所謂滅菌就是殺死一切微生物，包括微生物的營養體和芽孢，這一概念不同於消毒。後者是指消滅一切致病微生物（病原體）。在發酵生產中為什麽要滅菌呢？主要有以下幾點原因：如不滅菌，會使生物反應的基質或產物，因雜菌的消耗而損失，造成生產能力的下降；雜菌也會產生代謝產物，這就使產物的提取更加困難，造成得率降低，產品質量下降；有些雜菌會分解產物，使生產失敗；雜菌大量繁殖後，會改變反應液的pH值，使反應異常；如果發生噬菌體汙染，生產菌細胞將被裂解，使生產失敗。
滅菌原理是直接用蒸汽滅菌，蒸汽在冷凝時能釋放出大量潛熱，蒸汽具有強大的穿透力，破壞菌體蛋白和核酸的化學鍵，使酶失活，微生物因代謝障礙而死亡。水煮常壓滅菌：100℃。或飽和蒸汽滅菌：一般121℃，30分鍾。適合培養基和發酵設備滅菌。
微生物的濕熱滅菌過程，其本質上就是微生物細胞內蛋白質的變性的過程。因此，可以把滅菌過程看成是蛋白質的變性的過程，從這個意義上講，滅菌過程應遵循單分子反應的速度理論，那麽，則有下列方程：
式中：N0—開始滅菌（t=0）時原有活菌數； Nt----經時間t後殘存活菌數。
k：意義同上；t ：表示理論滅菌時間
k=（2.303/t）logNt/N0；比死亡速率常數K，K值大，表明微生物容易死亡。
理論滅菌時間的計算需要注意以下幾個問題：
（1）K值因不同的微生物種類不同、不同的生理狀態、不同的外界環境，差別很大，實質上，它是微生物熱阻的一種表示形式，微生物的熱阻越大，K值也越小。可以取耐熱性芽孢杆菌的K進行計算。
(2)在計算過程中，N0，Nt如何取值？
N0 為滅菌開始時培養基中活微生物數，可以參考一般培養基中的活微生物數為（1-2）×107個/ml； Nt 通常取 0.001個，既滅菌失敗的概率為千分之一。
（3）上述滅菌時間，通常稱之為理論滅菌時間，隻可以用於工程計算中，在實踐過程中，因蒸汽的壓力問題（不穩定）、蒸汽的流量問題有很大差別，甚至培養基中的固體顆粒的大小、培養基的粘度等因素，都會影響滅菌效果，實際的設計和操作計算時間可作適當比例的延長或縮短。在實際生產中，通常采用經驗數值：間歇滅菌，121℃，20—30分鍾；連續滅菌，137℃，15—30s，在維持罐中保溫8—20分鍾。
4、滅菌溫度的選擇
在培養基滅菌過程中，除了雜菌死亡，還伴隨著培養基成分的破壞。因此必須選擇既能達到滅菌目的，又能使培養基的破壞降低至最低的工藝條件。
許多實驗研究結果表明，培養基在高溫滅菌的過程中，其營養成分的破壞在很大程度上可以用一級反應來描述其反應速度：
式中— 表示營養成分破環的速率，
C：表示營養成分的濃度
K'：為反應速度常數，1/s，應速度常數K'與溫度的關係，可以使用阿累尼烏斯公式表示之：
K'= A'exp- △E'/RT……（1）
式中—— ：反應速度常數，1/S
：反應的活化能（J/mol）
R：氣體常數，1.987*4.18 J/mol*k
T：反應的絕對溫度，k
同樣，滅菌過程中的反應速度常數也可以用下式表示出：
K = A×exp[-E/RT] …… （2）
（1）、（2）式可以改寫成下列形式：
lg(k,2/k,1) = E,/R×(1/T1 – T2 ) …… （3）
lg(k2/k1) = E/R×(1/T1 – T2 ) …… （4）
（3）（4）的意義是指：反應的溫度從T1 升高到 T2 ，其反應的速度常數分別從k,1 增加到 k,2；k1 增加到 k2；
培養基的滅菌過程實際上是營養成分破壞、菌體死亡的兩個平行性反應，對於平行性反應，反應溫度的提高，其兩個平行性反應的速度常數都增加，但增加的幅度（大小）卻不同，其比值可以表示為：
lg(k2/k1)/lg(k,2/ k,1)= E / E, …… (5)
