[工学]生化设备讲义.doc

《[工学]生化设备讲义.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]生化设备讲义.doc（49页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、生物工程设备绪论1、生物过程工程与设备的特点（1）对于所有微生物或动植物细胞来讲，提供必要和足够的营养和能量，才能维持其生命代谢活动。（2）培养基原料的预处理不仅影响细胞代谢生长，而且对于培养基原料成本大小和是否造成环境污染等具有决定性影响。（3）如何合理的设计一级、二级或三级种子培养系统，以及各级种子培养时间和接种比例，达到种子系统与生产培养过程合理配套，获得最大的得率。（4）生物反应过程中的细胞培养一般都是纯种培养过程。（5）对于好氧的细胞培养过程，如何保证足够的氧气供给，又尽可能节省能量，是好氧培养过程的重要组成部分。（6）细胞不可能将底物全部转化利用，并且代谢产物几乎以混合物的形式存在

2、，如何选择合适的分离纯化方法，使之高效率、低成本地从培养液中得到所需产品是决定生产成败的关键。 第二章1生物工程设备生物反应器 生物反应物料处理及产物分离纯化设备 辅助设备（动力：水、空气、蒸汽、冷等）2生物反应器的特点充分考虑生物体生长条件等要求 融合化学工程方面的知识 反应器传热、传质性能环境要求，温度、溶氧、pH的要求 剪切力的影响3生物反应器的种类厌氧反应器 通气反应器 光照生物反应器 膜生物反应器 按形状分：罐、管、塔、池。 第三章 生物反应器之通风发酵设备1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

3、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，（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。2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。 3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

4、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2.5Kg/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。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。a、搅拌器结构为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，

5、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。b、分类 圆盘平直叶涡轮搅拌器 圆盘弯叶涡轮搅拌器 圆盘箭叶涡轮搅拌器c、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0.1-0.12D。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。d、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。

6、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Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射Q蒸发+Q显=Q空气=(I2-I1)(L/V)发酵罐传热面的传热系数K= Q发酵V/（F tm） F传热面积 tm发酵液与冷却水间的平均温差 (5)发酵换热装置的形式1.夹套式换热装置：多用于容积较小的发酵罐、种子罐。优点：结构简单, 加工容易罐内无冷却设备，死角少，容易进行灭菌工作，有利于发酵。缺点是传热，传热系数100250。2、竖式蛇管换热装置：竖式的蛇管分组安装于

7、发酵罐内，有四组、六组或八组。优点：冷却水在管内的流速较快，传热系数高。约为300450（有时可达8001000）。缺点：容易被腐蚀，增加培养液中金属离子的浓度，腐蚀而形成穿孔，引起污染。3、竖式列管（排管）换热装置：传热系数较蛇管低，用水量也较大。（6）机械消沫装置消沫器可分为两大类：内置：防止泡沫外溢，它是在搅拌轴或罐顶另外引入的轴（指搅拌轴由罐底伸入时）上装上消沫桨。另一类置于罐外，目的是从排气中分离已溢出的泡沫使之破碎后将液体部分返回罐内。第一类最简单的是桨式消沫桨。（7）连轴器及轴承支承常用：刚性夹壳式连轴器：由两个半园筒形的夹壳组成，用螺栓固定。这种连轴器的优点是拆装方便，拆装时轴

8、不需要作轴向移动。刚性凸缘式连轴器：由两个带凸缘的圆盘组成，半连轴器与轴是通过键进行固定，由轴上的轴启与锁紧螺母达到轴向固定。（8）轴封搅拌轴的密封称为动密封。因为在发酵罐的密封除静密封外，还要考虑搅拌轴与罐盖之间的密封。由于搅拌轴是转动的和运动的，而顶盖是固定静止的，对这种运动与静之间的密封称为动密封。a、对动密封的基本要求：1.、.密封要可靠；2.机构要简单；3.使用寿命要长。发酵罐中使用最普遍的动密封有两种：填料函密封和机械密封（或称端面密封）1.填料函密封 特点：结构简单，填料拆装方便。缺点：、死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌。、轴的磨损较严重、增加由于摩擦所损耗的功率，产生大量的

