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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 生物质原料处理过程与设备,第一节 生物质原料筛选与分级,生物加工原料在很多情况下往往会混入沙土、石子甚至金属等杂物。进行生产前，必须先将原料中混杂的杂物除去。所以在生产前，原料的除杂、筛选与分级处理是十分必要的。,一、筛选与分级设备,二、筛选设备,一、筛选与分级设备,（一）磁力除铁器,（二）精选机,目的是将夹杂在原料中的小铁块、螺丝等金属杂物除去，磁选设备分永磁溜管和永磁滚筒。,颗粒状的生物质原料（如大麦、小麦）等必须进行精选和分级，其主要原理是按颗粒长度进行分级，以除去不必要的杂粒，有滚筒精选机和碟片精选机两种。,二、筛选设备,为保证生产质量，生产过程又往往将粒度不同的物料加以分级，这也要用筛子来完成，发酵工厂中常用的是振动筛和转筒筛。,第二节 生物质原料的粉碎,在以固体生物质为原料的生物反应生产过程中，对原料粉碎的效果好坏，不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性，而且会间接影响到下一工序如蒸煮、浸出、水解（酸解和酶解）和发酵等的效果和效率。,（一）锤式粉碎机,（二）辊式粉碎机,（三）湿式粉碎机,（四）球磨机,（五）切片机,（六）超细粉碎机,（七）纳米粉碎机,（一）锤式粉碎机,锤式粉碎机最大特点是具有很高的破碎比（达,1050,）这是其他粉碎机不能比拟的。此外单位产量能耗低、构造简单、结构紧凑、生产能力高等都是锤式粉碎机的优点。,（二）辊式粉碎机,辊式粉碎机广泛用于破碎粘性和湿物料块。啤酒厂粉碎麦芽和大米都是用辊式粉碎机，常用的有两辊式、四辊式、无辊式和六辊式等。,（三）湿式粉碎机,生物加工工厂中，粉碎原料时，往往会逸出较多的粉尘，影响环境。这是干法粉碎的一个不足之处。为了避免这一缺点，在某些产品的生产过程中，采用湿式粉碎操作，其所用到的粉碎机称为湿式粉碎机。湿式粉碎设备主要包括：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。,（四）球磨机,球磨机是目前工业上广泛应用的粉磨机械。合理的选择粉磨设备和工艺流程非常重要，因为粉磨设备的动力消耗和投资占有很大的经济比重。,（五）切片机,对生物质原料的粉碎处理，根据加工工艺的不同，对粉碎后的原料形状有不同的要求，有的要求是粉状的，有的要求是块状或片状的。要求块状或片状的粉碎，这时要求用到切片机。,（六）超细粉碎机,生物材料的超细粉碎除了使产品的粒度微细化外，还需保持产品的有效成分及营养物质不受氧化和损坏，不引入污染杂质，尽可能保持和改善产品的生化特性和风味等；另外，生物材料一般多含水分、纤维素、糖分、蛋白质及其它生物活性物质，使得加工过程中粘度大、韧性强、抗热性差，因而使物料的粉碎和分级较为困难。,（七）纳米粉碎机,纳米粒子一般是指颗粒尺寸在,1nm,到,100nm,之间具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应的超细粒子，该粒子具有的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力很大，且随粒径的下降急剧增加，因而展现出许多特有的性质。,第三节 生物质原料固体间的混合,在生物加工的过程中，固体间的混合也是操作单元之一。固体间的混合与气体间的混合有很大的差别。气体通过分子扩散，互相掺合，最终自动达到均匀混合。而固体间混合需要外加机械作用才能进行。因固体粒子形状、粒径、密度等各不相同，各成分在混合的同时伴随着分离现象，所以固体间的混合不能达到完全的均匀，只能达到总体的均匀而不能达到局部的均匀性。,（一）固体混合的机理,（二）混合设备,（一）固体混合的机理,固体粒子在混合器内混合时，会发生对流、剪切、扩散等三种不同运动形式，形成三种不同的混合：,对流混合,2,剪切混合,3,扩散混合,（二）混合设备,混合设备有两种，一种是不能转动的固定型混合机；一种是可以转动的回旋型混合机。,1,回旋型混合机,2,固定型混合机,（,1,）搅拌槽式混合机,（,2,）锥形混合机,（,3,）回转圆板型混合机,（,4,）流动型混合机,The End,第二章 生物细胞培养基制备过程与设备,所有的生物细胞都要不断地同外界进行物质和能量交换，都要进行新陈代谢，才能表现出生命活动，这时，就需要营养物质。生物技术产业中大多数都利用纯种培养技术，这就要求对培养基中已有的杂菌进行去除或杀灭。