《发酵设备复习》PPT课件.ppt

要求掌握：,1. 重点设备的工作原理、特点、适用范围 2. 重点工艺/方法的流程、特点、适用范围,需要掌握的重点设备：,生物反应器：机械通风搅拌发酵罐、酒精发酵罐、气升式发酵罐、啤酒发酵罐 物料处理设备：锤式粉碎机 过滤设备：板框压滤机、转筒真空过滤机 离心分离设备：管式离心机、碟片式离心机,需要掌握的重点设备：,萃取设备：混合设备、离心萃取机 离子交换设备：多孔支持板式离子交换设备 蒸发浓缩设备：管式薄膜蒸发器、刮板式蒸发器、离心薄膜蒸发器 结晶设备：等电结晶罐、真空煮晶锅 空气净化除菌设备：纤维介质深层空气过滤器、旋风分离器,需要重点掌握的工艺流程/方法,1. 反应器的放大 2. 湿法粉碎 3. 淀粉连续蒸煮糖化流程 4. 培养基制备灭菌流程 5. 空气过滤除菌流程,第一章 通风发酵设备,对通风发酵设备的要求： 良好传质和传热性能，培养基流动与混合良好，特别是溶氧性能，供养速率通常被认为是在生物反应器的选择和设计的主要为题；结构严密，防杂菌污染，是必须保证的条件；能耗低，运转经济性好；必要的检测与控制；另外，设备较简单，方便维护检修。,通风发酵罐的类型,机械搅拌式 气升环流式 鼓泡式 自吸式 要求：画出发酵罐结构示意图，并标注出部件名称，掌握发酵罐的设计方法,一、机械搅拌通风发酵罐的结构,通用的机械搅拌通风发酵 罐主要部件有 罐体；搅拌器、挡板、传动装置、轴封；空气分布器；冷却管（或夹套）；消泡器；人孔、视镜、各种接口等。,搅拌器的主要作用：混合和传质 搅拌器的结构与类型：搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。,挡板：挡板的作用是防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质。 全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。 要达到全挡板条件必须满足下式要求： （b/D）n=0.5 b为挡板宽度，D为发酵罐直径，n为挡板数。,空气分布器：环形管式和单管式。 消泡装置：耙式消泡器、梳齿式打泡器,二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质,1气-液相间的溶氧传质理论双膜理论 2. 体积溶氧速率 3. 体积溶氧系数kL：是衡量生物反应器溶氧性能的一个重要参数 影响kL的主要因素有： （1）操作变量（条件） （2）发酵罐的结构及几何参数 （3）物料的物化性能,4机械搅拌通风发酵罐的通风量,（1）持气率 （2）通气速率：常用空截面气速Vs表示，对气液传质有重要影响，它不仅影响体积溶氧系数kL，而且还影响搅拌功率 （3）通风强度（VVm） ：每立方米发酵液每分钟通入多少立方米的空气。 （4）通气功率：一定压强的无菌空气通过空气分布器或罐口减压膨胀且以一定速度进入发酵液中释放能量，其到气-液-固（细胞）之间的混合。,5通气压强（发酵罐压）,通气压强对OTR的影响：提高罐压即提高风压，可使相应的饱和溶氧C*增大，从而使溶氧速率OTR=kL（c*-c）提高。 6富氧通风,提高生物反应溶氧速率的技术措施,溶氧速率 OTR=KLa(C*-CL)=Kd(P*-P) 提高通气压强 富氧通风 提高KLa(或Kd),三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性,机械搅拌的重要性： 当用同一发酵罐进行试验时，若固定通气量，则当搅拌叶轮形状、大小、数量、转速等参数改变时，所需的通气搅拌功率也随之变化，对发酵结果也产生影响。 搅拌叶轮类型的选择：主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。,搅拌叶尖线速度与剪应力,搅拌叶尖线速度与剪应力对生物细胞的剪切损伤： 其损害程度取决于生物细胞的特性和搅拌力的性质、强度以及作用时间等。 关于搅拌剪切与反应器形式、结构及对象生物细胞的设计准则，目前以搅拌叶尖线速度为基准并以具体条件下实验为标准。,四、热量传递与换热装置设计计算,1发酵过程的热量计算 Qt=Q1+Q2一Q3 Q1生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热两部分。 Q2机械搅拌放热； Q3发酵过程通气带出的水蒸气所需的汽化热及气温上升所带出的热量，以及发酵罐壁与环境存在温差而传递散失的热量。