发酵与酿造工程学基础及主要设备

第四章发酵与酿造工程学基础及主要设备第一节发酵与酿造的工艺过程第二节微生物发酵动力学（自学）第三节发酵工艺控制第四节发酵与酿造的主要设备第一节发酵与酿造的工艺过程发酵工程生产产品的流程简图一、菌种活化与扩大培养（一）实验室种子制备1.孢子或斜面制备（1）放线菌（2）细菌（3）酵母菌（4）霉菌2.摇瓶种子制备摇瓶培养：活化后的菌种接种到装有一定体积无菌液体培养基的三角瓶中，然后把三角瓶固定在恒温震荡培养装置中，在适当温度条件下培养一段时间，已达到种子扩大化培养或积累少量发酵产物的培养过程。摇瓶培养常用设备：水浴恒温震荡培养器（水浴摇床）；气浴恒温震荡培养器（气浴摇床）；摇瓶培养主要影响因素：摇床转速、三角瓶装液量、培养温度、培养时间等。（二）生产车间种子制备1.种子罐级数的确定问：从发酵工艺操作来讲，种子罐的级数是越多越好还是越少越好？实际生产中为什么不能一味减少种子罐的级数？2.接种龄：指摇瓶或种子罐中培养的菌种开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间。3.接种量：指接入的种子液的体积和接种后培养基的体积比。多以百分数表示，如：接种量为1%(v/v)。二、发酵与酿造原料前处理及培养基制备（一）培养基的类型(复习)培养基：根据微生物对营养物质的需要，经过人工配制适合不同微生物生长、繁殖或积累代谢产物的营养基质。营养物质的来源：天然培养基、合成培养基、半合成培养基物理状态：固体培养基、液体培养基、半固体培养基培养基用途：基础培养基、加富培养基、选择培养基、鉴别培养基按照成品化程度：配制培养基、“干燥”培养基、成品培养基（二）培养基的配制原则（复习）1.根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基；2.合适的碳氮比；3.合适的pH；4.合适的渗透压；5.合适的氧化还原电位。碳氮比：指培养基中碳源所含的碳元素与氮源所含的氮元素的质量比。一般指质量比，也有用浓度比或摩尔比表示的，所以，具体使用时应注明：如C/N(m/m)=40：1。（三）最佳培养基的确定碳源试验氮源试验无机盐生长因子pH试验多因素正交试验或均匀设计三、发酵与酿造固体发酵、液体发酵好氧发酵、厌氧发酵、兼性厌氧发酵连续式、批量式、半连续式连续式发酵示意图四、产物分离、提取与后加工（一）发酵液的预处理和过滤1.发酵液的预处理预处理的目的：P74预处理的方法：（1）控制pH和除去无机离子：草酸酸化、加盐沉淀等方法；（2）可溶性蛋白的去除：醋酸铅沉淀法等；（3）有色物质的去除：离子交换法、活性炭吸附法等。2.发酵液的过滤加入助滤剂：硅藻土或珍珠岩粉。采用加压过滤、抽滤、离心过滤等方法加快过滤速度。（二）细胞的破碎与分离1.细胞破碎（1）细胞破碎的方法（2）两种常用的破碎方法：高压匀浆法和研磨法。2.细胞碎片的分离：常用离心分离法。（三）初步纯化•常用吸附法、离子交换法、沉淀法、溶剂萃取法、双水相萃取法、超临界流体萃取、逆胺束萃取超滤法。（四）高度纯化•常用色层分离（色谱法）、结晶法。（五）成品加工•经浓缩、干燥、加入稳定剂、除菌等工艺，加工成成品。第二节微生物发酵动力学（自学）一、发酵动力学概论二、分批发酵动力学三、连续发酵动力学四、分批补料发酵动力学第三节发酵工艺控制发酵过程监控的主要指标1．物理检测指标：温度；压力；搅拌转速；功耗；泡沫；气体流速；粘度等。2．化学检测指标：pH；氧化还原电位；溶解氧；气体CO2、O2；糖含量；化合物含量等3．生物检测指标：菌体浊度；ATP；各种酶活力；中间代谢产物。并非所有产品的发酵过程中都需检测上述全部参数，而是根据该产品的特点和可能条件，有选择地检测部分参数。一、温度对发酵的影响及其控制（一）发酵热及其测量发酵热：习惯上将发酵过程中释放出的净热量成为发酵热，包括生物热、搅拌热、蒸发热和辐射热。（二）发酵过程温度的影响和控制1.温度的影响：影响微生物的生长速度；影响酶的活力；影响代谢产物的积累。2.