食品发酵工艺学实验指导-15秋(共13页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上食品发酵工艺学实验指导书食品科学与工程学院 食品工程教研室2015年5月实验一 小型机械搅拌通风发酵罐的使用及操作演示一、实验目的1. 了解小型自控发酵罐的结构和工作原理。2. 掌握小型自控发酵罐的操作及应用。二、 实验原理发酵罐是为一个特定生化反应的操作提供良好而满意环境的容器,是工业发酵常用设备中最重要、应用最广泛的设备,是连接原料和产物的桥梁,也是多种学科的交叉点。对于一个有价值的工业生产菌株,要尽快将其应用于工业生产中,为了掌握工业生产的实际情况,需要在实验室条件下对目的菌株进行小型发酵罐的扩大培养和目的产物生成量的实验,从而掌握该菌株的发酵参数和调控规律,更
2、好的为工业生产服务。实验室使用的小型发酵罐,其容积一般在500L以下,一般5L以下用耐压玻璃制作罐体,10L以上用不锈钢制作罐体。发酵罐配备有控制器和各种电极,可以自动调节试验所需的培养条件。 图1 机械搅拌通风发酵罐罐体的机械结构示意图为了了解发酵过程中菌体的生长及对培养基的利用情况,需在发酵过程中定时的取样测定。包括测定不同时期发酵所得菌体的生物量和发酵液中残留还原糖的变化。三、实验内容(一)发酵罐系统结构组成介绍及操作演示现代化的发酵罐系统通常由罐体、控制系统、无菌空气产生系统和蒸汽1、发酵罐罐体机械部分和控制系统罐体机械部分及控制系统是发酵罐系统的主体部分。发酵罐的罐体部分主要由罐体、
3、搅拌器和挡板、消泡器、联轴器和轴承、空气分布装置、换热装置等构成。(1)罐体罐体由罐身、罐顶、罐底组成,罐身一般为圆柱体,中大型发酵罐罐顶、罐底多采用椭圆形或碟形封头通过焊接和罐身连接,小型发酵罐罐底一般也采用椭圆形或碟形封头通过焊接和罐身连接,罐顶却多采用平板盖和罐身用法兰连接。为了便于清洗,小型发酵罐罐顶设有清洗用的手孔。中、大型发酵罐则装设有快开人孔。罐顶装有视镜及灯镜,进料管,补料管、排气管、接种管和压力表接管,排气管应尽可能靠近罐顶中心位置。在罐身上有冷却水进出管,进空气管、温度计管和检测仪表接口。取样管可装在罐侧或罐顶,视操作方便而定。罐体各部分材料多采用不锈钢。为满足工艺要求,罐
4、体必须能承受发酵工作时和灭菌时的工作压力和温度。罐壁厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。(2)搅拌器和挡板搅拌器的主要作用涉及到气体分散、固液悬浮、传热和混匀,即使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合,使气泡细碎以增大气液界面,来获得所需要的溶氧速率,并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中,以维持适当的气液固(细胞)三相的混合与质量传递,同时强化传热过程。为实现这些目的,搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。发酵罐采用的搅拌器主要有径向流搅拌器、轴向流搅拌器和组合式搅拌器。(3)消泡器发酵液中含有大量的蛋白质等发泡物质,在强烈的通气搅拌下将会产生大量的泡沫,大量的泡沫将导致发酵液外
5、溢和增加染菌机会。消除发酵液泡沫除了可加入消泡剂外,在泡沫量较少时,可用机械消泡装置来破碎泡沫。(4)联轴器、轴承和轴封搅拌轴较长时,常分为23段,用联轴器连接。联轴器有鼓形及夹壳形两种。功率小的发酵罐搅拌轴可用法兰连接,轴的连接应垂直,中心线对正。为了减少震动应装有可调节的中间轴承,材料采用石棉酚醛塑料、聚四氟乙烯,轴瓦与轴之间的间隙取轴径的0.4%0.7%。在轴上增加轴套可防止轴颈被磨损。轴封的作用是防止染菌和泄漏。(5)空气分布装置发酵罐分布装置是将无菌空气引入到发酵液中的装置,通常有两种结构,对于通气比小的小型发酵罐,选择单根进气管就能较好的分布空气;然而对于通气比大的大型发酵罐,则应
