培养基及其制备 第一节 原料 一、原料的定义及选择 （一）原料的定义 从工艺角度来看，凡是能被生物细胞利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料，都可作为发酵工业生产的原料。（二）选择原料的依据 1，原料选择的原则 选择淀粉质原料生产酒精时，从工艺的角度着眼，凡任何含有可发酵性糖或可变为发酵糖的原料，都可作为酒精生产的原料。对于工业上大规模投入生产的原料，除了要提出工艺上的要求外，还要提出生产管理和经济上的要求，因此，在选择工业上大规模生产酒精的原料时，应考虑到下列诸条件： （1）因地制宜，就地取材，原料产地离工厂要近，便于运输，节省费用。 （2）要求原料内碳水化合物含量较多，蛋白质含量要适当，适合与微生物的需要和吸收利用。 （3）原料资源要丰富，容易收集。由于酒精生产需要大量原料，要保证一定的库存量。 （4）原料要容易贮藏。应考虑到新鲜原料内含水量多，不耐久藏，最好选择经，干燥后，含水极少的干原料，易与保藏，不宜霉烂。 （5）对人民的身体无寻损害，影响发酵过程的杂质含量因应当极少，或者几乎不含。 （6）原料价格低廉，可降低产品成本。 此外，还应当考虑到大力节约粮食原料，尽量少用或不用粮食原料，充分利用当地的非粮食原料，广泛利用野生植物原料，同时利用农林副产物和植物纤维原料，以及亚硫酸盐纸浆废液等，对于节约粮食原料有着重要意义。另外，利用石油原料化学合成制造酒精，也是发展酒精的主要途径。 2，在确定原料选择原则时需注意的问题（1）所选用的培养基与所使用的发酵器的结构有关。例如ICI公司因指定用甲醇和氨生产单细胞蛋白质而另行设计新的发酵罐。同样的理由，在一个巳设定的发酵罐中，发酵必然会受到培养基组份改变的影响。 （2）从实验室规模放大到实验工厂规模，以至于放大到工业生产规模，都要考虑培养基的组份的变化。 （3）培养基的组成，除了考虑到菌体生长和产物的形成的需要外，还要考虑到培养基的pH变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态等，而且还有前体和代谢抑制剂的需要。 二、常用主要原料及其化学组成（一）原料的种类 发酵生产的原料，一般可分成下列几类： 1，薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。 2，粮谷类：高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍和稷等。 3，野生植物 橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符子等。 4，农产品加工副产物 米粞、米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等。 （二）常用原料的化学组成 原料所含的化学成分，不仅关系着生产率的高低，同时也影响生产的工艺过程。常用原料中主要的化学成分如下： 碳水化学物：原料中所含的淀粉，或与淀粉类似的菊糖、蔗糖、麦芽糖、果糖及葡萄糖等，这些物质都可以发酵生成产品，同时也是霉菌和酵母的营养及能源，原料中含这些物质越多，生成酒精也就越多，所以它和产量有着密切的关系。碳水化合物中的五碳糖多存在于原料的皮层，如麸皮、高粱糠，谷糠、花生壳等都含有很多，它不但影响淀粉数字偏高，发酵中也易生成有害的糠醛。纤维素虽属于碳水化合物，但不被淀粉水解，只起填充作用，对于发酵没有什么直接影响。 蛋白质：原料含有的蛋白质，在发酵生产过成中，经蛋白酶水解后，可为微生物生长繁殖的重要营养成分，而微生物细胞中，30~50%（干重）是蛋白质。一般的说，当培养基内氮的含量适当，则微生物生长旺盛，酶的含量也较高。有些原料所含蛋白质有时不能满足微生物生长和繁殖的要求，则应从外界加入氮源。蛋源一般包括有机蛋源和无机氮源两种，根据不同情况，添加不同种类的氮源。 脂肪：对发酵有影响，如高粱糠、米糠等含油脂多，则生酸较快，生酸幅度也较大。一些发酵厂如采用玉米作为原料，总是把玉米坯芽除去。 灰分：灰分中的磷、硫、镁、钾、钙等是构成菌体系胞的和辅霉的重要成分，还有调节渗透压的作用，是微生物生长不可却少的，在一般原料中，灰分的含量一足够。 三、工业发酵培养基的设计1，为何要进行培养基的设计？ 完善的培养基设计是实验室的试验、实验工厂和生产规模的放大中的一个重要步骤。在发酵过程中，我们的目的产品是菌体或代谢产物。而发酵培养基是否适合于菌体的生长或积累代谢产物，对最终产品的得率具有非常大的影响。