文档介绍：第四章空气供给工程
生物加工过程很多情况都涉及需氧微生物的纯培养,无论是生长还是合成代谢产物都需要消耗大量的氧气,以满足微生物的生长、繁殖以及代谢的需要。这些氧气通常由空气提供,但是空气中夹带有大量的各类杂微生物,这些杂微生物如果随空气一起进入培养系统,便会在合适的条件下大量繁殖,并与发酵生产中的生产菌竞争、抢夺营养物,产生各种副产物,从而干扰或破坏纯种培养过程的正常进行,使生物产品的得率降低,产量下降,甚至使培养过程彻底失败导致倒罐,造成严重的经济损失。因此,空气除菌是生物细胞培养过程中极其重要的一个环节。
用微生物细胞、动物细胞、植物细胞或酶进行生物反应来生产生物产品,或者保藏生物细胞和生物制品,均需要洁净的环境、合适的空气温度、湿度和空气压力。例如,利用生物工程技术生产药品时,要符合《药品生产和质量管理规范》(Good Manufacturing Practice,简称GMP)的要求。《规范》明确规定在药品生产过程中,厂房必须按生产工艺和产品的要求划分洁净级别,这时,需要对空气进行净化处理;用气流干燥操作加工产品,需要对空气的温度和湿度进行调节;进入固态发酵培养基或固态发酵室的空气,其温度和湿度有严格要求。因此,对空气进行净化和调节,使空气的温度、湿度和压力发生改变,符合工艺要求,已成为生物加工过程中的一个重要组成部分。
第一节空气除菌过程与设备
一、空气除菌和灭菌方法
空气是主要由氮气和氧气、二氧化碳、惰性气体、水蒸汽以及悬浮在空气中的尘埃等组成的混合物。空气中经常可以检测到一些细菌及其芽孢、酵母、真菌和病毒。空气的含菌量随环境的不同而有很大的差异。一般干燥寒冷的北方空气含菌量较少,而温暖潮湿的南方含菌量较多,人口稠密的城市比人口较少的农村含菌量多,地平面又比高空的含菌量多。
表4-1 空气中常见杂菌的大小
菌种
细胞
孢子
宽,μm
长,μm
宽,μm
长,μm
金黄色小球菌
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产气杆菌
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蜡样芽孢杆菌
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普通变形杆菌
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地衣芽孢杆菌
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枯草芽孢杆菌
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巨大芽孢杆菌
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霉状分枝杆菌
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空气中的微生物是依附在尘埃上的,空气中的尘埃数与细菌数的关系如下式:
(4-1)
式中——空气中的微生物数量,个/m3;
——空气中的尘埃颗粒数量,个/m3。
各地空气所悬浮的微生物的种类以及比例各不相同,数量也随条件的变化而异,一般设计时可以以含量为103~104个/m3为依据进行计算。
要准确测定空气中的含菌量来决定过滤设备或检测经过过滤的空气的含菌量(或无菌程度)是比较困难的,一般采用培养法或光学法测定其近似值。
生物加工过程中,由于所用菌种的生产能力的强弱、生长速度的快慢、发酵周期的长短、分泌物质的性质、培养基的营养成分和pH的差异等,对所用的空气质量有不同的要求。如面包酵母培养和醋酸发酵生产,前者因为酵母的比生长速率快,利用营养物质的速率较高,酵母细胞浓度会占绝对优势地位,从而抑制其它杂菌的生长;后者因为醋酸的生成导致发酵液的pH降低,对杂菌有一定的抵抗能力,对空气的无菌程度要求较低。而氨基酸、抗生素的发酵由于发酵周期长,对空气无菌程度的要求就要高得多。一般说来,生物加工过程中应用的“无菌空气”,是指通过除菌处理使空气中的含菌量降低到某一个水平,从而使污染的可能性降至极小。根据生物产品的不同,可以按染菌概率10-3~10-6来表示无菌程度,10-3染菌率表示1000次培养所用的无菌空气只允许1次染菌。
空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。常用的除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。其中辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌等都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力,从而杀灭空气中的微生物。而介质过滤和静电吸附方法则是利用分离方法将微生物粒子除去。生物加工过程所需的无菌空气要求甚高,用量大,故要选择运行可靠、操作方便、设备简单、节省材料和减少动力消耗的有效除菌方法。现将各种除菌方法简单介绍如下:
(一)辐射杀菌
超声波、高能阴极射线、X射线、γ射线、β射线、紫外线理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。但由于具体的杀菌机理不是很清楚,目前应用较广泛的还是紫外线。~265nm时杀菌效力最强,它的杀菌力与紫外线的强度成