生物细胞培养基制备过程与设备概论(PPT-80张)

章生物细胞培养基制备过程与设备1、液体培养基的灭菌2、淀粉质原料的蒸煮与糖化3、纤维素和半纤维素的水解4、糖蜜原料的稀释与澄清5、啤酒生产中麦芽汁的制备设备6、固体培养基制备灭菌是利用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中生物体的过程。第一节液体培养基的灭菌将培养基配制在发酵罐里，用蒸汽直接加热，以达到预定灭菌温度并保温维持一段时间，然后冷却到发酵温度。培养基湿罐灭菌培养基分批灭菌培养基连续灭菌把发酵罐先灭菌好，将培养基在发酵罐外采用高效设备连续不断地进行加热，保温灭菌和冷却，然后连续进入已灭菌好的发酵罐里。常用的灭菌方法化学灭菌采用化学试剂进行灭菌干热灭菌用160℃，保温1-2h射线灭菌用紫外线、高能量的电磁波或粒子辐射进行灭菌湿热灭菌用高压蒸汽对物料或设备容器灭菌过滤灭菌用微孔0.22滤膜过滤截留微生物灭菌方法二、常用的连续灭菌流程1.连消塔-喷淋冷却连续灭菌流程配好的培养基用泵打入连消塔与蒸汽直接混合，达到灭菌温度后进入维持罐，维持一定时间后经喷淋冷却器冷却至一定温度后进入发酵罐。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12345672.喷射加热-真空冷却流程培养基用泵打入喷射加热器，以较高速度自喷嘴喷出，借高速流体的抽吸作用与蒸汽混合后进入管道维持器，经一定维持时间后通过一膨胀阀进入真空闪急蒸发室，因真空作用使水分急骤蒸发而冷却到70-80℃左右，再进入发酵罐冷却到接种温度。图2-5加热-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3.板式换热器灭菌流程采用了薄板换热器作为培养液的加热和冷却器，培养液在设备中同时完成预热、灭菌及冷却过程，蒸汽加热段使培养液的温度升高，经维持段保温一段时间，然后在薄板换热器的另一段冷却，从而使培养基的预热、加热灭菌及冷却过程可在同一设备内完成。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分批灭菌过程与设备全过程包括升温、保温、降温三个过程。图2-11实罐灭菌设备示意图冷凝水冷却水进口排料管进汽取样管进汽进汽冷却水出口排气排气排气排气消沫剂管出气口接种管进料口进汽进气管第二节淀粉质原料的蒸煮与糖化淀粉糖化的目的，是通过糖化酶将淀粉、糊精进行水解。糖化的作用也就是把溶解状态的淀粉、糊精转化为能够被生物细胞利用的可发酵性物质（当然也有不发酵性物质生成，这主要是由于转移葡萄糖苷酶等的作用），降低醪液的粘度，有利于酵母的发酵和酵液的输送。一、连续蒸煮糖化二、间歇蒸煮糖化一、连续蒸煮糖化连续蒸煮糖化工艺料液连续流动，在不同的设备中完成加料、蒸煮、糖化、冷却等不同工艺操作，整个过程连续化。96213578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（一）蒸煮糖化设备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321546879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-压力表6-二次蒸汽进口7-人孔8-安全线9-液位指示器8756493412糊化醪2．柱式连续蒸煮设备特点是高温快速蒸煮，预热后的粉浆经泵送入加热器，被高压蒸汽从相对方向喷射进行瞬间高温蒸煮，然后流入缓冲器，再均匀地流入后面几根柱子内，在一定温度下继续蒸煮。第一根柱子内装有锐孔，第二根柱子内装有挡板，料液经过锐孔和挡板缺口时，流速增快，压力发生骤变，原料细胞膜突然膨胀而部分破裂，细胞内容物流出，得到充分蒸煮。但柱子容积不大，料液在里面维持的时间不长，为使原料的淀粉糊化，一般在柱子后面再连接1~2个后熟器，使料液在一定温度下继续维持一定时间，保证淀粉糊化比较彻底。