1、第二章 生物細胞培養(yǎng)基制備過程與設(shè)備,所有的生物細胞都要不斷地同外界進行物質(zhì)和能量交換，都要進行新陳代謝，才能表現(xiàn)出生命活動，這時，就需要營養(yǎng)物質(zhì)。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)中大多數(shù)都利用純種培養(yǎng)技術(shù)，這就要求對培養(yǎng)基中已有的雜菌進行去除或殺滅。,第一節(jié) 液體培養(yǎng)基的滅菌,第二節(jié) 淀粉質(zhì)原料的蒸煮與糖化,第三節(jié) 纖維素和半纖維素的水解,第四節(jié) 糖蜜原料的稀釋與澄清,第五節(jié) 啤酒生產(chǎn)中麥芽汁的制備設(shè)備,第六節(jié) 淀粉水解制糖,第七節(jié) 固體培養(yǎng)基制備,第一節(jié) 液體培養(yǎng)基的滅菌,雜菌的污染，會產(chǎn)生各種不良的后果。 （1）由于雜菌的污染，使生物反應(yīng)中的基質(zhì)或產(chǎn)物因雜菌的消耗而損失，造成生產(chǎn)能力的下降； （2）由于雜菌

2、所產(chǎn)生的一些代謝產(chǎn)物，或在染菌后改變了培養(yǎng)液的某些理化性質(zhì)，使產(chǎn)物的提取和分離變得困難，造成收率降低或使產(chǎn)品的質(zhì)量下降； （3）雜菌會大量繁殖，會改變反應(yīng)介質(zhì)的PH值，從而使生物反應(yīng)發(fā)生異常變化； （4）雜菌可能會分解產(chǎn)物，從而使生產(chǎn)過程失??； （5）發(fā)生噬菌體污染，微生物細胞被裂解，而使生產(chǎn)失敗等等。,二、連續(xù)滅菌流程及設(shè)備,培養(yǎng)基滅菌應(yīng)盡量采用高溫短時間的連續(xù)滅菌。培養(yǎng)基經(jīng)連續(xù)加熱、維持和冷卻后進入發(fā)酵罐。培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌，就是將配好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送的同時進行加熱、保溫和冷卻而進行滅菌 連續(xù)滅菌具有如下的優(yōu)點： （1）提高產(chǎn)量。與分批滅菌相比培養(yǎng)液受熱時間短，可縮短發(fā)酵周期

3、，同時培養(yǎng)基成分破壞較少。 （2）產(chǎn)品質(zhì)量較易控制。 （3）蒸汽負荷均衡，鍋爐利用率高，操作方便。 （4）適宜采用自動控制。 （5）降低勞動強度。,（一）連消塔噴淋冷卻流程,連續(xù)滅菌的基本設(shè)備一般包括 （1）配料預(yù)熱罐，將配好的料液預(yù)熱到6070，以避免滅菌時由于料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊聲；（2）連消塔，連消塔的作用主要是使高溫蒸汽與料液迅速接觸混合，并使料液的溫度很快升高到滅菌溫度（126132）；（3）維持罐，連消塔加熱的時間很短，光靠這段時間的滅菌是不夠的；（4）冷卻管，從維持罐出來的料液要經(jīng)過冷卻管進行冷卻，生產(chǎn)上一般采用冷水噴淋冷卻，冷卻到4050后，輸送到預(yù)先已經(jīng)滅菌過

4、的罐內(nèi)。,（二）噴射加熱真空冷卻流程,（三）板式換熱器滅菌流程,培養(yǎng)基連續(xù)滅菌的優(yōu)點是滅菌的溫度較高，滅菌時間較短， 培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分受破壞的程度較低，從而保證了培養(yǎng)基的質(zhì)量，同時由于連續(xù)滅菌過程不在發(fā)酵罐等設(shè)備中進行，提高了發(fā)酵罐等設(shè)備的利用率。 當(dāng)然與間歇滅菌過程相比，連續(xù)滅菌過程的不足之處 過程所需的設(shè)備較多，操作較為麻煩，染菌機會也相應(yīng)較多。,1連消塔又稱加熱器，是培養(yǎng)基于蒸汽混合加熱至 滅菌溫度的設(shè)備。要求在2030s或更短的時間內(nèi)將料液加熱至130140。生產(chǎn)中一般用0.50.8Mpa的活蒸汽與預(yù)熱后的料液直接接觸而加熱。 連消塔用內(nèi)外兩根管子套合組成（圖2-7），內(nèi)管開有45向下

5、傾斜的小孔，孔徑一般為6mm，蒸汽由此噴出?？拙鄳?yīng)從上到下減少，使蒸汽較為均勻。培養(yǎng)基由塔底進入，與小孔中噴出的蒸汽連續(xù)混合后在塔上部流出。培養(yǎng)基在塔內(nèi)停留時間一般取2030s；線速度要求0.1m/s。,（四）設(shè)備構(gòu)造,這種連消塔比較高大，鉆孔、加工、安裝等均不便，改革后的連消器如圖2-8所示。 培養(yǎng)基以較高流速從中間管噴入，蒸汽從管外環(huán)隙同時噴入，在器內(nèi)進行混合，為了增加混合效果，器內(nèi)設(shè)置一塊弧形擋板。與近3m高的連消塔比較，尺寸大為減少，其高度僅為0.5m左右，使用效果也很好。,2維持罐 維持設(shè)備一般不需另行加熱，但必須在維持設(shè)備的外壁用絕熱材料進行絕熱，以免培養(yǎng)基冷卻。維持罐為長圓筒形，

