生物细胞培养基制备过程与设备.ppt

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