第二章生物細(xì)胞培養(yǎng)基制備過程與設(shè)備

1、第二章 生物細(xì)胞培養(yǎng)基制備過程與設(shè)備所有的生物細(xì)胞都要不斷地同外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，都要進(jìn)行新陳代謝，才能表現(xiàn)出生命活動，這時(shí)，就需要營養(yǎng)物質(zhì)。營養(yǎng)物質(zhì)包括碳源、氮源、微量元素、維生素等。利用生物細(xì)胞進(jìn)行生物加工時(shí)，需要根據(jù)不同的細(xì)胞配制多種多樣的培養(yǎng)基，有的細(xì)胞能利用淀粉，這時(shí)直接向培養(yǎng)基添加淀粉；有的僅能利用葡萄糖，這時(shí)就要用纖維素、半纖維素或各種工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物來制備培養(yǎng)基。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(jìn)行去除或殺滅。第一節(jié) 液體培養(yǎng)基的滅菌滅菌是指利用物理或化學(xué)方法殺滅或除去物料及設(shè)備中一切有生命物質(zhì)的過程。常用的滅菌方法大致有以下幾種：化學(xué)滅菌法

2、，電磁波、射線滅菌法，干熱滅菌法，濕熱滅菌法，過濾除菌法，火焰滅菌法。發(fā)酵工業(yè)自從采用純種培養(yǎng)以后，產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量都有了很大的提高，同時(shí)對防止染菌的要求也更高了。目前的各種培養(yǎng)過程往往都要求在沒有雜菌污染的條件下進(jìn)行，由于培養(yǎng)過程中通常含有比較豐富營養(yǎng)物質(zhì)，且培養(yǎng)基中常常帶有各種微生物，因此很容易受到雜菌的污染，進(jìn)而會產(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

3、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?。唬?）發(fā)生噬菌體污染，微生物細(xì)胞被裂解，而使生產(chǎn)失敗等等。由此可見，培養(yǎng)基滅菌是否徹底直接關(guān)系到生產(chǎn)過程的成敗，輕則導(dǎo)致所需要的產(chǎn)品產(chǎn)量銳減，質(zhì)量下降，后處理困難，重則使全部培養(yǎng)液變質(zhì)，導(dǎo)致成噸的培養(yǎng)基報(bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)上的嚴(yán)重?fù)p失，這一點(diǎn)對大規(guī)模的生產(chǎn)過程更為突出。所以，為了保證培養(yǎng)過程的正常進(jìn)行，防止染菌的發(fā)生，對大部分微生物的培養(yǎng)，包括實(shí)驗(yàn)室操作和工業(yè)生產(chǎn)，均需要進(jìn)行嚴(yán)格的滅菌。工業(yè)上，培養(yǎng)基、發(fā)酵設(shè)備一般都采用蒸汽濕熱滅菌。一、濕熱滅菌原理和影響滅菌的因素在發(fā)酵工業(yè)中，對培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌，廣泛使用濕熱滅

4、菌法。工廠里，蒸汽比較容易獲得，控制操作條件方便，是一種簡單而又價(jià)廉、有效的滅菌方法。用濕熱滅菌的方法處理培養(yǎng)基，其加熱溫度和受熱時(shí)間與滅菌程度和營養(yǎng)成分的破壞都有關(guān)系。營養(yǎng)成分的減少將影響菌種的培養(yǎng)和產(chǎn)物的生成，所以滅菌程度和營養(yǎng)成分的破壞成為滅菌工作中的主要矛盾，恰當(dāng)掌握加熱溫度和受熱時(shí)間是滅菌工作的關(guān)鍵。（一）滅菌動力學(xué)微生物受熱而破壞是指其生活能力喪失，微生物熱死滅原因是細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)。（1）對數(shù)殘留定律微生物受熱死亡的原因，主要是因高溫使微生物體內(nèi)的一些重要蛋白質(zhì)，如酶等，發(fā)生凝固、變性，從而導(dǎo)致微生物無法生存而死亡。微生物受熱而喪失活力，但其物理性質(zhì)不變。在一定溫度下，微生物的受熱死

5、亡遵照分子反應(yīng)速度理論。在滅菌過程中，活菌數(shù)逐漸減少，其減少量隨活菌數(shù)的減少而遞減，即微生物的死亡速率與任一瞬時(shí)殘留的活菌數(shù)成正比，如圖2-1所示，大腸桿菌的死亡曲線為線性關(guān)系，稱之為對數(shù)殘留定律，也即反映為一級化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)為： （2-1）式中 殘存的活菌數(shù)；滅菌時(shí)間，s；滅菌速度常數(shù)（s-1），也稱反應(yīng)速度常數(shù)或比死亡速度常數(shù)，此常數(shù)的大小與微生物的種類與加熱溫度有關(guān)；活菌數(shù)瞬時(shí)變化速率，即死亡速率。上式通過積分可得： （2-2）式中 開始滅菌（t=0）時(shí)原有活菌數(shù)；經(jīng)時(shí)間t后殘存活菌數(shù)。上式是計(jì)算滅菌的基本公式，滅菌速度常數(shù)是判斷微生物受熱死亡難易程度的基本依據(jù)。各種微生物在同樣的溫度下

6、K值是不同的，值越小，則此微生物越耐熱。若要求滅菌后絕對無菌，即=0，則從上面公式可以看出滅菌時(shí)間將等于無窮大，這是不可能的，故培養(yǎng)液滅菌后，以在培養(yǎng)液中還殘留一定活菌數(shù)進(jìn)行計(jì)算。工程上，通常以=10-3個(gè)/罐，即雜菌污染降低到被處理的每1000罐中只殘留1個(gè)活菌的程度，此數(shù)已滿足生產(chǎn)要求。（2-2）式是理論滅菌時(shí)間的對數(shù)殘存規(guī)律公式。但實(shí)際上蒸汽加熱滅菌時(shí)間則以工廠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定，通常高溫滅菌時(shí)間約為1530s，然后根據(jù)發(fā)酵類型不同在維持罐維持825min。對谷氨酸發(fā)酵，培養(yǎng)基粘度低，營養(yǎng)豐富，維持時(shí)間可采用810min。90%死滅時(shí)間：所定條件為活的微生物90%死滅所需的時(shí)間，也稱1/1

