生物工程设备教案

生物工程设备教案生物科学与工程学院2010 年 9 月课时分配表章节 内容 课时第一章 绪论 1第二章 物料处理和输送设备 5第三章 空气净化除菌设备 3第四章 培养基的制备设备 4第五章 通风发酵设备 7第六章 厌氧发酵设备 6第七章 植物细胞和动物细胞反应器 4第八章 生物反应器的比拟放大 3第九章 过滤、离心、膜分离设备 6第十章 离子交换分离原理和设备 3第十一章 蒸发与结晶设备 3第十二章 干燥设备 3第十三章 蒸馏设备 3合计 51第一章绪论【教学目的与要求】了解课程的目的和任务，掌握生化反应的目的，掌握生化反应器的分类，了解生化反应器设计基础内容。【教学重点与难点】生化反应的目的，生化反应器的分类，设计基础。【教学方法】讲授 。【教学时数】1 学时一、课程介绍 生物工程设备则是生物工程技术和化学工程与设备交叉的结合体生物反应过程的组成，课程的内容按各种设备的共性，密切结合发酵生产的特征，重点阐述设备的结构、原理、特点、设计计算、选型及保养。包括整个发酵生产过程中所需要用到的物料的处理和输送设备，培养基的制备设备，无菌空气系统，生物反应器，过滤、结晶、干燥、蒸馏及冷却设备。课程目的和任务：了解生物工程设备掌握常用生物工程设备的类型、性能、设备二、生化反应的目的重点 生化反应的目的：1.生产细胞：2.细胞的代谢产物： 3.直接用酶催化的产物。三、生化反应器的分类重点 根据细胞或组织生长代谢的要求可分为：.厌氧生物反应器、通风生物反应器、光照生物反应器、膜生物反应器。其他分类方式：根据反应器的结构、物料的混合方式。四、生化反应器设计基础内容：细胞动力学（菌体生长规律、产物代谢的规律、基质浓度产物浓度对发酵的影响等） 、质量传递（气-液传质、液体-微生物） 、能量传递、环境对发酵的影响、剪切力的影响等总之，生化反应器的设计是以生物体的代谢为核心，除考虑传质、传热的因素外，还需要考虑对环境条件的要求，确保这些条件的落实。同时为提高传质和传热的效率需配置搅拌装置，同时需考虑剪切力对菌体生长的影响。发酵过程纯种培养，无菌条件的要求。【思考题】1. 生化反应的目的？2. 生化反应器的分类？【作业】生化反应器的分类方式【参考书目】生物工程设备梁世中主编，中国轻工业出版社 2002 年【教学效果追记】本章内容中有反应器的分类等简单的总体知识，要求学生在理解的基础上加以掌握。【预习】第二章物料处理和输送设备第二章 物料处理和输送设备【教学目的与要求】了解发酵工厂物料处理和输送的方法，掌握机械输送设备的特点及选型；掌握气力输送的原理和流程及简单管道的计算。【教学重点与难点】掌握机械输送设备和气力输送设备的特点及选型，气力输送流程的比较和管道计算。【教学方法】讲授、自学与多媒体等直观教学手段相结合。【教学时数】5 学时第一节 固体物料的处理与粉碎设备一、固体物料的筛选除杂设备杂物分三类： 纤维性较长的物质颗粒状的铁磁性物质啤酒厂生产过程： 大麦粗选精选分级浸泡发芽干燥粉碎糖化过滤煮沸冷却分离沉淀前发酵后发酵过滤灌装杀菌冷却成品1.谷物原料的粗选设备大麦粗选机（平摇振动筛）结构图磁力除铁器a固定形磁钢装置图b永磁滚筒 CXY25型永磁滚筒的结构图2.大麦的精选及分级设备目的:精选目的除去圆形杂粒,特别是半粒大麦和草籽。分级目的为了在浸渍和发芽过程保持均匀一致，提高麦芽质量和出芽率。大麦精选机a滚筒精选机 结构图 讲解操作过程b碟片式精选机 结构图 讲解操作过程大麦分级设备a平板分级筛 结构图 讲解操作过程b圆筒分级筛 结构图 讲解操作过程二、固体物料的粉碎设备1.物料粉碎的力学分析 重点挤压破碎、冲击破碎、研磨破碎、剪切破碎、劈裂破碎，分别举例说明2.物料的粉碎度（粉碎比）粉碎比： 重点 物料粉碎前后平均粒径之比。以x表示x= D1/D2 D1 D2 粉碎前、后物料的平均粒径mm 粉碎比选择应恰当合理，如：山东某酒精厂，原来采用一级粉碎，电机功率为 17KW，后改为二级粉碎，在原电机前加粗粉碎，新增电机 2.8KW，产量增加 1 倍。3.粉碎机械锤式粉碎机: 用于原料的中碎和细碎a 结构如图 讲授粉碎过程。锤式粉碎机作用力主要是冲击力b锤式粉碎机的生产能力 圆孔筛：一个圆筛孔排出 产品容量Vo(m 3)Vo=0.785.Do2.d. (m 3) 式中： Do筛孔直径,m d 产品粒度m 排料不均匀系数每h排出的产品量体积V：V=60 0.785.Do2.d.Z.k.n . （ m 3/h ）Z 筛孔总数 k 锤刀排数 n转速r/min每h排出的产品量（质量）QQ=V.=15 Do 2.d.Z.k.n .（t/h）对于方孔筛：每h排出的产品量体积V：V=60L. c.d. . Z.k.n （m 3/h ）Z 筛孔总数 k 锤刀排数 n转速r/min每h排出的产品量（质量）Q：Q=V.= 60L. c.d. . Z.k.n.（t/h）也可按经验公式计算：Q=k.D1 L.（kg/h）式中： D1 转子的工作直径mL 转子的轴向长度m粉碎产品的密度kg/m 3k 系数，大米瓜干大麦取80100c.粉碎机的功耗N：按经验公式估算:N=k.D12 L.n (kW) L转子的轴向长度m n转子的转数 r/ mink系数,与原料的性质和粉碎度有关k约为0.10.2 ，粉碎比大时取大值对辊粉碎机a对辊粉碎机的构造原理 操作的参数及过程主要作用力是挤压力常用两辊、四辊、五辊、六辊。