生物工程设备-第三章

第二章液体培养基制备及灭菌第一节培养基制备第二节液体培养基灭菌,第一节液体培养基制备P200液体深层发酵培养基中，碳源的提供常用淀粉质原料：谷类、薯类、淀粉等，另外还有糖蜜及各种农产品残余物如：玉米秸、麦秸、稻草等。通过蒸煮糖化将淀粉制原料转化为可发酵性糖是培养基制备中的重要过程。糖蜜稀释连续糖化：酒精培养基制备设备淀粉制原料水解柠檬酸等谷氨酸间歇糖化：啤酒纤维素半纤维素水解,一、糖蜜原料的稀释与澄清糖蜜是制糖厂的一种副产品，里面含有大量的可发酵性糖，这些糖分在目前制糖工业技术或经济核算上已不宜用结晶方法加以回收。糖蜜浓度一般在80Bx，酵母不能直接利用，需进行稀释、酸化、灭菌和增加营养盐等处理过程。35Bx1151（kg/m3)80Bx1412（kg/m3),糖蜜连续稀释器：.水平式糖蜜稀释器：我国常用（马尔钦柯式连续稀释器）构造：圆柱型水平管，出口端向下倾斜安装；中部有两根横杆。若干隔板和筛板，形成若干空段，孔径保证糖液处在湍流；隔板上的孔上下交错地配置，使交错流动无须搅拌；若干空段根据工艺需要加入水及其它物质。（5-20m3）,间歇式稀释器连续式,.立式糖蜜稀释器构造：圆柱形，上下为锥形封头，总高为.m，不锈钢制。块隔板交错配置，隔板间距mm，从底部压送，从上部出料。糖液速度.m/s另外还有错板式、膨胀式、变管径式,都是在无搅拌下通过改变液体流向或管径达到稀释混合目的。,(二）糖蜜的澄清酸化设备p204,二、淀粉质原料水解设备淀粉质原料蒸煮糖化目的,1、糊化：由于淀粉质原料中含有的淀粉是存在于原料的细胞之中，受到细胞壁的保护，难以溶解。蒸煮的目的是使植物组织细胞膜破裂，淀粉受热、吸水膨胀，破坏晶状结构（未糊化前对酶作用的抵抗力较强难以糖化），成为凝胶状态，此过程称为糊化。2、液化：通过添加液化酶，使长链淀粉转化为糊精、低聚糖。糊化和液化常同时进行3、糖化：通过添加糖化酶再将糊精、低聚糖转化为可发酵性糖。,（一）液化、糖化（蒸煮）设备.连续蒸煮糖化流程：（罐式、柱式）粉浆罐56粉浆泵蒸煮罐130后熟器最后一个后熟器（）真空冷却器（）连续糖化罐泵喷淋冷却器（发酵温度）发酵罐二次蒸汽的使用,蒸汽加热,二次蒸汽,加曲,min,真空冷却装置,2.蒸煮罐构造：长圆筒，球形或蝶形封头。粉浆口在下端，正对蒸汽入口，蒸汽口直通罐下部并装有止逆阀，以防压力下降液体倒流。压力表、安全阀、温度计罐耳（支承）外部有保温层出口管伸入罐内mm，使留有空间。罐直径不宜太大，防止过大的返混运动，保证培养基先进先出。因此蒸煮与后熟罐总数不宜过少，瓜干类个；玉米个。,.后熟器前三个后熟器都是由下进料由上出料。不再进蒸汽加热，只是保温，构造与蒸煮罐相同。由多个组成，为保证保温时间。最后一个后熟器由侧上部进料由下出料最后一个后熟器：又称气液分离器。不加热，目的分离出二次蒸汽降温，从上部出供粉浆罐预热。构造如图：二次蒸汽出口上部另一侧。液位较低，左右，便于分离二次蒸汽。,.加热器（作用同蒸煮罐）结构：由三层直径不同的套管组成。内层和中层管壁上都钻有许多小孔，各层套管用法兰连接。工作原理：粉浆流径中层管，高压加热蒸汽从内外两层进入，穿过小孔向粉浆液流中喷射。特点：气液接触均匀，加热比较全面。在很短时间内可使粉浆达到规定的蒸煮温度。粉浆在“有效加热段”停留时间s。在此区域内的流速以不超过.m/s为宜。,（三）真空冷却装置蒸煮过的高温糊化醪，左右将要进行糖化的温度左右需快速降温1.真空冷却器：冷却物料（糊化醪）2.冷凝器：将二次蒸汽冷凝3.蒸气喷射器（或真空泵）：产生真空，将不凝气抽出。,真空冷却装置,.真空冷却器圆筒锥底，料液以切线进入，由于器内为真空（喷射器产生的）醪液产生自蒸发，产生大量的二次蒸汽，醪液在器内被离心力甩向周边沿壁往下流，以锥底排醪液口排出。温度降至，至糖化锅。二次蒸汽从器顶进入冷凝器（真空吸过去）。安装高于糖化锅10M。,.冷凝器冷水由上侧进入，从真空冷却器吸进来的二次蒸汽与水接触而被冷凝，从冷凝器下部作为原料混合用水被排出。