生物工程设备 第七章 物料处理与培养基制备

1、第七章 物料处理与培养基制备,除杂，粉碎,一 固体物料处理设备 固体物料的筛选除杂设备,纤维性较长的物质，如麻绳草屑、庄稼秸秆； 颗粒状物质，如沙子、泥土块、小石块等； 铁磁性物质，如铁钉、螺丝等,第一节 固体物料的处理与粉碎设备,生物加工原料在很多情况下往往会混入沙土、石子甚至金属等杂物。进行生产前，必须先将原料中混杂的杂物除去,生物反应物料处理设备,固体物料处理设备 1) 谷物原料粗选设备,大麦粗选机,工作原理,生物反应物料处理设备,磁力除铁器,固体物料处理设备 1)谷物原料粗选设备,固定形磁钢装置 永磁滚筒,磁钢的排列,生物反应物料处理设备,固体物料处理设备 2) 大麦的精选设备,大麦精

2、选机 颗粒状的生物质原料（如大麦、小麦）等必须进行精选和分级，其主要原理是按颗粒长度进行分级，以除去不必要的杂粒，有滚筒精选机和碟片精选机两种,碟片式精选机 工作原理 特点：工作面积大，转速高，产量大，碟片损坏可以更换,2、生物质原料的粉碎,P6,f,生物反应物料处理设备,固体物料处理设备 2) 大麦的精选设备,碟片式精选机 工作原理 特点：分离出来的杂粒含大麦较少，缺点是袋孔的利用系数低，产量低，且工作面磨损后不能修复,生物反应物料处理设备,固体物料处理设备 3) 大麦的分级设备,平板分级筛 工作原理,生物反应物料处理设备,固体物料处理设备 3)大麦的分级设备,圆筒分级筛 工作原理,圆筒分级

3、筒,优点：设备简单、电动机传动比平板分级筛方便。缺点：筛面利用率少，仅为整个筛面的1/5,生物反应物料处理设备,二 固体物料粉碎设备 为什么固体物料需要进行粉碎? 固体物料经粉碎后，颗粒变小，原料的表面积显著增大，可加速蒸煮时的溶解过程。节省蒸汽，减少能量消耗，提高淀粉利用率，并能减少输送管道的阻塞现象，便于连续化生产,生物反应物料处理设备,固体物料粉碎设备,湿式粉碎是将水和原料一起加入粉碎机中，从粉碎机出来时即成粉浆。这种方法无原粉粉末飞扬，车间卫生好，缺点是粉浆必须随产随用，不宜储藏，且耗电量较多。 干式粉碎是将干物料送入粉碎机中。粉碎机包在机壳之内，有一定的粉尘涌出来，如果不采取必要的除

4、尘措施，车间内会布满灰尘,生物反应物料处理设备,固体物料粉碎设备 1) 物料粉碎的力学分析,固体物料的粉碎按其受力情况可分以下几种：挤压破碎(a)、冲击破碎(b)、研磨粉碎(c)、剪切破碎(d)、劈裂粉碎(e,生物反应物料处理设备,固体物料粉碎设备 2)所选用粉碎机应有基本要求： （1）粉碎后的物料颗粒大小要均匀； （2）已被粉碎的物块，应立即从轧压部位排除； （3）操作应能自动化； （4）易磨损的部位应容易更换； （5）应产生极少的粉尘，以减少环境污染； （6）在操作发生障碍时，应有保险装置能使自动停车； （7）单位产品消耗能量要小,生物反应物料处理设备,固体物料粉碎设备 3)粉碎设备 锤式

