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生物设备总结

一、 固体物料的物料除杂与粉碎设备
物料除杂
² 目的：除杂精制
² 除杂方法：
筛选--尺寸
风选--密度
磁选--铁磁性
水选
3.筛选设备
要求：足够的筛选时间，所有物料接触筛面，连续加料，连续筛选
类型：
振动筛（大麦粗选机，要配合风选）：平板筛面，倾斜设置，振动筛选。
转筒筛（大麦圆筒分级筛）：圆筒筛面，倾斜设置，转动筛选
4.磁选设备：
要求：连续分离，处理量大，分离效率高
类型：
平板式磁分离器：结构简单，造价低，处理量小
旋转式磁分离器：进料装置、滚筒、锶钙铁氧体永久磁体、机壳、传动装置
粉碎设备
1.目的：提高原料的利用率，缩短生产时间，提高生产效率
2.粉碎方式：
湿式粉碎
干式粉碎（挤压、冲击、研磨、剪切、劈裂）
3.粉碎方法选择：根据物料的性质及粉碎要求选择合适的粉碎方式
脆性--挤压、冲击
坚硬--研磨
韧性--剪切
方向性--劈裂
2. 粉碎比：X=D/d 前粒/后粒
粗、细、磨=2、5、50 串联使用
3. 设备：
锤式粉碎机（冲击、研磨、挤压）：锤刀、筛网，转子
优：结构简单、紧凑，生产力强，运转可靠
缺：机械磨损大
辊式粉碎机：机架、压缩弹簧、活动轴承、辊
优：脆性、黏性、潮湿物料
圆盘铜磨:动静磨盘
湿法粉碎机
砂轮磨
微细粉碎和超微细粉碎
二、 固体物料输送设备
机械输送设备
带式输送机：输送带、托辊、鼓轮、传动装置、张紧装置、加料装置、卸料装置
斗式提升机：料斗、料斗带、转动轮、传动装置、张紧装置、机壳、卸料装置
螺旋输送机：螺旋、轴、轴承、料槽、外壳
气流输送
原理：借助空气在密闭管道内的高速流动，物料在气流中被悬浮输送到目的地的一种运输方式
真空输送流程:靠装在系
统尾部的风机将管道内
抽成负压，气流和物料
从吸嘴被吸入输料管，
经分离器后物料和空气
分开，物料从分离器底
部的卸料器卸出，含有
细小物料和尘埃的空气
再进入除尘器净化，然
后排入大气。

压力输送流程:靠装在系统前端的风机（压缩机）将空气压入管道造成正压，物料经喉管与空气混合送至分离器，被分离出的物料由卸料器的下方卸出，空气进入净化器后排入大气。
输送强度较大，还可输送潮湿物料

真空压力输送流程:将风机装在
系统中间，前段为吸入式，后
段为压送式， 可以从数点
吸入压送至较远，较高的地方。
但是结构复杂，空气含粉尘较多

几种流程的比较：
吸入式需要排料器，压送式需要加料器，防止在加料处发生物料反吹，可自动卸料；
压送式较吸入式采用较细的管道，因为前者操作压力较后者为大。
从几个不同地点，向一个送料点送料时，采用吸入式最合适；
从一个加料点向几个不同的地方送料时，采用压送式最合适。
气流输送组成设备：进料装置、输料管道、分离装置、闭风器、风机、除尘器和空气管道
气流输送系统设计步骤：合理布置管道，优先选用真空输送流程，确定工作参数，计算气流量和管道直径，选择加料、分离、和除尘设备的类型并计算其尺寸，计算输送系统压力损失，选择风机
混合比：u=Gs/G 单位小时物料质量/空气质量
三、 培养基的制备设备
灭菌的基本理论
灭菌目的:1.避免生物反应的基质或产物因杂菌的消耗而损失，造成生物转化率的下降；2.杂菌的代谢物质会使所要产物的提取和分离变得困难，造成收得率降低或使产品质量下降；3.有些杂菌会分解产物，或噬菌体裂解生产菌细胞，使生产失败
灭菌要求:1.达到无菌要求；2.尽量减少营养成分损失；3.降低能量消耗
常用的灭菌方法
1、化学药剂灭菌（甲醛、次氯酸钠、高锰酸钾、苯酚、环氧乙烷等）
2、射线灭菌（紫外线、gama射线、X射线等）
3、干热灭菌（160℃～250℃干燥保温。用于须保持干燥的器具和材料）
4、湿热灭菌（高压饱和蒸汽。通常120℃维持20～30min）当温度超过最高限度时，微生物细胞中的原生质胶体和酶起了不可逆的凝固变性，使微生物在很短时间内死亡，加热灭菌即是根据微生物这一特性而进行的。
5、过滤除菌

