生物细胞培养基制备设备课件

,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,第二章 生物细胞培养基制备设备,培养基：,培养基是指供特定的微生物、动物细胞、植物细胞、微藻生物等进行生长、繁殖、代谢和合成产物需要的，按一定组成比例配制而成的营养物质。,培养基分类：,天然培养基,成分复杂、不明确，要有质量指标,合成培养基,由完全明确的化学成分的物质配制组成,复合培养基（半合成培养基）,天然合成,工业化生产用培养基制备工艺过程：,原 料 筛 选 粉 碎 糊 化（蒸煮、酶）, 糖 化（酶法） 灭 菌 冷 却,工业化大生产所用原料：,1.,直接使用淀粉,(,或淀粉的加工品，如各种淀粉糖,),或糖蜜（制糖工业的下脚料）为原料。,2.,以初级粮食为原料,(,淀粉质原料,),，如玉米、大米、瓜干、苕干、大麦等，需要对原料进行预处理,(,包括筛选、除杂和粉碎,),。,第一节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,淀粉质原料蒸煮糖化的目的：,是通过液化酶、糖化酶将蒸煮后糊化的淀粉、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（如葡萄糖、麦芽糖等），并降低醪液的粘度，有利于微生物的发酵和发酵液的输送。,1,、间歇蒸煮设备,锥形蒸煮锅，又称亨茨锅（德国）。,间歇蒸煮和糖化是陈旧的方法，现生产企业已基本不使用，实现了连续蒸煮糖化工艺。,（一）,间歇蒸煮,2,、间歇蒸煮工艺,加水（入蒸煮锅）投料（加液化酶）升温蒸煮 吹醪,（二）间歇糖化,间歇糖化法的工艺：,蒸煮醪,糖化锅加水冷却（,12060,）加酸十加曲十糖化十冷却（,60 30,）,发酵罐（或酒母罐）,间歇糖化设备,二、,连续蒸煮糖化,1,、罐式连续蒸煮,1-,粉浆罐,2-,粉浆泵,3-,蒸煮罐,4-,后熟器,5-,最后一个后熟器,(,汽液分离器,),6-,真空冷却器,7-,连续糖化锅,8-,液体曲罐,9-,糖化醪泵,10-,喷淋冷却器,11-,混合冷凝器,12-,水力喷射泵,13-,热水箱,蒸煮罐,1-,粉浆罐,2-,粉浆泵,3-,加热器,4-,缓冲罐,5-,柱子,6- 1,号后熟器,7- 2,号后熟器,8-,汽液分离器,2,、,.,柱式连续蒸煮,1-,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,3,、管式连续蒸煮,加热器,喷 射 加 热 器,套 管 加 热 器,最后一个后熟器（汽液分离器）,4,、真空冷却器,5,、糖化罐（锅）,符合糖化的真空糖化器最小容积应使糖化醪在真空糖化罐内平均停留时间为,20min,（连续糖化采用,40-45min,或更长的时间），然后进入三级真空冷却的第一室。,真空糖化器的优点：既是蒸发冷却器，又是糖化器，简化了设备。,第二节 纤维素和半纤维素的水解,直接发酵,纤维素酶,纤维素,类物质,纤维素,木糖,木质素,葡萄糖,水解,配制,木酮糖,异构化,木糖异构酶,配制,配制,作为生物细胞培养成分,木质纤维素发酵生产糖类的路线,影响植物纤维资源充分利用的主要难题之一是木质纤维素材料通常难于被降解转化。这就需要采用预处理措施，使木质纤维素的结构能适于随后的酶降解。预处理的主要作用就是要改变天然纤维的结晶度、脱去木质素或半纤维素，增加酶与纤维素的可接触面积，从而提高酶解的效率。,一、蒸汽爆裂法,在众多预处理方法中，高压蒸汽爆碎技术是比较有效、低成本、无污染的新技术。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,200240,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,半纤维素和纤维素都能被强酸直接降解成单糖。纤维素的酸水解工艺比较简单，已有工业化经验。但是需要较高的温度和较大量的酸，水解产生的单糖会进一步降解，产生对微生物有毒性的糠醛类物质。处理后的糖液需要中和、脱毒等后处理后才能用于发酵。