5、粉碎机,锤式粉碎机,锤式粉碎机最大特点是具有很高的破碎比（达1050）这是其他粉碎机不能比拟的。此外单位产量能耗低、构造简单、结构紧凑、生产能力高等都是锤式粉碎机的优点,生物反应物料处理设备,固体物料粉碎设备 3) 粉碎设备 双转子锤式粉碎机,双转子锤式粉碎机,生物反应物料处理设备,固体物料粉碎设备 3) 粉碎设备 辊式粉碎机 (对辊粉碎机,生物反应物料处理设备,固体物料粉碎设备 3)粉碎设备 多辊粉碎机,四辊式粉碎机,六辊式粉碎机,五辊式粉碎机,密封式对辊破碎机,生物反应物料处理设备,固体物料粉碎设备 3)粉碎设备 圆盘钢磨,圆盘粉碎机,圆盘粉碎机,生物反应物料处理设备,固体物料湿法粉碎设备

6、 4)湿法粉碎设备 主要包括输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。 湿法粉碎流程的优点： 1.消除了粉尘危害，改善了劳动环境，降低了原料消耗； 2.粉碎过程中，淀粉已开始吸水膨胀，提高了蒸煮效果； 3.粉碎后经预热，提高了蒸汽的利用率； 4.机器零件的磨损减少，节省了设备维修费用,生物反应物料处理设备,固体物料湿法粉碎设备 4) 湿法粉碎流程,大米湿式粉碎机,生物反应物料处理设备,固体物料湿法粉碎设备 5) 砂轮磨,SM-30A型砂轮磨,生物反应物料处理设备,6) 微细粉碎和超微细粉碎,生物反应物料输送设备,三 气流输送 借助强烈的空气流沿管道流动，把悬浮在气流中的物料送至所需的地方,应用

7、：输送大麦、大米、麦芽及地瓜干等松散物料,优点：设备简单，占地面积小，费用少，输送能力和输送距离的可调性大，管理简便，易于实现自动化。 缺点：动力消耗比较大，不适于输送潮湿的和粘滞的物料,生物反应物料输送设备,1.气流输送流程 根据设备组合不同，气流输送装置可分为真空输送、压力输送和压力真空输送,真空输送,生物反应物料输送设备,气流输送流程,压力输送,压力真空输送,生物反应物料输送设备,气流输送流程,如何选择输送方式？ 选择输送方式时，应根据物料的特性、输送量、输送距离、线路状况、动力消耗等因素，综合进行考虑。一般对于大麦、大米等松散的粒状物料，最适宜用气流输送；而较大的块状物料或过细的粉状物

8、料，气流输送时困难较大。输送量大且能连续运行的操作，宜用气流输送；输送量少且是间歇操作的，不宜用气流输送。对短距离输送，宜用低压压送；长距离输送，则以高压压送有利,生物反应物料输送设备,2. 物料分离装置,旋风分离器,生物反应物料输送设备,2.物料分离装置,重力式分离器（沉降器,生物反应物料输送设备,3.空气除尘装置,空气除尘器的作用：回收粉状物料，减少损失；净化排放空气；防止尘粒损坏真空泵,常用空气除尘器：旋风分离器、袋滤器和湿式除尘器,生物反应物料输送设备,3.空气除尘装置,袋滤器,湿式除尘器,第二节糖蜜原料的稀释与澄清,一、什么是糖蜜及 处理工艺,1.概念： 糖蜜是制糖厂的一种副产品，里

9、面含有大量可发酵性糖，是一种非结晶糖分，因其本身就含有相当数量的可发酵性糖，无需糖化，因此是微生物工业大规模发酵生产的良好原料 2.特点 由于原糖蜜的浓度一般都在80Bx以上，胶体物质与灰分多，产酸细菌多。 3.一般处理工艺 糖蜜发酵前需进行稀释、酸化、灭菌、澄清等处理过程,P51,第二节 液体培养基的制备及杀菌设备,1.糖蜜原料的稀释与澄清,间歇式稀释器 通常为一敞口容器，内安有搅拌装置或用通风代替搅拌，使糖蜜与水达到均匀稀释,糖蜜稀释器 稀释设备包括间歇式设备和连续式设备,糖蜜连续稀释器 水平式连续稀释器：主体为一圆筒形水平管，沿管长在管内装有若干隔板和筛板，将其分成若干空段,液体培养基的