,（1）生物合成热计算法 （2）冷却水带出热量计算法 （3）发酵液温升测量计算法,2发酵罐的换热装置,（1）换热夹套 （2）竖式蛇管 （3）竖式列管（排管）,2、罐的容积计算,（1）罐的总容积（V总） V总V0+2V1 （m3） （2）公称体积：筒身体积+底封头体积 （3）有效容积：罐的实际装料容积，它等于罐的总容积V总乘以罐的装满系数（）,通用发酵罐设计程序,根据生产能力要求和操作特点，确定发酵罐的容积和数量； 进行结构尺寸的计算； （罐体、降温、搅拌、通风等） 溶氧系数和搅拌功率的计算； 绘制装配图和主要部件图,第二节 气升式发酵罐,常见的气升式反应器有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。 其工作原理是把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。,1气升环式反应器的特点,（1）反应溶液分布均匀 （2）较高的溶氧速率和溶氧效率 （3）剪切力小，对生物细胞损伤小 （4）传热良好 （5）结构简单，易于加工制造 （6）操作和维修方便,2气升环流式发酵罐的主要结构及操作参数,a平均循环时间tm： b气液比R： 所谓液气比就是发酵液的环流量Vc与通风量VG之比，即 R=VCVG,第三节 自吸式发酵罐,自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。,第二章 嫌气发酵设备,一、酒精发酵罐,（喷射）水力洗涤装置,二、新型啤酒发酵设备 圆筒体锥底发酵罐,锥形罐已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。 优点： 锥形罐可单独用于前发酵或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行（一罐法）；能缩短发酵时间； 便于实现自动化控制、生产效率高、灵活，置于室外降低建筑投资等。 能适合于生产各种类型啤酒的要求。,所谓生物反应过程的放大，就是指以实验室或中试反应器所取得的试验数据和规律为依据，设计、制造大规模的反应器，以实现工业规模生产。,生物反应器放大,生物反应器放大的方法,（一）理论放大方法 （二）半理论放大方法 （三）因次分析法,机械搅拌通风发酵罐的经验放大方法,以体积溶氧系数kL（或kd）相等为基准的放大法 以 P0VL相等的准则进行反应器放大 以搅拌叶尖线速度相等的准则进行机械搅拌通风发酵罐的放大 以混合时间相等的准则进行放大 综合兼顾搅拌叶尖线速度、搅拌液流速度压头H、搅拌液流循环速率（对机械搅拌发酵罐为泵送能力）QL以及QLH比值对发酵反应器放大设计的影响,物料处理与培养基制备,大麦粗选机 大麦的粗选主要是筛选和风选。 2. 磁力除铁器 （l）固定形磁钢装置（平板式磁分离器） （2）永磁滚筒（旋转式磁分离器）。,大麦的精选及分级设备,1大麦精选机 精选是利用杂粒与大麦长度不同的特点进行分离。 常用的精选机有碟片式和滚筒式2种，都是利用带有袋孔（窝眼）的工作面来分离杂粒，袋孔中嵌入长度不同的颗粒，带升高度不同而分离。,（1）碟片式精选机,工作原理：当碟片在大麦堆中转动时，短粒物料就会被嵌入袋孔而被带到较高位置，长粒物料未能带到一定高度。 碟片精选机的特点是工作面积大，转速高，产量比滚筒精选机大；而且各种不同的袋孔可用于同一机器中；碟片损坏可以部分更换。缺点是碟片上的袋孔容易磨损。,（2）滚筒精选机,它的主要工作构件是一个内表面开有袋孔的旋转圆筒，长粒物料在进料的压力和滚筒本身倾斜度的作用下，沿滚筒长度方向由机器另一端流出，短粒物料则嵌入袋孔被带到较高的位置，落入中央收集槽中。 滚筒精选机的特点是它分离出来的杂粒中含大麦较少；其主要缺点是袋孔的利用系数低，且工作面磨损后不能修复。,2大麦的分级设备,大麦的分级设备有两种类型，一种是平板分级筛，另一种是圆筒分级筛。 圆筒分级筛的优点是：设备简单、电动机传动比平板分级筛方便。缺点是：筛面利用率小，仅为整个筛面的1/5。,二、固体物料的粉碎设备,原料粉碎可分为湿式粉碎和干式粉碎两类。 湿式粉碎无原粉粉末飞扬，不需要除尘通风等辅助设备，车间卫生好，所得的成品颗粒大小均匀，成品的排出也较方便。缺点是粉碎所得的料浆必须即时投入生产，不宜贮藏，且耗电量较多。,1锤式粉碎机 锤式粉碎机的作用力主要为冲击力。