生物工程设备1教材课件

第一篇生物质原料处理设备第二章第二章 生物细胞培养基生物细胞培养基制备设备制备设备生物工程设备生物工程设备内容内容l第一第一节 液体培养基的液体培养基的灭菌菌l第二第二节 淀粉淀粉质原料的蒸煮与糖化原料的蒸煮与糖化l第三第三节 纤维素和半素和半纤维素的水解素的水解l第四第四节 糖蜜原料的稀糖蜜原料的稀释与澄清与澄清l第五第五节 啤酒生啤酒生产中麦芽汁的制中麦芽汁的制备设备l第六第六节 固体培养基制固体培养基制备生物工程设备生物工程设备第一节 液体培养基的灭菌概述概述连续灭菌流程与菌流程与设备分批分批灭菌菌过程与程与设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备概述l现代生物技代生物技术工工业涉及的生物培养往往是涉及的生物培养往往是纯种培养，种培养，需需对培养基等培养基等进行行灭菌。菌。l染菌的危害：染菌的危害：l生生产菌和菌和杂菌同菌同时生生长，生，生产菌菌丧失生失生产能力；能力；l在在连续发酵酵过程中，程中，杂菌的生菌的生长速度有速度有时会比生会比生产菌生菌生长得更快，得更快，结果使果使发酵罐中以酵罐中以杂菌菌为主；主；l杂菌及其菌及其产生的物生的物质，使提取精制，使提取精制发生困生困难l杂菌会降解目的菌会降解目的产物；物；l杂菌会菌会污染最染最终产品，品，杂菌会菌会污染最染最终产品；品；l发酵酵时如如污染噬菌体，可使生染噬菌体，可使生产菌菌发生溶菌生溶菌现象。象。生物工程设备生物工程设备灭菌的定义l定定义：是指从培养基中是指从培养基中杀灭有生活能力有生活能力的的细菌菌营养体及其养体及其孢子，或从中将其除子，或从中将其除去。工去。工业规模的液体培养基模的液体培养基灭菌主要是菌主要是杀灭杂菌。菌。生物工程设备生物工程设备生物工程工业上防止杂菌污染的措施 1）使用的培养基和）使用的培养基和设备须经灭菌；菌；2）好氧培养中使用的空气）好氧培养中使用的空气应经除菌除菌处理；理；3）设备应严密，生物反密，生物反应器器维持正持正压环境；境；4）培养）培养过程中加入的物料程中加入的物料应经过灭菌；菌；5）使用无）使用无污染的染的纯粹种子。粹种子。生物工程设备生物工程设备灭菌的方法l化学法化学法化学化学药品品灭菌法：甲菌法：甲醛、苯酚等、苯酚等l物理法物理法干干热灭菌法菌法湿湿热灭菌法（生物工程工菌法（生物工程工业常用方法）常用方法）射射线灭菌法菌法生物工程设备生物工程设备1.湿热灭菌原理和影响灭菌的因素 湿热灭菌的原理：主要是因高温使微生物体内的一些重要蛋白质，如酶等，发生凝固、变性，从而导致微生物无法生存而死亡。生物工程设备生物工程设备湿湿热灭菌的菌的优点点l蒸汽来源容易，操作蒸汽来源容易，操作费用低，本身无毒；用低，本身无毒；l蒸汽有蒸汽有强的穿透力，的穿透力，灭菌易于菌易于彻底；底；l蒸汽有很大的潜蒸汽有很大的潜热；l操作方便，易管理。操作方便，易管理。生物工程设备生物工程设备 在在灭菌菌过程中，培养基程中，培养基组分的破坏是分的破坏是由两个基本由两个基本类型的反型的反应引起的：引起的：培养基中不同培养基中不同营养成分养成分间的相互作用；的相互作用；对热不不稳定的定的组分如氨基酸和分如氨基酸和维生素等生素等的分解。的分解。高温瞬时灭菌高温瞬时灭菌生物工程设备生物工程设备2.连续灭菌流程连续灭菌菌优点：点：（1 1）提高）提高产量；量；（2 2）产品品质量量较易控制；易控制；（3 3）蒸汽）蒸汽负荷均衡，荷均衡，锅炉利用率高，操作方便；炉利用率高，操作方便；（4 4）适宜采用自）适宜采用自动控制；控制；（5 5）降低）降低劳动强度。