不冷凝性气体（氮气等）被喷射器抽走。真空度保持在KPa(530600mmHg),二次蒸汽,不凝气,.喷射器（形成真空）（）喷射器构造：工作原理：利用有压介质通过喷嘴以高速射出，在喷嘴出口（混合室）造成射流对另一介质有抽吸作用，将不凝气吸入。在混合室中的介质与高速流动的工作介质发生能量交换，通过混合段到达收缩段时流速增加，造成真空。当真空系统采用水力喷射泵时，可省去冷凝器，将真空冷凝器与水力泵直接连接。,真空冷却器的计算例：已知从汽液分离器排出的糊化醪量为12000kg/h,其比热容为3.6kJ/（KgK），温度为100，要求冷却至65，计算冷却器的基本尺寸。解：真空冷却器内产生的二次蒸汽量：糊化醪12000kg/h从100冷却至65时放出的热量为：Q=120003.6（100-65）=1512000（kJ/h）查水蒸气表知二次蒸汽在65时的汽化潜热r=2343.4kJ/Kg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：经真空冷却后，从冷却器排出醪液量为12000-645.2=11354.8（kg/h),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:一般真空冷取器的径高比为11.52，现取DH=11.5,则真空冷却器的圆柱部分高H:H=1.5D=1.51.2=1.8（m）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速度为1m/s,则醪液下降管管径D:可选用68mm4mm的无缝钢管。,醪液下降管的长度：一般选10m.设醪液下降管的长度为L,则：选用L=8m.(生产实际中一般选L=10m）,（四）糖化设备.连续糖化罐作用：连续地把糊化醪与水稀释，并与液体曲、麸曲、曲乳及糖化酶混合，在一定温度下维持一定时间，保持流动状态，以利于酶的作用。构造：圆筒形、底部球形或罐形，常压操作，密闭，内设蛇形冷凝管（当降温不够时用）液面控制装置、灭菌蒸汽进口、连续出料口、搅拌器组。,糖化罐的体积取决于醪液流量和在罐中的停留时间以及装液量V糖化醪流量（包括曲量）m3/h醪液停留时间，min装填系数，取0.750.85连续糖化罐的尺寸与直径D有如下比例关系：圆柱部分高HH=(0.51.0)D球形底（或罐底）高hh=(0.110.25)D球形底曲率半径r,2.真空糖化装置,特点：即是蒸发冷却器，又是糖化器。省去了液化后的降温设备（真空冷却器三器组合）。,不凝气,三、啤酒生产中麦芽汁的制备（间歇）（一）麦汁制备过程：糊化设备糖化设备过滤设备煮沸设备换热设备啤酒厂糖化设备的组合方式：糊化锅糖化锅四器组合：每一锅完成一项任务，四器为过滤槽（或压滤机）麦汁煮沸锅六器组合：过滤槽、煮沸锅各2只。（另加麦汁暂存槽1只）,（二）麦汁制备设备1.糊化锅作用：加热煮沸辅助原料和部分麦芽粉醪液，使糊化和液化。构造：锅身为圆柱形；锅底为弧形或球形，蒸汽夹套（同时4个进口）、保温层；弧形顶盖；环形洗水管升气筒（1/301/50截面积/液面积）环形污水槽、筒形风帽；旋浆式搅拌器（电机在下部）；人孔（观察孔）下粉筒（粉、水等混合和同时加）,糊化锅的体积：取决于投料量，100Kg料（大米粉麦芽粉）加水420450Kg，则有效体积为0.50.55M3锅体直径与圆筒部分高之比为2：1。,2.糖化锅作用：进行蛋白质分解；淀粉水解：麦芽糖、麦芽三糖、葡萄糖、蔗糖、果糖，少量的麦芽四糖、麦芽五糖。结构：与糊化锅大致相同（如图）体积一般比糊化锅大一倍平底或球底带蒸汽夹套搅拌器,3.糖化醪过滤槽作用：糖化一结束，需快速将麦汁和麦糟分离。以获得澄清麦汁。麦糟：残留皮壳、高分子蛋白质、纤维素、脂肪等。构造：常压过滤（另有低真空快速过滤）上半部与糊化锅等基本相同。