實驗證明：營養成分為破壞的反應的活化能E的值為E, = 8.36—83.6*103 J/mol；而菌體死亡的活化能E芽孢：E = 418*103 J/mol；無芽孢：E = 209—250*103 J/mol。顯然，（5）式的比值〉1，說明提高溫度對於第二個平行反應，即菌體死亡的反應是有利的。提高溫度，雖然兩個平行性反應的反應速度常數都提高了，但是，達到同樣的滅菌效果，所需要的時間卻縮短了，由於第一個反應也就是營養成分破壞的反應速度常速增加的少，因此，有利於減少培養基在滅菌過程中營養成分的破壞。換言之，高溫短時滅菌對於培養基營養成分是有利的。通常所說的高溫短時滅菌可以提高生產效益，其理論根據就在於此。
結論1：當滅菌溫度上升時，微生物殺死速率的提高要超過培養基成分的破壞速率的增加。要減少營養成分的破壞，可升高溫度滅菌。
結論2：在滅菌時選擇較高的溫度、較短的時間，這樣便既可達到需要的滅菌程度，同時又可減少營養物質的損失。
（二）、影響滅菌效果的因素
（1）微生物種類：不同的微生物k值不同。
（2）初始菌量：在保持N值不變的前提下，t 與初始菌量N0的對數成正比。
（3）培養基成份：油脂、蛋白質增加微生物的耐熱性。
(4)傳熱與混合狀況：影響受熱均勻度。
(5)培養基中固體顆粒的存在影響熱穿透。
(6)蒸汽中空氣的存在降低蒸汽分壓和滅菌溫度。
(7)pH：酸性pH下可加快微生物熱死速率
三、培養基的工業滅菌
（一）、實驗室種子培養基滅菌方法
1、高壓蒸汽滅菌鍋、 手提式滅菌鍋。容量小。
2、立式或臥式滅菌鍋。容量較大， 一般能裝幾十瓶或幾百瓶。
3、滅菌櫃。要和蒸汽鍋爐配套， 用於大量種瓶培養基的滅菌， 一次能裝幾百至幾千瓶(袋)。
（二）、培養基的分批滅菌
1、定義：將配製好的培養基輸入發酵罐中，用蒸汽加熱，使培養基和設備同時滅菌的一種滅菌方式，又稱實罐滅菌。
2、滅菌過程
過程包括升溫、保溫和冷卻等三個階段，各階段對滅菌的貢獻：20%、75%、5%。培養基的升溫可由兩種方式實現：間接加熱，在夾套或蛇管中通入蒸汽加熱；直接加熱，在培養基中直接通入熱蒸汽加熱。
滅菌過程中加熱和保溫階段的滅菌作用是主要的，而冷卻階段的滅菌作用是次要的，一般很小，可以忽略不計。此外，還應指出的是，應當避免長時間的加熱階段，因為加熱時間過長，不僅破壞營養物質，而且也有可能引起培養液中某些有害物質的生成，從而影響培養過程的順利進行。
在實際生產中，也可能遇到所供蒸汽不足、溫度不夠高的情況，這時可以適當延長滅菌時間。生產上甚至有用100℃蒸煮而達到徹底滅菌的實例。如要做固體曲而沒有高溫蒸汽時，可將原料用100蒸汽蒸30min，殺死其中的營養細胞，但孢子與細菌的芽孢沒有被殺死。 將蒸過的原料置於室溫下過夜，未被殺死的孢子便發芽生長，芽孢發育成營養細胞，再30min便可殺死。如此連續反複進行2-3次，亦可達到徹底滅菌的目的。
3、分批滅菌的操作
分批滅歇是在所用的發酵罐或其他培養裝置中進行的，它是在配製罐中配好培養基後，通過專用管道輸入發酵罐等培養設備中，然後開始滅菌。在進行培養基的間歇滅菌之前，通常先將發酵罐等培養裝置的分空氣過濾器進行滅菌，並且用空氣將分過濾器吹幹。開始滅菌時，應先放去夾套或蛇管中的冷水，開啟排氣管閥，通過空氣管向發酵罐內的培養基通入蒸汽進行加熱，同時，也可在夾套內通蒸汽進行間接加熱。當培養基溫度升到70℃左右時，從取樣管和放料管向罐內通入蒸汽進一步加熱，當溫度升至120℃，罐壓為1*105Pa（表壓）時，打開接種、補料、消泡劑、酸、堿等管道閥門進行排汽，當然在保溫過程中，應注意凡在培養基液麵下的各種進口管道都應通入蒸汽，而在液麵以上的其餘各管道則應排放蒸汽，這樣才能不留死角，從而保證滅菌徹底。保溫結束後，依次關閉各排汽、進汽閥門，待罐內壓力低於空氣壓力後，向罐內通入無菌空氣，在夾套或蛇管中通冷水降溫，使培養基的溫度降到所需的溫度，進行下一步的發酵和培養。
