现代酶工程268电子教案课件.ppt

第一节第一节 生物质原料筛选与分级生物质原料筛选与分级 生物加工原料在很多情况下往往会混入沙土、石子生物加工原料在很多情况下往往会混入沙土、石子甚至金属等杂物。进行生产前，必须先将原料中混杂的甚至金属等杂物。进行生产前，必须先将原料中混杂的杂物除去。所以在生产前，原料的除杂、筛选与分级处杂物除去。所以在生产前，原料的除杂、筛选与分级处理是十分必要的。理是十分必要的。一、筛选与分级设备一、筛选与分级设备二、筛选设备二、筛选设备一、筛选与分级设备一、筛选与分级设备（一）磁力除铁器（一）磁力除铁器（二）精选机（二）精选机 目的是将夹杂在原料中的小铁块、螺丝等金属杂物除去，磁选设备分永磁目的是将夹杂在原料中的小铁块、螺丝等金属杂物除去，磁选设备分永磁溜管和永磁滚筒。溜管和永磁滚筒。颗粒状的生物质原料（如大麦、小麦）等必须进行精选和分级，其主要原颗粒状的生物质原料（如大麦、小麦）等必须进行精选和分级，其主要原理是按颗粒长度进行分级，以除去不必要的杂粒，有滚筒精选机和碟片精选机理是按颗粒长度进行分级，以除去不必要的杂粒，有滚筒精选机和碟片精选机两种两种。二、筛选设备二、筛选设备为保证生产质量，生产过程又往往将粒度不同的物料加以分级，这也要为保证生产质量，生产过程又往往将粒度不同的物料加以分级，这也要用筛子来完成，发酵工厂中常用的是振动筛和转筒筛。用筛子来完成，发酵工厂中常用的是振动筛和转筒筛。第二节第二节 生物质原料的粉碎生物质原料的粉碎 在以固体生物质为原料的生物反应生产过程中，对原在以固体生物质为原料的生物反应生产过程中，对原料粉碎的效果好坏，不仅直接反映出粉碎操作的合理性和料粉碎的效果好坏，不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性，而且会间接影响到下一工序如蒸煮、浸出、水解经济性，而且会间接影响到下一工序如蒸煮、浸出、水解（酸解和酶解）和发酵等的效果和效率。（酸解和酶解）和发酵等的效果和效率。（一）锤式粉碎机（一）锤式粉碎机（二）辊式粉碎机（二）辊式粉碎机（三）湿式粉碎机（三）湿式粉碎机（四）球磨机（四）球磨机（五）切片机（五）切片机（六）超细粉碎机（六）超细粉碎机（七）纳米粉碎机（七）纳米粉碎机（一）锤式粉碎机（一）锤式粉碎机 锤式粉碎机最大特点是具有很高的破碎比（达锤式粉碎机最大特点是具有很高的破碎比（达1050）这是其他粉）这是其他粉碎机不能比拟的。此外单位产量能耗低、构造简单、结构紧凑、生产能碎机不能比拟的。此外单位产量能耗低、构造简单、结构紧凑、生产能力高等都是锤式粉碎机的优点。力高等都是锤式粉碎机的优点。（二）辊式粉碎机（二）辊式粉碎机 辊式粉碎机广泛用于破碎粘性和湿物料块。啤酒厂粉碎麦芽和大米辊式粉碎机广泛用于破碎粘性和湿物料块。啤酒厂粉碎麦芽和大米都是用辊式粉碎机，常用的有两辊式、四辊式、无辊式和六辊式等。都是用辊式粉碎机，常用的有两辊式、四辊式、无辊式和六辊式等。（三）湿式粉碎机（三）湿式粉碎机 生物加工工厂中，粉碎原料时，往往会逸出较多的粉尘，影响环境。这生物加工工厂中，粉碎原料时，往往会逸出较多的粉尘，影响环境。这是干法粉碎的一个不足之处。为了避免这一缺点，在某些产品的生产过程中，是干法粉碎的一个不足之处。为了避免这一缺点，在某些产品的生产过程中，采用湿式粉碎操作，其所用到的粉碎机称为湿式粉碎机。湿式粉碎设备主要采用湿式粉碎操作，其所用到的粉碎机称为湿式粉碎机。湿式粉碎设备主要包括：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。包括：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。（四）球磨机（四）球磨机 球磨机是目前工业上广泛应用的粉磨机械。合理的选择粉磨设备和工球磨机是目前工业上广泛应用的粉磨机械。合理的选择粉磨设备和工艺流程非常重要，因为粉磨设备的动力消耗和投资占有很大的经济比重。艺流程非常重要，因为粉磨设备的动力消耗和投资占有很大的经济比重。（五）切片机（五）切片机 对生物质原料的粉碎处理，根据加工工艺的不同，对粉碎后的原料形对生物质原料的粉碎处理，根据加工工艺的不同，对粉碎后的原料形状有不同的要求，有的要求是粉状的，有的要求是块状或片状的。