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1、 基因工程酶工程細胞工程發(fā)酵工程產(chǎn)物產(chǎn)品產(chǎn)品 抗生素、生物制藥、氨基酸、核苷酸、有機酸、飼料添加劑、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等醫(yī)藥、輕工、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源等行業(yè)基因工程藥物、疫苗及抗體產(chǎn)品基因工程菌發(fā)酵 FERMENTATIONProcess Control 發(fā)酵工程（Fermentation engineering）上游工程UPSTREAM PROCESSES下游工程DOWNSTREAM PROCESSES發(fā) 酵 工 程 組 成從廣義上講，由三部分組成：發(fā)酵過程 菌種篩選搖瓶試驗發(fā)酵罐試驗 上游工程（實驗室階段） 下游工程 （DOWNSTREAM PROCESSES）- prod

2、uct extraction, purification 2 滾筒;3 收集槽;4 輸送螺旋;5 主軸;6 吸風口;7 卸料端護罩;8 端蓋接頭;9 可調擋板;10 固定擋板;11 短粒出口;12 長粒出口;13 攪動器;14 端蓋接頭;15 指示盤;16 手輪;17 螺釘 n物料由進料口送入滾筒,在滾筒轉動過程中短粒不斷嵌入袋孔,被帶到一定高度后在自身重力作用下落入收集槽,由輸送螺旋送至短粒出口;長粒物料位于滾筒底部,依靠攪動器或滾筒本身的傾斜送至長粒出口。 1.1.3 固體物料的粉碎設備 (1)兩輥式粉碎機 n (2)四輥式粉碎機n由兩對輥筒和一組篩子所組成。n原料經(jīng)第一對輥筒粉碎后,由篩

3、選裝置分離出皮殼排出,粉粒再進入第二對輥筒粉碎。 n 3.盤磨機n單轉盤和雙轉盤兩種n單轉盤的主要構件是兩個帶溝槽的圓盤,一個同軸一起轉動,另一個固定在外殼上。n雙轉盤有兩個可同時旋轉、轉動方向相反的轉盤,剪切作用更大,效率更高。 n工作時,物料進入圓盤中心,在離心力的作用下,在圓盤縫隙中向外甩出,在研磨和剪切力的作用下被粉碎。 內裝有研磨體(一般為鋼球,也有用鋼柱、鋼棒或卵石的)。n球磨機工作時,物料與研磨體在摩擦力和離心力作用下,貼在筒體內壁上與筒體一起回轉。當提升到一定高度后,由于重力作用,研磨體發(fā)生自由瀉落或拋落現(xiàn)象,從而對筒內物料進行沖擊、研磨和擠壓,物料逐漸被粉碎。 5.冷凍粉碎n

4、將待粉碎的物料用液氮冷卻凍結到脆化點以下,利用其低溫脆性而使物料粉碎的技術,冷凍粉碎后應進行冷凍干燥處理。 n圖1-18 低溫粉碎系統(tǒng)n 1 物料入口;2 原料冷凍箱;3 輸送機;4 液氮箱;5 低溫粉碎機;6 產(chǎn)品出口;7 旋風分離器;8 風機 n 1.1.4 固體物料輸送設備 n利用均勻固接于牽引構件上的一系列料斗,豎向提升物料的連續(xù)輸送機械。提升高度通常為710m,有時高達3050m.n適宜顆粒狀、粉狀和中小塊狀物料的提升。n輸送工作原理:n料斗把物料舀起,隨著輸送帶或鏈提升到頂部,繞過頂輪后向下翻轉,靠重力和離心力將物料傾倒出來。根據(jù)傳送量可調節(jié)傳送速度,并隨需選擇提升高度。 n圖1-