,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,常用的稀酸水解方法,1-,水解器,2-,物料贮器,3-,计量器,4-,往复泵,5-,高压蒸发器,6-,低压蒸发器,7-,排渣器,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,第三节 糖蜜原料的稀释与澄清,糖蜜是制糖厂的一种副产品，里面含有大量的可发酵性糖，这些糖分在目前制糖工业技术或经济核算上已不能或不宜用结晶方法加以回收。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,80Bx,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,（一）水平式糖蜜稀释器（马尔钦科式连续式稀释器）,该稀释器为一只圆筒形的管子，顺着管长装有若干孔板式的隔板和一块筛板，为了使糖蜜与水更好地混合，各板上的孔位都是交错配置，即一个孔在上部，一个孔在下部，这样使液体在流动过程中，呈湍流式运动。隔板固定在一对水平轴上，能与轴一道拆卸，以便清洗。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，同时也节省动力 。,（二）立式糖蜜连续稀释器,（三）间歇式稀释设备,间歇式的糖蜜稀释器通常是一个敞口的容器，内安有搅拌装置或用通风代替搅拌以使糖蜜与水能达均匀稀释。稀释器可由钢板制成，也可是水泥池。,常用的间歇稀释器的容积一般为,520m,3,，应根据各厂的生产任务而定。,二、糖蜜原料的澄清,糖蜜原料的澄清的目的是使原料中的灰渣等固形物沉淀，同时进行灭菌，以达到发酵的要求。对于固体含量少,0.1%,（,v/v,）,，颗粒直径在,5100m,的悬浮液，在过滤时难以形成滤饼，就要采用澄清过滤。糖蜜原料的澄清方法有以下几种：,1,加酸通用处理法,2,加热加酸沉淀法,3,絮凝剂澄清处理法,酸化澄清设备,澄清罐,国内大多数糖蜜酒精厂只考虑对用作酒母的稀糖液进行澄清处理，而对基本糖液则不经澄清处理，这样可大大简化生产，提高效率，酒精发酵生产也不会受影响。,第四节 液体培养基的灭菌,灭菌是指利用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中一切有生命物质的过程。常用的灭菌方法大致有以下几种：,化学灭菌法,电磁波、射线灭菌法,干热灭菌法,湿热灭菌法,过滤除菌法,火焰灭菌法,杂菌污染产生的各种不良后果：,（,1,）由于杂菌的污染，使生物反应中的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降；,（,2,）由于杂菌所产生的一些代谢产物，或在染菌后改变了培养液的某些理化性质，使产物的提取和分离变得困难，造成收率降低或使产品的质量下降；,（,3,）杂菌会大量繁殖，会改变反应介质的,PH,值，从而使生物反应发生异常变化；,（,4,）杂菌可能会分解产物，从而使生产过程失败；,（,5,）发生噬菌体污染，微生物细胞被裂解，而使生产失败等等。,常用的灭菌方法：,（,1,）化学灭菌,采用化学试剂，如：甲醛、新洁尔灭、漂白粉、环氧乙烷等。甲醛用于无菌室内熏蒸（,5ml/m,3,）；,新洁尔灭（,1,）用于桌椅地板、实验用具的消毒；漂白粉（,3,5,）用于车间内外环境杀菌；环氧乙烷（,1,体积比）用于塑料培养器皿灭菌。,（,2,）射线灭菌,采用紫外线、高能量的电磁波或粒子辐射进行灭菌，如：紫外线（波长,313nm,）、,射线等。紫外线用于空气及物体表面灭菌；,射线用于塑料制品灭菌。,（,3,）干热灭菌,采用电热鼓风烘箱，灭菌对象为玻璃器皿、移液管、接种针等，温度,160,，保温,1,2hr,。,（,4,）湿热灭菌,直接用高压蒸汽对物料或设备容器的灭菌，温度,115,140,，保温,20,30min,。高压蒸汽的优点为穿透力强、无毒、无有害残留物、廉价等，在工业生产中广泛应用。,（,5,）过滤灭（除）菌,指利用微孔,0.22m,的滤膜过滤截留微生物的方法。应用于含有热敏性营养物质的培养基，如：大多数的动、植物培养基。,工业生产所用的培养基、发酵设备一般都采用蒸汽湿热灭菌。