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】生化反应的目的？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⑴大麦粗选机（平摇振动筛）结构图⑵磁力除铁器a固定形磁钢装置图b永磁滚筒CXY—25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。⑴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⑵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/D2D1D2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⑴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(m3)Vo=0.785.Do2.d.μ(m3)式中：Do—筛孔直径,md—产品粒度mμ—排料不均匀系数每h排出的产品量体积V：V=60×0.785.Do2.d.μ.Z.k.n.（m3/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.γ=15πDo2.d.Z.k.n.γ（t/h）对于方孔筛：每h排出的产品量体积V：V=60L.c.d.μ.Z.k.n（m3/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.γ=60L.c.d.μ.Z.k.n.γ（t/h）也可按经验公式计算：Q=k.D1L.ρ（kg/h）式中：D1—转子的工作直径mL—转子的轴向长度mρ—粉碎产品的密度kg/m3k—系数，大米瓜干大麦取80~100c.粉碎机的功耗N：按经验公式估算:N=k.D12L.n(kW)L—转子的轴向长度mn—转子的转数r/mink—系数,与原料的性质和粉碎度有关k约为0.1~0.2，粉碎比大时取大值⑵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=60πD1.n.b.L.ρφ（kg/h）Φ—松散系数大麦芽取0.5~0.7，与物料性质和操作均匀度有关。轧辊长度100mm每小时双辊粉碎机150~200kg四辊式200~300c功率估算：经验公式：N=0.735kG/（d.ω）（kW）也可按下式计算：N=（0.8~1.06）kLυ（kW）式中：k—系数k=0.6D1/D2+0.15D1、D2—进料、卸料粒度L—轧辊长度mυ—轧辊的圆周速度m/s通常取2.5~5d多辊粉碎机⑶圆盘钢磨⑷MF—260型钢片式磨粉机㈢、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㈣、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⑴斗式提升机的提升速度如表⑵生产能力重点：（kg/h）装满系数如表3-3-2⑶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300~1200mm托辊、上下间距1~1.5m箱松散物料一般1~1.5m≥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35~45°类型如图槽式形式圆形半圆形3⑴皮带运行速度：与物料有关：一般0.5~1.5m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/s~1.5m/s或更小倾斜输送，带速降低，水平速度乘修正系数A⑵带式输送机的生产能力Q=3.6A·υ·ρ·φ（t/h）⑶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50~80r/min螺距：一般为螺旋直径的0.5~0.8倍螺旋与槽的间距5~10mm，太大，丢料。3螺旋输送机计算⑴生产能力：D——螺旋直径，m；S——螺距，m；n——螺旋转速，r/min；ρ——物料密度，t/m3；φ——槽的填充系数0.125~0.4粮粒0.33C——倾斜系数，水平1，5°0.9；10°0.8；15°0.77；20°0.65。⑵动力消耗轴功率：kWL——输送机长度，m；H——输送高度，m；K——阻力系数，谷物1.4，颗粒1.8η——传动效率0.6~0.8⑶螺旋输送机的直径D计算：Q——输送量t/hρ——物料堆积密度t/m3K——物料综合特性经验系数粉粒状、谷物干粉0.04~0.06，湿粉料0.07φ——填充系数，粉粒料0.25~0.35湿粉料，混合时0.125~0.20C——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㈠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：1Ws＞Fa+Fs粒子向下运动2Ws=Fa+Fs匀速直线运动自由沉降3Ws＜Fa+Fs粒子向上运动Fa+Fs＞Ws时气流速度为输送该物料的气速㈡、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，产生向管中心的作用力；麦格纽斯效应Magnuseffect4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。