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1245555566图2-16加热器粉浆粉浆蒸汽蒸汽（1）加热器加热器是利用高压蒸汽加热粉浆，使汽液相对喷射，紧密接触，能在短时间内达到较高的温度。高压蒸汽从内、外层管进入，穿过小孔向粉浆液流两旁喷射，由于高压蒸汽从侧喷射，接触均匀，加热比较全面，故能在很短时间就达到蒸煮温度145℃-150℃。3．管式连续蒸煮管式连续蒸煮是通过加热器和管道来完成的，物料先通过加热器在较高的温度和压力下，使物料和蒸汽在短时间内就充分混合，完成热交换，然后混合的高温物料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。主要特点是高温快速，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2010图2-17管式连续蒸煮设备流程图1817161911761512131412895431-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4．真空冷却器真空冷却指的是醪液在一定的真空度下（即醪液进入负压状态）醪液本身产生大量蒸气（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。123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-喷射器真空冷却器器身为圆筒锥底，醪液由切线方向进入，顶中心有二次蒸汽排出口，连接膜式塔，用冷水在膜式塔中冷凝二次蒸汽，不凝性气体经真空泵或蒸汽喷射器抽走，造成器内真空。5．糖化罐（1）连续糖化罐连续糖化罐的作用是连续地把糊化醪与水稀释，并与液体曲或麸曲乳或糖化酶（酶制剂）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。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124835676图2-20真空糖化装置142389Aabcdefga汽液分离器（最后个后热器）b-糖化曲液计量罐c-真空糖化罐d-冷凝器e-三级真空冷却器f-三级冷凝器g-糖化醪泵1，2，8-阀3，4，6，7，9-控制阀及管5-测温管二、间歇蒸煮糖化间歇糖化法在整个糖化过程中主要有前冷却、糖化、后冷却以及将糖醪送入发酵罐等操作，间歇糖化的生产操作是在一个具有搅拌和冷却装置的糖化锅内完成的。间歇糖化法的工艺流程：蒸煮醪→糖化锅＋加水＋冷却（120℃至60℃）＋加酸十加曲十糖化十冷却（60至30℃）→发酵罐（或酒母罐）45738图2-21锥形蒸煮锅1-加料口2-排汽阀3-锅耳4-取样器5-加热蒸汽管6-排醪管7-衬套8-压力表216第三节纤维素和半纤维素的水解可以利用的生物质资源很多，包括各种农业残余物、林业残余物、专门栽培的作物以及各种废弃物。这些木质纤维材料完全可望将它们降解转化为糖类，并生物加工成有用的物质，如生物能源等。一、蒸汽爆裂法二、稀酸预处理法三、酸酶水解法一、蒸汽爆裂法向装有植物纤维物质的压力罐通入高压蒸汽，使罐温度达到200-240℃左右，原料中的半纤维素会迅速分解释放出有机酸，发生自水解作用而可溶化。细胞间的木质素熔化，并发生部分降解，变得易为热水、有机溶剂或稀碱抽提。加上突然减压爆碎的机械分离作用，使植物细胞间质或细胞壁变疏松，细胞游离，纤维素的可酶解性明显增强。蒸汽爆碎技术的成败在于精确控制处理强度（蒸汽温度和处理时间）和处理的均匀度。控制不当，半纤维素等未充分降解或降解产生的单糖被进一步降解破坏，得糖率往往会低于理论值的65%。二、稀酸预处理法优点：稀酸处理既对纤维物料进行预处理，又可以得到半纤维素水解的糖液。