,一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素,对数残留定律,式中,开始灭菌（,t=0,）时原有活菌数；,经时间,t,后残存活菌数。,灭菌速度常数（,s,-1,）,温度对死亡速率的影响,微生物死亡与温度的关系,在灭菌时，温度,T,和时间,t,是两个重要参数，一般而言，提高温度或者延长时间，均可增加对杂菌的杀灭。,生产实践证明，灭菌温度较高而时间较短比温度较低而时间较长要好。据此，可以在灭菌时选择较高的温度、较短的时间，这样便既可达到需要的灭菌程度，同时又可减少营养物质的损失。,二、连续灭菌流程及设备,培养基的连续灭菌，就是将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行灭菌。,连续灭菌具有如下的优点：,（,1,）提高产量。与分批灭菌相比培养液受热时间短，可缩短发酵周期，同时培养基成分破坏较少。,（,2,）产品质量较易控制。,（,3,）蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高，操作方便。,（,4,）适宜采用自动控制。,（,5,）降低劳动强度。,在连续灭菌过程中，蒸汽用量虽平稳，但气压一般要求高于,0.5Mpa,（表压）。连消设备比较复杂，投资较大。采用连续灭菌时，发酵罐应在连续灭菌开始前先进行空消，以容纳经过灭菌的培养基。加热器、维持罐和冷却器也应先进行灭菌，然后才能进行培养基连续灭菌。,（一）连消塔,喷淋冷却流程,（二）喷射加热,真空冷却流程,（三）板式换热器灭菌流程,（四）设备构造,1,、连消塔,2,、维持罐,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，以达到灭菌的目的，因此，也可称保温设备。,3,、喷射加热器,当物料经渐缩喷嘴，以高速喷出时，将蒸汽由吸入口吸入，然后物料和蒸汽一起进入混合喷嘴中混合，再进入混合段。混合段较长，有利于汽液混合，最终物料被加热到所需的温度。物料在扩大管中速度能转变为压力能，因此物料被压入与扩大管相连接的管道中。,4,、冷却设备,喷淋冷却器,套管冷却器,薄板换热器,螺旋板换热器,用两片卷成螺旋状的金属板构成传热面，形成两个均匀的螺旋通道，中心有隔离挡板。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。主要类型有,型，,型和,型。,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。,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清洗，特别适用有粘性、有沉淀液体的热交换。,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。,螺旋板换热器内部结构示意图,三、分批灭菌过程与设备,培养基的分批灭菌就是将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，通常也称为,实罐灭菌（,工厂亦称,实消,）。,适用范围：,（,1,）,规模较小的发酵罐往往采用分批灭菌的方法。,（,2,）极易发泡或粘度很大难以连续灭菌的培养基，即使对于大型发酵罐也不得不仍然采用分批灭菌的方法。,1,、实罐灭菌前的准备工作：,（,1,）检查培养基配制应溶解均一，不得含有结块、结团物和异物；,（,2,）检查发酵罐的严密性，特别要检查与发酵罐直接相连的阀门严密性。,2,、实罐灭菌操作过程,实罐灭菌过程：,用饱和蒸汽（表压,0.3-0.4MPa,）将培养基加热升温至灭菌温度，保温维持一段时间，再冷却至发酵温度。,操作过程：,（,1,）将配制好的培养基泵入发酵罐内，密封发酵罐，开动搅拌；,（,2,）通蒸汽进入发酵罐加热夹套，预热培养基至,75-90,；,（,3,）通蒸汽排尽所有与发酵罐连通的管路内的冷凝水后，引蒸汽进发酵罐；,（,4,）发酵罐升温至灭菌温度，保温维持一段时间；,（,5,）先关排汽、后关进汽，然后通入无菌空气；,（,6,）夹套引入冷凝水，开搅拌，将培养基降温至工艺要求。