结构图b.辊式生产能力：理论生产能力Q=60D1.n.b.L.（kg/h） 松散系数 大麦芽取0.50.7，与物料性质和操作均匀度有关。轧辊长度100mm每小时 粉碎大麦芽：双辊粉碎机 150200kg/h四辊式 200300kgc功率估算：经验公式：N=0.735kG/（d.）（kW）也可按下式计算：N=（0.81.06）k L（kW）式中： k 系数 k=0.6D 1/D2+0.15D1、 D 2 进料、卸料粒度L 轧辊长度 m 轧辊的圆周速度 m/s 通常取2.55d多辊粉碎机圆盘钢磨MF260型钢片式磨粉机、固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）1.湿法粉碎设备见图，为某酒精厂的湿法粉碎流程另 如，柳州设备厂生产的 麦芽粉碎系统，二道对辊2.砂轮磨、微细粉碎和超微细粉碎举例：蛋壳粉粉碎 补钙产品 第二节 固体物料输送设备对于发酵工厂物料输送主要设备和方法机械输送设备：斗式提升机 （垂直提升物料） 皮带运输机 （水平或斜向上提升物料） 螺旋输送机 （水平或斜向上提升物料） 气力输送系统 （垂直或水平提升物料） 前三个为单台设备机械输送设备一、斗式提升机 斗式运输机 讲授设备运转过程1、适用物料： 重点 松散型、小颗粒物料 大麦、玉米、大豆 砂、细煤斗式提升机常用于将物料垂直提升到一定高度，以便使物料借重力自流加工。型式有D型，HL型，PL型。D型：牵引构件橡胶带，HL型：锻造的环形链条，PL型：板链为牵引构件。发酵工厂最常用的是以橡胶带牵引的D型斗式提升机。2、构造和原理料斗 薄钢板焊接或冲压而成，分浅斗、深斗和尖角形三种。结构如图 料斗带：胶带和链条装料和卸料：如图 主要为重力卸料和离心卸料。如图3. 斗式提升机的计算斗式提升机的提升速度 如表生产能力 重点 ： （kg/h）360VQh装满系数如表 3-3-2功率消耗 轴功率按下式计算： （kW）电机功率为轴功率的 1.2 倍 ，启动时克服惯性的阻力系367HP数。斗式提升机的技术性能如表 3-3-3二、带式输送机 皮带输送机1.适用物料 重点 ：松散粉状或小颗粒状物料或成包成件的物件。水平或有一定倾角物料输送，倾角22与物料和输送带的摩擦和自然降落的程度有关。分类： 固定式 搬移式 运动式特点 重点 ：使用非常方便，操作连续性强，输送能力较高，在运送相同距离和重量的物料时，带式输送机的动力消耗最小。2.结构原理如图构造： 带、 常用橡胶带塑料带 钢带 3001200mm托辊、 上 下 间距11.5m 箱松散物料一般11.5m 20kg成箱 间距箱在带长方向的1/2鼓轮、两端滚轮 卸料端主动轮 装料端从动轮传动和张紧装置：电动机和减速机，主动轮端；有重锤式和螺丝拉紧式加料和卸料装置：均匀落料，常采用漏斗加料器，漏斗出口小于带宽的0.7倍。末段自由落下，不用卸料装置，中途卸料 用挡板，与带角度3545类型如图槽式形式 圆形 半圆形3 皮带运行速度：与物料有关：一般 0.51.5m 见表 3-3-4窄带取小值，宽带取大值 挡板卸料，1.5m/s 成件物品，一般0.5m/s1.5m/s 或更小倾斜输送，带速降低，水平速度乘修正系数A带式输送机的生产能力Q=3.6A （t/h）功率计算三、螺旋输送机 螺旋运输机 搅龙1适用物料 重点 ：潮湿的或松散粉状或小颗粒物料。水平或倾角小于20 也有垂直报道2结构和原理：如结构图 略 举例：酱油车间拌种子使用有根据工艺需要设计的非定型设备，有些采用专业厂生产的标准化设备。优点：结构简单、紧凑、外形小，密闭和中间卸料 也适合有毒、尘状物料的输送。参数：螺旋转数5080r/min螺距：一般为螺旋直径的0.50.8倍螺旋与槽的间距510mm，太大，丢料。3螺旋输送机计算 生产能力： 26047(/)QDSnCthD螺旋直径，m；S螺距，m；n螺旋转速，r/min；物料密度，t/m 3；槽的填充系数0.1250.4 粮粒0.33C倾斜系数，水平1，50.9； 100.8； 150.77； 200.65。 动力消耗轴功率： kW .367QPLKHL输送机长度，m； H输送高度，m；K阻力系数，谷物1.4，颗粒1.8 传动效率 0.60.8螺旋输送机的直径D计算：Q输送量 t/h 物料堆积密度t/m 3K物料综合特性经验系数 粉粒状、谷物干粉0.040.06，湿粉料0.07填充系数，粉粒料0.250.35 湿粉料，混合时0.1250.20C倾斜系数常用螺旋直径系列(单位mm)： 重点150，200，250，300，400，500，600常用螺旋运输机的转数系列(r/min)：20，30，35，45，60，75，90，120，150，190四、可弯曲螺旋输送机以挠性螺旋体为构件，用电机带动旋转输送物料。可选用不同几何形状的挠性螺旋体，可直线、弯曲输送，也可沿设备周围，饶过墙体、楼层等，输送灵活。输送机可任意布置安装。直线输送垂直高度10m，水平25m；最长挠性输送管35m，超过10m，功率增加。优点：只有挠性件是运动体，易维修，不污染被输送物料。