第二章：培养基制备

1、磁铁输送带物料磁铁输送带磁铁物料物料第二章培养基制备及杀菌设备第一节：固体物料的粉碎设备 粉碎机的基本要求： 1 粉碎后的颗粒均匀， 2 已被粉碎的物料能立即从轧压部位排出， 3 操作自动化， 4 易磨损部件容易更换， 5 产生粉尘少， 6 发生故障时能自动停车， 7 单位产品消耗的能量小。按工作原理粉碎机的类型如下：（1）挤压粉碎机（2）冲击粉碎机（3）磨碎（4）劈碎（5）剪碎固体物料粉碎粒度的标注：（1）粗碎：401500550，粉碎比约为26；（2）中、细碎：5500.15，粉碎比约为550；（3）微粉碎：510mm小于100um：（4）超微粉碎：0.55mm小于25um。可用粉碎比表示

2、粉碎操作中物料粒度变小的比例。主要构造：锤刀、转子、筛底、机壳锤刀筛底转子机壳 当物料进入粉碎机后，被飞速旋转的锤刀击碎，细粉通过底部筛孔排出，较大的颗粒继续被锤刀击碎，物料直至粉碎到一定细度后，从筛孔排出。粉碎靠旋转的锤刀冲击破碎，筛底保证了粉碎物料的一定细度。 工作原理是冲击粉碎，适合各种中等硬度的物料粉碎（瓜干、玉米等）的粗碎、中碎等，脆性物料更好效果。 优点：构造简单，能粉碎不同的物料，粉碎比1050大，生产能力高。 缺点：机械磨损较大。提高粉碎机效率的方法：（1）采用密闭循环法（2）增加吸风装置（3）采用鳞状筛代替平筛（4）采用湿式粉碎（适合含水分高的料的粉碎） 锤式粉碎机的生产能力

3、可按半经验公式计算：圆形筛孔圆形筛孔V=60v0KnZV0一个筛孔中排出的产品体积，K锤刀排数，n-转子的转速Z-筛孔总数长条形筛孔长条形筛孔V=lcduL筛孔长度mC筛孔的宽度mD产品粒度m排料系数,一般为0.7动力消耗动力消耗N（KW）按经验公式估算：）按经验公式估算： N=ADLnD-锤刀末端直径m，L-转子轴向长度m,A-系数，由试验确定。大麦芽细粉细粉细粉麦皮六辊粉碎机示意图六辊粉碎机示意图 细粉 细粉 麦皮 细粉五辊粉碎机示意图 4.辊式粉碎机生产能力及功率计算生产能力Q（kg/h）=120DnLbrD-辊筒的直径m，n-辊筒的转速r/min，L-辊筒的长度m,b-两辊间隙=0.0

4、0010.0005m，r-物料的容量（干麦芽500kg/h）-填充系数（麦芽0.50.7），准确数据在生产实践中查得。经验数据：100mm长的两辊生产能力为150200kg/h，四辊式200300kg/h.用于粉碎麦芽时功率计算公式：N=0.735KG/dnK-系数，为100110，G-粉碎机生产能力t/h，d-麦芽粒子腹径， n-辊筒的转速r/min. 粉碎能力计算公式看出：粉碎能力决定两辊间距、转速、辊直径、辊长度。 生产中常用的辊径250mm，辊长L800-1000mm,转速200-300转/分。当辊径和转速、间距一定时，生产能力与辊的长度成正比。 一般对辊100mm辊长每小时粉碎麦芽1

5、50-200kg，四辊每小时粉碎200-300kg，五辊、六辊每小时粉碎450kg左右。 功率消耗，粉碎1吨麦芽2kw. 第二节第二节 淀粉质原料的蒸煮糖化设备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 以淀粉质原料生产酒精，淀粉必须先经过糖化剂中的淀粉酶作用变成可发酵性糖后，才能被酵母利用发酵生成酒精。 n目的： 1.原料吸水后通过蒸煮时的高温高压作用，使原料的淀粉细胞膜和植物组织破裂,内容物流出，以便糖化剂作用，使淀粉变成可发酵性糖。 2.将存在于原料中的大量微生物进行灭菌，使酒精发酵能顺利进行。 （一）调浆桶：分批投料，为满足连续蒸煮的要求一般应设为两只。搅拌桶的容积决定于