要求块状有不同的要求，有的要求是粉状的，有的要求是块状或片状的。要求块状或片状的粉碎，这时要求用到切片机。状或片状的粉碎，这时要求用到切片机。（六）超细粉碎机（六）超细粉碎机 生物材料的超细粉碎除了使产品的粒度微细化外，还需保持产品的有生物材料的超细粉碎除了使产品的粒度微细化外，还需保持产品的有效成分及营养物质不受氧化和损坏，不引入污染杂质，尽可能保持和改善效成分及营养物质不受氧化和损坏，不引入污染杂质，尽可能保持和改善产品的生化特性和风味等；另外，生物材料一般多含水分、纤维素、糖分、产品的生化特性和风味等；另外，生物材料一般多含水分、纤维素、糖分、蛋白质及其它生物活性物质，使得加工过程中粘度大、韧性强、抗热性差，蛋白质及其它生物活性物质，使得加工过程中粘度大、韧性强、抗热性差，因而使物料的粉碎和分级较为困难。因而使物料的粉碎和分级较为困难。（七）纳米粉碎机（七）纳米粉碎机 纳米粒子一般是指颗粒尺寸在纳米粒子一般是指颗粒尺寸在1nm到到100nm之间具有量子尺寸效应、小尺之间具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应的超细粒子，该粒子具有的比表面积、寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应的超细粒子，该粒子具有的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力很大，且随粒径的下降急剧增加，因而展现出表面原子数、表面能和表面张力很大，且随粒径的下降急剧增加，因而展现出许多特有的性质。许多特有的性质。第三节第三节 生物质原料固体间的混合生物质原料固体间的混合 在生物加工的过程中，固体间的混合也是操作单在生物加工的过程中，固体间的混合也是操作单元之一。固体间的混合与气体间的混合有很大的差别。元之一。固体间的混合与气体间的混合有很大的差别。气体通过分子扩散，互相掺合，最终自动达到均匀混气体通过分子扩散，互相掺合，最终自动达到均匀混合。而固体间混合需要外加机械作用才能进行。因固合。而固体间混合需要外加机械作用才能进行。因固体粒子形状、粒径、密度等各不相同，各成分在混合体粒子形状、粒径、密度等各不相同，各成分在混合的同时伴随着分离现象，所以固体间的混合不能达到的同时伴随着分离现象，所以固体间的混合不能达到完全的均匀，只能达到总体的均匀而不能达到局部的完全的均匀，只能达到总体的均匀而不能达到局部的均匀性。均匀性。（一）固体混合的机理（一）固体混合的机理（二）混合设备（二）混合设备（一）固体混合的机理（一）固体混合的机理 固体粒子在混合器内混合时，会发生对流、剪切、固体粒子在混合器内混合时，会发生对流、剪切、扩散等三种不同运动形式，形成三种不同的混合：扩散等三种不同运动形式，形成三种不同的混合：对流混合对流混合2剪切混合剪切混合3扩散混合扩散混合（二）混合设备（二）混合设备 混合设备有两种，一种是不能转动的固定型混合机；一种是可以混合设备有两种，一种是不能转动的固定型混合机；一种是可以转动的回旋型混合机。转动的回旋型混合机。1回旋型混合机回旋型混合机2固定型混合机固定型混合机（1）搅拌槽式混合机）搅拌槽式混合机（2）锥形混合机）锥形混合机（3）回转圆板型混合机）回转圆板型混合机（4）流动型混合机）流动型混合机 The End第二章第二章 生物细胞培养基制备过程与设备生物细胞培养基制备过程与设备l所有的生物细胞都要不断地同外界进行物质和能量交换，都要进行新陈代谢，才能表现出生命活动，这时，就需要营养物质。生物技术产业中大多数都利用纯种培养技术，这就要求对培养基中已有的杂菌进行去除或杀灭。第一节第一节 液体培养基的灭菌液体培养基的灭菌第二节第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化淀粉质原料的蒸煮与糖化第三节第三节 纤维素和半纤维素的水解纤维素和半纤维素的水解第四节第四节 糖蜜原料的稀释与澄清糖蜜原料的稀释与澄清第五节第五节 啤酒生产中麦芽汁的制备设备啤酒生产中麦芽汁的制备设备第六节第六节 淀粉水解制糖淀粉水解制糖第七节第七节 固体培养基制备固体培养基制备第一节第一节 液体培养基的灭菌液体培养基的灭菌一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素二、连续灭菌流程及设备二、连续灭菌流程及设备三、分批灭菌过程与设备三、分批灭菌过程与设备一、湿热灭菌原理和影响灭菌的一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素因素 营养成分的减少将影响菌种的培养和产物的生成，所以灭菌程度和营营养成分的减少将影响菌种的培养和产物的生成，所以灭菌程度和营养成分的破坏成为灭菌工作中的主要矛盾，恰当掌握加热温度和受热时间养成分的破坏成为灭菌工作中的主要矛盾，恰当掌握加热温度和受热时间是灭菌工作的关键。