第二章 培养基的准备与灭菌设备

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无菌 压缩 空气 2 糊化醪
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糖 化 醪
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图2-19 连续糖化罐 糊化醪进管 2-水和液体曲或曲乳或糖化酶进入 3-无菌压缩空气管 4-人孔 5-温度计测温口 6-杀菌蒸汽进口管 7-糖化醪出口 8-搅拌器
b A 2 3 c 8 9 1 4 e f d
a
g 图2-20 真空糖化装置 a 汽液分离器（最后 个后热器）b-糖化曲液计量罐 c-真空糖化罐 d-冷凝器 e-三级真空冷却器 f-三级冷凝器 g-糖化醪泵 1，2，8-阀 3，4，6，7，9-控制阀及管 5-测温管
灭菌好的培养液
图2-5 加热-真空冷却连续灭菌流程
3. 板式换热器灭菌流程
采用了薄板换热器作为培养液的加热和冷却器，培养 液在设备中同时完成预热、灭菌及冷却过程，蒸汽加 热段使培养液的温度升高，经维持段保温一段时间， 然后在薄板换热器的另一段冷却，从而使培养基的预 热、加热灭菌及冷却过程可在同一设备内完成。
二、稀酸预处理法
优点：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。
缺点：糖的得率较低，能量消耗较大（因为要在高温
高压下进行）和仍需要耐酸材料（比浓酸要好些）。
过程：第一阶段在较温和的条件下（100℃）左右进
行，使半纤维素分解，所得半纤维素水解液可用来生 产SCP或酒精等产品。剩下的物料进入第二阶段水解， 即在较强烈的条件下进行纤维素分解。
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4 1 2 图2-15 柱式连续蒸煮流程图 1-粉浆罐 2-泵 3-加热器 4-缓冲器 5-柱子 6-后熟器
粉 浆
（1）加热器
加热器是利用高压蒸汽加 蒸汽 热粉浆，使汽液相对喷射， 紧密接触，能在短时间内 蒸汽 达到较高的温度。 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 145℃-150℃。
冷 却 水 进 口
图2-11 实罐灭菌设备示意图
第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化
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
二、常用的连续灭菌流程
1.连消塔-喷淋冷却连续灭菌流程 配好的培养基用泵打入连消塔与蒸汽直接 混合，达到灭菌温度后进入维持罐，维持一 定时间后经喷淋冷却器冷却至一定温度后进 入发酵罐。
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图2-4 连续灭菌设备流程示意图 1-配料罐（拌料罐）2-蒸汽入口 3-连消塔 4-维持罐 5-培养基出口 6-喷淋冷却 7-冷却水
粗馏
精馏
脱水
无水酒精
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。采用蒸汽膨胀爆 破方法
方法是将蔗髓裂解后用热水或稀酸浸泡获木聚糖液，
然后加入能分泌内切木聚糖酶的微生物培养液将木 聚糖降解为木二糖和木三糖。
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。
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真空冷却器器身为圆筒锥 底，醪液由切线方向进入， 顶中心有二次蒸汽排出口， 连接膜式塔，用冷水在膜 料液 式塔中冷凝二次蒸汽，不 凝性气体经真空泵或蒸汽 喷射器抽走，造成器内真 空。
一、蒸汽爆裂法
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200-240℃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，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 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% 。
1.影响酸水解的因素
原料的种类和粉碎度
原料和酸的接触面越大，水解效果越理想。 酸的种类和用量 盐酸催化能力较强，但价格较高，腐蚀性也强。所 以工业生产上往往使用粗硫酸作为水解用酸。 液比系数 水解时液体和纤维素原料的比例叫液比系数。 水解时间和温度 温度越高，纤维素酸水解的速度越快。但是已生成 的单糖的分解速度也越快。
第四节 糖蜜原料的稀释与澄清
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80°Bx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、澄清等处理过程。
2．柱式连续蒸煮设备
特点是高温快速蒸煮，预热后的粉浆经泵送入加热器， 被高压蒸汽从相对方向喷射进行瞬间高温蒸煮，然后流 入缓冲器，再均匀地流入后面几根柱子内，在一定温度 下继续蒸煮。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。但柱子容积不大，料液在里面 维持的时间不长，为使原料的淀粉糊化，一般在柱子后 面再连接1~2个后熟器，使料液在一定温度下继续维持 一定时间，保证淀粉糊化比较彻底。
2. 稀酸水解的几种常用方法
纤维原料稀酸水解
稀酸加压水解
稀酸常压水解
固 定 水 解 法
分 段 水 解 法
渗 滤 水 解 法
3. 稀酸水解生产流程和设备
三、酸酶水解法
蔗渣 预处理 爆破膨化（或碱煮）
内切木聚糖酶
酶解反应器
低聚木糖液
清净
真空浓缩
低聚木糖浆
酶解渣பைடு நூலகம்
多级串联水解
六碳糖液
连续发酵酒精
酸
水解残渣（燃料、肥料或填料）
一、糖蜜稀释器
二、糖蜜原料的澄清
一、糖蜜稀释器
