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1、2、培养基准备及培养基的灭菌设备,培养基的灭菌,灭菌：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。,发酵工业需纯种培养，若在培养过程中污染杂菌，则会导致：,基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生产能力的下降；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；改变反应介质的pH，使生物反应发生变化；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。对大部分微生物的培养，均需严格的灭菌。,灭菌方法,常用的灭菌方法有：（1）化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、高锰酸钾、环氧乙烷等；（2）射线灭菌：x-射线、-射线、紫外线；（3）干热灭菌；（4）湿热灭菌；（5）过滤除菌对于液
2、体培养基，我国仍采用蒸汽加热灭菌的较多。,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：,上式积分：,得：,对数残留公式与理论灭菌时间,培养基热灭菌的动力学,液体培养基的制备及杀菌设备,培养基热灭菌的动力学,灭菌温度与菌死亡的反应速率常数的关系,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,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
3、实消）空罐灭菌（空消）连续灭菌（连消）过滤器及管道灭菌,（一）实罐灭菌的计算,又称：间歇灭菌、分批灭菌、实消将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，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。,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,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，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，特别要检查与发酵罐直接相连的阀门的严密性。,2实罐灭菌操作过程,根据实罐灭菌过程，
4、用表压0.30.4MPa的饱和蒸汽把培养基先加热升温到灭菌温度，保温维持一段时间，再冷却降温到发酵温度。,实罐灭菌操作过程,升温阶段保温阶段培养基冷却阶段,实罐灭菌过程中要牢记：,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汽。,实罐灭菌的质量优劣判别标准,培养基灭菌后达到无菌要求；营养成分破坏少；灭菌后培养基体积与计料体积相符；泡沫要少。,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,在工业化发酵生产中通常不考虑培养基由室温升至12
5、1和由121冷却到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罐灭菌的时间。,培养基实罐灭菌时间的计算,培养基实罐灭菌时间的计算,发酵罐体积在40m3以下，可以不考虑加热升温阶段的灭菌效应，这样可以避免复杂的变温灭菌过程的计算。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分破坏过大。,分批灭菌（实罐灭菌）,灭菌时间的计算例：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：,若考虑加热升温阶段的灭菌
6、效应,升温阶段,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,升温阶段间接加热,培养基实罐灭菌过程的热量计算,升温阶段,培养基实罐灭菌过程的热量计算,升温阶段直接加热,培养基实罐灭菌过程的热量计算,保温阶段,培养基实罐灭菌过程的热量计算,保温阶段,培养基实罐灭菌过程的热量计算,冷却阶段,冷却水流量的计算,冷却时间的计算,冷却时间的计算,（二）连续灭菌的设备及计算,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、保温和冷却而进行灭菌。工厂里也称连消。,连续灭菌流程的优点,（1）提高产量，设备利用率高。（2）与分批灭菌比较，培养液受
7、热时间短，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，操作方便。（4）降低了劳动强度，适用于自动控制。,连续灭菌系统设备,培养基连续灭菌系统设备由配料罐（池）、送料泵、预热罐、连消泵、加热器、维持罐和冷却器7个关键设备组成,连续灭菌系统设备流程,灭菌时间的计算例：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：,连续灭菌流程,连续灭菌系统设备,1、配料罐：用于培养基的配制2、预热罐：定容和预热预热目的：使培养基在后续的加热过程中能
8、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养基，减少震动和噪声。,3.连消泵,输送培养基的泵一般可采用离心泵、旋涡泵、往复泵等。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。,4、加热器,目的：使培养基在较短的时间（2030s）快速升温。目前加热器使用得最广泛的加热器有塔式加热器和喷射式加热器。,塔式加热器,又称连消塔、连消器，这是一种汽液混合型加热装置,塔式加热器的设计,a加热蒸汽的用量：,b塔式加热器蒸汽导入管径,c.加热塔塔身内径,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,蒸汽导入管的小孔与管壁的夹角呈45o，小孔直径可取58mm。小孔总面积=
