液体培养基的制备及杀菌.ppt

第二篇生物反应物料处理及产物分离纯化设备,第一章物料处理与培养基制备,第二节液体培养基的制备及杀菌设备,一、糖蜜原料的稀释与澄清,糖蜜是甘蔗厂或甜菜糖厂的副产品，又称废糖蜜，俗称桔水。因其本身就含有相当数量的可发酵性糖（蔗糖），无需糖化，可直接供酵母发酵生产酒精、甘油、丙酮丁醇、柠檬酸、谷氨酸、食用酵母及液态饲料等。由于原糖蜜的浓度一般都在800Bx以上，胶体物质（果胶质、焦糖和黑色素）与灰分多，产酸细菌多，所以糖蜜酒精发酵前需进行稀释、酸化、灭菌、澄清、添加营养盐等处理过程。（0Bx：糖度（白利度），表示糖液中固形物浓度的单位，指的是100克糖溶液中，所含固体物质的溶解克数。）,一、糖蜜原料的稀释与澄清,1、间歇式稀释设备2、连续稀释器,稀释的目的：通过加水降低糖蜜的浓度，并通过加酸提高酸度，有利于酵母繁殖和形成絮状沉淀，并通过排除沉淀物去除杂质、杂菌，达到澄清的目的。,一、糖蜜原料的稀释与澄清,1、间歇式稀释设备,间歇稀释在稀释罐内进行，稀释罐为敞口容器，内安有搅拌装置或用通风代替搅拌，使糖蜜与水能达到均匀的稀释(目前工厂已经不使用了)。如果工厂原有糖化锅设备，一般利用糖化锅作为稀释设备。,一、糖蜜原料的稀释与澄清,2、糖蜜连续稀释设备,主体：圆筒形水平管子，设置多个管口。结构：沿管长方向设置若干隔板和一块筛板。隔板上的孔上下交错地配置，以改善糖液流动形式。隔板固定在两根水平杆上，能与杆一起装卸，以便清理，并可以从管子中取出来。动力特点：没有搅拌器，节省动力，安装时通常出口的一端向下倾斜。功能特点:同时可进行稀释，加营养盐等操作。,（1）水平式糖蜜连续稀释器,一、糖蜜原料的稀释与澄清,一、糖蜜原料的稀释与澄清,一、糖蜜原料的稀释与澄清,（2）立式糖蜜连续稀释器,主体：圆筒形器身，上下封头锥形。结构：下部有两个连接管，个进糖蜜，另一个进热水，流过最下边的一个中心有圆形孔的隔板后，糖液又与冷水混合。里面有7-8块具有半圆形缺口的隔板交错配置，这样液体呈湍流运动，使糖蜜和水更好地混合。隔板间距125mm，糖液允许速度为0.08-0.1m/s。,一、糖蜜原料的稀释与澄清,（3）错板式连续稀释器,主体：立式圆筒结构：圆筒内有10-15块档板成600角设置；功能特点：糖蜜和水从稀释器的上部流下，经器内各挡板的作用，糖蜜反复改变流向，使糖蜜和水均匀混合。,一、糖蜜原料的稀释与澄清,（4）胀缩式糖蜜连续稀释器,主体：立式变径圆筒特点：中间几次突然收缩直径，糖液在器内因器径的改变使流速随之发生改变，促进了糖液的均匀混合。,一、糖蜜原料的稀释与澄清,（5）变管径式糖蜜连续稀释器,主体：立式变径圆筒特点：由几种不同管径的直管段连接而成，作用原理与胀缩式稀释器相同。,一、糖蜜原料的稀释与澄清,酸化目的：防止杂菌的繁殖，加酸可以使其中的Ca+生成硫酸钙沉淀，因而加速糖蜜中胶体物质与灰分一道沉淀而除去。同时调整稀糖液的酸度，使适于酵母的生长。澄清目的：酸化后加热使蛋白类物质变性沉淀。,3、糖液的酸化澄清设备,一、糖蜜原料的稀释与澄清,糖蜜原料的澄清方法有以下几种：1）加酸通用处理法2）加热加酸沉淀法3）絮凝剂澄清处理法,一、糖蜜原料的稀释与澄清,酸化桶的总体积：,式中：Q-每小时需澄清的糖液量，m3/h；t-每次澄清时间，h；h-装满系数，一般取0.80.85；,式中：V-每个澄清罐的体积，m3。,酸化澄清多采用间歇设备。,T,VT=m3,n=,酸化桶个数：,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,蒸煮目的：1、借助蒸煮时的高温作用，破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使其内容物流出，呈溶解状态变成可溶性淀粉，以便糖化剂作用。2、高温高压灭菌。