6、高為直徑的24倍，上下封頭為球形，如圖2-9所示。罐頂部設(shè)有人孔1，進料管2由圓筒上部側(cè)面伸入后，在罐內(nèi)通至下部，使料液自下向上流動，至上部側(cè)面接管3流出，要防止進料管2上部彎頭處受料液磨損而使料液短路，引起低溫滅菌時間不夠而染菌。罐的有效容積應(yīng)能滿足維持時間為825min的需要。,3噴射加熱器 噴射式加熱器（圖2-10）的特點是蒸汽和料液迅速接觸，充分混合，加熱是在瞬時內(nèi)完成的。此種加熱器結(jié)構(gòu)簡單，輕巧省料，且在操作過程中無噪聲。,4冷卻設(shè)備 噴淋冷卻器是將水通過噴淋裝置均勻地淋在水平的排管上， 以冷卻管內(nèi)的培養(yǎng)基。培養(yǎng)基一般由排管下部進入，而由 上部排出，流體在管內(nèi)的流速約為0.3m/s。

7、它具有結(jié)構(gòu)簡單， 清洗方便的優(yōu)點，且由于部分淋下的水滴在管表面被高溫的 管壁所汽化，其傳熱效率較高， 套管冷卻器是一種內(nèi)管走熱培養(yǎng)基，內(nèi)外管間的管隙中走冷 卻水的冷卻器。操作時，冷熱兩流體流向相反，以提高平均溫 度差，節(jié)約用水。若將所制培養(yǎng)基代替冷卻水，則培養(yǎng)基可獲 得預(yù)熱的作用。此種冷卻器與噴淋冷卻器相比，消耗鋼材較多， 且內(nèi)管有漏洞時不易被發(fā)現(xiàn)而引起嚴重污染，但其熱利用較合 理，傳熱系數(shù)較高，,三、分批滅菌過程與設(shè)備,培養(yǎng)基的分批滅菌就是將配制好的培養(yǎng)基放在發(fā)酵罐或其他裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進行加熱滅菌的過程，通常也稱為實罐滅菌。,（一）分批滅菌操作要點 確保設(shè)備的嚴密度是

8、防止染菌的重要因素。 要保證分批滅菌的成功，必須有：（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理（主要是無死角），焊縫及軸封裝置可靠，蛇管無穿孔現(xiàn)象的發(fā)酵罐；（2）壓力穩(wěn)定的蒸汽；（3）合理的操作方法。,（二）分批滅菌的操作 各路進氣要暢通，防止短路逆流，罐內(nèi)液體翻動要激烈；各路排汽也要暢通，但排汽量不宜過大，以節(jié)約用氣量。 在保溫階段，凡進口在培養(yǎng)基液面以下的各管道及沖視鏡管都應(yīng)進汽；凡開口在液面之上者均應(yīng)排汽。無論與罐連通的管路如何配制，在實消時均應(yīng)遵循“不進則出”的原則。 在引入無菌空氣前，應(yīng)注意罐壓必須低于過濾器壓力，否則物料將倒流入過濾器內(nèi)，后果嚴重！,第二節(jié) 淀粉質(zhì)原料的蒸煮與糖化,一、連續(xù)蒸煮糖化,二、間

9、歇蒸煮糖化,生物質(zhì)原料進行蒸煮的目的是使植物組織和細胞膜徹底破裂，淀粉成為溶解狀態(tài)進行液化；同時對進料進行滅菌；排除原料中的一些不良成分及氣味。將可溶性淀粉、糊精轉(zhuǎn)化為糖的過程，生產(chǎn)中就叫做糖化。 淀粉糖化的目的，是通過糖化酶將淀粉、糊精進行水解。糖化的作用也就是把溶解狀態(tài)的淀粉、糊精轉(zhuǎn)化為能夠被生物細胞利用的可發(fā)酵性物質(zhì)（當(dāng)然也有不發(fā)酵性物質(zhì)生成，這主要是由于轉(zhuǎn)移葡萄糖苷酶等的作用），降低醪液的粘度，有利于酵母的發(fā)酵和酵液的輸送。,一、連續(xù)蒸煮糖化,連續(xù)蒸煮糖化工藝料液連續(xù)流動，在不同的設(shè)備中完成加料、蒸煮、糖化、冷卻等不同工藝操作，整個過程連續(xù)化。糖化時間大約為2030分鐘，糖化效率為28

10、40。,（一）蒸煮糖化設(shè)備:罐式、管式和柱式三種形式。 1罐式蒸煮設(shè)備：罐式連續(xù)蒸煮糖化，蒸煮溫度較低，可節(jié)省煤耗，操作容易控制，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，為大、中型工廠廣泛采用,為了避免過多的熱量散失，蒸煮罐須安裝良好的保溫層。 罐式連續(xù)蒸煮的蒸煮罐或后熟器的直徑不宜太大，因醪液從罐底中心進入后作返混運動，不能保證醪液先進先出，致使受熱時間不均勻，可能有部分醪液蒸煮不透就過早排出，而另有局部醪液過熱而焦化，因此罐式連續(xù)蒸煮罐數(shù)不能太少，宜采用36個，但罐數(shù)過多則壓力降過大，后熟器壓力過低，以致醪液壓不到最后一個后熟器。故薯干類原料蒸煮壓力較低，宜采用34個，玉米類原料壓力較高，可采用56個。