温度监测的意义判断菌体生长情况及发酵进程；及时控温以利于菌体生长及产物合成。例,谷氨酸发酵过程对温度的控制：谷氨酸产生菌的最适生长温度为30～34℃，产生谷氨酸的温度为36～37℃。在谷氨酸发酵的前期菌生长阶段和种子培养阶段应满足菌体生长的最适温度。若温度过高，菌体容易衰老。在发酵的中后期菌体生长已经停止，为了大量积累谷氨酸，需要适当提高温度。3.温度测量及调控方法测量：观察发酵罐罐壁上的温包内的温度计。调控：发酵罐一般可自动调温，当罐温偏高时，自来水（或冷却水）的阀门开启，使发酵液温度降至规定的温度。升温或降温终了时，应注意出现滞后现象。适时合理的控制往往需要一定的经验和技巧。二、溶解氧浓度对发酵的影响及监控1.溶解氧（DO，DissolvedOxygen）对发酵过程的影响：影响微生物呼吸作用和代谢。2.发酵过程中溶解氧的变化3.发酵过程中溶解氧的控制可通过改变通气量、搅拌速度和培养液粘度等方法来控制溶解氧浓度。三、pH对发酵的影响及其控制（一）pH对发酵过程的影响影响酶的活性、影响微生物细胞膜所带电荷、影响培养基中某些营养物质和中间代谢产物的离解。（二）影响发酵过程pH变化的因素（P101）引起发酵液pH下降的因素引起发酵液pH升高的因素（三）发酵过程pH的控制（P102）1.调节培养基的原始pH值，或加入缓冲液制成缓冲能力强的培养基；2.选用不同代谢速度碳源和氮源种类和比例；3.在发酵过程中加入弱酸或弱碱进行pH调节，也可通过调节通风量来调节pH。（一）二氧化碳对发酵的影响1.是某些微生物（如大肠杆菌、环状芽孢杆菌）生长代谢所必须的物质；2.对氨基酸、抗生素等的发酵有刺激或抑制作用；3.影响细胞膜的结构和流动性；4.改变发酵液的pH值。（二）发酵过程中二氧化碳的控制一般通过通气搅拌的方法来控制二氧化碳浓度。四、二氧化碳和呼吸熵碳源氮源磷酸盐五、基质浓度对发酵的影响及补料控制六、泡沫控制（一）发酵过程中泡沫的产生及对发酵的影响泡沫产生原因：外界引进的气流被机械分散形成；发酵过程中产生的气体聚集形成。对发酵的影响：引起发酵液溢出造成浪费和污染；造成发酵罐涨罐，易污染杂菌；减少发酵罐的装填系数，降低设备利用率；影响通气搅拌效果等。（二）泡沫的消除物理消泡法机械消泡法化学消泡法：常用的化学消泡剂有四类（天然油脂类、聚醚类、醇类、硅酮类）七、发酵终点判断产品质量因素经济因素异常因素残糖浓度、氨基氮浓度、产物产量、菌体形态、发酵液外观粘度等指标常作为发酵终点判断的依据。第四节发酵与酿造的主要设备一、原料处理设备（已学过）二、固体发酵设备三、液体发酵设备二、固体发酵设备固体发酵设备浅盘式固体发酵设备旋转式固体发酵罐厚层式固体发酵床固体发酵设备：地缸圆形酒窖（元代）腰形酒窖（近代）三、液体发酵设备：发酵罐发酵罐好气发酵罐厌气发酵罐机械搅拌通风发酵罐自吸式发酵罐气提式发酵罐液提式发酵罐酒精发酵罐啤酒发酵罐其它发酵罐发酵车间一角某味精厂发酵车间一角某抗菌素制药车间的一级种子罐和二级种子罐（右边为300L一级种子罐，左边为3000L二级种子罐）某味精厂发酵车间的种子罐和补料罐图中种子罐罐顶和罐身采用法兰连接，补料罐是整体焊接。南阳天冠酒精集团公司图中中央两个罐为酒精发酵罐正在加工中的发酵罐（已加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体及冷却蛇管）啤酒发酵罐群珠江啤酒发酵罐群丹麦嘉士伯啤酒有限公司发酵罐群大型酿醋罐实验室玻璃发酵罐实验室不锈钢发酵罐1.机械搅拌通风发酵罐的结构罐体搅拌轴消泡器电动机冷却排管进风管温度计接口放料口搅拌浆热电偶口底轴承梯机械搅拌通风发酵罐结构示意图轴封轴连接机械搅拌通风发酵罐顶部实物图一般小型发酵罐罐顶部件布置图一般大中型发酵罐罐顶部件布置图1.机械搅拌通风发酵罐的结构：罐顶结构--罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。2.