发酵工艺:工业发酵中的染菌防治策略

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发布时间:2025-01-25 11:22

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一、染菌途径及预防







1、种子带菌及其防止


种子带菌的原因主要有以下几方面。
  (1)培养基及用具灭菌不彻底  菌种培养基及用具灭菌均在灭菌锅中进行,造成灭菌不彻底主要是灭菌时锅内空气排放不完全,造成假压,使灭菌时温度达不到要求。
  (2)菌种在移接过程中受污染  菌种的移接工作是在无菌室中,按无菌操作进行。当菌种移接操作不当,或无菌室管理不严,就可能引起污染。因此,要严格无菌室管理制度和严格按无菌操作接种,合理设计无菌室。
  (3)菌种在培养过程或保藏过程中受污染菌种在培养过程和保藏过程中,由于外界空气进入.也使杂菌进入而受污染。为了防止污染,试管的棉花塞应有一定的紧密度,不宜太松,且有一定长度,培养和保藏温度不宜变化太大。每一级种子培养物均应经过严格检查,确认末受污染才能使用。

2、无菌空气带菌及其防止


无菌空气带菌是发酵染菌的主要原因之一。杜绝无菌空气带菌,必须从空气净化流程和设备的设计、过滤介质的选用和装填、过滤介质的灭菌和管理等方面完善空气净化系统。


3、培养基和设备灭菌不彻底导致的染菌及其防止


培养基和设备灭菌不彻底的原因,主要与以下几个方面有关。
  (1)原料性状一般稀薄的培养基容易灭菌彻底,而淀粉质原料,特别是有颗粒时,容易由于灭菌不彻底,造成染菌。淀粉质原料在升温过快或混合不均匀时,容易结块,使团块中心部位“夹生”,包埋有活菌,蒸汽不易进入将其杀灭,在发酵过程中团块散开,导致染菌。因此,淀粉质培养基灭菌以采用实罐灭菌为好,在升温时先搅拌混合均匀,并加一定量α-淀粉酶使之边加热边液化,有大颗粒的原料应过筛除去。
  (2)实罐灭菌时未充分排除罐内空气  实罐灭菌时,罐内空气未完全排除,造成“假压”,使罐顶空间局部温度达不到灭菌要求,导致灭菌不彻底而污染。为此,在实罐灭菌升温时,应打开排气阀门及有关联接管的边阀、压力表接管边阀等,使蒸汽通过,达到彻底灭菌。
  (3)培养基连续灭菌时,蒸汽压力波动大,培养基未达到灭菌温度,导致灭菌不彻底而污染。培养基连续灭菌应严格控制灭菌温度,最好采用自动控制装置。
  (4)设备、管道存在“死角”  由于操作、设备结构、安装或人为造成的屏障等原因,引起蒸汽不能有效到达或不能充分到达预定应该到达的局部灭菌部位,从而不能达到彻底灭菌的要求。这些不能彻底灭菌的部位称为“死角”。“死角”可以是设备、管道的某—部位,也可以是培养基或其他物科的某一部分。常见的设备、管道“死角”如下:
   ①发酵罐的“死角”  发酵罐内的部件及其支撑件,如拉手扶梯、搅拌轴拉杆、联抽器、冷却盘管、档板、空气分布管及其支撑件、温度计套焊接处等周围容易积集污垢,形成“死角”。经常清洗并定期铲除污垢,可以消除这些“死角”。
发酵罐制作不当造成“死角”。如不锈钢衬里焊接质量不好,导致不锈钢与碳钢之间有空气,在灭菌时,由于三者膨胀系数不同,使不锈钢鼓起或破裂,造成“死角”。
   罐底部堆积培养基中的固体物,形成硬块,包藏着脏物,使灭菌不彻底。应清洗彻底,消除积垢。

罐底的加强板长期受压缩空气顶吹而腐蚀、受损或裂缝,或焊接不当,造成灭菌不彻底。应缎成与罐底相同弧度,使之吻合紧密,并注意焊接质量。
    发酵罐封头上的人孔(或手孔)、排风管接口、灯孔、视镜口、进料管口、压力表接口等都是造成“死角”的潜在之处。一般应安装边阀,使灭菌彻底,并注意清洗。
    ②管道安装不当形成的“死角”发酵车间的管道大多数以法兰连接,法兰的加工、焊接和安装要符合灭菌要求,使衔接处两节管道畅通、光滑、密封性好,垫片内圆恰与法兰内径相等,安装时须对准中心。垫片内径太大、太小或安装不对准中心,都会造成“死角”。法兰与管子焊接不好,受热不均匀,易使法兰翘曲而形成“死角”。

