发酵培养基超高温连续灭菌新技术与新设备

1发酵培养基超高温连续灭菌新技术与新设备河北科技大学生物科学与工程学院徐亲民石家庄吉瑞节能技术有限公司联系电话：[phone]E-mail：[e-mail]2015年3月2湿热灭菌原理•利用高温和高湿，将热量传递给微生物，使其蛋白质变性、凝固，不可逆地失去功能，从而杀死微生物。•水蒸汽的潜热大，穿透力强，在冷凝时能释放大量热量，使被灭菌物体迅速升温，因而灭菌效果大大优于干热灭菌和其他灭菌方法。在一大气压下，1L100℃的沸水冷却至室温(25℃)释放的热量是75kCal，而1kg100℃的蒸汽凝结成1L100℃的水释放的的热量是540kCal。蒸汽在被灭菌物体表面冷凝造成负压，吸引更多的蒸汽进入，从而产生较大的穿透力并使被灭菌物体迅速升温。3微生物的一级热死动力学ddNkNt=−00lnktNktNNeN−=−=或式中，N0为灭菌前的活细胞数，N为灭菌t时间后的残存活细胞数，k为与温度相关的比热死速率常数。以上公式适用于微生物营养细胞的热死过程。积分得对数残存方程式：4嗜热脂肪芽孢杆菌的热死曲线——直角坐标survivorstime1,000,000800,000600,000400,000200,0000e.g.moistheatat134℃Bacillusstearothermophilus湿热灭菌原理5嗜热脂肪芽孢杆菌的热死曲线——对数坐标survivorstime106105104103102100e.g.moistheatat134CBacillusstearothermophilus101湿热灭菌原理6比热死速率常数k•k随温度而变化(服从阿累尼乌斯方程式)比热死速率常数与灭菌温度的关系0.010.11100.002520.002540.002560.002580.002600.002620.002640.002660.002681/T(1/k)k(min-1)/ERTkAe−∆=式中，A——经验常数∆E——热死活化能R——气体常数T——绝对温度7比热死速率常数k的测定lnkT−1(K−1)tgα=−∆E/R在上述阿累尼乌斯方程式两边取对数，得由此可作图得右图直线，其斜率为−∆E/R，截距为lnA。01lnlnEkkRT∆=−k08十进热死时间D十进热死时间D——使活细胞数量减少90%所需的受热时间，代表细胞对热的抵抗力大小。由可得则0ktNNe−=010kDNeN==ln102.303Dkk==湿热灭菌原理9Z值Z值——使十进热死时间D延长或缩短十倍所需降低或提高的温度，从另一角度代表细胞对热的抵抗力大小。121221log(/)TTZTTDD−==−式中，D2/D1=10，T1和T2分别为对应于十进热死时间D1和D2的灭菌温度。湿热灭菌原理10一些微生物的热死动力学参数∆E11某些微生物和营养物质的活化能微生物∆E(kJ/mol)营养物质∆E(kJ/mol)枯草杆菌芽孢318.19叶酸70.35嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢283.46维生素B192.11维生素B298.70维生素B1296.70葡萄糖100.4912等效灭菌原理•依据上述原理，可以推导出：在达到与121℃、30min同样灭菌效果的前提下，灭菌温度与所需灭菌时间及营养破坏率呈以下曲线关系[微生物以嗜热脂肪芽胞杆菌为代表(Z=10)，营养素以维生素B1为代表(∆E=92.11)；T的单位为K]。0123456789101112131415161718192021222324252627282930121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150灭菌温度T(℃)灭菌时间t(min)0102030405060708090营养破坏率Y(%)ZTt−×=3941030%1002×=∆−RTEeAY13历来发酵培养基的灭菌方法•实罐灭菌：发酵罐与培养基一同用高压蒸汽进行灭菌的方法，又称原位灭菌。