度。实际操作：操作：高高温温灭菌菌时间约为1530s，然然后后根根据据发酵酵类型不同在型不同在维持罐持罐维持持825min。生物工程设备生物工程设备连续灭菌流程 在培养基输送至发在培养基输送至发酵罐的同时进行加酵罐的同时进行加热、保温和冷却而热、保温和冷却而进行的灭菌。进行的灭菌。生物工程设备生物工程设备（1 1）连消塔）连消塔-喷淋冷却连续灭喷淋冷却连续灭菌流程菌流程（1 1）配配料料预热罐罐，将将配配好好的的料料液液预热到到60607070，以以避避免免灭菌菌时由由于于料料液液与与蒸蒸汽汽温温度度相相差差过大大而而产生水汽撞生水汽撞击声；声；（2 2）连消消塔塔，是是使使高高温温蒸蒸汽汽与与料料液液迅迅速速接接触触混混合合，并并使使料料液液的的温温度度很很快快升升高高到到灭菌菌温温度度（126126132132）；）；（3 3）维持罐持罐，维持料液温度，延持料液温度，延长灭菌菌时间（4 4）冷冷却却管管，生生产上上一一般般采采用用冷冷水水喷淋淋冷冷却却，冷冷却却到到40405050后后，输送送到到预先先已已经灭菌菌过的的罐内。罐内。生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备（2 2）喷射加热）喷射加热-真空冷却流程真空冷却流程l喷射加射加热器以器以较高速度自高速度自喷嘴嘴喷出，借高速流出，借高速流体的抽吸作用与蒸汽混合体的抽吸作用与蒸汽混合l管道管道维持器：持器：维持持灭菌菌时间l真空真空闪急蒸急蒸发室：由膨室：由膨胀阀进入，因真空作用入，因真空作用使水分急使水分急骤蒸蒸发而冷却到而冷却到7080左右，再左右，再进入入发酵罐冷却到接种温度。酵罐冷却到接种温度。生物工程设备生物工程设备优点：加点：加热和冷却在瞬和冷却在瞬间完成，完成，营养成分破坏养成分破坏最少，可以采用高温最少，可以采用高温灭菌，把温度升高到菌，把温度升高到140而不致引起培养基而不致引起培养基营养成分的养成分的严重破重破坏。坏。设计得合适的管道得合适的管道维持器能保持器能保证物料先物料先进先出，避免先出，避免过热。缺点：受缺点：受压力影响，力影响，出料出料泵 生物工程设备生物工程设备 （2 2）喷射加热）喷射加热-真空冷却流程真空冷却流程生物工程设备生物工程设备（3）板式换热器灭菌流程）板式换热器灭菌流程l采用薄板采用薄板换热器作器作为培养液的加培养液的加热和冷却器，和冷却器，培养液在培养液在设备中同中同时完成完成预热、灭菌及冷却菌及冷却过程，蒸汽加程，蒸汽加热段使培养液的温度升高，段使培养液的温度升高，经维持持段保温一段段保温一段时间，然后在薄板，然后在薄板换热器的另一段器的另一段冷却，从而使培养基的冷却，从而使培养基的预热、加、加热灭菌及冷却菌及冷却过程可在同一程可在同一设备内完成。内完成。生物工程设备生物工程设备l优点：点：灭菌的温度菌的温度较高，高，灭菌菌时间较短，培养短，培养基的基的营养成分受破坏的程度养成分受破坏的程度较低，从而保低，从而保证了了培养基的培养基的质量；量；设备的利用率高；的利用率高；l缺点：缺点：过程所需的程所需的设备较多，操作多，操作较为麻麻烦，染菌机会也相染菌机会也相应较多多 生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备设备构造和构造和计算算（1 1）连消塔消塔 是培养液高温短是培养液高温短时间连续灭菌菌设备，它，它与与维持罐持罐组成成连续灭菌系菌系统，分套管式和汽液混合式，分套管式和汽液混合式两两类。