7、0衰減時(shí)間。從公式2-2得：則 （2-3）當(dāng)反應(yīng)物的濃度為單位濃度時(shí)，則反應(yīng)速度常數(shù)在數(shù)值上等于反應(yīng)速度。故反應(yīng)速度的大小表示微生物對熱的抵抗能力的強(qiáng)弱，也說明微生物死滅的難易。值越小，則該微生物越耐熱。細(xì)菌孢子（芽孢）對熱的抵抗力高于營養(yǎng)細(xì)胞。 即使對于同一微生物，也受微生物的生理狀態(tài)、生長條件及滅菌方法等多種因素的影響，其營養(yǎng)細(xì)胞和芽孢的比死亡速率也有極大的差異，就微生物的熱阻來說，細(xì)菌芽孢是比較耐熱的，孢子的熱阻要比生長期細(xì)胞大得多。（2）溫度對死亡速率的影響微生物的受熱死亡屬于單分子反應(yīng)，其滅菌速率常數(shù)K與溫度之間的關(guān)系可用啊累尼烏斯公式表示： （2-4）或 （2-5）式中 頻率常數(shù)，

8、也稱阿累尼烏斯常數(shù)s-1；氣體常數(shù)，8.314J/molK；絕對溫度，K；培養(yǎng)基成分分解所需，J/mol。該式可繪成圖2-2。絕對溫度的倒數(shù) 圖2-2 微生物死亡與溫度的關(guān)系在滅菌時(shí)，溫度T和時(shí)間t是兩個(gè)重要參數(shù)，一般而言，提高溫度或者延長時(shí)間，均可增加對雜菌的殺滅。但通常，我們采取提高溫度的措施，而不用延長時(shí)間的途徑。這主要是由于在培養(yǎng)基中加熱滅菌過程中，常會出現(xiàn)這樣的矛盾，即加熱時(shí)雜菌固然被殺死，但培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分，也隨之遭到分解和破壞，這是發(fā)酵生產(chǎn)中所不希望的。那么，如何既可達(dá)到滅菌要求，同時(shí)又不破壞或少破壞培養(yǎng)基中的有用成分呢？辦法就是采用高的溫度和短的時(shí)間來進(jìn)行滅菌。對此，可對式進(jìn)

9、行分析而獲得結(jié)論。如把式（2-5）微分，則可得： （2-6）經(jīng)分析該式可見，越大，同樣的便得到大的，這表明，隨溫度的變化大。所以，是反映微生物熱死或營養(yǎng)物受熱分解，對溫度敏感性的度量。已知微生物在受熱死亡時(shí)的活化能，一般要比營養(yǎng)成分熱分解的活化能大得多，為此，這就意味著當(dāng)溫度升高時(shí)，雖然營養(yǎng)物的受熱破壞也要增大，但是，微生物死亡速率的增加，要比營養(yǎng)成分破壞速率的增加大得多?；谶@一事實(shí)，我們便可實(shí)現(xiàn)既達(dá)到規(guī)定的滅菌程度，同時(shí)又盡量減少營養(yǎng)成分損失的兩全其美的方法，這就是高溫、瞬時(shí)滅菌法HTST滅菌法。生產(chǎn)實(shí)踐證明，滅菌溫度較高而時(shí)間較短比溫度較低而時(shí)間較長要好。據(jù)此，可以在滅菌時(shí)選擇較高的溫度

10、、較短的時(shí)間，這樣便既可達(dá)到需要的滅菌程度，同時(shí)又可減少營養(yǎng)物質(zhì)的損失。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(shí)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(jìn)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(shí)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻而進(jìn)行滅菌。圖2-3為連續(xù)滅菌過程中溫度的變化情況。由圖2-3可以看出，連續(xù)滅菌時(shí)，培養(yǎng)基可在短時(shí)間內(nèi)加熱到保溫溫度，并且能很快地冷卻，因此可在比間歇滅菌更高的溫度下進(jìn)行滅菌，而由于滅菌溫度很高，保溫時(shí)間就相應(yīng)地可以很短，極有利于減少培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)的破壞。連續(xù)滅菌具有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）提高產(chǎn)量。與分批滅菌相比培養(yǎng)液受熱時(shí)間短，可縮

11、短發(fā)酵周期，同時(shí)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(fù)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(qiáng)度。在連續(xù)滅菌過程中，蒸汽用量雖平穩(wěn)，但氣壓一般要求高于0.5Mpa（表壓）。連消設(shè)備比較復(fù)雜，投資較大。采用連續(xù)滅菌時(shí)，發(fā)酵罐應(yīng)在連續(xù)滅菌開始前先進(jìn)行空消，以容納經(jīng)過滅菌的培養(yǎng)基。加熱器、維持罐和冷卻器也應(yīng)先進(jìn)行滅菌，然后才能進(jìn)行培養(yǎng)基連續(xù)滅菌。組成培養(yǎng)基的耐熱性物料和不耐熱性物料可在不同溫度下分開滅菌，以減少物料受熱破壞的程度，也可將糖和氮源分開滅菌，以免醛基與氨基發(fā)生反應(yīng)而生成有害物質(zhì)。對于粘度過高或固體成分較多的培養(yǎng)基要實(shí)現(xiàn)連消困難較多，主要是

12、滅菌的均勻度問題。設(shè)計(jì)這類物料的連消設(shè)備必須避免管道過長，或盡可能將淀粉質(zhì)物料先行液化。以下介紹幾種國內(nèi)外較為常用的連續(xù)滅菌流程，由于滅菌過程是加熱和冷卻的過程，所以這些設(shè)備所組成的流程并不是固定的。如采用噴射加熱器加熱而采用真空冷卻有困難，也可采用其它冷卻方式（如噴淋冷卻器或板式換熱器等）。（一）連消塔噴淋冷卻流程圖2-4是一種連消塔、維持罐、噴淋冷卻的連續(xù)滅菌流程。配好的培養(yǎng)基用泵打入連消塔與蒸汽直接混合，達(dá)到滅菌溫度后進(jìn)入維持罐，維持一定時(shí)間后經(jīng)噴淋冷卻器冷卻至一定溫度后進(jìn)入發(fā)酵罐。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(shí)由于料液與蒸汽溫度相差

