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1、1,发酵设备,学院：化学工程学院 专业：生物工程 教师： 宋向阳,2,教 材 发酵设备,主编：高孔荣 中国轻工出版社,32 学时,3,第二章 培养基的制备设备,培养基的制备 培养基的灭菌 原料的蒸煮 糖化 蒸汽加热灭菌(生产上) 高温短时间,4,第一节 培养基的灭菌,培养基灭菌方法,A、蒸汽加热 B、化学药物 C、电磁波 D、机械方法,直接 （活汽） 间接 （闭汽）,蒸汽加热,5,一、培养基热灭菌动力学,灭菌微生物受热而破坏导致其生活能力丧失 实质细胞内的反应，即蛋白质高分子物质的不 活性化，进而蛋白质变性。属一级反应,6,（一）灭菌时间（1）,杂菌在一定温度下，受热灭死属于一级反应,dt,d
2、N, = kN,式中 表示活菌数减少 N 活菌个数 k 反应速度常数,7,（一）灭菌时间（2）,在恒定温度下，将下式积分,dt,dN, = kN,dN N,N0,Ns,=,-K d,0,ln = k,N0,Ns,2.303 log = k,Ns,N0,Ns,N0,=2.303 log,1,k,8,（一）灭菌时间（3）,式中, 灭菌时间 （s） N0 灭菌开始时，污染的培养基中杂菌个数 （个/mL） NS 经灭菌时间后，残存活菌个数 （个/mL）,若要求绝对无菌，即Ns =0，则 无穷大 （理论上）,工程上Ns = 10-3 个/ 罐 ，即1000 只发酵罐仅有1个杂菌。,一般高温灭菌时间 15
3、-30 S ，维持罐 8-25 min。,9,（一）灭菌时间（4）,90%死灭时间,所定条件为活的微生物90%死灭所需的时间D,=2.303 log,k,1,Ns,N0,代入,得,D=2.303 log,k,1,100,10090,D=2.303 / k,10,（二）灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系（1）,死灭温度与菌死亡的反应速度常数关系可用阿累尼乌斯方程式表示,dln k,dT,E,RT2,RT,代入,当E为常数时上式积分得,即,=,+ a,k = e,E,式中的a是积分常数， 上式整理为,ln k =,- E,RT,ln k = ln e a -,a -,E,RT,k = A e,RT
4、,E,11,（二）灭菌温度与菌死亡反应速度常数的关系（2）,式中,k 菌死亡的速度常数 （1 / s） A 阿累尼乌斯常数 （ 1 / s ） R 气体常数 （1.987 4.187 J / K moL） T 绝对温度 ( K ) E 细胞孢子的活化能 ( 4.187 J / mol ) e 2.718,k = A e,E,RT,12,二、连续灭菌流程（1）,连续灭菌特点,A、易于调控 B、蒸汽负荷均匀 C、产品质量稳定 D、自动化程度高,13,二、连续灭菌流程（2）,培养基连续灭菌流程,冷却水,图2-6 培养基连续灭菌流程,消 泡 剂,去 发 酵,1,2,3,4,5,1-料液罐,2-连消泵,
5、3-连消塔,4-维持罐,5-喷淋冷却器,14,二、连续灭菌流程（3）,蒸汽直接喷入待灭菌的培养基,图2-7 喷射加热连续灭菌流程,蒸汽,生培养液,膨胀阀,维持段,真空,急速冷却器,15,二、连续灭菌流程（4）,培养液在设备中同时完成 预热 灭菌 冷却,图2-9 薄板换热器连续灭菌流程,生料,维持段,蒸汽,冷却水,灭菌后培养液,16,三、设备构造和计算 (1),(一)连消塔 连消塔是培养液高温短时间连续灭菌设备 分类 管式 汽液混合式,立式 卧式,培养液,培养液,蒸 汽,图2-11 套管式连消塔,17,三、设备构造和计算(2),上升的培养液被圆形挡板 阻挡,折转向四周上升,再 经二次加热。,图2
6、-12 混合式连消塔,培养液,培养液,蒸汽,蒸汽(二次蒸汽),圆形挡板,18,三、设备构造和计算(3),特点,外形尺寸小 结构简单 效果好,培 养 液,培养液,蒸汽,蒸汽,图 2-13 连消塔,套管喷嘴,圆形挡板,19,三、设备构造和计算(4),套管式连消塔计算 培养液在管间流动,线速度为w,W=,G,3600 ,4,(D2d2),式中 w培养液流速（m/s） G培养液流量 （m3/h） D外管直径 （m） d内管直径 （m）,20,三、设备构造和计算(5),套管式连消塔计算 培养液在管间流动,线速度为w,W=,G,3600 ,4,(D2d2),则塔高 H= w H 连消塔高 （m） 灭菌时间
7、 （s）,21,三、设备构造和计算(6),内管蒸汽喷孔总面积和孔数计算 由蒸汽消耗量(m3/h)等于从小孔喷出的蒸汽量(m3/h),Fw = V / 3600,即 F = V / ( 3600 w ),式中 F 蒸汽喷孔总面积 （m2） w 蒸汽喷孔的速度 （m/s），一般值为25-40 m/s V 加热蒸汽消耗量 （m3/h）,22,三、设备构造和计算(7),加热喷嘴孔数 n,n = F / （0.785 d12）,式中 n 喷孔数 （个 ） d1 喷孔直径 （m）,23,（二）喷射加热器,料液在扩大管6中转变为压力能,蒸汽,料液,已加热料液,图2-14 喷射加热器,1,2,3,4,5,6,