11、后熟器的作用是一定溫度下，維持一定時間，使糊化醪進一步煮透。,糊化醪隨著流動，壓力下降，產(chǎn)生二次蒸汽，由最后一個后熟器分離出來， 可供粉漿罐頂預(yù)熱粉漿，故最后一個后熟器也為汽液分離器。醪液控制在50% 醪左右的位置上。,2柱式連續(xù)蒸煮設(shè)備 流程,柱式連續(xù)蒸煮的特點是高溫快速蒸煮 ，第一根柱子內(nèi)裝有銳孔，第二根柱子內(nèi)裝有擋板，料液經(jīng)過銳孔和擋板缺口時，流速增快，壓力發(fā)生驟變，原料細胞膜突然膨脹而部分破裂，細胞內(nèi)容物流出，得到充分蒸煮。一般在柱子后面再連接12個后熟器,加熱器是三層直徑不同的套管，內(nèi)層和中層管壁上都鉆有許多小孔，高壓蒸汽從內(nèi)、外層管進入，穿過小孔向粉漿液流兩旁噴射，由于高壓蒸汽從側(cè)

12、噴射，接觸均勻，加熱比較全面，故能在很短時間就達到蒸煮溫度145150。 加熱器管壁上小孔分布區(qū)叫“有效加熱段”。粉漿在有效加熱段“停留時間一般很短，為1525s。粉漿在此區(qū)域內(nèi)的流速以不超過0.1m/s為好。,(1)加熱器,（2）柱子 柱子為長圓筒形，直徑450550mm，高約10m，兩端錐頂，錐高40mm。 柱子根數(shù)一般為35根，每根柱子分若干節(jié)，每節(jié)長約1m，節(jié)與節(jié)之間用法蘭連接。第一、第三兩根柱子內(nèi)有12處管徑縮小形成銳孔，銳孔直徑約100120mm。第二根柱子內(nèi)裝兩塊傾斜的圓缺形擋板，這兩塊擋板是交錯排列，一個向左傾斜30，一個向右傾斜30，板距為柱子全高的1/3。擋板為切去弓形的圓

13、缺板，板的直徑比柱子內(nèi)徑略小，切去弓形的寬度約為板直徑的1/4。柱子里裝置銳孔和擋板都是使料液在流動中突然縮小和擴大，使細胞膜部分破裂，并且發(fā)生騷擾，得到充分混合，后面兩個柱子則不裝什么。柱子與柱子用圓彎并聯(lián)，柱子兩端入口直徑約為100120mm。,1-輸送機 2-斗式提升機 3-貯料斗 4-錘式粉碎機 5-螺旋輸送機 6-粉漿罐 7-泵 8-預(yù)熱鍋 9-近料控制閥 10-過濾器 11-泥漿泵 12-單向閥 13-三套管加熱器 14-蒸煮管道 15-壓力控制閥 16-后熟器 17-蒸汽分離器 18-真空冷凝器 19-蒸汽冷凝器 20-糖化鍋,3管式連續(xù)蒸煮,管式連續(xù)蒸煮的主要特點是高溫快速，糊

14、化均勻，糖分損失少，設(shè)備緊湊，易于實現(xiàn)機械化和自動化操作。但由于蒸煮溫度高，加熱蒸汽消耗量大，并形成較大數(shù)量的二次蒸汽，因而只有在充分利用二次蒸汽的條件下，才能提高其經(jīng)濟效益。又由于蒸煮時間短，蒸煮質(zhì)量不夠穩(wěn)定，生產(chǎn)上操作難度大不易控制，有時在管道上還會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。,原料粉碎攪拌和加熱預(yù)煮加熱器管式連續(xù)蒸煮后熱器蒸汽分離器送至糖化工序。 粉碎后的原料在絞龍內(nèi)與熱水混合，加水比控制在1：3.54.0，溫度要求為75，粉漿被加熱到170之后，送至蒸煮管道，蒸汽噴入管內(nèi)速度為40m/s，管式蒸煮器管道直徑為117mm，總長98m，豎立安裝，在管道的接頭處放置孔徑為30、40、50mm的銳孔板，醪液

15、在管道內(nèi)經(jīng)過的時間在35分鐘，在后熟器內(nèi)停留3040min，醪液溫度在126130，在蒸汽分離器中醪液停68min，溫度為90100,4真空冷卻器 真空冷卻指的是醪液在一定的真空度下（即醪液進入負壓狀態(tài)）醪液本身產(chǎn)生大量蒸氣（二次蒸氣），并被抽出，這樣便消耗了醪液大量的熱量，因而醪液很快冷到與真空度相應(yīng)的溫度，這種醪液冷卻法就稱為真空冷卻。,5 糖化罐 （1）連續(xù)糖化罐,連續(xù)糖化罐的作用是連續(xù)地把糊化醪與水稀釋，并與液體曲或麩曲乳或糖化酶（酶制劑）混合，在一定溫度下維持一定時間，保持流動狀態(tài)，以利于酶的活動。為保證醪液有一定的糖化時間，（采用45分鐘或更長時間），應(yīng)保證糖化醪的容量不變，故設(shè)有

