發(fā)酵工藝：發(fā)酵滅菌原理及全自動滅菌技術介紹
在發(fā)酵工業(yè)中，對培養(yǎng)基和發(fā)酵設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)成分的破壞都有關系。營養(yǎng)成分的減少將影響菌種的培養(yǎng)和產物的生成，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，恰當掌握加熱受熱時間是滅菌工作的關鍵。
一、濕熱滅菌相關理論：
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的一些重要蛋白質，如酶等發(fā)生凝固、變性，從而導致微生物無法生存而死亡。微生物受熱而喪失活力，但其物理性質不變。在一定溫度下，微生物的受熱死亡遵照分子反應速度理論。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，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，就更應考慮升溫段的滅菌作用，其保溫時間應更短。
（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)物質損耗相對較少，然而連續(xù)滅菌對設備要求較高。
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會在微生物細胞外形成一層薄膜，阻礙熱的傳入，因此應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范圍內微生物最耐熱，pH<6.0時，氫離子極易滲入細胞內，從而改變細胞的生理反應促進其死亡，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，在不允許調節(jié)pH的情況下，就要考慮適當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，熱量傳遞是由傳導作用和對流作用完成的，而固體培養(yǎng)基只有傳導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。對易產生泡沫的培養(yǎng)基進行滅菌時，可加入少量消泡劑。
5、培養(yǎng)基中的微生物性質與數(shù)量
不同成分的培養(yǎng)基中含菌性質與量是不同的。培養(yǎng)基中微生物數(shù)量越多，達到無菌要求所需的滅菌時間也越長。天然基質培養(yǎng)基，特別是營養(yǎng)豐富或變質的原料中的含菌量遠比化工原料的含菌量多，因此滅菌時間要適當延長。含芽孢桿菌和霉菌孢子多的培養(yǎng)基，要適當提高滅菌溫度或延長滅菌時間。
6、冷空氣排除情況
高壓蒸汽滅菌的關鍵問題是為熱的傳導提供良好條件，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到應有的溫度，如果滅菌器內冷空氣排除不徹底，壓力表所顯示的壓力就不單是罐內蒸汽的壓力，還有空氣的分壓，罐內的實際溫度低于壓力表所對應的溫度，造成滅菌溫度不夠，檢驗滅菌器內空氣排除度，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
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)細菌培養(yǎng)的成敗，當然，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。目前國內傳統(tǒng)發(fā)酵設備采用人工操作，三路進汽的方式對發(fā)酵罐進行實罐滅菌，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致滅菌失敗的風險。
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：全自動滅菌技術采用了我們成熟的殺菌溫度記錄系統(tǒng)技術，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)工廠遠程控制和遠程數(shù)據(jù)管理。
文/風卷殘云 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
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