8、1-喷嘴 2-吸入口 3-吸入室 4-混合喷嘴 5-混合段 6-扩大管,24,（三）维持罐（1）,结构 长圆筒形 H ：D = 2-4 上下为球形封头 参数 维持时间8-25 min,排 汽,去冷却器,图2-15 维持罐,料液,1,4,2,3,5,1-人孔 2-进料管 3-出料管 4-温度计测温口 5-排料管,25,（三）维持罐（2）,维持罐容积V计算,V =v /（60 ） ( m ),式中 V 维持罐容积 （m3） v 料液体积容量 ( m3/h ) 维持时间 ( min )，8-25min 充满系数，0.85-0.9,26,（四）管式连消器,高温短时间连续灭菌设备,活塞流 U = Uma
9、x,湍流 U = （0.82）Umax,粘滞流 U = (0.5)Umax,图2-16 圆管内不同流动形式 流体的速度分布情况,U 流体的平均流速,27,第二节 酒精原料稀释器、蒸煮、糖化罐,糖蜜酒精发酵前需要进行 连续蒸煮设备,稀释 酸化 灭菌 添加营养盐,罐式 低温，时间长 管式 高温，时间短,28,一、糖蜜稀释器的构造原理（1）,（一）水平式糖蜜连续稀释器（1）,热水,营养盐,酒精液体,冷水,糖蜜出口,糖蜜入口,图2-20 水平式糖蜜连续稀释器,管长方向有 A、若干隔板、筛板 B、隔板上有孔并交错配置 C、管出口稍低,29,（一）水平式糖蜜连续稀释器（2）,特点 连接管,无搅拌器 节省动
10、力 混合效果好,热水 营养盐 冷水 酒精,30,高浓稀释设备,高浓稀释设备,31,（二）立式糖蜜稀释器,结构,主体 圆筒形 上下封头 锥形,冷水,热水,糖蜜,图 2-21 立式糖蜜连续稀释器,1,2,1-隔板 2-固定杆,半圆形缺口的隔板 交错配置，呈湍流运动,糖 蜜,32,二、罐式连续蒸煮糖化,连续蒸煮设备 罐式连续蒸煮,罐式 管式 柱式,蒸煮温度低 设备结构简单 能耗低,33,（一）蒸煮器和后熟器（1）,长圆筒形 球形封头,图 2-22 蒸煮罐,9,8,7,6,5,4,3,2,1,粉浆,糊化醪,1-粉浆入口 2-加热蒸汽管 3-糊化出口 4-安全阀接口 5-压力表 6-制液体醪出口 7-罐
11、耳 8-温度计测温口 9-人孔,制液曲,加热蒸汽,34,（一）蒸煮器和后熟器（2）,长圆筒形 球形封头 作用 维持一定时间 使糊化醪煮透,图 2-22 后熟器,2,9,4,6,8,1,5,3,4,糊化醪,1-糖化醪入口 2-糊化醪出口 3-耳架 4-自控液位仪表接口 5-压力表 6-二次蒸汽进口 7-人孔 8-安全阀 9-液位指示器,7,结 构,35,（二）糖化罐,1、连续糖化罐,2,1,3,8,4,5,6,7,图 2-24 连续糖化罐,糖化醪,无菌压缩空气,1-糖化醪进管 2-糖化醪进口 3-无菌空气进口 4-人孔 5-温度计测温口 6-杀菌空气进口管 7-糖化醪出口管 8-搅拌器,作用 连
12、续地将糊化醪与水稀释，再与糖化酶 混合，在一定温度下维持一定时间，保持流动 状态，以利于酶的活动。,36,第三节 啤酒厂原料的糊化、糖化设备,糖化锅,两锅 糊化锅 / 麦汁煮沸锅，糖化锅 / 过滤槽 四锅 糊化、糖化、过滤、煮沸 六锅 增加一个过滤槽、一个煮沸锅,37,一、 糊化锅的构造和计算,（一）糊化锅的构造 构造,H ：D = 1：2 加热 搅拌器 CIP 挡板 气升管,38,一、 糊化锅的构造和计算,（二）糊化锅容积的确定 构造,H ：D = 1：2 V糊化 = （1/22/3）V糖化 S气升管= （1/301/50）S罐 W料 ：W水 = 1 ：4.24.5,39,二、 糖化锅的构造
13、和计算,（一）糖化锅容积的确定 构造,H ：D = 1：2 V糊化 = （1/22/3）V糖化 S气升管= （1/301/50）S罐 W料 ：W水 = 1 ：4.24.5,40,(二)糖化锅计算,例题,某啤酒厂一次糖化的糖化锅中投麦芽粉为1160kg，每100kg麦芽粉糖化用水为420kg，一次糖化在糊化锅投麦芽粉254kg，并投入大米粉762kg，每100kg投料用水430kg，计算糖化锅的容积及其基本尺寸。,41,(二)糖化锅计算,解,某啤酒厂一次糖化的糖化锅中投麦芽粉为1160kg，每100kg麦芽粉糖化用水为420kg，一次糖化在糊化锅投麦芽粉254kg，并投入大米粉762kg，每100kg投料用水430kg，计算糖化锅的容积及其基本尺寸。,糊化锅投料量 = 762 + 254 = 1016 (kg),糊化醪量 = 1016(1+430/100) = 5384.8 (kg),设糊化锅蒸煮时,水份蒸发5%每小时,操作时第一次煮沸15 min,则 蒸发量 = 5384.8 (5/100) (15/60) = 76.31 (kg),第一次 煮沸后糊化醪量 = 5384.
