1、2、培养基准备及培养基的灭菌设备培养基的灭菌培养基的灭菌n灭菌灭菌：利用物理或化学方法杀灭或除去：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。物料及设备中一切有生命物质的过程。发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染杂菌，则会导致：杂菌，则会导致：基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降；下降；产物的提取或分离困难，造成收率降低或使产品的产物的提取或分离困难，造成收率降低或使产品的质量下降；质量下降；改变反应介质的改变反应介质的pH，使生物反应发生变化；，使生物反应发生变化；分解产物，使生
2、产过程失败；分解产物，使生产过程失败；发生噬菌体污染，使生产过程失败。发生噬菌体污染，使生产过程失败。n对大部分微生物的培养，均需严格的灭菌。对大部分微生物的培养，均需严格的灭菌。灭菌方法灭菌方法n 常用的灭菌方法有：常用的灭菌方法有：n（1）化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、）化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、高锰酸钾、环氧乙烷等；高锰酸钾、环氧乙烷等；n（2）射线灭菌：）射线灭菌：x-射线射线、-射线射线、紫外线；紫外线；n（3）干热灭菌；）干热灭菌；n（4）湿热灭菌；）湿热灭菌；n（5）过滤除菌）过滤除菌n对于液体培养基，我国仍采用蒸汽加热对于液体培养基，我国仍采用蒸汽加热灭菌的较多。灭
3、菌的较多。液体培养基的制备及杀菌设备微生物的受热死灭过程属于一级反应，所以：kNNdd上式积分：0dd0kNNSNN得：SSNNkNNk00lg303.2ln1k303.29.0l 对数残留公式与理论灭菌时间n 培养基热灭菌的动力学液体培养基的制备及杀菌设备RTEAekSRTENNeA0ln1将上式代入SNNk0ln1，得：n 培养基热灭菌的动力学l 灭菌温度与菌死亡的反应速率常数的关系1ln()EdKdRT lnElnKART 培养基热灭菌的动力学液体培养基的制备及杀菌设备 细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能细菌死亡(kJ/mol)酶、蛋白质或维生素破坏葡萄糖破坏活化能E4.187
4、(50100)4.187(226)4.18724 可见，细胞死亡的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能大得多，所以细菌的死亡速率要比营养成分的破坏速率快得多。采用湿热法对液体培养基进行灭菌时，采用高温短时间的灭菌方法，以减少营养成分的破坏。培养基及发酵设备的灭菌 分批灭菌（实罐灭菌或实消）分批灭菌（实罐灭菌或实消）空罐灭菌（空消）空罐灭菌（空消）连续灭菌（连消）连续灭菌（连消）过滤器及管道灭菌过滤器及管道灭菌（一）实罐灭菌的计算（一）实罐灭菌的计算n又称：间歇灭菌、分批灭菌、实消又称：间歇灭菌、分批灭菌、实消n将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌
5、温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，又称分批灭菌。度，然后接种发酵，又称分批灭菌。分批灭菌（实罐灭菌）要保证分批灭菌的成功，必须有：1.内部结构合理，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐；2.压力稳定的蒸汽；3.合理的操作方法。1实罐灭菌前的准备n 为了保证灭菌的成功，在实罐灭菌为了保证灭菌的成功，在实罐灭菌前，除培养基配制要注意溶解均一，前，除培养基配制要注意溶解均一，不要含有结块、结团物或异物外，不要含有结块、结团物或异物外，检查发酵罐的严密性尤为重要，特检查发酵罐的严密性尤为重要，特别要检查与发酵罐直接相连的阀门别要检查与发
6、酵罐直接相连的阀门的严密性。的严密性。2实罐灭菌操作过程 n根据实罐灭菌过程，用表压根据实罐灭菌过程，用表压0.30.30.4MPa0.4MPa的饱和蒸汽把培养的饱和蒸汽把培养基先加热升温到灭菌温度，保温基先加热升温到灭菌温度，保温维持一段时间，再冷却降温到发维持一段时间，再冷却降温到发酵温度。酵温度。实罐灭菌操作过程 升温阶段升温阶段保温阶段保温阶段培养基冷培养基冷却阶段却阶段实罐灭菌过程中要牢记：n凡是与培养基接触的管道都凡是与培养基接触的管道都要要进蒸汽进蒸汽，n凡是不与培养基接触的管道凡是不与培养基接触的管道都要都要排汽排汽。实罐灭菌的质量优劣判别标准n培养基灭菌后达到无菌要求；培养基
7、灭菌后达到无菌要求；n营养成分破坏少；营养成分破坏少；n灭菌后培养基体积与计料体积相灭菌后培养基体积与计料体积相符；符；n泡沫要少。泡沫要少。n在高温灭菌时糖类物质容易被破坏在高温灭菌时糖类物质容易被破坏且易和有机氮源相结合，并产生氨且易和有机氮源相结合，并产生氨基糖，而对微生物会产生一定的毒基糖，而对微生物会产生一定的毒性，严重时将会抑制微生物的生长性，严重时将会抑制微生物的生长发育，破坏整个发酵代谢过程。发育，破坏整个发酵代谢过程。特别注意3培养基实罐灭菌时间的计算n在工业化发酵生产中通常不考虑培养在工业化发酵生产中通常不考虑培养基由室温升至基由室温升至121121和由和由121121冷却
