工业发酵的灭菌方法(发酵过程中采用的灭菌方法原理和条件)
1.发酵过程中采用的灭菌方法、原理和条件
发酵过程中采用的灭菌方法、原理和条件
采用强烈的理化因素使任何物体内外部的一切微生物永远丧失其生长繁殖能力的措施，成为灭菌。灭菌常用的方法有化学试剂灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌和过滤除菌等。可根据不同的需求，采用不同的方法，如培养基灭菌一般采用湿热灭菌，空气则采用过滤除菌 。
灭菌的彻底程度受灭菌时间与灭菌剂强度的制约。微生物对灭菌剂的抵抗力取决于原始存在的群体密度、菌种或环境赋予菌种的抵抗力。灭菌是获得纯培养的必要条件，也是食品工业和医药领域中必需的技术。
方法概述灭菌常用的方法有化学试剂灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌和过滤除菌等。可根据不同的需求，采用不同的方法，如培养基灭菌一般采用湿热灭菌，空气则采用过滤除菌。
热灭菌法
热灭菌法利用高温使微生物细胞内的一切蛋白质变性，酶活性消失，致使细胞死亡。通常有干热、湿热和间歇加热灭菌等法。
干热灭菌
火焰灼烧法或烘箱内热空气灭菌法称为干热灭菌法（dryheatsterilization）。
把金属器械或洗净的玻璃器皿放入电热烘箱内，在150~170℃下维持1~2小时后，可达到彻底灭菌（包括细菌的芽孢）的目的。灼烧（incineration或combustion）是一种最彻底的干热灭菌法，应用范围仅限于接种环、接种针的灭菌或带病原菌的材料、动物尸体的烧毁等。
湿热灭菌
以沸水、蒸气和蒸气加压灭菌。
巴氏消毒法：因最早由法国微生物学家巴斯德用于果酒消毒，故名。这是一种专用于牛奶、啤酒、果酒或酱油等不宜进行高温灭菌的液态风味食品或调料的低温消毒方法[1]
巴氏灭菌法就是湿热灭菌，此法有两种方式[1]
①经典的低温维持法（,LTH）：在61.7~62.8℃下处理30分钟；②较现代的高温瞬时法（或flushpoint,HTST）：在71.6℃或略高温度下处理15分钟。在上述诸法中，以蒸气加压灭菌效果最好，可用常压蒸气灭菌，也可在高压蒸气锅中（一般使用1千克/厘米2）灭菌，其蒸气温度可达121℃，能将耐热的芽孢在30分钟内全部杀死。但对某些易被高压破坏的物质，如某些糖或有机含氮化合物，宜在0.6千克/厘米2压力下（110℃）灭菌15~30分钟。
煮沸消毒法：采用在100℃下煮沸数分钟的方法，一般用于饮用水的消毒[1] 。
间歇灭菌
间歇灭菌连续3天，每天进行一次蒸气灭菌的方法。此法适用于不能耐 100℃以上温度的物质和一些糖类或蛋白质类物质。一般是在正常大气压下用蒸气灭菌
1小时。灭菌温度不超过100℃，不致造成糖类等物质的破坏，而可将间歇培养期间萌发的孢子杀死，从而达到彻底灭菌的目的。
辐射灭菌
辐射灭菌在一定条件下利用射线进行灭菌的方法。较常用的有紫外线，其他还有电离辐射（射线加快中子等）。波长在25000~80000纳米之间的激光也有强烈的杀菌能力，以波长26500纳米最有效。辐射灭菌法仅限于某一定材料，因所需设备复杂，难于广泛使用。