,3,、操作要点：,（,1,）凡是与培养基接触的管道都要进蒸汽，凡是不与培养基接触的管道都要排蒸汽；,（,2,）无菌空气未被引入发酵罐之前，不能开夹套冷却水冷却培养基，否则易发生发酵罐的罐压跌零，罐体被吸瘪。,实罐灭菌培养基的质量标准：,（,1,）达到无菌要求；,（,2,）营养成分破坏少；,（,3,）培养基体积与计料体积相符；,（,4,）泡沫少。,第五节 啤酒生产中麦芽汁的制备设备,啤酒是生物加工产业中的一个典型产品，我国的啤酒生产已位居全世界第一位。麦芽汁是啤酒酵母的培养基，影响啤酒的产量和质量的关键因素之一是麦芽汁的制备。,麦芽汁的制备设备,糊化锅、糖化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅,糊化锅的主要作用是用于煮沸大米粉和部分麦芽粉醪液，使淀粉糊化和液化。,一、糊 化 锅,二、糖化锅,糖化锅的用途是使麦芽粉与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化，其外形和构造与糊化锅大致相同。现时糖化锅的材料广泛采用不锈钢制作，也可用碳钢或铜钢制造。现时有的在锅内壁装有挡板，以改变流型，提高搅拌效果。有效容积的大小与加水量有关，一般糖化锅容积比糊化锅大约一倍。锅底可做成平的，也有作成球形蒸汽夹套的。在六锅式糖化设备中，做成糖化、糊化两用锅，以提高糖化锅的利用率。锅体直径与高之比为,21,，升气管截面积为锅圆筒截面积的,1/30,1/50,。,糖化锅,为保持糖化醪在一定温度下浸渍和糖化，一般在锅底周围设置一两圈通蒸汽的蛇管或设有蒸汽夹套。为保持醪液浓度和温度均匀，避免固形物下沉，保持流动状态以便酶的作用，锅内装有螺旋桨搅拌器。,三、过滤槽,过滤槽用于过滤糖化后的麦醪，使麦汁与麦槽分开而得到清亮的麦芽汁。,麦糟层厚度取,0.3-0.4m,较为适宜。,四、麦汁煮沸锅,用于麦汁的煮沸和浓缩，蒸发掉多余的水分，使麦汁达到一定的浓度。并加入酒花，使酒花中所含的苦味及芳香物质进入麦汁中。,麦汁煮沸锅的结构型式与糊化锅基本相同。,五、糖化醪过滤槽,糖化醪过滤槽的结构部分与过滤槽基本相同。由于本设备除了完成过滤的任务之外，还有进行醪液的糖化，所以通过一个三速齿轮变速箱来达到耕糟、出糟及糖化三种转速；另外在槽底设有两只阀门，一只用于进料，一只用于出料；在弧形顶盖上，加设下粉筒。,麦芽汁的制备设备组合方式,：,四器组合：,糊化锅、糖化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅,六器组合：,两只糊化锅糖化锅两用锅、两只过滤槽、 两只麦汁煮沸锅,两器组合：,糖化锅兼过滤槽、糊化锅兼麦汁煮沸锅,第七节 固体培养基制备,发酵的类型按培养基的种类来分，有固体发酵和液体（深层）发酵两种。,微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称为固态发酵。固态发酵所用的培养基为,固体培养基,。,固体培养基制备工艺流程：,固体发酵和液体发酵相比，具有以下优点：,（,1,）操作简单，适应性强，原料来源广，价格低廉，可以利用很多其他发酵工艺无法利用的粮食加工下脚料或废料进行生产；（,2,）固体发酵仅需空气自然对流或小量通风即可，能耗较低。（,3,）固体发酵的产物提取一般步骤少，费用也省，有些产物，如饲料或饲料和食品添加剂，不需要分离步骤，全部物质可以作为产品。（,4,）发酵工艺全过程无废水或很少，可以减少环境污染。,固体发酵的缺点：,（,1,）固体发酵生物反应器占地面积大； （,2,）劳动强度高； （,3,）传热传质困难； （,4,）参数（如,pH,、温度等）检测难；（,5,）染菌机会多；（,6,）只适用于细胞内渗透压较高的霉菌，而对细菌、放线菌发酵较难适用。,1,、润水设备,2,蒸煮设备,常压蒸煮锅,加压蒸煮锅,加压蒸煮锅为能承受一定压力的圆筒型钢板蒸煮锅，锅底部设有假底（竹编或有网眼的金属板），假底下通入蒸汽，并设有排水阀。靠近假底处开有刀门，便于出料。刀门及加盖处配有元宝螺丝。锅盖设有排气阀及压力表。,集搅拌、蒸煮、冷却于一体的蒸煮灭菌设备,a,N.K,式旋转蒸发锅,b,转鼓式蒸煮灭菌机,连续蒸煮设备,The End,