8、到冷却到发酵培养温度这两个阶段的灭菌效应，发酵培养温度这两个阶段的灭菌效应，只是把保温维持阶段看作是培养基实只是把保温维持阶段看作是培养基实罐灭菌的时间。罐灭菌的时间。培养基实罐灭菌时间的计算14845lg36.127KT01lnsNkN培养基实罐灭菌时间的计算n发酵罐体积在发酵罐体积在40m40m3 3以下，可以不考虑加热以下，可以不考虑加热升温阶段的灭菌效应，这样可以避免复杂升温阶段的灭菌效应，这样可以避免复杂的变温灭菌过程的计算。的变温灭菌过程的计算。n在灭菌操作时不要人为地再延长灭菌时间在灭菌操作时不要人为地再延长灭菌时间作为安全系数，这样会导致培养基营养成作为安全系数，这样会导致培养
9、基营养成分破坏过大。分破坏过大。分批灭菌（实罐灭菌）灭菌时间的计算灭菌时间的计算例：例：有一发酵罐，内装培养基40m3，在121的温度下进行实罐灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在121 时的灭菌速率常数为0.0287s-1。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。解：解：(min)9.23ln1)(0287.0(001.0)(10810210400114760SSNNktskNN个）个若考虑加热升温阶段的灭菌效应若考虑加热升温阶段的灭菌效应n升温阶段升温阶段n培养基升温至T2时菌的总数由N0减少至NP培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的
10、热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n升温阶段间接加热培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n升温阶段培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n升温阶段直接加热培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n保温阶段培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n保温阶段培养基实罐灭菌过程的热量计算培养基实罐灭菌过程的热量计算n冷却阶段冷却水流量的计算 121222221212212212lnlnssmssttttW cttKF tKFttttKFWttctt冷却时间的计算 2 22 2111122222222121222221212121
11、1221222lnlnssssmsKFW cssKFW cGcdtGc dtW cttddW cttttttW cttKF tKFttttttt ettKFtttW ce 又有冷却时间的计算2 22 22 22 22 22 22 22 2112 22 22 2121122221111222222121102212122(1)(1)(1)l(1)fsKFKFKFW cW cW cssssKFKFW cW cKFW cKFssW cKFW ctKFtsW cKFW cKFW cttet ettt etteeGcdtGcdtedW cttW ctteGcdtedW ctteGceW ce 1212n
12、ssfstttt（二）连续灭菌的设备及计算（二）连续灭菌的设备及计算n将配制好的培养基在向发酵罐等将配制好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行灭菌。保温和冷却而进行灭菌。n工厂里也称工厂里也称连消连消。连续灭菌流程的优点连续灭菌流程的优点 （1）提高产量，设备利用率高。）提高产量，设备利用率高。（2）与分批灭菌比较，培养液受热时间短，）与分批灭菌比较，培养液受热时间短，培养基中营养成分破坏较少。培养基中营养成分破坏较少。（3）产品质量较易控制；蒸汽负荷均衡，）产品质量较易控制；蒸汽负荷均衡，操作方便。操作方便。（4）降低了劳动强度，适用于
13、自动控制。）降低了劳动强度，适用于自动控制。连续灭菌系统设备连续灭菌系统设备培养基连续灭菌系统设备由培养基连续灭菌系统设备由配料罐（池）、送料泵、预热罐、配料罐（池）、送料泵、预热罐、连消泵、加热器、维持罐和冷却连消泵、加热器、维持罐和冷却器器7 7个关键设备组成个关键设备组成 连续灭菌系统设备流程连续灭菌系统设备流程 灭菌时间的计算灭菌时间的计算例：例：有一发酵罐，内装培养基40m2，在131的温度下进行连续灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在131 时的灭菌速率常数为0.25s-1。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。解：解：连续灭菌流程(min)7.2ln1)(25.