生物工程设备生物工程设备连消塔l在在 2030s或或 更更 短短 的的 时 间 内内 将将 料料 液液 加加 热 至至130140。生生产中中一一般般用用0.50.8Mpa的的活活蒸蒸汽与汽与预热后的料液直接接触而加后的料液直接接触而加热。l套套管管式式连消消塔塔用用:内内外外两两根根管管子子套套合合组成成内内管管开开有有45向向下下倾斜斜的的小小孔孔，孔孔径径6mm。孔孔距距应从上到下减少，使蒸汽从上到下减少，使蒸汽较为均匀。均匀。l培培养养基基由由塔塔底底进入入，与与小小孔孔中中喷出出的的蒸蒸汽汽连续混混合合后后在在塔塔上上部部流流出出。培培养养基基在在塔塔内内停停留留时间一般取一般取2030s；线速度要求速度要求0.1m/s。生物工程设备生物工程设备培养基流速、塔高l培养基流培养基流动速度速度w-培养液流速，培养液流速，m/s；G-培养液流量，培养液流量，m3/h，D-外管直径，外管直径，m；d-内管直径，内管直径，m；l塔高塔高 H-连消塔高，消塔高，m；-灭菌菌时间，s。生物工程设备生物工程设备内管蒸汽喷孔总面积和孔数l根据蒸汽消耗量（根据蒸汽消耗量（m3/h）等于从小孔）等于从小孔喷出的蒸出的蒸汽量（汽量（m3/h）得）得 lF-蒸汽蒸汽喷孔的孔的总面面积，m m2 2；lw-蒸汽蒸汽喷孔的速度，孔的速度，m/sm/s，通常采用通常采用252540m/s40m/slV-加加热蒸汽消耗量，蒸汽消耗量，m m3 3/h/h。l加加热蒸汽蒸汽喷孔数孔数n n：ln-n-喷孔数，个；孔数，个；d d1 1-喷孔直径，孔直径，m。生物工程设备生物工程设备（2）维持罐灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，也称保温设备。的，也称保温设备。体积计算：体积计算：V-维持罐容积，维持罐容积，m3；v-料液体积流量，料液体积流量，m3/h；-维持时间，维持时间，8 825min25min；充满系数充满系数生物工程设备生物工程设备（3 3）喷射加热器）喷射加热器 可使料液和蒸汽迅速接触，充分混合，加可使料液和蒸汽迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。热是在瞬时内完成的。生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备（4 4）冷却设备）冷却设备常用常用喷淋冷却器和套管冷却器。淋冷却器和套管冷却器。前者是将冷却水通前者是将冷却水通过喷淋装置均匀的淋在水淋装置均匀的淋在水平的排管上，以冷却管内的培养基。平的排管上，以冷却管内的培养基。后者是一种内管走后者是一种内管走热培养基，内外管培养基，内外管间的管的管隙中走冷却水的冷却器。隙中走冷却水的冷却器。耗耗钢多，漏洞多，漏洞难以以发现，会造成，会造成污染染 热利用利用较合理合理生物工程设备生物工程设备分批分批灭菌的菌的设计l在在发酵罐中酵罐中进行行实罐罐灭菌，菌，是典型的分批是典型的分批灭菌。全菌。全过程程包括升温、保包括升温、保温、降温三个温、降温三个过程程3.分批灭菌流程分批灭菌流程生物工程设备生物工程设备孢子热死亡的规律符合生物工程设备生物工程设备分批灭菌的灭菌常数l通常以耐通常以耐热芽芽孢杆菌杆菌为对象，象，为灭菌温菌温度的度的单一函数，一函数，计算如下式算如下式:lgk=-14845/T+36.127生物工程设备生物工程设备计算举例某某发酵罐内装培养基酵罐内装培养基40m3,在在121下下进行分批行分批灭菌，菌，设每毫升培养基中每毫升培养基中含耐含耐热的芽的芽孢为107个，求理个，求理论灭菌菌时间？