9、摩擦热、寿命较段，需经常换填料2.机械密封原理：靠弹性元件（弹簧、波纹管）及密封介质压力使两个精制的，精密的平面（动环和静环）间产生压紧力，相互贴紧，并作相对旋转运动而达到密封。主要作用是将较易泄漏的轴面密封，改变为较难渗漏的端面（径向）密封。 优点: 1. 泄漏量极少，约为填料函密封的1，动、静环密封圈与转轴或压盖是相对静止而几乎不受磨损，端面材料是由具有高度平直、滑动性、耐磨性好的适当材料构成的，即使无润滑性流体进行润滑，密封端面的泄漏量也是极少的。2. 使用工作寿命长。机械密封的磨损部分只限于密封端面，由于选用适当的耐磨材料因此它的磨损量极小，一般条件下可工作半年至一年，质量好的机械密封

10、寿命可达25年以上。3不需要调整。动环由于密封流体压力和弹簧力等推向静环方向，密封面自动保持紧密接触，因此不需要调整。4摩擦功率损耗小。由于密封端面的面积小、摩擦系数小，故摩擦阻力小，功率消耗小。其损耗功率仅为填料函密封的1015。5轴与轴套不受磨损。6结构紧凑，安装长度较短。由于不需要调整用的间隙，因而使结构紧凑。缺点：结构复杂，密封加工精度要求高，安装技术要求高，拆装不便，初次成本高等。 4、气升式发酵罐特点是结构简单。不需要搅拌 不易污染，氧传质效率高，能耗低，节省动力约50%；装料系数达8090%； 安装维修方便，冷却面积小，剪切力小较适于单细胞蛋白等的生产 5外循环与内循环气升式发酵

11、罐上升管和下降管的布置可以装在罐外，称为外循环也可装在罐内，称为内循环。工作机理 ：罐内外装设上升管，上升管两端与罐底上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷嘴口，空气以250300m/s的高速度喷入上升管，使空气分割细碎，使上升管的发酵液比重较小，加上压缩空气的动能，使液体上升，罐内液体下降，进入上升罐，形成反复的循环 6、气液比R空气喷出压力差p及循环速度vm之间的关系，通气量对其混合和溶氧起决定作用通气压强（空气喷出压力差p）：发酵液流动与溶氧有相当影响气液比R= VC /V G环流速度取1.2 1.8 m/s，多段导流管或有筛网时可降低。7溶氧传质气液传质速率取决于发酵液

12、的湍动及气泡的剪切细碎状态，气液湍动与混合受反应器输入能量的影响反应溶液气含率与空气截面速度vs关系： h=KvsnK,n为经验指数，鼓泡塔式发酵罐低通气速率时，n=0.7 1.2，高通气速率时，n=0.4 0.78体积溶氧系数为空截面空气速度的函数kLa=bvsm水和电解质，m=0.8 b实验数据，与空气分布器形式和溶液性质的函数气升环流式发酵罐当通气输入功率为Pg/VL=1kW/m3，OTR=2 3kg/（m3h），溶氧速率为2kg/（kWh）9、在设计和和选用环流式发酵罐时，还应注意下列几点：液面到喷嘴的垂直高度是影响气升效率的重要因素，设计或选用时应不小于4m；液面到环流管出口高度直接

13、影响液体循环。液面低于环流管出口时，液体循环量和升液效率明显下降，液面愈低，效率愈低；液面高于环流管出口时，对提高效率并无明显影响，当液面超过环流管出口1.5米时，如果罐内液体旋转混合不够有力，就有可能产生“循环短路”现象，使发酵效果不良。 为了降低液体循环摩擦阻力，应尽量缩短环流管的总当量长度；尽量采用直径较大的单管式环流管；环流管的出口应开在发酵罐侧壁，并以切线方向与罐相接。 增大压差p时，可增加通气量和发酵液循环量，缩短循环周期。所以，对要求较大溶氧量的生物细胞发酵，如条件允许，可适当加大压差p。 通常压差p较小时，采用较大的喷嘴，反之用较小的喷嘴。10、自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不

14、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。特点：节约设备投资，减少厂房面积。溶氧速率高，溶氧效率高，能耗低。某些发酵则生产效率高，经济效益高。缺点：易染菌，需高效过滤系统种类：机械搅拌自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 溢流喷射自吸式发酵罐11机械搅拌自吸式发酵罐机理：在转子启动前先用液体将转子浸湿，然后启动马达使转子转动。由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下被甩向叶轮外缘，而使流体获得能量，通风机理：转子叶轮空腔内的流体从中心甩向外缘时，中心形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大。由于转子的空腔用管子与