是灭菌工作的关键。（一）灭菌动力学（一）灭菌动力学微生物受热而破坏是指其生活能力微生物受热而破坏是指其生活能力丧失，微生物热死灭原因是细胞内丧失，微生物热死灭原因是细胞内的反应。的反应。（2）温度对死亡速率的影响）温度对死亡速率的影响图图2-2 微生物死亡与温度的关系微生物死亡与温度的关系二、连续灭菌流程及设备二、连续灭菌流程及设备 培养基灭菌应尽量采用高温短时间的连续灭菌。培养基经连续加热、培养基灭菌应尽量采用高温短时间的连续灭菌。培养基经连续加热、维持和冷却后进入发酵罐。培养基的连续灭菌，就是将配好的培养基在维持和冷却后进入发酵罐。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（一）连消塔（一）连消塔喷淋冷却流程喷淋冷却流程（三）板式换热器灭菌流程（三）板式换热器灭菌流程（二）喷射加热（二）喷射加热真空冷却流程真空冷却流程（四）设备构造和计算（四）设备构造和计算1连消塔又称加热器，是培养基于蒸汽混合加热至灭菌温度的设备。生连消塔又称加热器，是培养基于蒸汽混合加热至灭菌温度的设备。生产中一般用产中一般用0.50.8Mpa的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。三、分批灭菌过程与设备三、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。常也称为实罐灭菌。（一）分批灭菌操作要点（一）分批灭菌操作要点（二）分批灭菌的操作（二）分批灭菌的操作（三）分批灭菌的计算（三）分批灭菌的计算分批灭菌的计算主要是确定分批灭菌的计算主要是确定灭菌的时间。如果把微生物灭菌的时间。如果把微生物的热死亡动力学公式与阿累的热死亡动力学公式与阿累尼乌斯公式相结合，则可得尼乌斯公式相结合，则可得第二节第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化淀粉质原料的蒸煮与糖化一、连续蒸煮糖化一、连续蒸煮糖化二、间歇蒸煮糖化二、间歇蒸煮糖化 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。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。化、冷却等不同工艺操作，整个过程连续化。二、间歇蒸煮糖化二、间歇蒸煮糖化（一）间歇蒸煮（一）间歇蒸煮1蒸煮设备蒸煮设备（二）间歇糖化工艺（二）间歇糖化工艺间歇糖化法的工艺流程：间歇糖化法的工艺流程：蒸煮醪蒸煮醪糖化锅加水冷却糖化锅加水冷却（12060）加酸十加曲十糖化十冷却）加酸十加曲十糖化十冷却（6030）发酵罐（或酒母罐）发酵罐（或酒母罐）第三节第三节 纤维素和半纤维素的水解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、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。生物加工成有用的物质，如生物能源等。一、蒸汽爆裂法一、蒸汽爆裂法二、稀酸预处理法二、稀酸预处理法三、酸酶水解法三、酸酶水解法一、蒸汽爆裂法一、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，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、稀酸预处理法二、稀酸预处理法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，这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，这是该法的一大特点，只要很好地将后者利用，则它将是一种有发展前途的是该法的一大特点，只要很好地将后者利用，则它将是一种有发展前途的预处理方法预处理方法。