、项目四项目四发酵灭菌发酵灭菌学习目标知识目标知识目标1. 知道发酵行业常用灭菌的原理和方法。知道发酵行业常用灭菌的原理和方法。2. 知道无菌空气的质量要求。知道无菌空气的质量要求。3. 能陈述培养基灭菌的常用方法。能陈述培养基灭菌的常用方法。4. 能陈述影响培养基灭菌的主要因素。能陈述影响培养基灭菌的主要因素。5. 能陈述空气的除菌原理、流程和常用的方法;能陈述空气的除菌原理、流程和常用的方法;技能目标技能目标1. 能够按照培养基灭菌工艺,进行操作和控制。能够按照培养基灭菌工艺,进行操作和控制。2. 能根据生产工艺需求,选择合理的空气净化设备。能根据生产工艺需求,选择合理的空气净化设备。3.
2、能认识发酵罐中主要部件,清楚它们的作用,进行能认识发酵罐中主要部件,清楚它们的作用,进行实罐灭菌。实罐灭菌。请大家思考:假如你是某单位化验室的检验员,进行微假如你是某单位化验室的检验员,进行微生物检验时,不知什么原因培养基已受到生物检验时,不知什么原因培养基已受到污染,你并不知道,继续进行检验操作时,污染,你并不知道,继续进行检验操作时,结果将如何?结果将如何?有哪些原因导致污染?有哪些原因导致污染?如何避免?如何避免?在发酵生产中,为什么要进行灭菌操作?1、由于杂菌的污染,使生物反应中的基质或产物因杂菌的消、由于杂菌的污染,使生物反应中的基质或产物因杂菌的消耗而损失,造成生产能力的下降;耗而
3、损失,造成生产能力的下降; 2、由于杂菌所产生的一些代谢产物,或在染菌后改变了培养、由于杂菌所产生的一些代谢产物,或在染菌后改变了培养液的某些理化性质,使产物的提取和分离变得困难,造成收率液的某些理化性质,使产物的提取和分离变得困难,造成收率降低或使产品的质量下降;降低或使产品的质量下降;3、杂菌会大量繁殖,会改变反应介质的、杂菌会大量繁殖,会改变反应介质的PH值,从而使生物反值,从而使生物反应发生异常变化;应发生异常变化;4、杂菌可能会分解产物,从而使生产过程失败;、杂菌可能会分解产物,从而使生产过程失败;5、发生噬菌体污染,微生物细胞被裂解,而使生产失败、发生噬菌体污染,微生物细胞被裂解,
4、而使生产失败.为防止杂菌的污染,哪些需要灭菌?为防止杂菌的污染,哪些需要灭菌?培养基、发酵设备、空气、菌种制作培养基、发酵设备、空气、菌种制作背景资料背景资料(一)概念:灭菌、消毒、除菌、防腐灭菌灭菌:用化学或物理方法杀死物料或设备中所有用化学或物理方法杀死物料或设备中所有微生物的过程。包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。微生物的过程。包括营养细胞、细菌芽孢和孢子。消毒消毒:用物理或化学方法杀死空气、地表以及容用物理或化学方法杀死空气、地表以及容器和器具表面的病源微生物。一般只能杀死营养器和器具表面的病源微生物。一般只能杀死营养细胞而不能杀死细菌芽孢。细胞而不能杀死细菌芽孢。 除菌除菌: 用过滤方法
5、除去空气或液体中的微生物及用过滤方法除去空气或液体中的微生物及其孢子。其孢子。 防腐防腐: 用物理或化学方法抑制微生物的生长和繁用物理或化学方法抑制微生物的生长和繁殖殖 。(低温、高渗。(低温、高渗 、缺氧、缺氧 、高酸度、高酸度 、干燥、干燥、防腐剂)防腐剂)(二)灭菌方法1、化学试剂灭菌法、化学试剂灭菌法 适用范围:环境空气、皮肤及器械的表面消毒适用范围:环境空气、皮肤及器械的表面消毒2、射线灭菌法、射线灭菌法 适用范围:无菌室、接种箱适用范围:无菌室、接种箱 3、干热灭菌法、干热灭菌法 适用范围:金属或玻璃器皿适用范围:金属或玻璃器皿4、湿热灭菌法、湿热灭菌法 适用范围:广泛应用于生产设