15、大气相通，由于大气的空气不断的被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导轮而使气流均匀甩出。转子搅拌使气液在转子的周围形成强烈的混合流，使刚离开叶轮的空气不断在发酵液分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中。自吸式通风装置在搅拌的同时，完成了通风作用。设计要点：高径比：利用负压吸空气，不宜取大。以液面与搅拌吸气转子的距离2-3m。转子与定子的确定；三棱叶转子特点：直径大；较低转速时吸气量大；吸气量稳定，吸程大；搅拌功率高；直径为罐直径的0.35倍12、喷射自吸式发酵罐13、液体喷射自吸式发酵罐14、溢流喷射自吸式发酵罐15、呼吸强度：单位菌体浓度的耗氧速率。或单位质量的细胞（干重）在单位

16、时间的耗氧量。单位： molO2/kg干细胞.s 16、双膜理论的要点（前提条件）：（1）在气泡与包围气泡的培养液之间存在界面，在界面的气泡一侧存在一层气膜，在界面的液体一侧存在一层液膜。气膜内的气体分子与液膜中的液体分子都处于滞（层）流状态，分子间无对流运动。氧分子只能以扩散方式即借助浓度差推动穿过双膜进入液相主体。另外，气泡内除气膜以外的气体分子处于对流状态，称为气体主流。在主流的任一点氧分子浓度相等。液相主流也是如此。（2）在双膜之间的两相界面上，氧的分压强与溶解于液膜中的氧的浓度处于平衡状态。（3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。当气液传递过程处于稳定状态时，

17、通过气膜、液膜的传氧速率N是相等的。即：已知当传质平衡时，总传氧速率=各步传氧速率。17、体积溶氧系数kLa的测定方法（1）亚硫酸钠氧化法原理：Na2SO3含量一定的水溶液中加Cu2+(cat),水溶液中通入O2，溶解于水溶液中的O2立即与Na2SO3反应，从而使溶液中氧的浓度为零，溶氧速率是控制氧化反应的因素。反应式：2Na2SO3+ O2 2Na2SO4剩余的Na2SO3与过量的I2反应（加入I2固定，但过量）Na2SO3+ I2+H2O Na2SO4+2HI 根据Na2SO3的氧化量求出氧的溶解量（Nv）kd的计算： 传氧速率方程： 对亚硫酸钠氧化法 C=0 与之平衡的气相。 氧分压P*

18、=0， 即Nv= kdP 已知： 所以： （2）溶氧电极法（对真实发酵液）测定溶氧浓度的原理：阳极：铅电极，阴极：银电极，构成原电池。阴极只允许溶氧透过而不透过水和离子的膜。影响kLa的因素及调节a影响发酵液中体积溶氧系数kLa的因素操作条件的影响: 1）增大Pg/v（单位体积发酵液输入的搅拌功率）对kLa有提高作用。2）一般情况下，增加通气量Q，以提高VS，也能提高kLa，但当Q原已很高时，进一步提高， Pg会降低，因为通气量超过一定限度，搅拌器不能有效地将空气泡分散到培养液中而是在大量气泡中空转，出现过载现象，使搅拌功率下降，反而不能提高kLa，要综合考虑（ VS、 Pg）两个因素。3）各

19、指数项随反应器规模而改变，规模越大， Pg/V的指数越小，从而影响kLa大小，此外，各指数项也随反应器形状、结构变化。4）搅拌器涡轮的个数Z对搅拌器的轴功率Pg影响，因此对kLa也有影响。b提高kLa的途径1、增加搅拌转速n，提高搅拌器的轴功率Pg可有效提高kLa；2、增加通气量Q，以提高通气速率VS，但要有效地将Q、Pg的调节结合起来；3、丝状菌的繁殖导致发酵液粘度的急速上升和kLa的急剧下降，过高地提高转速和通气速率可能导致菌丝体的断裂，这时可放出一部分发酵液，补充新鲜无菌的等体积培养基，可使kLa大幅度回升。4、向发酵液中加入少量水不溶性物质，如十二烷，以增加a值，相应提高传氧速率。c影

20、响氧气液传递速率的因素传氧方面的阻力主要存在于气泡外侧的层流液膜，提高液膜的氧传递速率，就可以提高反应器的供氧能力。1、氧的溶解性氧在培养液中的溶解度对Nv有很大影响，而培养液是由多种有机物和无机盐组成的，因此培养液的成分会影响Nv的大小。2、影响传氧推动力的因素培养液中的溶质浓度增大，氧的溶解度降低，传氧推动力降低。据亨利定律：提高气相中的氧分压P就可以相应提高氧的平衡浓度C*。方法一：提高反应器的压力，但随着罐压的升高，CO2分压也升高。由于CO2的溶解度大大于O2，因此培养液中有较高浓度的CO2，对一些培养过程可能产生不良影响。方法二：增加通入无菌空气的氧含量，进行富氧通气。冷冻分离法：