,第一节 液体培养基的灭菌,第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,第三节 纤维素和半纤维素的水解,第四节 糖蜜原料的稀释与澄清,第五节 啤酒生产中麦芽汁的制备设备,第六节 淀粉水解制糖,第七节 固体培养基制备,第一节 液体培养基的灭菌,一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素,二、连续灭菌流程及设备,三、分批灭菌过程与设备,一、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素,营养成分的减少将影响菌种的培养和产物的生成，所以灭菌程度和营养成分的破坏成为灭菌工作中的主要矛盾，恰当掌握加热温度和受热时间是灭菌工作的关键。,（一）灭菌动力学,微生物受热而破坏是指其生活能力丧失，微生物热死灭原因是细胞内的反应。,（,2,）温度对死亡速率的影响,图,2-2,微生物死亡与温度的关系,二、连续灭菌流程及设备,培养基灭菌应尽量采用高温短时间的连续灭菌。培养基经连续加热、维持和冷却后进入发酵罐。培养基的连续灭菌，就是将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行灭菌,（一）连消塔,喷淋冷却流程,（三）板式换热器灭菌流程,（二）喷射加热,真空冷却流程,（四）设备构造和计算,1,连消塔又称加热器，是培养基于蒸汽混合加热至灭菌温度的设备。生产中一般用,0.50.8Mpa,的活蒸汽与预热后的料液直接接触而加热。,三、分批灭菌过程与设备,培养基的分批灭菌就是将配制好的培养基放在发酵罐或其他装置中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行加热灭菌的过程，通常也称为实罐灭菌。,（一）分批灭菌操作要点,（二）分批灭菌的操作,（三）分批灭菌的计算,分批灭菌的计算主要是确定灭菌的时间。如果把微生物的热死亡动力学公式与阿累尼乌斯公式相结合，则可得,第二节 淀粉质原料的蒸煮与糖化,一、连续蒸煮糖化,二、间歇蒸煮糖化,淀粉糖化的目的，是通过糖化酶将淀粉、糊精进行水解。糖化的作用也就是把溶解状态的淀粉、糊精转化为能够被生物细胞利用的可发酵性物质（当然也有不发酵性物质生成，这主要是由于转移葡萄糖苷酶等的作用），降低醪液的粘度，有利于酵母的发酵和酵液的输送。,一、连续蒸煮糖化,连续蒸煮糖化工艺料液连续流动，在不同的设备中完成加料、蒸煮、糖化、冷却等不同工艺操作，整个过程连续化。,二、间歇蒸煮糖化,（一）间歇蒸煮,1,蒸煮设备,（二）间歇糖化工艺,间歇糖化法的工艺流程：,蒸煮醪,糖化锅加水冷却（,12060,）加酸十加曲十糖化十冷却（,6030,）,发酵罐（或酒母罐）,第三节 纤维素和半纤维素的水解,可以利用的生物质资源很多，包括各种农业残余物、林业残余物、专门栽培的作物以及各种废弃物。这些木质纤维材料完全可望将它们降解转化为糖类，并生物加工成有用的物质，如生物能源等。,一、蒸汽爆裂法,二、稀酸预处理法,三、酸酶水解法,一、蒸汽爆裂法,在众多预处理方法中，高压蒸汽爆碎技术是比较有效、低成本、无污染的新技术。向装有植物纤维物质的压力罐通入高压蒸汽，使罐温度达到,200240,左右，原料中的半纤维素会迅速分解释放出有机酸，发生自水解作用而可溶化。细胞间的木质素熔化，并发生部分降解，变得易为热水、有机溶剂或稀碱抽提。加上突然减压爆碎的机械分离作用，使植物细胞间质或细胞壁变疏松，细胞游离，纤维素的可酶解性明显增强。蒸汽爆碎技术的成败在于精确控制处理强度（蒸汽温度和处理时间）和处理的均匀度。控制不当，半纤维素等未充分降解或降解产生的单糖被进一步降解破坏，得糖率往往会低于理论值的,65%,。,二、稀酸预处理法,稀酸处理既对纤维物料进行预处理，又可以得到半纤维素水解的糖液，这是该法的一大特点，只要很好地将后者利用，则它将是一种有发展前途的预处理方法。,（一）影响酸水解的因素,（二）稀酸水解生产流程和设备,三、酸酶水解法,两段水解的第一段为半纤维素水解，方法有化学或微生物或物理方法。第一段制低聚木糖方法是：蔗髓（即蔗渣糠）等半纤维素降解有采用热水蒸煮、酸水解、微波降解和酶解等方法。第二段水解获得的葡萄糖液为酸性，用石灰乳中和成硫酸钙，过滤得清净糖液。,第四节 糖蜜原料的稀释与澄清,一、糖蜜稀释器,二、糖蜜原料的澄清,糖蜜是一种非结晶糖分，因其本身就含有相当数量的可发酵性糖，无需糖化，因此是微生物工业大规模发酵生产酒精、甘油、丙酮丁醇、柠檬酸、谷氨酸、食用酵母及液态饲料等的良好原料。由于原糖蜜的浓度一般都在,80Bx,以上，胶体物质与灰分多，产酸细菌多，所以糖蜜酒精发酵前需进行稀释、酸化、灭菌、澄清等处理过程。,一、糖蜜稀释器,（一）水平式糖蜜连续稀释器,（二）立式糖蜜连续稀释器,（三）连续稀释器,二、糖蜜原料的澄清,糖蜜原料的澄清的目的是使原料中的灰渣等固形物沉淀，同时进行灭菌，以达到发酵的要求。