（锤刀、矢形撞击板） 2辊式粉碎机（对辊粉碎机） 物料受到挤压力和剪切力而被压碎。 优点是结构简单、维修容易、调节方便，产品过粉碎少。缺点是粉碎比小，生产能力小，辊子磨损不匀。,三、固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）,1. 湿法粉碎设备 湿法粉碎设备主要包括：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。 砂轮磨是湿粉碎的一种机器。,第二节 液体培养基的制备及杀菌设备,一、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,罐式连续蒸煮糖化流程 特点：蒸煮温度可高、可低，节省煤耗；设备简单，操作容易。,二、啤酒生产中麦芽汁的制备,（一）啤酒厂精化设备的组合方式 啤酒厂糖化车间按其主要糖化设备的数目分为两锅式、四锅式和六锅式三种。,（二）糊化锅 糊化锅的锅底设计成弧形，原因是弧形锅底对流体传热循环的影响上。 （三）糖化锅 （四）麦芽汁煮沸锅,（五）糖化醪过滤槽,（1）常压过滤设备 （2）快速过滤槽，是一种在低真空下操作的新型糖化醪过滤设备。因为使用了离心泵抽滤，增加了过滤压力差，过滤速度加快。缺点是麦汁透明度不及传统过滤槽好。,四、液体培养基的灭菌,连消器喷淋冷却流程,特点： 热效率高，适用范围广； 热和冷却水消耗量大。,喷射加热连续灭菌流程,优点：加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏最少，可以采用高温灭菌，由于采用管道维持，可以保证物料先进先出，避免过热。 缺点：此流程操作难度较大，在蒸发室下面要装一台出料泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面10m以上的高处。,薄板换热器连续灭菌流程,第二章 过滤与离心设备,第一节 过滤设备,按过滤推动力，可将过滤设备分为常压过滤机、加压过滤机和真空过滤机三类。 常压过滤效率低，仅适用于易分离的物料，加压和真空过滤设备在生物工业中被广泛采用。,板框式压滤机,板框式压滤机主要由许多滤板和滤框间隔排列而组成。 板和框多做成正方形，角端均开有小孔，装合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。 框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。 滤板又分为洗涤板与非洗涤板两种。 每台板框压滤机有一定的总框数，其数目由生产能力和悬浮液固体浓度确定。 工作过程：组装过滤洗涤卸饼清洗滤布重新组装,二、真空过滤机,真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作为过滤操作的推动力。 生物工业中，用的较多的是转筒真空过滤机。,转筒真空过滤机的结构与操作,转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒。 圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间，分别与真空和压缩空气管路相通。 整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣及再生区3个区域。,第二节 离心分离设备,离心机是籍惯性力的作用进行固液分离，或将两种相对密度不同、互不溶解的混合液体分离的设备。 离心分离设备分两类： 一类是过滤式离心分离设备，习惯上称为离心澄清机； 另一类是沉降式离心分离设备，又称离心沉降机。,一、离心分离原理与分离因数,离心分离因数是指离心力与重力的比值，或离心加速度与重力加速度的比值。 离心分离因数是反映离心机分离能力的重要指标。 它表示，在离心力场中，微粒可以获得比在重力场中大 f 倍的作用力。 f 值愈大，表示离心力愈大，其分离能力愈强。,二、常用离心机结构及选型,悬浮液中的颗粒在离心机中能够被分离并沉降至转鼓壁上的条件是：料液在转鼓内的停留时间 t 应大于或等于颗粒离心沉降所需的时间T，即tT。 颗粒在碟片离心机中被分离的条件是颗粒在运动中达到上一层碟片的内腹面。,第三章 萃取与离子交换设备,第一节 萃取分离原理及设备 一、萃取操作过程及设备 液一液萃取设备应包括3个部分：混合设备、分离设备和溶剂回收设备。