6、操作周期的长短。 （n+1)Gt / 60 G酒精生产每小时投料量m3/hr n加水比 t调浆桶操作周期30min 调浆后的密度 填满系数 调浆桶结构可开口，也可带盖开人孔，圆桶形。D:H=1:1, 底锥角1200，属于内压容器。壁厚计算按内压容器计算。此外还要计算搅拌功率。（二）连续蒸煮的送料泵 对连续蒸煮的送料泵有三大要求： 1.压头大，须超过蒸煮的压力 2.流量稳定，保证过程稳定，满足工艺 条件的要求。 3.便于调节。 大多采用往复泵三套管加热器有效加热段：加热管壁上小孔分布区称为有效加段。开孔的形式：平开，加工易。 向上斜开450，与粉浆对流，混料好， 但输送阻力大。 向下斜开450，

7、与粉浆并流，降低 力，但汽料混合稍差。 多用平开和向下斜450角，孔径35mm，若干排，每排48个均匀分布，排距相等，前密后疏。 粉浆在有效加热段停留时间很短，1520s,流速0.1m/s。2.三套管加热器的计算 计算内容： 有效加热段长度、各层管子的直径、 小孔直径及个数。（1）有效加热段长度的计算（根据物料和热量平衡计算） 第一步：首先计算加热蒸汽的消耗量W 加热蒸汽的压力为PMPa(表压）。查饱和水蒸气表、蒸汽温度t2、热焓I可定。粉浆流量为Gkg/hr，粉浆比热为c,温度为t1，加热粉浆最终温度为t2。 热量平衡：粉浆吸热蒸汽放热（冷凝放热） G（ t2 t1）W（IC水t2） 蒸汽消

8、耗量W 可计算得出。第二步：确定环形面积（醪液与蒸汽混合的空间截面） 加热后粉浆总量：G GW，体积流量V G/ 取粉浆的流速u为0.06m/s，（要求0.1m/s） 则粉浆流过的截面积为：S V/ u可计算出第三步：选内、中管 内管、中管根据管件参数选定型。计算一下环隙截面积D2-d2与S 是否相同。同则合适，不同重选。 第四步：计算有效长度 假定粉浆在有效加热段定留时间为20s，则有效加热 段长度L= V20 S 。（2）外管直径d外的确定; 按外管与中管间环隙截面积内管截面积 （压力平衡） （d外2-d中2)=d内2， d内、d中已定，计算可得d外。 根据计算结果圆整选定无缝钢管。（3）

9、小孔直径及个数的确定： 加热蒸汽量已计算出，查饱和水蒸气表得所在表压下 蒸汽密度蒸汽，加热蒸汽体积V蒸汽W/ 蒸汽， 小孔直径为d孔，一般为48mm,蒸汽流速为20m/s， 小孔个数n=V蒸汽(3600200.25 d孔2) 内外管小孔个数相等为0.5n个。喷射式加热器 根据工艺计算得到得料液的流量和蒸汽消耗量选型。加热蒸汽进料口物料出口蒸汽室进料口蒸汽进口出料口排液口文丘管喷射加热器连消加热器1.喷射式加热器的结构 文丘管喷射式加热器的特点是蒸汽和物料迅速接触，充分混合、加热在瞬间内完成。蒸汽由侧面进入，物料由喷嘴喷出，在蒸汽室内被均匀混合加热。 连消加热器的喷嘴与一般喷嘴不同，料液由中央进

