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基因工程酶工程细胞工程发酵工程产物产品产品 抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、轻工、食品、农业、环保、能源等行业基因工程药物、疫苗及抗体产品基因工程菌发酵 FERMENTATIONProcess Control 发酵工程（Fermentation engineering）上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES发 酵 工 程 组 成从广义上讲，由三部分组成：发酵过程 菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验 上游工程（实验室阶段） 下游工程 （DOWNSTREAM PROCESSES）- product extraction, purification 2 滚筒;3 收集槽;4 输送螺旋;5 主轴;6 吸风口;7 卸料端护罩;8 端盖接头;9 可调挡板;10 固定挡板;11 短粒出口;12 长粒出口;13 搅动器;14 端盖接头;15 指示盘;16 手轮;17 螺钉 n物料由进料口送入滚筒,在滚筒转动过程中短粒不断嵌入袋孔,被带到一定高度后在自身重力作用下落入收集槽,由输送螺旋送至短粒出口;长粒物料位于滚筒底部,依靠搅动器或滚筒本身的倾斜送至长粒出口。 1.1.3 固体物料的粉碎设备 (1)两辊式粉碎机 n (2)四辊式粉碎机n由两对辊筒和一组筛子所组成。n原料经第一对辊筒粉碎后,由筛选装置分离出皮壳排出,粉粒再进入第二对辊筒粉碎。 n 3.盘磨机n单转盘和双转盘两种n单转盘的主要构件是两个带沟槽的圆盘,一个同轴一起转动,另一个固定在外壳上。n双转盘有两个可同时旋转、转动方向相反的转盘,剪切作用更大,效率更高。 n工作时,物料进入圆盘中心,在离心力的作用下,在圆盘缝隙中向外甩出,在研磨和剪切力的作用下被粉碎。 内装有研磨体(一般为钢球,也有用钢柱、钢棒或卵石的)。n球磨机工作时,物料与研磨体在摩擦力和离心力作用下,贴在筒体内壁上与筒体一起回转。当提升到一定高度后,由于重力作用,研磨体发生自由泻落或抛落现象,从而对筒内物料进行冲击、研磨和挤压,物料逐渐被粉碎。 5.冷冻粉碎n将待粉碎的物料用液氮冷却冻结到脆化点以下,利用其低温脆性而使物料粉碎的技术,冷冻粉碎后应进行冷冻干燥处理。 n图1-18 低温粉碎系统n 1 物料入口;2 原料冷冻箱;3 输送机;4 液氮箱;5 低温粉碎机;6 产品出口;7 旋风分离器;8 风机 n 1.1.4 固体物料输送设备 n利用均匀固接于牵引构件上的一系列料斗,竖向提升物料的连续输送机械。提升高度通常为710m,有时高达3050m.n适宜颗粒状、粉状和中小块状物料的提升。n输送工作原理:n料斗把物料舀起,随着输送带或链提升到顶部,绕过顶轮后向下翻转,靠重力和离心力将物料倾倒出来。根据传送量可调节传送速度,并随需选择提升高度。 n图1-19 倾斜斗式提升机n 1、2 支架;3 张紧装置;4 传动装置;5 装料口图1-20 垂直斗式提升机 n (1)料斗n有三种不同的结构形式,即深斗、浅斗和三角斗。n深斗：底部呈圆柱形,斗口侧缘平缓,深度较大,适用于输送流动性好的干燥粒状物料。n浅斗：底部、斗间距与深斗相同,斗口侧缘较为陡峭,每个料斗的装量少,但容易卸空,多用于输送潮湿和流动性较差的物料。 n三角斗：采用无间距布置安装,其侧壁延伸至斗底之外,适用于输送黏性大、沉重的块状物料。 n (2)牵引构件n有带式和链式两种。