1. 水平式糖蜜连续稀释器 为圆筒形水平管子沿管长装臵若干隔板和筛板，分成 若干部分。为了使糖蜜与水很好地混合，隔板上的孔 上下交错地配臵，以改变糖液流动形式。隔板上的孔 径要保证液体在稀释器内湍流流动。隔板固定在两根 水平杆上，能与杆一起装卸，以便清理，并可以从管 子中取出来。为使糖蜜容易流出，稀释器安装时，通 常出口的一端向下倾斜。这种稀释器的混合效果较好， 没有搅拌器，节省动力。 该器装有供应热水、营养盐类、冷水和酒精液体的连 接管。
粉 浆 图2-16 加热器
3．管式连续蒸煮
管式连续蒸煮是通过加热器和管道来完成的，
物料先通过加热器在较高的温度和压力下，使 物料和蒸汽在短时间内就充分混合，完成热交 换，然后混合的高温物料再通过管道转弯处产 生压力的间歇上升和下降，使醪液发生收缩膨 胀，减压汽化，冲击等使淀粉软化和破碎，进 行快速蒸煮。 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
二、间歇蒸煮糖化
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、糖化、冷却等不同工艺操作，
整个过程连续化。
冷水 废气 蒸煮 3 5 8 7
1 4 2 9 图2-12 连续糖化工艺工程 6
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去发酵罐
1-后熟罐 2-真空罐 3-混合冷凝器 4-水密封池 5-真空蒸发罐 6-糖化锅 7-硫酸罐 8-液曲罐 9-转料泵 10-喷淋冷却器
灭菌好的培养液 蒸汽
水冷 却段
热回 收段
加热 段
维持段 冷却水 生培养液 图2-6 薄板换热器连续灭菌流程
分批灭菌过程与设备
全过程包括升温、保温、降温三个过程。
出 气 口 排气 消沫剂管 排气
排 进 气 料 接 口 种 管 排气 进 汽
进汽 冷却水出口
进气管
进汽 取 样 管
冷 凝 水
进汽 排 料 管
冲子
热压器
沸腾器
水份控制器 同轴喷 射器
控制点
收料器
喷射器进料处
排阀器
图2-27 蔗渣蒸汽裂解膨化流程示意图
提取木聚糖后的酶解渣用化学法进行第二段水解， 目的使纤维素降解成葡萄糖。方法是将酶解渣加 酸放入立式蒸煮锅中，在6～8公斤压力下蒸煮， 硫酸用量是干渣（酶解渣干固物）的3～5%，因 此液比约1∶5，蒸煮水解时间50～60分钟，水解 液得糖率是纤维素应得糖的40%左右。
第二章 生物细胞培养基制 备过程与设备
1、液体培养基的灭菌 2、淀粉质原料的蒸煮与糖化 3、纤维素和半纤维素的水解 4、糖蜜原料的稀释与澄清 5、啤酒生产中麦芽汁的制备设备 6、固体培养基制备
第一节 液体培养基的灭菌
灭菌是利用物理或化学方法杀灭或 除去物料及设备中生物体的过程。
培养基分批灭菌
将培养基配制在发 酵罐里，用蒸汽直 接加热，以达到预 定灭菌温度并保温 维持一段时间，然 后冷却到发酵温度。
培养基连续灭菌 培养基湿罐灭菌 把发酵罐先灭菌好，
将培养基在发酵罐 外采用高效设备连 续不断地进行加热， 保温灭菌和冷却， 然后连续进入已灭 菌好的发酵罐里。
常用的灭菌方法
化学灭菌 采用化学试剂进行灭菌 射线灭菌 用紫外线、高能量的电磁 波或粒子辐射进行灭菌
灭菌方法
干热灭菌 用160℃，保温1-2h 湿热灭菌 用高压蒸汽对物料或设备 容器灭菌 过滤灭菌 用微孔0.22滤膜过滤截留微生物
冷 2 水 1 至 糖 化 锅
蒸 汽 空 气 混 合 气 体
图2-18 真空冷却器 1-真空冷却器 2-膜式塔 3-喷射器
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。
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二、间歇蒸煮糖化
间歇糖化法在整个糖化过程中主要有前冷却、糖化、 后冷却以及将糖醪送入发酵罐等操作，间歇糖化的生 产操作是在一个具有搅拌和冷却装臵的糖化锅内完成 的。 间歇糖化法的工艺流程：蒸煮醪→糖化锅＋加水 ＋冷却（120℃至60℃）＋加酸十加曲十糖化十冷却 （60至30℃）→发酵罐（或酒母罐）
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11 7 10 图2-17 管式连续蒸煮设备流程图
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
热水
营养 酒精 盐类 液体
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冷 水 3 2 1 糖蜜出口
（一）蒸煮糖化设备
1．罐式蒸煮设备
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1 9 图2-13 蒸煮罐 1-粉浆入口 2-加热蒸汽管 3-糊化醪出口 4-安全阀接口 5-压力表 6-制液体曲醪出口 7-罐耳 8-温度计测温口 9-人孔
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7 8 糊 化 醪 1
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3 2 4 图2-14 最后一个后熟器（气液分离器） 1-糊化醪入口 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-安全线 9-液位指示器
2. 喷射加热-真空冷却流程
培养基用泵打入喷射加热器，以较高速度自喷嘴 喷出，借高速流体的抽吸作用与蒸汽混合后进入 管道维持器，经一定维持时间后通过一膨胀阀进 入真空闪急蒸发室，因真空作用使水分急骤蒸发 而冷却到70-80℃左右，再进入发酵罐冷却到接种 温度。
蒸汽 喷射加热器 生培养液 膨胀阀 维持管 急聚蒸发室 真空
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3
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图2-21 锥形蒸煮锅 1-加料口 2-排汽阀 3-锅耳 4-取样器 5-加热蒸汽管 6-排醪管 7-衬套 8-压力表
第三节 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 、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， 并生物加工成有用的物质，如生物能源等。 一、蒸汽爆裂法 二、稀酸预处理法 三、酸酶水解法