第三章__培养基的制备和灭菌设备.ppt

第三章 培养基的制备设备 主要内容：主要内容：第一节第一节 培养基的灭菌设备 第二节第二节 原料的蒸煮与糖化设备 第三节第三节 麦芽汁的制备设备 第四节第四节 淀粉水解制糖设备 学习要求：学习要求：掌握培养基的分批灭菌计算、连 续灭菌流程和设备的结构及设计 了解培养基制备设备的结构和设 计 第一节 培养基的灭菌设备 一、灭菌的基本理论 二、分批灭菌过程与计算 三、连续灭菌流程与设备 一、灭菌的基本理论 （一）灭菌目的 1. 避免生物反应的基质或产物，因杂菌的消耗而 损失，造成生产转化率的下降 2. 杂菌的代谢物质，会使所要产物的提取和分离 变得困难，造成收得率降低或使产品质量下降 3. 有些杂菌会分解产物，或噬菌体裂解生产菌细 胞，使生产失败 灭菌：射线灭菌、药物灭菌、热灭菌 分离：离心沉淀、介质过滤 （三）加热灭菌方式 培养基加热升温维持保温冷却降温发酵 分批灭菌：三个过程在一个设备内完成 连续灭菌：三个过程分别在不同的设备内完成 （四）灭菌要求 v达到无菌程度 v尽量减少营养成分损失 v降低能量消耗 （二）灭菌方法 上式积分 （五）理论灭菌时间 微生物的受热死灭过程属于一级反应 式中： 受热时间 n活菌个数 k反应速率常数，随反应温度变化 式中：理论灭菌时间，s 对数残留定律 式中： e活化能 t加热温度 r气体常数 a常数 n0灭菌前，杂菌个数（浓度），个/ml ns灭菌后，残存活菌个数（浓度），个/ml 通常ns103 k菌死亡的反应速率常数，s1 与微生物的种类和加热温度有关 细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能 细细菌死亡(kj/mol)酶、蛋白质质或维维生素破坏葡萄糖破坏 活化能e4.187(50100)4.187(226)4.18724 v细胞死亡的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能大得 多 v当温度升高时，细菌的死亡速率的增加要比营养成分的破 坏 速率的增加大得多，而所需灭菌时间大大缩短 v采用高温短时间的灭菌方法，可以减少营养成分的损失 （六）灭菌温度 加热温度和受热时间与灭菌程度和营养成分的破坏都有关系 例1：有一发酵罐，内装培养基40m3，在121的温度 下进行实罐灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢 2107个，在121 时的灭菌速率常数为0.0287s-1。 试求灭菌失败的几率为0.001所需的时间。 解： 例2：有一发酵罐，内装培养基40m3，在131的温度 下进行连续灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢 2107个，在131 时的灭菌速率常数为0.25s-1。试求 灭菌失败的几率为0.001所需的时间。 解： 二、分批灭菌过程与计算 (实罐灭菌或实消) v升温：将培养基置于 发酵罐中用蒸汽加热 v保温：达到预定灭菌 温度后维持一定时间 v降温：冷却到发酵温 度后接种发酵 （一）分批灭菌操作过程 加热升温阶段 v间接加热：打开各 排气阀，将蒸汽引 入夹套或蛇管进行 间接加热，待罐温 升至8090，将排 气阀逐渐关小 v直接加热：将蒸汽 从进气口、排料口 、取样口直接通入 罐中，使罐温上升 到118120 维持保温阶 段实罐灭菌的进汽和排汽原则 u“非进即出”，所有与发酵 罐连接的管道在灭菌过程 中如果不进入蒸汽就一定 要进行排汽 v进汽：凡开口在培养基 液面以下的各连接管道 及冲视镜管道都应进汽 v排汽：凡开口在液面之 上者均应排汽 v“三进四出”、“三进 五出” 冷却降温阶段 v关汽：关闭各排汽 、进汽阀门 v通水：向罐夹套或 