第二章 培养基制备及灭菌设备

第二章 培养基制备及灭菌设备,培养基的制备包括培养基淀粉质原料的液化、糖化、过滤以及培养基的调配等操作。 根据原料、菌种以及产品、生产规模的不同，培养基的制备及灭菌工艺有所不同，设备上也会有些差异。这要根据具体的情况来考虑。,第一节 培养基的制备,采用的原料不同、菌种不同，培养基的制备会有所不同。如：本身具有液化、糖化能力的菌种生产时可直接以淀粉质原料为碳源，无须经过糖化处理；本身不具有液、糖化能力的菌种采用淀粉质原料时必须经过液、糖化后才能被利用；而采用糖蜜作为原料时，只需经过稀释、配料即可。 同时，根据菌种、原料和后处理的难易，糖化后的糖化液要考虑是否经过过滤处理。,一、糖蜜原料的稀释及澄清 糖蜜是制糖厂的副产物，是糖的结晶母液，含有约占50%的可发酵性糖 ，还含有大量的生物素等营养物质。除可作为糖源外，还可作为生物素添加。 用糖蜜为原料进行酵母的酒精发酵时，由于糖浓度太高，酵母不能直接利用，需进行稀释、酸化、灭菌和添加营养盐等处理过程。主要采用糖蜜稀释器来进行稀释和添加营养盐的操作。,根据产量不同可分别采用间歇式和连续式两种稀释器。（ 1）间歇式稀释器 采用敞口的容器，安装搅拌装置使糖蜜和水能达到均匀的稀释。常用的搅拌装置有通风管和搅拌桨叶两种。 V=5-20m3 H/D=1.1 装填系数=0.8-0.85 主要适用于小规模的生产上。,（2）连续式稀释器 1、水平式 主体为一个圆筒形水平管，略有倾斜，沿管长安装若干隔板和筛板，分成若干个空段，隔板上的孔上下交错布置，用来改变糖液流向，使糖蜜和水很好的混合。 沿管长还有许多的管口，用来添加水、营养盐和酒精液体。 该设备无须搅拌器，节省动力。,2、立式 器身为圆筒形，糖蜜和水从下部底进入，经过混合装置，并添加营养盐后从上部顶流出。混合装置有三种形式： a、通用形： 筒体部分用若干块具有半圆形缺口的隔板交错配置，即一块缺口在左、另一块缺口在右，迫使液体交错呈湍流运动，促进糖蜜与水的混合；,b、胀缩式： 在中空的圆筒形器身上有几次直径的突变，水和糖蜜从器底进入后，因几次直径的突然改变而使流速发生改变，促进了糖液的均匀混合。 其收缩部分的直径与器身的直径比是1:2-3，收缩段的长度等于器身的直径。 c、变管径式： 器身由几种不同管径的直管段连接而成，原理同胀缩式。,除此之外，还有从上部进料，下部出料的错板式。它是在圆筒形器体内安装交错排列的倾斜挡板，挡板数量10-15块。经过挡板的作用使糖蜜和水得到均匀混合。 进行稀释器设计时要注意，立式上流稀释器糖蜜的流速控制在0.035m/s，稀释器内流速控制在0.03-0.05m/s，进水流速控制在1.5m/s。（三）酸化澄清桶 糖液酸化的目的是进行灭菌、并使灰渣沉淀澄清。通常采用间歇操作。,酸化桶总体积： V总=Q （m3） Q每小时需酸化的糖液量 m3/h； 每次酸化的时间 h； 装填系数，一般取0.8-0.85； 酸化桶数量： N= V总V V每个酸化桶的体积， m3,二、淀粉质原料培养基的制备 以淀粉质原料生产酒精传统工艺采用的是蒸煮糖化工艺；生产氨基酸及现代酒精生产采用的是液化、糖化工艺；有机酸发酵先只液化，而在发酵过程中边糖化、边发酵的工艺；此外，淀粉质原料还有酸水解制糖工艺；,（一）蒸煮糖化工艺 （1）蒸煮的目的 第一是要借助于蒸煮的高温高压作用，破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使内容物释放出来，变成可溶性淀粉； 第二是借助高温高压作用，把存在于原料中的大量微生物灭菌杀死。 （2）流程 调浆 升温 维持 降温 糖化,（3）设备 目前，在我国多采用连续的罐式蒸煮设备。它具有温度可高可低，节省能耗，设备简单，操作容易，制造方便的优点。 1、调浆罐 是一个带搅拌系统的立式罐，下部是椭圆形或锥形封底，上部是平顶或敞口，通过工字钢来支撑搅拌系统。H/D=1。,2、蒸煮罐 由长圆筒和球形或碟形封头焊接而成。