21、氧含量为99.699.8%吸附分离法：压缩空气过吸附柱，分离氧气。膜分离法：高分子滤膜过滤分离，氧含量达 30%左右。第一部分 生物质原料处理过程与设备1、生物质原料筛选与分级2、生物质原料的粉碎3、生物质原料固体间的混合固体物料的筛选与除杂设备工厂里以初级粮食为原料的生产中，需要对原料在收获、贮藏和运输中混入的各类夹杂物，如杂粮、泥土块、沙子、小石块、碎木块、麻绳、草屑、铁器、螺丝等夹杂物分离处理。分为：纤维性、颗粒性、铁磁性物质。筛分的目的n 对大麦发芽性能均一性的影响n 对一般物料粉碎选择合适的设备有利1、筛选与分级设备1.1 磁力除铁器（1）永磁溜管23个盖板，每个盖板上装有两组前后错

22、开的磁铁。连续磁选、拆板清理。（2）永磁滚筒n 机构包括进料装置、滚筒、磁芯、机壳和传动装置等。n 磁芯，由锶钙铁氧体永久磁铁和铁隔板按一定顺序排列成170的圆弧形，安装在固定的轴上。磁芯一般固定不动。1.2 精选机精选目的：除杂粒，如大麦中的豆类、小麦和大米等除去伤残粒，因为大麦发芽时伤粒易生霉。 精选适用于颗粒状物料，按颗粒长度分级。 精选机理：利用带有袋孔（窝眼）的工作面来分离杂粒物料，袋孔中嵌入长度不同的颗粒，带升高度不同而分离。（1）碟片式精选机主要构件是一组同轴安装的圆环形铸铁碟片，碟片的两侧工作面制成许多特殊形状的袋孔，当碟片在粒状物料中转动时，短粒物料就会被嵌入袋孔而被带到较高

23、位置，由于孔底逐步向下倾斜，短粒物料受本身重力作用再从袋孔中倒出，落入收集槽中。长粒物料因其长度较袋孔长，虽有可能进入袋孔，但因其重心仍在袋孔之外，当碟片还未带到一定高度，即从袋孔中滑落，因而达到长短粒物料的分离目的。(2）滚筒式精选机 主要构件是一个表面开有袋孔的旋转圆筒。长粒物料不能进入袋孔，在进料压力和滚筒倾斜的影响下向滚筒另一端移动流出，短粒物料则嵌入袋孔被带较高位置，落入中央收集槽中，由螺旋输送机送出从而得到分离1.3 筛选分级设备 生产中往往需要将粒度的不同物料分级，来进行不同的处理，这就 需要筛选分级。 筛选操作 筛选设备一般分为振动筛和转筒筛两种。（1）振动筛 筛选和风选 三级

24、振动筛 平面筛（2）转筒筛n 物料从小孔端进入，由大孔端排出，从而分出三个级粒。n 倾斜角35n 圆周速度0.71.0m/s2 固体物料的粉碎设备固体物料粉碎的目的：粉碎后颗粒度变小，原料的表面积显著增大，可加速蒸煮时的溶解过程，节省蒸汽，减少能量消耗，提高淀粉利用率，并减少输送管道的阻塞现象，便于连续化生产。生物质原料的粉碎n 粉碎指大块固体物料破碎成小块物料，或小块物料进一步破碎成粉末状物料。n 物料粉碎的必要性：溶解、混合和反应。n 机械粉碎的5种形式（5种粉碎力）：挤压、冲击、研磨、劈裂和剪切。n 粒径范围: 粗碎. 原料粒度401500mm，成品粒度550mm 中细碎.原料粒度550

25、mm，成品粒度0.15mm 微粉碎.原料粒度510mm，成品粒度100m 超微粉碎.原料粒度0.55mm，成品粒度1025mn 粉碎比（粉碎度），粉碎前后的粒度比。 粉碎比，粗碎为26，中、细碎为550，磨碎为50以上。总粉碎比是经过几道粉碎步骤后的总结果。 对于物料的粉碎，必须根据物料的特性，以及粉碎要求选择合适的粉碎方法，对于坚硬的和脆性的物料，挤压和冲击很有效。对韧性物料剪切力作用较好。对方向性物料则劈碎较好。 任何一种粉碎机，都是几种方法的结合，这样最有效。粉碎设备：（1）锤式粉碎机n 适用范围: 中等硬度物料的中、细碎，脆性物料。n 锤刀： 可拆换，可摆动避开硬物。高碳钢和锰钢，可两