16、自動控制液面的裝置，因而在管3連續(xù)送入無菌壓縮空氣，罐內(nèi)裝有攪拌器12組，轉(zhuǎn)速為4590r/min。連續(xù)糖化罐一般在常壓下操作，為減少染菌，可作成密閉式。,（2）真空糖化罐 真空糖化器的優(yōu)點是：既是蒸發(fā)冷卻器，又是糖化器，簡化了設(shè)備。,二、間歇蒸煮糖化,（一）間歇蒸煮,1蒸煮設(shè)備,這種形式的蒸煮鍋比較適宜于對整粒原料的蒸煮，例如甘薯干，甘薯絲，粉碎后的野生植物等。由于這種蒸煮設(shè)備是從錐形底部一點引入蒸汽，并可利用蒸汽循環(huán)攪拌原料，因此蒸煮醪液的質(zhì)量很均勻，同時由于下部是錐形，蒸煮醪液排出比較方便。,目前我國酒精工廠常采用間歇加壓蒸煮和添加淀粉酶液化后間歇加壓蒸煮兩種方法： （1）間歇加壓蒸煮工

17、藝流程 加水入蒸煮鍋投料升溫蒸煮吹醪 加水 在蒸煮整粒原料時一般先加入溫水 (80左右 )，粉狀原料水溫一般要求在50左右。原料不同，所采用的加水比也不一樣，一般為：粉狀原料，1：4.0；甘薯干原料，1：3.21：3.4；谷物原料，1：2.81：3.0。 投料 整粒原料蒸煮時，當(dāng)投入的原料數(shù)量完畢后，即可關(guān)閉加料蓋，進汽，或者可以在投料過程中同時通入少量蒸汽，便于上下翻動，使蒸汽沖擊原料，起攪拌作用。若采用粉狀原料，先在調(diào)漿桶內(nèi)調(diào)勻，送入蒸煮鍋，以防原料由于產(chǎn)生粉粒結(jié)塊，引起蒸煮不徹底。投料時間一般為1520min。,升溫 一般是當(dāng)蒸汽通入鍋內(nèi)，從排氣閥口有蒸汽排出時，即表示冷空氣已趕凈，即可

18、關(guān)閉排氣閥，使蒸汽壓力慢慢升到規(guī)定壓力，升溫時間一般采用40分鐘左右。 蒸煮 料溫升到規(guī)定壓力時，保持此壓力下維持一定的時間，使原料達到徹底糊化蒸煮。采用循環(huán)的方法，利用蒸汽來攪拌鍋內(nèi)的原料，蒸煮的裝醪量約為鍋容量的7580%左右，在醪液面上要留有空間。 吹醪 蒸煮完畢的醪液，利用蒸煮鍋的壓力從蒸煮鍋排出，并送入糖化鍋內(nèi)。從理論上來分析，吹醪速度越快越好，但是吹醪速度太快，則醪液容易從糖化鍋噴出，容易引起燙傷事故。一般規(guī)定吹醪時間不得少于1015分鐘，要按照蒸煮鍋的容量大小來決定。,（2）加淀粉酶加壓蒸煮 先加細菌淀粉酶液化后，再進行加壓蒸煮 ，淀粉酶用量大約是粉碎原料的0.10.2% ，事先

19、將細菌淀粉酶加水浸漬0.51小時，以備應(yīng)用。 把粉碎原料，按照規(guī)定的加水比放到混合池拌勻，調(diào)整溫度至5060，然后加入細菌淀粉酶，攪拌均勻，再加石灰水調(diào)整pH到6.97.1。將調(diào)整好的淀粉液輸送到蒸煮鍋中，通入壓縮空氣進行攪拌，并通蒸汽升溫到93，保持1小時。取樣化驗其液化程度，達到標準后，則停止通壓縮空氣，繼續(xù)升溫至130，保持0.5小時，即可吹醪送至糖化鍋。,（二）間歇糖化工藝,間歇糖化法的工藝流程： 蒸煮醪糖化鍋加水冷卻（12060）加酸十加曲十糖化十冷卻（6030）發(fā)酵罐（或酒母罐） 1加水量 在糖化前要加入一定的水沖稀醪液，使糖化后的醪液能保持1416Bx之間，干原料應(yīng)滿足總加水量為

20、原料的3.04.0倍。 2溫度 糖化醪溫度保持在601內(nèi)，如果采用As34309制備的液體曲時，可把糖化溫度控制在5860。 3糖化時間 間歇糖化時間，從加完曲拌勻后開始計算時間，用于培養(yǎng)酒母的糖化醪，大約需1.52小時，很多廠采用11.5小時。但在大生產(chǎn)中的發(fā)酵用糖化醪，一般為2545分鐘。 4糖化效率 糖化效率的控制，如果是用于培養(yǎng)酒母的糖化醪，糖化率可控制在5060左右，用于大生產(chǎn)中的糖化醪，通常在3550之間較好。,第三節(jié) 纖維素和半纖維素的水解,可以利用的生物質(zhì)資源很多，包括各種農(nóng)業(yè)殘余物 、林業(yè)殘余物、專門栽培的作物以及各種廢棄物。這些木質(zhì)纖維材料完全可望將它們降解轉(zhuǎn)化為糖類，并生