㈢、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-PhaseConveying；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SlugFlow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）㈠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5.332×104Pa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㈡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)×104Pa表压，不反吹。㈢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/m3的标准空气，或1m3的物料/20m3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⑴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。⑵带二次进风口的单管吸嘴：⑶喇叭形双筒吸嘴：喇叭口开度θ=12~20°喇叭形双筒吸嘴：⑷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⑸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.η.ρ(kg/h)q----叶轮转一周排出的体积m3/r；n----叶轮转速r/min；η----叶轮体积效率0.75~0.85；ρ----物料的体积密度kg/m3；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⑴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。⑵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=(1.0~2.0)D1颗粒大于3mm，1.0~1.5中等颗粒，1.3~1.8粉状物料，1.5~2.03、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。⑴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。⑵滤袋器⑶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0.1~1mm，除尘效果最佳。常用JN-64型6种风量1000~14000150m3/h、耗水量0.25~3.5m3/hLS型18种风量1250~14000150m3/h、耗水量0.54~1.62m3/h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⑴、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2cm2，密度880~1360kg/m3，增加5m/s；密度1360~1840kg/m3，增加10m/s；再大，由实验确定。⑵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。μμ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；⑶输送空气量的计算：选择风机、真空泵Q----空气输送用量m3/h；m物----被输送的物料量，kg/h；ρ气----空气密度kg/m3；μ----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。⑷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6~14m/s，压缩空气管路取6~10m/s，低压或负压管路取10~14m/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。