可弯曲螺旋输送机参数见教材P429表3-3-7气力输送系统及设备20世纪70年代在食品生化行业广泛应用，利用空气输送大麦、玉米、薯干、高粱等优点：设备简单，占地面积小，费用少，自动化连续程度高，输送能力和距离变动范围大；同时可对物料加热、冷却、干燥等操作。一、气流输送原理颗粒在垂直管中的悬浮：气流向上运动，颗粒受到三个力：浮力和重力不变， 与粒子有关颗粒与气流相对运动产生的阻力Fs随气流变化，有三种情况： 1 WsFa+Fs 粒子向下运动2 Ws=Fa+Fs 匀速直线运动 自由沉降3 WsFa+Fs 粒子向上运动Fa+FsWs 时气流速度为输送该物料的气速、颗粒在水平管的悬浮1 气流湍流运动，在垂直方向分力使颗粒悬浮；2 流体力学考虑，气速在管中心位置速度最大，压力最小。3 中心线下侧颗粒，颗粒上下受到压强不同，由于自身旋转，产生向管中心的作2.5()DC用力； 麦格纽斯效应 Magnus effect4 颗粒形状不规则，产生垂直分力，颗粒悬浮；5 颗粒与颗粒或管道碰撞，产生垂直分力，颗粒悬浮。、颗粒在输送管中的运动状态 与速度直接有关垂直管中：气速达到颗粒悬浮速度，颗粒在气流中呈流态化状态，自由悬浮，气速超过颗粒悬浮速度，气流输送，颗粒均匀分布气流中。水平管：气速很大，颗粒全部悬浮，均匀分布即悬浮流状态Streamflow；气速降低，部分颗粒悬浮，部分沉积在管下部，处于两相流动状态Two-Phase Conveying；气速再降低，有颗粒从气流中分离，产生堆积，形成“小砂球”向前推移，即团块流 Slug Flow若达到完全悬浮的气流输送，必须具有足够气速二、气流输送的流程按压力和设备组合分为： 重点吸引式 真空输送流程压送式混合式（压力真空混合式）真空输送流程如：啤酒厂大麦输送流程 介绍流程特点：系统真空，防止物料外漏，室内清洁。最大操作压力5.33210 4Pa表压不须加料器，排料处需密闭较好排料器，防止物料反吹。原因压送式气流输送流程特点：较大的压力差，可输送潮湿物料，输送距离和高度比吸入式大些。系统正压。装料需密闭较好的加料器，可自动卸料。最大操作压力：(6.86 8.34)10 4Pa表压，不反吹。混合式气流输送流程兼有真空式和压送式的特点，可从数点吸入物料压送到较远较高位置。特点：构较复杂，风机工作条件较差，空气含尘较多。流程比较： 重点当从一个加料点向几个不同的地点送料时，适合采用压力输送流程；当从几个加料点向一个卸料点送料时，适合采用真空输送流程；输送量相同时，压力系统较真空系统采用较细的管道；在压力系统中，大约每kg空气能输送20kg的物料，相当于24kg物料/m 3的标准空气，或1m 3的物料/20m 3的标准空气气体。真空系统是这些数值的一半。 选择气流输送流程考虑：物料性质、形状尺寸、输送距离等，结合实际经验，综合考虑。三、气流输送系统的组成设备无论哪种流程需要七种设备：进料装置输料管道 塑料 钢管分离装置闭风器风机除尘器空气管道1、进料装置：吸嘴和加料器吸入式，用吸嘴，风量一定，吸入量越多均匀为好。常用单管吸嘴：输料管口 物料不能低于进料管口，也不能插入物料过深。带二次进风口的单管吸嘴：喇叭形双筒吸嘴：喇叭口开度=1220喇叭形双筒吸嘴： 固定型吸嘴：物料经固定料斗吸入输送管，滑板调节进料量。口处装铁丝网闭风器 旋转加料器压力输送作为加料器； 真空输送作为卸料器。 容积式加料器 6、8叶片 转速低于0.25m/s，供料量与速度成正比 闭风器的生产能力：G=60q.n. (kg/h)q-叶轮转一周排出的体积m 3/r；n-叶轮转速r/min； -叶轮体积效率 0.750.85； -物料的体积密度 kg/m 3 ；2、分离装置 空气与物料的分离 卸料旋风分离器 重力式分离器要求：分离效率高、性能稳定、连续运转、耐用、维修方便、费用低等 旋风分离器： 离心式卸料器 利用离心力沉降的原理从气流中分离固体颗粒的设备。 分离效果高，小麦、大米、玉米达100% ，但颗粒越小、越轻，分离难度越大。 分为两种：切线入口 加工简单全圆周蜗壳入口：对细粉分离效果更高，压力损失小，加工复杂。 重力式分离器 沉降式卸料器多种结构利用气流速度降低，物料自身重力沉降，对大麦、玉米可100% 分离。 分离器的圆筒直径：vt 悬浮系数 m/s；L=(1.02.0)D1颗粒大于3mm，1.01.5中等颗粒，1.31.8粉状物料，1.52.03、空气除尘装置：作用：分离回收粉状物料、净化空气、防止颗粒进入真空泵，损坏真空泵。旋风分离器 标准化系列产品分离10 微米以下的粒子，效率不高。滤袋器湿式除尘器 各种类型利用水捕集气流中的粉尘。主要原理：水滴与尘粒的惯性碰撞。重力场，水滴直径在0.11mm，除尘效果最佳。常用JN-64型 6种 风量100014000 150m 3/h、耗水量0.253.5m 3/h、压力损失245539Pa1.3vtqDmLS型18种 风量125014000 150m 3/h、耗水量0.541.62m 3/h、压力损失784Pa四、气流输送系统设计1、流程的选择和确定2、工艺流程图和设备流程图3、气流输送系统的计算、气流速度的选择 ： 重点一般90%的气流输送，气流速度25m/s足够。