,（一）蒸煮糖化的目的,淀粉质原料通过蒸煮以后，把颗粒状态的淀粉变成了溶解状态的糊精，如果这时的糊精还不能被细胞直接利用，还必须采取添加糖化剂（麸曲、液体曲、糖化酶）的办法，把醪液中的淀粉、糊精转化为可发酵性糖等物质，作为生物细胞的碳源发酵产生酒精。,淀粉为白色无定形的结晶粉末，有圆形、椭圆形和多角形三种形状。,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,工业生产上将可溶性淀粉、糊精转化为葡萄糖的过程，就叫做糖化。糖化的目的：糖化的作用也就是把溶解状态的淀粉、糊精转化为能够被生物细胞利用的可发酵性物质，降低醪液的粘度，有利于酵母的发酵和酵液的输送。,淀粉水解的过程：淀粉糊精低聚糖麦芽糖葡萄糖,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,在我国生物发酵厂，将加热器（喷射加热器）、后熟器、冷却器（真空冷却器）和糖化锅组成了连续蒸煮糖化流程。提高了生产能力和出酒率，降低了煤耗，改善了劳动条件，提高产品质量。连续蒸煮有低温长时间的罐式连续蒸煮，中温的柱式连续蒸煮和高温短时间的管式连续蒸煮。对连续糖化的要求主要是使糊化醪与曲液充分混合，在一定温度下维持一定时间，并保持流动状态，以便于酶的作用。,（二）蒸煮设备,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,1、罐式连续蒸煮流程,水,原料混合用水,粉浆,液体曲,粉浆泵,蒸汽喷射器,后熟器,真空冷却器,连续糖化罐,液体曲贮罐,最后一个后熟器,特点：蒸煮温度可高、可低，节省能耗；设备结构简单操作容易控制；采用真空冷却器冷却，提高效率，降低费用。,蒸煮罐,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,2、蒸煮罐,结构主体:圆筒与封头焊成易损部件:下封头罐径：D/H=3-5,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,粉浆由罐底进料口压入，被加热蒸汽管喷出的蒸汽迅速加热到蒸煮温度，加热达到要求的物料经罐顶出料口流出入后熟罐。此罐保持压力为0.30.35MPa（表压）。为安装安全阀和压力表，物料出口管伸入罐内300-400mm，使罐内留有一定的空间。从罐中部6引出部分糊化醪去制备液体曲。在靠近加热位置的上方有温度计插口，以测试醪液被加热的温度。,3、加热器,它由三层直径不同的套管组成。内层和中层管上都钻有很多小孔，各层套管用法兰连接。粉浆流过中层管，高压加热蒸汽从内外两层管的小孔内喷出，使热粉浆加热，这种形式汽液接触均匀，加热较全面，可在很短时间内使粉浆达到规定的蒸煮温度。,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,4、后熟器,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,后熟器不再通入蒸汽，前几个后熟器是温度维持段，作用是在定温度下，维持一定时间，使糊化醪进一步煮透。糊化醪随着流动，压力下降，产生二次蒸汽，由最后一个后熟器分离出来。最后一个后熟器也叫汽液分离器，分离出来的二次蒸汽可供粉浆罐预热粉浆。装料率为50%。,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,罐式连续蒸煮的加热罐和后熟器，其直径不宜太大。原因是醪液从罐底中心进入后作返混运动，直径太大不能保证醪液的先进先出，致使受热时间不均匀，而造成部分醪液蒸煮不透就过早排出，而另有局部醪液过热而焦化。罐式连续蒸煮罐数不能太少，宜采用3-6个。但罐数过多则压力下降过大，后熟器压力过低，以致醪液压不到最后一个后熟器。,（三）真空冷却装置,由汽液分离器排出的糊化醪温度高(100)粘度大，需降温至60左右进行糖化，许多厂家采用真空冷却装置进行糊化醪糖化之前的冷却。工作原理：沸点和压力成正比。