10、制备及杀菌设备,1.糖蜜原料的稀释与澄清,液体培养基的制备及杀菌设备,1.糖蜜原料的稀释与澄清,糖蜜连续稀释器,立式连续稀释器,错板式连续稀释器,液体培养基的制备及杀菌设备,1.糖蜜原料的稀释与澄清,糖蜜连续稀释器,膨缩式连续稀释器,变管径式连续稀释器,第二节糖蜜原料的稀释与澄清,二、糖蜜稀释器 3.错板、膨缩、变管式糖蜜连续稀释器,1015块,P52,倾斜安装较少阻力,器径变化 流速改变 实现混合,管径变化 流速改变 实现混合,第二节糖蜜原料的稀释与澄清,三、糖蜜原料的澄清 1.目的,糖蜜原料的澄清的目的是使原料中的灰渣等固形物沉淀同时进行灭菌，以达到发酵的要求。 2.方法 糖蜜原料的澄清方

11、法有以下几种： A、加酸通用处理法 B、热酸处理法 C、絮凝剂澄清处理法,P53,澄清罐,液体培养基的制备及杀菌设备,2.淀粉质原料的蒸煮糖化设备,一）淀粉质原料蒸煮糖化的目的 1.高温高压蒸煮过程可使植物细胞壁膜破裂，内容物流出，变成可被糖化酶作用的可溶性淀粉，并进一步变成可发酵性糖 2。在蒸煮过程中将原料中的大量微生物进行灭菌，保证发酵过程的无菌状态,一、蒸煮目的 生物质原料进行蒸煮的目的是使植物组织和细胞膜彻底破裂，淀粉成为溶解状态进行液化；同时对进料进行灭菌；排除原料中的一些不良成分及气味,第一节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,P34,第一节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,二、糖化定义 淀粉质原料

12、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,P34,液体培养基的制备及杀菌设备,罐式连续蒸煮 蒸煮温度可高可低，节约能耗；设备简单，操作容易，制造方便,2.淀粉质原料的蒸煮糖化设备,1)蒸煮设备 多采用连续式蒸煮，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,三、连续蒸煮糖化流程,第一节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,1.概念 连续蒸煮糖化工艺指料液连续流动，在不同的设备中完成加料、蒸煮、糖化、冷却等不同工艺操

13、作，整个过程连续化,P34,三、连续蒸煮糖化流程,第一节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,2.特点及优点 (1)连续蒸煮糖化一般不需加水，它的浓度就能满足工艺的要求。 (2)其余各项工艺指标控制，基本上和间歇糖化相同，糖化时间略偏低，大约为2030分钟，糖化效率为2840(过高出现糖抑制) (3)高糖化速度降低葡萄糖效应，和渗透压问题,P34,间歇式蒸煮糖化的整个过程都始终处于一个设备中，一锅一锅地糖化，糖化一锅又重换一锅,连续蒸煮糖化车间,连续蒸煮糖化设备应该包含哪些,蒸煮设备 冷却设备1 糖化设备 冷却设备2,第一节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,四、蒸煮设备 2.柱式连续蒸煮设备,P36,1)加热器

14、结构：由三层套管组成，内层和中层有许多小孔，各层套管都用法兰连接，以便拆卸,操作：蒸汽从内、外层管进入，穿过小孔向粉浆液流两旁喷射，由于蒸汽从侧喷射，接触均匀，加热比较全面，故能在很短时间就达到蒸煮温度145150,第一节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,四、蒸煮设备 3.管式连续蒸煮设备,P37,第一节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,四、蒸煮设备 3.管式连续蒸煮设备,1)结构组成 三套管加热器、蒸煮管、后熟器及汽液分离器 (2)操作 物料结加热器在短时间内充分混合，完成热交换，然后再通过管道转弯处产生压力的间歇上升和下降，使醪液发生收缩膨胀，减压汽化，冲击等使淀粉软化和破碎，进行快速蒸煮。 (3)特点