9、蒸汽导入管截面积的80100,（2）喷射式加热器,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。,1.喷嘴 2.吸入口 3.吸入室 4.混合喷嘴 5.混合段 6.扩大管,喷射式加热器,混合式连消塔,连消加热器,喷射式加热器的计算设计,喷射式加热器设计中，喷嘴的设计是关键。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。喷嘴直径太小会引起堵塞，一般应大于10mm。延长混合段的长度有利于蒸汽与物料的混合。,喷射式加热器的计算设计,a加热塔内物料流量b连消塔的容积 V=（VmVS）,5.保温设备（维持设备）,目的：将培养基维持灭菌温度一段时间，是杀灭微生物的主要过程。,（1）维持罐
10、,（2）管式维持器,可克服维持设备中物料的返混现象。管式维持器外形酷似喷淋换热器，外壁包裹保温层。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。培养基在管式维持器中的流速可取0.30.6m/s，要保证培养基在管式维持器中流动处于活塞流状态。,（3）维持设备的计算与设计,维持罐的计算与设计 a维持罐要做得瘦长些，一般取 H/D=2.02.5最佳。设备外壁要有保温层。b物料在维持罐中停留的时间：根据计算得到的理论灭菌时间（35）倍。在设计中一般取3倍。,维持罐的计算与设计,c维持罐容积,管式维持器的计算与设计,a要使培养基在管道内处于平推流（或称活塞流）状态，Re10000。一般要求培养
11、基流速处于0.250.6m/s。b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，并根据无缝钢管规格进行圆整。,管式维持器的计算与设计,c培养基理论灭菌时间：d求取管式维持器的长度。在Pe1000的前提下可取较小的值。e设备制造完成经密封性试验后，外置保温层。,6、降温设备（冷却设备）,保温后的培养基需迅速降温至接近培养温度（4045）。冷却设备要求严密性好，冷却效率高。,（1）喷淋冷却器,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，料液不易染菌，冷却液呈膜状沿管子外壁向下流动。,喷淋冷却器,（2）螺旋板式换热器,传热效率高，结构紧凑，可缩短冷却时间，降低冷却水用量
12、，还可在室内安装，效果也很好。,（3）真空冷却器,工作原理：在真空下，高温培养基中的水分立即汽化，使培养基本身温度下降。培养基最终被冷却温度取决于设备操作的真空度。本设备安装高度大于10m,液体培养基的制备及杀菌设备,真空冷却器,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：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：（1）真空冷却器内产生的二次蒸汽量：,查水蒸气表和二次蒸汽在65时的汽化潜热 r2343
13、.4kJ/kg,故真空冷却器内产生的二次蒸汽量为：,真空冷却器的计算,与65相对应的真空度为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：,（2）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：,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：,（3）醪液下降管（排醪管）的直径：设糊化醪液密度1090kg/m3，取醪液在排醪管内下降为1m/s，则醪液下降管管径D:,可选用68mm4mm的无缝钢管。,（4）醪液下降管的长度：,选用L=8m。,真空冷却器的计
14、算,1.连消器喷淋冷却流程,其设备主要是连消器，附属装置（设备）是配料池、送料泵、维持罐和喷淋冷却器。特点：热效率高，无菌程度高，适用范围广；热和冷却水消耗量大。,连续灭菌流程,连消器喷淋冷却流程,1.料液罐 2.连消泵 3.连消塔4.维持罐 5.喷淋冷却器,2.喷射加热真空冷却流程,喷射加热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,特点,优点：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，可以保证物料先进先出，避免过热。缺点：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。由于真空的影
15、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10m以上的高处。,3.板式换热器的灭菌流程,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。,采用螺旋板换热器综合利用热能的连消工艺,配料罐,打料泵,流量计,换热器B,换热器A,加热器,管式维持器,特点：,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连续灭菌稍长，但灭菌周期则较间歇灭菌小得多。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，所以节约了加热蒸汽及冷却水的消耗。,板式热交换器连续灭菌温度时间关系图,复 习 题,1.实罐灭菌的操作过程 2.画出连消塔加热的培养液连续加热灭菌流程示意图。3.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。5.三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？,2、酶解设备 酶解分为液化和糖化两步。（1）液化 升温液化法、高温液化法和喷射液化法。,喷射液化器构造示意图,喷射液化器,（2）糖化,
