第1章 培养基的制备设备

1、 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。专门高级人才必须掌握的内容之一。 本课程的任务：是按照生物加工过程的工艺要求，讲述生物加工本课程的任务：是按照

2、生物加工过程的工艺要求，讲述生物加工 过程设备之共性，阐述各设备的过程设备之共性，阐述各设备的原理原理、构造构造、设计设计、应用应用或或选用选用， 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。论。 Chapter1 Chapter1 培养基准备与培养基灭菌的设备；培养基准备与培养基灭菌的设备； Chapter2 Chapter2 发酵用压缩空气预处理及除菌设备；发酵用压缩空气预处理及除菌设备； Chapter

3、3 Chapter3 生物反应器与发酵参数检测元件；生物反应器与发酵参数检测元件； Chapter4 Chapter4 液液- -固分离设备；固分离设备； Chapter5 Chapter5 萃取设备；萃取设备； Chapter6 Chapter6 层析设备和离子交换设备；层析设备和离子交换设备； Chapter7 Chapter7 蒸发和结晶设备；蒸发和结晶设备； Chapter8 Chapter8 生物产品干燥设备；生物产品干燥设备； Chapter9 Chapter9 生物制药生产生物制药生产GMPGMP规范要点规范要点 u生物工程设备生物工程设备徐清华主编，科学出版社，徐清华主编，科学

4、出版社，20042004 u生化反应动力学与反应器生化反应动力学与反应器戚以政、汪叔雄主编，化学工业出戚以政、汪叔雄主编，化学工业出 版社，版社，1996 1996 u生化反应工程生化反应工程山根桓夫著，周斌译山根桓夫著，周斌译, , 西北大学出版社，西北大学出版社，1992 1992 u生物工程设备生物工程设备梁世中主编，中国轻工业出版社，梁世中主编，中国轻工业出版社，2002 2002 u发酵设备发酵设备高孔荣主编，中国轻工业出版社，高孔荣主编，中国轻工业出版社，1993 1993 u生物加工过程与设备生物加工过程与设备郑裕国主编，化学工业出版社，郑裕国主编，化学工业出版社， u生物工程设

5、备生物工程设备陈国豪主编，化学工业出版社，陈国豪主编，化学工业出版社，20072007 美国美国WaveWave细胞反应器细胞反应器 SteriSteri-Cult-Cult新型红外新型红外COCO2 2培养箱培养箱 板框过滤机板框过滤机 培养基灭菌的概念及意义培养基灭菌的概念及意义 实罐灭菌的设备实罐灭菌的设备 连续灭菌的设备连续灭菌的设备 淀粉质原料的蒸煮与糖化淀粉质原料的蒸煮与糖化 Keyanddifficulty: 培养基的灭菌设备及计算培养基的灭菌设备及计算 培养基灭菌的目的、要求和方法培养基灭菌的目的、要求和方法 湿热灭菌的理论基础湿热灭菌的理论基础 培养基灭菌的工程设计培养基灭菌

6、的工程设计 灭菌灭菌的方法的方法 化学灭菌化学灭菌 射线灭菌射线灭菌 干热灭菌干热灭菌 湿热灭菌湿热灭菌 过滤灭菌过滤灭菌 1 1、培养基实罐灭菌（分批灭菌或实消）：将、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，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。冷却到发酵温度。 2 2、培养基的连续灭菌：将配好的培养基在向、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。和冷

7、却而进行的灭菌。 个个/ /罐。罐。 发酵生产中，往往需要对发酵生产中，往往需要对培养基培养基及其及其发酵设备发酵设备 进行灭菌，一般工业上常采用进行灭菌，一般工业上常采用蒸汽湿热灭菌蒸汽湿热灭菌。 湿热灭菌的原理湿热灭菌的原理 就是直接用就是直接用高温蒸汽灭菌高温蒸汽灭菌。蒸汽在冷凝时释放出大。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，白质和核酸的化学键，使酶失活使酶失活，微生物因代谢障碍而，微生物因代谢障碍而 死亡。死亡。 湿热灭菌的优点湿热灭菌的优点 蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；蒸汽

8、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；蒸汽有强的穿透力，灭菌易于彻底； 蒸汽有很大的潜热；蒸汽有很大的潜热； 操作方便，易管理。操作方便，易管理。 灭菌程度灭菌程度和和营养成分的破坏营养成分的破坏是灭菌工作中的主是灭菌工作中的主 要矛盾，恰当掌握加热要矛盾，恰当掌握加热温度温度和和时间时间是灭菌工作的关键。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，也即反映为的活菌数成