（一）影响酸水解的因素（一）影响酸水解的因素（二）稀酸水解生产流程和设备（二）稀酸水解生产流程和设备三、酸酶水解法三、酸酶水解法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。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。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。第二段水解获得的葡萄糖液为酸性，用石灰乳中和解、微波降解和酶解等方法。第二段水解获得的葡萄糖液为酸性，用石灰乳中和成硫酸钙成硫酸钙，过滤得清净糖液。，过滤得清净糖液。第四节第四节 糖蜜原料的稀释与澄清糖蜜原料的稀释与澄清一、糖蜜稀释器一、糖蜜稀释器二、糖蜜原料的澄清二、糖蜜原料的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。程。一、糖蜜稀释器一、糖蜜稀释器（一）水平式糖蜜连续稀释器（一）水平式糖蜜连续稀释器（二）立式糖蜜连续稀释器（二）立式糖蜜连续稀释器（三）连续稀释器（三）连续稀释器二、糖蜜原料的澄清二、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，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。以达到发酵的要求。1加酸通用处理法加酸通用处理法2加热加酸沉淀法加热加酸沉淀法3絮凝剂澄清处理法絮凝剂澄清处理法4酸化澄清设备酸化澄清设备澄清罐的总体积：澄清罐的总体积：第五节第五节 啤酒生产中麦芽汁的制备设备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于全世界第三位。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于全世界第三位。影响啤酒的产量和质量的关键因素之一是麦芽汁的制备。麦芽汁是啤酒酵母的培影响啤酒的产量和质量的关键因素之一是麦芽汁的制备。麦芽汁是啤酒酵母的培养基。养基。一、糊化锅一、糊化锅二、糖化锅二、糖化锅三、过滤槽三、过滤槽四、麦汁煮沸锅四、麦汁煮沸锅五、糖化醪过滤槽五、糖化醪过滤槽一、糊化锅一、糊化锅 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。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。1糊化锅的构造糊化锅的构造2糊化锅的容积糊化锅的容积3加热面积的计算加热面积的计算二、糖化锅二、糖化锅l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，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1/301/50。三、过滤槽三、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。（一）型式与构造（一）型式与构造（二）有关参数（二）有关参数1麦槽层厚度麦槽层厚度2过滤面积的确定过滤面积的确定3过滤槽容积的确定过滤槽容积的确定4过滤槽内耕槽的转速过滤槽内耕槽的转速5过滤槽槽底与筛板的间距过滤槽槽底与筛板的间距四、麦汁煮沸锅四、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，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。使酒花中所含的苦味及芳香物质进入麦汁中。（一）型式与结构（一）型式与结构（二）容积计算（二）容积计算（三）有关参数（三）有关参数五、糖化醪过滤槽五、糖化醪过滤槽糖化醪的过滤是啤酒厂获得澄清麦汁的一个关键设备，主要用于醪液的糖化和麦汁的糖化醪的过滤是啤酒厂获得澄清麦汁的一个关键设备，主要用于醪液的糖化和麦汁的过滤。过滤。