6、优先选用设有大孔的环形分布管,这样不仅有利于增加气-液比表面积,更有利于空气入罐后的整体分布,并便于底层搅拌器粉碎气泡。(6)换热装置在发酵过程中,有生物氧化所产生的热量必须即时移去,才能保证发酵在恒温状态下进行。(7)变速装置试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有V带传动,圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置,其中以V带变速传动较为简单,噪音较小。除了机械部分外,发酵罐所采用的控制系统也非常重要。控制系统的优劣对发酵设备的正常使用影响很大。目前,市场上采用比较多的控制系统主要有三种形式:工控机、单片机(SCM)、可编程逻辑控制器(PLC)。尽管许多厂家提出了许多解决方案,但其核心技术主要还是这
7、三种控制。2、无菌空气产生系统无菌空气产生系统通常由空气压缩机、空气储罐和多级过滤系统组成。经过空气压缩机处理后的空气,首先经过一级、二级过滤除去水分、油份;最后再经过膜过滤除菌后,方可通入发酵罐中。3、杀菌系统配有蒸汽发生器的发酵罐可以进行蒸汽原位灭菌。灭菌要进行空消和实消两步。空消是在投料前,对气路、料路、种子罐、发酵罐用蒸汽进行灭菌,消除所有死角的杂菌,保证系统处于无菌状态。实消是当罐内加入培养基后,用蒸汽对培养基进行灭菌的过程,种子罐和发酵罐实消的操作过程相同。空消过程中,维持蒸汽温度121左右,先开排污水阀和进气阀,排空夹套水,在对管路、滤器和种子罐发酵罐灭菌,空消时间大约为30-4
8、0min,当设备初次使用或者长期不用的情况下,最好采用间歇灭菌的方法,间歇灭菌指第一次空消结束后,间隔3-5h再空消一次,以便杀死芽孢。除菌过滤器的滤芯不能承受高温高压,因此,蒸汽减压阀必须调整在0.13Mpa,不得超过0.15MPa。空消时,应将罐上的接种口、排气阀及料路阀门微微打开,使蒸汽通过这些阀门排出,同时保持罐压为0.13-0.15Mpa。空消结束后,应将罐内冷凝水排掉,并将排空阀门打开,防止冷却后罐内产生负压、损坏设备。空消时,溶氧、pH 电极取出,可以延长其使用寿命。空消结束后,应尽快将配好的培养基从加料口加入罐内,此时夹套内应无冷却水。培养基在进罐之前,应先糊化,一般培养基的配
9、方量以罐体全容积的70%左右计算(泡沫多的培养基为65% 左右,泡沫少的培养基可达75%80%),考虑到冷凝水和接种量因素,加水量为罐体全容积的50% 左右,加水量的多少与培养基温度和蒸汽压力等因素有关,需在实践中摸索。先开启机械搅拌装置,使罐内物料均匀混合,转速50-100r/min。打开夹套蒸汽阀、排汽阀,对罐内培养基预热,当罐内温度升到90时,关闭夹套进汽阀,打开罐内所有进汽阀,通入蒸汽。当罐温上升到105时,缓缓打开排汽阀,将罐顶冷空气排掉,持续五分钟后,关闭排汽阀。当罐压升至0.12Mpa,温度升到121-123时,控制蒸汽阀门开度,保持罐压不变,30min后停止供汽。打开冷却水的进
10、排阀门,在夹套内通水冷却,当罐内压力降至0.05Mpa 时,微微开启排气阀和进气阀,进行通气搅拌,加速冷却速度,并保持罐压为0.05Mpa,直到罐温降至接种温度。(二)发酵罐无菌压差接种操作演示1、本系统采用火焰封口接种,接种前应事先准备:酒精棉花、钳子、镊子、石棉网手套、Z字扳手或铁钳。2、将酒精棉花围在发酵罐接种口周围的凹槽内,点燃后形成火焰全。用扳手或铁钳拧开接种口,迅速将实现制备好的三角瓶菌种倒入罐内。接种时应保接种口有始终空气排出(罐内压力接近与零,但不能为零)3、将接种口盖在火焰上灭菌后拧紧。接种后,适当调节通风量,使罐压保持在0.03MPa0.07MPa。(三)发酵培养当系统接种