灭菌温度和时间的确定取决于：
① 杂菌孢子的热灭死动力学
② 反应器的形式和操作方式
③ 培养基中有效成分受热破
坏的可接受范围
（1）活化能ΔE的大小对K值有重大影响。其它条件相同时，ΔE越高，K越低，热死速率越慢。
（2）不同菌的孢子的热死灭反应ΔE可能各不相同。
将ΔE/R 作为微生物受热死亡时对温度敏感性的度量。

微生物营养细胞的均相热死灭菌动力学符合化学反应的一级反应动力学
理论灭菌时间:t=2.303/k lg(No/0.001 )耐热杆菌芽孢
比热死亡速率常数K与灭菌温度T的关系可用阿累尼乌斯方程表征：
A：频率因子（s-1）
ΔE：死亡活化能（J/mol）
R：通用气体常数[8.314J/（mol.k）]
T：热力学温度（K）
影响培养湿热灭菌的因素
（1）pH：影响微生物的耐热性。一般，pH 6.0~8.0时，微生物最不容易死亡。
（2）培养基成分：油脂、糖类及一定浓度的蛋白质都回增加微生物的耐热性；高浓度的盐类、色素则会削弱其耐热性。
（3）气泡：影响传热。
（4）颗粒：大颗粒（1mm以上）的传热系数很低，使灭菌不彻底。
分批灭菌（实罐灭菌、实消）操作过程与计算
优：设备简单，投资少，灭菌可靠
缺：占罐时间长，发酵罐利用率低，受热时间长，基质成分破坏多，用汽不平
优点：1. 设备投资较少
2. 染菌的危险性较小
3. 人工操作较方便
4. 对培养基中固体物质含量较多时更为适宜
缺点：灭菌过程中蒸汽用量变化大，造成锅炉负荷波动大，一般只限于中小型发酵装置。
升温时间：t1=GC1/KF 2.303LgT-t1/T-t2
保温时间：t2=2.303/k lg(No/0.001)
降温时间：t3=GC1/WC2 A/A-1 2.303LgT-t1/T-t2

连续灭菌（连消）操作过程与计算
连续灭菌（连消）：培养基在罐外连续进行加热、维持和冷却，然后进入发酵罐的杀菌方法。
连续灭菌的优缺点：–保留较多的营养质量–容易放大–较易自动控制；–糖受蒸汽的影响较少；–缩短灭菌周期；–在某些情况下，可使发酵罐的腐蚀减少；–发酵罐利用率高；–蒸汽负荷均匀。
缺点–设备比较复杂，投资较大，容易造成污染。
喷淋冷却连续灭菌流程
设备：配料罐、连消泵、连消塔、维持罐、蛇管冷却器等。
特点：设备庞大，易发生局部受热不均。
流程：配料→调浆缸放出→加消泡剂→连消泵→连消塔→料液加热→维持罐（8～25min）→喷淋器冷却到发酵
喷射加热连续灭菌流程

设备：蒸汽喷射加热器、保温蛇管、膨胀阀、真空冷却器等
流程：蒸汽直接喷入培养液→快速升温灭菌度→保温灭菌→膨胀降压→真空冷却器急速冷却
特点：受热时间短，培养液破坏低，灭菌效果好温度
薄板换热器连续灭菌流程