2，培养基设计的基本原则 培养基的组成必需满足细胞的生长和代谢产物所需的元素，并能提供生物合成和细胞维持活力所需要的能量。3，如何进行培养基的设计 （1）作出细胞生长和产物形成的化学计算的平衡 碳源和能源+氮源+其他需要→细胞+产物+CO2+H2O++热量 通过计算可以获得生产一定数量的细胞时所需的营养物的最低数量。在了解一定数量的生物体所能产生的产物数量后；就有可能计算出形成产物时所需的底物数量。这些培养基的组份的数量仅仅是供给细胞形成产物，而不包括生成细胞所需的营养。所有上述各项数量，是不易获得其精确的数字。（2）组成微生物的元素包括C、H、O、N、S、P、Mg和K（见下表），这些元素都要在方程式中予以平衡 细菌、酵母和真菌的元素组成(按干重％计) 在培养基中有些元素的含量往往超过需要量，如P和K。而其它元素含量则接近最低值(如Zn，Cu等)。在许多培养基中增加磷酸盐浓度，其用意是增加培养基的缓冲容量，这一点，在设计培养基时要引起注意。 （3）有些微生物无力的合成特定营养物，如氨基酸、维生素或核苷酸。一旦测出其中一种是生长因子，就要在培养基中加入适量的纯净的化合物或含有该物质的混合物。（4）碳源具有生物合成的底物和能源的双重作用，在需氧条件下，对碳源的需要量可以从菌体对底物的产率系数(Yx/s)推算而得。该系数的定义是：细胞干物质的产量／碳源底物的被利用量 下表中列出了一些Yx/s值。如以葡萄糖为底物时，其Y值为0.5g即表示每1g葡萄糖能生成0.5g细胞干物质。为要获得30gdm-3浓度的细胞，需要葡萄糖30／0.5＝60gdm-3。 在发酵过程中，适当地补充碳源是必要的。将碳源转化成产物的观察值与理论上最大值之间进行比较，才能进行深入的研究。但由于对生物合成的知识的限制而难以作出精密的分析。Cooney(1979)以青霉素生物合成的途径为基础，通过物质和能量平衡，计算出青霉素生物合成的理论值。总的化学计算式为 方程式中的a2、b2、c2、d2、e2、nz、p2和q2都是化学计算中的系数，PAA代表苯乙酸。解方程式．得：按上述方程式计算每1g葡萄糖能产生1.1g苄青霉素的理论值。在青霉素分批发酵的一个简单模型中，用于合成细胞、维持生命活力和转化成青霉素的葡萄糖，分别占总糖耗量的28、61和11％。在分批补料发酵时，则26％的葡萄糖用于生长、70％用于维持生命、6％用于合成青霉素。每克葡萄糖的最大青霉素转化产量为0.0538，这个理论值数倍于实验值。4，发酵培养基的组成成分 （1）水 （2）碳源 影响选择碳源的因素： 原料成本占生产总成本的比例； 在某些发酵过程中，必须除去碳源中的杂质； 对碳源的选择，往往还受到政府政策的影响； 当地的法律条例指定了许多饮料业所使用的底物； 培养基的配制方法，特别是灭菌方法。（3）氮源 （4）无机盐 （5）维生素 （6）缓冲剂 控制pH时对获得最佳生产能力是十分重要的。在培养基中加入一种化合物作为缓冲剂或同时可作为营养源。许多种培养基多加入碳酸钙作为缓冲剂，以达到pH7．0左右。如果pH下降，则碳酸钙分解，如果是pH上升，可以自然地校正微生物的产酸量。在许多培养基中，也用磷酸盐作为重要的缓冲剂。 碳源和氮源的平衡，也是控制pH的一种方式。在玉米浆中的蛋白质、肽、氨基酸等也具有缓冲容量。滴加氨，氢氧化钠和硫酸，可以严格地控制pH值。 （7）前体和代谢调节剂 （8）消沫剂 第二节 原料处理 一、预处理的必要性 1，发酵工厂在进行生产前，必须先将原料中混杂的小铁钉、杂草、泥快和石头等杂质除去，保证后续工序生产的正常和顺利进行。 2，为保证后续工序生产的正常和顺利进行，还需对原料进行适当加工。 3，为保证生产环境的清洁，必须采用适当的输送方式将原料从仓库运送至配料罐或反应器。 二、预处理的方法（方式）（一）原料除杂1，筛选、风选 气流-筛式分离机：这类分离机主要用于谷物原料除杂用。凡是厚度和宽度或空气动力学性质(悬浮速度)与所用谷物不同的杂质，都可用气流-筛式分离机将其分离。 2，磁力除铁包括永久性磁力除铁器和电磁除铁器两种方式。 （二）原料的粉碎 1，原料粉碎的目的 把原料进行粉碎后成为粉末原料，其目的是要增加原料受热面积，有利于淀粉颗粒的吸水膨涨、糊化，提高热处理效率，缩短热处理时间。另外，粉末状原料加水混合后容易流动输送。 对于一些带壳的原料，如高粱、大麦，在粉碎前，则要求先把皮壳破碎，除去皮壳后在形粉碎。如果不把皮壳原料的外层去掉，有如下几个缺点： （1）皮壳本身毫无营养价值，在发酵过程中对微生物没有好处，皮壳在醪液中会引起阻碍液体的流动。 （2）皮壳在生产过程中，不发生变化，而大量皮壳汇集起来会占据一定的有效容积，无形中降低了设备的生产能力。 （3）醪液糖化后进行发酵时，皮壳会聚集在液面上，而引起较厚的醪盖，醪盖的形成会妨碍热量的逸散和CO2的放出，致使液体温度升高，细菌容易繁殖，特别是醋酸菌，出现这些现象，都会对发酵带来不利。 （4）皮壳会使蒸馏塔及冷却器等设备发生阻塞。皮壳渐多，需要停机清理，会给生产带来损失。 一般对于带皮壳的原料，处理过程要先行破碎，脱去皮壳。 2，原料粉碎的力学分析 固体物料的粉碎按其受力情况可分为： （1）挤压粉碎 （2）冲击粉碎 （3）研磨粉碎 （4）剪切粉碎 （5）劈裂粉碎 3，粉碎方法 原料粉碎的方法可分为干粉碎和湿粉碎两种。 （1）干粉碎 粗碎：原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁后进行粗碎。粗碎后的物料应能通过6~10mm的筛孔，然后再送去进行细粉碎。 粗砰常用的设备是轴向滚筒式粗碎机，也有用锤式粉碎机进行粗碎的例子 细碎：经过粗碎的原料进入细碎机，细碎后的原料颗粒一般应通过1.2~1.5mm的筛孔。也有采用1.8~2.0mm筛孔的。常用的细碎设备是锤式粉碎机 （2）湿粉碎 当采用湿粉碎时，将蒸煮所需的全部水量，和原料一起加入粉碎机中，这种方法可以加工水分较多的原料，原料粉末不会飞扬，减少原料的损失，省去处尘通风设备，但是湿粉碎所得到的粉碎原料，之能立即及时直接用于生产，不易干贮藏，且耗电量较干粉碎多8--10%，同时锤式粉碎机容易产生堵塞现象。 我国某厂的湿法破碎工艺流程分四个部分，如下： a.风选送料部分 原料进入料斗后，由滚筒加料机，经倾斜安置的输料槽，均匀加入风管中，由风力输送入旋风分离器。同时原料中混杂的金属、沙石、泥土等杂物，因重力作用，从风管落下，而料斗上方，装有吸尘室，将风扬起来的粉尘，经吸尘室顶部的吸尘管，和原料一起吸入旋风分离器中。 b.湿法除尘部分 在旋风分离器中，原料和较大颗粒的粉尘，受离心作用，向下沉至底部，并由螺旋输送机送至破碎部分。同时在旋风分离器的内部淋以水膜，将细颗粒的粉尘吸收。水量的大小，由浮子流量计控制。  c.破碎部分 为了提高原料粉碎细度，降低电力消耗，采用两级破碎。在一级破碎机的进料口，装有进水管，将水和原料一起加入破碎机中，水量的大小，根据加料的速度和工艺要求的水料比，由浮子流量计控制。原料经一机破碎后，变成流体，然后借位差经管道自然流入二级破碎机中，再次粉碎至规定细度，流入物料暂储池。 d.预热部分 在暂储池内，装有加热盘管，管内通入蒸气或蒸馏工段来的废热水，将物料进行第一次预热，然后在用泵送入加热器，用蒸煮工段蒸气分离器中排出的二次蒸气进行第二次预热，预热后的物料送入蒸煮工段。 湿法粉碎工艺的优点①彻底消除了粉尘的危害，改善了劳动条件，降低了原料的损耗 ②提高了原料的粉碎细度 ③节省了蒸煮时所消耗的蒸气 ④粉碎机部件（特别是刀片）的磨损减少 ⑤设备简单，对厂房要求不高 4，常用的粉碎设备 （1）锤式粉碎机（瓜干、高粱、玉米） 结构示意图 锤式粉碎机的计算：（a）生产能力的计算 锤式粉碎机的生产能力，可按半经验公式计算 设从一个圆孔中排出的产品体积为： 锤刀扫过筛孔时，才有产品排出，如果转子上有K排锤刀，则转动一周，锤刀就扫过K次，而排料也为K次，如果转子转数为n（转/分），筛孔总数为Z个，则每小时排出产品的体积为 （b）动力消耗的计算 动力消耗可按下列经验公式估计： 上式表明锤式粉碎机的动力消耗与锤刀末端直径平方，转速和长度成正比。为节省动力应尽量使用小尺寸的机器。 （2）辊式粉碎机（麦芽、大米） 两辊式粉碎机结构示意图 辊式粉碎机的计算生产能力的计算 Q=60πD1nbLρφ （kg/h） D1：扎辊直径（m） n：辊子转速（r/min） b：两辊间距（m） L：扎辊长度（m） ρ：被粉碎物料的视密度（容重，kg/m3） φ：松散系数，麦芽可取0.5~0.7 –根据生产实践，扎辊长度为100mm的双辊粉碎机每小时可粉碎麦芽150~200kg，四辊式可达200~300kg功率估算：辊式粉碎机的功率可按下列经验公式估算 根据生产实践，一般每小时粉碎1000kg的生产量功率消耗约为2kW。（三）原料的输送 1，机械的输送 为了是物料能起到混合搅拌和输送作用，固体输送主要是采用机械输送。发酵厂内固体输送大多采用皮带输送机，斗式提升机和螺旋混合器（也称绞龙）。如果在绞龙上加盖铁板，则在密闭系统内进行物料输送，对粉状物料而言，可以防止运转时粉尘的飞扬。 2，气流输送 又称风送，或称气力输送。它是利用空气流动所产生的推动力在管道中输送的，其简单原理是，固体物料在垂直向上的气流中，受到向下拉的重力F1，和气流向上推的动力F2，如果F2大于F1，则气流向上推动，使物料由低位向高位运送。