第五章 灭菌与空气的净化

　　在工业微生物培养过程中，只允许生产菌存在和生长繁殖，不允许其他微生物共存，因此所有发酵过程，必须进行纯种培养。特别是在种子移植过程、扩大培养过程以及发酵前期，如果杂菌一旦侵入生产系统，就会在短期内与生产菌争夺养料，严重影响生产菌正常生长和发酵作用，以致造成发酵异常。所以整个发酵过程必须牢固树立无菌观念，强调无菌操作。除了设备应严格按规定保证没有死角，没有构成染菌可能的因素外，还必须对培养基和生产环境进行严格的灭菌和消毒，防止杂菌和噬菌体的污染。
　　在好氧发酵时，通入发酵系统的空气，如果夹带有各类其他的微生物，这些微生物便会在培养系统合适的条件下大量繁殖，从而干扰纯种培养过程的正常进行，甚至使培养过程彻底失败导致倒罐，造成严重的经济损失。空气除菌不彻底是发酵染菌的主要原因之一。比如一个通气量为40 m3／min的发酵罐，一天所需要的空气量高达5.76×104 m3，假如所用的空气中含菌量104个／m3，那么一天将有5.76×108个微生物细胞进入发酵系统，这么多杂菌的带入，完全可导致发酵失败。因此，空气的灭菌是好氧培养过程中的一个重要环节。