15、高温快速，糊化均匀，糖分损失少，设备紧凑，易于实现机械化和自动化操作,P37,喷射液化、管道蒸煮,真空冷却：物料在一定真空度下蒸发部分水，需要汽化潜热，取自料液本身，因而料液很快被冷却到真空相应的温度。 真空冷却器中真空度产生：一般要借助于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,液体培养基的制备及杀菌设备,2)真空冷却器,五、冷却设备(蒸煮糖化工艺第二阶段,P40,1.真空冷却概念 指醪液在一定的真空度下（即醪液进入负压状态）本身产生大量蒸气（二次蒸气）； 并被抽出，这样便消耗了醪液大量的热量，因而醪液很快冷到与真空度相应的温度，这种醪液冷却法就称为真空冷却,五、冷却设备,P

16、40,液体培养基的制备及杀菌设备,真空冷却器,为了更完全地从料液中分离蒸汽，真空冷却器中蒸汽上升速度不应超过1ms，醪液在下降管中流速为0.80.5ms,五、冷却设备,2.真空冷却器 (1)结构组成 圆筒锥底形冷却器、模式塔、喷射器 (2)工作 醪液由切线方向进入，在器内旋转被离心力甩向四周沿壁下流，从锥底排醪口排出， 顶中心有二次蒸汽出口，连接膜式塔，用冷水在膜式塔中冷凝二次蒸汽， 不凝气体经真空泵或蒸汽喷射器抽走，造成器内真空,P40,液体培养基的制备及杀菌设备,3)糖化设备,连续糖化罐 把已将温至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

17、酶的作用下变成可发酵性糖,液体培养基的制备及杀菌设备,3) 糖化设备,真空糖化装置,优点：真空糖化器既是蒸发冷却器，又是糖化器，简化了设备,液体培养基的制备及杀菌设备,4)啤酒生产中麦芽汁的制备,两器组合：仅由糖化锅兼麦汁过滤槽和糊化锅兼煮沸锅两锅组成。用于小型啤酒厂； 四器组合：四器为糊化锅、糖化锅、过滤槽和麦汁蒸煮锅； 六器组合：在四器的基础上，增加一只过滤槽和一只麦汁煮沸锅；或两只糖化糊化两用锅，两只过滤槽和两只麦汁蒸煮锅,液体培养基的制备及杀菌设备,4)啤酒生产中麦芽汁的制备,糊化锅,球形锅中麦芽汁的循环图,f1,f2,h1,h2,液体培养基的制备及杀菌设备,4) 啤酒生产中麦芽汁的制

18、备,糖化锅 使麦芽糖与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化,糖化设备,糖化锅搅拌叶,糖化锅搅拌,液体培养基的制备及杀菌设备,4)啤酒生产中麦芽汁的制备,麦芽汁煮沸锅 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，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；还有加热凝固蛋白质、灭菌、灭酶的作用,液体培养基的制备及杀菌设备,麦芽汁煮沸锅,有列管式内加 热器的煮沸锅,具两段内加 热器的煮沸锅,煮沸锅与外加热 器的组合方式1,煮沸锅与外加热 器的组合方式2,煮沸（加啤酒花,麦汁煮沸热能回收系统,液体培养基的制备及杀菌设备,糖化醪过滤槽,平底筛过虑槽,快速过

19、虑槽,过滤槽耕糟装置,过滤槽底及传动系统,液体培养基的制备及杀菌设备,啤酒酿造工艺流程,液体培养基的制备及杀菌设备,3.液体培养基的灭菌 灭菌：指用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中所有有生命物质的技术或工艺过程。 常用的灭菌方法有： (1)化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、高锰酸钾、环氧乙烷等； （2）射线灭菌：x-射线、 -射线、紫外线； （3）干热灭菌； （4）湿热灭菌； （5）过滤除菌,湿热灭菌,湿热灭菌,1)培养基热灭菌的动力学,液体培养基的制备及杀菌设备,细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能,可见，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，所以细菌的死亡速率要