某些管道须在发酵过程中或在培养基灭菌后才进行灭菌,如种子罐底部的移种管,若安装不当,就会存在

蒸汽不易通达的“死角”(下图a)。消除方法下图b。

    压力表安装不合理会形成“死角”(下图a),消除方法是在近压力表处安装放汽边阀(下图b)。


4、设备渗漏引起的柒菌及其防止 


  发酵设备、管道、阀门长期使用,由于腐蚀、摩擦和振动等原因,往往造成渗漏。例如,设备的表面或焊缝处若有砂眼,由于腐蚀逐渐加深,最终导致穿孔,冷却管受搅拌器作用,长期磨损,焊缝处受冷热和振动产生裂缝而渗漏。为了避免设备、管道、阀门渗漏,应选用优质的材料,并经常进行检查。冷却蛇管的微小渗漏不易被发现,可以压入碱性水;在罐内可疑地方,用浸湿酚酞指示剂的白布擦,如有渗漏白布显红色。

5、操作失误导致的染菌及其防治


    一般来说,稀薄的培养基比较容易彻底灭菌,而淀粉质原料,在升温过快或混合不均匀时容易结块,团块中心部位蒸汽不易进人将杂菌杀死,而造成染菌。同样,由于培养基中诸如麸皮、黄豆饼一类的固形物含量较多,在投料时溅到罐壁或罐内的各种支架上,容易形成堆积,这些堆积物在灭菌过程由于传热较慢,一些杂菌不易被杀灭,一旦灭菌操作完成后,通过冷却、搅拌、接种等操作,含有杂菌的堆积物将重新返回培养液中,造成染菌。通常,对于淀粉质培养基的灭菌采用实罐灭菌较好。一般在升温前先搅拌混合均匀,并加入一定量的淀粉酶进行液化。有大颗粒存在时应先过筛除去,再行灭菌。对于麸皮、黄豆饼一类固形物含量较多的培养基,采用罐外预先配料,再转至发酵罐内进行实罐灭菌较为有效。
    灭菌时由于操作不合理,未将罐内的空气完全排除,造成压力表显示“假压”。使罐内温度与压力表指示数不一致,培养基的温度以及罐顶局部空间的温度达不到灭菌的要求,导致灭菌不彻底而染菌。因此,在灭菌升温时,要打开排气阀门,使蒸汽能通过并驱除罐内冷空气,一般可避免此类染菌。
培养基在灭菌过程中很容易产生泡沫,发泡严重时,炮沫可上升至罐顶甚至逃逸,以致泡沫顶罐,杂菌很容易藏在泡沫中,由于泡沫的薄膜及泡沫内的空气传热差,使泡沫内的温度低于灭菌湿度,一旦灭菌操作完毕并进行冷却时,这些泡沫就会破裂,杂菌就会释放到培养基中,造成染菌。因此,要严防泡沫升顶,尽可能添加消泡剂防止泡沫的大量产生。
    在连续灭菌过程中,培养基灭菌的温度及其灭菌时间必须符合灭菌的要求,尤其是在灭菌结束前最后一部分培养基也要善始善终,以确保彻底灭菌。避免蒸汽压力波动过大,应严格控制灭菌的温度,最好采用自动控温过程。
    发酵过程中越来越多地采用了自动控制.一些控制仪器逐渐被应用。如用于连续测定并控制发酵液pH值的复合玻璃电极、测定溶氧浓度的探头等。这些元件如用蒸汽进行灭菌,会因反复经受高温而大大缩短其使用寿命。因此,一般常采用化学试剂浸泡等方法来灭菌。但常会因灭菌不彻底,放入发酵罐后导致染菌。
    噬菌体的防治是一项系统工程,只有从培养基的制备、培养基灭菌、种子培养、空气净化系统、环境卫生、设备、管道等诸多方面分段检查把关,才能根治噬菌体的危害。
    具体归纳以下几点:
    ① 严格活菌体排放,切断噬菌体的“根源”;
    ② 做好环境卫生,消灭噬菌体与杂菌;
    ③ 严防噬菌体与杂菌进入种子罐或发酵耀内;
    ④ 抑制罐内噬菌体的生长。生产中一旦污染了噬菌体,可采取下列措施加以挽救。
   (1)并罐法  利用噬菌体只能在处于生长繁殖细胞中增殖的持点,当发现发酵罐初期污染噬菌体时,可采用并耀法。即将其他罐批发酵16~18h的发酵液,以等体积混合后分别发酵,利用其活力旺盛的种子,不进行加热灭菌,亦不需另行补种,便可正常发酵。但要肯定,并入罐的发酵液不能染杂菌,否则两田都将染菌。
   (2)轮换使用菌种或使用抗性菌株  发现噬菌体后,停止搅拌,小通风,降低pH值,立即培养要轮换的菌种或抗性种子,培养好后接入发酵罐,并补加1/3正常量的玉米浆(不调pH值)、磷盐和镁盐。如pH值仍偏高,不要搅拌,适当通风,至PH值正常。OD值增长后,再开搅拌器正常发酵。         (3)放罐重消法  发现噬菌体后,放罐,调pH值(可用盐酸,不能用磷酸),补加1/2正常量的玉米浆和1/3正常量的水解糖,适当降低温度重新灭菌,不补加尿素,接人2%的种子,继续发酵。   (4)罐内灭噬菌体法  发现噬菌体后,停止搅拌,小通风、降低pH值,间接加热到70~80℃,并自顶盖计量器管道(或接种,加油管)内通入蒸汽,自排气口诽出。因噬菌体不耐热,加热可杀死发酵液内的噬菌体,通蒸汽杀死发酵罐及管道内的噬菌体。冷却后,如pH值过高,停止搅拌,小通风,降低pH值,接入两倍量的原菌种,至PH值正常后开始搅拌。    当噬菌体污染严重而上述方法无法解决时.应调换菌种或停产全面消毒后再恢复生产。
6、噬菌体污柒及其防治
    利用细菌或放线菌进行的发酵生产容易遭噬菌体的污染,由于噬菌体的感染力非常强,传播蔓延迅速,且较难防治,对发酵生产有很大威胁。噬菌体是一种病毒,其直径约0.1μm,可以通过环境污染、设备的渗漏或“死角”、空气净化系统、培养基灭菌过程、补料过程及操作过程等环节进入发酵系统。.
    由于发酵过程中噬菌体侵染的时间、程序不同以及噬菌体的“毒力”和菌株的敏感性不同,所表现的症状也不同。比如氨基酸的发酵过程,感染噬菌体后,常使发酵液的光密度在发酵初期不上升或回降;PH值逐渐上升,可到8.0以上,且不再下降或pH值稍有下降,pH停滞在7~7.2之间,氨的利用停止;糖耗、温升缓慢或停止;产生大量的泡沫,有时使发酵液呈现黏胶状;酸的产量很少、增长缓慢或停止;镜检时可发现菌体数量显著减少,甚至找不到完整的菌体,CO2排出量异常,发酵周期延长;发酵液发红、发灰、泡沫很多、难中和,提取分离困难,收率很低等。
    噬菌体在自然界中分布很广,在土壤、腐烂的有机物和空气中均有存在。噬菌体是专一性活菌寄生体,但有时也能脱离寄主在环境中长期存在。在实际生产中,经常由于空气的传播而造成噬菌体污染。因此,环境污染噬菌体是引起噬菌体感染的主要原因。
    至今最有效的防治噬菌体染菌的方法是以净化环境为中心的综合防治法,主要有净化生产环境,消灭污染源,改进提高空气的净化度,保证纯种培养,保证种子本身不带噬菌体,轮换使用不同类型的菌种,使用抗噬菌体的菌种,改进设备装置,消灭“死角”,药物防治等。