第一节　灭菌

1. 灭菌的方法

　　灭菌指利用物理和化学的方法杀灭或除去物料及设备中一切生命物质的过程。而消毒是指用物理或化学的方法杀死物料、容器、器具内外的病源微生物，一般只能杀死营养细胞而不能杀死芽孢。消毒不一定能达到灭菌的要求，而灭菌则可达到消毒的目的。在发酵工业生产中，为了保证纯种培养，在生产菌种接种培养之前，要对培养基、空气系统、消泡剂、流加物料、设备、管道等进行灭菌，还要对生产环境进行消毒，防止杂菌和噬菌体的大量繁殖。只有不受杂菌污染，发酵过程才能正常进行。
　　灭菌的方法有：干热灭菌法，湿热灭菌法，火焰灭菌法，电磁波、射线灭菌法，化学药品灭菌法及过滤除菌法。根据灭菌对象和要求不同选用不同的方法。
　　⒈ 干热灭菌法
　　进行干热灭菌时，微生物细胞发生氧化，微生物体内蛋白质变性和电解质浓缩引起中毒等作用，其中氧化作用导致微生物死亡是主要依据。由于微生物对干热的耐受力比对湿热强得多，故干热灭菌所需的温度要高，时间要长，一般160～170 ℃，1～1.5 h。实际应用时，对一些要求保持干燥的实验器具和材料可以采用干热灭菌法。
　　⒉ 火焰灭菌法
　　利用火焰直接杀死微生物的灭菌法称为火焰灭菌法。该法方法简单，灭菌彻底，但使用范围有限，仅适用于接种针、玻璃棒、三角瓶口等的灭菌。
　　⒊ 电磁波、射线灭菌法
　　利用电磁波、紫外线、X射线、γ射线或放射性物质产生的高能粒子进行灭菌，以紫外线最常用。紫外线对芽孢和营养细胞都能起作用，但细菌芽孢和霉菌孢子对紫外线的抵抗力强。紫外线的穿透力低，仅适用于表面灭菌和无菌室、培养间等空间的灭菌，且距照射物不超过1.2 m；对固体物料灭菌不彻底，也不能用于液体物料的灭菌。250～270 nm之间杀菌效率高，以波长在260 nm左右灭菌效率最高。除紫外线外也可利用X射线和γ射线进行灭菌。
　　⒋ 湿热灭菌法
　　利用饱和蒸汽进行灭菌的方法称为湿热灭菌法。其原理是借助于蒸汽释放的热能使微生物细胞中的蛋白质、酶和核酸分子内部的化学键，特别是氢键受到破坏，引起不可逆的变性，使微生物死亡。从灭菌的效果来看，由于蒸汽有很强的穿透能力，湿热灭菌对耐热芽孢杆菌来说，温度升高10 ℃时，灭菌速度常数可增加8～10倍，对营养细胞更高。同时，蒸汽来源方便，价格低廉，灭菌效果可靠，是目前最为常用的灭菌方法。一般的湿热灭菌条件为121 ℃，30 min。
　　⒌ 化学药剂灭菌法
　　某些化学药剂能与微生物发生反应而具有杀菌的作用。化学药剂适于生产车间环境的灭菌，接种操作前小型器具的灭菌等。化学药品的灭菌使用方法，根据灭菌对象的不同有浸泡、添加、擦拭、喷洒、气态熏蒸等。下面介绍常用的化学灭菌药剂。
　　⑴ 高锰酸钾　高锰酸钾溶液的灭菌作用是使蛋白质、氨基酸氧化，使微生物死亡，一般用0.1％～0.25％的溶液。
　　⑵ 漂白粉　漂白粉的化学名称是次氯酸盐(次氯酸钠，NaOCl)，它是强氧化剂，也是廉价易得的灭菌剂。它的杀菌作用是次氯酸钠分解为次亚氯酸，后者不稳定，在水溶液中分解为新生态氧和氯，使细菌受强烈氧化作用而导致死亡，对杀死细菌和噬菌体均有效。漂白粉是发酵工业生产环境最常用的化学杀菌剂。但应注意，并非所有噬菌体对漂白粉敏感，因此应该轮流用药。
　　⑶ 75％酒精溶液　75％酒精溶液的杀菌作用在于使细胞脱水，引起蛋白质凝固变性。对营养细胞、病毒、霉菌孢子均有杀死作用，但对细菌的芽孢杀死作用较差。常用于皮肤和器具表面杀菌。
　　⑷ 新洁尔灭　新洁尔灭是表面活性剂类洁净消毒剂。它在水溶液中以阳离子形式与菌体表面结合，引起菌体外膜损伤和蛋白变性。10 min能杀死营养细胞，但对细菌芽孢几乎没有杀灭作用。一般用于器具和生产环境的消毒，不能与合成洗涤剂合用，不能接触铝制品。使用0.25％的溶液。
　　⑸ 甲醛　甲醛(HCHO)是强还原剂，它能与蛋白质的氨基结合，使蛋白质变性，对氨基和蛋白质的变性有较强活性，这是用甲醛作为灭菌剂的根据。使用时可以以2份37％甲醛溶液与1份KMnO4混合，或者将37％甲醛溶液直接加热，产生气态甲醛用于灭菌。甲醛灭菌的缺点是穿透力差。
　　⑹ 过氧乙酸　过氧乙酸是强氧化剂，它是广谱、高效、速效的化学杀菌剂，对营养细胞、细菌芽孢、真菌孢子和病毒都有杀灭作用。一般使用0.02％～0.2％的溶液。
　　⑺ 戊二醛　戊二醛是近几十年来广泛使用的一种广谱、高效、速效的杀菌剂，使用范围将逐渐扩大。在酸性条件下，不具有杀死芽孢的能力，只有在碱性条件下(加入碳酸氢钠或碳酸钠)，才具有杀死芽孢的能力，常用2％的溶液，常用于器具、仪器和工具等灭菌。
　　⑻ 酚类　苯酚作为消毒和杀菌剂已有百年历史，但苯酚毒性较大，易污染环境，且水溶性差，使应用受到限制，而酚类衍生物的使用，扩大了作为消毒剂的使用范围。如甲酚经磺化得到甲酚磺酸，水溶性有所提高，且毒性降低，使用0.1％～0.15％的溶液，作用10～15 min，可杀灭大肠杆菌。
　　⒍ 过滤除菌法
　　利用过滤方法阻留微生物，也可达到除菌的目的，这就是过滤除菌法。此法仅适用于澄清液体和气体的除菌。工业上常用过滤法大量制备无菌空气，供好氧微生物培养过程使用。