13、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(shí)間很短，光靠這段時(shí)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(jìn)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)滅菌過的罐內(nèi)。（二）噴射加熱真空冷卻流程圖2-5是一種噴射加熱、管道維持、真空冷卻的連續(xù)滅菌流程。培養(yǎng)基（生培養(yǎng)液）用泵打入噴射加熱器，以較高速度自噴嘴噴出，借高速流體的抽吸作用與蒸汽混合后進(jìn)入管道維持器，經(jīng)一定維持時(shí)間后通過一膨脹閥進(jìn)入真空閃急蒸發(fā)室，因真空作用使水分急驟蒸發(fā)而冷卻到7

14、080左右，再進(jìn)入發(fā)酵罐冷卻到接種溫度。這個(gè)流程的優(yōu)點(diǎn)是：加熱和冷卻在瞬間完成，營養(yǎng)成分破壞最少，可以采用高溫滅菌，把溫度升高到140而不致引起培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的嚴(yán)重破壞。設(shè)計(jì)得合適的管道維持器能保證物料先進(jìn)先出，避免過熱。但如維持時(shí)間較長時(shí)，維持罐的長度就很長，給安裝使用帶來不便，所以如酒精廠的液蒸煮等大多仍采用維持罐。滅菌溫度取決于噴射加熱器中加入蒸汽的壓力和流量，要保持滅菌溫度恒定就需要使蒸汽的壓力和；流量以及培養(yǎng)基的流量穩(wěn)定，故宜設(shè)置自動控制裝置，如果自動控制的滯后較大，也會引起操作不穩(wěn)定而產(chǎn)生滅菌不透或過熱現(xiàn)象。另外，由于真空的影響，在蒸發(fā)室下面要安裝一臺出料泵，或?qū)⒄舭l(fā)室置于離發(fā)酵罐

15、液面10m以上的高處，否則物料就不能流進(jìn)發(fā)酵罐而進(jìn)入真空系統(tǒng)，這就帶來了不方便，尤其是對于已經(jīng)滅菌好的培養(yǎng)基來說，出料泵的密封要求很高才能避重新污染。這個(gè)問題也許是目前很多工廠不采用真空冷卻的原因之一。（三）板式換熱器滅菌流程圖2-6為薄板換熱器連續(xù)滅菌過程，流程中采用了薄板換熱器作為培養(yǎng)液的加熱和冷卻器，培養(yǎng)液在設(shè)備中同時(shí)完成預(yù)熱、滅菌及冷卻過程，蒸汽加熱段使培養(yǎng)液的溫度升高，經(jīng)維持段保溫一段時(shí)間，然后在薄板換熱器的另一段冷卻，從而使培養(yǎng)基的預(yù)熱、加熱滅菌及冷卻過程可在同一設(shè)備內(nèi)完成。雖然利用板式熱交換器進(jìn)行連續(xù)滅菌時(shí)，加熱和冷卻培養(yǎng)液所需要的時(shí)間比使用噴射式連續(xù)滅菌稍長，但滅菌周期則較間歇

16、滅菌小得多。由于待滅菌培養(yǎng)液的預(yù)熱過程同時(shí)為滅菌培養(yǎng)液的冷卻過程，所以節(jié)約了蒸汽及冷卻水的用量。培養(yǎng)基連續(xù)滅菌的優(yōu)點(diǎn)是滅菌的溫度較高，滅菌時(shí)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(shí)由于連續(xù)滅菌過程不在發(fā)酵罐等設(shè)備中進(jìn)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是過程所需的設(shè)備較多，操作較為麻煩，染菌機(jī)會也相應(yīng)較多。培養(yǎng)基采用連續(xù)滅菌時(shí)，加熱器、維持罐（管）和冷卻器以及發(fā)酵罐等都應(yīng)先進(jìn)行滅菌，然后才能進(jìn)行培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌。同時(shí)組成培養(yǎng)基的耐熱性物質(zhì)和不耐熱性物質(zhì)可在不同的溫度下分開滅菌，以減少物質(zhì)的受熱破壞程度，也可將碳源與氮源分開

17、滅菌，以免醛基與氨基發(fā)生反應(yīng)，防止有害物質(zhì)的生成。（四）設(shè)備構(gòu)造和計(jì)算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(shí)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(jìn)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(shí)間一般取2030s；線速度要求0.1m/s。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

18、高流速從中間管噴入，蒸汽從管外環(huán)隙同時(shí)噴入，在器內(nèi)進(jìn)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。此種形式的連消器實(shí)際上已接近于噴射加熱器。連消塔計(jì)算：培養(yǎng)液在管間流動，線速度為，則： （2-7）式中 培養(yǎng)液流速，m/s；培養(yǎng)液流量，m3/h，蒸汽冷凝量使培養(yǎng)液量增加，但對滅菌設(shè)備中有關(guān)因素的影響是很小的，可以略而不計(jì)；外管直徑，m；內(nèi)管直徑，m。則塔高 （2-8）式中 連消塔高，m；滅菌時(shí)間，s。內(nèi)管蒸汽噴孔總面積和孔數(shù)計(jì)算：根據(jù)蒸汽消耗量（m3/h）等于從小孔噴出的蒸汽量（m3/h）得：則 （2-9）式中 蒸汽

19、噴孔的總面積，m3；蒸汽噴孔的速度，m/s，通常采用2540m/s加熱蒸汽消耗量，m3/h。加熱蒸汽噴孔數(shù)為： （2-10）式中 噴孔數(shù)，個(gè)；噴孔直徑，m。2維持罐滅菌系統(tǒng)中的維持設(shè)備，主要是使加熱后的培養(yǎng)基在維持設(shè)備中保溫一段時(shí)間，以達(dá)到滅菌的目的，因此，也可稱保溫設(shè)備。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(jìn)行絕熱，以免培養(yǎng)基冷卻。維持罐為長圓筒形，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(jìn)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(jìn)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(shí)間不夠

20、而染菌。罐上部留有空間，以便安裝壓力表和排汽管。壓力表管安裝成向下彎，以免管內(nèi)冷凝污水落入維持管內(nèi)而污染料液，同時(shí)便于觀察壓力。圓筒中部有溫度計(jì)測溫孔4。罐的有效容積應(yīng)能滿足維持時(shí)間為825min的需要。停止操作時(shí)，料液由管5排盡。維持罐容積由下式計(jì)算： （2-11）式中 維持罐容積，m3；料液體積流量，m3/h；維持時(shí)間，min，取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為825min，不同類型的發(fā)酵維持時(shí)間不同；充滿系數(shù)，取0.850.9。3噴射加熱器噴射式加熱器（圖2-10）的特點(diǎn)是蒸汽和料液迅速接觸，充分混合，加熱是在瞬時(shí)內(nèi)完成的。簡單的噴射式加熱器僅是一個(gè)噴嘴裝置，蒸汽由噴嘴噴出，料液從側(cè)面進(jìn)入器內(nèi)而被蒸汽加熱。工