21、物加工成有用的物質(zhì)，如生物能源等。 所有植物來源的木質(zhì)纖維素均含有豐富的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素 . 預(yù)處理的主要作用就是要改變天然纖維的結(jié)晶度、脫去木質(zhì)素或半纖維素，增加酶與纖維素的可接觸面積，從而提高酶解的效率。,一、蒸汽爆裂法,二、稀酸預(yù)處理法,三、酸酶水解法,有很多可提高纖維素可降解率的物理、化學(xué)預(yù)處理方法，但這些方法往往都存在能耗大、成本高、催化劑不能循環(huán)利用、產(chǎn)生毒性副產(chǎn)物、污染環(huán)境等問題，而未能得以實用。利用微生物降解木質(zhì)素的生物學(xué)方法，由于簡單、低能耗而受到重視。但是，生物處理反應(yīng)慢，在降解木質(zhì)素的同時也會消耗纖維素和半纖維素，也不利于實現(xiàn)實用化。,一、蒸汽爆裂法,在眾多預(yù)處理

22、方法中，高壓蒸汽爆碎技術(shù)是比較有效、低成本、無污染的新技術(shù)。向裝有植物纖維物質(zhì)的壓力罐通入高壓蒸汽，使罐溫度達到200240左右，原料中的半纖維素會迅速分解釋放出有機酸，發(fā)生自水解作用而可溶化。細胞間的木質(zhì)素熔化，并發(fā)生部分降解，變得易為熱水、有機溶劑或稀堿抽提。加上突然減壓爆碎的機械分離作用，使植物細胞間質(zhì)或細胞壁變疏松，細胞游離，纖維素的可酶解性明顯增強。 蒸汽爆碎技術(shù)的成敗在于精確控制處理強度（蒸汽溫度和處理時間）和處理的均勻度?？刂撇划?dāng)，半纖維素等未充分降解或降解產(chǎn)生的單糖被進一步降解破壞，得糖率往往會低于理論值的65% 。,二、稀酸預(yù)處理法,半纖維素和纖維素都能被強酸直接降解成單糖。

23、纖維素的酸水解工藝比較簡單，已有工業(yè)化經(jīng)驗。但是需要較高的溫度和較大量的酸，水解產(chǎn)生的單糖會進一步降解，產(chǎn)生對微生物有毒性的糠醛類物質(zhì)。處理后的糖液需要中和、脫毒等后處理后才能用于發(fā)酵。 稀酸處理既對纖維物料進行預(yù)處理，又可以得到半纖維素水解的糖液，這是該法的一大特點，只要很好地將后者利用，則它將是一種有發(fā)展前途的預(yù)處理方法 。,稀酸水解用的酸濃度為0.33%，溫度T=100200。稀酸水解時，大部分半纖維素溶解于酸溶液中，纖維素和剩下的一部分半纖維素則呈不溶解狀態(tài)。 根據(jù)這個特點，工業(yè)生產(chǎn)上纖維的水解可以分階段進行。第一階段在較溫和的條件下（100）左右進行，使半纖維素分解，所得半纖維素水解

24、液可用來生產(chǎn)SCP或酒精等產(chǎn)品。剩下的物料進入第二階段水解，即在較強烈的條件下進行纖維素分解。,（一）影響酸水解的因素,1原料的種類和粉碎度 原料和酸的接觸面越大，水解效果越理想。一般稻草切成23cm長即可。棉子殼水解時可以不加粉碎。 2酸的種類和用量 鹽酸催化能力較強，但價格較高，腐蝕性也強。所以工業(yè)生產(chǎn)上往往使用粗硫酸作為水解用酸。 從理論上講，酸的濃度提高一倍，在其他條件不變時，水解時間可縮短1/31/2。通常采用稀酸常壓水解時，硫酸濃度為23%；采用稀酸加壓水解時，酸濃度為0.51%。,3液比系數(shù) 水解時液體和纖維素原料的比例叫液比系數(shù)。它和糖的產(chǎn)量、 水解液中糖的濃度、酸的用量等都有

25、很大關(guān)系。通常，液比 系數(shù)可以按下式進行計算： F=A+B+C-D M 式中 F 液比系數(shù)； A加入的稀酸量，kg； B加熱原料、酸液和設(shè)備所消耗的蒸汽，kg； C原料中的水分，kg； D水解反應(yīng)所消耗的水，kg； M纖維原料的干量，kg。 液比系數(shù)值增加，單位原料產(chǎn)糖量增加，但水解液中糖濃度 降低，酸用量增加。一般視情況不同，液比系數(shù)取510。,4水解時間和溫度 溫度對水解速度影響很大。溫度越高，纖維素酸水解的速度越快。但是已生成的單糖的分解速度也越快。溫度升高10，反應(yīng)速度加快0.51倍。高溫持續(xù)時間過長，單糖的分解加劇。因此，一般采用高溫時，則應(yīng)為稀酸短時間；如是較低溫度時，則可采用較濃