14、0(001.0)(10810210400114760 SSNNktskNN个）个）个个连续灭菌系统设备连续灭菌系统设备1 1、配料罐：、配料罐：用于培养基的配制用于培养基的配制2 2、预热罐：、预热罐：定容和预热定容和预热n预热目的：预热目的：使培养基在后续的加热使培养基在后续的加热过程中能快速升温到指定的灭菌温过程中能快速升温到指定的灭菌温度，同时避免过多的蒸馏水进入培度，同时避免过多的蒸馏水进入培养基，减少震动和噪声。养基，减少震动和噪声。3.3.连消泵连消泵n输送培养基的泵一般可采用离心泵、旋涡泵、往输送培养基的泵一般可采用离心泵、旋涡泵、往复泵等。复泵等。n连续灭菌系统要求流量稳定，故
15、目前比较理想的连续灭菌系统要求流量稳定，故目前比较理想的连消泵是螺条泵。连消泵是螺条泵。4、加热器n目的：目的：使培养基在较短的时间使培养基在较短的时间（202030s30s）快速升温。）快速升温。n目前加热器使用得最广泛的加热目前加热器使用得最广泛的加热器有器有塔式加热器塔式加热器和和喷射式加热器喷射式加热器。塔式加热器 又称连消塔、连消又称连消塔、连消器，这是一种器，这是一种汽液汽液混合型混合型加热装置加热装置 塔式加热器的设计a a加热蒸汽的用量：加热蒸汽的用量：()(1)1.1()fsffsfGc ttSictGc ttictb b塔式加热器蒸汽导入管径塔式加热器蒸汽导入管径 24ss
16、vd内0.785 3600ssvd内c.加热塔塔身内径 22()4mmSDdVV外内20.785 3600mSmVVdd外内d加热塔有效塔高 H=m=0.1 e蒸汽导入管上的开孔与小孔数 n蒸汽导入管的小孔与管壁的夹角呈蒸汽导入管的小孔与管壁的夹角呈4545o o，小孔直径可取小孔直径可取5 58mm8mm。n小孔总面积小孔总面积=蒸汽导入管截面积的蒸汽导入管截面积的80801001002244ndd孔内n2内孔d（）d（2）喷射式加热器 喷射式加热器的特点是蒸汽和物料密切喷射式加热器的特点是蒸汽和物料密切混合、加热在瞬间内完成。混合、加热在瞬间内完成。1.喷嘴喷嘴 2.吸入口吸入口 3.吸入
17、室吸入室 4.混合喷嘴混合喷嘴 5.混合段混合段 6.扩大管扩大管喷射式加热器混合式连消塔混合式连消塔 连连消消加加热热器器 喷射式加热器的计算设计 n喷射式加热器设计中，喷射式加热器设计中，喷嘴喷嘴的设计是关的设计是关键。键。n根据物料流量计算出喷嘴直径后，按比根据物料流量计算出喷嘴直径后，按比例确定其他各部尺寸。例确定其他各部尺寸。n喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于10mm10mm。n延长延长混合段混合段的长度有利于蒸汽与物料的的长度有利于蒸汽与物料的混合。混合。喷射式加热器的计算设计 a a加热塔内物料流量加热塔内物料流量b b连消塔的容积连消塔的容积
18、 V=（VmVS）2GFg p5.保温设备（维持设备）目的：目的：将培养基维持灭菌温度将培养基维持灭菌温度一段时间，是杀灭微生物的主一段时间，是杀灭微生物的主要过程。要过程。（1）维持罐（2）管式维持器 n可克服维持设备中物料的返混现象。可克服维持设备中物料的返混现象。n管式维持器外形酷似喷淋换热器，外壁包裹管式维持器外形酷似喷淋换热器，外壁包裹保温层。保温层。n管式维持器的长度与管径由保温灭菌时间及管式维持器的长度与管径由保温灭菌时间及培养基的流量确定。培养基的流量确定。n培养基在管式维持器中的流速可取培养基在管式维持器中的流速可取0.30.30.6m/s0.6m/s，要保证培养基在管式维持
19、器中流动，要保证培养基在管式维持器中流动处于活塞流状态。处于活塞流状态。（3）维持设备的计算与设计 维持罐的计算与设计维持罐的计算与设计 a a维持罐要做得瘦长些，一般取维持罐要做得瘦长些，一般取 H/D=2.0H/D=2.02.52.5最佳。设备外壁要有保温最佳。设备外壁要有保温层。层。b b物料在维持罐中物料在维持罐中停留的时间停留的时间：根据计算：根据计算得到的理论灭菌时间得到的理论灭菌时间（3 35 5）倍。在）倍。在设计中一般取设计中一般取3 3倍。倍。维持罐的计算与设计维持罐的计算与设计c c维持罐容积维持罐容积 VV维持罐体积停留物料流量VV维持罐体积物料流量停留320.134V