见表若颗粒体积大于2cm 2，密度8801360kg /m 3，增加5m/s；密度13601840kg/m 3 ，增加10m/s；再大，由实验确定。混合比 ： 重点定义：每kg空气所能提升的物料的质量，或输送的物料流量(kg/h)与空气流量(kg/h)之比。值越大，单位kg空气输送的 物料越多。选择：根据物料特性和输送系统。一般，松散物料选择大的混合比，潮湿、粉状、小；输送空气量的计算 ：选择风机、真空泵 Q- 空气输送用量m 3/h ； m 物 - 被输送的物料量，kg/h ； 气 - 空气密度 kg/m 3 ； - 混合比。 实际空气用量可比计算值大10% 20% ；防止漏气和其他因素。 输送管径(内径)的计算和选择 ： 已知气流速度时v 气 ： 用此公式计算空气管直径：一般空气管气速取614m/s，压缩空气管路取610m/s，低压或负压管路取1014m/s。空气管管材：应有足够的强度和耐磨性无缝钢管、普通水煤气管、不锈钢管、硬质聚氯乙烯管。计算出管径，根据国家管径的规格圆整，选用标准管径。公称直径Dg表示。 管件的公称直径是指与它们相配的管子的公称直径。压力损失计算： （管网阻力）选择风机 输送流程中，风机的出口压力或入口真空度必须大于管网系统的总的压力降。包括：a、 空气管的压力损失P 1 直管、弯管b、加速段的压力损失P 2c、输料管的压力损失P 3垂直管、水平管、弯管d、分离器（卸料器）输料管的压力损失P 4f、空气进出口的压力损失P 5 总压损： P=P 1+P 2+P 3 +P 4+P 5 G物气 (/)Qh物气 2604QDvA气 气 40.1836Dmv气 气 气 气风机的计算和选型风机选型两个参数： 风量、 风压为保险起见，理论计算基础上，加1020%。根据国家风机的系列选取。常用风机：往复式真空泵、SZ型水环式真空泵、离心式风机、罗茨风机例：某酒精厂采用吸入式流程一级输送瓜干。每小时输送量为4545kg/h，输送的水平距离30m，垂直距离15m，90大弯管(r/D=6)2个，空气管长度10m， 90弯管(r/D=2)3个，瓜干从沉降式卸料器排出，气流再经旋风分离器、袋滤器后由风机抽出排空。要求画出工艺流程草图计算输料管径计算风机风量风压功耗。解：画出工艺流程图 介绍如何画输料管径：选定风速： 吸入式风速取v 气 =22m/s，一级真空输送 混合比取=3常温常压空气的密度=1.2kg/m 3 风机风量：空气裕量10%此值不符合国家管道标准，查化工手册圆整 选用无缝钢，公称直径 150，壁厚4.5。若选用塑料管，可查塑料管标准答：第三节液体物料的输送设备生物工厂液体物的输送多采用：离心泵、往复泵、螺杆泵一、泵的选型计算、离心泵：离心泵叶轮部分必须充满液体。 重点1、离心泵的压头 （扬程） 重点压头：泵传给1kg液体的能量。不要误解扬程就是升举高度Z2、离心泵的流量： 重点离心泵在单位时间内输送入管路系统的液体量。与泵的结构、尺寸（叶轮直径宽度）和转速有关3、离心泵的特性曲线主要压头H、流量Q、效率、轴功率P 不同种类曲线不同，共同点：压头随流量变化，流量增加压头降低 重要特性。功率随流量增大上升，流量为0功率最小。启动效率随流量增大上升，达到一定值流量增加效率降低。在一定转速下有一个最佳点（设计点）操作应在设计点附近，最高效率对应的流量和压头下工作最经济。314518.7(/)2mQmh物气 0.80.0.49Dv气气LPZH4、其他条件影响黏度：越大，泵的能量损失越大；压头、流量减小，效率降低，轴功率增加；转速：转速改变，Q、H、P都变化， 离心泵的压头与液体的重度无关。5、吸上高度和汽蚀现象吸上高度不能超过当地大气压所相当的液柱高度。液体到泵的入口。叶轮入口不可能达到绝对真空。有其允许吸上高度 汽蚀现象：叶轮入口的绝对压强与液体的饱和蒸汽压相等，液体沸腾，产生大量蒸汽泡，严重影响叶轮的工作。6、轴功率计算电机功率 取1.11.2倍轴功率。7、离心泵的选择： 重点 查我国的泵样本、规格目录选择时，Q以最大流量为准， H以系统最大Q的压头为准；没有刚好的，选Q H都稍大的一个；或选用在要求Q H下，效率最高的一个。同一类泵，有系列特性曲线如图P448，如选择流量20L/s，压头50m，查出型号、查性能、往复泵 （属于容积泵） 液流有脉冲；其低压靠工作室的扩张形成，有自吸作用，可以吸进液体，所以开泵之前泵内可以不充满液体。与离心泵的不同点。另外：其流量固定，泵出口不能加阀门。流量与活塞面积、冲程和冲程数有关。定义： 重点 冲程：活塞在缸内两端点移动的整个距离。冲程数：每分钟往复的次数。效率：70%90%形式： 重点 立式往复泵 卧式往复泵 磨损严重。可输送粘稠、有颗粒的液体。、旋转泵 靠泵体内一个或几个转子的旋转来吸入或排除液体，又称转子泵 。 齿轮泵：压头高流量小，可输送粘稠膏状不含固体颗粒物料。螺杆泵：靠泵内的螺杆旋转，挤压到排出口。输出压强大，单可达1MPa，三可达10MPa可输送颗粒黏度的悬浮液 泥浆泵的选择：定型产品根据物料的性质、操作温度条件、扬程、流量等选择，注意选型号时，Q、H、吸上高度适当增加10%20%富裕量。二、输送管路、管件1、管径的计算与选择根据流量：管内径 根据流量的计算导出可应用算图查出管径。再根据管道系列进行圆整，圆整后管内液体流速要符合流()102QPkWA18.QDmv速规定的范围。