⑸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△P1直管、弯管b、加速段的压力损失△P2c、输料管的压力损失△P3垂直管、水平管、弯管d、分离器（卸料器）输料管的压力损失△P4f、空气进出口的压力损失△P5总压损：△P=△P1+△P2+△P3+△P4+△P5⑹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10~20%。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⑴画出工艺流程草图⑵计算输料管径⑶计算风机风量风压功耗。解：⑴画出工艺流程图介绍如何画⑵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μ=3常温常压空气的密度ρ=1.2kg/m3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㈠、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η、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。4、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1.1~1.2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QH都稍大的一个；或选用在要求QH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㈡、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。㈢、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⑴画出工艺流程草图⑵计算风机风量⑶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0.3~5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⑴辐射杀菌X射线、β、γ射线、紫外线、超声波常用的是紫外线，波长253.7~265nm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。⑵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⑶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0.2~0.8kW。压损小30~150Pa，设备不大。但设备维护安全技术措施要求高，一次性投资大静电除尘装置由两部分组成电离部分、除尘部分。如图⑷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⑴惯性冲击滞留作用机理：如图，讲述机理效率η=b/dfc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mρp微粒密度kg/m3μ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，φ=1/16，η=0此时的vo称为临界速度vo与df、dp有关⑵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R=dp/df气流的雷诺数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50~60%过滤效果最好2.介质过滤流程重点⑴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⑵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℃，⑶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。N1原空气所含微粒数个/m3N2过滤后空气微粒数个/m3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①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。②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。③过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关。