20、VVDD H维持罐体积封底圆筒管式维持器的计算与设计管式维持器的计算与设计 a a要使培养基在管道内处于要使培养基在管道内处于平推流平推流（或称（或称活塞流活塞流）状态，）状态，ReRe1000010000。一般要求。一般要求培养基流速处于培养基流速处于0.250.250.6m/s0.6m/s。b b根据培养基的流量与培养基在管道里的根据培养基的流量与培养基在管道里的流速，即可计算出管道的直径，并根据流速，即可计算出管道的直径，并根据无缝钢管规格进行无缝钢管规格进行圆整圆整。管式维持器的计算与设计管式维持器的计算与设计c c培养基理论灭菌时间：培养基理论灭菌时间：d d求取管式维持器的长度。求
21、取管式维持器的长度。n在在PePe10001000的前提下可取较小的值。的前提下可取较小的值。e e设备制造完成经密封性试验后，外置保设备制造完成经密封性试验后，外置保温层。温层。012.303lgsNkN 6、降温设备（冷却设备）n保温后的培养基需迅速降温至保温后的培养基需迅速降温至接近培养温度（接近培养温度（40404545）。）。n冷却设备要求严密性好，冷却冷却设备要求严密性好，冷却效率高。效率高。（1 1）喷淋冷却器喷淋冷却器 n这种设备结构简单、清理维修方这种设备结构简单、清理维修方便，管外结的水垢可以定期铲除，便，管外结的水垢可以定期铲除，料液不易染菌，冷却液呈膜状沿料液不易染菌，
22、冷却液呈膜状沿管子外壁向下流动。管子外壁向下流动。喷淋冷却器（2）螺旋板式换热器 传热效率高，传热效率高，结构紧凑，可结构紧凑，可缩短冷却时间，缩短冷却时间，降低冷却水用降低冷却水用量，还可在室量，还可在室内安装，效果内安装，效果也很好。也很好。（3）真空冷却器n工作原理：工作原理：在真空下，高在真空下，高温培养基中的水分立即汽温培养基中的水分立即汽化，使培养基本身温度下化，使培养基本身温度下降。降。n培养基最终被冷却温度取培养基最终被冷却温度取决于设备操作的真空度。决于设备操作的真空度。n本设备安装高度大于本设备安装高度大于10m 10m 液体培养基的制备及杀菌设备 真空冷却器真空冷却装置图
23、12345为了更完全地从料液中分离蒸汽，真空冷却器中蒸汽上升速度不应超过1ms，醪液在下降管中流速为0.80.5ms。真空冷却器的计算例题：例题：已知从汽液分离器排除顶糊化醪量为12000kg/h,其比热容为3.6kJ/（kg.K）,温度为100，要求冷却至65，计算真空冷却器的基本尺寸。解：（解：（1）真空冷却器内产生的二次蒸汽量：）真空冷却器内产生的二次蒸汽量：hkJQ/1512000651006.312000查水蒸气表和二次蒸汽在65时的汽化潜热 r2343.4kJ/kg,故真空冷却器内产生的二次蒸汽量为：hkgm/2.6454.23431512000真空冷却器的计算与65相对应的真空度
24、为76.3kPa（572mmHg）,在此温度下蒸汽的密度为0.1611kg/m3,则二次蒸汽的体积流量为：hmqv/40051611.02.6453hkg/8.113542.64512000器内排出的醪液量为经真空冷却后，从冷却（2）真空冷却器的直径和高度：）真空冷却器的直径和高度：取器内二次蒸汽的上升速度不超过1m/s，则真空冷却器的直径D：mvqDs2.13600400544V一般真空冷却器的径高比为为：1：1.52，现取D：H=1：1.5，则真空冷却器的圆柱部分高H：mDH8.12.15.15.1（3）醪液下降管（排醪管）的直径：）醪液下降管（排醪管）的直径：设糊化醪液密度1090kg/