9、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：一级化学反应动力学为： dN KN dt 式中式中 N N0 0 开始灭菌（开始灭菌（t=0t=0）时原有活菌数；）时原有活菌数； N Nt t 经时间经时间t t后残存活菌数。后残存活菌数。 00 12.303 lnlg tt NN t KNKN 大肠杆菌在不同温度下的死亡曲线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高温短时的的

10、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。却而进行的灭菌。 时间(min) 温 度 图2-3 培养基连续灭菌过程中温度的变化 20s20s 2-3min 144 27 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培养基实罐灭菌的质量优劣判别标准 v1. 培养基灭菌后达到无菌要求培养基灭菌后达到无菌要求 v2.营养成份破坏少营养成份破坏少 v3.泡沫要少泡沫要少 例：有个发酵罐，内装培养基例：有个发酵罐，内装培养基40m3,现采用实罐灭菌，灭菌温现采用实罐灭菌，灭菌温 度度121，问其灭菌需要多长时间

11、？，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（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中含有耐热菌的芽孢为2107个，灭菌失败的概率通个，灭菌失败的概率通 常定为常定为0.001，即灭菌后残留芽孢数为，即灭菌后残留芽孢数为0.001个）个） （1 1）连消塔连消塔- -喷淋冷却连续灭菌流程喷淋冷却连续灭菌流程 图2-4 连续灭菌设备流程示意图 1-配料罐（拌料罐）2-蒸汽入口 3-连消塔 4-维持罐 5-培养基出口 6-喷淋冷却 7-冷却水 1 2 3 4 5 6 7 （2 2）喷射加热喷射加热- -真空冷却流程真空冷却流程 图2-5 加

12、热-真空冷却连续灭菌流程 生培养液 蒸汽 喷射加热器 维持管 膨胀阀 急聚蒸发室 灭菌好的培养液 真空 图2-6 薄板换热器连续灭菌流程 维持段 蒸汽 加热 段 热回 收段 水冷 却段 生培养液 冷却水 灭菌好的培养液 （3 3）板式换热器灭菌流程）板式换热器灭菌流程 （4 4）冷却设备）冷却设备 常用喷淋冷却器和套管冷却器。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。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后者是一种内管走热培养基，内外管间的管隙中走冷 却水

13、的冷却器却水的冷却器。 a a、连续灭菌的优缺点、连续灭菌的优缺点 Advantages 保留较多的营养质量保留较多的营养质量 容易放大容易放大 较易自动控制；较易自动控制； 糖受蒸汽的影响较少；糖受蒸汽的影响较少； 缩短灭菌周期；缩短灭菌周期； 发酵罐利用率高；发酵罐利用率高； DisadvantagesDisadvantages 设备比较复杂，投资较大。设备比较复杂，投资较大。 分批灭菌的优缺点 Advantages: 设备投资较少设备投资较少 染菌的危险性较小染菌的危险性较小 人工操作较方便人工操作较方便 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜对培养基中固体物质含量较多时更为适宜 Disa

14、dvantages: 灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动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。大，一般只限于中小型发酵装置。 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。 在发酵过程中，往往要向发酵罐中补入各种不同的料液。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。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。灭菌的方法则视料液的

15、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。为合适。 也有利用过滤法对另补料液进行除菌。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。入蒸汽。 所有的附属设备和管道都要经过灭菌。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 9 6 2 1 3 5 7 8 蒸煮 废气 去发酵罐 10 冷水 4 图2-12 连续糖化工艺工程 1-后熟罐 2-真空罐 3-混合冷

16、凝器 4-水密封池 5-真空蒸发罐 6-糖化锅 7-硫酸罐 8-液曲罐 9-转料泵 10-喷淋冷却器 罐式蒸煮罐式蒸煮 在我国发酵在我国发酵 厂，将喷射厂，将喷射 加热器与后加热器与后 熟器、糖化熟器、糖化 罐组成了连罐组成了连 续蒸煮糖化续蒸煮糖化 流程，流程， 1、蒸煮设备 （1）罐式蒸煮设备 图2-13 蒸煮罐 1-粉浆入口 2-加热蒸汽管 3-糊化醪出口 4-安全阀接口 5-压力表 6-制液体曲醪出口 7-罐耳 8-温度计测温口 9-人孔 3 2 1 5 4 6 8 7 9 图2-14 最后一个后熟器（气液分离器） 1-糊化醪入口 2-糊化醪出口 3-耳架 4-自控液位仪表接口 5-压

17、力表 6-二次蒸汽进口 7-人孔 8-安全线 9-液位指示器 8 7 5 6 4 9 3 4 1 2 糊 化 醪 （2 2）柱式连续蒸煮设备）柱式连续蒸煮设备 3 图2-15 柱式连续蒸煮流程图 1-粉浆罐 2-泵 3-加热器 4-缓冲器 5-柱子 6-后熟器 1 2 4 5555 5 66 图2-16 加热器 粉 浆 粉 浆 蒸汽 蒸汽 （3 3）管式连续蒸煮）管式连续蒸煮 20 10 图2-17 管式连续蒸煮设备流程图 18 17 16 19 11 7 6 15 12 13 14 1 2 8 9 5 4 3 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