缺点：糖的得率较低，能量消耗较大（因为要在高温高压下进行）和仍需要耐酸材料（比浓酸要好些）。过程：第一阶段在较温和的条件下（100℃）左右进行，使半纤维素分解，所得半纤维素水解液可用来生产SCP或酒精等产品。剩下的物料进入第二阶段水解，即在较强烈的条件下进行纤维素分解。1.影响酸水解的因素原料的种类和粉碎度原料和酸的接触面越大，水解效果越理想。酸的种类和用量盐酸催化能力较强，但价格较高，腐蚀性也强。所以工业生产上往往使用粗硫酸作为水解用酸。液比系数水解时液体和纤维素原料的比例叫液比系数。水解时间和温度温度越高，纤维素酸水解的速度越快。但是已生成的单糖的分解速度也越快。2.稀酸水解的几种常用方法纤维原料稀酸水解稀酸加压水解稀酸常压水解分段水解法固定水解法渗滤水解法3.稀酸水解生产流程和设备三、酸酶水解法蔗渣预处理爆破膨化（或碱煮）酶解反应器内切木聚糖酶低聚木糖液清净真空浓缩低聚木糖浆酶解渣多级串联水解六碳糖液连续发酵酒精水解残渣（燃料、肥料或填料）粗馏精馏脱水无水酒精酸两段水解的第一段为半纤维素水解，方法有化学或微生物或物理方法。第一段制低聚木糖方法是：蔗髓（即蔗渣糠）等半纤维素降解有采用热水蒸煮、酸水解、微波降解和酶解等方法。采用蒸汽膨胀爆破方法方法是将蔗髓裂解后用热水或稀酸浸泡获木聚糖液，然后加入能分泌内切木聚糖酶的微生物培养液将木聚糖降解为木二糖和木三糖。热压器沸腾器控制点水份控制器冲子同轴喷射器喷射器进料处收料器排阀器图2-27蔗渣蒸汽裂解膨化流程示意图提取木聚糖后的酶解渣用化学法进行第二段水解，目的使纤维素降解成葡萄糖。方法是将酶解渣加酸放入立式蒸煮锅中，在6～8公斤压力下蒸煮，硫酸用量是干渣（酶解渣干固物）的3～5%，因此液比约1∶5，蒸煮水解时间50～60分钟，水解液得糖率是纤维素应得糖的40%左右。第四节糖蜜原料的稀释与澄清糖蜜是一种非结晶糖分，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酒精、甘油、丙酮丁醇、柠檬酸、谷氨酸、食用酵母及液态饲料等的良好原料。由于原糖蜜的浓度一般都在80°Bx以上，胶体物质与灰分多，产酸细菌多，所以糖蜜酒精发酵前需进行稀释、酸化、灭菌、澄清等处理过程。一、糖蜜稀释器二、糖蜜原料的澄清一、糖蜜稀释器1.水平式糖蜜连续稀释器为圆筒形水平管子沿管长装置若干隔板和筛板，分成若干部分。为了使糖蜜与水很好地混合，隔板上的孔上下交错地配置，以改变糖液流动形式。隔板上的孔径要保证液体在稀释器内湍流流动。隔板固定在两根水平杆上，能与杆一起装卸，以便清理，并可以从管子中取出来。为使糖蜜容易流出，稀释器安装时，通常出口的一端向下倾斜。这种稀释器的混合效果较好，没有搅拌器，节省动力。该器装有供应热水、营养盐类、冷水和酒精液体的连接管。图2-29水平式糖蜜连续稀释器糖密入口热水营养盐类酒精液体冷水糖蜜出口432143214-4切面3-3切面2-2切面1-1切面2.立式糖蜜连续稀释器圆筒形器身。上、下封头为锥形。该器的下部有两个连接管：一个进糖蜜，另一个进热水，流过最下边的一个中心有圆形孔的隔板后又进入冷水与糖液混合。里面有7-8块具有圆形缺口的隔板交错配置，即一个半圆形缺口在左，一个圆形缺口在右，这样液体呈逆流运动，使糖蜜和水更好地混合。图2-30立式糖蜜连续稀释器1-隔板2-固定杆糖蜜出口AA12糖蜜冷水热水A-A3.错板式连续稀释器是在一般的圆形管内装上交错排列的挡板，挡板倾斜安装以减少流动阻力，挡板的数目一般为10-15块。糖蜜和水从稀释器的上部自上而下以并流方向流动，经过器内各挡板的作用，糖液反复改变流向，使糖蜜和水得到均匀的混合。4.胀缩式糖蜜连续稀释器为一个中间突然收缩的中空圆筒。水和糖蜜从器身底端进入，糖液在器内因器径的几次改变使流速随着发生多次的改变，促进了糖液的均匀混合，最后从顶部获得符合工艺需要的糖液。5.变管径式连续稀释器是用几种不同管径的直管段连接而成。作用原