n牵引构件为带式的斗式提升机,其传动带一般采用橡胶带,装在下或上面的传动滚筒和上或下面的改向滚筒上;n牵引构件为链式的斗式提升机一般装有两条平行的传动链,上或下面有一对传动链轮,下或上面是一对改向链轮。n牵引构件的选择取决于提升机的负荷和运行速度。n胶带主要用于高速轻载提升,适合于体积和相对密度小的粉状、小颗粒等物料。 n链条则可用于低速重载提升。 n (3)装料和卸料方式n装料方法：挖取法和灌入法n挖取法：较高的料斗速度,易于充满,输送中小块或磨损性小的粒状物料。n灌入法：物料直接装入料斗中,较低的料斗速度,以充满料斗,料斗布置密集,输送块大、磨损性大的物料。 n卸料方法：离心式、混合式和重力式n离心式卸料：适用于运动速度较快、流动性较差的物料。n重力式卸料：适用于物料提升速度较慢、大块、相对密度大和易碎的物料。n混合式卸料：适用于流动性不良的散状或潮湿物料。 n 2.螺旋输送机n工作原理:绞龙(带螺旋片的轴)在封闭的料槽内旋转,使装入料槽的物料由于自重及其与料槽摩擦力的作用而不与螺旋一起旋转,只能沿料槽横向移动。n适用于摩擦性小的粉状、颗粒状及小块状散粒物料的输送,用于距离不太长的水平输送或小倾角的倾斜输送。 n根据工作倾角分为：立式螺旋输送机、倾斜式螺旋输送机和水平式螺旋输送机。n立式螺旋输送机：垂直向上输送物料,n水平式螺旋式输送机：水平方向或输送倾角小于20的倾斜输送物料;n倾斜式螺旋输送机：输送倾角在2090的物料输送。 n根据螺旋叶片形式不同分为：满面式(又称实体面型)、带式(又称带式面型)、成型式(又称齿型)和浆式(又称叶片面型)等型式。n满面式螺旋：运送干燥的小颗粒或粉状物料时;n带式螺旋：输送块状或黏性物料时;n当输送韧性和可压缩性物料时,宜采用满面式或成型式螺旋。 n 3.带式输送机n具有挠性牵引构件的运输机械。n由环形输送带、驱动滚筒、张紧滚筒、张紧装置、装料斗、卸料装置、托辊及机架组成。n用于块状、颗粒状物料及整件物料的水平方向或倾斜方向的运送,在输送的同时还可进行检查、分选、包装、清洗和预处理等操作。 全叶式带式叶片式成型叶 n环形输送带绕过并张紧于两滚筒上,是带式输送机的牵引及承载构件。输送带依靠其与驱动滚筒之间的摩擦力产生连续运动,依靠其与物料之间的摩擦力和物料的内摩擦力使物料随输送带一起运动,完成输送物料的任务。物料从装料斗进入输送带上,被运送至输送机的另一端,途中需卸料可在相应位置另设卸料器。n常用的输送带：橡胶带、塑料带、纤维编织带及网状钢丝带。 n托辊：用于承托输送带及其上面的物料,避免作业时输送带产生过大的挠曲变形。n托辊分：上托辊(载运托辊)、下托辊(空载托辊)。 n张紧装置：。 n 4.气流输送n又称风力输送,借助空气在密闭管道内的高速流动,使物料在气流中被悬浮输送到目的地的一种运输方式,如发酵工厂利用气流输送地瓜干、大麦、大米等。 (1)吸引式输送流程 n图1-29 吸引式气流输送流程n 1 吸嘴;2 输送管;3、6 旋风分离器;4 料仓;5 风机;7 废气;8 集尘袋 (2)压送式输送流程 n图1-30 压送式气流输送流程n 1 空气粗滤器;2 鼓风机;3 料斗;4 分离器;5 除尘器 (3)综合式气流输送流程 n图1 31 综合式气流输送流程n 1 吸嘴;2 软管;3 吸入侧固定管;4 分离器;5 旋转供料器;6 空气管;7 过滤器;8 鼓风机;9 固定管;10 分离器;11 二次分离器;12 排料口 n吸引式输送流程，又称真空输送：风机安装在整个系统的尾部,运用风机从整个管路系统中抽气,使管道内的气体压力低于外界大气压力,即处于负压状态。n压送式气流输送：将风机安装在系统的前端,风机启动后,空气即进入管路内,管路内压力高于大气压力,即处于正压状态。