第二章 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 液体培养基的灭菌第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化第三节 纤维素和半纤维素的水解第四节 糖蜜原料的稀释与澄清第五节 啤酒生产中麦芽汁的制备设备第六节 淀粉水解制糖第七节 固体培养基制备第一节 液体培养基的灭菌杂菌的污染，会产生各种不良的后果。（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。 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、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 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。（一）连消塔喷淋冷却流程l 连续灭菌的基本设备一般包括l （1）配料预热罐，将配好的料液预热到6070，以避免灭菌时由于料液与蒸汽温度相差过大而产生水 汽撞击声；（2）连消塔，连消塔的作用主要是使高温蒸汽与料液迅速接触混合，并使料液的温度很快升高 到灭菌温度（126132）；（3）维持罐，连消塔加 热的时间很短，光靠这段时间的灭菌是不够的；（4）冷却管，从维持罐出来的料液要经过冷却管进行冷却 ，生产上一般采用冷水喷淋冷却，冷却到4050后，输送到预先已经灭菌过的罐内。 （二）喷射加热真空冷却流程（三）板式换热器灭菌流程培养基连续灭菌的优点是灭菌的温度较高，灭菌时间较短，培养基的营养成分受破坏的程度较低，从而保证了培养基的质量，同时由于连续灭菌过程不在发酵罐等设备中进行，提高了发酵罐等设备的利用率。当然与间歇灭菌过程相比，连续灭菌过程的不足之处过程所需的设备较多，操作较为麻烦，染菌机会也相应较多。 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。要求在2030s或更短的时间内将料 液加热至130140。生产中一般用0.50.8Mpa的活 蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。连消塔用内外两根管子套合组成（图2-7），内管开有45向下倾斜的小孔，孔径一般为6mm，蒸汽由此喷出。孔距应从上到下减少，使蒸汽较为均匀。培养基由塔底进入，与小孔中喷出的蒸汽连续混合后在塔上部流出。培养基在塔内停留时间一般取2030s；线速度要求0.1m/s。 （四）设备构造这种连消塔比较高大，钻孔、加工、安装等均不便，改革后的连消器如图2-8所示。培养基以较高流速从中间管喷入，蒸汽从管外环隙同时喷入，在器内进行混合，为了增加混合效果，器内设置一块弧形挡板。与近3m高的连消塔比较，尺寸大为减少，其高度仅为0.5m左右，使用效果也很好。 2维持罐 维持设备一般不需另行加热，但必须在维持设备的外壁用绝热材料进行绝热，以免培养基冷却。维持罐为长圆筒形，高为直径的24倍，上下封头为球形，如图2-9所示。罐顶部设有人孔1，进料管2由圆筒上部侧面伸入后，在罐内通至下部，使料液自下向上流动，至上部侧面接管3流出，要防止进料管2上部弯头处受料液磨损而使料液短路，引起低温灭菌时间不够而染菌。罐的有效容积应能满足维持时间为825min的需要。 3喷射加热器 喷射式加热器（图2-10）的特点是蒸汽和料液迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。此种加热器结构简单，轻巧省料，且在操作过程中无噪声。 4冷却设备喷淋冷却器是将水通过喷淋装置均匀地淋在水平的排管上，以冷却管内的培养基。培养基一般由排管下部进入，而由上部排出，流体在管内的流速约为0.3m/s。它具有结构简单，清洗方便的优点，且由于部分淋下的水滴在管表面被高温的管壁所汽化，其传热效率较高，套管冷却器是一种内管走热培养基，内外管间的管隙中走冷却水的冷却器。操作时，冷热两流体流向相反，以提高平均温度差，节约用水。若将所制培养基代替冷却水，则培养基可获得预热的作用。此种冷却器与喷淋冷却器相比，消耗钢材较多，且内管有漏洞时不易被发现而引起严重污染，但其热利用较合理，传热系数较高， 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。（一）分批灭菌操作要点确保设备的严密度是防止染菌的重要因素。要保证分批灭菌的成功，必须有：（1）内部结构合理（主要是无死角），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。 （二）分批灭菌的操作各路进气要畅通，防止短路逆流，罐内液体翻动要激烈；各路排汽也要畅通，但排汽量不宜过大，以节约用气量。在保温阶段，凡进口在培养基液面以下的各管道及冲视镜管都应进汽；凡开口在液面之上者均应排汽。无论与罐连通的管路如何配制，在实消时均应遵循“不进则出”的原则。在引入无菌空气前，应注意罐压必须低于过滤器压力，否则物料将倒流入过滤器内，后果严重！ 第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化一、连续蒸煮糖化二、间歇蒸煮糖化生物质原料进行蒸煮的目的是使植物组织和细胞膜彻底破裂，淀粉成为溶解状态进行液化；同时对进料进行灭菌；排除原料中的一些不良成分及气味。