21、廠中較常見的是一種在下游具有擴(kuò)大室的噴射加熱器。此種加熱器的噴嘴部分與一般噴嘴不同，料液在中間進(jìn)入，蒸汽則在周圍環(huán)隙中進(jìn)入，同時(shí)下游有一個(gè)擴(kuò)大室以使料液進(jìn)入，蒸汽則在周圍環(huán)隙中進(jìn)入，同時(shí)下游有一個(gè)擴(kuò)大室以使料液在進(jìn)入加熱器時(shí)的流速約為1.2m/s左右，蒸汽噴口的環(huán)隙面積約為噴嘴外徑的一倍，擴(kuò)大管高度一般為1米左右。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)備冷卻設(shè)備是將已滅菌的培養(yǎng)基加以冷卻的設(shè)備，通常采用的是噴淋冷卻器，也可考慮用套管冷卻器。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(jìn)入，而由上部排出，流體在管內(nèi)的流速約為0

22、.3m/s。它具有結(jié)構(gòu)簡單，清洗方便的優(yōu)點(diǎn)，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，傳熱系數(shù)為300kcal/m2h左右，被廣泛地用于連續(xù)滅菌過程中。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(shí)，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(shí)不易被發(fā)現(xiàn)而引起嚴(yán)重污染，但其熱利用較合理，傳熱系數(shù)較高，一般可達(dá)400 kcal/m2h。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

23、設(shè)備一起進(jìn)行加熱滅菌的過程，通常也稱為實(shí)罐滅菌。規(guī)模較小的發(fā)酵罐往往采用分批滅菌的方法。這種方法不需要其它設(shè)備，操作簡單易行，故獲得較普遍采用。其缺點(diǎn)是加熱和冷卻所需時(shí)間較長，增加了發(fā)酵前的準(zhǔn)備時(shí)間，也就相應(yīng)地延長了發(fā)酵周期，使發(fā)酵罐的利用率降低。所以大型發(fā)酵罐采用這種方法在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。同時(shí)，分批滅菌無法采用高溫短時(shí)間滅菌，因而不可避免地使培養(yǎng)基中營養(yǎng)成分遭到一定程度的破壞。但是對于極易發(fā)泡或粘度很大難以連續(xù)滅菌的培養(yǎng)基，即使對于大型發(fā)酵罐也不得不仍然采用分批滅菌的方法。分批滅菌仍被許多工廠采用。（一）分批滅菌操作要點(diǎn)確保設(shè)備的嚴(yán)密度是防止染菌的重要因素。因此，在空罐或?qū)嵐逌缇?，發(fā)酵罐

24、及附屬設(shè)備必須全面進(jìn)行嚴(yán)密度檢查，在確實(shí)無滲漏情況下才開始滅菌。滅菌時(shí)應(yīng)注意溫度與氣壓是否對應(yīng)。培養(yǎng)基及發(fā)酵設(shè)備的滅菌包括分批滅菌（也稱實(shí)罐滅菌或?qū)嵪⒖展逌缇障?、連續(xù)滅菌（連消）和過濾器及管道滅菌等。分批滅菌不需要專門的滅菌設(shè)備，投資少，對設(shè)備要求簡單，對蒸汽的要求也比較低，且滅菌效果可靠，因此分批滅菌是中小型生產(chǎn)工廠經(jīng)常采用的一種培養(yǎng)基滅菌方法。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）分批滅菌的操作圖2-11是通用型發(fā)酵罐的管道配置示意圖。在培養(yǎng)基滅菌之前，通常應(yīng)

25、先將與罐相連的分空氣過濾器用蒸汽滅菌并用空氣吹干。實(shí)罐滅菌時(shí)，先將輸料管路內(nèi)的污水放掉沖凈，然后將配制好的培養(yǎng)基泵送至發(fā)酵罐（種子罐或料罐）內(nèi)，同時(shí)開動攪拌器進(jìn)行滅菌。滅菌前先將各排氣閥打開，將蒸汽引入夾套或蛇管進(jìn)行預(yù)熱，待罐溫升至8090，將排氣閥逐漸關(guān)小。接著將蒸汽從進(jìn)氣口、排料口、取樣口直接通入罐中（如有沖視罐也同時(shí)進(jìn)汽），使罐溫上升到118120，罐壓維持在0.090.1Mpa（表壓），并保持30min左右。各路進(jìn)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(jìn)口在培養(yǎng)基液面以下的各管道及沖視鏡管都應(yīng)進(jìn)汽；凡開口在液面之上者

26、均應(yīng)排汽。無論與罐連通的管路如何配制，在實(shí)消時(shí)均應(yīng)遵循“不進(jìn)則出”的原則。這樣才能保證滅菌徹底，不留死角。保溫結(jié)束后，依次關(guān)閉各排汽、進(jìn)汽閥門，待罐內(nèi)壓力低于空氣壓力后，向罐內(nèi)通入無菌空氣，在夾套或蛇管中通冷卻水降溫，使培養(yǎng)基的溫度降到所需的溫度，進(jìn)行下一步的發(fā)酵和培養(yǎng)。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(yán)重！滅菌時(shí)，總蒸汽管道壓力要求不低于0.30.35Mpa，使用壓力不低于0.2Mpa?？展逌缇障┘窗l(fā)酵罐罐體的滅菌?？障麜r(shí)一般維持罐壓0.150.2Mpa，罐溫125130，保持3045min；要求總蒸汽壓力不低于0.30.35Mpa，使用汽