培养基在设备中同时完成预热、灭菌及冷却过程。
淀粉质原料的蒸煮与糖化设备
淀粉的糊化：淀粉在水中经加热会吸收一部分水而发生溶胀。如果继续加热至一定温度（一般60～80℃）,淀粉粒即发生破裂,造成晶体结构消失，黏度、体积迅速增大,这种现象称为淀粉的糊化,经糊化的淀粉称为α-淀粉.
淀粉糖化：将淀粉水解成葡萄糖的过程。通过添加酶制剂或糖化曲来完成。
蒸煮糖化作用
1、蒸煮作用：
（1）使植物组织和细胞膜彻底破裂 ；
（2）使淀粉糊化、液化；
（3）起灭菌作用；
（4）排除原料中的一些不良成分及气味
2、糖化作用
把溶解状态的淀粉、糊精，转化为可被细胞利用的可发酵性糖
连续蒸煮的工艺，常用有罐式连续蒸煮、管式连续蒸煮、柱式连续蒸煮等三种方法。罐式连续蒸煮糖化，蒸煮温度较低，可节省煤耗，操作容易控制，设备结构简单，制造方便，为大、中型工厂广泛采用
蒸煮糖化设备
（1）蒸煮罐结构
罐体、蒸汽进口管2、进出料口1、人孔9、 温度计8、压力表5、安全阀4等。罐式连续蒸煮罐数不能太少（宜采用3~6个），直径不宜太大
（2） 后熟器
（3） 真空冷却器 真空冷却器器内为真空，醪液切线方向进入后，产生大量二次蒸汽，二次蒸汽则直接上升经顶中心二次蒸汽排出口排出，醪液从锥底排醪口排出；真空冷却器顶中心连接膜式塔，用冷水在膜式塔中冷凝二次蒸汽，不凝性气体经真空泵抽走，造成器内真空。
（4） 糖化罐
（5） 螺旋板散热器
麦芽汁的制备设备：糊化锅、糖化锅、过滤槽、煮沸锅
淀粉水解制糖设备
四 空气除菌设备
1、除菌意义
v 耗氧发酵和微生物繁殖培养都需要氧气，以空气为氧源。
v 空气中含有杂菌较多，消耗营养物质，干扰甚至破坏预定发酵的正常进行。
v 纯种培养
空气除菌就是除去或杀灭空气中的微生物。
2、除菌方法
² 灭菌方法：辐射、化学、热
² 分离方法 ：静电吸附、介质过滤
3、 过滤除菌条件：足够的推动力，进入介质的是干燥空气
4、 预处理：加压、降温、降湿、去油
5、 预处理设备：粗滤机、空压机、缓冲罐、加热器和冷却器、分离机
6、 空气过滤设备：粗滤机、空压机、加热器、冷却器、分离机、压缩机、空气过滤器
7、 空气过滤器要求：吸附性强，过滤效率高，空气质量好；处理量大；过滤压降小；耐干热，长期使用。
深层介质过滤器
过滤纸质介质过滤器（平板式、管式、接迭式）
新型过滤器
8、 深层过滤除菌方法：绝对过滤，深层过滤
9、 绝对过滤：介质的孔隙小于过滤物，介质表面，1
10、 深层过滤：介质的孔隙大于过滤物，惯性碰撞、拦截、静电吸附、扩散、沉降，介质内
11、 提高过滤效率的措施：减少Xo，设计合理的空气预处理设备，设计和安装合理的空气过滤器
五 发酵设备
1、分类：好气发酵设备、厌气发酵设备、光照发酵设备
2、厌气发酵设备
酒精发酵设备：罐体、冷却装置、洗涤装置
N=nt/24+1
啤酒发酵设备：前发酵设备、冷却装置、后发酵设备
圆锥体锥底发酵罐（CIP，clean in piace即内部原位清洗系统）
3、 好气发酵设备：
机械搅拌式通风发酵罐：罐体，搅拌装置，轴和联轴器、轴承、轴封、变速装置，冷却装置，消泡装置