由於培養基的間歇滅菌不需要專門的滅菌設備，投資少，對設備要求簡單，對蒸汽的要求也比較低，且滅菌效果可靠，因此，間歇滅菌是中小型生產工廠經常采用的一種培養基滅菌方法。
（三）、培養基的連續滅菌
1、定義：連續滅菌也叫連消，將配製好的並經預熱（60～75℃）的培養基用泵連續輸入由直接蒸汽加熱的加熱塔，使在短時間內達到滅菌溫度（126～132℃）。然後進入維持罐（或維持管），使在滅菌溫度下維持3～7分鍾後再進入冷卻管，使其冷卻至接種溫度並直接進入已事先滅菌（空罐滅菌）過的發酵罐內。其溫度一般以126～132 ℃為宜，總蒸汽壓力要求達到0.044～0.049 MPa以上。
培養基采用連續滅菌時，需在培養基進入發酵罐前，直接用蒸汽進行空罐滅菌（空消），用無菌空氣保壓，待培養基流入罐後，開始冷卻。滅菌時對培養基的加熱可采用各種加熱器。
培養基的冷卻方式有噴淋冷卻式、真空冷卻式、薄板換熱器式幾種方式，其過程均包括加熱、維持和冷卻階段。
2、連續滅菌的流程：
（1）由熱交換器組成的滅菌係統
流程中采用了薄板換熱器作為培養液的加熱和冷卻器，蒸汽在薄板換熱器的加熱段使培養液的溫度升高，經維持段保溫一定時間後，培養基在薄板換熱器的冷卻段進行冷卻，從而使培養基的預熱、加熱滅菌及冷卻過程可在同一設備內完成。該流程的加熱和冷卻時間比噴射加熱連續滅菌流程要長些，但由於在培養基的預熱過程同時也起到了滅菌後培養基的冷卻，因而節約了蒸汽和冷卻水的用量。
（2）蒸汽直接噴射型的連續滅菌係統
流程中采用了蒸汽噴射器，它使培養液與高溫蒸汽直接接觸，從而在短時間內可將培養液急速升溫至預定的滅菌溫度然後在該溫度下維持一段時間滅菌，滅菌後的培養基通過一膨脹閥進入真空冷卻器急速冷卻，從圖中可以看出，由於該流程中培養基受熱時間短，營養物質的損失也就不很嚴重，同時該流程保證了培養基物料先進先出，避免了過熱或滅菌不徹底等現象。
（3）由連消塔、維持罐和噴淋冷卻組成的滅菌係統
連續滅菌的基本設備一般包括：
①配料預熱罐，將配製好的料液預熱到60-70℃，以避免連續滅菌時由於料液與蒸汽溫度過大而產生水汽撞擊聲；
②連消塔，連消塔的作用主要是使高溫蒸汽與料液迅速接觸混和，並使料液的溫度很快升高到滅菌溫度（126-132）℃；
③維持罐，連消塔加熱的時間很短，光靠這段時間的滅菌是不夠的，維持罐的作用是使料液在滅菌溫度下保持5-7min，以達到滅菌的目的；
④冷卻管，從維持罐出來的料液要經過冷卻排管進行冷卻，生產上一般采用冷水噴淋冷卻，冷卻到40-50℃後，輸送到預先已經滅菌過的罐內。
（四）、間歇滅菌與連續滅菌的比較
1、歇滅菌的優點和缺點
優點是設備要求低，不需另外設置加熱、冷卻裝置；操作要求低，適於手動操作，適合於小批量生產規模；適合於含有大量固體物質的培養基的滅菌。缺點是培養基的營養物質損失較多，滅菌後培養基的質量下降；需進行反複的加熱和冷卻，能耗較高；不適合於大規模生產過程的滅菌；發酵罐的利用率較低。
2、連續滅菌的優點和缺點
優點是滅菌溫度高，可減少培養基中營養物質的損失；操作條件
恒定，滅菌質量穩定；易於實現管道化和自控操作；避免了複的加熱和冷卻，提高了熱的利用率；發酵設備利用率高。缺點是對設備的要求高，需另外設置加熱、冷卻裝置；操作較麻煩；染菌的機會較多；不適合於含大量固體物料的滅菌；對蒸汽的要求高。
由此可見，無論在理論上或者在實踐上，與間歇滅菌過程相比，連續滅菌的優點十分明顯。因此，連續滅菌越來越多地被用培養基的滅菌。