,1,加酸通用处理法,2,加热加酸沉淀法,3,絮凝剂澄清处理法,4,酸化澄清设备,澄清罐的总体积：,第五节 啤酒生产中麦芽汁的制备设备,啤酒是生物加工产业中的一个典型产品，我国的啤酒生产已位于全世界第三位。影响啤酒的产量和质量的关键因素之一是麦芽汁的制备。麦芽汁是啤酒酵母的培养基。,一、糊化锅,二、糖化锅,三、过滤槽,四、麦汁煮沸锅,五、糖化醪过滤槽,一、糊化锅,糊化锅的主要作用是用于煮沸大米粉和部分麦芽粉醪液，使淀粉糊化和液化。,1,糊化锅的构造,2,糊化锅的容积,3,加热面积的计算,二、糖化锅,糖化锅的用途是使麦芽粉与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化，现时糖化锅的材料广泛采用不锈钢制作，也可用碳钢或铜钢制造。现时有的在锅内壁装有挡板，以改变流型，提高搅拌效果。有效容积的大小与加水量有关，一般糖化锅容积比糊化锅大约一倍。锅底可做成平的，也有作成球形蒸汽夹套的。在六锅式糖化设备中，做成糖化、糊化两用锅，以提高糖化锅的利用率。锅体直径与高之比为,21,，升气管截面积为锅圆筒截面积的,1/301/50,。,三、过滤槽,过滤槽用于过滤糖化后的麦醪，使麦汁与麦槽分开而得到清亮的麦芽汁。,（一）型式与构造,（二）有关参数,1,麦槽层厚度,2,过滤面积的确定,3,过滤槽容积的确定,4,过滤槽内耕槽的转速,5,过滤槽槽底与筛板的间距,四、麦汁煮沸锅,用于麦汁的煮沸和浓缩，蒸发掉多余的水分，使麦汁达到一定的浓度。并加入酒花，使酒花中所含的苦味及芳香物质进入麦汁中。,（一）型式与结构,（二）容积计算,（三）有关参数,五、糖化醪过滤槽,糖化醪的过滤是啤酒厂获得澄清麦汁的一个关键设备，主要用于醪液的糖化和麦汁的过滤。,糖化醪过滤槽的结构,第六节 淀粉水解制糖,用于制备淀粉的原料主要为薯类、玉米、小麦、大米等富含淀粉的农产品。根据原料淀粉的性质及采用的催化剂不同，淀粉水解为葡萄糖的方法有酸解法、酶解法、以及酸酶结合法等。,一、酸解法,二、酶解法,一、酸解法,酸解法又称酸糖化法，它是以酸为催化剂在高温下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。,（一）加压罐水解糖化,（二）管道水解糖化,二、酶解法,酶解法是利用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的方法,第一步，利用,淀粉酶将淀粉液化；第二步，利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解转化为葡萄糖。生产上这两步分别称为液化和糖化。,（一）液化,（二）糖化 其工艺过程如下：,液化,糖化,灭酶,过滤,贮糖计量,发酵,第七节 固体培养基制备,一、固体培养基的制备方法及其设备,发酵的类型按培养基的种类来分，有固体发酵和液体（深层）发酵两种。微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称为固态发酵。固态发酵所用的培养基为固体培养基。在制造酶制剂、菌肥、发酵饲料、饲料添加剂、食品添加剂以及一些东方发酵食品中广泛采用。所以，研制一种新型的固体发酵生物反应器，并研究固体发酵工艺，克服现有反应器的缺点，可以将固体发酵推上一个新的台阶，促进我国生物技术的发展，具有十分重要的意义。,一、固体培养基的制备方法及其设备,固体培养基的碳源主要来自小麦、麸皮、玉米、碎米、大麦、高梁、米糠等淀粉质原料，氮源主要来自大豆、豆粕、豆饼、花生饼、蚕豆、豌豆等蛋白质原料。,（一）各种工艺组合的培养基制备方法,1,润水设备,2,蒸煮设备,（,1,）常压蒸煮锅,（,2,）加压蒸煮锅,（,3,）集搅拌、蒸煮、冷却于一体的蒸煮灭菌设备,（,4,）连续蒸煮设备,The End,第三章 物料输送过程与设备,第一节 液体输送设备,一、离 心 泵,二、往复泵,三、其他类型的泵,生产过程中常需要把液体从一个设备通过管道输送到另一个设备被输送的液体，性质各异因此生产上就需要采用各种不同结构、不同材质的液体输送机械根据其作用原理，大致可分为,:,一、离 心 泵,（二）工作原理,（三）离心泵的主要性能参数,（四）离心泵特征曲线,（五）离心泵的气蚀现象,（六）离心泵的吸入高度,（一）,离心泵装置及其结构,图,3-1,为离心泵装置简图。它由泵、吸入系统和排出系统三部分组成。吸入系统有吸入贮槽、吸入管、底阀、滤网。排出系统有排出贮槽、排出管、逆止阀、调节阀等。,离心力的作用下液体被抛出，叶轮外周压力增高，叶轮中心形成真空。这样，叶轮在旋转过程中，一面不断吸入液体，一面又不断给吸入的液体以一定能量并送入排出管。,包括：流量、压头,(,扬程,),、效率、转速、功率、气蚀余量（吸上真空度）等。主要性能参数有压头、流量、效率等。,1,压头,H,单位质量液体流过泵后能量的增值称为压头，一般以符号,H,表示，单位为,m,。