5、19 傾斜斗式提升機n 1、2 支架;3 張緊裝置;4 傳動裝置;5 裝料口圖1-20 垂直斗式提升機 n (1)料斗n有三種不同的結構形式,即深斗、淺斗和三角斗。n深斗：底部呈圓柱形,斗口側緣平緩,深度較大,適用于輸送流動性好的干燥粒狀物料。n淺斗：底部、斗間距與深斗相同,斗口側緣較為陡峭,每個料斗的裝量少,但容易卸空,多用于輸送潮濕和流動性較差的物料。 n三角斗：采用無間距布置安裝,其側壁延伸至斗底之外,適用于輸送黏性大、沉重的塊狀物料。 n (2)牽引構件n有帶式和鏈式兩種。n牽引構件為帶式的斗式提升機,其傳動帶一般采用橡膠帶,裝在下或上面的傳動滾筒和上或下面的改向滾筒上;n牽引構件為鏈

6、式的斗式提升機一般裝有兩條平行的傳動鏈,上或下面有一對傳動鏈輪,下或上面是一對改向鏈輪。n牽引構件的選擇取決于提升機的負荷和運行速度。n膠帶主要用于高速輕載提升,適合于體積和相對密度小的粉狀、小顆粒等物料。 n鏈條則可用于低速重載提升。 n (3)裝料和卸料方式n裝料方法：挖取法和灌入法n挖取法：較高的料斗速度,易于充滿,輸送中小塊或磨損性小的粒狀物料。n灌入法：物料直接裝入料斗中,較低的料斗速度,以充滿料斗,料斗布置密集,輸送塊大、磨損性大的物料。 n卸料方法：離心式、混合式和重力式n離心式卸料：適用于運動速度較快、流動性較差的物料。n重力式卸料：適用于物料提升速度較慢、大塊、相對密度大和易

7、碎的物料。n混合式卸料：適用于流動性不良的散狀或潮濕物料。 n 2.螺旋輸送機n工作原理:絞龍(帶螺旋片的軸)在封閉的料槽內旋轉,使裝入料槽的物料由于自重及其與料槽摩擦力的作用而不與螺旋一起旋轉,只能沿料槽橫向移動。n適用于摩擦性小的粉狀、顆粒狀及小塊狀散粒物料的輸送,用于距離不太長的水平輸送或小傾角的傾斜輸送。 n根據(jù)工作傾角分為：立式螺旋輸送機、傾斜式螺旋輸送機和水平式螺旋輸送機。n立式螺旋輸送機：垂直向上輸送物料,n水平式螺旋式輸送機：水平方向或輸送傾角小于20的傾斜輸送物料;n傾斜式螺旋輸送機：輸送傾角在2090的物料輸送。 n根據(jù)螺旋葉片形式不同分為：滿面式(又稱實體面型)、帶式(又

8、稱帶式面型)、成型式(又稱齒型)和漿式(又稱葉片面型)等型式。n滿面式螺旋：運送干燥的小顆?；蚍蹱钗锪蠒r;n帶式螺旋：輸送塊狀或黏性物料時;n當輸送韌性和可壓縮性物料時,宜采用滿面式或成型式螺旋。 n 3.帶式輸送機n具有撓性牽引構件的運輸機械。n由環(huán)形輸送帶、驅動滾筒、張緊滾筒、張緊裝置、裝料斗、卸料裝置、托輥及機架組成。n用于塊狀、顆粒狀物料及整件物料的水平方向或傾斜方向的運送,在輸送的同時還可進行檢查、分選、包裝、清洗和預處理等操作。 全葉式帶式葉片式成型葉 n環(huán)形輸送帶繞過并張緊于兩滾筒上,是帶式輸送機的牽引及承載構件。輸送帶依靠其與驅動滾筒之間的摩擦力產(chǎn)生連續(xù)運動,依靠其與物料之間的

9、摩擦力和物料的內摩擦力使物料隨輸送帶一起運動,完成輸送物料的任務。物料從裝料斗進入輸送帶上,被運送至輸送機的另一端,途中需卸料可在相應位置另設卸料器。n常用的輸送帶：橡膠帶、塑料帶、纖維編織帶及網(wǎng)狀鋼絲帶。 n托輥：用于承托輸送帶及其上面的物料,避免作業(yè)時輸送帶產(chǎn)生過大的撓曲變形。n托輥分：上托輥(載運托輥)、下托輥(空載托輥)。 n張緊裝置：。 n 4.氣流輸送n又稱風力輸送,借助空氣在密閉管道內的高速流動,使物料在氣流中被懸浮輸送到目的地的一種運輸方式,如發(fā)酵工廠利用氣流輸送地瓜干、大麥、大米等。 (1)吸引式輸送流程 n圖1-29 吸引式氣流輸送流程n 1 吸嘴;2 輸送管;3、6 旋風