也可按泵出口管径选择管道直径。2、管道介质流速的选择计算管径，关键是介质流速，流速大，管径小，节省管材，能耗增加；流速小，管径大，管材增加，投资大。根据输送介质种类、性质、输送条件合理选择参考教材P451表3-3-13管内流体常用的流速范围3、管件：根据管道直径对应选择【思考题】1、解释概念：粉碎比、混合比、压头、冲程、2、磁力除铁器有哪几种？大麦的精选和分级设备有哪些？ 3、粉碎机的类型及其主要作用力？4、固体物料的单台输送设备有哪些？ 其适用输送物料和条件？ 5、气流输送的流程有几种？特点？比较各流程。6、气流输送的设备组成？7、生物工业常用的泵及适用物料范围8、某啤酒厂真空输送麦芽。每天输送量 20 吨，操作 4h，输送的水平距离 50m，垂直距离 25m，90大弯管(r/D=6)2 个，沉降式卸料器排料，后接旋风分离器、袋滤器再由真空泵排空，空气管长 20m， 90弯管(r/D=2) 4 个。要求画出工艺流程草图计算风机风量计算输料管管径 。【作业】思考题中的全部【参考书目】生物工程设备梁世中主编，中国轻工业出版社 2002 年发酵工程设备 中国轻工业出版社 生物工艺学 中国轻工业出版社【教学效果追记】本章内容是生物工厂普遍都使用的内容，要求大家能够学会设备的选型。 复习提问 ：磁力除铁器的种类？气力输送流程的比较第三章 空气净化除菌设备【教学目的与要求】了解常用空气净化流程及特点，掌握介质过滤除菌的机理、对数穿透定律及深层介质过滤器的设计计算。【教学重点与难点】介质过滤除菌的机理、流程对数穿透定律及深层介质过滤器的设计计算。【教学方法】讲授、自学与多媒体等直观教学手段相结合。【教学时数】3 学时第一节 空气净化除菌的方法与原理一、生物工业生产对空气质量的要求1.空气中的微生物分布 目的说明我们使用的空气，尽量洁净，减少设备负荷。2.生物工业生产对空气质量的要求生物工业生产使用的无菌空气是指通过除菌处理、空气中的含菌量降到零级或更低、使污染的可能性降到极小。一般以染菌概率为10 -3来计算。即1000次发酵周期所用的无菌空气中只允许一次污染。3.空气中含菌数的测定采用光学法粒子计数器，对直径0.35微米的微粒测量比较准确。表311洁净厂房设计规范 GB50073-2001规定 补充采用的是国际标准ISO14611-1规定二、空气净化除菌的方法及原理1.空气除菌的方法： 重点辐射杀菌X射线、射线、紫外线、超声波常用的是紫外线，波长253.7265nm杀菌力最强，杀菌强度与紫外线强度呈正比，与距离的平方成反比。常用于无菌室和医院的手术室、菌种室等空气对流不大的环境。需配合甲醛熏蒸或苯酚喷雾。对霉菌甲醛效果稍差、一般采用硫磺熏蒸。热杀菌热杀菌是有效、可靠的杀菌方法。但采用蒸汽电热加热空气杀菌，经济上不合理。图热杀菌流程 介绍静电除菌静电除菌法利用静电引力吸附带电离子而达到除菌除尘的目的。除尘效率最佳条件下对1微米的微粒可达99%，一般在85%99%，每1000立方米空气耗电0.20.8kW。压损小30150Pa，设备不大。但设备维护安全技术措施要求高，一次性投资大。常用于洁净工作台、工作室空气预处理，再配合高效过滤器使用。静电除尘装置 由两部分组成电离部分、除尘部分。如图过滤除菌法是生物工业常用的经济、实用的空气除菌方法。采用定期灭菌的干燥介质阻截流过的空气中所含的微生物颗粒，获得无菌空气。过滤介质按孔隙大小分为两类： 一类介质间空隙大于微生物，需要一定厚度的介质滤层。二类是介质空隙小于细菌，含菌空气通过时，微生物被截留在介质上，达到无菌要求。前者有棉花、玻璃纤维、活性炭、烧结材料、微孔超滤膜等。后者有微孔膜（孔径0.22微米材料有聚四氟乙烯PTFE 、聚偏氟乙烯FVDF）、超细玻璃纤维。2.介质过滤除菌机理 重点惯性冲击滞留作用机理：如图，讲述机理 效率=b/df 218pofcdvc层流修正系数vo 微粒空气的流速m/sdf 纤维直径mdp 微粒直径mp 微粒密度kg/m3 空气黏度Pa.s 当空气流速降低，惯性力降低，b宽度小效率降低，降到一定程度，=1/16，=0 此时的vo称为临界速度 vo与df、dp有关拦截滞留作用机理当空气流速降到临界流速以下，微粒随气流靠近纤维，在纤维周围形成滞留层，层内气速更慢，被带到滞留层的颗粒慢慢靠近纤维和纤维接触而被黏附滞留。其捕集效率可用经验式 2112ln(1)(.0lnRe)RR R=dp/df 气流的雷诺数 efdv微生物带正电荷与介质带的负电荷相反，通过时被吸附，再者空气通过介质，介质表面感应出很强的静电荷，将微生物颗粒吸附，以树脂处理过的纤维最明显。联想高中丝绸处理玻璃棒产生静电。第二节 空气过滤除菌设备及计算一、介质过滤除菌流程1.介质过滤除菌流程的要求流程的选择根据当地气候条件，菌种的工艺要求确定空压机 螺杆压缩机 有油和无油润滑 有油润滑油进入系统，强化除油蜗轮压缩机选择需考虑空气的湿度、温度、压力主过滤器在空气湿度5060%过滤效果最好2.介质过滤流程 重 点两级冷却、分离、加热流程 如图 详细介绍特点：适合任何地区 油水分离彻底空气压缩冷却过滤流程 如图 详细介绍由压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器组成。