10、入，蒸汽则在环隙中进入，同时在喷嘴出口处有一个扩大端，扩大端顶端上方设置一块弧形挡板，目的是增强蒸汽与料液出口管的混合加热效果。培养基在进入加热器时的流速约为1.2m/s，蒸汽喷口的环隙面积与料液出口管的内截面积相同，扩大端的直径与喷嘴外径之比为2，整个加热器高度在1m左右。这种加热器结构简单，性能稳定，噪声少，无振动，是目前微生物发酵企业采用较多的喷射加热器。2.喷射式加热器的计算设计方法 喷射式加热器设计中，喷嘴的设计是关键。根据物料流量按公式计算出喷嘴的直径后，按比例确定其它各部位尺寸。 根据资料，多喷嘴要比单喷嘴的换热效果好，但喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于10mm。另外延长混合段

11、的长度有利于蒸汽与物料的混合。 连消塔在生物制药行业（主要是抗生素）使用广泛，其打料量1214m3/h，塔身采用中273X7mm无缝钢管，加热器直筒高度800mm，椎体高度150mm，出料管Dg50,物料进口Dg50. 粉浆通过加热器加热再进入后熟器，从后熟器进入汽液分离器，从分离器上部分离二次蒸汽，底部排出糊化醪。可以看出与连续灭菌流程设备基本一样，都有加热器，后熟器同高温维持设备一样，也有罐式、柱式、管道式，也是有35个串联在一起。不同的是，连续灭菌，从高温维持设备出来的物料，直接进换热器，而连续蒸煮，从后熟器出来的物料进入汽液分离器。高温维持设备和后熟器只是叫法不同，它们形式、工作状况一

12、样，它们都属于压力容器，在顶部要安装压力表和安全阀。1)锅式连续蒸煮，罐个数不宜太少，瓜干原料45个，玉米原料56个，汽液分离器醪液控制在50左右的位置上。蒸煮罐和后熟器采用相同的设备，容积计算如下： v1t= v2（n-1） v2 v2 v1t/ /n+ -1 v1糊化醪流量（ m3/hr ）， t 蒸煮时间，工艺确定， 汽液分离器的填满系数50， n 蒸煮器和后熟器个数（包括汽液分离器） v2蒸煮罐和后熟器的容积m3， 按内压容器计算壁厚（化工机械基础） 2）柱式连续蒸煮，蒸煮柱容积及有关尺寸 一个流程一般设45个柱子，无缝钢管制成，直径一般为400500mm，壁厚1012mm。柱子高度视

13、厂房高度和稳定性考虑，一般68m。 柱内部结构形式：空心、缩节、内设挡板柱。 柱总容积V总vt/600.85 v粉浆流量m3/hr，t 蒸煮时间， 0.85 柱填满系数。可以确定个数，然后确定每个柱的几何尺寸。也可确定每个柱几何尺寸，后确定个数。二次蒸汽高温维持设备（又称蒸煮锅、后熟器）加热器蒸汽糊化醪（液化醪）粉浆汽液分离器压力表安全阀酒精生产蒸煮流程调浆罐 泵 缓冲罐 停留罐（维持罐） 暂存罐 泵 喷射加热器汽液分离器 螺旋板换热器 糖化罐2)2)高温维持设备高温维持设备 使加热灭菌的物料保持一定的灭菌时间，加热温度通过蒸汽阀调节进汽量，灭菌时间由高温维持设备体积决定。常用的高温维持设备有

14、：1）罐式 H/D=242）柱 式 H/D=7103）管道式 L/D 衡量高温维持设备性能好坏，就是看物料的先进先出性；达到相同灭菌效果，尽量保证物料的先进先出性好（返混性差）。 管道式物料的先进先出性最好，其次是柱式，罐式最差。有几个罐或柱串联要比单个好（总体积不便）。工厂用罐或柱一般用35个串联。3）加热蒸汽量计算G 粉浆量（kg/h)Cs- 粉浆比热（kJ/kg. ）t1 、t2 粉浆加热前后温度（）I - 加热蒸汽热焓（kJ/kg)Cs 水的比热（kJ/kg. ）212)(tCIttCGDsw3）停留时间分布与皮里克准数（PeB)L 反应器长（m) - 反应器物料流速m/sDz扩散系数