④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：或N滤层中空气的微粒浓度个/m3LdN/dL单位滤层除去的微粒数个/m3K、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L滤层厚度mρ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1.4519μm的纤维1.358μm纤维1.55C阻力系数是Re的函数棉花介质c≈100/Re纤维作介质c≈52/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V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0.1~0.3m/s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=10×60×100×200=1.2×107（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0.785×1.192×0.03m3每分钟进入过滤器的菌数：N0=0.785×1.192×0.03×60×200=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间歇式稀释设备：为什么稀释，制糖的大致过程常用体积5~20m3体积计算:V=Vs/η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/η（m3）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1：3~5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(N－1)+V2φV2=V1t/(N－1＋φ)2、套管加热器：如图有效加热段的停留时间为15~25s、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20~40m加热蒸汽消耗量的计算：W=Gc（T2-T1）/（I-λ）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.λ加热蒸汽冷凝水的热焓kJ/kg.λ=c’T2c’水的比热4.187kJ/kg.3、真空冷却器结构图真空度530~600mmHg70~80kPa器内二次蒸汽上升速度≤1m/s，径高比1：1.5~2.0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=0.5~1.0Dh=0.11~0.25Dr=（D2+4h2）/8h体积：V=V’t/60φV’——糖化醪液量m3/ht——醪液在罐内的停留时间minφ——装填系数0.75~0.85b.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1/50~1/30糊化锅体积：和辅料量有关，百kg投料加水420~450kg百kg投料有效容积：0.5~0.55四器组合中容量为糖化锅容量的1/2~2/3二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=Npρn3d5式中：Np功率准数ρ糊化醪密度kg/m3n搅拌转数r/sd搅拌浆叶直径m电机功率：P=k（k1P轴+P摩）/ηk电机功率储备系数1.2~1.4k1阻力系数2.0~2.4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0.45~0.56m3、麦汁煮沸锅结构如图径高比2：1，搅拌转数30~40r/min，排气筒高度10~20m煮沸锅的体积：每百kg投料需要0.7~0.8m如果煮沸强度为10%每立方米麦汁需要0.6~0.75m3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/dτ=kN积分可得：lnNo/Ns=τk或2.303lgNo/Ns=τk理论灭菌时间τ=1/klnNo/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：τ=1/Ae-E/RTlnNo/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(50~100)×4.187kJ/mol，营养成分蛋白质维生素破坏的活化能在(2~26)×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110~130℃加热段15~30s维持8~25min采用连消器，加热段停留时间15~20s，培养液流速小于0.1m/s，蒸汽从小孔喷速25~40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⑴良好的传热传质性能，气液混合良好，保证足够的溶解氧；⑵结构严密（轴封、机械）罐内减少死角灭菌彻底，防止杂菌污染；⑶适当的高径比；⑷良好的检测和控制；⑸承受一定的温度和压力；⑹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。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（首先考虑降低剪切力）。