将可溶性淀粉、糊精转化为糖的过程，生产中就叫做糖化。 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。糖化时间大约为2030分钟，糖化效率为2840。 （一）蒸煮糖化设备:罐式、管式和柱式三种形式。 1罐式蒸煮设备：罐式连续蒸煮糖化，蒸煮温度较低，可节省煤耗，操作 容易控制，设备结构简单，制造方便，为大、中型工厂广泛采用 为了避免过多的热量散失，蒸煮罐须安装良好的保温层。罐式连续蒸煮的蒸煮罐或后熟器的直径不宜太大，因醪液从罐底中心进入后作返混运动，不能保证醪液先进先出，致使受热时间不均匀，可能有部分醪液蒸煮不透就过早排出，而另有局部醪液过热而焦化，因此罐式连续蒸煮罐数不能太少，宜采用36个，但罐数过多则压力降过大，后熟器压力过低，以致醪液压不到最后一个后熟器。故薯干类原料蒸煮压力较低，宜采用34个，玉米类原料压力较高，可采用56个。后熟器的作用是一定温度下，维持一定时间，使糊化醪进一步煮透。 糊化醪随着流动，压力下降，产生二次蒸汽，由最后一个后熟器分离出来，可供粉浆罐顶预热粉浆，故最后一个后熟器也为汽液分离器。醪液控制在50%醪左右的位置上。 2柱式连续蒸煮设备 流程柱式连续蒸煮的特点是高温快速蒸煮 ，第一根柱子内装有锐孔，第二根柱子内装有挡板，料液经过锐孔和挡板缺口时，流速增快，压力发生骤变，原料细胞膜突然膨胀而部分破裂，细胞内容物流出，得到充分蒸煮。一般在柱子后面再连接12个后熟器 加热器是三层直径不同的套管，内层和中层管壁上都钻有许多小孔，高压蒸汽从内、外层管进入，穿过小孔向粉浆液流两旁喷射，由于高压蒸汽从侧喷射，接触均匀，加热比较全面，故能在很短时间就达到蒸煮温度145150。加热器管壁上小孔分布区叫“有效加热段”。粉浆在有效加热段“停留时间一般很短，为1525s。粉浆在此区域内的流速以不超过0.1m/s为好。 (1)加热器（2）柱子柱子为长圆筒形，直径450550mm，高约10m，两端锥顶，锥高40mm。 柱子根数一般为35根，每根柱子分若干节，每节长约1m，节与节之间用法兰连接。第一、第三两根柱子内有12处管径缩小形成锐孔，锐孔直径约100120mm。第二根柱子内装两块倾斜的圆缺形挡板，这两块挡板是交错排列，一个向左倾斜30，一个向右倾斜30，板距为柱子全高的1/3。挡板为切去弓形的圆缺板，板的直径比柱子内径略小，切去弓形的宽度约为板直径的1/4。柱子里装置锐孔和挡板都是使料液在流动中突然缩小和扩大，使细胞膜部分破裂，并且发生骚扰，得到充分混合，后面两个柱子则不装什么。柱子与柱子用圆弯并联，柱子两端入口直径约为100120mm。 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 管式连续蒸煮的主要特点是高温快速，糊化均匀，糖分损失少，设备紧凑，易于实现机械化和自动化操作。但由于蒸煮温度高，加热蒸汽消耗量大，并形成较大数量的二次蒸汽，因而只有在充分利用二次蒸汽的条件下，才能提高其经济效益。又由于蒸煮时间短，蒸煮质量不够稳定，生产上操作难度大不易控制，有时在管道上还会出现阻塞现象。原料粉碎搅拌和加热预煮加热器管式连续蒸煮后热器蒸汽分离器送至糖化工序。粉碎后的原料在绞龙内与热水混合，加水比控制在1：3.54.0，温度要求为75，粉浆被加热到170之后，送至蒸煮管道，蒸汽喷入管内速度为40m/s，管式蒸煮器管道直径为117mm，总长98m，竖立安装，在管道的接头处放置孔径为30、40、50mm的锐孔板，醪液在管道内经过的时间在35分钟，在后熟器内停留3040min，醪液温度在126130，在蒸汽分离器中醪液停68min，温度为90100 4真空冷却器真空冷却指的是醪液在一定的真空度下（即醪液进入负压状态）醪液本身产生大量蒸气（二次蒸气），并被抽出，这样便消耗了醪液大量的热量，因而醪液很快冷到与真空度相应的温度，这种醪液冷却法就称为真空冷却。 5 糖化罐 （1）连续糖化罐 连续糖化罐的作用是连续地把糊化醪与水稀释，并与液体曲或麸曲乳或糖化酶（酶制剂）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。为保证醪液有一定的糖化时间，（采用45分钟或更长时间），应保证糖化醪的容量不变，故设有自动控制液面的装置，因而在管3连续送入无菌压缩空气，罐内装有搅拌器12组，转速为4590r/min。连续糖化罐一般在常压下操作，为减少染菌，可作成密闭式。 （2）真空糖化罐 真空糖化器的优点是：既是蒸发冷却器，又是糖化器，简化了设备。二、间歇蒸煮糖化（一）间歇蒸煮1蒸煮设备这种形式的蒸煮锅比较适宜于对整粒原料的蒸煮，例如甘薯干，甘薯丝，粉碎后的野生植物等。由于这种蒸煮设备是从锥形底部一点引入蒸汽，并可利用蒸汽循环搅拌原料，因此蒸煮醪液的质量很均匀，同时由于下部是锥形，蒸煮醪液排出比较方便。目前我国酒精工厂常采用间歇加压蒸煮和添加淀粉酶液化后间歇加压蒸煮两种方法：（1）间歇加压蒸煮工艺流程加水入蒸煮锅投料升温蒸煮吹醪加水 在蒸煮整粒原料时一般先加入温水 (80左右 )，粉状原料水温一般要求在50左右。原料不同，所采用的加水比也不一样，一般为：粉状原料，1：4.0；甘薯干原料，1：3.21：3.4；谷物原料，1：2.81：3.0。 投料