渗透压灭菌
渗透压灭菌利用高渗透压溶液进行灭菌的方法。在高浓度的食盐或糖溶液中细胞因脱水而发生质壁分离，不能进行正常的新陈代谢，结果导致微生物的死亡。
化学试剂灭菌
大多数化学药剂在低浓度下起抑菌作用，高浓度下起杀菌作用。常用5%石炭酸、70%乙醇和乙二醇等。化学灭菌剂必须有挥发性，以便清除灭菌后材料上残余的药物。
化学灭菌常用的试剂有表面消毒剂、抗代谢药物（磺胺类等）、抗生素、生物药物素抗生素是一类有微生物或其他生物生命活动过程中的合成的次生代谢产物或人工衍生物，他们在很低浓度时就能抑制或感染它种生物（包括病原菌，病毒，癌细胞等）的生命活动，因而可用作优良的化学治疗剂。
2.什么叫灭菌
(1)加热灭菌法 利用高温来杀死微生物（超过最高生长温度）的方法。
加热灭菌的原理：当高温作用于微生物时，首先引起细胞内生理生化反应速率加快，机体内对温度敏感的物质如蛋白质、核酸等，随着温度的增高而遭受不可逆的破坏，尽而导致细胞内原生质体的变化、酶结构的破坏，从而使细胞失去了生活机能上的协调，停止了生长发育。随着高温的继续作用，细胞内原生质便发生凝固，酶结构完全破坏，活动消失，生化反应停止，渗透交换等新陈代谢活动消失，细胞死亡。
加热灭菌可分干热灭菌和湿热灭菌两大类。 1）干热灭菌 利用灼烧或干热空气灭菌而没有饱和水蒸气参加的灭菌法称为干热灭菌法。
由于干热灭菌使用方便，方法简单，故在生产上广泛应用。如火焰灭菌法：直接利用火焰把微生物烧死，故又称焚烧灭菌法。
采用此法灭菌既彻底又迅速，但只适用于金属制的接种工具、试管口及污染物品等的处理。热空气灭菌法：即在电热恒温干燥箱中利用干热空气来灭菌。
2）湿热灭菌 即利用蒸汽进行灭菌的方法。湿热灭菌又分为高压、常压、间歇灭菌和巴氏灭菌4种。
①高压蒸汽灭菌 由于高压蒸汽具有较强的穿透力和较常压高的温度，能大大缩短灭菌时间，提高工作效率，加之蛋白质在湿热条件下容易变性，在热蒸汽条件下，细菌的芽孢在120℃，经20~30分钟可全部被杀死。如灭菌材料体积较大，不易被穿透时，可将压力增加到0.152兆帕，延长至1~2小时。
在高压蒸汽灭菌中，灭菌温度随蒸汽压力的增加而升高（图2-6）。 图2-6 高压蒸汽灭菌锅 在使用高压灭菌锅时，要完全排出锅内的空气而以饱和蒸汽代之。
如果空气不排除干净，则锅内温度将低于同样压力下由纯饱和蒸汽产生的温度，影响灭菌效果。 此法适用于各种耐热物品的灭菌，如一般培养基、生理盐水等各种溶液、玻璃器皿、工作服等。
所采用的蒸汽压力与时间，应根据待灭菌物品的性质、体积与容器类型等决定。 ②常压蒸汽灭菌 这是采用自然压力、100℃蒸汽进行灭菌的方法。
它设备简单、成本低，当前使用最广泛。只要砌一个炉灶，买1~2只大锅，上面用砖和水泥砌成，也可用大铁桶、木桶等，体积大小可自行决定，但不宜过大，以装800~1500瓶为好。
设计常压灶时应注意的问题：大小根据生产规模来定，灶顶部最好制成拱圆形，这样冷凝水可沿灶的内壁下流而不会打湿棉塞；灶仓内要有层架结构，以便分层装入灭菌物；灶上应安装温度计，可随时观察灶内温度的变化；因灭菌时间长，锅内水不够蒸发，故容量大的灶要安装加水装置；灶仓的密闭程度要尽可能高，这样既提高灭菌效果，又节省燃料。菇农在生产中还常用一种小型蒸汽发生装置，引出蒸汽后直接通到下边用木条堑起、四周用多层塑料布密封的菌袋堆中进行常压灭菌。