26、头调换使用。n 工作原理：物料从上方料斗加入，在悬空状态下就被锤的冲击力所破碎。然后物料被抛至冲击板上，再次被击碎。此外物料在机内还受到挤压和研磨的作用。2）盘磨机 两个带沟纹的圆盘，一个和轴一起转动，另一个固定在外壳上，物料由料斗进入圆盘中心，由于离心力的作用，物料在两个圆盘缝隙中向外甩出，并受到圆盘的研磨和剪切作用而被粉碎，间隙可调。 若两圆盘同时反向旋转，则研磨剪切作用更强。（3）球磨机 由转筒和硬质球体组成。 球体随筒旋转而升起，当球的重力大于所受的离心力时落下，对物料产生撞击，同时靠近筒壁的物料也可为圆球所研磨，转速过快和过慢都没有撞击作用，粉碎效果差。 研磨体（球体）装填量越少，筒

27、体转速越大（在极限转速范围内），则研磨体的滑动也越小，故对物料的研磨作用也较小。研磨体量大时，靠近磨机内筒体端面中心部分的研磨体，不足以形成抛射运动，而易产生相对的滑动，致使物料主要受到研磨作用。所以在粒度较大物料研磨时，研磨体的尺寸要大些，装填量少些，使冲力作用加强；反之，研磨体尺寸小些，装填量多些，则有利于小粒物料的研磨。可见，研磨体装填量、尺寸大小和转速的配合直接影响着球磨机的操作质量。n 通常，球磨机的合适转速可按下式求得： D 转筒直径（m）n 圆球由硬质耐磨材料制成，如锰钢、铬钢、辉绿岩等，也可选用鹅卵石。n 转筒内还可衬以锰钢纵列护板，并一高一低的构成波形内壁以增强球下落时的撞击

28、力。辊式粉碎的目的n 皮壳:破而不碎n 对胚部分:尽可能细（4）辊式粉碎机分类a.两辊式粉碎机 主要工作机构为两个相对旋转的平行装置的圆柱形辊筒，装在两辊之间的物料通过辊筒对其的摩擦作用而被拖入两辊的间隙中被粉碎。辊筒：有的表面光滑，有的表面有齿、有的表面有凸棱或凹槽。作用力：挤压、剪切和研磨。（等速转动，有转速差）要得到粒度较细的成品：提高转速、具有一定转速差（1520）b.四辊式粉碎机 原料经第一对辊筒粉碎后，由筛选装置分离出皮壳排出，粉粒再进入第二对辊筒粉碎。c.五辊式粉碎机 前三个辊为光辊，后两个为丝辊。即先挤压破碎，可以使生物质原料的皮壳不致粉碎的太细而影响后序工作最后挤压研磨粉碎成

29、细粒细粉。d.六辊式粉碎机 同五辊式粉碎机，三对辊筒，前两对为光辊，后一对为丝辊。3.生物质原料固体间的混合 固体混合依靠机械作用，粒状成分在混合的同时，因为性质差别，同时伴以分离过程，所以，这种混合只能达到总体的均匀而不能达到局部的均匀性。（1） 固体混合的机理对流混合：固体粒子的循环流。剪切混合：粒子间相互滑动和撞击产生。扩散混合：存在状态不同而产生的局部混合作用。（2）混合设备a.回转型混合机n 水平圆筒型混合机与倾斜圆筒型混合机水平圆筒型混合机仅靠扩散作用混合，效率低。倾斜圆筒型混合机混合效果较好，有两种倾斜方式，两轴心重合并与水平面成一定角度，物料作螺旋混合。另一种是圆筒轴和旋转轴成

30、一角度，物料呈复杂的环状移动。n V型混合机 由两个圆筒V型交叉结合，交角80或81，减小交角可提高混合程度。主要靠粒子反复的分离与合一而达到混合作用。n 双锥型混合机b.固定型混合机n 搅拌槽式混合机：螺旋带状搅拌器，中心两端搅拌。n 回转圆盘型混合机：高速旋转的圆板离心力作用。n 锥形混合机：锥形内的螺旋推进器既公转也自转。自转使物料自底部上升，公转作用使物料全范围内产生漩涡和上下循环运动。n 流动型混合机：高速回转的搅拌叶对物料产生剪切和离心作用，形成对流混合。5 培养基的制备设备1、液体培养基的灭菌2、淀粉质原料的蒸煮与糖化3、啤酒生产中麦芽汁的制备设备4、淀粉水解制糖一、液体培养基的