15、。PeB （活塞流）PeB 0 （全混合）zeDLBPDH PeBPeBPeBt理t实t实t实CstdDzdNeR103 104 105 1061001010.50.40.30.20.1dDLdDLBPzze0NN10-1110-1210-1310-1410-1510-1610-1710-1810-1920 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130140PeB=1020304050100N（= ）Lk发酵设备图2-18三.糊化醪冷却 冷却方式：真空冷却、间壁换热冷却（喷淋冷却、螺旋板换热）、糖化罐内蛇管冷却。真空冷却： 汽液分离器真空冷却器喷射泵水泵3.真空冷却器

16、的计算 计算内容：确定真空冷却器的基本尺寸。 第一步：确定需要冷却到650c排出的二次 蒸汽的流量。 第二步：确定真空冷却器的高度和直径。 第三步：确定醪液下降管的直径和长度。第一步：确定需要冷却到650c排出的二次蒸汽量 糊化醪流量为G GW，体积流量V G/ 温度变化为1000c降至650c， 糊化醪冷却放出的热量Gc（10065）由二次蒸汽带走，产生的二次蒸汽量W Gc（10065）/r， r 二次蒸汽650c时的汽化潜热， 与650c对应的真空度为76.3KPa，二次蒸汽的密度可查出为，二次蒸汽体积流量为： V二汽 W/ , 冷却的醪液从冷凝器排出量为V V二汽， 第二步：确定真空冷却

17、器的高度和直径 二次蒸汽上升的速度u1m/s, V二汽、 u已知，可计算出直径D，圆柱部分 D:H=1:1.52，可确定真空冷却器的D、H.241DV二汽第三步：确定醪液下降管的直径和长度 下降管糊化醪流量为G W ， 体积流量V G W / 糊化醪密度设为1090kg/m3。 取醪液在排醪管内下降的速度u为1m/s ， 则下降管直径d可计算得出。 选用无缝钢管。 醪液下降管的长度L为： L=10.33真空度（mmHg）/760 圆整为整数即可241dV醪（二）螺旋板换热器 螺旋板式换热器是一种高效换热设备，适用汽-汽、汽-液、液-液，对液传热。它适用于化学、石油、溶剂、医药、食品、轻工、纺织

18、、冶金、轧钢、焦化等行业。按结构形式可分为不可拆式（I型）螺旋板式及可拆式（II型、III型）螺旋板式换热器 。 结构及性能结构及性能 ：1、由两张钢板卷制而成，形成了两个均匀的螺旋通道，两种传热介质可进行全逆流流动，大大增强了换热效果，即使两种小温差介质，也能达到理想的换热效果。2、在壳体上的接管采用切向结构，局部阻力小，由于螺旋通道的曲率是均匀的，液体在设备内流动没有大的转向，总的阻力小，因而可提高设计流速使之具备较高的传热能力。3、I型不可拆式螺旋板式换热器螺旋通道的端面采用焊接密封，因而具有较高的密封性。4、II型可拆式螺旋板换热器结构原理与不可拆式换热器基本相同，但其中一个通道可拆开

19、清洗，特别适用有粘性、有沉淀液体的热交换。5、III型可拆式螺旋板换热器结构原理与不可拆式换热器基本相同，但其两个通道可拆开清洗，适用范围较广。6、螺旋板式换热器按公称压力可分为PN0.6、1.0、1.6、2.5MPa（系指单通道能承受的最大工作压力）。按材质可分为碳素钢和不锈钢。用户可根据实际工艺情况选用。允许工作温度：碳钢为-20250，不锈钢为-20320。 7、单台设备不能满足使用要求时，可以多台组合使用，但组合时必须符合下列规定： 并联组合、串联组合、设备和通道间距相同。混合组合：一个通道并联，一个通道串联。 螺旋板换热器的换热面积等于螺旋板的展开面积，螺旋板的展开面积等于(换热面的

