hzau生物工程设备第二章 培养基制备及灭菌设备

第二章培养基制备及灭菌设备培养基的制备包括培养基淀粉质原料的液化、糖化、过滤以及培养基的调配等操作。根据原料、菌种以及产品、生产规模的不同，培养基的制备及灭菌工艺有所不同，设备上也会有些差异。这要根据具体的情况来考虑。第一节培养基的制备采用的原料不同、菌种不同，培养基的制备会有所不同。如：不具备液、糖化能力的菌种采用淀粉质原料时，必须经过液、糖化后才能被利用；而采用糖蜜作为原料时，只需经过稀释、配料即可。同时，根据菌种、原料和后处理的难易，糖化后的糖化液要考虑是否经过过滤处理。一、糖蜜原料的稀释及澄清糖蜜是制糖厂的副产物，是糖的结晶母液，含有约占70%的可发酵性糖，还含有大量的生物素等营养物质。除可作为糖源外，还可作为生物素添加。用糖蜜为原料进行酵母的酒精发酵时，由于糖浓度太高，酵母不能直接利用，需进行稀释、酸化、灭菌和添加营养盐等处理过程。主要采用糖蜜稀释器来进行稀释和添加营养盐的操作。根据产量不同可分别采用间歇式和连续式两种稀释器。（1）间歇式稀释器采用敞口的容器，安装搅拌装置使糖蜜和水能达到均匀的混合。常用的搅拌装置有通风管和搅拌桨叶两种。V=5-20m3H/D=1.1装填系数φ=0.8-0.85主要适用于小规模的生产上。（2）连续式稀释器1、水平式主体为一个圆筒形水平管，略有倾斜，沿管长安装若干隔板和筛板，分成若干个空段，隔板上的孔上下交错布置，用来改变糖液流向，使糖蜜和水很好的混合。沿管长还有许多的管口，用来添加水、营养盐和酒精液体。该设备无须搅拌器，节省动力。2、立式器身为圆筒形，糖蜜和水从下部底进入，经过混合装置，并添加营养盐后从上部顶流出。混合装置有三种形式：a、通用形：筒体部分用若干块具有半圆形缺口的隔板交错配置，即一块缺口在左、另一块缺口在右，迫使液体交错呈湍流运动，促进糖蜜与水的混合；b、胀缩式：在中空的圆筒形器身上有几次直径的突变，水和糖蜜从器底进入后，因几次直径的突然改变而使流速发生改变，促进了糖液的均匀混合。其收缩部分的直径与器身的直径比是1:2-3，收缩段的长度等于器身的直径。c、变管径式：器身由几种不同管径的直管段连接而成，原理同胀缩式。除此之外，还有从上部进料，下部出料的错板式。它是在圆筒形器体内安装交错排列的倾斜挡板，挡板数量10-15块。经过挡板的作用使糖蜜和水得到均匀混合。进行稀释器设计时要注意，立式上流稀释器糖蜜的流速控制在0.035m/s，稀释器内流速控制在0.03-0.05m/s，进水流速控制在1.5m/s。二、淀粉质原料培养基的制备以淀粉质原料生产酒精传统工艺采用蒸煮糖化工艺；生产氨基酸及现代酒精生产采用液化、糖化工艺；乳酸发酵先只液化，而在发酵过程中边糖化、边发酵工艺；柠檬酸发酵采用只进行液化的工艺；此外，淀粉质原料还有酸水解制糖工艺；（一）蒸煮糖化工艺（1）蒸煮的目的第一是要借助于蒸煮的高温高压作用，破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使内容物释放出来，变成可溶性淀粉；第二是借助高温高压作用，把存在于原料中的大量微生物杀死。（2）流程调浆升温维持降温糖化（3）设备目前，在我国多采用连续的罐式蒸煮设备。它具有温度可高可低，节省能耗，设备简单，操作容易，制造方便的优点。1、调浆罐是一个带搅拌系统的立式罐，下部是椭圆形或锥形封底，上部是平顶或敞口，通过工字钢来支撑搅拌系统。H/D=1。2、蒸煮罐由长圆筒和球形或碟形封头焊接而成。浆料从底部进入，蒸汽从下封头偏上处进入后，往下喷出，将料迅速加热，保压0.3-0.35MPa（表压）。罐顶装有安全阀和压力表，出口管伸入罐内300-400mm。罐的焊接采用双面焊，蒸汽管的入口处安装单向阀，以防止蒸汽管路压力降低时罐内醪液倒流。