,（一）混合设备,萃取操作中，用于两液相混合的设备有混合罐、混合管、喷射萃取器及泵等。 混合罐适用于大多数物料； 混合管适用于低粘度物料； 喷射式混合器特别适用于低粘度、易分散的料液。 若两液相容易混合时，可直接利用离心泵在循环输送过程中进行混合。,（二）分离设备 一般采用分离因数很大的碟式高速离心机和管式超速离心机进行分离操作。 （三）离心萃取机 多采用多级逆流萃取。,第二节 离子交换分离原理及设备,根据离子交换的操作方式不同，可分为静态和动态交换设备两大类。 动态交换设备按操作方式不同分间歇操作的固定床和连续操作的流动床两类。 根据溶液进入交换柱的方向又有正吸附和反吸附两种。,反吸附可以省去菌丝过滤，且液固两相接触充分，操作时不产生短路，死角。因此生产周期短，解吸后得到的生物产品质量高。 反吸附时树脂的饱和度不及正吸附的高，罐内树脂层高度比正吸附时低。,第四章 蒸发浓缩与结晶设备,一、蒸发器需要满足的基本要求： 充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量。 保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。 一定的热交换面积，以保证传热量。,蒸发器有很多种类和型式，选择时必须考虑溶液如下几种的特性： （1）耐热性 （2）结垢性 （3）发泡性 （4）结晶性 （5）腐蚀性 （6）粘滞性,真空蒸发设备,与常压蒸发相比，真空蒸发的优点： 物料沸腾温度降低，避免或减少物料受高温所产生的质变。 沸腾温度降低，提高了热交换的温度差，增加了传热强度。 为二次蒸汽的利用创造了条件，可采用双效或多效蒸发，提高热能利用率。 由于物料沸点降低，蒸发器热损失减少。,（一）管式薄膜蒸发器,这类蒸发器的特点是液体沿加热管壁成膜而进行蒸发。 按液体的流动方向可分为：升膜式、降膜式、升降膜式等。,升膜式蒸发器中液膜的形成过程,升膜式蒸发器,传热效率高。物料在蒸发器中受热时间很短，对热敏性物料的影响相对较小。 浓缩倍数不宜太大。 此种蒸发器对于发泡性强、粘度较小的热敏性物料较为适用。 不适用于粘度较大，受热后易产生积垢或浓缩时有晶体析出的物料。 升膜式蒸发器正常操作的关键是让液体物料在管壁上形成连续不断的液膜。为保证设备的正常操作，应维持在爬膜状态的温度差。,降膜式真空蒸发浓缩设备,传热系数大，蒸发速度快，物料与加热蒸汽之间的温度差可以降到很小，物料可以浓缩到较高的浓度。 可用于浓缩粘度较高的液体。 缺点：物料不易分配均匀。 降膜式蒸发器中常用的分配器：齿形溢流口、导流棒、旋液导流器、分配筛板、分配盘,升降膜式蒸发器,（1）符合物料的要求。 （2）经升膜蒸发后的汽液混合物，进入降膜蒸发，有利于降膜的液体均匀分布，同时也加速物料的湍流和搅动，以进一步提高降膜蒸发的传热系数。 （3）用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作控制。 （4）将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩比，减低设备高度。,刮板式蒸发器和离心薄膜蒸发器,刮板式蒸发器是通过旋转的刮板使液料形成液膜。 离心式薄膜蒸发器是利用旋转的离心盘所产生的离心力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。,三、蒸发浓缩生产过程中的节能措施,（1）循环利用热能：多效蒸发、热泵蒸发 （2）强化传热过程,第二节 结晶设备,一、结晶设备的类型和特点 结晶设备可按改变溶液浓度的方法分为浓缩结晶设备、冷却结晶设备和其他结晶设备。 按结晶过程运转情况的不同，可分为间歇式结晶设备和连续结晶设备两种。,二、设计结晶设备应注意的条件,设计结晶设备时应考虑溶液的性质、粘度、杂质的影响，结晶温度，结晶体的大小、形状以及结晶长大速度特性等条件，以保证结晶良好，结晶速度快。,结晶设备中搅拌器的作用,保证晶种均匀悬浮，使结晶良好； 增加传热系数，增大降温速度，使溶液温度一致。,结晶设备的热量衡算,进入结晶设备的热量可分为： 原料液带入热量 溶质结晶时放出的热量 加热溶液的热量 随母液带走的热量 随结晶带走的热量 随溶剂蒸汽带走的热量 对于冷却结晶设备冷却所带走的热量 结晶设备向周围散失的热量,第六章 空气净化除菌与空气调节,一、空气净化除菌方法及原理 （一）空气除菌方法 常用的空气除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。