糖化醪过滤槽的结构糖化醪过滤槽的结构 第六节第六节 淀粉水解制糖淀粉水解制糖用于制备淀粉的原料主要为薯类、玉米、小麦、大米等富含淀粉的农产用于制备淀粉的原料主要为薯类、玉米、小麦、大米等富含淀粉的农产品。根据原料淀粉的性质及采用的催化剂不同，淀粉水解为葡萄糖的方品。根据原料淀粉的性质及采用的催化剂不同，淀粉水解为葡萄糖的方法有酸解法、酶解法、以及酸酶结合法等。法有酸解法、酶解法、以及酸酶结合法等。一、酸解法一、酸解法二、酶解法二、酶解法一、酸解法一、酸解法酸解法又称酸糖化法，它是以酸为催酸解法又称酸糖化法，它是以酸为催化剂在高温下将淀粉水解转化为葡萄化剂在高温下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。糖的方法。（一）加压罐水解糖化（一）加压罐水解糖化（二）管道水解糖化（二）管道水解糖化二、酶解法二、酶解法酶解法是利用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的方法酶解法是利用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的方法 第一步，利用第一步，利用淀粉酶将淀粉液化；第二步，利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水淀粉酶将淀粉液化；第二步，利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解转化为葡萄糖。生产上这两步分别称为液化和糖化。解转化为葡萄糖。生产上这两步分别称为液化和糖化。（一）液化（一）液化（二）糖化（二）糖化 其工艺过程如下：其工艺过程如下：液化液化糖化糖化灭酶灭酶过滤过滤贮糖计量贮糖计量发酵发酵第七节第七节 固体培养基制备固体培养基制备一、固体培养基的制备方法及其设备一、固体培养基的制备方法及其设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。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。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。在制造酶制剂、菌肥、发酵饲料、固态发酵所用的培养基为固体培养基。在制造酶制剂、菌肥、发酵饲料、饲料添加剂、食品添加剂以及一些东方发酵食品中广泛采用。所以，研制饲料添加剂、食品添加剂以及一些东方发酵食品中广泛采用。所以，研制一种新型的固体发酵生物反应器，并研究固体发酵工艺，克服现有反应器一种新型的固体发酵生物反应器，并研究固体发酵工艺，克服现有反应器的缺点，可以将固体发酵推上一个新的台阶，促进我国生物技术的发展，的缺点，可以将固体发酵推上一个新的台阶，促进我国生物技术的发展，具有十分重要的意义。具有十分重要的意义。一、固体培养基的制备方法及其设备一、固体培养基的制备方法及其设备固体培养基的碳源主要来自小麦、麸皮、玉米、碎米、大麦、高梁、米糠等淀粉固体培养基的碳源主要来自小麦、麸皮、玉米、碎米、大麦、高梁、米糠等淀粉质原料，氮源主要来自大豆、豆粕、豆饼、花生饼、蚕豆、豌豆等蛋白质原料。质原料，氮源主要来自大豆、豆粕、豆饼、花生饼、蚕豆、豌豆等蛋白质原料。（一）各种工艺组合的培养基制备方法（一）各种工艺组合的培养基制备方法1润水设备润水设备2蒸煮设备蒸煮设备（1）常压蒸煮锅）常压蒸煮锅（2）加压蒸煮锅）加压蒸煮锅（3）集搅拌、蒸煮、）集搅拌、蒸煮、冷却于一体的蒸煮灭菌冷却于一体的蒸煮灭菌设备设备（4）连续蒸煮设备）连续蒸煮设备The End第一节第一节 液体输送设备液体输送设备l一、离一、离 心心 泵泵l二、往复泵二、往复泵l三、其他类型的泵三、其他类型的泵生产过程中常需要把液体从一个设备通生产过程中常需要把液体从一个设备通过管道输送到另一个设备被输送的液体，过管道输送到另一个设备被输送的液体，性质各异因此生产上就需要采用各种不性质各异因此生产上就需要采用各种不同结构、不同材质的液体输送机械根据同结构、不同材质的液体输送机械根据其作用原理，大致可分为其作用原理，大致可分为:一、离一、离 心心 泵泵（二）工作原理（二）工作原理（三）离心泵的主要性能参数（三）离心泵的主要性能参数（四）离心泵特征曲线（四）离心泵特征曲线（五）离心泵的气蚀现象（五）离心泵的气蚀现象（六）离心泵的吸入高度（六）离心泵的吸入高度（一）（一）离心泵装置及其结构图3-1为离心泵装置简图。