,2,流量,是指泵在单位时间内由泵的排液口排出的液体量，通常以体积流量来表示，单位习惯上用,m3/h,表示。,单位时间内泵的泄漏量；它既包括所有不经过排液管而漏到泵体外部泄漏，也包括从泵作功部件出来后仍漏回泵吸液处的内部泄漏,3,轴功率、有效功率和效率,有效功率：,轴功率：,H,泵的压头,Q,泵的流量,液体密度,效率,（,1,）压头随流量的改变而改变的规律，流量增大，压头下降；,（,2,）功率随流量的增大而上升，泵在启动前应关闭出口阀，以减小电动机的启动电流，避免电动机因负荷大而受损；,（,3,）效率开始随流量的增大而上升，达到一最大值后随流量的增大而下降。,（七）离心泵的选择,叶轮进口形成了低压，当压力降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾，生成气泡向外周流动。压力迅速加大而急剧冷凝，液体以很大速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高，瞬时压力很大的冲击。这种现象就称为气蚀现象。,如何防止？,为了防止气蚀现象，泵的安装高度不超过某一定值，使泵入口处,e,的压力,Pe,应高于液体的饱和蒸汽压,Pv,，即气蚀余量大于泵刚好发生气蚀时的最小气蚀余量。,P,e,泵入口压力,U,e,泵入口管的液体流速,P,v,液体的饱和蒸汽压,液体的密度,根据系统所需的扬程与流量就可以很方便地在图上选得合适的离心泵型号。,二、往复泵,对于单动泵：,对于双动泵：,Q,理论流量，,m3/min,；,F,活塞的截面积，,m2,；,D,活塞直径，,m,；,s,活塞冲程，,m,；,n,每分钟活塞往复的次数；,f,活塞柱的截面积，,m2,。,三、其他类型的泵,（一）旋涡泵,（二）齿轮泵,（三）螺杆泵,第二节 气体输送设备,一、空气压缩机,二、离心通风机,三、离心鼓风机,一、空气压缩机,（一）涡轮式空压机,（二）往复式空压机,由电动机通过增速装置直接带动涡轮高速旋转，将空气吸入并使之获得较高的离心力，甩向叶轮外圆周，部分动能转变为静压能，由压出管排出。,往复式空压机的结构和工作原理类似于往复泵，但因操作时气体受压发热，故在气缸外需有冷却装置。,空气压缩机所需消耗理论功率可用下式表示：,N,理论功率，,kgm,/min,，,1,6210kgm/min,；,P,1,、,P,2,分别为压缩前后的空气压强，,kg/cm2,；,V,1,空压机的吸气量，,m3/min,；,m,空气多变指数，,=1.251.30,。,二、离心通风机,（一）离心通风机的结构,（二）离心通风机的主要性能参数,（三）离心通风机的特性曲线,（四）离心通风机的选用,由机壳、叶轮、轴等部件组成，叶片有平直、后弯、前弯几种。,1,风压,2,风量,风量,Q,就是气体通过泵进口的体积流率，单位为,m3/h,，气体的体积由进口状况决定。,3,功率与效率,N,轴功率，,kW,；,Q,实际风量，,m3/h,；,P,t,风压，,Pa,；,全压效率，一般约为,70,90,。,选用离心通风机时，应先根据所输送气体的性质与风压范围，确定风机类型，然后再根据所要求的风量与全压，从产品样本或规格目录中的特性曲线或性能表格中查得适宜的类型和机号。,国产离心通风机，常用的有,4-73,（,4-72,）型，,9-19,型和,9-26,型。例如,9-19NO14,。机号中的数字代表叶轮直径,mm,数的,1/100,。其他符号说明详见产品样本。,三、离心鼓风机,外形与离心泵相像，外壳直径与宽度之比较大，离心鼓风机能达到较大的风压。,第三节,固体输送设备,机械输送,一、带式输送机,二、斗式提升机,三、螺旋输送机,四、刮板输送机,气力输送,五、气力输送设备,一、带式输送机,（一）带式输送机的结构和应用,（二）生产能力和功率消耗的计算,主要构件包括：输送带、鼓轮、张紧装置、支架和托辊等。有的还附有加料和中途卸载设备。,输送带既是承载构件，又是牵引构件，主要有橡胶带、塑料带、钢带等几种，一般采用多层的橡胶带。,1,输送量的计算,q,带上单位长度的负荷，,kg/m,；,V,带的运行速度，,m/s,；,2,功率计算,N,带式输送机功率，,kW,；,H,提升高度，,m,，上升为正，下降为负；,K,系数，表,3-2,所示；,L,输送机长度，,m,；,Q,输送能力，,t/h,；,V,输送带速度，,m/s,；,K,1,起动附加系数，,1.3,1.8,；,A,系数,二、斗式提升机,（一）斗式提升机的结构和应用,（二）生产能力和消耗功率的计算,主要由传动的滚轮、张紧的滚轮、环形牵引带或链、斗子、机壳和装、卸料装置等几种部分组成。,斗式提升机的装料方法分掏取式和喂入式两种，掏取式装料是从提升机下部的加料口处，喂入式装料就是把物料直接加入到运动着的料斗中。,1,生产能力计算,i,料斗容积，,m3,；,a,料斗间距，,m,；,v,运行速度，,m/s,；,物料堆积密度，,kg/m3,；,料斗的充填系数，粉状及细粒干燥物料,=0.750.95,，谷物,=0.700.90,。