,（二）介质过滤除菌机理,空气的过滤除菌不是真正的面积过滤，而是一种滞留现象。 惯性冲击、重力沉降、拦截滞留、布朗扩散、静电吸引等作用。,二、介质过滤除菌流程,要保持过滤器在比较高的效率下进行工作，要维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。 气流速度可由操作来控制，要保持不受油、水的干扰则要有一系列冷却和分离，要保证控制空气在相对湿度5060条件下过滤，则要有加热设备。,常用空气过滤除菌流程,1空气压缩冷却过滤流程 2两级冷却、分离、加热的空气除菌流程 3前置高效过滤除菌流程 4. 冷热空气直接混合式空气除菌流程,三、空气介质过滤除菌设备,（一）粗过滤器 作用：粗过滤器安装在空气压缩机前，主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止其进入压缩机而造成压缩机磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。 要求：粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量。 常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。,（二）空气压缩机,涡轮式空气压缩机一般由电机直接带动涡轮，靠涡轮高速旋 转时所产生的“空穴”现象，吸入空气并使其获得较高的离心力，再通过固定的导轮和涡轮形机壳，使部分动能转变为静压后输出。 涡轮式空气压缩机输气量大，输出空气压力稳定，效率高，设备紧凑，占地面积小，无易损部件，获得的空气不带油雾等优点。 往复式空气压缩机是靠活塞在汽缸内的往复运动而将空气抽吸和压出的，因此出口压力不够稳定，且因气缸内要加入润滑活塞用的润滑油，使空气中带进油雾。,（三）空气贮罐,空气贮罐的作用是消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。,（四）气液分离器,气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。一般常用的有旋风式和填料式。,（五）空气冷却器,空气的给热系数很低，须采取恰当的措施来提高它的给热系数。 提高空气给热系数的最好办法是增加空气的流速。,（六）空气过滤器,空气过滤器的过滤除菌效率主要与微粒的大小、过滤介质的种类和纤维直径、介质的填充密度、滤层厚度以及通过的气流速度等因素有关。 过滤对介质的要求是吸附性强，阻力小、空气流量大、能耐干热。,常见空气过滤器,（l）纤维介质深层过滤器 （2）平板式纤维纸过滤器 （3）管式过滤器 （4）接迭式低速过滤器,第五章 干燥设备,一、干燥设备的选型原则 就热敏性而言，生物工业制品的干燥设备有以下几种类型： 瞬时快速干燥设备 低温干燥设备 选型原则： 1产品的质量要求 2产品的纯度 3物料的特性 4产量及劳动条件,绝热干燥设备,（一）气流干燥原理及设备 原理：气流干燥是利用热气流将物料在流态下进行干燥的过程。 气流干燥适用于潮湿分散状态颗粒物料的干燥。,气流干燥的特点,优点： （1）干燥强度大。 （2）可使用较高的干燥温度，干燥时间短。 （3）适用性广。 （4）设备结构简单，设备布置比较紧凑投资费小，加工制造方便，能连续操作，可实现自动控制。 缺点：对物料有一定的磨损，不适合于对晶形有一定要求的物料，且热能利用程度较低。对于较湿的或粘稠的物料，气流干燥不太适用。,气流干燥过程中，热空气的流速大于物料颗粒的自由沉降速度。 气流干燥器形式有长管气流干燥器、短管气流干燥器和旋风气流干燥器等。 加料器：有螺旋加料器和文丘里加料器等。,（二）喷雾干燥原理及设备,原理：利用不同的喷雾器，将悬浮液或粘滞的液体喷成雾状，与热空气之间发生热量和质量传递而进行干燥的过程。 它特别适用于不能借结晶方法得到固体产品的生物制品生产中。,特点,优点： （1）干燥速度快、时间短。 （2）干燥温度较低。 （3）制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。 缺点： 喷雾干燥的容积干燥强度小，干燥室体积大，热量消耗多。,1.气流喷雾干燥设备,气流喷雾是依靠压力为0.250.6MPa的压缩空气高速通过喷嘴时，将料液吸入并被雾化。 能够处理悬