去掉两级冷却、分离、加热流程中的5.6.7.8，适合空气温度6相对湿度80%或12，60% 采用蜗轮压缩机。前置高效过滤器除菌流程二、空气过滤除菌设备及设计计算主过滤器1.空气过滤除菌的对数穿透定律过滤除菌效率： 重点 滤层所滤去的微粒数与原空气所含微粒数的比值。1221NN1原空气所含微粒数个/m 3N2过滤后空气微粒数个/m 3穿透率： 重点 过滤穿透滤层的空气所含微粒浓度与原空气微粒浓度的比值。在研究空气过滤器的过滤规律，为简化研究 做如下4个假定： 重点流经过滤介质的每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响。空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被气流卷起带走。过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关。空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的微粒数。在上述假定条件下，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进入空气微粒浓度成正比，即： dNKL210NLdK21ln21Le或 21lgLN21KLNN 滤层中空气的微粒浓度个/ m 3 L 过滤介质层的厚度mdN/dL 单位滤层除去的微粒数个/ m 3 K、K 过滤常数揭示了深层过滤除菌的对数穿透定律。表示进入滤层的空气微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之比是过滤层厚度的函数。过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径等。为了方便计算采用过滤效率为90%的滤层厚度作对比 2190900.lgl.1NKLKL对数穿透定律，是以四个假定为前提，对于滤层厚度较薄的过滤器是符合的，但对于滤层厚的过滤器产生偏差较大，且滤层厚后，微粒数递减不均匀，K值变化较大需要修正。2.对数穿透定律的校正 自学3.空气过滤压降的计算可采用经验公式 2mfvapcLPdL 滤层厚度m 空气密度，kg/m3a 介质填充系数 df 纤维直径mv 空气在介质间隙中的流速m/sv=vs/(1-a) P384m 实验指数,对不同的过滤介质 棉花1.4519m的纤维1.35 8m纤维 1.55C 阻力系数 是Re的函数 棉花介质 c100/Re纤维作介质c52/Re4.过滤器结构及计算纤维介质深层过滤器 如图孔板铁丝网麻布棉花麻布活性炭麻布棉花麻布铁丝网孔板过滤器直径的计算24VDv4()VmvV工作压力下处理空气量m3/sv 空气的流速（空截面气速）m/s一般取0.10.3m/s原则使过滤器在较高的气速下运行，效率和气速有关。过滤器的计算举例 重点及难点一发酵罐每分钟需要空气10m3，空气在过滤器中的线速度为0.15m/s，此时过滤常数为153.5m-1，空气的微生物浓度为200个/m3，发酵周期为100h，设计过滤器？(滤层厚度直径)解：No=1060100200=1.210 7（个）Nt=0.001个滤层厚度：过滤器直径 答:略因故空气流速变为 0.03m/s，此时 K=20.0m-1，同一个发酵罐，风量变了，此时的风量为 0.7851.1920.03m3每分钟进入过滤器的菌数 ：N0= 0.7851.1920.0360200=400 个此操作条件下，每分钟从过滤出口的菌体数为达不到发酵对无菌空气的要求。在此操作条件下，要达到 100h 内从过滤器穿透的微生物数为 0.001，介质的滤层厚度为：此操作条件下的滤层厚度为：远远大于 0.151m， （没考虑风量是否达到要求）设计时须考虑 K 值和空气流速 。让设备在设计的最佳条件下运转。介绍滤纸过滤器金属过滤器 最新产品过滤系统的组成主要参数11.20lnln.51()53otNLmK4.9.6QDv21KLe 20.152149.KLNe14061ln.08()2Lm膜过滤器过滤器的消毒问题操作要点三、附属设备1、粗过滤器 形式2、空气贮罐3、气液分离器4、空气冷却器四、空气过滤介质过滤介质：棉花、玻璃纤维、活性炭、玻璃纤维纸、烧结板材料、滤芯。影响过滤效率的因素：1 介质纤维直径2.滤层厚度3.介质的填充密度4.空气流速提高过滤效率的措施 重点1.合理的空气预处理设备，合理的净化流程，使油水分离良好。2.合理的空气过滤器，选用过滤效率高的介质。3.保证进口空气的清洁度高空采风；改善环境条件，降低空气菌数压缩气站设在厂区的上风头；空气压缩前的预处理4.降低进入过滤器空气相对湿度，在干燥条件运转；使用无油润滑压缩机；加强油水分离；提高过滤器进口空气 的温度，降低相对湿度。【思考题】1.名词解释:过滤除菌效率 穿透率2.过滤除菌流程有那些?特点和实用范围1.深层过滤除菌的作用机理，常用的过滤介质。4.如何理解对数穿透定律，其四点假设？5.如何进行过滤器设计计算【作业】1.名词解释:过滤除菌效率 穿透率2.设计一适合南方环境的空气净化流程，并说明理由。过滤除菌流程有那些?