31、灭菌 发酵生产中，往往需要对培养基及其发酵设备进行灭菌，一般工业上常采用蒸汽湿热灭菌。1、湿热灭菌原理和影响灭菌的因素 灭菌程度和营养成分的破坏是灭菌工作中的主要矛盾，恰当掌握加热温度和时间是灭菌工作的关键。（1）对数残留定律（2）温度对微生物死亡速率的影响微生物的热死原理对数残留定律 微生物热死灭（受热死亡）动力学方程符合化学反应的一级动力学方程。 V活菌死亡速率（个/Lmin） N任一时刻活菌的浓度（个/L） t 灭菌时间（min) k 比热死速率常数（杀菌速率常数)（min-1) 恒定温度下，上式积分： 维持灭菌温度不变，经历不同的灭菌时间t1、t2、t3检测相应的活菌数N1、N2、N3

32、计算相应的存活率 （灭菌度，一般要求N=10-3）。斜率为K图21 大肠杆菌营养细胞的死亡曲线关于k的几点说明： （1）对于同一种微生物来说，不同的灭菌温度T对应的k值不同。灭菌温度T高，k越大。 （2）同样的灭菌时间，k越大，对应越小，而N越小,表明k值越大，微生物越易死亡。 （3）不同的微生物，其k值不同,D值也不同。（4）对同一种微生物，其营养细胞和芽孢的k值有差别,因此有不同的死亡曲线。图22 嗜热脂肪芽孢杆菌芽孢在不同温度下的残留曲线nn 解释：耐热性好的芽孢受热后被激活，先转变为对热敏感的状态，然后象营养细胞一样受热死亡，表现出对残留曲线的偏离，但仍基本上符合一级动力学曲线。温度对

33、k的影响Arrhenius 影响培养基灭菌的因素营养成分的保持培养基灭菌既要杀死杂菌的芽孢，又要保存其中的营养成分。实验表明：细胞孢子热死反应活化能很高，而营养成分热破坏反应活化能很低。（营养成分受热分解也符合一级反应，v= - dC/dt = kC）活化能大的反应，k随温度变化率也大将T提高到一定程度会加速细菌孢子的死亡速率，而有效成分破坏的幅度相对提高较少，但因灭菌时间大为缩短，总的营养破坏量因之减少。n 结论：高温短时灭菌既能快速灭菌，又能有效保存培养基中的有效成分。高温短时灭菌技术：广泛使用。微生物的耐热性无芽孢细菌：60 加热60min 可杀死 70 加热5min 霉菌孢子：88 加

34、热 3min 可杀死细胞芽孢：100 加热 30min 仍未杀死 培养基中含各种微生物，不能逐一加以考虑，若将全部微生物作为耐热的细胞芽孢计算，会加长加热时间和温度。 灭菌所需的时间取决于把活的细胞芽孢减少到所规定数目的时间。故把培养基中原有细菌和细菌芽孢数之和作为计算的依据。PH PH = 6.08.0 ， 微生物最不易死亡。 PH 6.0 ，H+易渗入微生物细胞，促使其死亡。PH愈低，灭菌时间愈短。培养基成分 油脂、糖类、一定浓度的蛋白质会增加生物的 耐热性。高浓度的有机物包在细胞周围，形成一层薄膜，影响热传入，灭菌温度应提高。 高浓度盐类、色素削弱细胞耐热性，易灭菌。 大肠杆菌 ： 水

35、6065 死亡 10%糖液 70 46min 死亡 30%糖液 30min 死亡泡沫培养基中有泡沫对灭菌极为不利，泡沫在空气中形成隔热层，使热难渗透进去杀死其中的微生物。加消泡剂（植物油、动物油、高分子化合物）。颗粒大小颗粒小，易灭菌；颗粒大，难灭菌。大颗粒除去。2、连续灭菌流程及设备 为了减少培养基营养成分受热损失，灭菌尽量采用高温短时的连续灭菌，即在培养基输送至发酵罐的同时进行加热、保温和冷却而进行的灭菌。（1）连消塔-喷淋冷却连续灭菌流程（2）喷射加热-真空冷却流程（3）板式换热器灭菌流程3、设备构造（1）连消塔 是培养液高温短时间连续灭菌设备，它与维持罐组成连续灭菌系统，分套管式和汽液