（分批？（分批灭菌的菌的灭菌常数菌常数 lgk=-14845/T+36.127）生物工程设备生物工程设备解：解：N0=40106107=41014 N=0.001 lgk=-14845/T+36.127 =-14845/(273+121)+36.127 =-1.55 k=0.0281 s-1 =1/k lnN0/N=1/0.0281 ln41014/0.001 =1442.6 s =24 min 生物工程设备生物工程设备分批灭菌操作要点设备严密度密度温度与气温度与气压是否是否对应。培培养养基基及及发酵酵设备的的灭菌菌包包括括分分批批灭菌菌（也也称称实罐罐灭菌菌或或实消消）、空空罐罐灭菌菌（空消）、（空消）、过滤器及管道器及管道灭菌等。菌等。生物工程设备生物工程设备保保证间歇歇灭菌成功的菌成功的要素要素内部内部结构合理构合理(主要是主要是无死角无死角)，焊缝及及轴封装置可靠，蛇管无封装置可靠，蛇管无穿孔穿孔现象象压力力稳定的蒸汽定的蒸汽合理的操作方法。合理的操作方法。发酵罐的接管图生物工程设备生物工程设备l总蒸蒸汽汽管管道道压力力要要求求不不低低于于0.30.3-0.35Mpa-0.35Mpa，使使用用压力不低于力不低于0.20.2MpaMpa。l空空消消：一一般般维持持罐罐压0.150.2Mpa，罐罐 温温125130，保保 持持3045min；生物工程设备生物工程设备灭菌流程l与罐相与罐相连的分空气的分空气过滤器用蒸汽器用蒸汽灭菌并用空气菌并用空气吹干。吹干。l将将输料管路内的料管路内的污水放掉冲水放掉冲净，培养基，培养基泵送至送至发酵罐（种子罐或料罐）内，同酵罐（种子罐或料罐）内，同时开开动搅拌器拌器进行行灭菌。菌。l灭菌前先将各排气菌前先将各排气阀打开，将蒸汽引入打开，将蒸汽引入夹套或套或蛇管蛇管进行行预热，待罐温升至，待罐温升至8090，将排气，将排气阀逐逐渐关小。关小。生物工程设备生物工程设备l将蒸汽从将蒸汽从进气口、排料口、取气口、排料口、取样口直接口直接通入罐中，使罐温上升到通入罐中，使罐温上升到118120，罐，罐压维持在持在0.090.1Mpa（表表压），并保持），并保持30min左右。左右。l各路各路进气要气要畅通，防止短路逆流，罐内通，防止短路逆流，罐内液体翻液体翻动要激烈；各路排汽也要要激烈；各路排汽也要畅通，通，但排汽量不宜但排汽量不宜过大，以大，以节约用气量。用气量。生物工程设备生物工程设备l保温保温阶段，凡段，凡进口在培养基液面以下的口在培养基液面以下的各管道及冲各管道及冲视镜管都管都应进汽；凡开口在汽；凡开口在液面之上者均液面之上者均应排汽。管路在排汽。管路在实消消时均均应遵循遵循“不不进则出出”的原的原则。l保温保温结束后，依次关束后，依次关闭各排汽、各排汽、进汽汽阀门，待罐内，待罐内压力低于空气力低于空气压力后，向罐力后，向罐内通入无菌空气，在内通入无菌空气，在夹套或蛇管中通冷套或蛇管中通冷却水降温却水降温生物工程设备生物工程设备培养基分批灭菌过程中应注意的问题l温度和温度和压力的关系力的关系l泡沫泡沫问题l投料投料过程中，麸皮和豆程中，麸皮和豆饼粉等固形粉等固形物在罐壁上残留的物在罐壁上残留的问题l灭菌菌结束后束后应立即引入无菌空气保立即引入无菌空气保压生物工程设备生物工程设备连续灭菌与间歇灭菌的比较1，连续灭菌的优缺点，连续灭菌的优缺点l优点点保留保留较多的多的营养养质量量容易放大容易放大较易自易自动控制；控制；糖受蒸汽的影响糖受蒸汽的影响较少；少；缩短短灭菌周期；菌周期；在某些情况下，可使在某些情况下，可使发酵罐的腐酵罐的腐蚀减少；减少；发酵罐利用率高；酵罐利用率高；蒸汽蒸汽负荷均匀。