它由泵、吸入系统和排出系统三部分组成。吸入系统有吸入贮槽、吸入管、底阀、滤网。排出系统有排出贮槽、排出管、逆止阀、调节阀等。离心力的作用下液体被抛出，叶轮外周压力增高，叶轮中心形成真空。这样，叶轮在旋转过程中，一面不断吸入液体，一面又不断给吸入的液体以一定能量并送入排出管。包括：流量、压头(扬程)、效率、转速、功率、气蚀余量（吸上真空度）等。主要性能参数有压头、流量、效率等。1压头H单位质量液体流过泵后能量的增值称为压头，一般以符号H表示，单位为m。2流量是指泵在单位时间内由泵的排液口排出的液体量，通常以体积流量来表示，单位习惯上用m3/h表示。单位时间内泵的泄漏量；它既包括所有不经过排液管而漏到泵体外部泄漏，也包括从泵作功部件出来后仍漏回泵吸液处的内部泄漏3轴功率、有效功率和效率有效功率：轴功率：H泵的压头Q泵的流量液体密度效率（1）压头随流量的改变而改变的规律，流量增大，压头下降；（2）功率随流量的增大而上升，泵在启动前应关闭出口阀，以减小电动机的启动电流，避免电动机因负荷大而受损；（3）效率开始随流量的增大而上升，达到一最大值后随流量的增大而下降。（七）离心泵的选择叶轮进口形成了低压，当压力降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾，生成气泡向外周流动。压力迅速加大而急剧冷凝，液体以很大速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高，瞬时压力很大的冲击。这种现象就称为气蚀现象。如何防止？如何防止？为了防止气蚀现象，泵的安装高度不超过某一定值，使泵入口处e的压力Pe应高于液体的饱和蒸汽压Pv，即气蚀余量大于泵刚好发生气蚀时的最小气蚀余量。Pe泵入口压力Ue泵入口管的液体流速Pv液体的饱和蒸汽压液体的密度根据系统所需的扬程与流量就可以很方便地在图上选得合适的离心泵型号。二、往复泵二、往复泵对于单动泵：对于双动泵：Q理论流量，m3/min；F活塞的截面积，m2；D活塞直径，m；s活塞冲程，m；n每分钟活塞往复的次数；f活塞柱的截面积，m2。三、其他类型的泵三、其他类型的泵l（一）旋涡泵（一）旋涡泵l（二）齿轮泵（二）齿轮泵l（三）螺杆泵（三）螺杆泵第二节第二节 气体输送设备气体输送设备l一、空气压缩机一、空气压缩机l二、离心通风机二、离心通风机l三、离心鼓风机三、离心鼓风机一、空气压缩机一、空气压缩机（一）涡轮式空压机（一）涡轮式空压机（二）往复式空压机（二）往复式空压机由电动机通过增速装置直接带动涡轮高速旋转，将空由电动机通过增速装置直接带动涡轮高速旋转，将空气吸入并使之获得较高的离心力，甩向叶轮外圆周，气吸入并使之获得较高的离心力，甩向叶轮外圆周，部分动能转变为静压能，由压出管排出。部分动能转变为静压能，由压出管排出。往复式空压机的结构和工作原理类似于往复泵，往复式空压机的结构和工作原理类似于往复泵，但因操作时气体受压发热，故在气缸外需有冷却但因操作时气体受压发热，故在气缸外需有冷却装置。装置。空气压缩机所需消耗理论功率可用下式表示：空气压缩机所需消耗理论功率可用下式表示：N理论功率，kgm/min，16210kgm/min；P1、P2分别为压缩前后的空气压强，kg/cm2；V1空压机的吸气量，m3/min；m空气多变指数，=1.251.30。二、离心通风机二、离心通风机（一）离心通风机的结构（一）离心通风机的结构（二）离心通风机的主要性能参数（二）离心通风机的主要性能参数（三）离心通风机的特性曲线（三）离心通风机的特性曲线（四）离心通风机的选用（四）离心通风机的选用由机壳、叶轮、轴等部件组成，叶片有平直、后弯、前弯几种。1风压风压2风量风量Q就是气体通过泵进口的体积流率，单位为m3/h，气体的体积由进口状况决定。3功率与效率N轴功率，kW；Q实际风量，m3/h；Pt风压，Pa；全压效率，一般约为7090。选用离心通风机时，应先根据所输送气体的性质与风压范围，确定风机类型，然后再根据所要求的风量与全压，从产品样本或规格目录中的特性曲线或性能表格中查得适宜的类型和机号。国产离心通风机，常用的有4-73（4-72）型，9-19型和9-26型。