搅拌剪切和反应器结构设计准则：搅拌尖叶线速度为准，一般不大于7.5m/s图大型通用发酵罐叶轮直径与剪切速率液尖线速度转速和功率关系。4.发酵液的流变特性：常见⑴牛顿型流体重点：特点是黏度是温度的函数，不随剪切速率和剪应力变化⑵宾汉塑性流体特征：相邻两层流体的剪应力⑶拟塑性和涨塑性流体拟（假）塑性流体：黏度随剪应速率的增加而降低。同一流体不同搅拌转素的黏度不同，且，同一转速培养液中的剪应速率随径向离开搅拌涡轮的距离按指数倍降低。涨塑性流体：黏度随剪应速率的增加而升高。四、发酵罐的热量传递重点1.发酵过程的热量计算：计算方法有四种⑴生物合成热的计算：⑵冷却水带出的热量的计算方法：根据工艺要求，采用相同类型的发酵罐，在气温最热季节，发酵最旺盛的放热高峰时期，使温度恒定，测定冷却水的进出温度和用量。经验测得每m3发酵液每小时传给冷却器热量：青霉素为4.186×6000kJ/(m3.h)链霉素4500、谷氨酸发酵7500、肌苷4200、四环素5000。⑶发酵液温升计算法：气温最热季节，选择主发酵产热量最大时刻，通过发酵罐温控使温度恒定，然后关闭冷却水，发酵液在30min的温度的上升值。2.换热装置⑴夹套式换热：夹套的高度稍高于发酵静液面，不进行冷却面积的计算。适合于5m3以下的发酵罐。传热系数在400～600kJ/(m2.h.⑵竖式蛇管：分4～6组对称分装罐内5m⑶竖式列管和蛇管一样分组装3.换热装置传热温差和面积⑴温差的计算:采用对数平均值.⑵传热面积：五、机械搅拌发酵罐的通风与溶氧氧在25℃纯水的溶解度很低，0.25mol/m3，培养基中更低，而工业微生物比呼吸速率为0.1～0.4kg氧/h.g干细胞。合成细胞11.气液相间的溶氧传质理论：传统的双膜理论在耗氧发酵，发酵液氧浓度是溶氧速率OUR和耗氧速率OTR的函数。氧由气泡传递到生物细胞：步骤分5步重点⑴气泡中的氧通过气相边界层传递到气-液界面上。⑵氧分子由气相侧通过扩散穿过界面。⑶在界面液相侧通过液相滞留层传递到液相主体。⑷在液相主体中进行传递扩散。⑸通过生物细胞表面的液相滞留层传递进入生物细胞内。提高c*方法有两个:一提高罐压,c*提高但二氧化碳的溶解度也提高可能影响菌体生长;其二采用富氧通风,工业规模成本增加.目前未采用.2.机械通风发酵罐的溶氧系数影响因素:a操作条件:搅拌转数,通风量等b发酵罐的几何尺寸,体积搅拌叶轮的直径等c发酵液的物化性质能,如密度,表面张力,扩散系数等.3．机械通风发酵罐的通风量:风量与发酵液的溶氧系数和空截面气速及通气强度VVm有关.通气强度：重点指每立方米发酵液每分钟通入的空气的立方米数(通风比)。持气率:重点通气后发酵液体积的增加量与不通气时发酵液体积的比值.h=(VLG-VL)/VL对大多数牛顿性流体经验公式：h=1.8(Pg/VL)0.14vs0.75六、机械通风发酵罐的通气功耗搅拌轴功率计算重点补充“溢流”现象：当发酵液通气速率较高，搅拌叶轮直径小，转速低时，会出现搅拌器对液体的流动和气体的分散基本上没有影响，此现象称为“溢流”现象。不发生“溢流”现象的条件：Di＞(VgDi1.5/n2)0.2只适合牛顿性流体,蜗轮搅拌器,标准几何尺寸的机械搅拌发酵罐.据试验,通风带入的混合能占总量的10%,90%为机械搅拌器输入.1.单只蜗轮不通气条件下的搅拌轴功率Po重点搅拌轴功率指搅拌器输入搅拌液体的功率,是克服液体阻力所消耗的功率.不包括机械传动摩擦所消耗的功率.不是电机功率或耗用功率.Rushiton.J.H等人采用因次分析法研究,试验证实:功率准数Np是Re的函数Np—Re的关系曲线图中看出当Rem大于104时曲线1.2.3.4.趋于平直螺旋桨Np=0.4圆盘六直叶Np=6.0，圆盘六弯叶Np=4.7圆盘六箭叶Np=3.7不通气的搅拌功率的计算重点和难点式中：Po——不通气的搅拌功率Wμ——黏度Pa.sρL——发酵液密度kg/m3，Di——蜗轮直径mn——蜗轮的转速r/s。一定要注意经验公式的单位。2.多只蜗轮不通气的搅拌轴功率的计算，经验公式和实测结果都表明多蜗轮的输出功率近似等于单只蜗轮的功率乘以蜗轮个数。Pn≈N.Po3.通气搅拌功率的计算：重点和难点相同的情况下，通气的搅拌功率降低，原因，除密度降低外，叶轮周围的气液接触状态有关。Michiel.B.J等人用六平叶蜗轮进行搅拌试验，测定Pg、蜗轮直径Di、转速，N，空气流量Vg，和Po的关系，整理得到经验公式，福田修雄等在100L～42式中：Po、Pg——分别为通气、不通气的搅拌轴功率kWn——搅拌转速r/minDi——搅拌叶轮直径cmVg——通风量mL/min。上式适合较大的发酵罐，如40立方，比例尺寸在正常的范围内，误差较小。例：某细菌发酵罐罐径为1.8m，采用单只圆盘六弯叶蜗轮，蜗轮直径0.6m，罐内装有四块标准挡板，搅拌器转速168r/min，通风量为1.42m3/min(已换算为罐内状态的流量)，料液黏度1.96×10－3Pa.s，料液密度为1020kg4.通气速率vs影响发酵液的kla和搅拌功率a.