第02章生物细胞培养基制备过程与设备.ppt

1、Gxs Presentations,第2章 生物细胞培养基制备过程与设备,Gxs Presentations,Gxs Presentations,3.1 培养基制备导论,Gxs Presentations,为什么使用培养基？,营养是一切生命活动的起始点，它为一切生命活动提供了必需的物质基础。微生物的营养物可为它们的正常生命活动提供结构物质、能量、代谢调节物质和必要的生理环境。 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。,Gxs Presentations,培养基制备的基本要求,营养物质应满足微生物的需要 适宜的营养成分比例 p

2、H的适宜 原料的经济性 无菌。 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。,Gxs Presentations,3.1.2 培养基的类型 按组成物质的类型分,按组成物质的纯度、状态和用途分类: 合成培养基：化学成分明确、稳定，适用于研究菌种基本代谢和过程的物质变化，在生产某些疫苗中也常有应用。缺点是营养单一、价格较高，不适合用于大规模工业生产。 半合成培养基： 在合成培养基中，加入某种或几种天然成分；或者在天然培养基中，加入一种或几种已知成分的化学药品即成半合成培养基。 这种培养基在生产实践和实验室中使用最多。,Gxs Presentations,3.

3、1.2 培养基的类型 按组成物质的类型分, 天然培养基 天然培养基是利用动物、植物、微生物或其浸出物水解液配制的培养基。 常用的天然有机物有牛肉膏、酵母膏、麦芽汁、豆芽汁、米曲汁、马铃薯、胡萝卜、米糠、麸皮、玉米粉、花生粉、豆饼粉等。 优点：配制方便营养丰富，比较经济，适合于各类异养微生物生长。 缺点：原料的化学成分不清楚，甚至不稳定，因而不适用于精细的科学试验。 适应范围：天然培养基适于各种基本培养基、大生产中的种子培养基及发酵培养基。,Gxs Presentations,3.1.2 培养基的类型 按状态分类,固体培养基：适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛用于有子实体的真菌类的生产。 半固

4、体培养基(在液体培养基中加入0.50.8%的琼脂)：主要用于鉴定细菌、观察细菌运动特征及噬菌体的效价滴度等。 液体培养基(水占8090% )：主要用于大规模发酵工业。,Gxs Presentations,3.1.2 培养基的类型 按用途分类 (工业用),(1)孢子培养基 功能：供菌种繁殖孢子的常用固体培养基，能使菌体迅速生长，产生较多优质的孢子，并不易引起菌种发生变异。 (2)种子培养基 功能：供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌丝体长得粗壮，成为活力强的“种子”。 (3)发酵培养基 功能：供菌体生长、繁殖和合成产物。,Gxs Presentations,3.1.3 培养基的主要成分,碳源

5、：构成碳架物质。 氮源：主要用于构成菌体的细胞物质（氨基酸，蛋白质，核酸等）和含氮代谢物。 无机盐：代谢调节和构成细胞物质。 生长因子：代谢调节，促进生物反应。 前体：促进产物合成。,Gxs Presentations,Gxs Presentations,3.1.4 培养基常用原料及其加工特点,天然原料： 薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。 粮谷类：高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍和稷等。 野生植物：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符子等。 农产品加工副产物：米糠、米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等。 其它原料：石油化工产品、无机盐类等。,Gxs Presentations

6、,3.1.4 培养基常用成分及其加工特点,常用的碳源： 葡萄糖、糖蜜、淀粉糊精、纤维素及其水解物、乳清等。 常用的氮源： 有机氮源 黄豆饼粉，玉米浆，棉籽饼粉，蛋白胨，酵母粉，鱼粉，菌丝体，酒糟 玉米浆、豆饼粉等既能作氮源又能作碳源 无机氮源 氨水，硫酸铵，氯化铵，硝酸盐，具有调节pH值的作用,Gxs Presentations,淀粉颗粒,Gxs Presentations,淀粉质原料的加工工艺,预处理水热处理（蒸煮工艺）糖化 类和谷类以及野生植物原料经过加压蒸煮，淀粉糊化成为溶解状态，但是还不能直接被微生物利用。因此，经过蒸煮以后的糊化醪，在发酵前必须加入一定量的糖化剂，使溶解状态的淀粉，变