例如9-19NO14。机号中的数字代表叶轮直径mm数的1/100。其他符号说明详见产品样本。三、离心鼓风机三、离心鼓风机外形与离心泵相像，外壳直径与宽度之比较大，离心鼓风机能达到较大的风压。第三节第三节 固体输送设备固体输送设备l机械输送机械输送u一、带式输送机一、带式输送机u二、斗式提升机二、斗式提升机u三、螺旋输送机三、螺旋输送机u四、刮板输送机四、刮板输送机l气力输送气力输送u五、气力输送设备五、气力输送设备一、带式输送机一、带式输送机（一）带式输送机的结构和应用（一）带式输送机的结构和应用（二）生产能力和功率消耗的计算（二）生产能力和功率消耗的计算主要构件包括：输送带、鼓轮、张紧装置、支架和托辊等。有的还附有加料和中途卸载设备。输送带既是承载构件，又是牵引构件，主要有橡胶带、塑料带、钢带等几种，一般采用多层的橡胶带。1输送量的计算q带上单位长度的负荷，kg/m；V带的运行速度，m/s；2功率计算N带式输送机功率，kW；H提升高度，m，上升为正，下降为负；K系数，表3-2所示；L输送机长度，m；Q输送能力，t/h；V输送带速度，m/s；K1起动附加系数，1.31.8；A系数二、斗式提升机二、斗式提升机（一）斗式提升机的结构和应用（一）斗式提升机的结构和应用（二）生产能力和消耗功率的计算（二）生产能力和消耗功率的计算主要由传动的滚轮、张紧的滚轮、环形牵引带或链、斗子、机壳和装、主要由传动的滚轮、张紧的滚轮、环形牵引带或链、斗子、机壳和装、卸料装置等几种部分组成。卸料装置等几种部分组成。斗式提升机的装料方法分掏取式和喂入式两种斗式提升机的装料方法分掏取式和喂入式两种，掏取式装料是从提升机，掏取式装料是从提升机下部的加料口处下部的加料口处，喂入式装料就是把物料直接加入到运动着的料斗中，喂入式装料就是把物料直接加入到运动着的料斗中。1生产能力计算生产能力计算i料斗容积，料斗容积，m3；a料斗间距，料斗间距，m；v运行速度，运行速度，m/s；物料堆积密度，物料堆积密度，kg/m3；料斗的充填系数，粉状及细粒干燥物料料斗的充填系数，粉状及细粒干燥物料=0.750.95，谷物，谷物=0.700.90。2功率计算功率计算Q生产能力，生产能力，t/h；H提升高度，提升高度，m；总效率，总效率，0.30.8。三、螺旋输送机三、螺旋输送机（一）螺旋输送机的结构和应用（一）螺旋输送机的结构和应用（二）生产能力的计算（二）生产能力的计算物料由于重力和对槽壁的摩擦力作用，在运动中不随螺旋旋转，而是以滑物料由于重力和对槽壁的摩擦力作用，在运动中不随螺旋旋转，而是以滑动形式沿料槽移动。动形式沿料槽移动。Q生产能力，生产能力，t/h；D螺旋的直径，螺旋的直径，m；s螺距，螺距，m；n螺旋每分钟的转数，螺旋每分钟的转数，r/min；物料的密度，物料的密度，t/m3；槽的装满系数槽的装满系数 =0.1250.4，麦皮、米糠，麦皮、米糠=0.25，粮粒，粮粒=0.33。c倾斜系数倾斜系数 0时时c=0.9，10时时c=0.8，15时时c=0.77，20时时c=0.65。四、刮板输送机四、刮板输送机（一）刮板输送机的基本原理（一）刮板输送机的基本原理（二）生产能力和输送机的功率的计算（二）生产能力和输送机的功率的计算被输送的物料受到刮板链条在运动方向的压力和自身重量的作用，在物料之间被输送的物料受到刮板链条在运动方向的压力和自身重量的作用，在物料之间产生了内摩擦力产生了内摩擦力，保证了物料堆形成稳定状态，不至于在输送过程中发生翻，保证了物料堆形成稳定状态，不至于在输送过程中发生翻滚现象滚现象。内摩擦力又足以克服物料在料槽内移动时料槽对物料的外摩擦阻力，。内摩擦力又足以克服物料在料槽内移动时料槽对物料的外摩擦阻力，使物料成为连续整体的料流而被输送。使物料成为连续整体的料流而被输送。1刮板输送机的生产能力计算刮板输送机的生产能力计算设备生产能力，设备生产能力，T/h，必须大于或等于设计所要求的最大生产率，必须大于或等于设计所要求的最大生产率Q；料槽宽度，料槽宽度，m；h料槽高度，料槽高度，m，即指垂直段的机壳高度；，即指垂直段的机壳高度；V刮板链条运行速度，刮板链条运行速度，m/s，一般为，一般为0.10.5m/s；被输送物料的容重，被输送物料的容重，T/m；输送机的输送效率，一般为输送机的输送效率，一般为0.70.9之间。