荷均匀。l缺点：缺点：设备比比较复复杂，投，投资较大。大。生物工程设备生物工程设备2，分批灭菌的优缺点，分批灭菌的优缺点l优点点设备投投资较少少染菌的危染菌的危险性性较小小人工操作人工操作较方便方便对培养基中固体物培养基中固体物质含量含量较多多时更更为适宜适宜l缺点缺点灭菌菌过程中蒸汽用量程中蒸汽用量变化大，造成化大，造成锅炉炉负荷荷波波动大，一般只限于中小型大，一般只限于中小型发酵装置。酵装置。生物工程设备生物工程设备发酵罐的灭菌l培养基的培养基的灭菌如果是采用菌如果是采用连续灭菌法。菌法。则发酵罐酵罐应在加入在加入灭菌的培养基前先行菌的培养基前先行单独独灭菌。通常是用蒸汽加菌。通常是用蒸汽加热发酵罐的酵罐的夹套或套或设管并从空气分布管中通入蒸汽，充管并从空气分布管中通入蒸汽，充满整整个容器后，再从排气管中个容器后，再从排气管中缓缓排出。容器排出。容器内的蒸汽内的蒸汽压力保持力保持1公斤，公斤，20分分钟。在保。在保温温结束后，关束后，关键是随即通入无菌空气，使是随即通入无菌空气，使容器保持正容器保持正压，防止形成真空而吸入，防止形成真空而吸入带菌菌的空气。的空气。生物工程设备生物工程设备补料液的灭菌l在在发酵酵过程中，往往要向程中，往往要向发酵罐中酵罐中补入各种不入各种不同的料液。同的料液。这些料液都必需些料液都必需经过灭菌。菌。l灭菌的方法菌的方法则视料液的性料液的性质、体、体积和和补料速率料速率而定。而定。l如果如果补料量料量较大，而具有大，而具有连续性性时，则采用采用连续灭菌菌较为合适。合适。l也有利用也有利用过滤法法对另另补料液料液进行除菌。行除菌。l补料液的分批料液的分批灭菌，通常是向盛有物料的容器菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽。中直接通入蒸汽。l所有的附属所有的附属设备和管道都要和管道都要经过灭菌。菌。生物工程设备生物工程设备 蒸煮目的：使植物组织和细胞膜彻底破裂，淀粉成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。料中的一些不良成分及气味。糖化：糖化酶将淀粉、糊精进行水解化为能够被生物糖化酶将淀粉、糊精进行水解化为能够被生物细胞利用的可发酵性物质，降低醪液的粘度细胞利用的可发酵性物质，降低醪液的粘度 第二节第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化淀粉质原料的蒸煮与糖化生物工程设备生物工程设备 连续糖化和间歇糖化连续糖化和间歇糖化：连续流动，在不：连续流动，在不同的设备中完成加料、蒸煮、糖化、冷同的设备中完成加料、蒸煮、糖化、冷却等不同工艺操作，整个过程连续化却等不同工艺操作，整个过程连续化 连续蒸煮糖化设备有连续蒸煮糖化设备有罐式、管式和罐式、管式和柱式柱式三种形式。罐式连续蒸煮糖化，蒸三种形式。