　　⒈ 微生物的热阻
　　每一种微生物都有一定的最适生长温度范围，如一些嗜冷菌的最适温度为5～10 ℃(最低限0 ℃，最高限20～30 ℃)；大多数微生物的最适温度为25～37 ℃(最低限为5 ℃，最高限为45～50 ℃)；另有一些嗜热菌的最适温度为50～60 ℃(最低限为30 ℃，最高限为70～80 ℃)。当微生物处于最低限温度以下时，代谢作用几乎停止而处于休眠状态。当温度超过最高限度时，微生物细胞中的原生质体和酶的基本成分——蛋白质发生不可逆的变化，即凝固变性，使微生物在很短时间内死亡。湿热灭菌就是根据微生物的这种特性进行的。
　　一般无芽孢细菌，在60 ℃下经过10 min即可全部杀灭。而芽孢细菌的芽孢能经受较高的温度，在100 ℃下要经过数分钟至数小时才能杀死。某些嗜热菌能在120 ℃温度下，耐受20～30 min，但这种菌在培养基中出现的机会不多。一般讲，灭菌的彻底与否以能否杀死芽孢细菌为标准。
　　杀死微生物的极限温度称为致死温度。在致死温度下，杀死全部微生物所需的时间称为致死时间。在致死温度以上，温度愈高，致死时间愈短。由于一般细菌、芽孢细菌、微生物细胞和微生物孢子，对热的抵抗力不同，因此，它们的致死温度和致死时间也有差别。微生物对热的抵抗力常用“热阻”表示。热阻是指微生物在某一特定条件(主要是温度和加热方式)下的致死时间。相对热阻是指某一微生物在某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，表5-1是几种微生物对湿热的相对抵抗力（相对热阻）。可见，细菌的芽孢比大肠杆菌对湿热的抵抗力约大3000000倍。

表5-1　微生物对湿热的相对抵抗力


　　⒉ 微生物的热死规律——对数残留定律
　　微生物热死是指微生物受热失活直到死亡。微生物受热死亡主要是由于微生物细胞内酶蛋白受热凝固，丧失活力所致。在一定温度下，微生物受热后，其死活细胞个数的变化如化学反应的浓度变化一样，遵循分子反应速率理论。在微生物受热失活的过程中，微生物不断被杀死，活菌数不断被减少。因此，微生物热死速率可以用分子反应速率来表示，即微生物个数减少的速度与任一瞬间残存的菌数成正比。
　(4-1)
式中　N——培养基中残留活菌数，个；
t——受热时间，min；
k——反应速率常数，也可称比死亡速率常数，min-1。
　　式(4-1)中的反应速率常数k是微生物耐热性的一种特征，它随微生物的种类和灭菌温度而异。在相同的温度下，k值愈小，则此微生物愈耐热。细菌芽孢的k值比营养细胞小得多，即细菌芽孢耐热性比营养细胞大。同一种微生物在不同的灭菌温度下，k值不同，灭菌温度愈低，k值愈小；温度愈高，k值愈大。如硬脂嗜热芽孢杆菌FS1518在104 ℃，k值为0.0342 min-1，121 ℃时k值为0.77 min-1，131 ℃时k值为15 min-1。因此，提高灭菌温度，k值增大，灭菌时间显著缩短。某些细菌芽孢在121 ℃时的k值见表5-2。