25、m3，取醪液在排醪管内下降为1m/s，则醪液下降管管径D:mD0607.01109036008.113544可选用68mm4mm的无缝钢管。（4 4）醪液下降管的长度：）醪液下降管的长度：mL77.776057233.10选用L=8m。真空冷却器的计算1.1.连消器连消器喷淋冷却流程喷淋冷却流程 其设备主要是连消器，附属装置（设备）其设备主要是连消器，附属装置（设备）是配料池、送料泵、维持罐和喷淋冷却是配料池、送料泵、维持罐和喷淋冷却器。器。特点：特点：热效率高，无菌程度高，适用范围广；热效率高，无菌程度高，适用范围广；热和冷却水消耗量大。热和冷却水消耗量大。连续灭菌流程连消器连消器喷淋冷却流
26、程喷淋冷却流程 1.料液罐料液罐 2.连消泵连消泵 3.连消塔连消塔4.维持罐维持罐 5.喷淋冷却器喷淋冷却器 2.2.喷射加热喷射加热真空冷却流程真空冷却流程n喷射加热喷射加热真空冷却流程是一种喷射真空冷却流程是一种喷射加热、管道维持，真空冷却的连续灭菌加热、管道维持，真空冷却的连续灭菌流程。流程。喷射加热连续灭菌流程喷射加热连续灭菌流程 喷射加热连续灭菌温度时间关系图喷射加热连续灭菌温度时间关系图 特点特点n优点：优点：加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏最少；由于采用管道维持，可以保证物料先进最少；由于采用管道维持，可以保证物料先进先出，避免过热。先出，避
27、免过热。n缺点：缺点：此流程操作难度较大，需要使蒸汽的压此流程操作难度较大，需要使蒸汽的压力和流量以及培养基的流量比较稳定。力和流量以及培养基的流量比较稳定。n由于真空的影响，在蒸发室下面要装一台出料由于真空的影响，在蒸发室下面要装一台出料泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面10m10m以上的以上的高处。高处。3.3.板式换热器的灭菌流程板式换热器的灭菌流程n培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维持及冷却的过程。维持及冷却的过程。采用螺旋板换热器综合利用热采用螺旋板换热器综合利用热能的连消工艺能的连消工艺 配料罐 打料泵流量计换热
28、器B换热器A加热器管式维持器特点：特点：n利用薄板换热器进行连续灭菌时，加热利用薄板换热器进行连续灭菌时，加热和冷却培养液所需的时间比使用喷射式和冷却培养液所需的时间比使用喷射式连续灭菌稍长，但灭菌周期则较间歇灭连续灭菌稍长，但灭菌周期则较间歇灭菌小得多。菌小得多。n由于待灭菌培养液的预热过程同时为灭由于待灭菌培养液的预热过程同时为灭菌培养液的冷却过程，所以节约了加热菌培养液的冷却过程，所以节约了加热蒸汽及冷却水的消耗。蒸汽及冷却水的消耗。板式热交换器连续灭菌温度时间关板式热交换器连续灭菌温度时间关系图系图 复复 习习 题题1.实罐灭菌的操作过程实罐灭菌的操作过程 2.画出连消塔加热的培养液连
29、续加热灭菌流画出连消塔加热的培养液连续加热灭菌流程示意图。程示意图。3.画出喷射加热连续灭菌流程示意图画出喷射加热连续灭菌流程示意图.4.画出薄板换热器连续灭菌流程示意图。画出薄板换热器连续灭菌流程示意图。5.三种连续灭菌流程的特点是什么？三种连续灭菌流程的特点是什么？6.双酶糖化法的工艺流程及主要设备？双酶糖化法的工艺流程及主要设备？2 2、酶解设备、酶解设备 酶解分为液化和糖化两步。酶解分为液化和糖化两步。（1 1）液化）液化 升温液化法、高温液化法和喷射液化法。升温液化法、高温液化法和喷射液化法。液化桶喷射液化器进料桶淀粉乳桶出料控制蒸汽温度控制淀粉乳图2-45 喷射液化设备流程图喷射液化器构造示意图 喷射液化器加热处理真空快速冷却淀粉乳液化酶蒸汽冷却水液化冷却糖化酶酸泵蒸汽 冷凝水液化酶糖化过滤图2-48 管道3-段连续液化流程图（2 2）糖化）糖化MM1234566789101112131415161718水蒸气淀粉碱液氯化钙淀粉酶回流糖化酶图2-49 双酶法制糖工艺流程图1-调浆配料槽 2，8-过滤器 3，9，14，17-泵 4，10-喷射加热器 5-缓冲器 6-液化层流罐 7-液化液贮槽 11-灭酶罐 12-板式换热器 13-糖化罐 15-压滤机 16-糖化暂贮槽 18-贮糖槽