罐式连续蒸煮糖化，蒸煮温度较低，可节省煤耗，操作容易控煮温度较低，可节省煤耗，操作容易控制，设备结构简单，制造方便制，设备结构简单，制造方便 生物工程设备生物工程设备1 1、连续蒸煮糖化及其设备、连续蒸煮糖化及其设备蒸煮蒸煮糖化糖化生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备（1 1）罐式蒸煮设备）罐式蒸煮设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备（2 2）柱式连续蒸煮设备）柱式连续蒸煮设备生物工程设备生物工程设备（3 3）管式连续蒸煮）管式连续蒸煮1-1-输送机输送机 2-2-斗式提升机斗式提升机 3-3-贮料斗贮料斗 4-4-锤式粉碎机锤式粉碎机 5-5-螺旋输送机螺旋输送机 6-6-粉浆罐粉浆罐 7-7-泵泵 8-8-预热锅预热锅 9-9-进料控制阀进料控制阀 10-10-过滤器过滤器 11-11-泥浆泵泥浆泵 12-12-单向阀单向阀 13-13-三套管加热器三套管加热器 14-14-蒸煮管道蒸煮管道 15-15-压力控制阀压力控制阀 16-16-后熟器后熟器 17-17-蒸汽分离器蒸汽分离器 18-18-真空冷凝器真空冷凝器 19-19-蒸汽冷凝器蒸汽冷凝器 20-20-糖化锅糖化锅 生物工程设备生物工程设备（4 4）真空冷却器）真空冷却器器身为圆筒锥底，醪液由切器身为圆筒锥底，醪液由切线方向进入，真空度保持线方向进入，真空度保持在在00550mmHg，蒸煮醪，蒸煮醪温度可降到温度可降到6864。真空冷却器的设计计算：根真空冷却器的设计计算：根据蒸煮醪所产生的二次蒸据蒸煮醪所产生的二次蒸汽量和二次蒸汽流速来确汽量和二次蒸汽流速来确定真空冷却器的几何尺寸定真空冷却器的几何尺寸 生物工程设备生物工程设备蒸煮醪所蒸煮醪所产生的二次蒸汽量生的二次蒸汽量 ，kg/h W-蒸煮醪所蒸煮醪所产生的二次蒸汽量，生的二次蒸汽量，kg/h；G-每小每小时的蒸煮醪流量，的蒸煮醪流量，kg/h；C-蒸煮醪的比蒸煮醪的比热，kcal/kg；t1、t2-蒸煮醪蒸蒸煮醪蒸发前后的温度，前后的温度，；r-真空操作二次蒸汽的汽化真空操作二次蒸汽的汽化热，kcal/kg。生物工程设备生物工程设备几何尺寸的几何尺寸的计算算直径直径 ，m D-真空冷却器的直径，真空冷却器的直径，m；W-蒸煮醪所蒸煮醪所产生的二次蒸汽量，生的二次蒸汽量，kg/h；v-二次蒸汽的比二次蒸汽的比容，容，m3/kg；V-二次蒸汽上升的速度，二次蒸汽上升的速度，m/s，一般取，一般取0.81.0m/s的范的范围。高度高度 ：一般真空冷却器的直径与高之比一般真空冷却器的直径与高之比为1：1.52.0生物工程设备生物工程设备（5 5）糖化罐）糖化罐a.a.连续糖化罐连续糖化罐具有圆筒形外壳，球形具有圆筒形外壳，球形或锥形底。或锥形底。作用是连连续地把糊化醪与水稀续地把糊化醪与水稀释，并与液体曲或麸释，并与液体曲或麸曲乳或糖化酶（酶制曲乳或糖化酶（酶制剂）混合，在一定温剂）混合，在一定温度下维持一定时间，度下维持一定时间，保持流动状态，以利保持流动状态，以利于酶的活动。于酶的活动。生物工程设备生物工程设备生物工程设备生物工程设备b.真空糖化罐生物工程设备生物工程设备l依靠依靠压力差蒸煮醪液由汽液分离器力差蒸煮醪液由汽液分离器a，与，与糖化曲液由糖化曲液由计量量暂存桶存桶b同同时进入蒸入蒸发-糖化器糖化器c。l既是蒸既是蒸发冷却器，又是糖化器，冷却器，又是糖化器，简化了化了设备。生物工程设备生物工程设备作业l常常见连续灭菌流程有哪几种，菌流程有哪几种，简述其工作述其工作过程程l简述述连消塔（器）、消塔（器）、喷射加射加热器的器的结构构