•连续灭菌：先用高压蒸汽进行发酵罐空罐灭菌，然后在发酵罐外用高压蒸汽在流动状态下对培养基进行连续灭菌给料的方法，又称离位在线灭菌。•通用灭菌控制参数：前者为121℃、30min；后者为130~145℃、10s~5min。14历来的连续灭菌技术配料罐打料泵过滤器加热塔蒸汽维持罐冷却盘管喷淋器至发酵罐15历来连续灭菌技术的加热塔结构41、进汽内管42、进料外管43、进料口44、出料口45、喷汽尖管16改进型连续灭菌蒸汽喷射加热器(一)1、调节阀2、调节阀杆3、内管4、调节阀芯5、外管17改进型连续灭菌蒸汽喷射加热器（二）18历来两种灭菌技术的优缺点比较优点缺点实罐灭菌温度较易控制，控制精度要求不高在高温下维持时间长，营养破坏严重不需要另外增加设备，投资省发酵罐占用时间长，设备利用率低对蒸汽压力要求不高有较长时间耗汽高峰，造成蒸汽压力波动大连续灭菌高温短时间，灭菌效果好，营养破坏少温度较难控制，控制精度要求高缩短发酵罐占用时间，提高设备利用率增加装备成本耗汽均匀，无明显高峰要求较高蒸汽压力19历来连续灭菌技术的缺点•使用高压蒸汽使其不能在培养基中全部冷凝，不仅乏汽排放量大，造成大量蒸汽潜热的浪费，而且培养基容易局部过热；•培养基与蒸汽接触瞬间由于过热而形成颗粒状焦煳块，容易堵塞喷射口，并在喷射器和维持罐内壁形成料垢，不易清理，造成染菌隐患；•维持罐容易发生返混现象，不能确保灭菌物料先进先出、后进后出，为了确保灭菌彻底，必须延长维持时间，造成物料营养成分的破坏；•冷却水消耗量大，且在冷却盘管外部极易形成水垢，降低传热效果；•环境散热大、震动大、噪音大，操作条件恶劣。20历来实罐灭菌技术的缺点•发酵罐加热、灭菌、冷却占用的时间长(一般需要2~4h)，降低发酵罐利用率和产量；•培养基受热时间长，灭菌后色泽显著加深，营养成分破坏严重；•乏汽排放量大，不但造成蒸汽热能的浪费，而且带走一些挥发性营养成分，并污染大气；•蒸汽消耗不均衡，高峰突出，高峰期长，对锅炉负载造成很大的冲击，需要较大的锅炉容量；•操作复杂，容易产生差错，造成染菌隐患；•长时间在发酵罐内的高温冷却加速夹套或盘管内水垢的积聚，不断降低传热效率；•冷凝水多，发酵培养基灭菌后体积难以控制。•加热过程震动大，影响厂房和设备寿命。21两种历来灭菌技术的共同缺点•培养基需要预热，而预热往往采用间壁加热方式，容易在壁面形成煳垢，既降低传热效果，又容易产生染菌隐患。•由于都没充分利用蒸汽潜热和热料的余热，故蒸汽消耗量大，加上预热的蒸汽消耗，每灭菌100吨培养基需要蒸汽30吨左右。•乏汽的排放造成挥发性营养物质的丢失和环境的污染。22两种历来灭菌技术蒸汽消耗量比较•从理论上讲，连续灭菌加热温度较高、维持时间较短，实罐灭菌加热温度较低、维持时间较长，而罐体灭菌的温度和维持时间是相同的（只不过一个是分开灭菌，一个是一体灭菌），因此两者的蒸汽消耗应该相当。•实际上，由于一般操作工在连续灭菌的空罐灭菌阶段乏汽排放量要大于实罐灭菌，故连续灭菌的总体蒸汽消耗量大于实罐灭菌。•这也是相当一部分工厂舍弃连续灭菌，采用实罐灭菌的重要原因。23连续灭菌技术的改进——利用部分余热•上世纪八十年代的教科书上，已有将部分余热加以利用的连续灭菌新工艺（见下页图），但由于设备设计、制作的困难，直到大约十年前才开始商业化及应用，应用的效果却不尽人意。•这一改进型灭菌系统比传统的灭菌系统节省蒸汽20%~40%左右。24利用部分余热的连续灭菌示意图25利用部分余热连续灭菌系统的缺点•采用的板式热交换器存在不流动和存料死角，有些通道易发生堵塞，需要经常拆洗，增加了操作的麻烦和染菌的风险；•管道维持虽然不再产生前后返混的现象，但流动阻力大，散热面积大，不易保温，清洗困难；•板式热交换器板与板之间的密封面很容易发生串料和串水，是染菌的重大隐患；•余热没有被全部回收利用。