根据福田秀雄的研究结果vs↑Vg↑Pg↓b.vs↑Vg↑Pg↓要维持Pg恒定，需n↑Di↑c.vs↑持气率和起泡性v↑，研究表明发酵罐的vs值的上限1.75～2.0m/s此范围安全，不起泡。d.敏感性微生物（动物细胞）vs、泡沫水平和搅拌会对它损伤，需改进叶轮结构，使用低剪切力的叶轮。f.对固定不变的VVm，vs随反应器的规模增大提高。实际应用中，通气强度随反应器的规模增大降低，因为液深增加，压力增加，溶氧浓度提高。第二节气升式发酵罐ALR一、原理、结构常见类型：气升环流式、鼓泡塔、空气喷射式工作原理：无菌空气通过喷嘴或喷孔射进发酵液，通过气液混合物的湍流作用使气泡分割细碎，通气后液体密度下降，向上运动，含气量小的液体向下运动实现溶氧传质。重点二、气升环流式反应器的特点：发酵液混合均匀，罐内没有搅拌器，发酵液处于循环流动状态，气液固三相混合均匀，不易形成稳定的泡沫和沉淀。2.具有较高的溶氧速率和效率：3.剪切力小、对生物细胞损伤小。4.传热良好。5.结构简单、加工容易。没有轴封密封性好不渗漏，制造方便，设备投资低，放大容易实现。6.操作维修方便，没有搅拌热，总产热量低。三、气升环流式发酵罐的主要结构和操作参数1.结构参数：高径比：H’/D=5～9导流筒直径与罐径DE/D：0.6～0.8较合适2.操作特性重点a.平均循环时间tm内环流反应器设有导流筒，筒内上升区，外下降区。循环速度慢，易缺氧。平均循环时间（周期）tm由下式确定：式中：VL——发酵液量m3Vc——发酵液循环流量m3DE——导流筒直径mΥm——导流筒内液体平均流速m/s设计时一般采用2.5～3min。b.气液比R：概念发酵液循环流量和通风量的比值。R=VL/VgC.溶氧传质：传质速率和气液两相流动和混合有关，受反应器输入能量的影响。其体积溶氧系数是空截面气速的函数。kLa=b.vsm对水电解质，m=0.8，b是空气分布器形式和溶液性质的函数，由实验确定。气升环流式发酵罐结构简单，溶氧高，能耗低，便于加工和放大制作特大型罐，用于单细胞培养和废水处理。3.典型的气升循环发酵罐图1-2-18第三节自吸式发酵罐自吸发酵罐是一种不需要空压机提供加压空气、依靠特殊的设计的吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气、实现混合和溶氧的发酵罐。1961年开发研究，用于醋酸发酵和单细胞蛋白及维生素生产，1981年在我国酵母厂推广应用，效果良好。机械搅拌自吸发酵罐有定子、无定子自吸发酵罐：喷射自吸发酵罐溢流喷射自吸发酵罐一、自吸式发酵罐的特点：与机械搅拌通风发酵罐相比1.不需要空压机和附属设备，节省设备投资30%，节省厂房。2.溶氧速率、效率高，能耗低、尤其是溢流式自吸发酵罐，溶氧比能耗可降到0.5kW.h/kg氧。3.用于酵母生产和醋酸发酵，具有生产效率高、经济效益好的优点。酒精—醋酸转化率97%。缺点：发酵罐是负压吸入空气，发酵系统不能保证一定的正压，罐压较低，容易污染。可过滤前加鼓风机给空气适当的压力，降低污染，增加风量，提高溶氧系数。二、机械搅拌自吸式发酵罐1.吸气原理：重点当叶轮转子高速旋转时，将框内液体甩向叶轮边缘，在转子中心形成负压，转子转动的越快形成的负压越大，吸气量越大，转子的内腔和大气相通，空气被不断的吸入，甩向叶轮边缘，通过导轮使空气分布均匀甩出。空气在循环发酵液中分裂为细小气泡，在湍流状况下混合扩散，这样在搅拌的同时完成吸气。结构如图主要构件：吸气搅拌叶轮(转子)、导轮(定子)组成转子：三叶轮(三棱叶)、四叶轮、六叶轮叶轮为空心型转子和定子结构图2.设计要点：a.发酵罐的径高比：保证风量不宜取大原则：保证转子距发酵液液面距离2～3m，b.转子和定子:用的较多:三棱叶和四弯叶特点：转子和定子的结构尺寸：D/L=5：1D：r=2.5：1定子直径是转子直径的2倍，定子和转子间距1～2.5c.吸气量Vg：可用准数法和比拟放大计算在满足单位体积功耗相等的条件下，三棱叶吸气量由下式计算：f(Na,Fr)=0三棱叶转子的吸气准数Na和Fr准数的关系如图1-2-24Na=0.0628～0.0634即Vg=(0.0628～0.0634)nd3m实际吸气量比计算值小，为其0.5～0.8倍。六弯叶转子吸气量按经验公式计算，结果根据不同发酵液矫正Vg=12.56nCBL(D-L)km3/min。三、喷射自吸式发酵罐文氏管液体喷射1.文氏管图2.液体喷射：采用液体喷射吸气装置由梁世中和高孔荣教授研究四、溢流喷射自吸发酵罐图通气靠溢流喷射器。原理是液体溢流时形成抛射流，抛射流表面液体具有一定的速度，带动相邻气体流动形成自吸作用。第四节通风固相发酵设备酱油、醋、单细胞蛋白饲料等，多采用固体通风发酵设备。固体通风发酵设备结构简单，投资小。可分为两类：自然通风、机械通风一、自然通风发酵设备一般用于酿酒和酱油生产，我国最早，现仍采用。由曲室、架子和曲盘组成。浅盘：木制最早、铝制、不锈钢现多使用，底及两侧开孔通风尺寸：54×37×6cm也有直接用竹帘铺在架上，可扩大固体培养基与空气的接触面积，浅盘生产称盒曲，竹帘生产称为帘子曲。曲室要求：易于保温、散热、排湿和清洁消毒。