例如甘薯干的块状原料，利用风动运送，有引风机把甘薯干运进料管，从低位向高位运送上去，而原料中的铁皮、石块等杂物，因比重较大，不能为气流所带走，而自动掉落在地上。风送特别适于输送散粒状或块状的物料，是一种较好的输送方式。 （1）优点 设备简单 占地面积小 费用少 连续化自动化改善了劳动条件 输送能力和距离有较大的变动范围 在气流输送的同时，还可对物料进行加热、冷却、干燥等操作（2）原理 气流输送方法，是借助气流的动能，使管道中的物辑被悬浮输送。可见物料在气流中的悬浮问题是很重要的。颗粒在垂直管中和水平管中的悬浮机理及运动状态是不一样的。垂直管中的悬浮输送机理设物料小颗粒，在静止的空气中自由降落，颗粒上作用力有三：颗粒重力Ws，浮力Wa，及空气阻力fs。 当Ws = Wa + fs时颗粒在空气中以不变的速度μt作匀速降落，称为颗粒的自由沉降。 根据相对运动的原理，当空气以颗粒的沉降速度自下而上流过颗粒时，颗粒必将自由悬浮在气流中。这时的气流速度称为颗粒的悬浮速度。 如果气流速度大于颗粒的悬浮速度，则在气流中悬浮的颗粒，必将为气流带走，而发生了气流输送。这时的气流速度又称气流的输送速度。 水平管中的悬浮输送机理 颗粒在水平管中的悬浮，较为复杂。颗粒所以能克服重力而悬浮在气流中，是由于下列几种力作用的结果： 气流为湍流运动状态 湍流状态的气流，沿管截面上的气速分布 颗粒在气流中，除随同气流一道运动外，还有颗粒的自身旋转运动 由于颗粒形态不规则而产生的气流推力的垂直分力 由于颗粒间的碰撞或颗粒与管壁间碰撞而产生的垂直方向的反作用分力 颗粒在垂直管中的运动状态 气流速度=粒子的悬浮速度时，颗粒在气流中呈流态化状态，自由悬浮在气流中； 气速大于悬浮速度，进行气流输送，颗粒基本上是均匀分布于气流中。颗粒在水平管中的运动状态 当气流速度很大时，颗粒全部悬浮，均匀分布于气演中，呈现所谓悬浮流状态。 当气流速度降低时，一部分颗粒沉积管下部，但没有降落在管壁上，整个管截面上出现上部颗粒稀薄，下部颗粒密集的所谓两相流动状态，这种状态为悬浮输送的极限状态。 当气速进一步降低，将有颗粒从气流中分离出来沉于管底，沿管底滑动或停止移动产生堆积。而上部悬浮的颗粒愈来愈少，大部颗粒堆积底部，形成“小砂丘”向前推移，产生所谓团块流（3）气流输送的流程 ①吸引式流程（真空输送） 真空输送方式是将空气和物料吸入输料管中，在负压下输送到指定的地点，然后将物料从气流中分离出来，再经过排料器将物科卸出来。从分离器分离出来的空气，再经过净化除尘之后，用真空泵抽出。真空输送设备出口装有分离器和能封闭空气的卸料器。由于输送系统为真空，消除了物料的外漏，保持了室内的清洁。 ②压送式流程（压力输送） 这种输送方式是将空气和物料压送入输料管中， 物料被送到指定位置之后，经分离器物料自动排出，分离出来的空气净化后放空。在加料处要用封闭较好的加料器，防止物料反吹，空气用鼓风机送入系统中。 ③混合式气流输送流程（真空、压力输送）兼有吸引式和压送式的特点，可以从数点吸入物料和压送至较远、较高的地方。 （4）气流输送流程的比较吸引式流程，不需加料器，但要有封闭较好的排料器； 压送式流程，不需排料器，但要有封闭较好的加料器； 对相同输送量，压送式流程较吸引式流程采用较细的管道； 从几个不同的地方，向一个卸料点时，吸引式流程较适合；从一个加料点向几个不同地方送料时，压送式流程较适合；具体到流程选择时，必须对输送物料的性质，形状、尺寸、输送量、输送距离等进行详细了解，结合实际综合考虑。（5）采用气流输送时应注意的问题 水分含量超过16％的粉末原料，特别是鲜原料，不宜采用气流输送； 所选用风机型号一般要选择比实际需用量大1.2-1.5倍风机，风压也要比全系统压力损失的总和更大一些； 选择输送管道的直径时，要保证空气通气量有110-120％的富余量； 所用落料器性能要好，要保证既能较快分料，又能有一定的密封程度，防止落料器落料慢而引起旋风分离器出现粉料阻塞现象； 整个输送原料的管道中，要尽量减少90°的弯角和阀门。 （6）气流输送系统的组成设备 ①进料装置 吸嘴：包括单管形吸嘴、带二次空气进口的单管形吸嘴、喇叭形双简吸嘴、固定式吸嘴 旋转加料器：旋转加料器在真空输送系统中可用作卸料器，在压力输送系统中可用作加料路。因此，旋转加料器在气流输送中得到广泛应用。旋转加料器的供料量，由下式计算： ②输料管道 ③卸料装置 离心式卸料器：离心式卸料器实质就是旋风分离器，利用气流作旋转运动、使物科颗粒产生离心力，将悬浮于气流中的物料分离出。离心式卸料器上部为带有切线方向气流入口的圆柱壳体，下部连有倒圆锥形的壳体。