7、为微生物能够发酵的糖类，称为糖化。糖化过程是淀粉酶或酸水解的作用，把淀粉糖化变成可发酵性糖。,Gxs Presentations,原料细胞的破坏,在原料预煮加热浸泡时，原料开始吸水膨胀，而且纤维素也膨化，细胞间的物质和细胞内的物质部分溶解，使植物组织的坚固性减弱。 温度生高至120-135时，最初20-25分钟内，果胶质的膨化和溶解基本完成，淀粉和多聚戊糖的溶解，也开始剧烈地进行。 当温度生高至145-150时，由于细胞壁的强度大为削弱，淀粉便从细胞内释出，直至蒸煮完毕为止。 在原料的后熟阶段，虽然原料不断软化，但大部分仍然没有失去原有的状态，醪液在蒸煮锅内吹出时，由于醪液通过蒸煮锅喷出口的狭

8、缝，压力发生变化，产生蒸气的绝对膨胀，使细胞破裂，植物组织完全碎解。,Gxs Presentations,蒸煮工艺（水热处理）,淀粉质原料，吸水后在高温高压条件下进行蒸煮，使植物组织和细胞彻底破裂，原料内含的颗粒，由于吸水膨胀而破坏，使淀粉由颗粒变成溶解状态的糊液，目的是使它易受淀粉酶的作用，把淀粉水解成可发酵性糖。 同时，通过高温高压蒸煮后，对原料进行了灭菌作用。,Gxs Presentations,淀粉膨化与糊化过程,淀粉是一种亲水胶体，当淀粉与水接触，水就渗透薄膜而进入到淀粉颗粒里面，淀粉颗粒吸水分后能发生膨涨现象，使淀粉的巨大分子链发生扩张，因体积膨大，重量增加。 膨化作用的第一阶段是

9、原料吸收20-25%的水分后， 当温度生至40时，实际上膨化作用的第二阶段已开始，随着温度升高而继续膨化，到温度升至糊化温度60-80时，淀粉颗粒体积已膨胀到50-100倍，此时，各分子之间的联系削弱，使淀粉颗粒之间分开，此现象在工艺上叫做淀粉糊化。,Gxs Presentations,糖化过程中物质的变化,淀粉的糖化是由于淀粉酶作用将淀粉转变为糊精和可发酵性糖， 淀粉糖化的第一阶段：是淀粉醪液的液化，所谓液化就是淀粉分子被-淀粉酶分解为小断片糊精，因而构成淀粉的网状结构被破坏了，液化后的淀粉醪，冷却后不再凝固成胶凝体而成为有粘性的流动液体。 糖化时，在糖化剂中的淀粉酶与糖化型淀粉酶共同作用于

10、淀粉，因而糖化和液化作用实际上是同时开始的，糊精开始降解为单糖。,Gxs Presentations,Gxs Presentations,3.2 液体培养基的制备过程及其设备,Gxs Presentations,Gxs Presentations,3.2.1 液体培养基的灭菌,Gxs Presentations,3.2.1 液体培养基的灭菌,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，以尽量减少杂菌对于生物反应进程的干扰，尽量减少杂菌对于原料的消耗。 发酵生产中，往往需要对培养基及其发酵设备进行灭菌，一般工业上常采用蒸汽湿热灭菌。,Gxs Present

11、ations,湿热灭菌原理和影响灭菌的因素,灭菌程度和营养成分的破坏是灭菌工作中的主要矛盾，恰当掌握加热温度和时间是灭菌工作的关键。 湿热灭菌的基本规律 （1）对数残留定律 遵循阿伦尼乌斯方程 （2）温度对微生物死亡速率的影响,Gxs Presentations,湿热灭菌原理和影响灭菌的因素,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。,（一）灭菌动力学 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的反应。,Gxs Presentations,湿热灭菌原理和影响灭菌的因素,生产实践