一批料占一个曲室，便于控制管理。曲架：高1.5～2m，木制或钢制，隔成几层，每层高15～25cm，最底层距地30～50cm。料层厚度：6～10cm二、机械通风发酵设备风机强化通风，料层厚度可0.3～0.5m，制曲效率高，可控制料层发酵温度。结构如图曲池：长方形水泥池，宽2m，深1m，长度根据场地、产量而定，曲池底高于地面，有8～10曲房结构和自然通风曲房结构基本相同。新型固体发酵罐，如常州三环其他发酵设备如图【思考题】1.概念：平均循环时间、全挡板条件、持气率、气液比R2.自吸发酵罐吸气原理3.双膜理论的前提,氧由气泡传递到溶液中生物细胞的步骤？4.机械通风发酵罐空截面气速的上限？【作业】1.解释概念：平均循环时间、全挡板条件、持气率、气液比R2.自吸发酵罐吸气原理3.氧由气泡传递到溶液中生物细胞的步骤？4.计算题.已知：某细菌发酵罐，直径2.17m，叶轮直径0.72m，采用两只六平叶蜗轮，搅拌转速109r/s，通风量Vg=5.55m3/min（已换为罐内状态），醪液黏度为2.25×10-3Pa.s，密度1020kg/m3，发酵液为牛顿型流体，求Pg【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】本章内容中有一系列重要的基本概念，需要在理解的基础上加以掌握。机械通风发酵罐的功率计算优为重要，通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习，加深印象。【预习】嫌气发酵设备第六章嫌气发酵设备【教学目的与要求】了解嫌弃发酵设备结构及其特点，掌握酒精发酵罐的容量尺寸计算，掌握啤酒发酵罐的类型。了解连续发酵罐数理论计算和发酵流程.【教学重点与难点】酒精发酵罐的容量结构设计计算，啤酒发酵罐。【教学方法】讲授、自学与录像等直观教学手段相结合。【教学时数】6学时作业讲评：表扬及指出存在问题复习提问：搅拌轴功率的计算公式单位，自吸发酵罐的吸气原理第一节酒精发酵设备发酵设备是发酵工厂的主要设备，按通风好氧情况可分为两类:好气设备：柠檬酸谷氨酸酶制剂抗生素嫌气设备：酒精、啤酒、丙酮丁醇等一、酒精发酵罐:酒精发酵是利用酵母将糖转化为酒精，所以必须满足酵母生长代谢的必要条件如温度，从结构考虑有利于发酵液的排除和罐体的清洗杀菌，还要考虑设备的检修、安装、制造方便等。一般酒精发酵罐，罐体圆柱形，顶盖为碟形或锥形。结构如图1-3-1冷却装置：中小形罐：罐顶喷水外壁冷却大型罐：内装冷却蛇管和外壁喷水结合水力喷射：开孔φ4~6mm与水平呈20o夹角，洗涤压力0.6~0.8MPa，48~56r/min，5min可完成洗涤作业二、酒精发酵罐的计算重点1、发酵罐全体积:V=Vo/φ式中:V——发酵罐的全体积m3带锥底.盖的圆柱型发酵罐全体积:V=π/4D2(H＋h1/3＋h2/3)发酵罐的几何尺寸推荐如下:H=1.1~1.5Dh1=0.1~0.14Dh2=0.05~0.1D根据发酵罐的高经比可确定发酵罐的尺寸2、发酵罐数的确定:对于间歇发酵可按下式计算:N=(1/24)n.t+1(个)3、发酵罐冷却面积的计算：重点和难点⑴总发酵热Q：厌氧发酵Q=Q1－(Q2+Q3)Q1——生物合成热.Q2——蒸发损失热.Q3——罐壁向周围的热损.1)生物合成热Q1:由三部分组成，微生物生命活动呼吸热，繁殖的繁殖热和形成产物的发酵热。目前理论难以准确计算。计算方法有两种a、酒精啤酒发酵按发酵旺盛时单位时间糖度降低的百分值计算(以消耗1kg麦芽糖发酵散出的热量为650kJ为基准，也有报道1kg麦芽实际发酵热为418.6kJ，如不冷却，温升10℃)：Q1b:通过测定小实验罐发酵最旺盛时的放热量计算:小罐放热量Q`：Q`=W.cp(t2－t1)扩大到生产罐,生产罐的放热量Q1Q1=Q`V/V`2)Q2蒸发损失热:Q2=5%~6%Q13)Q3的求法:a、Q3=Kc.A’(tw-tB)Kc=k对+k辐b、经验估算，无论放在室内、外一律取Q3=10~20%Q13.传热总系数k的确定：由两部分组成，传热分系数和热阻组成,发酵液蛇管璧的传热系数k1情况比较复杂,对酒精发酵可取2300~2700kJ/(m2.h.℃),从冷却管璧到冷却水的传热分系数k2。总传热系数K：按下式计算例:重点和难点某酒精厂，发酵罐的进料量为24t/h，每4h装满一罐，发酵周期为72h,发酵温度30℃，冷却水的初、终温度为20℃和25℃,若采用蛇管冷却,试确定发酵罐的结构尺寸，罐数，冷却水耗量，冷却面积和冷却装置的尺寸。(糖化醪密度为1076第二节啤酒发酵设备一、啤酒前.后发酵设备及计算1.前发酵设备：图槽底部有坡度易排水；距槽底10~15cm，⑴、前发酵槽的计算:①发酵槽数的确定:重点在一个发酵槽内容纳一次麦芽汁前提下,发酵槽数N可按下式计算:N=n.t在一个发酵槽内容纳一次麦芽汁的整数Z倍,发酵槽数时:N=n/Z.t②前发酵罐体积的确定：重点考虑装液系数，计算糖化一次麦汁的量，即可确定发酵槽的总体积V：③前发酵槽冷却面积计算:重点发酵槽冷却面积：2.后发酵设备材料:以前用A3钢板,内涂防腐层.