气升式发酵罐：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。 
自吸式发酵罐
机械搅拌自吸式发酵罐
喷射自吸式发酵罐
4、 发酵罐的比拟放大
原则：化学因素相同，物理因素相近，几何因素相似
放大方法：理论法，半理论法，经验法
放大准则：几何相似，kla，等体积搅拌功率，剪切力，混合时间，Re
六 过滤与离心分离设备
沉降：重力，离心
过滤：常压，加压，减压，离心
1、 过滤机选用原则
v 根据物料的过滤性能，初步确定选择哪种推动力的设备
v 根据处理物料的化学性质，检查所选择的过滤机类型是否正确
v 根据工艺过程的特点和生产规模对选择的设备进行筛选
v 根据对滤饼的纯度或母液的回收率等要求来确定过滤机类型
v 根据对滤饼含湿率的要求，决定是否选用带有机械挤压过程的设备
v 根据所选择的设备，物料的基本特性数据进行设备生产能力和最佳操作条件的计算以确定设备的大小，投资费用，操作费用
2、过滤分离设备
常压过滤机：
加压过滤机：
Ø 板框过滤机：滤布、滤板、滤框、机架和压紧装置
Ø 自动板框压滤机：滤布、滤板、滤框、机架和压紧装置
Ø 凹腔板式压滤机
Ø 叶片式硅藻土过滤机
真空过滤机：
Ø 转筒真空过滤机：过滤区，洗涤及脱水区，卸渣及再生区
3、离心分离设备
Ø 管式离心机
Ø 碟式离心机
Ø 螺旋卸料离心机
Ø 三足式离心机
Ø 卧式刮刀卸料离心机
Ø 卧式活塞推料离心机
5、 膜分离设备
Ø 板式膜过滤器
Ø 管式膜过滤器
Ø 中空纤维式膜分离器
Ø 螺旋卷式膜过滤器
七 萃取与离子交换设备
1、 液液萃取设备
分体式液液萃取设备：混合设备，分离设备
整体式液液萃取设备：
2、 液固萃取分离设备
3、 离子交换类型：
结构 罐式，塔式，槽式
操作方式 间歇式，周期式，连续式
两相接触方式 固定床，移动床，流化床
方向 正吸附，反吸附
4、 离子交换设备放大原则：
Ø 负荷相同，高径比相同
Ø 溶液空塔流速相同，罐高相同
八 蒸发与结晶设备
1、 蒸发要求：热源足，排二次蒸汽，传热面大
2、 真空蒸发设备：
管式薄膜蒸发器
Ø 升膜式蒸发器
Ø 降膜式蒸发器
Ø 升--降膜式蒸发器
刮板式薄膜蒸发器
离心式薄膜蒸发器
3、 结晶要求：过饱和状态
4、 结晶设备：
Ø 蒸发结晶设备
Ø 真空结晶设备
九 干燥设备
1、 方法
热能传递 直接加热干燥 间接加热干燥 介电加热干燥
操作方式 分批干燥 连续干燥
2、 间接加热干燥设备
v 常压干燥设备
v 真空干燥设备
v 冷冻干燥设备
3、 直接加热干燥设备
v 气流干燥设备
类型：长管，边径管式，旋风
v 麦芽干燥塔
v 厢式干燥器
v 带式干燥器
v 流化床干燥设备
v 喷雾干燥设备
4、 介电加热干燥
十 蒸馏设备（挥发度）
1、酒精蒸馏流程
2、酒精粗馏塔
塔板类型：泡罩，筛孔，SD形塔板，浮阀
十一 制冷设备
1、 压缩式制冷循环：蒸发，压缩，冷凝，膨胀
2、 制冷系统设备：压缩机，冷凝器，膨胀阀（节流减压），蒸发器（冷风机），油氨分离器
3、 制冷剂：
4、 载冷剂：
5、