10、分離器;4 料倉;5 風機;7 廢氣;8 集塵袋 (2)壓送式輸送流程 n圖1-30 壓送式氣流輸送流程n 1 空氣粗濾器;2 鼓風機;3 料斗;4 分離器;5 除塵器 (3)綜合式氣流輸送流程 n圖1 31 綜合式氣流輸送流程n 1 吸嘴;2 軟管;3 吸入側固定管;4 分離器;5 旋轉供料器;6 空氣管;7 過濾器;8 鼓風機;9 固定管;10 分離器;11 二次分離器;12 排料口 n吸引式輸送流程，又稱真空輸送：風機安裝在整個系統(tǒng)的尾部,運用風機從整個管路系統(tǒng)中抽氣,使管道內的氣體壓力低于外界大氣壓力,即處于負壓狀態(tài)。n壓送式氣流輸送：將風機安裝在系統(tǒng)的前端,風機啟動后,空氣即進入管路

11、內,管路內壓力高于大氣壓力,即處于正壓狀態(tài)。從料斗下來的物料,通過喉管與空氣混合送到分離器,分離出的物料由卸料器卸出,空氣經(jīng)除塵器凈化后排入大氣。 n綜合式氣流輸送流程：將風機安裝在整個系統(tǒng)的中間,在風機前,物料靠管道內的負壓來輸送,而在風機后,物料靠空氣的正壓來輸送。 n 1.1.5 液體物料輸送設備n 1.離心泵n按吸液方式分：單吸泵和雙吸泵;n按泵體內葉輪數(shù)目分：單級泵和多級泵;n按所輸送流體的性質分：水泵、耐腐蝕泵、油泵和雜質泵等。n由葉輪、泵軸、泵殼、填料函和軸承等部件組成。 為避免氣縛現(xiàn)象,離心泵啟動前,必須用液體把泵腔灌滿。啟動后,當泵軸帶動葉輪與葉片間的液體一同高速旋轉時,在離

12、心力的作用下,液體在葉片間從葉輪中心沿徑向連續(xù)高速甩向葉輪邊緣,并進入蝸殼形泵腔內,泵殼中流道逐漸加寬,使進入其中的液體流速逐漸降低,部分動能轉變?yōu)殪o壓能,泵出口處具有較高靜壓強的液體排入管路,送到生產(chǎn)目的地。 n圖1-32 離心泵n 1 葉輪;2 泵殼;3 泵軸;4 吸入管;5 底閥;6 壓出管;7 出口閥 n 2.往復泵n泵缸內有活塞,它通過活塞桿與傳動機械相連接。當活塞桿由于外力作用向右移動時,泵缸內密閉的工作室容積變大,壓力降低,吸入池內的液體在大氣壓的作用下,頂開吸入閥進入泵缸,排出閥關閉。當活塞移到最右端時,工作室的容積最大,吸入的液體量也最大。此后活塞開始向左移動,使泵缸內密閉工

13、作室容積變小,壓力升高,排出閥被頂開,吸入閥自動關閉,將缸內液體排出泵外。當活塞移到最左端時,排液完畢,完成一個工作循環(huán)。 n 3.隔膜泵n輸送有毒、腐蝕性液體或含固體顆粒的懸浮液。n采用一彈性薄膜(隔膜)隔開活柱與被輸送的液體,薄膜用耐腐蝕的橡膠制成。隔膜左側接觸待輸送液體的部分均由耐腐蝕材料制成,隔膜的右側則充滿水或油。當活塞柱向上運動時,隔膜向右彎曲,液體被吸入;當活塞柱向下運動時,隔膜向左彎曲,液體被壓出。 1.3 生物質原料的蒸煮與糖化設備n蒸煮目的：n 1、借助蒸煮時的高溫作用，破壞原料中淀粉顆粒的外皮，使其內容物流出，呈溶解狀態(tài)變成可溶性淀粉，以便糖化劑作用。n 2、高溫高壓滅菌