12、证明，灭菌温度较高而时间较短比温度较低而时间较长要好。 据此，可以在灭菌时选择较高的温度、较短的时间，这样便既可达到需要的灭菌程度，同时又可减少营养物质的损失。 为了减少培养基营养成分受热损失，灭菌尽量采用高温短时的连续灭菌，即在培养基输送至发酵罐的同时进行加热、保温和冷却而进行的灭菌。,Gxs Presentations,连续灭菌的优点, 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。 产品质量较易控制。 蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高，操作方便。 适宜采用自动控制。 降低劳动强度。,Gxs Presentations,Gxs Presentations,

13、3.2.1.2 连续灭菌流程及设备,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、保温和冷却而进行的灭菌。 培养基经连续加热、维持和冷却后进入发酵罐。 连续灭菌设备一般包括以下四部分： 连消塔、维持罐、加热器、冷却设备,Gxs Presentations,常见连续灭菌工艺流程,连消塔-喷淋冷却流程 喷射加热-真空冷却流程 板式换热器灭菌流程,Gxs Presentations,连续式灭菌设备系统构成,（1）连消塔 是培养液高温短时间连续灭菌设备，它与维持罐组成连续灭菌系统，分套管式和汽液混合式两类。,套管式连消塔,喷嘴式连消塔,Gxs Presentations,

14、连续式灭菌设备系统构成,（2）维持罐 灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，也称保温设备。 （3）喷射加热器 可使料液和蒸汽迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。,Gxs Presentations,蒸汽喷射泵原理,Gxs Presentations,（4）冷却设备,常用喷淋冷却器、套管冷却器和板式热交换器。 另外，管式热交换器和螺旋板式热交换器也有使用。,Gxs Presentations,Gxs Presentations,Gxs Presentations,Gxs Presentations,Gxs Presentations,3.2

15、.1.3 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。,Gxs Presentations,分批灭菌过程与设备的基本要求,保证分批灭菌的成功，必须有： 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； 压力稳定的蒸汽； 合理的操作方法。,Gxs Presentations,Gxs Presentations,3.2.2 淀粉质原料的蒸煮糖化设备,Gxs Presentations,双酶法制糖工艺流程图,Gxs Presentations,两次加酶喷射液化工艺（D

16、DS公司）,酶,淀粉+水+酶,蒸汽,蒸汽,蒸汽,蒸汽,配料罐,喷射液化器,保温罐,95-97,145,二次液化罐,Gxs Presentations,甘薯干预处理及输送的生产流程,通常原料预处理及输送的生产流程： 甘薯干出库过磅称重电磁吸铁粗碎除杂经斗式提升机粗料贮斗细碎（采用锤碎机）粉料贮斗（布筒滤尘器）螺旋推进输送机（绞龙）拌水调和加温预煮,Gxs Presentations,蒸煮工艺流程,间歇蒸煮工艺 间歇加压蒸煮工艺流程：加水入蒸煮锅投料升温蒸煮吹醪 连续蒸煮工艺 锅（罐）式连续蒸煮流程： 原料斗式升运机料斗锤式粉碎机螺旋拌料器（即绞龙） 混合桶 泥浆泵 蒸煮锅 后熟器 气液分离器 真

17、空冷却糖化锅 管式连续蒸煮： 柱式连续蒸煮：,Gxs Presentations,Gxs Presentations,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。 连续蒸煮糖化设备有罐式、管式和柱式三种形式。 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。,Gxs Presentations,锅式连续蒸煮流程,Gxs Presentations,，,管式连续蒸煮流程,Gxs Presentations,柱式连续蒸煮流程,Gxs Presentations,连续蒸煮糖化工艺,Gxs Presentat