蛇管中通入冷却水 降温 v送气：向罐内送入 无菌空气，降温不 降压 （二）分批灭菌特点 u优点：不需要专门的灭菌设备，投资少 对设备要求简单，对蒸汽的要求也比较低 操作简单易行，灭菌效果可靠 u缺点：占罐时间长，发酵罐的利用率低 受热时间较长，培养基中营养成分破坏较多 用汽不平衡 u适用：生产规模较小或品种多 极易发泡、粘度较大难以连续流动的培养基 （三）分批灭菌的计算 v确定灭菌操作的时间和所需加热及冷却介质用量 1、灭菌操作时间 加热升温阶段(先间接加热，后直接加热) 维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） 冷却降温阶段（间接冷却到发酵温度） 2、加热和冷却介质用量 加热蒸汽用量（热量衡算） 保温蒸汽用量（估算） 冷却水用量 （冷却水流量和冷却时间） 1、灭菌操作时间 传热速率： 培养基： 上式积分： 两式合并： t g t 蒸汽 冷凝水 加热升温阶段(先间接加热，后直接加热) 间接加热时间（不稳定传热） 式中：1间接加热时间，h g培养基的质量，kg c1培养基的比热，kj/kg. k总传热系数， kj/m2.h. f传热面积，m2 t加热蒸汽温度， t1加热前培养基的温度， t2加热后培养基的温度， 间接加热时间： v维持保温阶段（维持灭菌温度到灭菌时间） v维持保温时间 不考虑升、降温阶段的灭菌作用时： 计算升温阶段的灭菌作用时： 式中：p升温时间，h （一般是指从100到灭菌温度的时间） 保温时间： （灭菌时间） kmp阶段的平均灭菌速率常数，s-1 近似计算： 式中：k1t1（ 100）时灭菌速率常数，s-1 k2t2（ 灭菌温度）时灭菌速率常数，s-1 k中(t1t2)/2时灭菌速率常数，s-1 保温时间： v冷却降温阶段（间接冷却到发酵温度） v冷却降温时间（双变量不稳定传热） t g t t1 冷却水 移项： 冷却水： 式中： w-冷却水的流量， kg/h c2-冷却水的比热， kj/kg. t1-冷却水的进口温度， 设 则 两式合并： 平均温度差： 培养基： 上式积分： 式中： t1培养基冷却前的温度， t2培养基冷却后的温度， 冷却降温时间： v加热蒸汽用量 式中：i加热蒸汽的焓，kj/kg 冷凝水的焓，kj/kg v保温蒸汽用量 式中：f排汽口的面积，m2 p罐内蒸汽压力，atm 蒸汽比容，m3/kg 2、加热和冷却介质用量 v冷却水用量 l要求3时间完成冷却，试差求a 计算冷却时间3和冷却水用量 q= w 3 l已知冷却水流量w，计算a 计算w和q 分批灭菌讨论： v对于工业规模的灭菌操作，完成整个灭菌周期 一般约需3h5h，其各阶段对灭菌效果贡献大 致如下： n加/n总=20% n保/n总=75% n冷/n总=5% 习题：有一发酵罐，内装培养基18.5m3，于121下进行实 罐灭菌。若每毫升培养基中含耐热芽孢杆菌2107个，灭 菌失败几率是103，试求 v 不计升、降温阶段的灭菌作用，灭菌所需时间？ （logk 14854/t+36.127） v 其它条件不变，培养基体积增大一倍，灭菌时间是多少？ v 若已知升降温阶段培养基从100升至121共需15min， 那么升温结束时，培养基中残存芽孢数及在121保温时 间？ v 若发酵罐的传热面积为25m2，则用2kg/cm2（表）的蒸汽 间接加热使培养基由25升至90，所需时间？（ k=4.187400kj/m2h 、 =1000kg/m3） v 若用10的冷却水，冷却灭菌后的培养基，将其从121 降至30。已知当培养基降至80时，冷却水出口温度为 30，求冷却水用量及冷却时间？ 连续灭菌（连消）：将培养基连续加热升温、 保温灭菌、冷却降温 三、连续灭菌流程与设备 1、特点 优点： u 提高产量，设备利用率高 u 培养基受热时间较短，所含 营养成分破坏较少 u 蒸汽负荷均衡，操作方便 u 降低了劳动强度，适宜自动 控制 缺点：需要专门设备，投资较大 设备较多，染菌机会也相应较多 .