生物工程设备第一章-培养基的制备设备

生物工程设备(BioprocessEquipment)主讲：陈燕TelQ:85650168,课程简介,生物工程设备是生物工程专业的必修专业课，是在学完了专业基础课和技术基础课之后开设的有关生物加工过程设备的原理、构造、设计及应用的一门专业课。为使生物技术的实验室成果开发成产业，必须要构造由生物工程设备构成的生产线，是生物工程专门高级人才必须掌握的内容之一。,目录：,Chapter1培养基准备与培养基灭菌的设备；Chapter2发酵用压缩空气预处理及除菌设备；Chapter3生物反应器与发酵参数检测元件；Chapter4液-固分离设备；Chapter5萃取设备；Chapter6层析设备和离子交换设备；Chapter7蒸发和结晶设备；Chapter8生物产品干燥设备；Chapter9生物制药生产GMP规范要点,参考书目,生物工程设备徐清华主编，科学出版社，2004生化反应动力学与反应器戚以政、汪叔雄主编，化学工业出版社，1996生化反应工程山根桓夫著，周斌译,西北大学出版社，1992生物工程设备梁世中主编，中国轻工业出版社，2002发酵设备高孔荣主编，中国轻工业出版社，1993生物加工过程与设备郑裕国主编，化学工业出版社，生物工程设备陈国豪主编，化学工业出版社，2007,板框过滤机,转筒真空过滤机,本课程的任务：是按照生物加工过程的工艺要求，讲述生物加工过程设备之共性，阐述各设备的原理、构造、设计、应用或选用，使生物工程的学生在学习了生物化学、微生物学、物理化学和化工原理的基础上，进一步掌握生物工程设备的基本内容和基本理论。,chapter1培养基的制备设备,equipmentforculturemediumpreparation,Maincontents:,液体培养基的灭菌设备淀粉质原料的蒸煮与糖化啤酒生产中麦芽汁的制备设备淀粉水解制糖,Keyanddifficulty:培养基的灭菌设备及计算,Section1培养基的灭菌（Sterilizationofmedium）,培养基灭菌的目的、要求和方法湿热灭菌的理论基础培养基灭菌的工程设计,灭菌的方法,化学灭菌射线灭菌干热灭菌湿热灭菌过滤灭菌,灭菌：是指利用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中一切有生命物质的过程。1、培养基实罐灭菌（分批灭菌或实消）：将培养基配制在发酵罐里，用饱和蒸汽直接加热，以达到预定灭菌温度并保温一段时间，然后再冷却到发酵温度。2、培养基的连续灭菌：将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行的灭菌。,培养基灭菌的要求,达到要求的无菌程度10-3个/罐。尽量减少营养成分的破坏,发酵生产中，往往需要对培养基及其发酵设备进行灭菌，一般工业上常采用蒸汽湿热灭菌。,湿热灭菌的原理,就是直接用高温蒸汽灭菌。蒸汽在冷凝时释放出大量潜能，蒸汽具有强大穿透力，蒸汽的湿热破坏菌体蛋白质和核酸的化学键，使酶失活，微生物因代谢障碍而死亡。,湿热灭菌的优点,蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底；蒸汽有很大的潜热；操作方便，易管理。,灭菌程度和营养成分的破坏是灭菌工作中的主要矛盾，恰当掌握加热温度和时间是灭菌工作的关键。,在灭菌过程中，活菌数逐渐减少，其减少量随活菌数的减少而递减，即微生物的死亡速率与任一瞬时残留的活菌数成正比，称之为对数残留定律，也即反映为一级化学反应动力学为：,式中开始灭菌（t=0）时原有活菌数；经时间t后残存活菌数。,大肠杆菌在不同温度下的死亡曲线,在发酵罐中进行实罐灭菌，是典型的分批灭菌：全过程包括升温、保温、降温三个过程,连续灭菌流程及设备为了减少培养基营养成分受热损失，灭菌尽量采用高温短时的连续灭菌，即在培养基输送至发酵罐的同时进行加热、保温和冷却而进行的灭菌。,实罐灭菌设备示意图,培养基实罐灭菌的质量优劣判别标准,1.培养基灭菌后达到无菌要求2.营养成份破坏少3.灭菌后培养基体积与计料体积相符4.泡沫要少,例：有个发酵罐，内装培养基40m3,现采用实罐灭菌，灭菌温度121，问其灭菌需要多长时间？