27、壓不低于0.250.3MPa。（三）分批滅菌的計(jì)算分批滅菌的計(jì)算主要是確定滅菌的時(shí)間。如果把微生物的熱死亡動力學(xué)公式與阿累尼烏斯公式相結(jié)合，則可得 （2-12）式中是對滅菌過程的滅菌要求，稱為對數(shù)滅菌度，是一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如果雜菌的初始濃度等于N0（個(gè)雜菌/毫升），發(fā)酵液總體積為VT（毫升），那么，有時(shí)也可寫成 （2-13）式中，為每批發(fā)酵液內(nèi)的初始雜菌總數(shù)，該值隨操作條件而定，可自和確定；則是滅菌后要求。我們由式2-13可見，如果最終要把雜菌全部殺滅，即=0，那么，該時(shí)需要的時(shí)間將為；如果滅菌后僅存留一個(gè)菌，那么這個(gè)菌，經(jīng)過24小時(shí)之后，將分裂成272個(gè)（如果營養(yǎng)物足夠使雜菌20分鐘分裂一次），

28、這是一個(gè)極大的數(shù)字，將會造成染菌，導(dǎo)致發(fā)酵的失敗。由此可見，如果為零，則需要無限長的滅菌時(shí)間，這是不可能的；如果為1，那么將導(dǎo)致染菌，也不允許。通常，我們可令=10-3，或1/1000。這10-3并非把雜菌分成1000分，而取其1分，實(shí)際上，它是指發(fā)酵失敗的概率為千分之一。也就是說，在每一千次發(fā)酵過程中，由于其中有一次因滅菌不當(dāng)，而殘留了一個(gè)雜菌，從而導(dǎo)致了發(fā)酵的失敗。若如此，=106（個(gè)/毫升），=10（米3）=107（毫升）及=1/1000，于是這是整個(gè)分批滅菌周期內(nèi)的總滅菌度。但是，分批滅菌是由加熱、保溫（或稱維持）和冷卻等不同階段組成，這些不同的階段，均能起到滅菌作用。可是，每階段所起

29、作用的大小并不相等，作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為各階段所作貢獻(xiàn)的總和，即 （2-14）其中各階段的貢獻(xiàn)分別是 （2-15） （2-16） （2-17）式中 是初始雜菌總數(shù)；加熱到滅菌溫度時(shí)雜菌的總數(shù)；滅菌保溫后的雜菌總數(shù)；從滅菌溫度冷卻至發(fā)酵溫度時(shí)雜菌的總數(shù)；，分別為加熱、保溫和冷卻所需的時(shí)間。其中的因該時(shí)溫度恒定，故把有關(guān)參數(shù)（如A、E及T等）代入式2-16后，便可方便地獲得。可是，其中的加熱和冷卻階段，因是不穩(wěn)定過程，溫度隨時(shí)間而異，而且溫度時(shí)間的關(guān)系又相當(dāng)復(fù)雜，故通常難以解決。Richards提出了一種簡易捷算法，可求取加熱、冷卻階段內(nèi)的貢獻(xiàn)和。Richards捷算法是假定當(dāng)溫度超過100時(shí)，細(xì)菌芽

30、孢開始被破壞；并且該破壞程度是隨溫度升高而增大。經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，這一方法具有較大的準(zhǔn)確性，并可使計(jì)算大為簡化?；谶@些假定，Richards對嗜熱脂肪芽孢桿菌被致死的或提出表2-1所示。該表數(shù)據(jù)適用于溫度為101130范圍，并且，表中數(shù)據(jù)是根據(jù)每分鐘溫度變化為1時(shí)獲得。因此，如果溫度變化符合這一條件，那么由表2-1便可直接查得或。表2-1 嗜熱脂肪芽孢桿菌在加熱和冷卻時(shí)的TT1001163.9891010.0441175.0341020.0761186.3411030.1161197.9731040.16812010.0101050.23312112.5491060.31612215.708107

31、0.42012319.6381080.55312424.5181090.72012530.5741100.93212638.0801111.19912747.3731121.53512858.8671131.95712973.0671142.48813090.5911153.154第二節(jié) 淀粉質(zhì)原料的蒸煮與糖化生物質(zhì)原料中所含的淀粉存在于原料的細(xì)胞之中，受到細(xì)胞壁的保護(hù)，不呈溶解狀態(tài)。生物質(zhì)原料進(jìn)行蒸煮的目的是使植物組織和細(xì)胞膜徹底破裂，淀粉成為溶解狀態(tài)進(jìn)行液化；同時(shí)對進(jìn)料進(jìn)行滅菌；排除原料中的一些不良成分及氣味。淀粉質(zhì)原料通過蒸煮以后，把顆粒狀態(tài)的淀粉變成了溶解狀態(tài)的糊精，如果這時(shí)的糊精還不

32、能被細(xì)胞直接利用，還必須采取添加糖化劑（麩曲、液體曲、糖化酶）的辦法，把醪液中的淀粉、糊精轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖等物質(zhì)，作為生物細(xì)胞的碳源發(fā)酵產(chǎn)生酒精。這個(gè)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(jìn)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(xì)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)蒸煮糖化工藝與間歇蒸煮糖化工藝不同，前者的蒸煮糖化過程中，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(gè)過程連續(xù)

33、化。而間歇蒸煮糖化，蒸煮糖化的整個(gè)過程都始終處于一個(gè)設(shè)備中，一鍋一鍋地糖化，糖化一鍋又重?fù)Q一鍋。連續(xù)蒸煮糖化一般不需加水，它的濃度就能滿足工藝的要求。其余各項(xiàng)工藝指標(biāo)控制，基本上和間歇糖化相同，糖化時(shí)間略偏低，大約為2030分鐘，糖化效率為2840。連續(xù)糖化工藝流程如圖2-12所示：連續(xù)蒸煮糖化設(shè)備有罐式、管式和柱式三種形式。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。（一）蒸煮糖化設(shè)備1罐式蒸煮設(shè)備圖2-13所示為罐式連續(xù)蒸煮長圓筒形蒸煮罐。它是由長圓筒形封頭焊接而成，粉漿用往復(fù)泵由下端中心進(jìn)料口1壓入蒸煮罐中，被加熱蒸汽罐2噴出