加热设备：加热均匀 ， 快速升温到灭菌温 度 u（温度一致） .维持设备：使培养基 按顺序流动，维持灭 菌温度达到灭菌时间 u（时间一致） .冷却设备：传热速率 高，尽快冷却到发酵 要求温度，密封性好 ，回收热能 2、要求 3、流程 .连消塔加热喷淋冷却连续灭菌流程 v 培养基用泵打入 连消塔与蒸汽直 接混合升温 流程：连消塔、维持罐、喷淋冷却器 v 达到灭菌温度后 进入维持罐 v 维持一定时间后 经喷淋冷却进入 发酵罐 .喷射加热真空冷却连续灭菌流程 v培养基用泵打入喷 射加热器与蒸汽混 合升温 流程：喷射加热、管道维持、真空冷却 v进入管道维持器保温 一定时间 v进入真空闪急蒸发室 冷却降温 特点 加热和冷却在瞬间完成 ，营养成分破坏最少 管道维持器保证物料先 进先出，缩短保温时间 真空冷却器需要安装一 台出料泵，或将其置于 发酵罐10m以上的高处 真空冷却可能造成培养 基重新污染 .板式换热连续灭菌流程 流程：薄板换热器加热、管道维持、薄板换热器冷却 特点 v在一台薄板换热器中完成培养液的预热、加热及 冷却三个过程 v培养液的预热过程同时为灭菌后培养液的冷却过 程，减少了加热蒸汽和冷却水的用量 4、设备构造和计算 （1）连消塔 作用：加热培养基至灭菌 温度 要求：在20s30s或更短的 时间内将料液加热 至130140 类型：套管式、混合式 结构 u用两根以上管子套合组成 u内管壁上开有45向下倾 斜的小孔，孔径一般为6mm ，孔距应从上到下减少 使用 u培养基由塔底进入，与小 孔中喷出的蒸汽连续混合 ，升温后从塔上部流出 u培养基在塔内停留时间一 般20s30s；流动速度要求 小于0.1m/s 设计 式中： s加热蒸汽流量， kg/h 蒸汽比容， m3/kg u汽蒸汽流速，m/s，通常采用2540 v内管直径 d v外管直径 d 式中：g培养基流量，kg/h 培养基密度，kg/m3 u液培养基流速，m/s，小于0.1 式中： u汽蒸汽喷孔的速度，m/s，2540 v蒸汽喷孔数 n 式中 ：n 喷孔数，个 f 蒸汽喷孔的总面积，m2 d1喷孔直径，m ，0.0040.008 v 塔高h 式中： h连消塔高，m 加热时间，s，2030 （2）维持罐 作用：维持加热到灭菌 温度的培养基达 到灭菌时间 要求： u维持设备不需另行加热， 但必须在设备的外壁用绝 热材料进行保温 u使培养基按顺序流动 结构 u维持罐为长圆筒形，上下为球 形封头 u罐顶部安装有压力表、排汽管 、人孔 u圆筒上有温度计测温孔、进出 物料管接口 使用 u进料管由圆筒上部侧面伸入， 在罐内通至下部，使料液自下 向上流动，至上部侧面接管流 出 u停止操作时，料液由底部接管 排尽 计算 容积： 式中：v维持罐容积，m3 料液体积流量，m3/h，(g+s)/ 维持时间，min，取经验数据为825 充满系数，取0.850.9 尺寸：d:h=1:24 （3）冷却设备 作用：将已灭菌的培养基冷却到发酵温度 类型：喷淋冷却器、套管换热器、薄板换热器、 螺旋板换热器、真空冷却器 a、喷淋冷却器 使用 v培养基由排管下部进入，而由上部排出 v将水通过喷淋装置均匀地淋在水平的排管上， 冷却管内的培养基 优点：结构简单 缺点：传热系数小，需要较大的传热面积 冷却水喷淋不均匀，耗水量较大 b、套管换热器 使用：内管走热培养 基，内外管的间隙 中走冷却水 优点：结构简单，易于维修和清洗 适用于高温、高压流体，特别是小流量流体的换热 缺点：流动阻力大，需要较多制造材料 构造 u由一组波纹金属板组成， 板上有孔，供换热的两种 流体通过 u金属板片安装在一个侧面 有固定板和活动压紧板的 框架内，并用压紧螺杆压紧 c、薄板换热器 组成部件：换热板、密封垫片、压紧装置 u改变刚度，提 高抗变形能力 u增大传热面积 u加强液体的湍 动程度，提高 传热速率 v换热板是用1mm厚不锈钢板由水压机冲压成型 v密封垫片放置于 每片板的周边和 两个孔口，用于 密封并分成两个 流体通道 v调节密封垫片厚 度可改变流体通 道大小 v压紧装置将叠合 在一起的各传热 板压紧，使密封 垫片起到密封作 用 特点 v传热系数大（k 5000kj/h.m2. 