之间。2刮板输送机的功率计算刮板输送机的功率计算五、气力输送设备五、气力输送设备（一）基本认识（一）基本认识（二）气力输送系统的组成设备（二）气力输送系统的组成设备气力输送是利用气流在密闭管道中输送固体物料的一种输送方法气力输送是利用气流在密闭管道中输送固体物料的一种输送方法，也就，也就是利用具有一定压力和一定速度的气流，来输送固体物料的一种输送装是利用具有一定压力和一定速度的气流，来输送固体物料的一种输送装置，气力输送又称为风力输送。置，气力输送又称为风力输送。3空气除尘装置空气除尘装置2物料分离装置物料分离装置1进料装置进料装置The End第一节第一节 空气除菌过程与设备空气除菌过程与设备l一、空气除菌和灭菌方法一、空气除菌和灭菌方法l二、空气过滤除菌流程二、空气过滤除菌流程l三、空气预处理过程设备三、空气预处理过程设备l四、介质过滤除菌四、介质过滤除菌一、空气除菌和灭菌方法一、空气除菌和灭菌方法超声波、高能阴极射线、超声波、高能阴极射线、X射线、射线、射线、射线、射线、紫外线理论上都能破射线、紫外线理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。但由于具体的杀菌机理不是很清楚，目前坏蛋白质活性而起杀菌作用。但由于具体的杀菌机理不是很清楚，目前应用较广泛的还是紫外线。应用较广泛的还是紫外线。（二）热灭菌法（二）热灭菌法依靠加热后使微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死亡依靠加热后使微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死亡（三）静电除菌（三）静电除菌利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的，当产生的引力等于利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗运动的动量时，微粒就不能被吸附或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗运动的动量时，微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。（四）介质过滤除菌（四）介质过滤除菌目前生物加工过程中最常用的获得大量无菌空气的常规方法目前生物加工过程中最常用的获得大量无菌空气的常规方法：一类是介质：一类是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结的目的，这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的孔隙小于细菌，材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。菌，有时称之为绝对过滤。（一）辐射杀菌（一）辐射杀菌二、空气过滤除菌流程二、空气过滤除菌流程（一）两级冷却、加热除菌流程（一）两级冷却、加热除菌流程（二）冷热空气直接混合式空气除菌流程（二）冷热空气直接混合式空气除菌流程（三）高效前置过滤空气除菌流程（三）高效前置过滤空气除菌流程（四）利用热空气加热冷空气的流程（四）利用热空气加热冷空气的流程特点是两次冷却、两次分离、适当加热。特点是两次冷却、两次分离、适当加热。空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，省去第二次冷却后的分离，省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单设备和空气加热设备，流程比较简单。利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机机，再经冷却、分离，进入主过滤器过滤，就可获得无菌程度很高的，再经冷却、分离，进入主过滤器过滤，就可获得无菌程度很高的空气。空气。利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。对湿度。三、空气预处理过程设备三、空气预处理过程设备（一）空气预处理的作用与原理（一）空气预处理的作用与原理（二）空气预处理