18、ions,蒸煮设备 罐式蒸煮设备,Gxs Presentations,蒸煮设备 柱式连续蒸煮设备,Gxs Presentations,蒸煮设备 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的压力间歇上升和下降，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。,Gxs Presentations,管式连续蒸煮,管式连续蒸煮的主要特点： 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。 缺点： 加热蒸汽消耗量大。 蒸煮质量不

19、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。,Gxs Presentations,管式连续蒸煮工艺流程： 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。,Gxs Presentations,间歇蒸煮糖化,间歇糖化法的工艺流程： 蒸煮醪糖化锅加水冷却 （12060）加酸或加曲糖化冷却 （6030）发酵罐 （或酒母罐）,Gxs Presentations,糖化设备 糖化罐,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、麸曲、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。 连续糖化罐具有圆筒形

20、外壳，球形或锥形底，若进入的糊化醪未经冷却或冷却不够，则糖化罐内需设有冷却管，,Gxs Presentations,糖化设备 真空糖化罐,Gxs Presentations,淀粉水解制糖,淀粉水解为葡萄糖的方法有酸解法、酶解法和酸酶结合法等。,Gxs Presentations,糖化管道设备,Gxs Presentations,淀粉水解制糖连续液化流程,Gxs Presentations,玉米液化工艺流程,调浆配料一次喷射承压罐闪蒸罐液化层流保温二次喷射高温维持罐真空闪蒸降温液化罐板框过滤糖液罐糖化罐发酵罐,Gxs Presentations,Gxs Presentations,纤维素和半纤维

21、素的水解,Gxs Presentations,纤维素破碎水解方法,蒸汽爆碎法 稀酸预处理法 低温氨爆,Gxs Presentations,酸酶水解法,蔗渣等纤维素和半纤维素的二段水解基本流程如下。 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。,Gxs Presentations,Gxs Presentations,糖蜜原料的稀释与澄清,糖蜜稀释器 （一）水平式糖蜜连续稀释器 该稀释器装有供应热水、营养盐类、冷水和酒精液体的连接管。,Gxs Presentations,立式糖蜜连续

22、稀释器,立式糖蜜连续稀释器为圆筒形器身，上、下封头为锥形。 稀释器总高度为，用 钢板制成，酒母醪稀释器最好用铜或不锈钢制成。该器的下部有两个连接管：一个进糖蜜，另一个进热水，流过最下边的一个中心有圆形孔的隔板后又进入冷水与糖液混合。里面有块具有圆形缺口的隔板交错配置。,Gxs Presentations,糖蜜原料的澄清, 加酸通风处理法 加热加酸沉淀法 絮凝剂澄清处理法,Gxs Presentations,Gxs Presentations,Gxs Presentations,啤酒麦汁制备工艺,Gxs Presentations,糖化锅,麦汁浓缩,糊化锅,啤酒厂一角,Gxs Presentat

23、ions,啤酒生产中麦芽汁的制备设备, 糊化锅 用来加热煮沸 辅助原料（大米粉 或玉米粉）和部分 麦芽粉醪液，使其 淀粉液化和糊化。,Gxs Presentations, 麦芽汁煮沸锅,用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发掉，使其达到要求浓度， 加入酒花，浸出酒花中的苦味及芳香物质， 还有加热凝固蛋白质、灭菌、灭酶的作用。,Gxs Presentations,酒花添加罐,Gxs Presentations, 糖化醪过滤槽,20T滤槽,Gxs Presentations, 糖化锅,Gxs Presentations,啤酒厂糖化车间,Gxs Presentations,Gxs Presentations,3.3 固体培养基的制备过程及其设备,Gxs Presentations,固体培养基制备,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体发酵。固体发酵所用的培养基为固体培养基。固体发酵和液体发酵相比，具有以下优点： 操作简单，适应性强，原料来源广，价格低廉，可以利用很多其他发酵工艺无法利用的粮食加工下脚