34、的蒸汽迅速加熱到蒸煮溫度，加熱蒸汽管口與粉漿入口管口之間的距離約為200mm，蒸煮罐下封頭為球形。此裝置目的盡量減少噪音和震動，減少對下封頭的磨損。蒸煮管保持壓力約為0.30.35Mpa（表壓），糊化醪從管3流出。為安裝安全閥4和壓力表5，頂部中心的糊化醪出口管應(yīng)伸入罐內(nèi)300400mm，使罐頂部留有自由空間。為了防止壓力表管被醪液堵塞，可將壓力表做成垂直安裝。從罐中部側(cè)面管6引出部分糊化醪液去制備液體曲。蒸煮罐最易磨損的是下封頭。由于該處有加熱蒸汽噴入粉漿高速度的轉(zhuǎn)動而與下封頭內(nèi)壁產(chǎn)生了摩擦，故下封頭球形比錐形耐磨。長圓筒中下部側(cè)面焊有4個(gè)罐耳架7，4個(gè)罐耳可以在同一水平上，也可以上下各一對

35、，借以安裝在支架的橫梁上。在靠近加熱位置上方有溫度計(jì)測溫口8。蒸煮時(shí)依據(jù)該溫度自動控制加熱蒸汽量。罐下側(cè)有人孔9，用以焊接罐體內(nèi)部焊縫和檢修內(nèi)部零件。加熱蒸汽入口處須安裝有止汽閥，以防蒸汽管路壓力降低時(shí)醪液流失，甚至造成管路上其他裝置堵塞。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(jìn)入后作返混運(yùn)動，不能保證醪液先進(jìn)先出，致使受熱時(shí)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(gè)，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(gè)后熟器。故薯干類原料蒸煮

36、壓力較低，宜采用34個(gè)，玉米類原料壓力較高，可采用56個(gè)。國內(nèi)外某些工廠先用加熱器把粉漿加熱到蒸煮最高溫度后，再進(jìn)入連續(xù)蒸煮罐，其后各罐不再供給加熱蒸汽，使醪液在第一罐內(nèi)較平穩(wěn)地流動，減少對罐壁的磨損。用粉漿加熱器提高醪液的蒸煮溫度，使蒸煮得到改善，能夠提高連續(xù)蒸煮設(shè)備生產(chǎn)能力1015%。蒸煮時(shí)僅在粉漿加熱器或蒸煮罐底部通入蒸汽，其后各罐均為后熟器，不再加入蒸汽。后熟器的作用是一定溫度下，維持一定時(shí)間，使糊化醪進(jìn)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(gè)后熟器分離出來，可供粉漿罐頂預(yù)熱粉漿，故最后一個(gè)后熟器也為汽液分離器。如圖2-14。罐式連續(xù)蒸煮罐和各后熟器幾乎是充滿醪液的

37、，唯最后一個(gè)后熟器上部須留有足夠的自由空間，以分離二次蒸汽，汽液分離器內(nèi)的液位可用自動控制，也可用液位指示器指示液位。用手動控制醪液出口閥門，把醪液控制在50%醪左右的位置上。當(dāng)蒸煮罐和各后熟器采用相同容積時(shí)，每個(gè)后熟器所需容積計(jì)算如下：故： （2-18）式中 包括加熱蒸汽冷凝掖的糊化醪量，m3/h；整個(gè)蒸煮時(shí)間，h，2小時(shí)或更長一些時(shí)間；蒸煮罐或每個(gè)后熟器的容積，m3；蒸煮罐和后熟器的數(shù)目；最后一個(gè)后熟器的充滿系數(shù)，約為0.5；長圓筒形后熟器圓筒部分的直徑和高之比約為1：31：5。2柱式連續(xù)蒸煮設(shè)備流程柱式連續(xù)蒸煮設(shè)備是在管式連續(xù)蒸煮設(shè)備的基礎(chǔ)上改建的，比間歇蒸煮提高了出酒率。它的流程如圖2

38、-15所示。柱式連續(xù)蒸煮的特點(diǎn)是高溫快速蒸煮，預(yù)熱后的粉漿經(jīng)泵送入加熱器，被高壓蒸汽從相對方向噴射進(jìn)行瞬間高溫蒸煮，然后流入緩沖器，再均勻地流入后面幾根柱子內(nèi)，在一定溫度下繼續(xù)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(shí)，流速增快，壓力發(fā)生驟變，原料細(xì)胞膜突然膨脹而部分破裂，細(xì)胞內(nèi)容物流出，得到充分蒸煮。但柱子容積不大，料液在里面維持的時(shí)間不長，為使原料的淀粉糊化，一般在柱子后面再連接12個(gè)后熟器，使料液在一定溫度下繼續(xù)維持一定時(shí)間，保證淀粉糊化比較徹底。設(shè)備結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)計(jì)算（1）加熱器加熱器是利用高壓蒸汽加熱粉漿，使汽液相對噴射，緊密接觸，能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的溫

39、度。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，各層套管都用法蘭連接，以便拆卸。形狀如圖2-16所示。高壓蒸汽從內(nèi)、外層管進(jìn)入，穿過小孔向粉漿液流兩旁噴射，由于高壓蒸汽從側(cè)噴射，接觸均勻，加熱比較全面，故能在很短時(shí)間就達(dá)到蒸煮溫度145150。加熱器管壁上小孔開法有三種方式，一種是平開；一種是向上傾斜45；一種是向下傾斜45?？紫蛏蟽A斜能使蒸汽向上噴射與粉漿形成對流，缺點(diǎn)是增大了輸送泵的阻力；孔向下傾斜，則蒸汽與粉漿并流，好處是降低了泵的阻力；平開則加工容易。一般都采取平開或向下傾斜，小孔直徑為35mm，小孔分列若干排，每排48個(gè)，均勻分布于管壁四周，排與排之間的距離沒有硬性規(guī)

40、定，有的取等距，有的前密后稀。加料器內(nèi)管兩端呈錐形或球形，主要是為了減少液流阻力。上端借進(jìn)汽管固定在中層管壁上，下端則固定在支架上，這樣通汽時(shí)才不致擺動。內(nèi)管底部開34個(gè)小孔，用以排除積水。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(shí)間一般很短，為1525s。為了在這短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到要求的溫度，粉漿在此區(qū)域內(nèi)的流速以不超過0.1m/s為好。加熱器的計(jì)算主要是計(jì)算“有效加熱段”的長度、各層管子的直徑、小孔孔徑、小孔個(gè)數(shù)和小孔布置。例：已知粉漿量為23717kg/s或21.6m3/h，比熱為0.853kcal/（kgK），加熱蒸汽壓力為7kg/cm2（表壓）。試設(shè)計(jì)計(jì)算加熱器的主