表5-2　121 ℃某些芽孢细菌的k值


　　⒊ 培养基灭菌温度的选择
　　在培养基灭菌的过程中，除微生物被杀死外，还伴随着营养成分的破坏。实验证明，在高压加热情况下，氨基酸和维生素极易破坏，仅20 min，就有50％的赖氨酸、精氨酸及其他碱性氨基酸被破坏，蛋氨酸和色氨酸也有相当数量被破坏。因此，必须选择一个既能达到灭菌的目的，又能使培养基中营养成分破坏至最小的灭菌工艺条件。
　　从上述情况可以看出，在热灭菌的过程中，同时发生微生物死亡和培养基成分破坏两个过程。温度均能加速其过程进行的速度，当温度升高时，微生物死亡的速率更快。因此，可以采用较高的温度，较短的灭菌时间，以减少培养基营养成分的破坏，这就是通常所说的“高温瞬时灭菌法”。
　　生产实践亦说明：灭菌温度较高而时间较短，要比温度较低，而时间较长效果好。如对同样的培养基进行126～132 ℃，5～7 min连续灭菌，其所得的培养基的质量要比采用120 ℃，30 min的实罐灭菌好，可以得到较高的发酵水平；又如同一类培养基进行120 ℃，20 min的实罐灭菌，其所得培养基的发酵水平高于120 ℃，30 min的对照，而同样达到灭菌的要求。不同灭菌条件下培养基营养成分的破坏见表5-3。

表5-3　不同灭菌条件下培养基营养成分破坏情况


　　高温灭菌所得培养基的质量比较好，并不意味着连续灭菌比实罐灭菌好。培养基灭菌方法的选择，必须从工艺、设备、操作、成本核算以及培养基的性质等具体条件来考虑决定。

　　⒈ 培养基湿热灭菌方法
　　⑴ 连续灭菌　连续灭菌也叫连消，其温度一般以126～132 ℃为宜，总蒸汽压力要求达到0.044～0.049 MPa以上。培养基采用连续灭菌时，需在培养基进入发酵罐前，直接用蒸汽进行空罐灭菌（空消），用无菌空气保压，待培养基流入罐后，开始冷却。灭菌时对培养基的加热可采用各种加热器。培养基的冷却方式有喷淋冷却式、真空冷却式、薄板换热器式几种方式，其过程均包括加热、维持和冷却。喷淋冷却优点是能一次冷却到发酵温度。真空冷却只能冷却到一定温度，需在发酵罐中继续冷却，但它可以减少冷却用水，占地面积也少。板式换热器效率高，且利用冷培养基作冷却剂，既冷却了热培养基，又预热了冷培养基，节约用水和蒸汽。图5-1为连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程。连续灭菌的流程如下。

　　图5-1　连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程
　　连续灭菌采用连消塔时，可在20～30 s达到预定灭菌温度，由维持罐来保持必需的杀菌时间。采用喷射杀菌设备，蒸汽直接喷入生培养液，温度几乎立即上升到预定杀菌温度，由保温段管子的长度来保证必要的杀菌时间。采用板式换热器，可在20 s内达到杀菌温度，经保温保持必要的杀菌时间，然后在板式热交换器另一段20 s内冷却到发酵温度。

　　⑵ 间歇灭菌　间歇灭菌即实消，是在每批培养基全部流入发酵罐后，就在罐内通入蒸汽加热至灭菌温度，维持一定时间，再冷却到接种温度。实罐灭菌时，发酵罐与培养基一起灭菌。其他灭菌设备一般采用蒸汽灭菌，如设备十分耐压，则可采用较高的温度，但必须注意设备内部的凹处及露出的小配管等蒸汽不能到达的部位。有些设备也可采用SO2熏蒸灭菌，如葡萄酒发酵池、罐等。
　　⑶ 固体培养基灭菌　固体培养基也和液体培养基一样，要先蒸煮灭菌，但固体培养基呈粒状、片状或粉状，流动性差，不易翻动，吸水加热易成团，冷却困难。针对这些特点设计的转鼓式灭菌机常用于酒厂、酱油厂。该设备能承受一定压力，装料后旋紧进出口盖，就如同密封容器。转鼓以0.5～1 r／min徐徐转动，培养基得到翻动，蒸汽沿轴中心通入加热培养基，达到一定温度后，进行保温灭菌。灭菌完毕用真空泵沿空心轴抽真空，转鼓内压力降低，培养基冷却。