罐外有良好的保温层，防止热量的散失。3、蒸汽喷射泵浆料的加热装置，可代替蒸煮罐。当物料流过喷射泵时，在喷嘴处产生的真空将外来的蒸汽吸入，对物料进行加热，它属于静态混合器的一种。4、后熟器（维持罐）形状和蒸煮罐一样，但没有蒸汽管。目的是维持蒸煮压力，保证一定的蒸煮时间。其直径不宜太大，以保证物料的先进先出，防止受热不均。5、汽液分离器糊化醪随着流动，压力降低，产生大量的二次蒸汽，由最后一个后熟器排出，故最后一个后熟器又叫做汽液分离器。为了分离二次蒸汽，汽液分离器上部需留有足够的自由空间，一般醪液控制在50%左右的位置。当蒸煮罐和后熟器的体积相同时，每个罐的体积计算如下：V1τ=V2（N–1）+V2φ得到：V2=V1τ／（N+φ–1）V2—每个罐的体积，m3；V1—含蒸汽冷凝水的糊化醪量，m3/h；τ—蒸煮时间，h；N—蒸煮罐和后熟器的数目；φ—汽液分离器的填充系数50%；6、真空冷却器糊化醪需经过真空冷却器冷却到60℃后才能糖化。器身为圆筒锥底，料液切线进入，由于器内处于真空状态，醪液会自蒸发，产生大量的二次蒸汽进入冷凝器与水直接接触而冷凝，不凝性气体由真空泵抽走，形成器内真空。醪液在器内旋转被离心力甩向周边沿壁下流，由锥底排料口排出。真空冷却器应安装于较高的位置。7、糖化设备a、连续糖化罐圆筒外壳、球形或碟形封底的密闭容器。若进料温度过高，则罐内安装冷却管。采用自动控制液面的装置来保证醪液在罐内停留一定的时间；罐内装有1-2组搅拌器，保证酶和醪液均匀混合。V=V′τ／60φV′—糖化醪流量，m3/h；τ—停留时间，min；φ—装填系数，=0.75-0.85；b、真空糖化装置依靠压力差蒸煮醪液由汽液分离器与糖化曲液同时进入蒸发-糖化器，在糖化罐内停留20min，然后进入三级真空冷却的第一室。（二）液化、糖化工艺1、流程调浆升温保温降温糖化过滤2、设备蒸煮和液、糖化工艺非常相似。不同之处在于：a、使用液化酶来代替高温蒸煮；b、液化温度降低很多，液化工艺多种多样；c、糖化主要采用间歇操作，糖化时间28-32小时。糖化锅带加热管、搅拌装置及保温层；d、降温采用螺旋板换热器、薄板换热器或喷淋冷却器；e、一般需要对糖渣进行过滤；（三）酸水解工艺1、流程淀粉在调浆罐内与水混合后加盐酸调pH1.5左右，用耐酸离心泵送到水解锅。水解压力0.25MPa。当用无水酒精检验，无白色浑浊时，水解完成，压至过滤。再通过喷淋冷却器，进到中和罐，用碳酸钠中和至pH4.8-5.0。经活性炭脱色、过滤，最后用氢氧化钠中和至pH6.7-7.0。2、水解锅锅体材料为不锈钢板或内衬1.5-3mm厚不锈钢板的碳钢板制成。锅体为圆筒形，封头均为碟形。粉浆从锅顶进入。蒸汽管从锅顶一直延伸到锅底内部，下端有十字形加热管，并开有小孔。同样，排液管也是直通到底部中心。此外，还有碳钢板内衬耐热耐酸瓷砖、耐酸橡胶、搪瓷和玻璃钢水解锅。第二节培养基的灭菌原料中含有大量的杂菌，在发酵过程中会利用培养基繁殖并产生过多无用的、甚至有毒的代谢物，使发酵不能正常的进行，以及造成原料的浪费和后处理难度增大。灭菌可利用热能、化学药物和电磁波，也可使用机械方法和各种射线、微波来灭菌。我国工厂主要采用蒸汽加热灭菌。（一）培养基热灭菌的动力学微生物受热死亡是指其生活能力的丧失，死灭原因是细胞内的反应，是因蛋白质高分子的不活性化，结果导致蛋白质变性。1、理论灭菌时间微生物在一定温度下，受热死亡遵循一级反应方程的规律：-dN／dτ=kNN—活菌个数；τ—受热时间；k—反应速度常数；在恒定温度下，将上式积分得到：τ=2.303lg通常高温灭菌15-30s，再根据生产的类型维持8-25min。通常Ns=10-3个/罐，即杂菌污染降低到每1000罐只残留一个活菌。