,2,功率计算,Q,生产能力，,t/h,；,H,提升高度，,m,；,总效率，,0.30.8,。,三、螺旋输送机,（一）螺旋输送机的结构和应用,（二）生产能力的计算,物料由于重力和对槽壁的摩擦力作用，在运动中不随螺旋旋转，而是以滑动形式沿料槽移动。,Q,生产能力，,t/h,；,D,螺旋的直径，,m,；,s,螺距，,m,；,n,螺旋每分钟的转数，,r/min,；,物料的密度，,t/m3,；,槽的装满系数,=0.1250.4,，麦皮、米糠,=0.25,，粮粒,=0.33,。,c,倾斜系数,0,时,c=0.9,，,10,时,c=0.8,，,15,时,c=0.77,，,20,时,c=0.65,。,四、刮板输送机,（一）刮板输送机的基本原理,（二）生产能力和输送机的功率的计算,被输送的物料受到刮板链条在运动方向的压力和自身重量的作用，在物料之间产生了内摩擦力，保证了物料堆形成稳定状态，不至于在输送过程中发生翻滚现象。内摩擦力又足以克服物料在料槽内移动时料槽对物料的外摩擦阻力，使物料成为连续整体的料流而被输送。,1,刮板输送机的生产能力计算,设备生产能力，,T/h,，必须大于或等于设计所要求的最大生产率,Q,；,料槽宽度，,m,；,h,料槽高度，,m,，即指垂直段的机壳高度；,V,刮板链条运行速度，,m/s,，一般为,0.1,0.5m/s,；,被输送物料的容重，,T/m,；,输送机的输送效率，一般为,0.7,0.9,之间。,2,刮板输送机的功率计算,五、气力输送设备,（一）基本认识,（二）气力输送系统的组成设备,气力输送是利用气流在密闭管道中输送固体物料的一种输送方法，也就是利用具有一定压力和一定速度的气流，来输送固体物料的一种输送装置，气力输送又称为风力输送。,3,空气除尘装置,2,物料分离装置,1,进料装置,The End,第四章 空气供给工程,第一节 空气除菌过程与设备,一、空气除菌和灭菌方法,二、空气过滤除菌流程,三、空气预处理过程设备,四、介质过滤除菌,一、空气除菌和灭菌方法,超声波、高能阴极射线、,X,射线、,射线、,射线、紫外线理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。但由于具体的杀菌机理不是很清楚，目前应用较广泛的还是紫外线。,（二）热灭菌法,依靠加热后使微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死亡,（三）静电除菌,利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗运动的动量时，微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。,（四）介质过滤除菌,目前生物加工过程中最常用的获得大量无菌空气的常规方法：一类是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。,（一）辐射杀菌,二、空气过滤除菌流程,（一）两级冷却、加热除菌流程,（二）冷热空气直接混合式空气除菌流程,（三）高效前置过滤空气除菌流程,（四）利用热空气加热冷空气的流程,特点是两次冷却、两次分离、适当加热。,空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单。,利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，再经冷却、分离，进入主过滤器过滤，就可获得无菌程度很高的空气。,利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。,三、空气预处理过程设备,（一）空气预处理的作用与原理,（二）空气预处理设备,（一）空气预处理的作用与原理,目的是两个：,1,提高压缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷；,2,去除压缩后空气中所带的油水，以合适的空气湿度和温度进入空气过滤器。,原理：,高度每上升,10m,，空气中微生物量下降一个数量级，尽量提高吸入口的高度，以减少吸入空气的尘埃含量和微生物含量。并在空气吸入口处设置粗过滤器。,（二）空气预处理设备,1,粗过滤器,2,空气压缩机,3,空气贮罐,4,气液分离器,5,空气冷却器,K,t,气体不同压力温度等熵指数；,R,气体常数；,Z,1,、,Z,2,名义进气、排气状态下压缩系数；,T,气体温度；,p,气体压强；,下标,1,和,2,分别表示进气、排气状态。,空气压缩后，经过冷却会有大量水蒸汽及油分凝结下来，需用气液分离器进行油水分离。,有立式列管式热交换器、喷淋式热交换器等。