　　⒉ 影响培养基灭菌的因素
　　影响培养基灭菌的因素除了所污染杂菌的种类、数量、灭菌温度和时间外，培养基成分、pH值、培养基中颗粒、泡沫等对培养基灭菌也有影响。
　　⑴ 培养基成分　油脂、糖类及一定浓度的蛋白质增加微生物的耐热性，高浓度有机物会包于细胞的周围形成一层薄膜，影响热的传递，因此在固形物含量高的情况下，灭菌温度可高些。例如，大肠杆菌在水中加热至60～65 ℃便死亡；在10％糖液中，需70 ℃ 4～6 min；在30％糖液中需70 ℃ 30 min。
　　低质量分数(1％～2％)的NaCl溶液对微生物有保护作用，随着质量分数的增加，保护作用减弱，当质量分数达8％～10％以上则减弱微生物的耐热性。
　　⑵ pH值　pH值对微生物的耐热性影响很大。pH值6.0～8.0，微生物最耐热；pH<6.0，氢离子易渗入微生物细胞内，从而改变细胞的生理反应促使其死亡。所以培养基pH值愈低，灭菌所需的时间愈短，见表5-4。

表5-4　pH值对灭菌时间的影响


　　⑶ 培养基中的颗粒　培养基中的颗粒小，灭菌容易；颗粒大，灭菌难。一般含有小于1 mm的颗粒对培养基灭菌影响不大，但颗粒大时，影响灭菌效果，应过滤除去。
　　⑷ 泡沫　培养基的泡沫对灭菌极为不利，因为泡沫中的空气形成隔热层，使传热困难，热难穿透过去杀灭微生物。对易产生泡沫的培养基在灭菌时，可加入少量消泡剂。对有泡沫的培养基进行连续灭菌时更应注意。

　　⒊ 分批灭菌和连续灭菌比较
　　连续灭菌与分批灭菌比较具有很多优点，尤其是当生产规模大时，优点更为显著。主要体现在以下几方面：① 可采用高温短时灭菌，培养基受热时间短，营养成分破坏少，有利于提高发酵产率；② 发酵罐利用率高；③ 蒸汽负荷均衡；④ 采用板式换热器时，可节约大量能量；⑤ 适宜采用自动控制，劳动强度小。
　　但当培养基中含有固体颗粒或培养基有较多泡沫时，以采用分批灭菌为好，因为在这种情况下用连续灭菌容易导致灭菌不彻底。对于容积小的发酵罐，连续灭菌的优点不明显，而采用分批灭菌比较方便。

　　⑴ 杀菌锅内灭菌　固体培养基灭菌蒸汽压力0.098 MPa，维持20～30 min；液体培养基灭菌蒸汽压力0.098 MPa，维持15～20 min；玻璃器皿及用具灭菌，压力0.098 MPa，30～60 min。
　　⑵ 种子罐、发酵罐、计量罐、补料罐等的空罐灭菌及管道灭菌　从有关管道通入蒸汽，使罐内蒸汽压力达0.147 MPa，维持45 min，灭菌过程从阀门、边阀排出空气，并使蒸汽通过到达死角灭菌。灭菌完毕，关闭蒸汽后，待罐内压力低于空气过滤器压力时，通入无菌空气保持罐压0.098 MPa。
　　⑶ 空气总过滤器和分过滤器灭菌　排出过滤器中的空气，从过滤器上部通入蒸汽，并从上、下排气口排气，维持压力0.174 MPa灭菌2 h。灭菌完毕，通入压缩空气吹干。
　　⑷ 种子培养基实罐灭菌　从夹层通入蒸汽间接加热至80 ℃，再从取样管、进风管、接种管进蒸汽，进行直接加热，同时关闭夹层蒸汽进口阀门，升温至121 ℃，维持30 min。谷氨酸发酵的种子培养基实罐灭菌为110 ℃，维持10 min。
　　⑸ 发酵培养基实罐灭菌　从夹层或盘管进入蒸汽，间接加热至90 ℃，关闭夹层蒸汽，从取样管、进风管、放料管三路进蒸汽，直接加热至121 ℃，维持30 min。谷氨酸发酵培养基实罐灭菌为105 ℃，维持15 min。
　　⑹ 发酵培养基连续灭菌　一般培养基为130 ℃，维持5 min，谷氨酸发酵培养基为115 ℃ 6～8 min。
　　⑺ 消泡剂灭菌　直接加热至121 ℃，维持30 min。
　　⑻ 补料实罐灭菌　根据料液不同而异，淀粉料液为121 ℃，维持5 min。
　　⑼ 尿素溶液灭菌　105 ℃，维持5 min。