26、的酸和較長的時間。 為了減少生成糖分的分解，應(yīng)該采用分段水解法或滲濾水解法，以縮短生成單糖在水解器中停留的時間，達到減少單糖分解造成損失的目的。,（二）稀酸水解的幾種常用方法 1、固定水解法 水解液是在整個水解過程完成后一次性排出。生成糖的分解現(xiàn)象嚴重。為此，糖的得率低，質(zhì)量差，純度低。但是，對設(shè)備和操作的要求也低。 2、分段水解法 可以保證兩者的水解都是在各自最適宜的條件下進行，生成糖的分解也減少。所以，各項指標均優(yōu)于前一種方法。 3、滲濾水解法 將稀酸溶液從水解器上部不斷淋入，水解液從下部連續(xù)排出。從水解機理的角度來看是比較合理的水解方法。 4、稀酸常壓水解法 主要用于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理和

27、玉米芯等半纖維素含量高的原料的酸水解，該法可使大部分半纖維素分解。,（二）稀酸水解生產(chǎn)流程和設(shè)備,1-水解器；2-貯器；3-計量器；4-往復(fù)泵 5-高壓蒸發(fā)器；6-低壓蒸發(fā)器；7-排渣器,在滲濾水解開始時，溫度通常保持在150165，相應(yīng)壓力為0.5880.686MPa。隨著水解的進行，水解溫度逐步升高，最后175180。在蒸發(fā)器5中，水解液溫度從175180降低到140150。而在蒸發(fā)器6中進一步降低到105110。,圖2-26 生物質(zhì)反應(yīng)水解裝置圖 1-氣體緩沖器 2-空氣壓縮機 3-酸槽 4-耐腐蝕泵 5-儲槽 6-混合器 7-水解反應(yīng)器 8-過濾器 9-熱電偶 10-溫度顯示儀 11-

28、換熱器 12-產(chǎn)品接受槽 RA-蒸汽流量計 RB-氣體流量計 VA-止回閥 VB-針形閥 VC-節(jié)流閥 VD-球閥 P-壓力表,三、酸酶水解法,兩段水解的第一段為半纖維素水解，方法有化學(xué)或微生物或物理方法。 第一段制低聚木糖方法是：將蔗髓裂解后用熱水或稀酸浸泡獲木聚糖液，然后加入能分泌內(nèi)切木聚糖酶的微生物培養(yǎng)液將木聚糖降解為木二糖和木三糖。 第二段水解使纖維素降解成葡萄糖，獲得的葡萄糖液為酸性，用石灰乳中和成硫酸鈣 ，過濾得清凈糖液。方法是將酶解渣加酸放入立式蒸煮鍋中，在68公斤壓力下蒸煮，硫酸用量是干渣（酶解渣干固物）的35%，因此液比約15，蒸煮水解時間5060分鐘，水解液得糖率是纖維素應(yīng)

29、得糖的40%左右。,第五節(jié) 啤酒生產(chǎn)中麥芽汁的制備設(shè)備,啤酒是生物加工產(chǎn)業(yè)中的一個典型產(chǎn)品，我國的啤酒生產(chǎn)已位于全世界第三位。影響啤酒的產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一是麥芽汁的制備。麥芽汁是啤酒酵母的培養(yǎng)基。,一、糊化鍋,二、糖化鍋,三、過濾槽,四、麥汁煮沸鍋,五、糖化醪過濾槽,幾種組合方式： 二器組合由一只糖化過濾槽和一只糊化煮沸鍋構(gòu)成一套單式糖化系統(tǒng)。 四器組合由糊化鍋、糖化鍋、過濾槽和煮沸鍋只專用設(shè)備構(gòu)成一套 復(fù)式糖化系統(tǒng)。 五器組合在四器組合的基礎(chǔ)上，增加一只暫貯罐，用于暫貯過濾后的 麥汁。 六器組合在四器組合的基礎(chǔ)上，再添一只過濾槽和一只煮沸鍋。,一、糊化鍋,糊化鍋的主要作用是用于煮沸大米

30、粉和部分麥芽粉醪液，使淀粉糊化和液化。,1糊化鍋的構(gòu)造,2糊化鍋的容積,糊化鍋的容積，決定于加入的原料量， 對于輔助原料大米粉加得多的地區(qū)， 應(yīng)加大糊化鍋容積，以便提高產(chǎn)量。 對每100kg投料（包括大米粉和麥芽 粉）加水420450kg，則鍋的有效容 積為0.50.55m3。如兼作麥芽汁煮沸 鍋，則其容積應(yīng)大于糖化鍋容積。 為了有利于液體的循環(huán)和有更大的 加熱面積，糊化鍋的直徑與圓筒之比為21，升氣管面積為料液面積1/301/50。,二、糖化鍋,糖化鍋的用途是使麥芽粉與水混合，并保持一定溫度進行蛋白質(zhì)分解和淀粉糖化，現(xiàn)時糖化鍋的材料廣泛采用不銹鋼制作，也可用碳鋼或銅鋼制造?，F(xiàn)時有的在鍋內(nèi)壁裝

31、有擋板，以改變流型，提高攪拌效果。有效容積的大小與加水量有關(guān)，一般糖化鍋容積比糊化鍋大約一倍。鍋底可做成平的，也有作成球形蒸汽夾套的。在六鍋式糖化設(shè)備中，做成糖化、糊化兩用鍋，以提高糖化鍋的利用率。鍋體直徑與高之比為21，升氣管截面積為鍋圓筒截面積的1/301/50。,三、過濾槽,過濾槽用于過濾糖化后的麥醪，使麥汁與麥糟分開而得到清亮的麥芽汁 。,（一）型式與構(gòu)造,（二）有關(guān)參數(shù),1麥糟層厚度,一般麥糟層厚度 取0.30.4m較為適宜。,2過濾面積的確定 每100kg干麥芽180升含水的濾糟，最適宜的糟層厚度若取0.35m，則對100kg干麥芽所需的過濾面積為：0.50.6m2。,3過濾槽容積