沉降式卸料器：沉降式卸料器实质上就是重力式分离器。带有悬浮物料的气流，进入一个较大的圆柱形空间里，气流速度大大降低，悬浮的颗粒由于自身的重力而沉降，气体由上部排出。 ④闭风器 ⑤风机 ⑥空气除尘装置 常用的除尘器：离心式除尘器、袋滤器、湿式除尘器。 ⑦空气管道（7）气流输送系统的设计流程的选择和确定经过调研后，结合工厂的实际情况，决定选择什么样的流程，是吸入式、压送式还是混合式。工艺流程图和设备流程图在确定好工艺流程的基础上，结合工厂实际情况、车间厂房的高低和与其它工序配合的情况，画出工艺流程图和设备流程图。在有条件的地方应画出车间设备布置图和管路图，主要设备的相对尺寸，主要联系尺寸都应注明，以便进行设计计算。管网系统的设计计算A，空气需求量的计算 ①混合比μ的确定 定义：每1kg空气所能提升或输送的物料流量G物（kg/h）与空气流量G气（kg/h）之比。 μ= G物/ G气选择依据： μ大，每1kg空气输送的物料量大； 过高的μ易造成管道阻塞，阻力损失大，需较高压力的空气，增大设备费用； 松散颗粒（大μ），潮湿易结快物料和粉状物料（小μ）； 吸入式流程（小μ ），压送式流程（大μ）。 混合比值输送方式 系统内压力/Pa 混合比/ μ  低真空吸送 高真空吸送 低压压送 高压压送 -0.2× 105以下 （-0.2~-0.5）×105 小于0.5×105 (1~7)×105 1~10 10~30 1~10 10~50  计算时，可参考经验数据。原粮装卸μ =7~14，米厂μ =4左右 ②气流速度的选择 输送物料的空气速度即输送气流速度，简称气流速度。 气流速度过低，被输送物料不能悬浮或不能完全悬浮； 气流速度过高，浪费动力和增加颗粒的破碎。气流速度与输送距离总距离/m 气流速度/（m/s）  60 150 360 20 25 30  对大约90%的气流输送，25米/秒的气流速度是足够的。对物料不超过880kg/m3和颗粒体积不大于2.0cm3时，表中的气流速度是可用的。物料密度超过880，但小于1360时，表中气流速度值增加5米/秒。对密度在1360~1840时，表中增加10米秒。物料密度超过1840或颗粒尺寸大于2.0cm3时，气流速度应由实验测定。各类谷物的输送气流速度的经验值名 称 密度/（kg/m3） 气流速度v气/（m/s）  大 麦 小 麦 玉 米 糙 米 高 粱 麦 芽 瓜 干 片 1300~1350 1240~1380 1300~1400 1120~1220 1250~1350 700~800 800~900 15~25 15~24 25~30 15~25 15~25 20~22 20~22  ③输送空气量的计算 注：实际空气量可比上述计算值大10%~20%。B，输送管、空气管管径的计算和选择 由上式计算得的管径，在根据国家的管径规格，选用标准管径。输料管一般采用无缝钢管、普通水煤气管、不锈钢管或硬质聚乙烯管等。用上述公式计算输送管径时，因为被输送的物料与空气的重度相差悬殊，物料的体积忽略不计。 如果用上述公式计算空气管的管径，则： –空气管中的气流速度取6~14m/s； –压缩空气管路系统取6~10m/s； –低压或负压空气管路取10~14m/s。C，管网中的阻力计算（压力降计算） a，空气管的压力损失Δp1：指不带物料的气流管道中纯空气气流的压力损失。ζb：弯管阻力系数，见下表空气弯管阻力系数表曲率半径r/D ζb  1.0 1.5 2.0 0.26 0.17 0.15  b，加速段的压力损失Δp2 ：加入输料管的的物料，加入前一般是静止的，在气流方向上的初速度一般为零，要求输送它的空气流在瞬间将它加速到输送速度，而产生的压力损失。 C：供料系数，其直为1~10，连续稳定供料取小值，间断供料或从吸嘴供料取大值。c，输料管的压力损失：指以稳定状态输送物料时，输料管中由于物料在管内相互碰撞摩擦而引起的压力损失。 曲率半径比r/D 2 4 6 7  阻力系数ζe 1.5 0.75 0.5 0.38   d，分离器（卸料器）的压力损失 e，空气进出口的压力损失 D，气流输送系统中总的压力损失ΔpΔp= Δp1+ Δp2+ Δp3+ Δp4+ Δp5E，风机风机风量、风压和功率消耗的计算 Q风机=（1.1~1.2） Q气（m3/h） Δp风机=（1.1~1.2） Δp （Pa） 第三节 淀粉的水解糖的制备一、淀粉的水解的理论基础 1，淀粉的颗粒的外观 淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，其内部呈复杂的结晶组织。随原料品种和种类的不同，淀粉颗粒具有不同的形状和大小。形状不规则，大致上可分为圆形、椭圆形和多角形。 