浆料从底部进入，蒸汽从下封头偏上处进入后，往下喷出，将料迅速加热，保压0.3-0.35MPa（表压）。 罐顶装有安全阀和压力表，出口管伸入罐内300-400mm。罐的焊接采用双面焊，蒸汽管的入口处安装单向阀，以防止蒸汽管路压力降低时罐内醪液倒流。 罐外有良好的保温层，防止热量的散失。,3、蒸汽喷射泵 浆料的加热装置，可代替蒸煮罐。当物料流过喷射泵时，在喷嘴处产生的真空将外来的蒸汽吸入，对物料进行加热，它属于混合器的一种。 4、后熟器（维持罐） 形状和蒸煮罐一样，但没有蒸汽管。目的是维持蒸煮压力，保证一定的蒸煮时间。其直径不宜太大，以保证物料的先进先出，防止受热不均。,5、汽液分离器 糊化醪随着流动，压力降低，产生大量的二次蒸汽，由最后一个后熟器排出，故最后一个后熟器又叫做汽液分离器。 为了分离二次蒸汽，汽液分离器上部需留有足够的自由空间，一般醪液控制在50%左右的位置。,当蒸煮罐和后熟器的体积相同时，每个罐的体积计算如下： V1 = V2（N 1）+ V2 得到： V2=V1 N+ 1 V2每个罐的体积，m3； V1含蒸汽冷凝水的糊化醪量，m3/h； 蒸煮时间，h； N蒸煮罐和后熟器的数目； 最后一个后熟器的填充系数，50%；,6、真空冷却器 糊化醪需经过真空冷却器冷却到60后才能糖化。 器身为圆筒锥底，料液切线进入，由于器内是真空，醪液自蒸发，产生大量的二次蒸汽进入冷凝器与水直接接触而冷凝，不凝性气体由真空泵抽走，造成器内真空。醪液在器内旋转被离心力甩向周边沿壁下流，由锥底排料口排出。 真空冷却器应安装于较高的位置。,7、糖化设备 a、连续糖化罐 圆筒外壳、球形或碟形底的密闭容器。若进料温度过高，则罐内安装冷却管。 采用自动控制液面的装置来保证醪液在罐内停留一定的时间；罐内装有1-2组搅拌器，保证酶和醪液均匀混合。 糖化罐的体积取决于醪液流量和停留时间以及装填系数。,V=V60 V糖化醪流量，m3/h； 停留时间，min； 装填系数，=0.75-0.85； b、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同时进入蒸发-糖化器，在糖化罐内停留20min，然后进入三级真空冷却的第一室。,（二）液化、糖化工艺 1、流程 调浆 升温 保温 降温 糖化 过滤 2、设备 蒸煮设备和液、糖化设备非常相似。不同之处在于： a、用闪蒸罐和汽液分离器代替蒸煮工艺中的真空冷却器。起到使淀粉颗粒破裂和降温的目的；,b、降温采用螺旋板换热器、薄板换热器或喷淋冷却器； c、糖化主要采用间歇操作，糖化时间28-32小时。糖化锅带加热管、搅拌装置及保温层； d、是否需要过滤操作根据原料、产品及后处理过程而定 ；,（三）酸水解工艺 1、流程 淀粉在调浆罐内与水混合后加盐酸调pH 1.5 左右，用耐酸离心泵送到水解锅。水解压力0.25MPa。当用无水酒精检验，无白色浑浊时，水解完成，压至过滤。再通过喷淋冷却器，进到中和罐，用碳酸钠中和至pH4.8-5.0。经活性炭脱色、过滤，最后用氢氧化钠中和至pH6.7-7.0。,2、水解锅 锅体材料为不锈钢板或内衬1.5-3mm厚不锈钢板的碳钢板制成。 锅体为圆筒形，封头均为碟形。粉浆从锅顶进入。蒸汽管从锅顶一直延伸到锅底内部，下端有十字形加热管，并开有小孔。同样，排液管也是直通到底部中心。 此外，还有碳钢板内衬耐热耐酸瓷砖、耐酸橡胶、搪瓷和玻璃钢水解锅。,第二节 培养基的灭菌,液体培养基中含有大量的杂菌，在发酵过程中会利用培养基中的碳、氮源，繁殖并产生过多无用的、甚至有毒的代谢物，使发酵不能正常的进行下去，造成原料的浪费和后处理难度增大。因此，要通过灭菌先将杂菌杀死，再接上所需的菌种发酵。 灭菌可利用热能、化学药物和电磁波，也可使用机械方法，还可采用各种射线、微波来灭菌。我国主要采用蒸汽加热灭菌。,（一）培养基热灭菌的动力学 微生物的受热死亡是指其生活能力的丧失，死灭原因是细胞内的反应，是因蛋白质高分子的不活性化，结果导致蛋白质变性。 