18、 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 原料粉碎原料粉碎搅拌和加料预煮搅拌和加料预煮加热器加热器管式连续蒸煮管式连续蒸煮 后热器后热器蒸汽分离器蒸汽分离器送至糖化工序送至糖化工序 1 2 3 至 糖 化 锅 蒸 汽 空 气 混 合 气 体 料液 冷 水 图2-18 真空冷却器 1-真空冷却器 2-膜式塔 3-喷射器 2 2、连续糖化设备、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、其作用是连续地把糊化醪与水

19、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。流动状态，以利于酶的活动。 啤酒生产中麦芽汁的制备设备啤酒生产中麦芽汁的制备设备 图2-19 连续糖化罐 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-温度计测温口 6-杀菌蒸汽进口管 7-糖化醪出口 8-搅拌器 糊化醪 无菌 压缩 空气 糖 化 醪 1 2 4 8 3 5 6 76 啤酒是生物加工产业中的一个典型产品，中国的啤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

20、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。培养基。 三、啤酒生产中麦芽汁的制备设备三、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。 图2-34 糊化锅 大米粉进口 2-热水进口 3-搅拌器 4-加热蒸汽管进口 5-蒸汽冷凝水出口 6-糊化醪出口 7-不凝性气体出口 8-耳架 9-麦芽粉液或糖化醪入口 10-环形槽 11-污水排出口管 12-风门 大 米 粉 热 水 污水 糖 化 醪 1 2 3 4 7 9 8

21、 12 11 10 h1 h2 f1 f2 图2-35 球形锅中麦芽汁的循环图 2 2、麦芽汁煮沸锅、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。 麦汁出口 麦汁入口 冷热水进口 冷 凝 水 出 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 图2-37 麦牙煮沸锅 1-电动机 2-减速箱 3-出料阀 4-搅拌装置 5-锅体 6-液量标尺 7-入孔双拉门 8-锅盖 9-排气管 10-筒形风帽 11-入孔单拉门 3 3、糖化醪过滤槽、糖化醪过滤槽 主要用于醪液的糖 化和麦汁的过滤。 冷凝水出 1/2蒸汽进1

22、/2蒸汽进 出料进料 冷热水 进口 冷 凝 水 出 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 图2-38 糖化醪过滤槽 1-油压缸 2-出槽口 3-减速箱 4-变速箱 5-耕槽装置 6-电动机 8-射水槽 9-槽体 10-入孔双拉门 11-入孔单拉门 12-槽盖 13 下粉筒 14 排汽管 15-筒形风帽 6 四、淀粉水解制糖四、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 6 1 2 3 4 5 蒸汽 蒸汽 图2-39 糖化罐构造图 1-淀粉乳管 2-喷出管 3-蒸汽排出管 4-安全阀 5-入孔 6-酸

23、管 （2 2）管道水解糖化）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 35 6 7 4 蒸汽 蒸汽 糖化液 淀粉 酸 水 图2-40 直接加热式管道糖化设备 1-混合桶 2-加热器 3-进料罐 4-放料阀 5-急骤蒸发器 6-糖化管 7-泵 2 3 6 5 4 中和区 蒸汽 糖 化 液 冷 却 水 蒸 汽 溶液 Na CO 图2-41 糖化管道示意图 1-淀粉乳 2-泵 3-糖化管 4-阀 5-急骤蒸发器 6-加热管 淀 粉 乳 蒸汽 o o o 图2-42 间接式

24、加热管构造示意图 淀 粉 乳 酸 蒸汽 4 糖化液 3 2 蒸汽 图2-43 糖化管设备示意图 1-搅拌器 2-糖化管 3-急骤蒸发器 4-阀 5-加热器 6，7-泵 1 76 5 2 2、酶解设备、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。 液化桶 喷射液 化器 进料桶 淀粉乳桶 出料控制 蒸汽 温度控 制 淀粉乳 图2-45 喷射液化设备流程图 图图2-46 2-46 喷射液化器构造示意图喷射液化器构造示意图图图2-47 2-47 喷射液化器喷射液化器 加热处理 真空 快速冷却 淀粉乳 液化酶 蒸汽冷却 水 液化 冷却 糖化酶 酸 泵 蒸汽冷凝水 液化酶 糖化 过滤 图2-48 管道3-段连续液化流程图 （2 2）糖化）糖化 M M 1 2