36、混合式两类。连续灭菌设备：套管式连消塔连消塔内有蒸汽管，管壁上开有倾斜向下的小孔，喷出蒸汽，与迎面而来的培养液接触，可增加混合速度，缩短升温时间。要求：培养液流动速度小于0.1m/s，靠近蒸汽入口位置的孔距要大，随后孔距减小，使蒸汽加热均匀。（2）维持罐 灭菌系统中的维持设备，主要是使加热后的培养基在维持设备中保温一段时间，以达到灭菌的目的，也称保温设备。（3）喷射加热器 可使料液和蒸汽迅速接触，充分混合，加热是在瞬时内完成的。喷射加热器：培养液经渐缩喷嘴1，以高速喷出时，将蒸汽由吸入口2吸入，然后进入混合喷嘴4中混合，混合段5较长，有利于气液混合。然后经扩大管6流入维持管道。（4）冷却设备

37、常用喷淋冷却器和套管冷却器。 前者是将冷却水通过喷淋装置均匀的淋在水平的排管上，以冷却管内的培养基。后者是一种内管走热培养基，内外管间的管隙中走冷却水的冷却器。喷淋冷却器：喷淋冷却作用，除冷热流体进行热量交换外，更主要的是冷水沿管壁流下的工程中，发生汽化，带走大量的热能，因此冷却效率极高，但在夏季冷却水消耗量很大。真空冷却器：真空冷却器的器身为圆筒锥底，培养液以切线方向进入，由于冷却器被抽成真空，培养液产生大量的二次蒸汽，从器顶进入冷凝器，在冷凝器内与冷水直接接触而被冷凝，不凝性气体则由真空泵或蒸汽喷射器抽走。培养液在冷却器内旋转被离心甩向周边沿壁流下。真空度：7080kPa温度：6065二、

38、淀粉质原料的蒸煮与糖化淀粉质原料蒸煮的目的目的1：原料吸水后，借助蒸煮时的高温高压作用，使原料的组织、细胞壁破裂，细胞内容物流出，呈溶解状态，以利于淀粉酶的水解，使淀粉变成可发酵性糖，也称糊化。目的2：借助蒸汽的高温高压作用，对培养液进行灭菌。蒸煮流程及设备长圆筒形蒸煮罐，上下为球形封头。加热蒸汽管口与粉浆入口管口的距离为200mm；下封头为球形，因为该处有高速喷入的粉浆和蒸汽，对下封头内壁产生摩擦，球形封头比锥形耐磨，从而减少噪音和震动，减少对下封头的磨损。顶部糊化醪液出口管应伸入罐内300400mm，使罐顶部留有一定空间。高温蒸汽入口处，必须装有止逆阀，以防蒸汽管路压力突然降低时，培养液倒

39、流入管口，造成阻塞。为避免过多的热量散失，蒸煮罐外壁必须安装良好的保温层。蒸煮罐的直径不能太大，否则醪液从罐底进入后作返混运动，不能保证醪液的先进先出，致使受热时间不均匀，可能有部分醪液蒸煮不透，而有局部醪液过热而焦化。罐3加热，罐4不再进入高温蒸汽，是保温、维持一定时间，起后熟作用，最后一个罐主要起汽液分离作用，使经过加热、后熟的醪液分离二次蒸汽。连续蒸煮罐数目不能太少，宜采用36个。但数目太多，则压力降低过大，后熟器压力低，以致醪液压不到最后一个后熟器。（2）柱式连续蒸煮设备（3）管式连续蒸煮 1-输送机 2-斗式提升机 3-贮料斗 4-锤式粉碎机 5-螺旋输送机 6-粉浆罐 7-泵 8-

40、预热锅9-近料控制阀 10-过滤器 11-泥浆泵 12-单向阀 13-三套管加热器 14-蒸煮管道 15-压力控制阀 16-后熟器 17-蒸汽分离器 18-真空冷凝器 19-蒸汽冷凝器 20-糖化锅 糖化设备（1）连续糖化罐：连续糖化罐的任务是把已降温至6062的糊化醪，与糖化醪液或曲乳（液）混合，将60下维持3045，保持流动状态，使淀粉在酶的作用下变成可发酵性糖。 如图2-5所示，连续糖化罐是一个圆筒外壳，球形或罐形底的容器。若进入的糊化醪未经冷却或冷却不够，则糖化罐内需设有冷却蛇管。为保证醪液在罐内达到一定的糖化时间，应保证糖化醪的容量不变，故设有自动控制液位的装置。罐内装有搅拌器12组