从料斗下来的物料,通过喉管与空气混合送到分离器,分离出的物料由卸料器卸出,空气经除尘器净化后排入大气。 n综合式气流输送流程：将风机安装在整个系统的中间,在风机前,物料靠管道内的负压来输送,而在风机后,物料靠空气的正压来输送。 n 1.1.5 液体物料输送设备n 1.离心泵n按吸液方式分：单吸泵和双吸泵;n按泵体内叶轮数目分：单级泵和多级泵;n按所输送流体的性质分：水泵、耐腐蚀泵、油泵和杂质泵等。n由叶轮、泵轴、泵壳、填料函和轴承等部件组成。 为避免气缚现象,离心泵启动前,必须用液体把泵腔灌满。启动后,当泵轴带动叶轮与叶片间的液体一同高速旋转时,在离心力的作用下,液体在叶片间从叶轮中心沿径向连续高速甩向叶轮边缘,并进入蜗壳形泵腔内,泵壳中流道逐渐加宽,使进入其中的液体流速逐渐降低,部分动能转变为静压能,泵出口处具有较高静压强的液体排入管路,送到生产目的地。 n图1-32 离心泵n 1 叶轮;2 泵壳;3 泵轴;4 吸入管;5 底阀;6 压出管;7 出口阀 n 2.往复泵n泵缸内有活塞,它通过活塞杆与传动机械相连接。当活塞杆由于外力作用向右移动时,泵缸内密闭的工作室容积变大,压力降低,吸入池内的液体在大气压的作用下,顶开吸入阀进入泵缸,排出阀关闭。当活塞移到最右端时,工作室的容积最大,吸入的液体量也最大。此后活塞开始向左移动,使泵缸内密闭工作室容积变小,压力升高,排出阀被顶开,吸入阀自动关闭,将缸内液体排出泵外。当活塞移到最左端时,排液完毕,完成一个工作循环。 n 3.隔膜泵n输送有毒、腐蚀性液体或含固体颗粒的悬浮液。n采用一弹性薄膜(隔膜)隔开活柱与被输送的液体,薄膜用耐腐蚀的橡胶制成。隔膜左侧接触待输送液体的部分均由耐腐蚀材料制成,隔膜的右侧则充满水或油。当活塞柱向上运动时,隔膜向右弯曲,液体被吸入;当活塞柱向下运动时,隔膜向左弯曲,液体被压出。 1.3 生物质原料的蒸煮与糖化设备n蒸煮目的：n 1、借助蒸煮时的高温作用，破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使其内容物流出，呈溶解状态变成可溶性淀粉，以便糖化剂作用。n 2、高温高压灭菌。 n淀粉质原料通过蒸煮，把颗粒状的淀粉变成溶解状的糊精，如果这时的糊精还不能被细胞利用，还必须采取添加糖化剂（麸曲、液体曲、糖化酶），把醪液中的淀粉、糊精转化为可发酵性糖等物质。 工 业 生 产 上 将 可 溶 性 淀 粉 、 糊 精 转 化 为 葡 萄 糖 的过 程 ， 叫 做 糖 化 。糖 化 的 目 的 ：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 ， 降 低 醪 液 的 粘 度 ， 有 利 于酵 母 的 发 酵 和 发 酵 液 的 输 送 。淀 粉 水 解 的 过 程 ：淀 粉 糊 精 低 聚 糖 麦 芽 糖 葡 萄 糖 1.高温高压蒸煮工艺将 加 热 器 （ 喷 射 加 热 器 ） 、 后 熟 器 、 冷 却 器 （ 真空 冷 却 器 ） 和 糖 化 锅 组 成 连 续 蒸 煮 糖 化 流 程 。 提高 生 产 能 力 和 出 酒 率 ， 改 善 劳 动 条 件 ， 提 高 产 品质 量 。 对 连 续 糖 化 的 要 求 主 要 是 使 糊 化 醪 与 曲 液 充 分 混合 ， 在 一 定 温 度 下 维 持 一 定 时 间 ， 并 保 持 流 动 状态 ， 便 于 酶 的 作 用 。1.3.1 淀粉质原料的蒸煮与糖化设备 1)、 罐 式 连 续 蒸 煮 流 程 水原料混合用水粉浆液体曲粉浆泵蒸汽喷射器后熟器真空冷却器连续糖化罐液体曲贮罐最后一个后熟器蒸煮罐 n 2)、蒸煮罐 可在 很 短 时 间 内 使 粉 浆 达到 规 定 的 蒸 煮 温 度 。 