一般说来，水份含量高，蛋白少的植物，颗粒较大，形状较整齐，大多为圆形或卵形，如马铃薯、甘薯的淀粉。 颗粒较大的薯类淀粉较易糊化，颗粒较小的谷物淀粉相对较难糊化。 淀粉颗粒的构成如下图： 氢键 聚集 淀粉分子链 ───→ 针状晶体 ───→ 淀粉颗粒 2，淀粉的分子结构 淀粉可分为直链和支链淀粉两类。直链淀粉通过α-1，4键连接。支链淀粉的直链部分通过α-1，4键连接，分支点则有α-1，6键连接，支链平均有25个葡萄糖基团，因而还原性末端数量较少。一般植物中直链淀粉含量为20～25%，支链淀粉占75～80%。直链淀粉在70～80℃的水中可溶，溶液的粘度较小，遇I2呈纯蓝色；支链淀粉在高温水中可溶，溶液的粘度大，遇I2呈兰紫色。3，淀粉在水-热处理过程的中变化 （1）水-热处理的概念 将淀粉质原料与水一起，在高温高压或低温低压的条件下进行处理的过程。 （2）水-热处理的目的 淀粉原料经过水热处理，使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用，这就是原料水-热处理的主要目的。 （3）淀粉的膨胀和溶解 膨胀：淀粉是一种亲水胶体，遇水加热后，水分子渗入淀粉颗粒的内部，使淀粉分子的体积和重量增加，这种现象称为膨胀。 糊化：在温水中，当淀粉颗粒无限膨胀形成均一的粘稠液体的现象，称为淀粉的糊化。此时的温度称为糊化温度。 溶解或液化：淀粉糊化后，如果提高温度至 130℃，由于支链淀粉的全部（几乎）溶解，网状结构彻底破坏，淀粉溶液的粘度迅速下降，变为流动性较好的醪液，这种现象称为淀粉的溶解或液化。 （4）淀粉质原料的各个组分在水-热处理过程中的变化 淀粉的变化 –自糖化：在50～60℃预煮时，原料自身的淀粉酶系统活化，并分解淀粉生成糖和糊精 –酸水解：在微酸条件（pH5.6～6.3），淀粉的局部酸水解现象 –在70℃以下，水解的产物是糖，75～80℃产物是糊精。?糖的变化 ①己糖的变化（葡萄糖和果糖）：果糖在酸性介质中不稳定，由于容易开链，所以较易分解。部分的 5-羟甲基糖醛缩合生成黄棕色色素。葡萄糖在 pH2～4 内稳定性最佳。 ② 戊糖的变化：蒸煮过程中戊糖和己糖一样脱水生产糠醛，但是后者比羟甲基糠醛稳定。 ③ 焦糖化：当温度达到糖的熔点时（185℃）， 糖分脱水形成黑色无定形物，统称焦糖。焦糖不仅不能被发酵利用，而且还会阻碍糖化酶对淀粉的糖化作用，影响微生物的生长。焦糖化反应在高浓度醪液中比低浓度中较易进行。在不易与溶液接触的地方（如蒸煮锅的死角），或锅壁局部过热处都容易发生。④ 氨基糖反应：还原糖与氨基酸之间产生的呈色反应称为氨基糖反应。氨基糖反应不是一个简单的聚合反应，而是一个过程相当复杂的反应。 NH2 己糖 糖醛 ↓ 聚合 戊糖 → 羟甲基糖醛 ─→──→ 氨基糖 其他醛酮类 缩合 中间产物二、淀粉的液化（糊化）1，淀粉液化的方法 （1）按水解动力的不同分为：酸法、酶法、酸酶法、机械液化法 （2）按工艺的不同分为：间歇式、半连续式、连续式 （3）按设备的不同分为：管式、罐式、喷射式 （4）按加酶方式的不同分为：一次加酶、两次加酶、三次加酶 （5）按原料的精粗不同分为：淀粉质原料直接液化、精制淀粉液化2，酶法液化 （1）酶解法液化、糖化淀粉常用的酶 α-淀粉酶：其作用是将淀粉迅速水解为糊精及少量麦芽糖，对淀粉的作用，可将长链从内部分裂成若干短链的糊精，所以也称内切淀粉酶。淀粉受到α-淀粉酶的作用后，遇碘呈色很快反应，如下表现： 蓝→紫→红→浅红→不显色(即碘原色) 糖化酶：作用于淀粉的l，4键结合，能从葡萄糖键的非还原性末端起将葡萄糖单位一个一个的切断，因为是从链的一端逐渐地一个个地切断为葡萄糖，所以称为外切淀粉酶。β-淀粉酶： β-淀粉酶能水解α-1，4糖苷键，不能水解α- 1，6糖苷键，遇此键水解停止，也不能越过继续水解。水解由淀粉分子的非还原末端开始，水解相隔的α- 1，4键麦芽糖，届于β-构型。故叫β-淀粉酶，β-淀粉酶届于外切酶，水解产物只有麦芽糖。 异淀粉酶： 异淀粉酶能水解支链淀粉和糖原分子中支叉地位的α- 1，6糖苷键，使支叉结构断裂。但对于直链结构中的α- 1，6糖苷键却不能水解。普鲁蓝酶 能水解支叉结构和直链结构的α- 1，6糖苷键、支链淀粉、糖原和其β-极限糊精及普鲁蓝分子中的β- 1，6键。异淀粉酶或普鲁蓝酶与β-淀粉酶合并水解，能使支叉开裂，使β-淀粉酶继续水解，大大提高麦芽糖的产率。（2）酶法液化方法 间歇（升温）液化法 工艺：将浓度30~40%淀粉乳调整pH到6.5，加入CaCl2 (0.01mol/L)和一定量淀粉酶(5~8u/克淀粉)，剧烈搅拌，加热到85~90℃，保持30~60分钟，达到液化程度( DE 15~18 )，升温到100℃，灭酶10分钟。 