,四、介质过滤除菌,（一）介质过滤除菌机理,（二）过滤介质,（三）空气介质过滤器的设备构造,（四）无菌空气制备新设备,当气流通过滤层时由于滤层纤维网格的层层阻碍，迫使气流无数次改变运动速度和运动方向而绕过纤维前进，从而导致微粒对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电吸附等作用而把微生物滞留在纤维表面。,1,惯性冲击滞留作用机理,2,拦截滞留作用,3,布朗扩散截留作用,4,重力沉降作用机理,5,静电吸附作用机理,1,纤维状或颗粒状过滤介质,（,1,）棉花,（,2,）活性炭,（,3,）玻璃纤维,（,4,）烧结金属,（,5,）多孔陶瓷,（,6,）多孔塑料,1,聚乙烯醇（,PVA,）过滤器,将聚乙烯醇（,PVA,）乙酰化并以耐热树脂（如硅氧树脂）涂敷，制成片式过滤器。有圆板型和圆筒型两种。,PVA,过滤器的电镜摄影呈现致密的纤维结构，而不是单片式的微孔网络。,PVA,过滤器能够经受蒸汽反复灭菌。如果发酵生产中所要求的,K,值在,103104,范围，则有效孔径,de=2030m,的,PVA,过滤器，只需要,0.20.3cm,厚的一层就能满足空气除菌的需要。,聚乙烯醇（,PVA,）过滤器的特点是除菌效率达,99.9999%,以上，压力降在,0.015MPa,以下，使用可达一年以上，杀菌及干燥时间极短，更换方便，占地面积小。,2,Bio-x,过滤器,英国,Domnick,Hunter,公司用直径为,0.5m,玻璃纤维制成,1mm,厚的滤材，卷成三卷，再以较粗的坚韧的玻璃无纺布做内外衬，再在内、外以不锈钢网固定，作成滤筒状。如图,4-22,。它能滤除,0.01m,颗粒（噬菌体大小为,0.02m,），以油雾法（油雾直径为,1.30.01m,，平均,0.3m,）测定，过滤效率为,99.9999%,。填充率为,6%,，空气流量大，压力降小，结构简单，体积小，安装方便。缺点是强度不大，易损而失效，受潮也失效。,3,高流量过滤器,这是,Domnick,Hunter,公司开发的聚四氟乙烯（,PTFE,）材料为滤芯的以,High Flow Bio-x,和,High Flow,Tetpor,II,为代表的高流量过滤器，它结合了深层过滤技术和新的膜折叠技术。其过滤机理和过滤效率均同,Bio-x,过滤器，但所用材料,PTEE,是一种坚韧的疏水性材质，可以做成折叠滤芯，增加了过滤面积，使空气流量为,Bio-x,的,3,倍，延长了使用寿命，进一步缩小了体积。这种过滤器的空隙率达,94%,，大于普通的膜过滤器（,PTFE,为,75%,，,PVDF,为,66%,）。,4,其它膜过滤器,核工业净化过滤工程中心研制成功的,JPF,型聚二氟乙烯膜折叠式过滤器，通过微孔滤膜绝对过滤，过滤精度极高，滤膜采用折叠形式，通气量大，压力降小，介质材耐高温，疏水性强，使用寿命长。,第二节 生物加工过程的空气调节,一、空气调节的方法,二、湿空气焓,湿图,三、水与空气直接接触进行空气调节,四、表面换热器空气调节,五、向空气喷蒸汽进行空气调节,一、空气调节的方法,分成两大类：直接接触式和表面式。,直接接触式热、湿交换的设备特点是空气进行热、湿交换的介质和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中去。,表面式热湿交换设备的特点是与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热、湿交换是通过处理设备的金属表面来进行的。,二、湿空气焓,湿图,（一）湿空气的几个主要状态参数,（二）湿空气焓湿图介绍,（三）空气状态变化过程及状态变化过程的表示方法,（一）湿空气的几个主要状态参数,1,水蒸汽分压,w,空气中水蒸汽分压愈大，水汽含量就愈高。根据分压定律，与干空气分压之比,/=,为摩尔水汽与摩尔干空气之比，其中为湿空气的总压。,2,空气的湿含量,H,单位质量干空气中所含水汽的质量，称为空气的湿含量或绝对湿度，简称湿度，其单位为,kg/kg,，用符号,H,表示。,3,空气的相对湿度,为了表示距离饱和状态的程度，常用相对湿度来衡量。,4,露点温度,t,d,空气在湿含量,H,不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度称为露点温度,td,。,5,湿球温度,t,w,在温度,t,、为湿度为,H,的不饱和空气流中，在绝热条件下达到平衡所显示的温度，称为空气的湿球温度。,6,湿空气的焓,空气的增湿或减湿过程是与空气与水两相间传质与传热同时进行的过程，不仅有湿量的转移，也有热量的传递，因此有必要知道空气的另一个性质,焓。