14、。 n淀粉質原料通過蒸煮，把顆粒狀的淀粉變成溶解狀的糊精，如果這時的糊精還不能被細胞利用，還必須采取添加糖化劑（麩曲、液體曲、糖化酶），把醪液中的淀粉、糊精轉化為可發(fā)酵性糖等物質。 工 業(yè) 生 產(chǎn) 上 將 可 溶 性 淀 粉 、 糊 精 轉 化 為 葡 萄 糖 的過 程 ， 叫 做 糖 化 。糖 化 的 目 的 ：把 溶 解 狀 態(tài) 的 淀 粉 、 糊 精 轉 化 為 能 夠 被 生 物 細 胞利 用 的 可 發(fā) 酵 性 物 質 ， 降 低 醪 液 的 粘 度 ， 有 利 于酵 母 的 發(fā) 酵 和 發(fā) 酵 液 的 輸 送 。淀 粉 水 解 的 過 程 ：淀 粉 糊 精 低 聚 糖 麥 芽 糖

15、葡 萄 糖 1.高溫高壓蒸煮工藝將 加 熱 器 （ 噴 射 加 熱 器 ） 、 后 熟 器 、 冷 卻 器 （ 真空 冷 卻 器 ） 和 糖 化 鍋 組 成 連 續(xù) 蒸 煮 糖 化 流 程 。 提高 生 產(chǎn) 能 力 和 出 酒 率 ， 改 善 勞 動 條 件 ， 提 高 產(chǎn) 品質 量 。 對 連 續(xù) 糖 化 的 要 求 主 要 是 使 糊 化 醪 與 曲 液 充 分 混合 ， 在 一 定 溫 度 下 維 持 一 定 時 間 ， 并 保 持 流 動 狀態(tài) ， 便 于 酶 的 作 用 。1.3.1 淀粉質原料的蒸煮與糖化設備 1)、 罐 式 連 續(xù) 蒸 煮 流 程 水原料混合用水粉漿液體曲粉漿泵蒸

16、汽噴射器后熟器真空冷卻器連續(xù)糖化罐液體曲貯罐最后一個后熟器蒸煮罐 n 2)、蒸煮罐 可在 很 短 時 間 內 使 粉 漿 達到 規(guī) 定 的 蒸 煮 溫 度 。 最后一個后熟器糊化醪入口安全閥 人孔壓力表二次蒸汽出口自控儀表接口液位指示器 耳架糊化醪出口自控儀表接口 4)、 后 熟 器n 不 再 通 入 蒸 汽 ， 前 幾 個 后 熟 器 是溫 度 維 持 段 ， 作 用 是 在 定 溫 度下 ， 維 持 一 定 時 間 ， 使 糊 化 醪 進一 步 煮 透 。n 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 。 最

17、后 一 個 后 熟 器 也 叫汽 液 分 離 器 ， 分 離 出 來 的 二 次 蒸汽 可 供 粉 漿 罐 預 熱 粉 漿 。 n 罐 式 連 續(xù) 蒸 煮 的 加 熱 罐 和 后 熟 器 ， 其 直 徑 不 宜 太大 。n 原 因 是 醪 液 從 罐 底 中 心 進 入 后 作 返 混 運 動 ， 直 徑太 大 不 能 保 證 醪 液 先 進 先 出 ， 致 使 受 熱 時 間 不 均勻 ， 而 造 成 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 。 n 5) 連續(xù)糖化罐n具有圓筒形外殼,球形或錐形底。n作用:連續(xù)地把糊化醪與水稀釋,并