二、染菌的拯救与处理





发酵过程一旦发生染菌,应根据污染微生物的种类、染菌的时期或杂菌的危害程度等进行挽救或处理,同时对有关设备也要进行相应的处理。
  (1)种子培养期染菌的处理  一旦发现种子受到杂菌的污染,该种子不能再接入发酵罐中进行发酵,应经灭菌后弃之,并对种子罐、管道等进行仔细检查和彻底灭菌。同时采用备用种子,选择生长正常无染菌的种子接人发酵罐,继续进行发酵生产。如无备用种子,则可选择一个适当菌龄的发酵罐内的发酵液作为种子,进行“倒种”处理,接人新鲜的培养基中进行发酵,从而保证发酵生产的正常进行。
  (2)发酵前期染菌的处理  当发酵前期发生染菌后,如培养基中的碳、氮源含量还比较高时,终止发酵,将培养基加热至规定温度,重新进行灭菌处理后,再接入种子进行发酵;如果此时染菌已造成较大的危害,培养基中的碳、氮源的消耗量已比较多,则可放掉部分料液,补充新鲜的培养基,重新进行灭菌处理后,再接种进行发酵。也可采取降温培养、调节pH值、调整补料量、补加培养基等措施进行处理。
  (3)发酵中、后期染菌处理  发酵中、后期染菌或发酵前期轻微染菌而发现较晚时,可以加入适当的杀菌剂或抗生素以及正常的发酵液,以抑制杂菌的生长速度,也可采取降低培养温度、降低通风量、停止搅拌、少量补糖等措施进行处理。当然如果发酵过程的产物代谢已达一定水平,此时产品的含量若达一定值,只要明确是染菌也可放罐。对于没有提取价值的发酵液,废弃前应加热至120℃以上、保持30min后才能诽放。
  (4)染菌后对设备的处理  染菌后的发酵罐在重新使用前,必须在放罐后进行彻底清洗,空罐加热灭菌后至120℃以上、30min后才能使用。也可用甲醛熏蒸或甲醛溶液浸泡12h以上等方法进行处理。