15000kj/h.m2.） v结构紧凑（250m2/m31000m2/m3），占地面积小 v操作灵活性大（传热面积可调，流体流程可变， 可同时进行不同操作） v容易拆卸，清洗方便，卫生条件较好 v允许操作压力、温度较低 v处理量较小，适用于纯流体 v密封周边长，易泄漏 t 1 t2 t 1 t2 t 1 t2 t 2 t1 t2 t1 t 2 t1 流程 v并联流程：流量大 ，温度变化小 v串联流程：流量小 ，温度变化大 v混联流程：并联满 足流量要求，串联 达到温度变化要求 冷热流体不同流程 计算 v传热面积f v薄板数z 式中：f传热面积，m2 q传热速率，kj/h k总传热系数，kj/m2.h. tm传热温度差， 式中：z总板数 f单片板有效传热面积，m2 v每程并联流道数m v流程数i 式中：g流体流量，kg/s 流体密度，kg/m3 b换热板宽，m h板间距，m u流体流速，m/s 板式换热器规格型号表达方法 b 板式换热器代号 波纹代号 组合形式 总换热面积 设计压力（pa105） 设计温度 （） 单片板公称换热面积 x斜波纹 r人字波纹 p平直波纹 j锯齿形波纹 流程组合表达式 式中： m1、 m2热流体第一、二程的流道数 n1、 n2 冷流体第一、二程的流道数 i1、 i2 热流体第一、二程 j1、 j2 冷流体第一、二程 第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化设备 一、连续蒸煮糖化流程 二、连续蒸煮糖化设备 一、连续蒸煮糖化流程 淀粉质原料蒸煮目的 u糊化：高温蒸煮使原料的淀粉细胞膜和植物组织 破裂，即破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使 其内容物质流出，呈溶解状态变成可溶性 淀粉，便于糖化剂作用，使淀粉变成可发 酵性糖 u灭菌：高温蒸煮的同时也把存在于原料中的大量 微生物进行灭菌 方式 v分批（间歇）蒸煮糖化 v连续蒸煮糖化 罐式连续蒸煮糖化 管式连续蒸煮糖化 柱式连续蒸煮糖化 v罐式连续蒸煮糖化，蒸煮温度较低，可节省能 耗，操作容易控制，设备结构简单，制造方便 ，为大、中型工厂广泛采用 二、蒸煮糖化设备 1、蒸煮罐 构造 u立式长圆筒与球形封头 焊接而成 u加热蒸汽管口与粉浆管口 之间的距离约为200mm u罐外装有保温层 粉浆加热器 u三套管式 u加热快速、均匀 u可提高蒸煮温度 u增加生产能力1015% 2、后熟器 u蒸煮时仅在粉浆加热器 或蒸煮罐底部通入蒸汽 ，其后各罐不再加入蒸 汽，而称为后熟器 u后熟器压力逐渐下降， 糊化醪产生二次蒸汽， 由最后一个后熟器分离 出来，故最后一个后熟 器也称为汽液分离器 v作用:维持蒸煮温度达到 要求时间，使糊化醪煮 透 要求：蒸煮罐或后熟器的 直径不宜太大，避免醪液 出现返混运动，保证醪液 先进先出 数量：罐数过多则压力降 过大，后熟器压力过低， 以致醪液压不到最后一个 后熟器，宜采用36个 薯干类原料蒸煮压力较低 ，宜采用34个 玉米类原料压力较高，可 采用56个 式中：v1包括加热蒸汽冷凝液的糊化醪量， m3/h 蒸煮时间，h v2蒸煮罐或每个后熟器的容积，m3 n 蒸煮罐和后熟器的数目 最后一个后熟器的充满系数，约为0.5 容 积：蒸煮罐和各后熟器采用相同容积 尺 