32、的確定 1m2槽底面積所能容納的麥芽量約為125250kg，一般計算取200kg。則： G=200F，kg 式中 G 每次糖化所用的麥芽量，kg； F所需槽底的面積，m2。,4過濾槽內(nèi)耕糟的轉(zhuǎn)速 （1）耕糟時，為避免麥糟層揚起，一般轉(zhuǎn)速約0.250.4r/min，圓周速度0.040.07m/s。 （2）出槽時的轉(zhuǎn)速，根據(jù)實踐約45r/min，圓周速度0.40.7m/s。太快了，反而達不到出槽目的，太慢了，會延長出糟時間。,5過濾槽槽底與篩板的間距 至少應(yīng)大于槽底管口直徑的1/4 。,四、麥汁煮沸鍋,用于麥汁的煮沸和濃縮，蒸發(fā)掉多余的水分，使麥汁達到一定的濃度。并加入酒花，使酒花中所含的苦味及芳

33、香物質(zhì)進入麥汁中。,（一）型式與結(jié)構(gòu),（二）容積計算,（三）有關(guān)參數(shù) 1麥汁煮沸鍋的容量以過濾后進入鍋中的麥汁量為準，如果以100kg麥芽需要量作為計算單位，則麥汁煮沸鍋容量約需800900升，再加上2530作為麥汁運動的空間。 2麥汁煮沸鍋內(nèi)液柱高與直徑之比1：2，一般不大于此比例，如表面積過小，液柱過高，對液體對流不利，影響蒸發(fā)量，也影響凝結(jié)蛋白質(zhì)的析出。 3麥汁煮沸鍋為了有助于煮沸，同樣裝有攪拌器，其攪拌葉的轉(zhuǎn)速約為2035r/min，圓周速度為3m/s 左右。 4排汽管的截面積為鍋內(nèi)液體表面積的1/301/50。 5根據(jù)實踐，每小時可以蒸發(fā)水量相當(dāng)于鍋中物料量的810%，故在一般條件下

34、需煮沸的時間約1.52小時。,五、糖化醪過濾槽,糖化醪的過濾是啤酒廠獲得澄清麥汁的一個關(guān)鍵設(shè)備，主要用于醪液的糖化和麥汁的過濾。,糖化醪過濾槽的結(jié)構(gòu),第六節(jié) 淀粉水解制糖,用于制備淀粉的原料主要為薯類、玉米、小麥、大米等富含淀粉的農(nóng)產(chǎn)品。根據(jù)原料淀粉的性質(zhì)及采用的催化劑不同，淀粉水解為葡萄糖的方法有酸解法、酶解法、以及酸酶結(jié)合法等。,一、酸解法,二、酶解法,一、酸解法,酸解法又稱酸糖化法，它是以酸為催化劑在高溫下將淀粉水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖的方法。酸解法具有生產(chǎn)方便、設(shè)備要求簡單、水解時間短、設(shè)備生產(chǎn)能力大等優(yōu)點。但是，由于水解是在高溫高壓及一定酸濃度下進行的，故要求設(shè)備需耐腐蝕、耐高溫和耐高壓，同

35、時，酸解法在酸催化水解過程中存在一些副反應(yīng)，導(dǎo)致淀粉轉(zhuǎn)化率較低。另外，酸解法對淀粉原料要求嚴格，要求淀粉顆粒度均勻，顆粒過大會使水解不完全。同樣淀粉乳濃度也不宜過高，過高的淀粉乳濃度會使淀粉轉(zhuǎn)化率下降，這些是酸解法存在的有待解決的問題。 工業(yè)上主要使用具有較高催化效能的鹽酸、硫酸和草酸。一般鹽酸（以純鹽酸計）為淀粉量的0.5%0.8%。工業(yè)上采用的糖化方法有兩種，一為加壓罐法，系間歇操作；另一為管道法，系連續(xù)操作。,（一）加壓罐水解糖化,一根粗的銅管（噴出管）直穿罐的中心，其尾端位于罐底中心凹處，上端穿出罐外直達位于上層樓房的中和筒，供糖化完成后借壓力噴糖化液到中和桶之用，罐頂有蒸汽排出管經(jīng)收

36、集器一直通到廠房頂外面，供排出蒸汽之用。,糖化普遍使用鹽酸，把酸加入淀粉乳中的方法有3種：一種是將全部酸用水沖淡后加入糖化罐中，酸水的量以能淹沒罐底的多孔蒸汽盤管為度，打開蒸汽閥門將酸水煮沸后，引淀粉乳入罐中，淀粉乳引入的速度不能太快，以保持酸水繼續(xù)沸騰為宜。第二種方法是將全部的酸的1/31/2用水沖淡后加入糖化罐中，其余的酸混入淀粉乳中。第三種方法是將全部的酸混入淀粉乳中，糖化罐中只加水。 第一種方法因為先加入糖化罐中的淀粉遇到的酸濃度高，糖化速度快，生成的葡萄糖易起復(fù)合和分解反應(yīng)，影響糖化液的質(zhì)量。第三種方法淀粉乳引入后受熱糊化，容易結(jié)塊，會影響糖化作用的均勻進行。為避免淀粉糊化結(jié)塊，糖化