41、要幾何尺寸。解：“有效加熱段”的長度計(jì)算：計(jì)算“有效加熱段”長度分幾個(gè)步驟：（1）根據(jù)粉漿量和流速計(jì)算粉漿流道的截面積；（2）選定內(nèi)管和中間管的直徑，使其環(huán)隙截面積等于或接近于計(jì)算的粉漿流道的截面積；（3）假定粉漿在“有效加熱段”停留時(shí)間，再從粉漿量、停留時(shí)間和流道截面積算出“有效加熱段”長度。已知粉漿量為23717kg/h，粉漿溫度為70。假定加熱蒸汽壓力為7kg/cm2，查飽和蒸汽表得該蒸汽溫度為158，其熱焓為662.3kcal/kg。由于已知粉漿的 比熱為0.853kal/（kgK），則所需加熱蒸汽量為，kg/h于是粉漿加熱后的總量為23717353027247（kg/hr），其中干物

42、質(zhì)百分?jǐn)?shù)為查表得其比重為1.084，則加熱后粉漿的體積為，m3/h取粉漿流速為0.1m/s，則粉漿流道截面積，m2選用內(nèi)管為1598，中間管為33110，兩管間環(huán)隙截面積（m2），與計(jì)算的截面積很接近，故所選用的管徑恰當(dāng)。假定粉漿在“有效加熱段”停留時(shí)間為20s，則“有效加熱段”長度為，m再按照外管與中間管之間的環(huán)隙截面積等于內(nèi)管截面積的原則計(jì)算外管直徑。，m小孔直徑和個(gè)數(shù)計(jì)算：小孔個(gè)數(shù)的計(jì)算是根據(jù)加熱蒸汽消耗量和蒸汽通過小孔的速度算出小孔的總面積，然后確定每個(gè)小孔直徑，算出每個(gè)小孔面積。再從總面積和每個(gè)孔的面積計(jì)算小孔個(gè)數(shù)。蒸汽消耗量已算得為3527kg/h，從飽和水蒸汽表查得在壓力7kg/

43、cm2下，飽和水蒸汽的比容為0.2454m3/kg，則所需加熱蒸汽的體積為35270.24540.866，m3/h。取小孔的蒸汽速度為25m/s，則小孔總面積為，m2取小孔的蒸汽速度為25m/s，則小孔總數(shù)為個(gè)。為安全計(jì)，增加5，于是小孔總數(shù)4891.05519個(gè)。小孔的布置按內(nèi)管與中間管壁上孔數(shù)大致相等的原則，在內(nèi)管壁上分33排，每排8孔共264孔；中間壁上分22排，每排12孔，共264孔總計(jì)小孔528個(gè)。內(nèi)管和中間管壁上小孔各排的中心距都采取等距，則內(nèi)管壁上小孔各排的中心距m；中間管壁上小孔各排的中心距m，（2.2為“有效加熱段”長度）。（2）柱子柱式連續(xù)蒸煮設(shè)備 柱子為長圓筒形，直徑45

44、0550mm，高約10m，一般用大直徑無縫鋼管或鑄鐵管，兩端錐頂，錐高約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?。ㄓ捎诠?jié)與節(jié)之間連接處裝有兩個(gè)錐形帽，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(cuò)排列，一個(gè)向左傾斜30，一個(gè)向右傾斜30，板距為柱子全高的1/3。擋板為切去弓形的圓缺板，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(kuò)大，使細(xì)胞膜部分破裂，并且發(fā)生騷擾，得到充分混合后面兩個(gè)柱子則不裝什么。柱子與

45、柱子用圓彎并聯(lián)，柱子兩端入口直徑約為100120mm。柱子的計(jì)算 柱子的計(jì)算主要是幾何尺寸的計(jì)算，根據(jù)料液在柱子里停留時(shí)間內(nèi)的流量來計(jì)算。例：已知糊化醪量為25.13m3/h，試設(shè)計(jì)計(jì)算柱子的幾何尺寸和根數(shù)。取糊化醪在柱子里停留時(shí)間為23min，則柱子的總?cè)莘e為，m3選用53015的無縫鋼管，每根長10m，則柱子根數(shù)為，根3管式連續(xù)蒸煮管式連續(xù)蒸煮是通過加熱器和管道來完成的，物料先通過加熱器在較高的溫度和壓力下，使物料和蒸汽在短時(shí)間內(nèi)就充分混合，完成熱交換，然后混合的高溫物料再通過管道轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生壓力的間歇上升和下降，使醪液發(fā)生收縮膨脹，減壓汽化，沖擊等使淀粉軟化和破碎，進(jìn)行快速蒸煮。管式連續(xù)蒸

46、煮的主要特點(diǎn)是高溫快速，糊化均勻，糖分損失少，設(shè)備緊湊，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)效益。又由于蒸煮時(shí)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(shí)在管道上還會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。設(shè)備流程如圖2-17所示。1-輸送機(jī) 2-斗式提升機(jī) 3-貯料斗 4-錘式粉碎機(jī) 5-螺旋輸送機(jī) 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

47、 20-糖化鍋工藝流程和工藝操作要求：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，混合后的粉漿利用后熱器帶來的二次蒸汽進(jìn)行加熱預(yù)煮。溫度要求為75，預(yù)煮后的料液經(jīng)過濾器除去較大的雜質(zhì)，再用泵將料液送至接觸式加熱器。加熱蒸汽壓力為89kg/cm2，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，粉漿通過銳孔板前，由于突然的收縮和膨脹，壓力下降，則醪液的沸點(diǎn)相應(yīng)變更，產(chǎn)生自蒸發(fā)現(xiàn)象，使醪

48、液在沸騰狀態(tài)下更好地蒸煮。同時(shí)，醪液經(jīng)過銳孔板產(chǎn)生了機(jī)械碰撞和摩擦，有利于淀粉顆粒的破碎，增強(qiáng)了醪液與蒸汽的接觸面積。醪液在管道內(nèi)經(jīng)過的時(shí)間在35分鐘，管道的進(jìn)口壓力為6.57.0kg/cm2，出口壓力為2.5kg/cm2左右，蒸煮醪經(jīng)壓力控制閥底部進(jìn)入后熟器，在后熟器內(nèi)停留3040min，醪液溫度在126130，壓力維持在2個(gè)大氣壓，后熟器出來的醪液進(jìn)入蒸汽分離器，在蒸汽分離器上部排出大量的二次蒸汽以供物料加熱預(yù)煮使用，醪液下部排出送至糖化工序，在蒸汽分離器中醪液停留68min，溫度為901004真空冷卻器酒精生產(chǎn)中，蒸煮醪液的冷卻，主要是以蛇形管水冷卻和真空冷卻為主。真空冷卻指的是醪液在一