41、，搅拌转数为4590r/min。1糊化醪进管； 2水和液体曲或曲乳或糖化酶进入；3无菌压缩空气管；4人孔；5温度计插口；6杀菌蒸汽进口管；7糖化醪出口管；8搅拌器糖化罐的体积取决于醪液流量和在罐中的停留时间以及装满程度，可按下式计算：式中 糖化醪液量（包括曲量），m3/h 醪化液在罐内停留时间，min 装填系数，0.750.85。 连续糖化罐的直径，圆筒部分高和球形底（或罐底）高度之间的比例关系如下：（2）真空糖化装置：真空糖化装置如图2-6所示，依靠压力差蒸煮醪液由汽液分离器，与糖化曲液（由计量暂存桶）同时进入到蒸发-糖化器。输送曲液（糖化醪液稀释水）到喷射-蒸汽的湍流中是依靠发生引射的混合

42、效果，使曲液与蒸煮醪充分接触。在糖化罐内蒸煮醪被迅速冷却。符合糖化的最小体积应使糖化醪在真空糖化罐内平均停留时间为20（连续糖化采用4045或更长时间），然后进入三级真空冷却的第一室。汽液分离器（最后一个后熟器）；糖化曲液计量罐；真空糖化罐，冷凝器； 三级真空冷却器，三级冷凝器糖化醪泵；1、2、8阀；3、4、5、6、9控制阀及管；5测温管啤酒生产中麦汁的制备设备 啤酒厂糖化车间是关系到啤酒产量和质量的关键车间之一。主要任务是原料加水糊化、糖化、糖化醪过滤和麦汁煮沸。其主要设备也是为完成这几项任务而设的。1啤酒厂糖化设备的组合方式（1）四器组合，一般的啤酒厂多采用四器组合，每一个锅负责完成一项任

43、务，四器为糊化锅、糖化锅、过滤槽（或压滤机）和麦汁煮沸锅。四器组合适用于产量较大的工厂（2）六器组合，为了加大产量，提高设备利用率，在四器组合的基础上，增加一只过滤槽和一只麦汁煮沸锅，变为六器组合。另一种六器组合方式为两只糖化糊化两用锅，两只过滤槽和两只麦汁煮沸锅。更便于生产周转。（3）两器组合，仅由一个糖化锅兼麦汁过滤槽和糊化锅兼煮沸锅组成。这种设备组合简单、投资少，适用于小型啤酒厂，近年来兴起的 “微型扎啤酒坊”都采用两器组合。 2糊化锅 糊化锅是用来加热煮沸辅助原料和部分麦芽粉醪液，使其淀粉液化和糊化。（1） 糊化锅的构造。如图2-7所示，锅身为圆柱形，锅底为弧形或球形，设有蒸汽夹套。顶

44、盖中心有直通到室外的升气管，升气管的截面积一般为锅内料液面积的1/501/30。粉碎后麦芽粉等和热水由下粉管及进水管混匀后送入，借助桨式搅拌器的作用，充分混匀，保证醪液中较重粒子的悬浮。底部夹套的蒸汽进口为4个，均匀分布周边上。最后糊化醪经锅底出口用泵图2-7 糊化锅1筒形风帽；2升气管；3下粉管；4人孔双拉门；5锅盖；6锅体；7不凝气管；8旋桨式搅拌器；9出料阀；10减速箱；11电机；12冷凝水管；13蒸汽入口；14污水槽；15风门；16环形洗水管 3、糖化锅 啤酒糖化锅的用途是使麦芽糖与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。其结构、外形加工材料都与糊化锅大致相同，如图2-8所示。一般糖化锅体积是糊化锅的大约两倍。4、麦汁煮沸锅 麦汁煮沸锅又称煮沸锅，或称浓缩锅，用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发掉，使麦汁达到要求浓度，并加入酒花，浸出酒花中的苦味及芳香物质。图2-8 糖化锅人孔单拉门；电动机；减速箱； 出料阀；搅拌器； 锅身；锅盖； 人孔双拉门；下粉筒； 10排汽管；11筒形风帽图2-9为夹套式圆形煮沸锅。其结构和糊化锅相同，因其需要容纳包括滤清液在内的全部麦汁，