寸： d:h=1:35 3真空冷却器 原理 u在一定的真空度下对应 的沸点温度低于醪液温 度 u醪液自蒸发产生大量二 次蒸汽 u蒸发汽化潜热取自料液 本身 u醪液很快降温到与真空 度相应的沸点温度 v冷却时间短 v无传热面，适用于粘 度大、含固体颗粒、 受热易结垢的物料 v需抽真空设备，动力 消耗多 v排料问题 特 点 组成和结构 v组成：真空冷却器、膜式 塔、真空泵或喷射器 v真空冷却器为圆筒形，圆 筒上有醪液切线进口，锥 底上有出料口，顶部中心 有二次蒸汽排出口 v二次蒸汽进入膜式塔，用 冷水冷凝 v不凝性气体经真空泵或喷 射器抽走，产生器内真空 v若采用水力喷射器抽真 空，真空冷却器可直接 与水力喷射器连接，无 需装置膜式塔 v真空冷却器和膜式塔必 须安装在较高的位置， 冷却的醪液和膜式塔中 的废水才能排出 计算 v根据蒸煮醪所产生的二次蒸汽量和二次蒸汽流 速来确定真空冷却器的几何尺寸 （1）二次蒸汽量 式中：g 蒸煮醪流量，kg/h c 蒸煮醪的比热，kj/kg. t1、t2蒸煮醪冷却前后的温度， r二次蒸汽的汽化热，kj/kg kg/h 式中: d 真空冷却器的直径，m w 蒸煮醪所产生的二次蒸汽量，kg/h 二次蒸汽的比容，m3/kg u汽二次蒸汽的上升速度，m/s，0.81.0 （2）几何尺寸 高度： 直径： 例题：已知从汽液分离器排除顶糊化醪量为12000kg/h,其 比热容为3.6kj/（kg.k）,温度为100，要求冷却至65， 计算真空冷却器的基本尺寸。 解：（1）真空冷却器内产生的二次蒸汽量： 查水蒸气表和二次蒸汽在65时的汽化潜热 r 2343.4kj/kg, 故真空冷却器内产生的二次蒸汽量为 ： 与65相对应的真空度为76.3kpa（572mmhg）,在此温 度下蒸汽的密度为0.1611kg/m3,则二次蒸汽的体积流量为 ： （2）真空冷却器的直径和高度：取器内二次蒸汽的上升速度 不超过1m/s，则真空冷却器的直径d： 一般真空冷却器的径高比为：1:1.52，现取d:h=1:1.5 ，则真空冷却器的圆柱部分高h： （3）醪液下降管（排醪管）的直径：设糊化醪液密度 1090kg/m3，取醪液在排醪管内下降为1m/s，则醪液下降 管管径d: 可选用68mm4mm的无缝钢管 （4）醪液下降管的长度： 选用l=8m 4糖化罐 作用： u将已降温至60 62 的糊化醪，与液体曲或麸 曲乳或糖化酶混合 u在一定温度（60）下维 持一定时间（30min 45min），使淀粉在酶的作 用下变成可发酵性糖 要求：混合均匀 结 构 圆筒形外壳，球形或锥形底 罐盖有人孔，罐侧中部有温 度计测温口，在罐侧和罐底 有灭菌蒸汽接管口 若进入的糊化醪未经冷却或 冷却不够，则糖化罐内需设 有冷却管 罐内装有搅拌器12组，转 速为4590r/min 糖化罐一般在常压下操作， 为减少染菌，可作成密闭式 计算 v容积： 式中：v糖化罐容积，m3 糖化液流量，m3/h 糖化时间，min 充满系数，0.750.85 尺寸： d:h=12:1 5.螺旋板换热器 v螺旋形传热面 构造 v组成部件：螺旋形传热板、 隔板、盖板、定距柱和连接 管 v由两张厚约26mm的钢板平 行卷制而成，构成一对相互 隔开的同心螺旋通道 v两板之间焊有定距柱以保持 两板间距和增加螺旋板的刚 度 类型 型 型 型 特点 v传热系数大（k400010000kj/h.m2.） v结构紧凑，单位体积提供的传热面积大 v流速较高(12m/s),处理量较大 v有自清刷能力，因其介质呈螺旋形流动，污垢不 易沉积 v不易清洗，不能检修 v允许操作压力、温度较低 计算 v传热面积f v传热板长l 式中：f传热面积，m2 q传热速率，kj/h k总传热系数，kj/m2.h. tm传热温度差， 式中：l一张传热板长，m a板宽，m，0.21.2，据流体性质而定