这种方法不用建灶，简便省工（图2-7）。常压灭菌一般水烧开后保持8~10小时，闷一夜即可。
图2-7 简易常压灭菌法 ③常压间歇蒸汽灭菌法 这是利用常压蒸汽反复几次灭菌的方法。具体做法是将待灭菌物品放在锅内，100℃处理1小时左右，杀死微生物的营养细胞，让其冷却至30℃左右，此时芽胞会萌发，再以同样方法加热处理，反复3次，可达到灭菌目的。
该方法可用于不耐高温的药品、营养物、特殊培养基的灭菌。 ④低温巴氏灭菌法 即在60~70℃下，经一定时间，杀死有害微生物的方法。
适应于不耐高温的物品消毒。有些培养基，在高温下遭到破坏，用此法既可杀死致病微生物的营养体，又能使培养基的成分不致受到严重破坏。
食用菌生产中培养料堆积发酵工艺，就是利用这个原理杀死其中的病虫、杂菌。 （2）过滤除菌法 又分液体过滤和空气过滤两种，就是采用机械的方法，设计一种滤孔比细菌还小的筛子，做成各种过滤器，通过机械过滤，只让液体培养基或空气从筛孔流出，各种微生物菌体则留在筛子上，从而达到除菌的目的。
这种方法适用于对热不稳定的体积小的液体培养基（如动物血清、蛋白质、酶、维生素等）及气体的灭菌。超净工作台的工作原理就是将带菌空气通过过滤灭菌形成无菌空气，从风洞中吹出，来造成工作台范围的无菌状态。
过滤灭菌的最大优点是不破坏培养基中各种物质的化学成分。常用的过滤器有用硅藻土制的、石棉制的、陶瓷土制的，也有用火棉胶、硝化纤维素滤膜制成的。
（3）辐射灭菌法 利用辐射产生的能量进行杀菌的方法称辐射灭菌。辐射可分电离辐射和非电离辐射两种，α-射线、β-射线、γ-射线、X-射线、中子和质子、微波等属电离辐射，紫外线、臭氧、日光为非电离辐射。
1）紫外线灭菌 紫外线杀菌的原理是利用紫外线的辐射作用。用灯管直接照射细菌使其发生光化学反应，将细菌细胞质诱导形成胸腺嘧啶双聚体，从而抑制DNA的复制而发生变性、致死。
另一方面，空气在紫外线照射下产生的臭氧（O3），也具有一定的杀菌作用。紫外线的有效作用距离为1.2~2.0米。
紫外灯一般悬吊在接种室或培养室的上方，个数依房间大小而定，容1~2个人操作的接种室，安装一个30瓦的紫外灯就可以了。在每次接种前，应将所需的器具一起放入接种室（箱）内，然后打开紫外灯照射。
如果接种室体积较大，开灯照射2小时。
3.常用的灭菌方法有哪些,各有哪些优缺点
(1)加热灭菌法 利用高温来杀死微生物（超过最高生长温度）的方法。
加热灭菌的原理：当高温作用于微生物时，首先引起细胞内生理生化反应速率加快，机体内对温度敏感的物质如蛋白质、核酸等，随着温度的增高而遭受不可逆的破坏，尽而导致细胞内原生质体的变化、酶结构的破坏，从而使细胞失去了生活机能上的协调，停止了生长发育。随着高温的继续作用，细胞内原生质便发生凝固，酶结构完全破坏，活动消失，生化反应停止，渗透交换等新陈代谢活动消失，细胞死亡。