（在微生物发酵行业中一般常设灭菌前每毫升培养基中含有耐热菌的芽孢为2107个，灭菌失败的概率通常定为0.001，即灭菌后残留芽孢数为0.001个）,（1）连消塔-喷淋冷却连续灭菌流程,（2）喷射加热-真空冷却流程,（3）板式换热器灭菌流程,3、设备构造（1）连消塔是培养液高温短时间连续灭菌设备，它与维持罐组成连续灭菌系统，分套管式和汽液混合式两类。,（2）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。（3）喷射加热器可使料液和蒸汽迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。,（4）冷却设备常用喷淋冷却器和套管冷却器。前者是将冷却水通过喷淋装置均匀的淋在水平的排管上，以冷却管内的培养基。后者是一种内管走热培养基，内外管间的管隙中走冷却水的冷却器。,连续灭菌与间歇灭菌的比较,a、连续灭菌的优缺点Advantages保留较多的营养质量容易放大较易自动控制；糖受蒸汽的影响较少；缩短灭菌周期；发酵罐利用率高；Disadvantages设备比较复杂，投资较大。,分批灭菌的优缺点Advantages:设备投资较少染菌的危险性较小人工操作较方便对培养基中固体物质含量较多时更为适宜Disadvantages:灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。,发酵罐的灭菌,采用连续灭菌，发酵罐应在加入灭菌的培养基前先行单独灭菌。通常是用蒸汽加热发酵罐的夹套并从空气分布管中通入蒸汽，充满整个容器后，再从排气管中缓缓排出。在保温结束后，关键是随即通入无菌空气，使容器保持正压。,补料液的灭菌,在发酵过程中，往往要向发酵罐中补入各种不同的料液。这些料液都必需经过灭菌。灭菌的方法则视料液的性质、体积和补料速率而定。如果补料量较大，而具有连续性时，则采用连续灭菌较为合适。也有利用过滤法对另补料液进行除菌。补料液的分批灭菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽。所有的附属设备和管道都要经过灭菌。,二、淀粉质原料的蒸煮与糖化蒸煮目的糖化定义连续蒸煮糖化流程,罐式蒸煮,在我国发酵厂，将喷射加热器与后熟器、糖化罐组成了连续蒸煮糖化流程，,1、蒸煮设备（1）罐式蒸煮设备,（2）柱式连续蒸煮设备,（3）管式连续蒸煮,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-近料控制阀10-过滤器11-泥浆泵12-单向阀13-三套管加热器14-蒸煮管道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,原料粉碎搅拌和加料预煮加热器管式连续蒸煮后热器蒸汽分离器送至糖化工序,2、连续糖化设备其作用是连续地把糊化醪与水稀释，并与液体曲、麸曲或糖化酶混合，在一定温度下维持一定时间，保持流动状态，以利于酶的活动。,糖化罐,Section3、啤酒生产中麦芽汁的制备设备,啤酒是生物加工产业中的一个典型产品，中国的啤酒生产已位于全世界第三位。影响啤酒产量和质量的关键因素之一是麦芽汁的制备。麦芽汁是啤酒酵母的培养基。,三、啤酒生产中麦芽汁的制备设备1、糊化锅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。,2、麦芽汁煮沸锅用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发掉，使其达到要求浓度，并加入酒花，使酒花中所含的苦味及芳香物质进入麦汁中。,3、糖化醪过滤槽主要用于醪液的糖化和麦汁的过滤。,四、淀粉水解制糖淀粉水解为葡萄糖的方法有酸解法、酶解法和酸酶结合法等。1、酸解设备（1）加压罐水解糖化,（2）管道水解糖化管道糖化法是将加了酸的淀粉乳用泵输送，流经管道，用蒸汽直接或间接加热，使淀粉乳糊化、糖化，在一定温度下流经其余管道，在它端流出，达到需要的糖化程度。,2、酶解设备酶解分为液化和糖化两步。（1）液化升温液化法、高温液化法和喷射液化法。,图2-46喷射液化器构造示意图,图2-47喷射液化器,（2）糖化,目的：使植物组