特点和适用范围3.过滤除菌的要求4.提高过滤效率的措施5.过滤器计算某发酵罐通风量为 15m3/min，发酵周期 100h，设计一台的棉花过滤器，(已知空气流速=0.1m/s，此时过滤常数 K=13.5/m) 进入过滤器的空气含菌量是 5000 个/m3，求到罐率为 0.1%(即 1000 次发酵周期漏进一个杂菌)。计算过滤器的滤层厚度和直径。【参考书目】生物工程设备梁世中主编，中国轻工业出版社 2002 年发酵工程设备 中国轻工业出版社 生物工艺学 中国轻工业出版社【教学效果追记】本章内容中主要是过滤设备，主要深层过滤介质、过滤机理，常用的过滤流程，深层介质过滤器的设计计算，对数穿透定律也是重点，有一些概念需要掌握。通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习掌握这些内容。复习提问 ：常用的空气除菌流程有哪些？第四章 培养基的制备设备【教学目的与要求】了解常用培养基制备的流程，掌握常用的灭菌的机理和采用流程。【教学重点与难点】高温短时间灭菌的基础、常用的灭菌流程。【教学方法】讲授、自学与多媒体等直观教学手段相结合。【教学时数】4 学时第一节 糖蜜原料的稀释与澄清一、间歇式稀释设备： 为什么稀释，制糖的大致过程常用体积520m 3、径高比1:1.1体积计算: V=Vs/ 二、糖蜜连续稀释器 如图 结构，安装 操作常用水平式糖蜜稀释器三、糖液的酸化澄清设备酸化目的：加入硫酸，进行灭菌，使灰渣沉淀，达到发酵要求。酸化桶体积和个数：V总 =Qt/（m 3）第二节淀粉质原料的蒸煮糖化设备一、淀粉质原料蒸煮糖化的目的 重点1、原料吸水后，借助于蒸煮时的高温高压作用，使原料的淀粉细胞膜和植物组织破裂，即破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使其内容物流出，呈溶解状态变成可溶性淀粉，以便糖化剂作用，使淀粉变成可发酵性糖。糊化，采用的方法是用蒸汽加热蒸煮。2、借助蒸汽的高温高压作用，把存在于原料中的大量微生物进行灭菌，以保证发酵过程中原料无杂菌污染，使酒精发酵能顺利进行。二、蒸煮设备 流程图 介绍详细操作1、蒸煮罐 径高比1：35最后一个后熟器(汽液分离器)当蒸煮罐和后熟器采用相同的体积时,后熟器体积按下式计算:V1t=V2(N1)+V 2V2=V1t/(N1)2、套管加热器：如图 有效加热段的停留时间为 1525s、流速不超过0.1m/s粉浆初70、加热蒸汽压力0.5Mpa、蒸汽喷射速度2040m/s加热蒸汽消耗量的计算：W=G c（T 2- T1 ）/（I-）W 蒸汽消耗量kJ/hG 进入蒸煮锅或加热器的粉浆量kg/hc 粉浆比热kJ/kg.T2 蒸煮温度 或杀菌温度 T1 进入蒸煮锅或加热器的粉浆温度I 加热蒸汽的热焓 kJ /kg. 加热蒸汽冷凝水的热焓 kJ/kg.=c T 2 c水的比热4.187 kJ/kg.3、真空冷却器 结构图真空度530600mmHg 7080kPa器内二次蒸汽上升速度1m/s，径高比1：1.52.0醪液在管内下降速度1m/s 一般高于糖化锅10m 原因 重点4.糖化设备a连续糖化罐如图几何尺寸 H=0.51.0D h=0.110.25D r=（D 2+4h2）/8h体积：V=Vt /60 V糖化醪液量 m 3/ht醪液在罐内的停留时间 min装填系数 0.750.85b.真空糖化装置 如图 介绍过程第三节 啤酒生产麦芽汁的制备一、啤酒厂糖化设备的组合方式 重点四器组合：糊化锅、糖化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅.适合于产量较大工厂。六器组合：增加一只过滤槽和一只麦汁煮沸锅.八器组合：两组四器组合 二器组合：一只糖化锅兼麦汁过滤槽，一只糊化锅兼麦汁煮沸锅。适合于小型啤酒厂和微型作坊介绍二次糖化法 详细说明1、糊化锅 结构如图 传统 新型径高比2：1，升气筒面积为锅内液面的1/501/30糊化锅体积：和辅料量有关，百kg投料加水420450kg。百kg投料有效容积：0.50.55m3四器组合中容量为糖化锅容量的1/22/3二器组合中容量比糖化锅容量稍大，兼做煮沸锅加热面积：A=Q/（t.k） 根据传热方程Q 传热量，t 温升 k传热系数搅拌功率计算 ：糊化锅、糖化锅多采用二折叶旋浆式搅拌器，可使用永田进治公式计算：P轴=Npn 3d5式中：Np 功率准数 糊化醪密度kg/m 3n 搅拌转数r/sd 搅拌浆叶直径m电机功率：P=k（k 1 P轴 +P摩 ）/k 电机功率储备系数 1.21.4k1 阻力系数2.02.4传动机构和轴封的摩擦损失取0.5kW，或轴功率的10%2.糖化锅 结构如图径高比2：1，充满系数0.7百kg投料有效体积0.450.56m 3、升气筒面积是锅内液面面积的1/501/303 麦汁煮沸锅 结构如图 径高比2：1，搅拌转数3040r/min，排气筒高度1020m煮沸锅的体积：每百kg投料需要0.70.8m 3有效容积。如果煮沸强度为10% 每立方米麦汁需要0.60.75m 3加热面积。 为了提高煮沸强度促进蛋白凝固可采用内置辅助加热器或外置加热器的煮沸锅.图详细介绍4.