如：真空度610mmHg，沸点60；真空度732mmHg，沸点28。物料在一定真空度下沸点降低，蒸发部分水，水沸腾时会吸热(即汽化吸热)，所需要的热量取自料液本身，因而料液很快被冷却到真空相应的温度，称为真空冷却。,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,1圆桶体人孔3进料管料液排出管5温度计插座6真空表接管7二次蒸汽出口管,真空冷却装置1、真空冷却器2、冷凝器、3蒸汽喷射器,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,欲保持真空冷却器中真空度，一般要借助于真空泵、水力喷射泵或蒸汽喷射泵，连续地抽去真空冷却器中的二次蒸汽。糊化醪以切线方向进入冷却器，由于器内为真空，产生大量二次蒸汽，二次蒸汽进入冷凝器，在冷凝器内冷凝，不凝性气体则由蒸汽喷射器抽走。醪液温度可很快下降到60左右，由锥底排醪液口排出。,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,（四）糖化设备,1、连续糖化罐,任务：把已降温至6062的糊化醪，与糖化醪液或曲乳（液）混合，将60下维持3045min，保持流动状态，使淀粉在酶的作用下变成可发酵性糖。,圆筒形外壳，球形或锥形底.冷却装置：视醪液的冷却温度而定是否需要安装。搅拌装置：涡轮式、螺旋桨式或平桨式。,1糊化醪进管；2水和液体曲或曲乳或糖化酶进入；3无菌压缩空气管；4人孔；5温度计插口；6杀菌蒸汽进口管；7糖化醪出口管；8搅拌器,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,液体曲和水,糊化醪,冷水,冷水,糖化醪,人孔,设冷却蛇管的连续糖化罐,若进入糖化罐的糊化醪未经冷却或冷却不够，则可在糖化罐内设冷却蛇管。,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,2、真空糖化装置,依靠压力差蒸煮醪液由汽液分离器，与糖化曲液（由计量暂存桶）同时进入到真空糖化器。输送曲液（糖化醪液稀释水）到喷射-蒸汽的湍流中是依靠发生引射的混合效果，使曲液与蒸煮醪充分接触。在糖化罐内蒸煮醪被迅速冷却。符合糖化的最小容积应使糖化醪在真空糖化罐内平均停留时间为20min（连续糖化采用40-45min或更长的时间），然后进入三级真空冷却的第一室。优点：既是蒸发冷却器，又是糖化器，简化了设备。,气液分离器,糖化曲计量罐,真空糖化罐,冷凝器,真空冷却器,糖化醪泵,三级冷凝器,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,1圆桶体锥形底顶盖料液进管二次蒸汽出口管料液出管液封阀溢流管,1-输送机2-斗式提升机3-贮料斗4-锤式粉碎机5-螺旋输送机6-粉浆罐7-泵8-预热锅9-进料控制阀10-过滤器11-泥浆泵12-单向阀13-三套管式加热器14保温管道15-压力控制阀16-后熟器17-蒸汽分离器18-真空冷凝器19-蒸汽冷凝器20-糖化锅,管式连续蒸煮流程,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,1-斗式提升机2-贮料斗3-锤式粉碎机4-贮料斗5-混合桶6-离心泵7-加热器8-缓冲器9-蒸煮柱（保温柱）10-后熟器(汽液分离器)11-温度计,柱式连续蒸煮流程,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,（一）啤酒厂糖化设备的组合方式,糖化车间的主要任务：麦芽加水糊化、糖化、糖化醪过滤和麦汁的煮沸。,1.两器组合：一只糖化锅兼过滤槽和一只糊化锅兼煮沸锅2.四器组合：糊化锅、糖化锅、过滤槽和煮沸锅五器组合：在四器组合的基础上，增加一只暂贮罐，用于暂贮过滤后的麦汁4.