优点：此方法简便 缺点：效果较差，能耗大，原料利用率低，过滤性能差。半连续（高温）液化法（喷淋连续进出料液化法） 工艺：将淀粉乳调整到适当pH和Ca2+浓度，加入一定量的液化酶，用泵打给喷淋头引入液化罐中（其中已有90℃热水），淀粉糊化后，立即液化，至保温罐90℃保温40分钟，达到液化的程度。 优点：设备和操作简单，效果比间歇液化好。 缺点：不安全，蒸汽耗量大，温度无法达到最佳温度，液化效果差，糖液过滤性能也差。连续（喷射）液化法 利用喷射器将蒸汽直接喷射至淀粉薄层，以在短时间内达到要求的温度，完成糊化和液化。喷射后，进入保温罐，85~90℃保温45分钟。 优点：设备小，便于连续操作，原料利用率高，转化率高，蛋白质凝聚好。 缺点：但要求一定压力的蒸汽，进出料的速度要稳定。喷射液化的几种流程： ①一段高温喷射液化工艺： 工艺控制要点： 淀粉乳浓度30%左右 pH6.0~6.5 喷射器出口温度（105±3）?C，保温97~100 ?C，30~60min。②单罐维持 ③连续出料 ④多段液化：多次加酶，多次加热，适用各种原料（特别是难液化的小麦，玉米淀粉） 喷射液化器的结构示意图 （3）液化程度的控制 ①I2试 ②测定DE值 –DE值高，糊精太小，不利于糖化酶作用，影响催化效率，终点DE值低。 –DE值低，液化不彻底，糖化速度慢，酶用量大，时间长，过滤性能差。 ③透光率和澄清度（4）液化效果的标准 ①液化要均匀 ②蛋白絮凝效果好 ③液化彻底（60?C时液化液要稳定，不出现老化现象，不含不溶性淀粉颗粒，液化液透明、清亮）（5）酶法液化方法比较 直接升温法：设备简单，操作简便，投资少，见效快。缺点是能耗大，原料利用率低，液化液过滤性能较差 喷射液化法：原料利用率高，液化液过滤性能好。缺点是设备复杂，操作要求高，要求有一定的压力蒸汽，稳定的进出料速度。 三、淀粉的糖化（一）糖化理论 1，基本概念 （1）糖化：以无机酸或酶为催化剂，在一定温度下使淀粉水解，将淀粉全部或部分转化为葡萄糖等可发酵性糖的过程。 （2）糖化剂 ：糖化过程中所用的催化剂。包括无机酸和酶。 （3）理论收率（111.11%） （C6H10O5）n+H2O nC6H12O6 162 18 180 （3）实际收率（105%~108%） （4）淀粉转化率（5）DE值：糖化液中还原糖含量（以葡萄糖计）占干物质的百分率，用以表示淀粉糖的糖组成。 还原糖用斐林法或碘量法测定，干物质用阿贝折光仪测定。2，糖化的目的：将淀粉转化为可发酵性糖。3，淀粉的水解反应过程 淀粉分子内α-1，4和α-1，6葡萄糖苷键的断裂，相对分子质量逐渐变小，依次变为糊精，低聚糖，麦芽糖和葡萄糖。糊精是若干种分子大于低聚糖的碳水化合物，一般含2~10葡萄糖单位的为低聚糖。糊精具有旋光性，还原性，能溶于水，不溶于酒精。与碘作用，聚合度不同颜色不同。葡萄糖聚合度与碘液的呈色表葡萄糖聚合度 与碘液呈色 最高吸收波长（nm）  7~8 16 21 28 34 41 61 120 330 无色 淡红色 红色 红紫色 紫色 兰紫色 兰色 兰色 兰色 480 510 540 560 580 600 620 630  4，糖化的过程检测 ①检验液化：是否有淀粉，用碘液，是否呈兰色； ②检验糖化：是否水解完全 –测定还原糖； –用无水酒精。5，淀粉水解过程的反应 主反应：糖化（水解作用） 副反应： –复合反应（在酸和热作用下，部分葡萄糖经1，6键结合成龙胆二糖，异麦芽糖和其他低聚糖。） –分解反应（葡萄糖分解为羟甲基糠醛，有机酸和有色物质等非糖产物）（二）淀粉糖化的方法 1，酸解法 （1）定义：以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法。 （2）优点：工艺简单，设备较单一，水解时间短，设备周转快 （3）缺点：需耐高温、高压和耐腐蚀的设备；副产物多，淀粉的转化率低；对原料要求高；废水难处理 （4）酸解法中常用的酸 ①盐酸：高效，但中和后产生氯化物，增加糖液灰分，对葡萄糖的结晶，分离及收率会有影响。 ②硫酸：能力仅次于盐酸，用碳酸钙中和，经脱色，离子交换可除去。 ③草酸：能力低，用石灰中和生成草酸钙，脱色过滤易除去，非强酸，减少了复合反应。（5）淀粉酸解的工艺流程工艺参数 –淀粉浆的pH：1.5左右 –水解压力：2.5~2.6大气压 –水解时间：30min –一次中和pH：4.8~5.0 –二次中和pH：6.7~7.0 （6）影响淀粉酸解速度因素 酸的种类与用量 水解的温度与压力 淀粉乳浓度的高低2，酶解法（1）定义：以酶为催化剂，在常温常压下将淀粉水解为葡萄糖的方法。