49、定的真空度下（即醪液進(jìn)入負(fù)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。真空冷卻在酒精生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在很多工廠都已利用真空裝置抽吸蒸煮醪中的二次蒸氣，用相應(yīng)的真空度使蒸煮醪冷卻到糖化工藝要求的溫度，由于采用真空冷卻具有很多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已逐漸用真空冷卻來取代蒸煮醪冷卻常用的蛇形管水冷卻。（1）真空冷卻器的工作原理和結(jié)構(gòu)。真空冷卻器裝置如圖2-18所示，真空冷卻器器身為圓筒錐底，醪液由切線方向進(jìn)入，頂中心有二次蒸汽排出口，連接膜式塔，用冷水在膜式塔中冷凝二次蒸汽，不凝性氣體經(jīng)真空泵或蒸汽噴射器

50、抽走，造成器內(nèi)真空。真空度保持在500550mmHg，蒸煮醪溫度可降到6864。由于器內(nèi)真空，產(chǎn)生大量二次蒸汽，為減少二次蒸汽夾帶醪夜，故使醪液切線方向進(jìn)入，在器內(nèi)旋轉(zhuǎn)，醪夜被離心力甩向四周沿壁下流，從錐底排醪口排出，二次蒸汽則直接上升經(jīng)中心營排出。由于器內(nèi)壓力低于大氣壓，真空冷卻器和膜式塔必須安裝在較高的位置，高于糖化鍋10米，冷卻的醪液才能從排醪管排出，以及膜式塔中的廢水也能順利地從廢水管中排出。真空冷卻器是外壓容器，器壁必須有一定的溫度，要保持真空冷卻器內(nèi)的真空度，一般需借助于水噴射器或蒸汽噴射器，連續(xù)地將真空冷卻器中的二次蒸汽抽走。若采用水噴射器抽真空，對一些生產(chǎn)能力較低的工廠，真空冷

51、卻器可直接與水噴射器連接，無需裝置膜式塔。（2）真空冷卻器的設(shè)計(jì)計(jì)算：其設(shè)計(jì)計(jì)算是根據(jù)蒸煮醪所產(chǎn)生的二次蒸汽量和二次蒸汽流速來確定真空冷卻器的幾何尺寸。（1）蒸煮醪所產(chǎn)生的二次蒸汽量的計(jì)算：，kg/h （2-19）式中 每小時(shí)的蒸煮醪流量，kg/h；蒸煮醪的比熱，kcal/kg；、蒸煮醪蒸發(fā)前后的溫度，；真空操作二次蒸汽的汽化熱，kcal/kg。（2）幾何尺寸的計(jì)算：真空冷卻器的幾何尺寸，是根據(jù)上升的二次蒸汽以小于1.0m/s的速度來確定的。，m （2-20）式中 真空冷卻器的直徑，m；蒸煮醪所產(chǎn)生的二次蒸汽量，kg/h；二次蒸汽冷的比容，即在溫度壓力下的蒸汽比容，m3/kg；二次蒸汽上升的速

52、度，m/s，一般取0.81.0m/s的范圍。一般真空冷卻器的直徑與高之比為1：1.52.0，則：，m （2-21）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(shí)間，保持流動狀態(tài)，以利于酶的活動。連續(xù)糖化罐具有圓筒形外殼，球形或錐形底，若進(jìn)入的糊化醪未經(jīng)冷卻或冷卻不夠，則糖化罐內(nèi)需設(shè)有冷卻管，如圖2-19所示。無冷卻管的連續(xù)糖化罐，糊化醪由管1進(jìn)入，管1上按有閥門，開工時(shí)應(yīng)將該閥門關(guān)閉，以避免破壞真空冷卻器的真空，為使曲液和糊化醪均勻混合，液體曲和經(jīng)冷卻的糊化醪在進(jìn)入管處混合后進(jìn)入。若糊化醪未經(jīng)冷卻直接進(jìn)入糖化罐

53、時(shí)，應(yīng)先進(jìn)到氣囪，然后落入糖化罐。為保證醪液有一定的糖化時(shí)間，（采用45分鐘或更長時(shí)間），應(yīng)保證糖化醪的容量不變，故設(shè)有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，罐蓋有人孔4，罐側(cè)中部有溫度計(jì)測溫口5，糖化罐每天殺菌一次，在罐側(cè)和罐底有殺菌蒸汽進(jìn)管6，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）真空糖化罐蒸煮醪的真空糖化裝置如圖2-20所示，依靠壓力差蒸煮醪液由汽液分離器，與糖化曲液由計(jì)量暫存桶同時(shí)進(jìn)入蒸發(fā)糖化器。輸送曲液（包括糖化醪稀釋水）到噴射蒸汽的醪流中是依靠發(fā)生引射的混合效果，使曲液與蒸煮醪液充分接觸，蒸煮醪液被

54、冷卻。引入口點(diǎn)曲液和蒸煮醪溫度為337339K，但由于被冷卻湍流速度快（3040m/s），曲液不會發(fā)生過熱。符合糖化的最小容積應(yīng)使糖化醪在真空糖化罐內(nèi)平均停留時(shí)間為20min（連續(xù)糖化采用4045min或更長的時(shí)間），然后進(jìn)入三級真空冷卻的第一室。真空糖化器的優(yōu)點(diǎn)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)備近年來，用淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)酒精的工廠，大多采用連續(xù)蒸煮工藝，但尚有一部分小型酒精廠和液體白酒廠，還采用間歇蒸煮方法。此法雖有不少缺點(diǎn)，但是所用的設(shè)備比較簡單，操作容易掌握，在一些小型工廠中容易推廣，雖然連續(xù)生產(chǎn)方法不斷取代間歇生產(chǎn)方法，向近代化的生產(chǎn)發(fā)展，但在目前來講，間歇生產(chǎn)法在一部分酒精工廠中還起著一定的作用。通常采用錐形蒸煮鍋（立式蒸煮鍋），其外形和結(jié)構(gòu)簡單，如圖2-21所示。它是