加热灭菌可分干热灭菌和湿热灭菌两大类。 1）干热灭菌 利用灼烧或干热空气灭菌而没有饱和水蒸气参加的灭菌法称为干热灭菌法。
由于干热灭菌使用方便，方法简单，故在生产上广泛应用。如火焰灭菌法：直接利用火焰把微生物烧死，故又称焚烧灭菌法。
采用此法灭菌既彻底又迅速，但只适用于金属制的接种工具、试管口及污染物品等的处理。热空气灭菌法：即在电热恒温干燥箱中利用干热空气来灭菌。
2）湿热灭菌 即利用蒸汽进行灭菌的方法。湿热灭菌又分为高压、常压、间歇灭菌和巴氏灭菌4种。
①高压蒸汽灭菌 由于高压蒸汽具有较强的穿透力和较常压高的温度，能大大缩短灭菌时间，提高工作效率，加之蛋白质在湿热条件下容易变性，在热蒸汽条件下，细菌的芽孢在120℃，经20~30分钟可全部被杀死。如灭菌材料体积较大，不易被穿透时，可将压力增加到0.152兆帕，延长至1~2小时。
在高压蒸汽灭菌中，灭菌温度随蒸汽压力的增加而升高（图2-6）。 图2-6 高压蒸汽灭菌锅 在使用高压灭菌锅时，要完全排出锅内的空气而以饱和蒸汽代之。
如果空气不排除干净，则锅内温度将低于同样压力下由纯饱和蒸汽产生的温度，影响灭菌效果。 此法适用于各种耐热物品的灭菌，如一般培养基、生理盐水等各种溶液、玻璃器皿、工作服等。
所采用的蒸汽压力与时间，应根据待灭菌物品的性质、体积与容器类型等决定。 ②常压蒸汽灭菌 这是采用自然压力、100℃蒸汽进行灭菌的方法。
它设备简单、成本低，当前使用最广泛。只要砌一个炉灶，买1~2只大锅，上面用砖和水泥砌成，也可用大铁桶、木桶等，体积大小可自行决定，但不宜过大，以装800~1500瓶为好。
设计常压灶时应注意的问题：大小根据生产规模来定，灶顶部最好制成拱圆形，这样冷凝水可沿灶的内壁下流而不会打湿棉塞；灶仓内要有层架结构，以便分层装入灭菌物；灶上应安装温度计，可随时观察灶内温度的变化；因灭菌时间长，锅内水不够蒸发，故容量大的灶要安装加水装置；灶仓的密闭程度要尽可能高，这样既提高灭菌效果，又节省燃料。菇农在生产中还常用一种小型蒸汽发生装置，引出蒸汽后直接通到下边用木条堑起、四周用多层塑料布密封的菌袋堆中进行常压灭菌。
这种方法不用建灶，简便省工（图2-7）。常压灭菌一般水烧开后保持8~10小时，闷一夜即可。
图2-7 简易常压灭菌法 ③常压间歇蒸汽灭菌法 这是利用常压蒸汽反复几次灭菌的方法。具体做法是将待灭菌物品放在锅内，100℃处理1小时左右，杀死微生物的营养细胞，让其冷却至30℃左右，此时芽胞会萌发，再以同样方法加热处理，反复3次，可达到灭菌目的。
该方法可用于不耐高温的药品、营养物、特殊培养基的灭菌。 ④低温巴氏灭菌法 即在60~70℃下，经一定时间，杀死有害微生物的方法。
适应于不耐高温的物品消毒。有些培养基，在高温下遭到破坏，用此法既可杀死致病微生物的营养体，又能使培养基的成分不致受到严重破坏。
食用菌生产中培养料堆积发酵工艺，就是利用这个原理杀死其中的病虫、杂菌。 （2）过滤除菌法 又分液体过滤和空气过滤两种，就是采用机械的方法，设计一种滤孔比细菌还小的筛子，做成各种过滤器，通过机械过滤，只让液体培养基或空气从筛孔流出，各种微生物菌体则留在筛子上，从而达到除菌的目的。