包括液化和糖化两个过程，故又称双酶水解法。 （2）优点：反应条件温和；副反应少，淀粉质量高；可在较高淀粉浓度下水解，对预料要求不高；糖液的质量高、营养物质较丰富。 缺点：水解时间长，夏天糖液容易变质；设备较多。（3）酶法糖化的工艺流程 液化→糖化→灭酶→过滤→贮糖计量→发酵 （4）工艺要点： –糖化pH4.2-4.5 –温度60℃左右 –糖化酶用量150U/g淀粉 –糖化时间32小时，用无水酒精检验无糊精存在时，糖化结束，然后将pH调整至4.8-5.0，维持20分钟灭酶 3，糖化方法的比较 ?水解时间：酸法短，酶法长 ?水解程度：酶法高 ?糖液杂质：酶法低，酸法高 ?综合4，水解糖液的质量要求和控制要点 （1）水解糖液的质量要求 ?色泽：呈强黄色透明液 ?糊精反应：无 ?还原糖含量，18％左右 ?DE值：90％以上 ?透光率：60~80％左右（650纳米） ?pH值：4.6~4.8 ?淀粉转化率：92%以上（实际产量/理论产量）（2）水解糖液质量的控制要点 ?合理控制淀粉乳浓度 ?糖液要清 ?溶液中不含糊精 ?糖液要新鲜 ?糖液贮存容器一定要保持清洁，定期清理和清洗，防止酵母菌等浸入5，啤酒酿造中的糊化、糖化 在啤酒酿造中，糖化过程是指辅料的糊化醪和麦芽中淀粉受到麦芽中淀粉酶的分解，形成低聚糊精和以麦芽糖为主的可发酵性糖的全过程。 6，啤酒酿造的糖化设备 （1）糊化锅的结构与计算 糊化锅是用于加热煮沸大米或其他辅料粉和部分麦芽粉醪液，使淀粉糊化和液化的设备。我国行业标准ZBY99030 锅体型式：由圆柱形锅身，球形底或圆锥形底，和弧形顶盖或锥形顶盖组成。锅身直径与高度之比1.5:1~2:1，有效容量系数58％一60％，锥底角度以α＜120?为宜。加热方式：夹套间接蒸汽加热，夹套蒸汽压力为0.3~0.6MPa 升温速度：不低于1.5?C/min 搅拌装置：为了防止物料沾锅和提高传热效果，在靠近锅底处设有桨式搅拌器。搅拌器的转速一殷在20~50r/min．圆周速度3~4m/s 材质：锅身、锥底和顶盖宜采用不锈钢。球底宜采用紫铜。 净空高度：不小于500mm。 排气管截面积与锅身截面积之比：l/30~1/50 需设附件：人孔门，照明灯，液位、温度测量装置，清洗装置，安全装置，排气管蝶阀。 表面要求：锅盖、锅身和锅底内表面焊缝应磨平抛光，应作耐腐蚀的酸性钝化处理。外露表面抛光，不应有碰伤、划伤痕迹。糊化锅的计算（自学） –糊化锅容积的确定 –糊化锅加热面积的计算 参见《发酵工程与设备》p45~46（2）糖化锅型式与结构 以不锈钢制造成圆筒形的锅身，以球形、椭球形或锥形夹套式底，以弧形或锥形顶盖组合。夹套内用直接蒸汽加热，夹套能耐0.15~0.25MPa压力，锅内夹底为了强化传热，较多采用紫铜板。锅底部设有浆叶式搅拌器，搅拌器由电机通过立式涡轮减速箱，直接带动搅拌浆叶旋转。锅顶有一排汽升气管，锅顶盖设有移门或密封人孔。 第四节 糖蜜原料的处理一、糖蜜的来源与特点 1，来源 甘蔗糖厂的副产物 甜菜糖厂的副产物2，特点 （1）糖蜜中干物质的浓度很大，约在80-90 Bx， –含糖分50％以上； –含5％-12％的胶体物质； –含灰分l0％-l 2％。 （2）糖蜜中一般含有大量杂菌，主要为产酸细菌； （3）重金属离子， 主要是钙，铅等离子，对微生物会有抑制； （4）糖蜜中除了糖之外，还含有含N化合物，氨基酸，维生素。 二、糖蜜前处理的方法1，加酸通风沉淀法 2，加热加酸沉淀法 3，添加絮凝剂澄清处理法 第五节 前体物质、抑制剂和促进剂发酵培养基中某些成分的加入不促进微生物的生长，只是有助于调节产物的形成，这些添加的物质包括前体，抑制剂和促进剂。 一、生物合成的前体物质 指某些化合物加入到发酵培养基中，能被微生物在生物合成过程中结合到产物分子中去，其自身结构并无多大变化，但产量却因前体的加入有较大提高。 二、抑制剂 加入后会抑制某些代谢途径的进行，使另一途径活跃，从而获得人们所需要的某种代谢产物，或使正常代谢的某一代谢中间物积累。 最初应用于甘油发酵，抗生素工业应用最多。 三、促进剂 指那些既不是营养物，又不是前体，但能提高产量的添加剂，如酶生产中的诱导物或表面活性剂等。 1，诱导剂能增加细胞的产酶速度，提高产酶量，但不能从根本上改变细胞原有的蛋白质模板，包括酶的底物，底物类似物，及被转化为诱导物的前替物质。 2，表面活性剂（洗涤剂，吐温等）：可以增加酶的产量，机理不十分清楚，一般认为是因为： （1）改变了细胞膜的通透性 （2）同时增强了氧的传递速度，改变了菌体对氧的有效利用。