也有用铝板，现多用复合钢板圆筒形金属容器：卧式和立式如图。⑴后发酵槽的计算后发酵槽又称储酒罐，作用是完成嫩啤酒的继续发酵，饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。其容量应和啤酒过滤设备能力匹配。若选定每个后发酵槽的容量后，根据后发酵槽的总有效容积，可确定后发酵槽数N：N=V/Vs后发酵槽的有效容积，主要根据啤酒的年产量，啤酒的品种贮酒期(酒龄)确定。再根据充满系数确定全体积后,其槽的结构尺寸可以算出.圆筒形贮槽的最适体积和尺寸可通过算图来选择.如图贮酒槽结构形式对合理利用贮酒室影响很大，1m3的生产面积可得到贮酒槽的有效体积立式圆筒型300~500卧式圆筒型500~600四角矩型600~800L.二、新兴啤酒发酵设备1.圆筒体锥底发酵罐:优点：能缩短发酵时间，且具有生产上的灵活性。结构如图锥形罐的设计要点：仔细考虑：⑴耐压要求，设计压力为最大工作压力加10%，安全阀，打开；清洗，真空阀。⑵罐内的对流和热交换。⑶内部的清洗。一般采用CIP清洗。2.联合罐结构如图3.朝日罐结构如图：罐材:4~6mm不锈钢板，高径比㈢CIP清洗设备：CleanInPlace内部清洗设备如图是容积为800m3，安装在室外的发酵罐与CIP清洗系统的流程。清洗管道一般采用三、连续发酵在发酵罐内连续不断的流加培养液，同时又连续不断的排除发酵液，使发酵罐内微生物一直维持在生长加速期，同时又降低了代谢产物的积累，缩短了发酵周期，提高了设备的利用率，这种发酵方式称为连续发酵。优点：1.培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，从而保证产品质量和产量的稳定；2.发酵周期短，设备利用率和产量较高，节省人力和物力以及生产管理稳定，便于自动化生产等优点。本节只讨论连续发酵的时间、理论罐数和发酵流程。㈠连续发酵的时间：自学㈡连续发酵的罐数：采用图解法自学对连续发酵：输出量=输入量+增长量㈢连续发酵的流程：酒精连续发酵流程:上世纪50~70年代开始,首先在糖蜜原料实现连续发酵,然后淀粉原料.糖蜜原料连续发酵流程:如图发酵液酵母数维持0.6~1.0亿/ml时,发酵周期34h,发酵液酒精含量达到发酵率85%9%~10%,淀粉质原料连续发酵流程:如图2.啤酒连续发酵流程:塔式连续发酵是上世纪60年代英国APV公司开始设计,又称APV连续发酵流程。如图：啤酒塔式连续发酵流程。三罐式啤酒发酵流程。【思考题】1.酒精发酵罐如何设计计算？2.啤酒发酵罐的形式？3.连续发酵设备的适用范围？【作业】1.计算题：某酒精工厂，每发酵罐的进料量为28t/h，每4h装满一罐，糖化液密度为1082kg/m3发酵周期72h，冷却水初、终温为20℃，25℃，若罐内采用蛇管冷却，发酵罐的总传热系数为2000kJ/m2.h.℃,试确定发酵罐的结构尺寸,罐数,冷却水耗量(假设发酵液热损包括蒸发热和向周围的散热为生物合成热的10%即Q2+Q3=10%Q12.传统啤酒发酵罐的后酵能力应与什么设备匹配？【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】本章内容中主要是酒精和啤酒发酵设备，需要掌握设备的结构和设计计算。通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习掌握。【预习】植物细胞(组织)和动物细胞培养反应器第七章植物细胞(组织)和动物细胞培养反应器【教学目的与要求】了解植物细胞培养和动物细胞培养的特点，掌握动植物细胞反应器的类型和特点。了解动植物细胞反应器在生物工业的应用。【教学重点与难点】动植物细胞反应器的类型和特点。【教学方法】讲授、自学与图像等直观教学手段相结合。【教学时数】4学时作业讲评：表扬及指出存在问题复习提问：酒精发酵罐罐数的计算第一节植物细胞(组织)培养反应器植物细胞培养过程的特点：广义的植物细胞培养技术包括植物器官(根、枝叶、发根、胚、冠瘿组织等)，组织、细胞以及原生质体培养，并以此发展起来的各种植物细胞培养技术。㈠、植物细胞培养过程的特点1.细胞培养液的性质重点植物细胞比微生物细胞大得多，低倍镜可观察到。培养液的黏度与微生物发酵液不同，烟草细胞对数生长期的黏度是培养初期的30倍。植物细胞培养中的传递状态耗氧培养中，必须要通风搅拌，氧传递是关系发酵成本的主要因素。对于植物细胞也存在同样是问题。研究证明，培养烟草细胞氧消耗比速度的最大值为0.6mmol/(g干菌体/h),比微生物要低1.5~8mmol/(g干菌体/h)得多.说明需氧量小？重点培养烟草细胞,氧传递效率用液膜kla值表示,如图在反应器通风搅拌情况下研究kla值对烟草细胞培养生长的情况。解释图中曲线。植物细胞kla过大,对培养未必有好处.可能一定浓度的二氧化碳含量对细胞量的增长有益.二、植物细胞培养反应器悬浮培养：植物细胞培养，机械搅拌和非机械搅拌反应器固定化培养填充床流化床和膜反应器1.悬浮培养反应器：重点⑴机械搅拌反应器日本最早培养烟草细胞获取尼古