18、與糖化酶或曲混合,在一定溫度下維持一定時間,內裝有攪拌器12組,攪拌轉速為n 4590r/min。圖1-44 糖化罐結構圖1 糊化醪進管;2 水、液體曲或糖化酶進管;3 無菌壓縮空氣進口;4 人孔;5 溫度計測溫口;6 蒸汽進口管;7 糖化醪出口管;8 攪拌器 n 2.常壓蒸煮工藝n粉料加水制成粉漿后,加入-淀粉酶攪拌均勻,用蒸汽加熱至100左右進行蒸煮。 n 3.低壓蒸汽噴射液化工藝n根據(jù)加酶方式不同,噴射液化法可分為:一次加酶法、二次加酶法、三次加酶法,其中三次加酶法主要用于處理含蛋白質較高的次級小麥淀粉,不常用。 n配料罐內淀粉加水調漿,調pH5.07.0,加-淀粉酶,料液經(jīng)攪拌均勻后用

19、泵打入噴射液化器,與高溫蒸汽直接接觸,控制出料溫度100115 ,進入層流罐液化保溫90120min,進行二次噴射,使溫度升至120145 ,目的是把耐高溫-淀粉酶殺死,同時分散淀粉,凝固蛋白質,維持35min后經(jīng)真空閃急冷卻進入pH 調節(jié)罐,加酶糖化。 1.3.2 啤酒生產(chǎn)中麥芽汁的制備設備 1.糖化設備n糖化：利用麥芽所含的各種水解酶(或外加酶制劑),在適宜的條件(溫度、pH、時間)下,將麥芽和輔料中的不溶性高分子物質逐步分解為可溶性低分子物質。n在糖化過程中,水與麥芽粉碎物料充分混合,在麥芽各種酶系的作用下,將麥芽中的可溶性物質浸出,并在酵母的作用下將麥汁發(fā)酵為啤酒。 (1)糊化鍋n用于

20、加熱煮沸大米等輔料以及部分麥芽醪液,使淀粉進行糊化和液化,具備加熱和攪拌功能裝置。n糊化鍋的鍋底及側壁焊接半圓管進行加熱,在關閉蒸汽閥門后不會出現(xiàn)真空吸癟現(xiàn)象。 n圖1-50 新式糖化(糊化)鍋n 1 排汽筒;2 排汽鍋頂蓋;3 CIP清洗;4 內部照明燈;5 視孔;6 鍋壁夾套;7 保溫層;8 攀登欄;9 攪拌器;10 加熱管;11 醪液進口和出口;12 電機 (2)糖化鍋n與糊化鍋型式、結構類似,麥芽粉漿與已糊化的輔料醪液在此混合,使醪液維持在一定的溫度,進行淀粉糖化。具備加熱和攪拌功能。n糖化鍋攪拌器的轉速線速度不超過3m/s,否則會對醪液產(chǎn)生剪切力,使醪液內容物發(fā)生改變。n特點:攪拌槳

21、葉長而寬大，對稱設置;攪拌槳葉有傾角且開孔;攪拌裝置可升降、采用變頻調節(jié)。 2.麥汁過濾設備n分離糖化醪液中的可溶性浸出物,盡量減少影響啤酒風味的麥皮多酚、色素、苦味物質以及麥芽中的高分子蛋白質、脂肪、脂肪酸和-葡聚糖等物質進入麥汁,從而保證麥汁良好的口味和較高的澄清度。n啤酒廠采用的麥汁過濾設備為過濾槽和壓濾機。 (1)過濾槽n以過濾篩板和麥糟為過濾介質,通過篩分效應、濾層效應和深層過濾效應的作用而進行的以液柱靜壓為動力的過濾方法。麥汁的過濾速度受濾層阻力、濾層滲透性、濾層厚度、麥汁黏度和濾層面積等因素的影響。n過濾槽采用不銹鋼制作,帶有保溫層。n在洗糟過程中,耕糟可以改善水與麥糟的接觸,增

22、加新的麥汁通道,使麥汁過濾得更快、洗糟更徹底. n耕糟機可以在不同的高度將麥糟層劃開并松動,水沿剪切線流入麥糟層,鄰近部分被洗出。 (2)壓濾機 3.麥汁煮沸設備n麥汁在煮沸過程中添加酒花。通過煮沸,酒花中的苦味和香味物質溶解到麥汁中。n煮沸過程中發(fā)生的物理和化學變化:n酒花苦味物質的溶解和轉化;n可凝固性蛋白質多酚復合物的形成和分離;n蒸發(fā)多余水分,使麥汁達到規(guī)定的濃度;n對麥汁進行滅菌;n破壞酶活性,固定麥汁成分; n麥汁色度上升，麥汁酸度增加，形成還原性物質如還原性多酚等，麥汁中二甲基硫含量發(fā)生變化。 (1)內加熱式煮沸鍋n特點:列管式加熱器,垂直安裝在鍋內。在加熱器上方安有傘型防溢罩,