六器组合：在四器组合的基础上，再添一只过滤槽和一只煮沸锅；另一种六器组合是：2只糊化-糖化两用锅、2只过滤槽、2只煮沸锅。,五器组合,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,（二）糊化锅,作用：用来加热煮沸辅助原料（大米粉或玉米粉）和部分麦芽粉醪液，使其淀粉液化和糊化。,结构：圆柱形锅身，弧形锅底和顶盖。顶盖连接下粉筒，中心连接升气筒。锅底设一蒸汽夹套。内装有旋浆式搅拌器。,糊化锅锅底的弧形设计对传热的影响,f1,f2,h1,h2,原理：靠近锅倾斜壁有较浅的液柱h2，但有较大的加热面积f2，而中心部位具有较深的液柱h1，加热面积f1较小，因此在锅底部位周围较快发生气泡，将液体向上推，而形成中心液体向下的自然循环。优点:节省搅拌动力消耗，能够促进液体循环,便于清洗。,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,（三）糖化锅,用途：使麦芽粉与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。结构：与糊化锅相似。H=0.5D，锅底平底或做成球形蒸汽夹套作用：蛋白质分解和淀粉糖化容积：比糊化锅大1倍，装满系数为0.7,糖化锅,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,（四）麦芽汁煮沸锅,麦汁煮沸锅又称煮沸锅，或称浓缩锅，用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发掉，使麦汁达到要求浓度。并加入酒花，浸出酒花中的苦味及芳香物质。同时起凝固蛋白质、灭菌、灭酶的作用。,煮沸锅结构与糊化锅相同，但容积要大。,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,a.夹套式，需搅拌装置b.现在采用内置列管式加热器，无搅拌装置。c.体外加热器。后面两种煮沸强度大，麦汁温度可达106-108，可缩短麦汁煮沸时间，对提高啤酒质量有好处。,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,蒸汽在列管内流通，麦芽汁在列管外部周围循环对流,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,过滤槽用于过滤糖化后的麦醪，使麦汁与麦槽分开而得到清亮的麦芽汁。,1、常压平底过滤槽,（五）糖化醪过滤槽,圆筒体平底过滤筛板：平底上方812cm处水平铺设，筛板上开有条形筛孔（0.40.73050mm）或直径0.8mm的圆孔，开孔率4-8%麦汁导出管：直径为2545mm，每1.251.5m2底面上有一管耕槽机：装于中央垂直转轴上，有耕刀。耕槽机于进料时起搅拌作用，后期疏松麦糟层、排糟。喷淋水装置,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,现代过滤槽的基本结构,1醪液进口2麦糟暂存箱3耕糟机4清洗环管5照明6人孔7排气管8调节阀9视镜10假底清洗管11过滤泵12耕糟机的升降和驱动装置,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,麦汁收集管（内区4个，外区6个）,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,过滤槽排糟口工作示意图,不同形式的麦汁导出管结构,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,耕糟臂中心柱,1混浊麦汁回流进口2混浊麦汁出口3耕糟臂4耕刀5主轴6耕糟臂中心柱俯视图,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,耕糟臂的形式,耕刀形式,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,2、快速过滤槽,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,快速过滤槽是一种在低真空下操作的新型糖化醪过滤设备。