20、螺旋线长度乘螺旋板的宽度，螺旋线长度与其螺旋线的圈数及其结构有关，圈数越多，当然其直径越大，因此，螺旋板换热器的直径与长度(即螺旋板的宽度相关)与换热面积是成正比的关系。 根据工艺温差计算需要冷却的热量，验证冷却这些热量需要的冷却面积。糊化醪酶制剂搅拌器搅拌动力装置拔气筒糖化醪2.糖化锅结构： 圆筒体、锥底（或球形底）、平顶，内设搅拌器（两挡，平浆、涡轮或旋浆式），内设蛇管冷却器（不主张设置）。 锅底主张用球形底，搅拌功耗小。但制作难度大 平顶上安装搅拌动力装置。 拔气筒（排甲醇）一般0.50.7m，高812m。 整体形状粗矮形，HD，目的省搅拌功率。3.糖化锅的设计计算 为自制设备，计算内容

21、是锅容积、几何尺寸、个数、冷却面积。（1）容积及几何尺寸的计算 V糖化醪糖化醪流量已知（蒸煮工序糊化醪流量），糖化锅填满系数0.750.85， t工艺确定的糖化时间min， 糖化锅容积 V糖化醪t/60m3， 糖化锅几何尺寸比例关系： H（0.51.0）D h（0.110.25)D 球形底曲率半径r （D2+4h2）/8h 根据锅总容积V圆筒容积底容积，总容已知，再根据几何计算公式确定D及H、h等几何尺寸。 二. 糊化锅 作用：用来加热煮沸辅助原料和部分麦芽醪 液，使其淀粉液化和糊化。冷空气出口蒸汽进口夹套集污槽进粉口 观察窗蝶阀排料口进料口温度计冷凝水糊化锅糊化锅4.糖化锅的计算 计算内容：

22、容积及几何尺寸 容积计算根据糊化锅和糖化锅加料量确定一定生产量需要的有效糖化锅容积，一般填满系数为0.7，可计算出糖化锅总容积，其结构比例D:H2：1，设计为圆筒体平底锅，几何计算公式和一直的总容可计算出几何尺寸。 拔气筒的直径计算：拔气筒的截面积是锅截面积的五十分之一。集污槽 观察窗蝶阀进料口排糟耕刀麦汁导管第四节：培养基热灭菌动力学 好氧发酵对无菌程度要求很高，在工业生产中，如何彻底灭菌，如何减少营养成分的破坏，如何降低灭菌能耗对生产效益影响重大。因此对培养基进行灭菌成为生物工程研究的重要内容之一。 对本节学习通过灭菌动力学方程，掌握灭菌原理，以及灭菌方法，连续灭菌有关设备和设计要点。 灭

23、菌的要求：工业上无菌（灭菌度为1000）,即尽可能的除去杂菌的，同时还要尽可能的减收营养物的损失。 常采用的条件为：121，20-30 min。 本节讲授内容：l培养基热灭菌动力学lK与温度及活化能的关系l间歇灭菌时间计算l连续灭菌 培养基热灭菌动力学 4.1 在生产中用蒸汽加热杀菌最经济，杂菌热死亡视化学反应一级反应，用N表示培养基中的活菌数，灭菌活菌减少速率与N成正比关系。 -反应速率常数（比死亡速率）（s-1,min-1) 与温度、杂菌种类、环境有关，可通过实验求出，对一定微生物，在一定温度、一定环境下， 是常数。 kNdtdNkkk积分：时间0 t；N0 NktNNkdtdNNkNdt

24、dNtNN00ln100NN N0 -培养基灭菌前的活菌数（个） N -培养基灭菌t时间后残存的活菌数（个） N一般设计要求10-3（个） 活菌残存率 对数灭菌度NN0ln 以 为纵坐标，以t为横坐标；在一定温度下对微生物细胞灭菌，可求出比死亡速率常数K，不同温度有不同的K值。0lnNN0NNt斜率KktNN0ln4.2 与温度及活化能的关系 化学反应反应速率常数与活化能及温度有关。热灭菌主要是蛋白质变性，也遵循化学反应规律。阿螺尼乌斯（Arrhenius）方程A-常数（36.2秒-1）； T-绝对温度（k）R-气体常数（1.9874.187J/k.mol）E-细胞孢子（嗜热芽孢杆菌）达到死亡