6、备及培养基的灭菌适用范围:广泛应用于生产设备及培养基的灭菌5、过滤除菌法、过滤除菌法 利用过滤方法阻留微生物利用过滤方法阻留微生物 适用范围:制备无菌空气适用范围:制备无菌空气 (三)湿热灭菌原理1.热阻(耐热性)热阻(耐热性)热死时间:热死时间:即在规定温度下杀死一定比例的微生物即在规定温度下杀死一定比例的微生物所需要的时间。所需要的时间。致死温度:致死温度:杀死微生物的极限温度。杀死微生物的极限温度。致死时间:致死时间:在此温度下,杀死全部微生物所需要的在此温度下,杀死全部微生物所需要的时间。时间。热热 阻:阻:对热的抵抗力,指微生物在某一特定条对热的抵抗力,指微生物在某一特定条件(主要是
7、温度和加热方式)下的致死时间。件(主要是温度和加热方式)下的致死时间。相对热阻:相对热阻:指微生物在某一特定条件下的致死时间指微生物在某一特定条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值。2. 微生物热死定律:对数残留定律微生物热死定律:对数残留定律在一定温度下,微生物在一定温度下,微生物受热致死受热致死遵循分子反应速度理论,遵循分子反应速度理论,微生微生物受热死亡的速率物受热死亡的速率-dN/dt与任何瞬间残留的活菌数与任何瞬间残留的活菌数N成正比成正比,即,即 灭菌时间取决于培养基中所含的原始微生物数(灭菌时间取决于培养基中所含的原始微
8、生物数(No),灭菌),灭菌的程度(的程度(Nt)和)和k值。值。 当当Nt=0时,时, t=, 既无意义,也不可能。既无意义,也不可能。 一般采用一般采用Nt=0.001,即,即1000次灭菌中只有一次失败。次灭菌中只有一次失败。 ktNNt0lnkNdtdNtNNkt0log/303. 2比热死速率常数k k,热阻, t 灭菌速度常数灭菌速度常数K是判断微生物受热死亡难易程度是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据。各种微生物在同样的温度下的基本依据。各种微生物在同样的温度下K值是值是不同的,不同的,K值愈小,则此微生物愈耐热。值愈小,则此微生物愈耐热。10t (min)N/N0嗜热脂肪芽孢
9、杆菌芽孢在不同温度下的死亡曲线10-110-210-310-451015202512111611010810510t (min)N/N0大肠杆菌在不同温度下的死亡曲线10-110-210-310-424681060585654(四)发酵设备简介(四)发酵设备简介 发酵罐指工业上用于培发酵罐指工业上用于培养微生物或细胞的封闭养微生物或细胞的封闭容器或生物反应装置。容器或生物反应装置。机械搅拌通风发酵罐主机械搅拌通风发酵罐主要有罐体、搅拌器、挡要有罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等。泡器、人孔、视镜等。 任务一任务
10、一 培养基和发酵设备的灭菌培养基和发酵设备的灭菌一、一、灭菌温度和时间的选择灭菌温度和时间的选择 (1)灭菌温度:)灭菌温度: 速率常数与速率常数与T有关,这可用阿累尼乌斯方程有关,这可用阿累尼乌斯方程来表示:来表示: KA*eE/RTA:比例常数;:比例常数;E:杀死微生物所需的活化能;:杀死微生物所需的活化能;R:气体常数:气体常数A、E值视菌种而异,值视菌种而异, A1.341.36,一般,一般杀死微生物的营养体的杀死微生物的营养体的E200-270kj/mol,芽孢芽孢E400kj/mol,R1.987卡卡/Kmol。K是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据。是判断微生物受热死亡难易程