11、完成后,把压力与流量调节好,系统则可以进入发酵模式,进行自动控制(温度、pH、DO),具体的工艺参数根据生产要求自己设定,系统将按设定好的参数可以进行自动控制或操作工手动控制。种子移入种子罐或发酵罐后控温培养,罐压一般0.03-0.05Mpa,转速根据工艺要求而定,调节循环水的温度控制发酵温度,当环境温度高于发酵温度时,用冷凝水降温;当培养基温度低于发酵温度时,用热水进行加热。pH、DO调节由控制系统通过执行机构自动加减实现。泡沫报警由泡沫探头检测泡沫信号在触摸屏以指示灯形式显示。发酵中途要取样检查时,可通过取样口取样。取样前,取样管路阀门需用蒸汽灭菌,防止杂菌污染而引起误导,取样结束后同样要
12、用蒸汽冲洗取样管道及阀门。(四)出料 出料是利用罐压将发酵液从出料管道排出,根据发酵液的浓度,罐压可控制在0.050.1MPa。出料后,取出溶氧、pH电极,进行清洗保养。 出料结束后,应立即放水清洗发酵罐及料路管道阀门,并开动空压机,向发酵罐供气并搅拌,将管路中的发酵液冲洗干净。 如果发酵罐暂时不用,则对发酵罐进行空消,并排空罐内、夹套及管道内的水。 (五)维修与保养 1、安置设备的环境应整洁、干燥、通风良好,水、汽不得直接泼到电器上。 2、设备启用之后,必须及时清洗,防止发酵液干结在发酵罐及管路、阀门内。3、各类仪表,应按规定要求保养存放压力表、安全阀、温度仪每年应校准一次。4、设备停止使用
13、时应清洗、吹干。过滤器的滤芯应取出清洗,凉干,妥善保管,法兰压紧螺母应松开,防止密封圈永久变形。 5、空压机/周围的环境应保持清洁,空气清新,排水沟为活水,机体表面干净。 6、空气储/存罐定期打开罐底的排污阀,排掉罐内的冷凝水(大约30天左右处理一次,具体情况应更具当地的空气湿度而定)。 7、冷干机 应定时按下开关键(绿色按钮)排放里面的冷凝水。 四、思考题记录下所演示发酵罐的结构特征,并完成以下问题:1、请简述所演示发酵罐的罐体机械部分的结构组成,并说明各结构部件的功能。2、实验所用的小型自控发酵罐是如何实现发酵过程中各工艺参数的控制的?实验二 单细胞蛋白的发酵生产(一)培养基的制备和灭菌一
14、、实验目的1. 掌握培养基的配置、灭菌和试管斜面的制备方法。2. 掌握斜面接种的基本操作及菌种活化的基本方法。3. 掌握摇瓶培养基的制备方法。二、实验原理单细胞蛋白(Single Cell Protein,简称SCP)是从酵母或细菌等微生物菌体中获取的蛋白质。微生物细胞中含有丰富的蛋白质,例如酵母菌蛋白质含量占细胞干物质的45%55%;细菌蛋白质占干物质的60%80%;霉菌丝体蛋白质占干物质的30%50%;单细胞藻类如小球藻等,蛋白质占干物质的55%60%,而作物中含蛋白质最高的是大豆,其蛋白质含量也不过是35%40%。单细胞蛋白的氨基酸组成不亚于动物蛋白质,如酵母菌体蛋白,其营养十分丰富,人
15、体必需的8种氨基酸,除蛋氨酸外,它具备7 种,故有“人造肉”之称。一般成人每天吃干酵母1015g,蛋白质的需要量就足够了。微生物细胞中除含有蛋白质外,还含有丰富的碳水化合物以及脂类、维生素、矿物质,因此单细胞蛋白营养价值很高。产朊假丝酵母(Candida utilis)又叫产朊圆酵母或食用圆酵母。其蛋白质和维生素B的含量都比啤酒酵母高,它能以尿素和硝酸作为氮源,在培养基中不需要加入任何生长因子即可生长。它能利用五碳糖和六碳糖,既能利用造纸工业的亚硫酸废液,还能利用糖蜜、木材水解液等生产出人畜可食用的蛋白质。本实验以产朊假丝酵母为菌种来生产单细胞蛋白。实验室保存的产朊假丝酵母经过菌种活化、摇瓶培
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