25、的活化能 （677004.187J/mol）e -2.718kRTEAek 有以上公式可求出在不同温度下的K值。不同微生物达到热死亡的活化能不同，芽孢杆菌孢子高，营养细胞低。 与微生物热死亡活化能相比，营养成分（维生素等）因热遭破坏的活化能低。活化能越高的，随着温度升高的变化，反应速率常数K变化的越大。 对上式两边取对数：RTEAk lnlnkkT1细菌孢子（E/R)维生素（E/R) 活化能高低不同，温度对系数影响不同，活化能高的温度越高对K影响越敏感。 在食品行业，食品的灭菌，发酵工厂培养基的灭菌，都采用高温短时间，意义在于，达到相同灭菌度的情况下，营养破坏的最少。达到同样灭菌程度，不同温度

26、灭菌对营养达到同样灭菌程度，不同温度灭菌对营养成分的破坏率成分的破坏率灭菌温度灭菌时间min营养成分破坏率%10040099.311036671204271300.581450.0824.34.3间歇灭菌时间计算间歇灭菌时间计算 灭菌分间歇和连续，间歇适宜小规模生产。间歇就是在发酵罐内完成的灭菌。它没有专门的灭菌设备，相比设备简单。 间歇灭菌有升温、保温、降温三个过程，在升温和降温过程也有一定的灭菌程度。 令：JbszktNN0lnNNNNNNNN221100NNNNNNNN221100lnlnlnln N0、N1、N2、N分别表示培养基在灭菌升温前、升温结束、保温结束、降温结束后活菌数。 升

27、温和降温，温度变化，K值变化。在这两个阶段要有积分求出；s=k1t1+kt2+k3t3+-kiti Tt(min)tiTTTTTT 1968有一 学者以脂肪芽孢杆菌为对象，假定在升温阶段每分钟升高1，100以上有灭菌效果，他从100 130计算出了加热到温度的sJszbbbkt在100130间加热嗜热脂肪芽孢杆菌孢子的DeL值（假定温度每分钟变化1，在100 下无杀菌作用）T K（min) s100 0.019 -101 0.025 0.044 0.032 0.076103 0.040 0.116115 0.666 3.154116 0.835 3.989117 1.045 5.034118

28、1.307 6.341119 1.633 7.973120 2.037 10.010 2.538 12.549 122 3.160 15.708123 3.929 19.638124 4.881 24.518125 6.065 30.574126 7.506 38.080127 9.293 47.373128 11.494 58.867129 14.200 73.067130 17.524 90.591引自发酵工艺学原理 假若升温不是每分钟升高1，要进行效正； 降温阶段的灭菌度J参照升温阶段灭菌度算。4.44.4连续灭菌连续灭菌 与间歇灭菌相比，有以下优点：1）可以实现高温短时间，提高灭菌质量

29、。2）有利于热能回收，节约能耗。3）有利于自动化控制。举例计算： 某一发酵罐装发酵液35m3，在罐内加热灭菌，测的灭菌前的培养基含杂菌107个/ml，要求灭菌1000罐残留一个活菌。加热灭菌120，由100升高到120需用30分钟，有120冷却到100需用20分钟，求加热到120后所需要的理论灭菌时间。由题意知： N0=35107103=3.51011 （个） N=10-3（个）397.4010105 . 3lnln3110NN即z=40.397查表知，加热到120（20min)，s=10.01实际加热30分钟，实际： z=10.01(30/20)=15.015 J=10.01b= z- s-J=40.39715.01510.01=15.372Ktb= b(min)546. 7037. 2372.15ktbb例二： 培养基连续灭菌，物料17m3/h，