第二节　空气的净化
　　空气(即大气)是一种气态物质的混合物，除氧和氮外，还含有惰性气体、二氧化碳和水蒸气等。此外，尚有悬浮在空气中的灰尘，主要由构成地壳的无机物质微粒、烟灰、植物的花粉以及种类繁多的细菌和其他微生物所组成。空气中常见的微生物大致有金黄色小球菌、产气杆菌等，见表5-5。
表5-5　空气中常见的微生物种类及其大小

　　空气中微生物的数量与环境有密切的关系。一般干燥寒冷的北方，空气中含微生物量较少，而潮湿温暖的南方空气中含微生物量较多，城市空气中的微生物含量比人口稀少的农村多，地平面空气微生物含量比高空多。
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：
Y＝0.003x-2.6
式中　Y——空气中的微生物数量，个／m3；
x——空气中的尘埃颗粒数量，个／m3。

　　各种不同的培养过程，鉴于其所用菌种的生长能力强弱、生长速度的快慢、培养周期的长短以及培养基中pH值差异，对空气灭菌的要求也不相同。所以，对空气灭菌的要求应根据具体情况而定，但一般仍可按10-3的染菌概率，即在1000次培养过程中，只允许一次是由于空气灭菌不彻底而造成染菌，致使培养过程失败。空气净化的方法大致有如下几种。
　　⒈ 热灭菌法
　　空气热灭菌法是基于加热后微生物体内的蛋白质(酶)热变性而得以实现。它与培养基的加热灭菌相比，虽都是用加热法把微生物杀死，但两者的本质是有区别的。
　　鉴于空气在进入培养系统之前，一般均需用压缩机压缩，提高压力，所以，空气热灭菌时所需的温度，就不必用蒸汽或其他载热体加热，而可直接利用空气压缩时的温度升高来实现。空气经压缩后温度能够升到200 ℃以上，保持一定时间后，便可实现干热杀菌。利用空气压缩时所产生的热量进行灭菌的原理对制备大量无菌空气具有特别的意义。但在实际应用时，对培养装置与空气压缩机的相对位置，连接压缩机与培养装置的管道的灭菌以及管道长度等问题都必须加以仔细考虑。
　　⒉ 静电除菌
　　近年来一些工厂已使用静电除尘器除去空气中的水雾、油雾、尘埃，同时也除去了空气中的微生物。
　　静电除菌是利用静电引力来吸附带电粒子而达到除尘灭菌的目的。悬浮于空气中的微生物，其孢子大多数带有不同的电荷，没有带电荷的微粒进入高压静电场时都会被电离成带电微粒。但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘灭菌对很小的微粒效率较低。图5-2为静电除尘灭菌器的示意。

图5-2　静电除尘灭菌器示意
1—升压变压器；2—整流器；3—沉淀电极；4—电晕电极
　　⒊ 介质过滤除菌法
　　过滤除菌法是让含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中所含微生物，而取得无菌空气的方法。通过过滤除菌处理的空气可达到无菌，并有足够的压力和适宜的温度以供好氧培养过程之用。该法是目前广泛应用来获得大量无菌空气的常规方法。在空气的除菌方法中，介质过滤除菌生产中使用最多。