D3.4m水平筛板下半部分三层麦汁收集底保温夹底洗涤：喷水管（大型）承接杯（小型）耕糟装置：耕糟臂、耕糟刀；排糟臂,耕糟机：由双速电机、减速器、油压升降轴、耕糟臂、耕糟刀等组成。耕糟转速0.40.5，排糟转速34r/min。耕糟臂有2、3、4臂（根据投料量），耕糟臂上每隔2030cm装有垂直于筛板的耕糟刀或波形切割刀。大型槽还有排糟臂，装挂可旋转角度的出糟刀。操作：泵送糖化醪后，开动耕糟机转35r，使糖化醪在槽内均匀分布。静置1030min，使沉降形成滤层。浑浊麦汁回至槽内，直至澄清（1015min）正常过滤（4590min）待麦糟露出，开动耕糟机，疏松麦糟层。喷水洗糟。打开麦糟排出阀，排空糟。,4.煮沸锅蒸发多余水分作用：煮啤酒花凝固蛋白质灭菌结构：与糊化锅相同，但需容纳包括滤清汁在内的全部麦汁，体积较大。具外加热器的麦汁煮沸锅内有列管加热的麦汁煮沸锅,快速过滤槽是一种在低真空下操作的新型糖化过滤设备。结构：圆柱形或长方形，底部为锥形。下部装有57层呈网状而互相沟通的过滤管，上有条形滤孔，每层过滤管为一独立的过滤单元。工作原理：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混浊，用泵返回过滤槽，待麦汁清亮透明后送入麦汁煮沸锅。,常用糊化锅、糖化锅、煮沸锅技术参数,四、谷氨酸生产中淀粉的水解1.蒸汽喷射液化工艺,调浆(配料)泵喷射泵一次喷射液化液化保温二次喷射液化高温维持灭酶闪蒸器冷却二次液化罐薄板换热器糖化罐板框过滤贮糖计量发酵工艺控制要点：淀粉乳浓度30%左右pH6.06.5一次喷射温度9597C，层流罐保温30min，二次喷射温度145C以上，真空闪急冷却9597C，维持罐3-5min,二次液化罐加淀粉酶30min,薄板换热器60C,糖化pH4.2-4.5（硫酸、盐酸）温度60左右糖化酶用量150U/g淀粉糖化时间32小时，用无水酒精检验无糊精存在时，糖化结束，然后将pH调整至4.8-5.0，维持20分钟灭酶,维持罐,2.制糖工序设备,调浆罐蒸汽喷射器层流罐闪蒸器维持罐薄板冷却器糖化罐板框压滤机,第二节培养基灭菌,一培养基灭菌的目的、要求和方法二湿热灭菌的理论基础三影响灭菌的因素四培养基灭菌的流程及设备,一、培养基灭菌的目的、要求和方法,1.培养基灭菌的定义是指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。工业规模的液体培养基灭菌，杀灭杂菌比除去杂菌更为常用。2.灭菌与消毒的区别灭菌：用物理或化学方法杀死或除去环境中所有微生物，包括营养细胞、细菌芽孢和孢子消毒：用物理或化学方法杀死物料、容器、器皿内外的病源微生物,3、培养基灭菌的目的,发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染杂菌，则会导致：基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降；产物的提取或分离困难，造成收率降低或使产品的质量下降；改变反应介质的pH，使生物反应发生变化；分解产物，使生产过程失败；发生噬菌体污染，使生产过程失败。为了保证培养过程的正常进行，防止染菌的发生，对大部分微生物的培养，包括实验室操作和工业生产，均需严格的灭菌。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,4.工业上具体措施1）使用的培养基和设备须经灭菌；2）好氧培养中使用的空气应经除菌处理；3）设备应严密，发酵罐维持正压环境；4）培养过程中加入的物料应经过灭菌；5）使用无污染的纯种子。5.培养基灭菌的要求达到要求的无菌程度（10-3）尽量减少营养成分的破坏，在灭菌过程中，培养基组分的破坏，是由两个基本类型的反应引起的：培养基中不同营养成分间的相互作用；对热不稳定的组分如氨基酸和维生素等的分解。,6.