,（二）湿空气焓湿图介绍,1,等焓线和等含湿线,2,等温线,3,等相对湿度线,4,水蒸汽分压力线,5,热湿比线,（三）空气状态变化过程及状态变化过程的表示方法,1,等湿（干式）加热过程,2,等焓减湿过程,3,等焓加湿过程,4,等温加湿过程,5,减湿冷却（或冷却干燥）过程,三、水与空气直接接触进行空气调节,（一）空气与水湿热交换原理,（二）空气与水直接接触时的状态变化过程,（三）用喷水室处理空气,（四）喷水室的热工计算,（一）空气与水湿热交换原理,当空气遇到敞开的水面或飞溅的水滴时，便与水表面发生热、湿交换，在蒸发过程中，边界层中减少了的水蒸汽分子由水面跃出的水蒸汽分子补充；在凝结过程中，边界层中过多的水蒸汽分子将回到水面。,（二）空气与水直接接触时的状态变化过程,将空气与水的湿热交换过程看作饱和的与未饱和的两种空气的混合过程。随着水温不同，可以得到如图,4-33,和表,4-9,的七种典型的空气状态变化曲线。,（三）用喷水室处理空气,喷水增湿的方法又有两大类，其一是使喷洒的水量全部汽化后即能使空气达到要求的湿度。另一种方法是使大量的水喷洒于不饱和的空气中，结果使部分喷水汽化后进入空气中，得到近乎饱和的湿空气，并使空气降温。最常用的是用喷水室处理空气。,（四）喷水室的热工计算,（,1,）空气质量流速的影响,v,空气流速，,m/s,；,空气密度，,kg/m3,；,G,通过喷水室的空气量，,kg/h,；,f,喷水室的横断面积，,m2,（,2,）喷水系数的影响,（,3,）喷水室结构特性的影响,4,喷水室的热工计算方法,（,1,）该喷水室能达到的,1,应等于空气处理过程需要的,1,；,（,2,）该喷水室能达到的,2,应等于空气处理过程需要的,1,；,（,3,）该喷水室喷出的水能放出（或吸收）的热量应等于空气得到（或失去）的热量。,5,喷水温度与喷水量的关系,四、表面换热器空气调节,利用表面式换热器处理空气时能够实现等湿加热、等湿冷却和减湿冷却三种过程。,1,等湿过程的传热系数,2,减湿冷却过程的传热系数,五、向空气喷蒸汽进行空气调节,如果将空气加湿到饱和状态点之后还要继续加入蒸汽，则多余的蒸汽将凝结成水，放出来的汽化潜热又将使饱和空气的温度继续升高，即空气状态将沿饱和线上升到状态点,4,。点,4,的具体位置可按热平衡的原则或作图法得到。使用作图法时，先按加湿量大小在等温线的延长线上找到点,4,，过点,4,的等焓线与饱和线的交点就是状态点,4,。,The End,生物工程设备,第六章 通风发酵设备,对,通风发酵设备的要求,（,1,）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，内部附件尽量减少，以利于灭菌彻底和减少金属离子对发酵的影响。,（,2,）有良好的气液接触和液固混合性能，使物质传递、气体交换能有效地进行。,（,3,）在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅拌和通气时所消耗的动力，,对通风发酵设备的要求,（,4,）有良好的热量交换性能，以适应灭菌操作和使发酵在最适温度下进行；,（,5,）尽量减少泡沫的产生或附设有效的消沫装置，以提高装料系数；,（,6,）附有必要的可靠检测及控制仪表。,1.,发酵罐的结构,一机械搅拌通用式发酵罐,（一）发酵罐的基本条件,原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖，发酵所需要的氧气。,基本要求,1.,结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度与径高比一般为,1.74,，罐身越长，氧气的利用率越高。,2.,有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌过程和工作时，罐内有一定的压力和温度。因此需要一定的强度。,3.,搅拌通风装置使之气液充分混合，保证发酵液一定的溶解氧。,4.,足够的冷却面积。,5.,尽量减少死角。,6.,轴封严密。,7.,维修操作检测方便,（二）发酵罐的结构,好气性机械搅拌发酵罐是密闭式受压设备，主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、打泡器、中间轴承、空气吹管（或空气喷射管），挡板、冷却装置、人孔等,1.,罐体,结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊接而成，,材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用衬不锈钢或复合不锈钢制成。,刚度和强度：受压容器，空消,或,实消，通常灭菌的压力为,2.5,Kg/m3,。,小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。顶部设有清洗用的手孔。,接管,罐顶：进料管，补料管，排气管，接种管和压力表管。,罐身：冷却水进出管，进空气管，温度计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠近封头的轴封位置。