37、罐中的水應(yīng)含有適量的酸，所以第二種方法比較好，用得也比較普遍,（二）管道水解糖化,由糖化罐放出的糖化液，是淀粉乳的不同程度糖化、復(fù)合、分解反應(yīng)產(chǎn)品的混合物，并不是糖化均勻的產(chǎn)品。糖化液的糖化程度較難控制。糖化罐中需要先加入一定量的水，加熱時用直接蒸汽，這都沖淡糖化液，增加蒸發(fā)成本。放料時糖化液壓力急驟降低產(chǎn)生的二次蒸汽，因為是間歇產(chǎn)生，無法利用，所含的熱量損失。此外，加壓罐法是間歇操作，需要勞動力多，也不易自動控制。 管道糖化法是將加了酸的淀粉乳用泵輸送，流經(jīng)管道，用直接蒸汽加熱或間接加熱，使淀粉乳糊化、糖化，在一定的溫度下流經(jīng)其余管道，在他端流出，達到需要的糖化程度。淀粉乳的各部分糖化均勻，

38、糖化時間短，所得糖化液的純度高、質(zhì)量均勻、顏色淺、易于脫色精制，操作可自動控制，勞動力節(jié)省，所產(chǎn)生的二次蒸汽因為是連續(xù)產(chǎn)生的，可供加熱用，提高了全廠的熱利用效率。,將加了一定量酸的淀粉乳由混合桶泵入加熱器中，可用離心泵、多級活塞泵或螺旋泵。蒸汽直接噴入加熱器，淀粉乳受熱立即糊化，液化，進入位于加熱器下方的進料罐，然后流經(jīng)糖化管道，經(jīng)放料閥至急驟蒸發(fā)罐而放出，為糖化完成的糖化液。淀粉糊在管道中呈湍流狀態(tài)流動，保持一定的直線流動速度。管徑315cm，直線流速以0.12m/s或以上為宜。,二、酶解法,酶解法是利用專一性很強的淀粉酶及糖化酶將淀粉水解為葡萄糖的方法,第一步，利用淀粉酶將淀粉液化；第二步

39、，利用糖化酶將糊精或低聚糖進一步水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖。生產(chǎn)上這兩步分別稱為液化和糖化。,（一）液化 作為發(fā)酵工業(yè)碳源使用的糖液，其粘度的高低會直接影響或決定后道發(fā)酵、提取工藝的難易，因此這種糖液的過濾速度一定要求特別快，在液化方法上一般選用兩次加酶法，以求降低糖液的粘度。從國內(nèi)的條件來看，通常選用一次加酶或二次加酶的低壓蒸汽噴射液化法較為合適。,液化方法中最簡單的為升溫液化法。30%40%濃度的淀粉乳調(diào)節(jié)pH為6.06.5，加入CaCl2調(diào)節(jié)鈣離子濃度到0.01mol，加入需要量的枯草桿菌液化酶，在保持劇烈的情況下，加熱到8590，在此溫度保持3060min達到需要的液化程度。 另一種液化方法稱為

40、高溫液化法。將淀粉乳調(diào)節(jié)好pH和鈣離子濃度，加入需要量的枯草桿菌液化酶，用泵打經(jīng)噴淋頭引入液化桶中的約90熱水中，淀粉受熱糊化、液化，由桶的底部流出，進入保溫桶中，于90保溫約40min或更長的時間達到需要的液化程度。 利用噴射器的液化方法稱為噴射液化法，效果好，應(yīng)用較多。噴射液化器的構(gòu)造由不同的設(shè)計，要點是蒸汽直接噴射入淀粉乳薄層，使淀粉糊化、液化。,噴射液化器構(gòu)造示意圖,噴射液化器,A為蒸汽進口，B為混有液化酶的淀粉乳進口。先通蒸汽入噴射器預(yù)熱到8090，用移位泵將淀粉乳打入，蒸汽噴入淀粉乳的薄層，引起糊化、液化。使用蒸汽壓力為390588kPa。蒸汽噴射產(chǎn)生的湍流使淀粉受熱快而均勻，粘度

41、降低液快。液化的淀粉乳由噴射器下方卸出，引入保溫桶中在8590保溫約40min，達到需要的液化程度。此法的優(yōu)點是液化效果好，蛋白質(zhì)類雜質(zhì)的凝結(jié)好，糖化液的過濾性質(zhì)好，設(shè)備少，也適于連續(xù)操作。,為了改進液化效果和過濾性質(zhì)，液化可分段進行，常用的一種稱為三段液化法。進行分段液化法最好使用管道化連續(xù)設(shè)備，圖2-48為一種應(yīng)用管道3-段連續(xù)示意圖。,（二）糖化 工藝過程：液化糖化滅酶過濾貯糖計量發(fā)酵 液化結(jié)束后，迅速將液化液用酸將pH調(diào)至4.24.5，同時迅速降溫至60時，然后加入糖化酶，60下保溫數(shù)小時后，用無水酒精檢驗無糊精存在時，將料液pH調(diào)至4.85.0，同時加熱到90，保溫30分鐘，然后將料液溫度降低到6070時開始過濾，濾液進入貯糖罐備用。,總