器身圆柱形或长方形，底部为锥形。槽身的下部装有5-7层呈网状且互相沟通的过滤管。上有条型滤孔，每一层过滤管为一独立的过滤单元。过滤操作时，先把糖化醪用泵输送到已用热水预热过的过滤槽中，醪液通过两个分配器均匀地分布到槽内，在滤管上形成滤层。当醪液没过滤管后，开始用泵抽滤。开始流出的麦汁比较浑浊，用泵返回过滤槽，待麦汁清亮透明后，送入麦汁煮沸锅。,特点：过滤面积大（3倍），压差增大了,过滤速度快（泵抽滤）。不足：麦汁透明度不及传统过滤槽。,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,四、液体培养基的灭菌,1、培养基灭菌的定义用物理或化学方法从培养基中杀灭有生活能力的细菌营养体及其孢子，或从中将其除去。2、培养基灭菌的目的杀灭培养基中的微生物，为后续发酵过程创造无菌的条件。3、培养基灭菌的要求（1）达到要求的无菌程度（10-3/罐）（2）尽量减少营养成分的破坏,（一）液体培养基灭菌的几个基础概念,四、液体培养基的灭菌,4、灭菌的方法化学灭菌：高锰酸钾、漂白粉、双氧水、环氧乙烷、甲醛、75酒精等；物理方法：辐射灭菌：X射线、射线、紫外线、超声波、微波等干热灭菌法：常用于空玻璃器皿、金属器具的灭菌。过滤灭菌：微孔滤膜过滤除菌；大多用于热敏性物料湿热灭菌：121，保持20-30min；工厂中蒸汽容易获得，控制操作条件方便，采用蒸汽湿热灭菌是一种简单而又价廉、有效的灭菌方法。,四、液体培养基的灭菌,5、湿热灭菌原理蒸汽在冷凝时释放出大量潜能，并且具有强大穿透力，在高温和水存在时，微生物细胞中的蛋白质极易发生不可逆凝固性变性，致使微生物在短时间内死亡。湿热灭菌的效果，取决与加热温度和受热时间。,6、培养基灭菌温度的选择灭菌温度的选择应考虑的因素主要有：a.微生物的热致死温度：应高于该温度，通常以芽孢为准。b.营养成分的破坏灭菌温度的选择，应是在保证灭菌效果的前提下，尽可能减少培养基中营养成分的破坏。高温短时灭菌,四、液体培养基的灭菌,（二）连续灭菌流程,优点：提高产量，设备利用率高。与分批灭菌比较，培养液受热时间短，培养基中营养成分破坏较少。产品质量较易控制，蒸汽附和均衡，操作方便。降低了劳动强度，适用于自动控制。,培养基在发酵罐外经过一套灭菌设备的连续加热、维持和冷却后送入已灭菌的发酵罐内的工艺过程称为连续灭菌。（连消）,四、液体培养基的灭菌,分批灭菌（实罐灭菌，实消）概念：将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，这叫做分批灭菌，又称实罐灭菌(实消)。实罐灭菌时，发酵罐与培养基一起灭菌。,空罐灭菌（空消）：无论是种子罐、发酵罐、还是尿素（或液氨）罐、消泡罐，当培养基（或物料）尚未进罐前对罐进行预先灭菌，称为空罐灭菌。,四、液体培养基的灭菌,1、连消塔-喷淋冷却流程,待灭菌料液由连消泵送入连消塔底端，料液在此被加热蒸汽立即加热到灭菌温度130-140，由顶部流出，进入维持罐保持必须的杀菌时间（825min），后经喷淋冷却器冷却到生产要求温度。,四、液体培养基的灭菌,套管式连消塔,连消器,混合式连消塔,比较高大（近3m高），钻孔、加工、安装等均不便。,四、液体培养基的灭菌,维持罐：灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，也称保温设备。,四、液体培养基的灭菌,冷却设备：真空冷却器：当高温培养基进入真空冷却器后，在真空下，水分立即汽化，使培养基本身温度下降，达到冷却目的。喷淋冷却器：喷淋冷却器是将水通过喷淋装