23、使上升的麥汁分配至四周,同時可避免泡沫的形成,使麥汁均勻受熱。n分常壓煮沸和低壓煮沸。n常壓煮沸即傳統(tǒng)煮沸n低壓煮沸則是在0.110.12MPa的壓力下進行煮沸,加速蛋白質凝聚和酒花苦味質的異構化,煮沸時間縮短,節(jié)省熱能消耗。 圖1-55 具列管式內加熱器的煮沸鍋n優(yōu)點:設備投資少;耗電量低;熱輻射損失小;煮沸溫度和蒸發(fā)速率可以調整;使用低壓飽和蒸汽加熱;麥汁在內加熱器管束中的流速較低;不需要外加熱器和攪拌器。n缺點:清洗比較困難;蒸汽壓力控制不好造成蒸汽溫度過高時,就會出現(xiàn)麥汁局部過熱,導致麥汁色澤加深、口味變差,影響成品啤酒的質量。 (2)外加熱式煮沸鍋n由不銹鋼板制成的列管式或板式加熱器

24、進行循環(huán)加熱,加熱器獨立安裝在煮沸鍋外部。麥汁經(jīng)加熱器加熱后,從切線方向進入煮沸鍋或通過中線直接把麥汁送入帶傘罩的麥汁導管。n優(yōu)點:n煮沸時間短,可提高苦味物質的利用率;n麥汁循環(huán)次數(shù)、煮沸強度、煮沸溫度可根據(jù)工藝要求調節(jié)。 n缺點:耗電量高,輻射熱損失大及設備投資費用高。 n圖1-56 帶外加熱器的麥汁煮沸鍋n 1 外加熱器;2 熱麥汁管;3 套管;4 傘形分布罩;5 蒸汽進口;6 冷凝水出口;7 麥汁泵;8 調節(jié)閥 n圖1-57 麥汁外加熱器n 1 蒸汽入口;2 冷凝水出口;3 麥汁入口;4 麥汁出口 (3)回旋沉淀槽n平底密閉容器,具有保溫層,以防止麥汁冷卻。槽內壁光滑潔凈,邊緣平整無棱

25、角,槽內不安裝物件,防止局部紊流或渦流,影響分離效果;槽的上部設有洗滌用的噴水環(huán)管。麥汁液位高度與槽的直徑之比為1 23。 n圖1-58 回旋沉淀槽n 1 排氣筒;2 洗滌水進口;3 噴水環(huán)管及噴嘴;4 液位指示管;5 麥汁切線進口;6 人孔;7 鋼筋混凝土底座的水防護圈;8 底座;9 麥汁及廢水排出閥 1.4 培養(yǎng)基的滅菌設備 n 1.4.1 培養(yǎng)基分批滅菌 n 1.4.2 培養(yǎng)基連續(xù)滅菌 n 3.主要設備 圖1-67 套管式連消塔 圖1-68 混合式連消塔 圖1-69 噴射式加熱器示意圖1 噴嘴;2 吸入口;3 吸入室;4 混合噴嘴;5 混合段;6 擴大管 圖1 70 維持罐1 人孔;2 進料管;3 出料管;4 溫度計測溫口;5 排盡管 圖1-72 真空冷卻器1 圓筒體;2 人孔;3 進料管;4 料液排出管;5 溫度計插座;6 真空表接管;7 二次蒸汽出口n 3）真空冷卻器n高溫培養(yǎng)基從維持設備進入真空冷卻器,在一定真空度下蒸發(fā)部分水,水分立即汽化,培養(yǎng)基溫度下降。n器身為圓筒形,上部為碟形,下部為錐形。