20、比营养成分的破坏速率快得多。 采用湿热法对液体培养基进行灭菌时，采用高温短时间的灭菌方法，以减少营养成分的破坏,液体培养基的制备及杀菌设备,2)影响培养基灭菌的因素 1.灭菌效果和营养成分的保持 2.pH的影响 3.培养基成分的影响 4.起泡 5.颗粒,液体培养基的制备及杀菌设备,3) 培养基及发酵设备的灭菌,分批灭菌（实罐灭菌或实消） 空罐灭菌（空消） 连续灭菌（连消） 过滤器及管道灭菌,液体培养基的制备及杀菌设备,分批灭菌（实罐灭菌,实罐灭菌：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，又称分批灭菌,液体培养基的制备及杀菌设备,分批灭菌

21、（实罐灭菌,要保证分批灭菌的成功，必须有： 1.内部结构合理，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐； 2.压力稳定的蒸汽； 3.合理的操作方法,液体培养基的制备及杀菌设备,分批灭菌（实罐灭菌,灭菌时间的计算 例：有一发酵罐，内装培养基40m2，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。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。 解,液体培养基的制备及杀菌设备,培养基的连续灭菌有以下优点： （1）提高产量，设备利用率高。 （2）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。 （3）产品质量较容易控制

22、；蒸汽负荷均衡，操作方便。 （4）降低了劳动强度，适用于自动控制,连续灭菌流程,液体培养基的制备及杀菌设备,连续灭菌流程,第四节液体培养基的灭菌,五、连续灭菌流程及设备 1.连消塔喷淋冷却流程 （流程、设备,1)结构组成 配料预热罐 （预热、消声） 连消塔 (迅速接触、加热) 维持罐 冷却管 (冷却到4050,第四节液体培养基的灭菌,五、连续灭菌流程及设备 1.连消塔喷淋冷却流程 （流程. 设备,2)连消塔结构 基本组成： 双套管式加热器，内层为蒸汽管导管，壁上开孔，外层为料液管。 蒸汽出口结构(孔向及孔数) 孔距应从上到下减少，使蒸汽较为均匀,45O向下倾斜开孔 操作： 停留时间一般取203

23、0s；线速度要求0.1m/s,缺点: 高大、生产加工安装不便,130-140,第四节液体培养基的灭菌,五、连续灭菌流程及设备 1.连消塔喷淋冷却流程 （流程、设备,1)结构组成 配料预热罐 （预热、消声） 连消塔 (迅速接触、加热) 维持罐 冷却管 (冷却到4050,第四节液体培养基的灭菌,五、连续灭菌流程及设备 1.连消塔喷淋冷却流程 （流程. 设备,2)连消塔结构 基本组成： 双套管式加热器，内层为蒸汽管导管，壁上开孔，外层为料液管。 蒸汽出口结构(孔向及孔数) 孔距应从上到下减少，使蒸汽较为均匀,45O向下倾斜开孔 操作： 停留时间一般取2030s；线速度要求0.1m/s,缺点: 高大、

24、生产加工安装不便,130-140,第四节液体培养基的灭菌,五、连续灭菌流程及设备 1.连消塔喷淋冷却流程 （流程、设备,3)改进连消塔 培养基从中间管喷入，蒸汽从管外环隙同时喷入，在器内进行混合，为增加混合效果，器内设置一块弧形挡板,第四节液体培养基的灭菌,五、连续灭菌流程及设备 2.喷射加热真空冷却流程,1)特点 是蒸汽和料液迅速接触充分混合，加热是在瞬时完成 (2)基本组成 喷射加热器 维持管 闪蒸室,弯曲,7080,140,先进先出,出料泵,第四节液体培养基的灭菌,五、连续灭菌流程及设备 2.喷射加热真空冷却流程,3)喷射加热器结构 简单的喷射式加热器 仅是一个喷嘴装置，蒸汽由喷嘴喷出，料液从侧面进入器内而被蒸汽加热。 常见的加热器 是一种在下游具有扩大室的喷射加热器。