1、理论灭菌时间 微生物在一定温度下，受热死亡遵循一级反应方程的规律：,-dNd=kN N活菌个数； 受热时间； k反应速度常数，因次是时间的倒数； 在恒定温度下，将上式积分得到： =2.303 lg 通常高温灭菌15-30s，然后再根据生产的类型维持8-25min 。通常Ns=10-3个/罐，即杂菌污染降低到每1000罐只残留一个活菌。,1k,N0Ns,2、1/10衰减时间 当有90%的活菌被杀死，即NS/N0=0.1时， =2.303 lg10=2.303/k 这个时间就是1/10衰减时间，记作 0.9。 由此得到：k=2.303/ 0.9 k是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据。k值越小， 值越大，灭菌时间越长，则微生物越耐热。细菌芽孢的 k值最小，通常湿热灭菌的程度要以杀死细菌芽孢为准。,1k,3、灭菌温度t与k值的关系 灭菌温度t与k值的关系可用一级反应的公式阿累尼乌斯方程表示： 当E为常数时积分得到：k=A e 带入灭菌时间公式中得到： = e ln,dlnk dT,=,ERT2,1A,ERT,N0Ns,-ERT,4、活化能 由公式 k=A e 导出： lnk=lnA e 得： lnk=lnA E/RT 由上式可知，若能求得k的对数与1/T的关系图，就可由直线求出E值。 化学反应动力学又指出，在活化能大的反应中，反应速度随温度变化也大。,-ERT,-ERT,培养基中各物质活化能比较： 细菌孢子：4.187 （50-100）kJ/mol； 营养成分： 4.187 （2-26）kJ/mol； 葡萄糖： 4.187 24kJ/mol 从以上数值看出：细菌孢子的活化能最大，它随温度的变化也最大。 根据以上理论：采用湿热法对液体培养基进行灭菌时，应采用高温短时间的灭菌方法，以减小营养成分的破坏。,（二）灭菌的操作 （1）灭菌的程序 升温 保温 降温 （2）分类 对于中小型工厂，培养基灭菌可采用间歇灭菌即实消培养基加入发酵罐中后，再连同发酵罐一起灭菌。 对于大型工厂，采用连续灭菌培养基经过连消设备后，再进入已灭菌的发酵罐。,（3）连消 1、 连消优点： a、提高产量，设备利用率高； b、培养基受热时间短，营养成分破坏较少； c、产品质量较易控制，操作方便； d、蒸汽负荷均匀； e、降低了劳动强度，适用于自动控制；,2、流程 物料在配料罐中调配好后，通过泵打到加热设备（连消塔、蒸汽喷射泵）加热到120-130，在维持罐中维持8-25min，经冷却装置（螺旋板换热器、薄板换热器、喷淋冷却器）冷却到发酵温度。 3、设备 a、连消塔 直接加热的有套管式、混合式、连消器三种。此外，还有间接加热的。,b、维持罐 长圆筒形容器，H/D=2-4，罐的有效体积应能满足培养基在罐内停留8-25min，装填系数为85%-90%。 c、连消管 迂回转折的一段管路，外包保温层。其直径由培养基的体积流量和流速求得，管长由连消维持时间和流速求得。 流速控制在0.1-0.3m/s之间，维持时间控制在1304min左右。,d、螺旋板换热器 由两张钢板叠放、卷制后，再焊接而成。适用于液-液、气-气、气-液的对流换热。工厂中可用于含颗粒介质的换热。 特点：介质不断的改变流向，因而传热效率高，为列管式的3倍左右；两种传热介质可进行全逆流交换，能回收低温热能；结构紧凑，体积小，热损失少；具有较长的均匀通道，介质可均匀换热，出口温度能准确控制；介质走单通道，不混合，允许流速高，具有自清洗作用。,e、薄板换热器 薄板换热器多用于清液的过滤。传热系数比螺旋板换热器要大一些。 将薄板压成特殊形状（弯弯曲曲的通道），板与板的间隙很小。当流体以较低的流速进入时，在狭窄弯曲的通道中仍能处于湍流状态，使传热系数提高很多。传热板波纹的形状很多，有人字形、半球形、水平平直波纹，波纹的差异对传热系数的提高有着决定性的