　　⒈ 空气过滤除菌原理
　　空气过滤所用介质的间隙一般大于微生物细胞颗粒，那么悬浮于空气中的微生物菌体何以能被过滤除去呢？当气流通过滤层时，基于滤层纤维的层层阻碍，迫使空气在流动过程中出现无数次改变气速大小和方向的绕流运动，从而导致微生物微粒与滤层纤维间产生撞击、拦截、布朗扩散、重力及静电引力等作用，从而把微生物微粒截留、捕集在纤维表面上，实现了过滤的目的。如图5-3为过滤除菌时各种除菌机理的示意。

图5-3　过滤除菌机理示意
　　⑴ 布朗扩散截留作用　直径很小的微粒在很慢的气流中能产生一种不规则的直线运动称为布朗扩散。布朗扩散的运动距离很短，在较大的气速、较大的纤维间隙中是不起作用的，但在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中布朗扩散作用大大增加微粒与纤维的接触滞留机会。假设微粒扩散运动的距离为x，则离纤维表面距离小于或等于x的气流微粒都会因为扩散运动而与纤维接触，截留在纤维上。由于布朗扩散截留作用的存在，大大增加了纤维的截留效率。
　　⑵ 拦截截留作用　在一定条件下，空气速度是影响截留效率的重要参数，改变气流的流速就是改变微粒的运动惯性力。通过降低气流速度，可以使惯性截留作用接近于零，此时的气流流速称为临界气流速度。气流速度在临界速度以下，微粒不能因惯性截留于纤维上，截留效率显著下降，但实践证明，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的截留效率又回升，说明有另一种机理在起作用，这就是拦截截留作用。
　　因为微生物微粒直径很小，质量很轻，它随气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在主导气流流线受纤维所阻改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞留区。滞留区的气流流速更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附截留。拦截截留的截留效率与气流的雷诺数和微粒同纤维的直径比有关。
　　⑶ 惯性撞击截留作用　过滤器中的滤层交织着无数的纤维，并形成层层网格，随着纤维直径的减小和填充密度的增大，所形成的网格也就越细致、紧密，网格的层数也就越多，纤维间的间隙就越小。当含有微生物颗粒的空气通过滤层时，空气流仅能从纤维间的间隙通过，由于纤维纵横交错，层层叠叠，迫使空气流不断地改变它的运动方向和速度大小。鉴于微生物颗粒的惯性大于空气，因而当空气流遇阻而绕道前进时，微生物颗粒未能及时改变它的运动方向，其结果便将撞击纤维并被截留于纤维的表面。
　　惯性撞击截流作用的大小取决于颗粒的动能和纤维的阻力，其中尤以气流的流速显得更为重要。惯性力与气流流速成正比，当空气流速过低时惯性撞击截留作用很少，甚至接近于零；当空气的流速增大时，惯性撞击截留作用起主导作用。
　　⑷ 重力沉降作用　重力沉降起到一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时微粒就沉降。就单一的重力沉降情况来看，大颗粒比小颗粒作用显著，对于小颗粒只有气流速度很慢才起作用。一般它是配合拦截截留作用而显现出来的，即在纤维的边界滞留区内微粒的沉降作用提高了拦截截留的效率。
　　⑸ 静电吸引作用　当具有一定速度的气流通过介质滤层时，由于摩擦会产生诱导电荷。当菌体所带的电荷与介质所带的电荷相反时，就会发生静电吸引作用。带电的微粒会受带异性电荷的物体所吸引而沉降。此外，表面吸附也归属于这个范畴，如活性炭的大部分过滤效能是表面吸附的作用。
　　在过滤除菌中，有时很难分辨上述各种机理各自所作贡献的大小。随着参数的变化，各种作用之间有着复杂的关系，目前还未能作准确的理论计算。一般认为惯性撞击截留、拦截截留和布朗运动截留的作用较大(见图5-4)，而重力和静电引力的作用则很小。