糖化醪过滤槽 结构 说明设备运行过程第四节培养基的灭菌 大量处理培养基的方法采用蒸汽加热方法。一、培养基热灭菌动力学1、对数残留公式与理论灭菌时间 重点杂菌在一定温度下受热死亡 遵循一级反应方程。-dN/d=kN 积分可得：ln No/Ns=k 或2.303lgNo/Ns=k 理论灭菌时间=1/k ln No/Ns2、灭菌温度与菌体死亡反应速度常数的关系根据Arrhenius方程可得：k=Ae -E/RTk 菌体死亡速度常数 1/sA 阿累尼乌斯常数 1/sE 细菌孢子的活化能 4.187J/molR 气体常数1.987 4.187J/molT 热力学温度 K 代入上式可得： =1/Ae -E/RT ln No/Ns灭菌时间和温度之间的理论关系。图2-1-473、活化能： 重点 分子在碰撞所具有的内能比在该温度下其他分子所具有的平均内能要大，这种过剩的能量就是活化能。由k=Ae-E/RT 得lnk=lnA-E/RT反应动力学：活化能大的反应中，反应速度常数随温度变化越大。反之，活化能小的反应中，反应速度常数随温度变化越小。细菌孢子死亡的活化能在(50100)4.187kJ/mol，营养成分蛋白质维生素破坏的活化能在(226)4.187kJ/mol 。详细讲述高温段时间灭菌的理论基础 进行公式推导二、连续灭菌流程： 如图连续灭菌流程优点: 设备利用率高，提高产量。与分批比较，受热时间短，营养成分损失少。产品质量易控制；热负荷均衡，操作方便。降低劳动强度，生产过程易于自动控制。一般灭菌温度110130 加热段1530s 维持825min。采用连消器，加热段停留时间1520s， 培养液流速小于0.1m/s，蒸汽从小孔喷速2540m/s.维持罐图喷射连续灭菌流程图喷射加热器详细说明过程【思考题】1.概念:粉碎比,活化能2.固体粉碎设备的类型、结构3.淀粉质原料的蒸煮糖化设备、啤酒糖化设备的组成及糖化锅的计算4 培养基灭菌原理，灭菌时间与活化能的关系5 原料蒸煮的目的【作业】1.概念:粉碎比,活化能2.啤酒糖化设备的组合方式？3.灭菌时间与活化能的关系【参考书目】生物工程设备梁世中主编，中国轻工业出版社 2002 年发酵工程设备 中国轻工业出版社 生物工艺学 中国轻工业出版社【教学效果追记】本章内容中主要是培养基的制备，主要是发酵培养基前处理和制备设备。复习提问：活化能 、培养基高温能灭菌为什么营养破坏少？第五章 通风发酵设备【教学目的与要求】了解各种通风发酵设备结构及其设备特点，掌握机械搅拌通风发酵罐的容量尺寸计算，掌握通风发酵罐搅拌轴功率的计算。掌握自吸发酵罐的吸气原理，了解通风固相发酵设备和其他类型的发酵设备。【教学重点与难点】机械搅拌通风发酵罐的容量尺寸计算，通风发酵罐搅拌轴功率的计算，自吸发酵罐的吸气原理。【教学方法】讲授、动画图片等直观教学手段。【教学时数】7 学时一一一 概述通风发酵设备是好氧发酵的核心设备，随着化学工业和计算机的应用，生物工程有了新的发展。反应器的生产已由专业公司开发系列化。通风发酵罐的要求和必备条件： 重点良好的传热传质性能，气液混合良好，保证足够的溶解氧；结构严密（轴封、机械）罐内减少死角灭菌彻底，防止杂菌污染；适当的高径比；良好的检测和控制；承受一定的温度和压力；设备的结构简单，维修方便，耗能低。第二节 机械搅拌发酵设备一、发酵罐的结构： 重点图 1-2-1 密闭受压容器，主要有：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管(夹套)、消泡器、人孔、视镜等1.罐体 椭圆或碟型封头和圆柱体焊接，材质：碳钢或不锈钢工艺要求：耐受温度 130、压力 0.25MPa(绝对)罐体壁厚与罐径、材料和耐压有关，承受压力计算 2.搅拌器、挡板搅拌器的作用是混合传质，打碎气泡，促进溶氧，同时使菌体分散，维持空气、发酵液、菌体三相混匀，强化传热。重点 概念：全挡板条件指在一定转速下，再增加罐内附件，而轴功率保持不变。轴封、空气分布器作用是吹入无菌空气使空气分布均匀。3.轴封：作用：将罐底或罐顶与轴之间的缝隙密封，防止泄露和污染杂菌。常用有两种： 填料轴封端面轴封（机械）单、双4.空气分布器 形式有二种：单管式 环型管5.消泡装置 图 1-2-2打散气泡，避免产生的气泡随空气溢出增加污染机会。一般发酵：机械消泡和化学消泡结合。最简单实用：耙式消泡器：锯齿 和梳状。直接固定在搅拌轴上。6.联轴器和轴承：大型发酵罐：联轴器：鼓型和夹壳型小型发酵罐：法兰轴承：大罐：底轴承、中间、轴套（防止磨损）注意 ！ 连接轴中心线对正。二、发酵罐的几何尺寸和体积通用发酵罐结构和尺寸已规模化设计，体积在一定范围内变动。表 1-2-1 常用机械搅拌通风发酵罐的系列体积和主要的尺寸，教材 P341.几何尺寸 图 1-2-11 重点2.发酵罐的体积：用公称体积：概念三、机械搅拌发酵罐的搅拌与流变特性 重点1.搅拌器的按装：小罐，法兰、直接打开；大罐，人孔。221446(ObbVDHhD搅拌器分为几部分组装，用螺栓固定在轴上。2.搅拌器的叶轮直径和类型 3.搅拌的叶尖线速度与剪切力生物细胞在机械搅拌的剪切作用下，会受到损伤，但受伤程度和搅拌作用的关系，没有定量结论，有定性结论。单细胞耐受力强，丝状菌弱，动物细胞更敏感（首先考虑降低剪切