•仍然需要高压蒸汽进行加热，仍然有部分乏汽排放和挥发性营养物质的流失。26灭菌蒸汽消耗量的估算•无论是直接蒸汽实罐灭菌还是直接蒸汽连续灭菌，其蒸汽消耗量都可以由灭菌后培养基体积的增加（即冷凝水量）来估算。•如果没有任何乏汽排放，则冷凝水量就是蒸汽消耗量。•原位实罐灭菌不可避免会有乏汽排放，则蒸汽消耗量应在冷凝水量的基础上增加10%~15%左右（随排汽点多少和阀门开启大小不同而异）的乏汽排放量。•如果灭菌前将培养基预热，则还应加上预热的蒸汽消耗。27灭菌蒸汽实际消耗现状•由于有大量乏汽的排放和散热损失，大多数生物发酵厂家连续灭菌将1t培养基由25℃加热到140℃或实罐灭菌由25℃加热到121℃的实际饱和蒸汽消耗分别为0.25t和0.22t左右，加上罐体加热和保温维持，总饱和蒸汽消耗均在0.27~0.3t，其中15%左右作为乏汽排放掉了，70%左右作为余热浪费掉了，其余为散热损失，总浪费率达90%左右。•挽回这90%的蒸汽损耗，是设计本连续灭菌系统的目的。注：如果厂家使用的是过热蒸汽，由于其显热较大，实际蒸汽消耗量可能要小于以上估计值。28新型超节能超高温连续灭菌系统•下面着重介绍由本人设计、石家庄吉瑞节能技术有限公司制造的一种几乎完全利用蒸汽潜热加热、余热几乎完全回收利用的变频控制超节能超高温培养基全自动连续灭菌系统。29设计背景•发酵产品的蒸汽成本约占直接生产成本的7%~12%，其中约75%~80%消耗于培养基灭菌。•蒸汽是绝大多数动力（包括电力）之源。•我国的工业用蒸汽绝大多数来源于煤炭的燃烧，造成严重的大气雾霾污染。•随着一次能源价格的增长，作为二次能源的蒸汽价格也不断增长。与20年前相比，增长率超过150%。•培养基灭菌过程中蒸汽的潜热和物料的余热没有得到充分利用，有很大的节能潜力。•灭菌过程有大量乏汽排放，造成挥发性营养物质的损失和环境污染。30节能原理（一）•假设我们利用的是0.33MPa的饱和蒸汽，料液物理性质与水相似，其起始温度为25℃，灭菌温度为140℃，冷却温度35℃。查饱和水蒸气表，获得以下数据：物料饱和蒸气压(MPa)温度(℃)比焓(kJ/kg)汽化潜热(kJ/kg)蒸汽0.33146.22740.92124.9蒸汽0.2621402733.12143.8水0.262140589.22143.8水0.103121508.02199.4水35146.5水25104.831节能原理（二）由上表数据可知：•1kg0.33MPa(146.2℃)的饱和蒸汽冷却到140℃所释放的热量为2740.9-2733.1=7.8kJ/kg。•140℃的饱和蒸汽等温绝热压缩成140℃的高温饱和水所释放的潜热为2143.8kJ/kg。•以上两项相加得2143.8+7.8=2151.6kJ/kg。•1kg水由25℃加热到140℃需要热量589.2-104.8=484.4kJ/kg，需消耗0.33MPa的饱和蒸汽484.4/2151.6=0.225kg/kg。•如果是实罐灭菌，不算罐体加热，假设没有乏汽排放(即蒸汽潜热全部释放)，将1kg水由25℃加热到121℃理论上需消耗0.33MPa的饱和蒸汽为(508-104.8)/(2151.6+589.2-508)=0.181kg/kg。32节能原理（三）•如果将余热完全加以利用，则1kg140℃的高温饱和水冷却到35℃，可释放的热量为589.2-146.5=442.7kJ/kg，理论上可将1kg水由25℃加热到130.2℃。•随后再将1kg130.2℃的水加热到140℃只需要41.9kJ的热量，理论上只需消耗0.33MPa的饱和蒸汽0.0195kg。•由于灭菌过程有散热损失，实际蒸汽消耗量要高于以上计算值10%~15%。33显热与潜热对灭菌贡献的比较•以上计算是设定蒸汽先由146.2℃降温至140℃释放显热，然后在140℃下凝结释放潜热，在这一过程中无乏汽排放而得出的结果。•其中显热的贡献为：•潜热的贡献为100%-0.36%=99.64%。•由此可见，充分利用潜热对于