机械搅拌通风发酵罐的结构搅拌浆有平叶式、弯叶式、箭叶式三种其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。3.机械搅拌通风发酵罐的结构----搅拌浆---消泡装置机械消泡装置主要有四种：一是锯齿式消泡桨；二是半封闭式涡轮消泡器；三是离心式消泡器；第四种是刮板式消泡器。4.机械搅拌通风发酵罐的结构---挡板挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，挡板的长度自液面起到罐底为止。装设4-6块即可满足全挡板条件。竖立的列管，排管，也可以起挡板作用，故一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。5.机械搅拌通风发酵罐的结构---联轴器及轴承大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。6.机械搅拌通风发酵罐的结构---空气分布装置分布装置的形式有单管及环形管等。常用的为单管式，管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，管口与罐底的距离约40mm，并且空气分散效果较好。若距离过大，空气分散效果较差。该距离可根据溶氧情况适当调整，空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与醪液充分混合，增加了气液传质效果。7.机械搅拌通风发酵罐的结构---轴封轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。8.机械搅拌通风发酵罐的结构---冷却装置5m3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管冷却（四至八组）。夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同时对罐身起加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢制造。9.机械搅拌通风发酵罐的结构四、机械搅拌通风发酵罐系统发酵罐系统发酵罐空气净化系统培养基灭菌设备：蒸汽发生器、连消塔等补料系统：补料罐或补料瓶、蠕动泵在线检测系统：pH电极、DO电极等空气压缩机空气过滤器过滤介质蠕动泵及其工作原理蠕动泵结构及其工作原理五、发酵车间主要相关操作1、发酵罐取样操作2、火焰压差接种3、补料操作发酵罐装料容积发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱部分高度,但须根据具体情况而定。采用有效的机械消涣装置，可以提高罐的装料量。（三）自吸式发酵罐它与通用发酵罐的主要区别是：①有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成；②没有通气管。具有转子和定子的搅拌器的吸气原理：浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘。这时，转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大。由于转子的空膛与大气相通，发酵罐外的空气通过过滤器不断地被吸入，随即甩向叶轮外缘，再通过异向叶轮使气液均匀分布甩出。转子的搅拌，又使气液在叶轮周围形成强烈的混合流，空气泡被粉碎，气液充分混合。(四)液提式发酵罐液提发酵罐是液体借助于一个液体泵进行输送，同时气体在液体的喷嘴处被吸入发酵罐。喷嘴是这类发酵罐的一个特殊部件，制造要求精密。（五）气提式发酵罐空气压缩机是气提式发酵罐的重要组成部分，它的效率决定于它的形式。压缩气体通过空气分布器进入液体后，最初形成的气泡是由液体剧烈翻动来分散的，所以气泡的分散程度决定于功率消耗速率。四、空气净化系统（一）空气除菌流程和设备空气预过滤→空气压缩机→冷却器→析水器→加热器→空气贮罐→空气过滤器→发酵罐。1．空气压缩机：工业发酵用的