1kN0Ns2、1/10衰减时间当有90%的活菌被杀死，即NS/N0=0.1时，τ=2.303lg10=2.303/k这个时间就是1/10衰减时间，记作τ0.9。由此得到：k=2.303/τ0.9k是判断微生物受热死亡难易程度的基本依据。k值越小，τ值越大，灭菌时间越长。通常湿热灭菌的程度要以杀死细菌芽孢为准。1k3、灭菌温度t与k值的关系灭菌温度t与k值的关系可用一级反应的公式——阿累尼乌斯方程表示：当E为常数时积分得到：k=Ae带入灭菌时间公式中得到：τ=elndlnkdT=ERT21AERTN0Ns-ERT4、活化能由公式k=Ae导出：lnk=lnAe得：lnk=lnA–E/RT由上式可知，若能求得k的对数与1/T的关系图，就可由直线求出E值。化学反应动力学又指出，在活化能大的反应中，反应速度随温度变化也大。-ERT-ERT培养基中各物质活化能比较：细菌孢子：4.187×（50-100）kJ/mol；营养成分：4.187×（2-26）kJ/mol；葡萄糖：4.187×24kJ/mol从以上数值看出：细菌孢子的活化能最大，它随温度的变化也最大。根据以上理论：采用湿热法对液体培养基进行灭菌时，应采用高温短时间的灭菌方法，以减小营养成分的破坏。（二）灭菌的操作（1）灭菌的程序升温保温降温（2）分类对于中小型工厂，培养基灭菌可采用间歇灭菌即实消——培养基加入发酵罐中后，再连同发酵罐一起灭菌。对于大型工厂，采用连续灭菌（连消）——培养基经过连消设备后，再进入已灭菌的发酵罐。（3）连消1、连消优点：a、提高产量，设备利用率高；b、培养基受热时间短，营养成分破坏较少；c、产品质量较易控制，操作方便；d、蒸汽负荷均匀；e、降低了劳动强度，适用于自动控制；2、流程物料在配料罐中调配好后，通过泵打到加热设备（连消塔、蒸汽喷射泵）加热到120℃-130℃，在维持罐中维持8-25min，经冷却装置（螺旋板换热器、薄板换热器、喷淋冷却器）冷却到发酵温度。(三)、灭菌设备a、连消塔直接加热的有套管式、混合式、连消器三种。此外，还有间接加热的。b、维持罐长圆筒形容器，H/D=2-4，罐的有效体积应能满足培养基在罐内停留8-25min，装填系数为85%-90%。c、连消管迂回转折的一段管路，外包保温层。其直径由培养基的体积流量和流速求得，管长由连消维持时间和流速求得。流速控制在0.1-0.3m/s之间，维持时间控制在130℃4min左右。d、螺旋板换热器由两张钢板叠放、卷制后，再焊接而成。适用于液-液、气-气、气-液的对流换热。工厂中可用于含颗粒介质的换热。特点：介质不断的改变流向，因而传热效率高，为列管式的3倍左右；两种传热介质可进行全逆流交换，能回收低温热能；结构紧凑，体积小，热损失少；具有较长的均匀通道，介质可均匀换热，出口温度能准确控制；介质走单通道，不混合，允许流速高，具有自清洗作用。e、薄板换热器薄板换热器多用于清液的过滤。传热系数比螺旋板换热器要大一些。将薄板压成特殊形状（弯弯曲曲的通道），板与板的间隙很小。当流体以较低的流速进入时，在狭窄弯曲的通道中仍能处于湍流状态，使传热系数提高很多。传热板波纹的形状很多，有人字形、半球形、水平平直波纹，波纹的差异对传热系数的提高有着决定性的作用。换热板悬挂在上下轴上，两端用固定板固定，并通过压紧螺杆压紧。波纹板四周有橡胶垫圈以保证密封。两板之间的间隙形成液体换热的通道，板上的角孔形成管道。根据工艺的需要，安放若干带有盲板的薄板，以改变流体的流动方向，达到薄板流程并联、串联、混联的组合。优点：1、阻力小，传热系数高；2、结构紧凑，占地少；3、卫生条件好，设备的适应性和灵活性大；4、传热面积可调，加热、冷却、杀菌、热回收等过程均可同时在一个设备中进行；缺点：密封周边长，易泄漏。