最后一个后熟器糊化醪入口安全阀 人孔压力表二次蒸汽出口自控仪表接口液位指示器 耳架糊化醪出口自控仪表接口 4)、 后 熟 器n 不 再 通 入 蒸 汽 ， 前 几 个 后 熟 器 是温 度 维 持 段 ， 作 用 是 在 定 温 度下 ， 维 持 一 定 时 间 ， 使 糊 化 醪 进一 步 煮 透 。n 糊 化 醪 随 着 流 动 ， 压 力 下 降 ， 产生 二 次 蒸 汽 ， 由 最 后 一 个 后 熟 器分 离 出 来 。 最 后 一 个 后 熟 器 也 叫汽 液 分 离 器 ， 分 离 出 来 的 二 次 蒸汽 可 供 粉 浆 罐 预 热 粉 浆 。 n 罐 式 连 续 蒸 煮 的 加 热 罐 和 后 熟 器 ， 其 直 径 不 宜 太大 。n 原 因 是 醪 液 从 罐 底 中 心 进 入 后 作 返 混 运 动 ， 直 径太 大 不 能 保 证 醪 液 先 进 先 出 ， 致 使 受 热 时 间 不 均匀 ， 而 造 成 部 分 醪 液 蒸 煮 不 透 就 过 早 排 出 ， 而 另有 局 部 醪 液 过 热 而 焦 化 。 n 5) 连续糖化罐n具有圆筒形外壳,球形或锥形底。n作用:连续地把糊化醪与水稀释,并与糖化酶或曲混合,在一定温度下维持一定时间,内装有搅拌器12组,搅拌转速为n 4590r/min。图1-44 糖化罐结构图1 糊化醪进管;2 水、液体曲或糖化酶进管;3 无菌压缩空气进口;4 人孔;5 温度计测温口;6 蒸汽进口管;7 糖化醪出口管;8 搅拌器 n 2.常压蒸煮工艺n粉料加水制成粉浆后,加入-淀粉酶搅拌均匀,用蒸汽加热至100左右进行蒸煮。 n 3.低压蒸汽喷射液化工艺n根据加酶方式不同,喷射液化法可分为:一次加酶法、二次加酶法、三次加酶法,其中三次加酶法主要用于处理含蛋白质较高的次级小麦淀粉,不常用。 n配料罐内淀粉加水调浆,调pH5.07.0,加-淀粉酶,料液经搅拌均匀后用泵打入喷射液化器,与高温蒸汽直接接触,控制出料温度100115 ,进入层流罐液化保温90120min,进行二次喷射,使温度升至120145 ,目的是把耐高温-淀粉酶杀死,同时分散淀粉,凝固蛋白质,维持35min后经真空闪急冷却进入pH 调节罐,加酶糖化。 1.3.2 啤酒生产中麦芽汁的制备设备 1.糖化设备n糖化：利用麦芽所含的各种水解酶(或外加酶制剂),在适宜的条件(温度、pH、时间)下,将麦芽和辅料中的不溶性高分子物质逐步分解为可溶性低分子物质。n在糖化过程中,水与麦芽粉碎物料充分混合,在麦芽各种酶系的作用下,将麦芽中的可溶性物质浸出,并在酵母的作用下将麦汁发酵为啤酒。 (1)糊化锅n用于加热煮沸大米等辅料以及部分麦芽醪液,使淀粉进行糊化和液化,具备加热和搅拌功能装置。n糊化锅的锅底及侧壁焊接半圆管进行加热,在关闭蒸汽阀门后不会出现真空吸瘪现象。 n图1-50 新式糖化(糊化)锅n 1 排汽筒;2 排汽锅顶盖;3 CIP清洗;4 内部照明灯;5 视孔;6 锅壁夹套;7 保温层;8 攀登栏;9 搅拌器;10 加热管;11 醪液进口和出口;12 电机 (2)糖化锅n与糊化锅型式、结构类似,麦芽粉浆与已糊化的辅料醪液在此混合,使醪液维持在一定的温度,进行淀粉糖化。具备加热和搅拌功能。n糖化锅搅拌器的转速线速度不超过3m/s,否则会对醪液产生剪切力,使醪液内容物发生改变。n特点:搅拌桨叶长而宽大，对称设置;搅拌桨叶有倾角且开孔;搅拌装置可升降、采用变频调节。 2.麦汁过滤设备n分离糖化醪液中的可溶性浸出物,尽量减少影响啤酒风味的麦皮多酚、色素、苦味物质以及麦芽中的高分子蛋白质、脂肪、脂肪酸和-葡聚糖等物质进入麦汁,从而保证麦汁良好的口味和较高的澄清度。