11、度的基本依据。K值越小,说明微生物的热阻越大。值越小,说明微生物的热阻越大。灭菌温度和时间的选择灭菌温度和时间的选择(2)对营养成分)对营养成分由于大部分培养基受热的破坏为一级分解反应:由于大部分培养基受热的破坏为一级分解反应:dC/dtKC(3)反应物浓度)反应物浓度同样同样KA. eE/RT当温度从当温度从T1升至升至T2,灭菌速度常数,灭菌速度常数K和培养基和培养基成分破坏的速度常数成分破坏的速度常数K的变化情况:的变化情况:K1A.e E/RT1K2A.e E/RT2灭菌温度和时间的选择灭菌温度和时间的选择(lnk2/k1)/(lnk2/k1)= E/E由于灭菌时间的活化能由于灭菌时间
12、的活化能E培养基成分破坏的活培养基成分破坏的活化能化能E,所以:,所以:lnK2/K1 lnK2/K1,即随即随T升高,灭菌速率常数的增加倍数升高,灭菌速率常数的增加倍数培养基培养基成分破坏的速率常数的倍加倍数。成分破坏的速率常数的倍加倍数。结论结论:在热灭菌过程中,同时产生微生物死亡和培养基在热灭菌过程中,同时产生微生物死亡和培养基破坏两个过,温度升高,两分过程的速率都升高,破坏两个过,温度升高,两分过程的速率都升高,但其中微生物死亡速率随但其中微生物死亡速率随T升高更为显著。因此,升高更为显著。因此,我们在灭菌时选择较高温度,较短时间,以减少我们在灭菌时选择较高温度,较短时间,以减少培养基
13、的破坏,这就是通常所说的培养基的破坏,这就是通常所说的“高温瞬时灭高温瞬时灭菌法菌法”。灭菌时间的计算灭菌时间的计算例例1:有一发酵罐内装:有一发酵罐内装40m3培养基,在培养基,在1210C温度下实罐温度下实罐灭菌,原污染程度为每灭菌,原污染程度为每1ml有有2105个耐热细菌芽孢,已个耐热细菌芽孢,已知知1210C时灭菌速度常数时灭菌速度常数k=1.8min-1,求灭菌失败机率为,求灭菌失败机率为0.001时所需时间。时所需时间。 解:解:N0=401062105=81012(个个) Nt=0.001(个个) k=1.8(min-1) (Nt/N0)=-kt t=2.303/klg(N0/
14、Nt)=2.303/1.8lg(81015) =20.34(min) 由于升温阶段就有部分菌被杀灭,特别是当培养基加由于升温阶段就有部分菌被杀灭,特别是当培养基加热至热至1000C以上,这个作用较为显著,故实际保温阶段时以上,这个作用较为显著,故实际保温阶段时间比计算值要短。间比计算值要短。连续灭菌时间的估算例例2某发酵罐内装某发酵罐内装40m3培养基,采用连续灭菌,培养基,采用连续灭菌,灭菌温度为灭菌温度为1310C,原污染程度为每,原污染程度为每1ml含有含有2105个杂菌,已知个杂菌,已知1310C时灭菌速度常数为时灭菌速度常数为15min-1,求灭菌所需的维持时间。,求灭菌所需的维持时
15、间。解:解:N0=2105(个个/ml) Nt=0.001/(40106)=2.510-11(个个/ml) t=2.303/klg(N0/Nt)=2.303/15lg(2105)/(2.510-11) =2.37 min二二. 影响培养基灭菌的其它因素影响培养基灭菌的其它因素培养基成分培养基成分油脂、糖类及一定浓度的蛋白质、高浓度油脂、糖类及一定浓度的蛋白质、高浓度有机物等增加微生物的耐热性有机物等增加微生物的耐热性低浓度(低浓度(1%-2%)NaCl对微生物有保对微生物有保护作用,随着浓度增加,保护作用减弱,护作用,随着浓度增加,保护作用减弱,当浓度达当浓度达8%-10%以上,则减弱微生物以
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