灭菌的方法,化学法化学药品灭菌法物理法干热灭菌法湿热灭菌法射线灭菌法,1601h,二、培养基的间歇灭菌和连续灭菌,培养基及发酵设备的灭菌包括：分批灭菌-实消连续灭菌-连消空罐灭菌-空消过滤器及管道灭菌（一）间歇灭菌将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用的设备一起进行加热灭菌的过程。也称实罐灭菌、实消。规模较小的发酵罐往往采用分批灭菌的方法。,优点：不需要其他设备，投资少；对蒸汽要求低，灭菌效果可靠，故普遍采用。缺点：加热和冷却时间较长（增加了发酵前的准备时间，延长了发酵周期），降低了发酵罐的利用率。因此，大型发酵罐用此法不经济。但对于极易发泡或黏度很大的培养基难以连续灭菌，即使大型发酵罐也不得不采用分批灭菌。由于灭菌时间较长，使培养基营养成分破坏。,1.实罐灭菌管道配置(如图）：进口为：取样管、排料管、进汽管。排汽为：消泡剂管、接种管、进料口、上部出汽口原则：所有通口，不进则出。2.分批灭菌前的操作：首先要查渗漏，安装后24h气密性检查，每次检修后再次进行。确实无渗漏时才可开始灭菌。查温度与压力（表）是否对应，每次灭菌前30min的罐压检查。罐内部结构合理，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔。,3.实消操作方法：预热加热保温保压降温（1）灭菌之前，通常将与罐相连的空气过滤器用蒸汽灭菌，并用空气吹干。（2）先将输料管路的污水放掉冲净。（3）然后将配好的培养基泵送到发酵罐（及种子罐或料罐），将各排气阀打开。（4）灭菌前将蒸汽引入夹套或蛇管进行预热，待罐温升至8090时，将排气阀逐渐关小。（5）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，开动搅拌开始灭菌，维持罐压0.1Mpa（表压），并保持30min左右。（6）各路进气要畅通，防止短路逆流；各路排气也要畅通，但排气量不宜过大，以节约用气量。,（7）保温:凡进口在培养液以下的各管道都应进气；凡开口在培养液以上者均应排汽。不断地排除管路及罐内的蒸汽冷凝水。（8）保压:灭菌结束后，先关闭所有的排汽阀，后关蒸汽进口阀，待罐内压力低于无菌空气压力后，向罐内通入无菌空气，以防止物料倒流至过滤器，后果严重。（9）降温:在夹套或蛇管中通入冷却水降温，直至降到发酵温度。,（二）连续灭菌连消塔灭菌流程和设备p217连续灭菌优点（相对分批灭菌）：（1）提高产量，设备利用率高；（2）受热时间短，营养成分破坏少；（3）质量较易控制，蒸汽负荷均衡，操作方便；（4）降低劳动强度，适用于自动控制。,1.连消塔灭菌流程,料液罐（预热2730）连消塔20S110130维持罐8min喷淋冷却器30,流程,2.连续灭菌设备套管式连消塔混合式连消塔连消器（）套管式连消塔套管：内走蒸汽，外走培养液内管上设有蒸汽小孔，喷出速度为m/s蒸汽从内管上口进入，培养液从外筒下口进入，从外筒上口出去，停留s，被加热到K(110130).蒸汽压力.a。蒸汽小孔的孔距从上到下减少，使蒸汽均匀。这种连消塔比较高大，m高，改革为连消器，为.m。,（2）混合式连消塔（3）连消器,3.喷射加热真空冷却流程,（急速冷却器）,培养基（生培养液）用泵打入喷射加热器，以较高速度自喷嘴喷出，借高速流体的抽吸作用与蒸汽混合后进入管道维持器，经一定维持时间后通过一膨胀阀进入真空闪急蒸发室，因真空作用使水分急骤蒸发而冷却到7080左右，再进入发酵罐冷却到接种温度。,流程特点：优点：加热（可达140）与冷却在瞬间完成，营养成分破坏最少。设计得合适的管道维持器能能保证培养液先进先出，避免过热。真空冷却通过膨胀阀急速降温；缺点：保温时间由管道长度来保证；管道长，不易安装；因此多用维持罐代替。由于真空冷却后需用泵出料，对泵的密闭性能要求很高才能避重新污染。或将蒸发室置于离发酵罐液面10m以上的高处，否则物料就不能流进发酵罐而进入真空系统。为目前很多工厂不采用的原因之一。,另：该流程灭菌温度取决于喷射加热器中加入蒸汽的压力和流量，要保持灭菌温度恒定