n啤酒厂采用的麦汁过滤设备为过滤槽和压滤机。 (1)过滤槽n以过滤筛板和麦糟为过滤介质,通过筛分效应、滤层效应和深层过滤效应的作用而进行的以液柱静压为动力的过滤方法。麦汁的过滤速度受滤层阻力、滤层渗透性、滤层厚度、麦汁黏度和滤层面积等因素的影响。n过滤槽采用不锈钢制作,带有保温层。n在洗糟过程中,耕糟可以改善水与麦糟的接触,增加新的麦汁通道,使麦汁过滤得更快、洗糟更彻底. n耕糟机可以在不同的高度将麦糟层划开并松动,水沿剪切线流入麦糟层,邻近部分被洗出。 (2)压滤机 3.麦汁煮沸设备n麦汁在煮沸过程中添加酒花。通过煮沸,酒花中的苦味和香味物质溶解到麦汁中。n煮沸过程中发生的物理和化学变化:n酒花苦味物质的溶解和转化;n可凝固性蛋白质多酚复合物的形成和分离;n蒸发多余水分,使麦汁达到规定的浓度;n对麦汁进行灭菌;n破坏酶活性,固定麦汁成分; n麦汁色度上升，麦汁酸度增加，形成还原性物质如还原性多酚等，麦汁中二甲基硫含量发生变化。 (1)内加热式煮沸锅n特点:列管式加热器,垂直安装在锅内。在加热器上方安有伞型防溢罩,使上升的麦汁分配至四周,同时可避免泡沫的形成,使麦汁均匀受热。n分常压煮沸和低压煮沸。n常压煮沸即传统煮沸n低压煮沸则是在0.110.12MPa的压力下进行煮沸,加速蛋白质凝聚和酒花苦味质的异构化,煮沸时间缩短,节省热能消耗。 图1-55 具列管式内加热器的煮沸锅n优点:设备投资少;耗电量低;热辐射损失小;煮沸温度和蒸发速率可以调整;使用低压饱和蒸汽加热;麦汁在内加热器管束中的流速较低;不需要外加热器和搅拌器。n缺点:清洗比较困难;蒸汽压力控制不好造成蒸汽温度过高时,就会出现麦汁局部过热,导致麦汁色泽加深、口味变差,影响成品啤酒的质量。 (2)外加热式煮沸锅n由不锈钢板制成的列管式或板式加热器进行循环加热,加热器独立安装在煮沸锅外部。麦汁经加热器加热后,从切线方向进入煮沸锅或通过中线直接把麦汁送入带伞罩的麦汁导管。n优点:n煮沸时间短,可提高苦味物质的利用率;n麦汁循环次数、煮沸强度、煮沸温度可根据工艺要求调节。 n缺点:耗电量高,辐射热损失大及设备投资费用高。 n图1-56 带外加热器的麦汁煮沸锅n 1 外加热器;2 热麦汁管;3 套管;4 伞形分布罩;5 蒸汽进口;6 冷凝水出口;7 麦汁泵;8 调节阀 n图1-57 麦汁外加热器n 1 蒸汽入口;2 冷凝水出口;3 麦汁入口;4 麦汁出口 (3)回旋沉淀槽n平底密闭容器,具有保温层,以防止麦汁冷却。槽内壁光滑洁净,边缘平整无棱角,槽内不安装物件,防止局部紊流或涡流,影响分离效果;槽的上部设有洗涤用的喷水环管。麦汁液位高度与槽的直径之比为1 23。 n图1-58 回旋沉淀槽n 1 排气筒;2 洗涤水进口;3 喷水环管及喷嘴;4 液位指示管;5 麦汁切线进口;6 人孔;7 钢筋混凝土底座的水防护圈;8 底座;9 麦汁及废水排出阀 1.4 培养基的灭菌设备 n 1.4.1 培养基分批灭菌 n 1.4.2 培养基连续灭菌 n 3.主要设备 图1-67 套管式连消塔 图1-68 混合式连消塔 图1-69 喷射式加热器示意图1 喷嘴;2 吸入口;3 吸入室;4 混合喷嘴;5 混合段;6 扩大管 图1 70 维持罐1 人孔;2 进料管;3 出料管;4 温度计测温口;5 排尽管 图1-72 真空冷却器1 圆筒体;2 人孔;3 进料管;4 料液排出管;5 温度计插座;6 真空表接管;7 二次蒸汽出口n 3）真空冷却器n高温培养基从维持设备进入真空冷却器,在一定真空度下蒸发部分水,水分立即汽化,培养基温度下降。n器身为圆筒形,上部为碟形,下部为锥形。
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