这种方法适用于对热不稳定的体积小的液体培养基（如动物血清、蛋白质、酶、维生素等）及气体的灭菌。超净工作台的工作原理就是将带菌空气通过过滤灭菌形成无菌空气，从风洞中吹出，来造成工作台范围的无菌状态。
过滤灭菌的最大优点是不破坏培养基中各种物质的化学成分。常用的过滤器有用硅藻土制的、石棉制的、陶瓷土制的，也有用火棉胶、硝化纤维素滤膜制成的。
（3）辐射灭菌法 利用辐射产生的能量进行杀菌的方法称辐射灭菌。辐射可分电离辐射和非电离辐射两种，α-射线、β-射线、γ-射线、X-射线、中子和质子、微波等属电离辐射，紫外线、臭氧、日光为非电离辐射。
1）紫外线灭菌 紫外线杀菌的原理是利用紫外线的辐射作用。用灯管直接照射细菌使其发生光化学反应，将细菌细胞质诱导形成胸腺嘧啶双聚体，从而抑制DNA的复制而发生变性、致死。
另一方面，空气在紫外线照射下产生的臭氧（O3），也具有一定的杀菌作用。紫外线的有效作用距离为1.2~2.0米。
紫外灯一般悬吊在接种室或培养室的上方，个数依房间大小而定，容1~2个人操作的接种室，安装一个30瓦的紫外灯就可以了。在每次接种前，应将所需的器具一起放入接种室（箱）内，然后打开紫外灯照射。
如果接种室体积较大，开灯照射2小时。
4.反应器灭菌方式有哪几种
在发酵行业中，随着国家GMP标准的不断提升，对生物反应器进行灭菌操作成为必不可少的环节，灭菌操作不到位，很容易使生物反应器在运作过程中将对发酵产品造成污染，导大的损失。因此，灭菌的技巧很重要。
1.取下生物反应器的马达，平放于桌上，罐顶端套上黑色保护帽；
2.由罐上取下温度传感器，传感器不需要灭菌；
3.取下PH电缆线，盖上红色保护帽；将PH电极要插到底；务必拧紧电极的上下两个固定螺帽；PH电极灭菌前要标定，PH电极校正后不要关控制器；
4.取下DO电缆线，DO电缆接口处用锡箔纸包好后套上黑色帽。DO电极灭菌完后标定。DO电极要插到底，拧紧电极的上下两个固定螺帽。灭菌前要注意溶氧电极里头的保护液是否还有，没有则要进行添加；
5.取下消泡或液位电缆线，将消泡或液位电缆插到底，灭菌后定位到所需要的高度后就不要再压下去，消泡电极的高度离液面约1.5cm处；
6.拆下生物反应器上和冷凝器上的进、出水管，拆下的同时要用夹子夹住拆下水管的接头处，以防水流出；
7.生物反应器上的过滤器的两端多要用夹子夹死，过滤器的出口处用锡箔包好，所有过滤器的两端多要用夹子夹住；发酵完毕倒罐后注意检查过滤器是否被打湿，若有则赶快用吸球将其中的液体吹出；
8.在灭菌前，将生物反应器的六个固定螺帽拧松出气，其他螺帽一定要拧紧；灭菌完后打开高压锅后立刻将其拧紧，注意戴上手套防止被烫伤；
9.不要放高压锅内灭菌，将空的酸液瓶上的过滤器用锡箔包好，并将瓶盖拧松出汽。灭菌完后去掉锡箔过滤器上的锡箔纸作为出汽口；碱液瓶和硅胶管可以一起灭菌（与碱液瓶相连的硅胶管要卡死）；
10.取下电热夹套将其平铺于桌面；
11.灭菌前调整好搅拌叶的位置，底下的搅拌叶尽量靠近空气分布器，上面的一个位置调整到所加发酵液的中间位置；
12.取样器的位置不要靠近挡板的位置，尽量靠中间位置；
13.灭菌前将取样器的吸球取下；所有的硅胶管不要靠到高压锅的内壁上。