,2.,搅拌装置,目的：有利于液体本身的混合及气液、气固之间的混合，,质量和热量的传递，特别是对氧的溶解具有重要的意义，,加强气液之间的湍动，增加气液接触面积及延长气液接触时间。,搅拌器结构,搅拌器可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液流。,发酵罐中以径向液流为主。,用涡轮式搅拌器时为避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅拌器中央常带有圆盘。,常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种。,叶片数一般为六个，也有少至四个或多至八个的。,搅拌器结构,为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。,功率消耗：平板式最大，弯叶式次之，箭叶式最小。,搅拌器宜用不锈钢制造。,1.,圆盘平直叶涡轮搅拌器,与没有圆盘的平直叶涡轮搅拌特性差别小，,从单口管喷出的气泡受到圆盘的阻挡，避免从轴部的叶片空隙上升，保证了气泡的更好的分散。,循环输送量和功率输出大,适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿流体的搅拌混合。,2.,圆盘弯叶涡轮搅拌器,搅拌流型与平直叶涡轮相似，,造成液体径向流动较为强烈，,因此在相同的搅拌转速时，混合效果较好，功率输出较小。,适用于混合要求特别高，而溶氧速率相对要求较低的发酵产品生产。,3.,圆盘箭叶涡轮搅拌器,其搅拌流型与上述两种涡轮相近,轴向流动更强烈。,相同转速条件下，造成的剪切率低，输出功率也较低。,挡板,阻止液面中央部分产生下凹的旋涡，,64,块挡板可满足全挡板条件,宽度为,0.1-0.12,D,。,全挡板条件：能达到消除液面旋涡的最低条件。在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数,Z,，,与挡板宽度,W,与罐径,D,之比有关。,挡板计算,n(b/D)=n,（,0.1-0.12D,）,/D=0.5,D,发酵罐直径，,b,挡板宽度,N-,挡板数,3.,通气装置,将无菌空气导入罐内的装置,最简单的通气装置：单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口往下，以免培养液中固体物质在开口处堆积和罐底固形物质沉淀。,管口与罐底的距离约为,40,mm,。,开口朝下的多孔环形管：,环的直径约为搅拌器直径的,0.8,倍。,小孔直径,5-8,mm,孔的总面积约等于通风管的截面积。,通气量较小时,，,气泡的直径与空气喷口直径有关。,喷口直径越小，气泡直径越小，氧的传质系数越大。,发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气量有关而与分布器直径无关。,强烈机械搅拌时，多孔分布器对氧的传递效果并不比单孔管为好，会造成不必要的压力损失，且易使物料堵塞小孔。,4.,传热装置,排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械搅拌产生的热量的装置,在发酵过程中，放出的热量可用如下的热平衡方程式：,Q,发酵,=,Q,生物,+,Q,搅拌,-,Q,蒸发,-,Q,显,-,Q,辐射,Q,发酵,发酵过程中释放的净热量,Q,生物,生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热,Q,搅拌,3600,Pg,，,Pg,搅拌功率，,功热转化率,860,（,Pg/V,）,Pg/V,，,单位体积培养液所消耗的功率（在通气情况下）,860,，热功当量，,kcal/,kw,h,Q,蒸发,排出空气带走水分所需的潜热,Q,显,排出空气带出的显热,Q,辐射,因罐外壁与大气间的温度差使罐壁向大气辐射的热量,Q,蒸发,+,Q,显,=,Q,空气,=,(,I,2,-I,1,)(L/V),L/V,单位培养液体所导入的干空气重量,Kg/m,3,I,2,-I,1,空气进入及离开发酵罐时的热含量,Kcal/Kg,计算,需,实测，实测过程中维持培养液的温度不变，定期测量冷却水进口及出口的温度,t,2,及,t,1,以及冷却水的流量,G,Q,发酵,=(t,2,-t,1,)GC/V,G,水的流量,C,水的比热,T,2,、,t,1,水的进口、出口温度,V,培养体积,发酵罐传热面的传热系数,K,=Q,发酵,V/,（,F t,m,）,F,传热面积,t,m,发酵液与冷却水间的平均温差,发酵换热装置的形式,1.,夹套式换热
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