图5-4　利用直接拦截、惯性冲撞和布朗扩散作用除去液滴或颗粒的纤维工作原理
　　⒉ 空气过滤除菌的介质
　　用于空气过滤的过滤介质有纤维状物或颗粒状物、过滤纸、微孔滤膜等各种类型。
　　⑴ 纸类过滤介质　玻璃纤维纸属于深层过滤技术。一般应用时需将3～6张滤纸叠在一起使用，这类过滤介质的过滤效率相当高，对于大于0.3 μm的颗粒的去除率为99.99％以上，同时阻力也比较小，压降较小。其缺点是强度不大，特别是受潮后强度更差。为了增加强度，在纸浆中加入7％～50％的木浆。玻璃纤维纸很薄，纤维间的孔隙约为1～1.5 μm，厚度约为0.25～0.4 mm，密度为2600 kg／m3，堆积密度为384 kg／m3，填充率为14.8％。
　　⑵ 纤维状或颗粒状过滤介质
　　① 棉花。常用的过滤介质，通常使用的是脱脂棉，它的特点是有弹性，纤维长度适中。使用时一般填充密度是130～150 kg／m3，填充率为8.5％～10％。
　　② 玻璃纤维。其优点是纤维直径小，不易折断，过滤效果好。纤维直径约为5～19 μm，填充密度为130～280 kg／m3，填充率为5％～11％。
　　③ 活性炭。要求活性炭质地坚硬，不易压碎，颗粒均匀，装填前应将粉末和细粒筛去。常用小圆柱体的颗粒活性炭，大小为(ф3×10) ～(ф3×15) mm，密度1140 kg／m3，填充密度为470～530 kg／m3，填充率为44％。
　　实际应用过程中通过过滤介质的气流速度一般为0.2～0.5 m／s，压力降为0.01～0.05 MPa。纤维状或颗粒状过滤介质过滤除菌靠惯性、拦截、布朗运动、静电吸引等作用。对0.3 μm以下的颗粒的过滤效率仅为99％，难以满足发酵工业的无菌要求，需要多次过滤。该类过滤介质的缺点是体积大，占有空间大，操作困难，装填介质费时费力，介质装填的松紧程度不易掌握，空气压降大，介质灭菌和吹干耗用大量蒸汽和空气。
　　⑶ 微孔滤膜类过滤介质　微孔滤膜类过滤介质的空隙小于0.5 μm，甚至小于0.1 μm，能将空气中的细菌真正滤去，即绝对过滤，它的特点是易于控制过滤后的空气质量，节约能量和时间，操作简便。微孔滤膜类过滤介质对空气中的细菌和尘埃有滤除作用外，还有静电作用。通常在空气过滤之前应将空气中的油、水除去，以提高此类过滤介质的过滤效率和使用寿命。
　　⒊ 提高过滤除菌效率的措施
　　鉴于目前所采用的过滤介质均需在干燥条件下才能进行除菌，因此需要围绕介质来提高除菌效率。提高除菌效率的主要措施如下。
　　① 设计合理的空气预处理设备，选择合适的空气净化流程，以达到除油、水和杂质的目的。
　　② 设计和安装合理的空气过滤器，选用除菌效率高的过滤介质。
　　③ 保证进口空气清洁度，减少进口空气的含菌数。方法有：加强生产场地的卫生管理，减少生产环境空气中的含菌数；正确选择进风口，压缩空气站应设上风向；提高进口空气的采气位置，减少菌数和尘埃数（吸气口每升高3.05 m，空气中微生物数就下降一个数量级，吸气口一般距地面5～10 m为好）；加强空气压缩前的预处理。
　　④ 降低进入空气过滤器的空气相对湿度，保证过滤介质能在干燥状态下工作。其方法有：使用无油润滑的空气压缩机；加强空气冷却和去油去水；提高进入过滤器的空气温度，降低其相对湿度。

思考题

⒈ 灭菌的方法有哪些？如何根据灭菌对象和要求的不同选用不同的方法？
⒉ 比较分批灭菌与连续灭菌的优缺点。
⒊ 分析过滤除菌机理与影响过滤除菌的因素，考虑如何提高过滤除菌的效率。