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1、生物工程设备BiologicalEngineeringEquipment,课程介绍,生物反应器,反应物料处理设备,产物后处理设备,辅助系统设备,生物工程设备结构、工作原理、设计方法,第一篇 生物反应器,生物反应器(bioreactor),是指利用酶或生物体(如微生物、动植物细胞)所具有的特殊功能,在体外进行生物化学反应的装置系统。,生物反应器一览,50升不锈钢机械搅拌发酵罐,多联玻璃生物反应器,透光的生物反应器,植物细胞反应器,通风固体发酵设备,气升式玻璃发酵罐,生产用不锈钢机械搅拌通风发酵罐,啤酒发酵锥形罐,卧式发酵罐,厌气生物反应器,生物反应器的类型,光照生物反应器,膜生物反应器,通气生物
2、反应器,搅拌式,气升式,自吸式,第二章 通风发酵设备,机械搅拌通风发酵罐：它是通过外加压力(空气压缩机)将空气通入发酵罐，并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。,气升式发酵罐：气升式生物反应器是利用气体的喷射动能和液体的重度差引起气液循环流动，从而实现发酵液的搅拌、混合和溶氧。,自吸式发酵罐：利用特殊的机械搅拌装置或液体喷射吸气装置或溢流喷射器吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。毋须另外提供压缩空气。,第一节 机械搅拌通风发酵罐,一、结构,B/D=1/8-1/12Di/D=1/2-1/3S/D=2-5Ho/D=
3、2ha/D=0.25,发酵罐的尺寸比例：,通用罐的基本条件（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。（2）发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必须的溶解氧。（4）发酵罐应具有足够的冷却面积。（5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，能灭菌彻底，避免染菌。（6）搅拌器的轴封应严密，防杂菌污染和泄漏。,1、罐体,由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为23毫米。为了满足工业要求，罐体须耐受一定的温度130和压力0.25MP（绝对压力）。,罐体壁厚的计算,2、搅拌器和挡板,搅拌器的作用：打碎气泡
4、，加速和提高溶氧。,搅拌器叶轮结构类型：,4、锚式,大型发酵罐搅拌装置,搅拌器的安装方式：中心安装，垂直偏心式，底插式，侧插式，斜插式。卧式安装。搅拌器按流体流动形态可分为：轴向流型搅拌器：比如，推进式，锚式径向流型搅拌器：直叶涡轮式，弯叶涡轮式混合流型搅拌器：剪叶涡轮式。,通用式发酵罐中涡轮式搅拌器圆盘的作用？,通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快，走短路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻挡只能从圆盘中央流至其边缘，从
5、而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。,挡板的作用：防止液面中央形成旋涡，增强其湍流和溶氧传质。,全挡板条件：是指在一定的转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。要达到全挡板必须满足：,3、消泡装置,发酵液中因含蛋白质等发泡物质，发酵过程中易产生泡沫，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，且增加染菌机会。,在通气发酵生产中有两种消泡方法：,加化学消泡剂，豆油,机械消泡：耙式消泡器、涡轮式消泡器、旋风离心和叶轮离心式消泡器、碟片式消泡器、刮板式消泡器。,D罐的直径（mm）n挡板数b挡板宽度（mm）,4、轴封,轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌,填料函式轴
6、封的优点是结构简单。主要缺点是：死角多，很难彻底灭菌，易渗漏和灭菌 轴的磨损较严重 填料压紧后摩擦功率消耗大 寿命短,端面轴封的三个密封点，及其密封原理,1、动环与静环之间的密封：是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）压力和密封液体在相对运动的动环和静环的接触面（端面）上产生一适当的压紧力（比压）使两个光洁、平直的端面紧密贴合；端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的作用。这是相对旋转密封。2、静环与压盖之间的密封：通常用弹性的辅助密封圈来防止液体从静环与压盖之间泄漏。这是一静密封。3、动环与轴之间的密封：也是用各种形状有弹性的辅助密封圈来防止液体从动环与轴之间泄漏。这是一个相对静止的密封。,端面式轴封
7、又叫机械轴封。优点：清洁密封可靠，在较长地使用期中，不会泄漏或很少泄漏无死角，可以防止杂菌污染 使用寿命长，质量好的可用25年不需维修。摩擦功率耗损小，一般为填料函式的1050。轴或轴套不受磨损 它对轴的精度和光洁度没有填料函那么要求严格，对轴的震动敏感性小。,5、联轴器、轴承。大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接,6、空气分布装置空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。,单管式分布装置：管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气分散效果较好。环形管的分布装置：以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为58mm，喷孔向下，喷孔的总
8、截面积约等于通风管的截面积。空气流速取：十字形管的分布装置,二、发酵罐装料容积的计算,公称容积：是指圆柱部分与底封头容积之和。用于描述罐的大小。,椭圆形封头的容积：,罐的全容积：,装料容积：,发酵过程中的热量计算及发酵罐的换热装置,发酵过程中的热量计算,发酵过程中产生的净热量称为发酵热。,（2）通过冷却水带走的热量进行计算,（1）通过生物合成热进行计算,生物反应过程中有生物合成热产生，机械搅拌过程产生机械搅拌热，这两种热量会导致发酵液温度上升，如不去除这两种热量，无法维持工艺所需的最佳温度，从而影响产量和质量。,换热装置型式,（3）通过发酵液的温度升高进行计算,机械通风发酵罐的搅拌与流变特性,
9、1、搅拌叶轮尺寸与类型搅拌叶轮直径与罐径之比2、搅拌叶尖线速度与剪应力生物细胞在机械搅拌的剪切作用下会受到损伤其损害的程度取决于生物细胞的特性和搅拌力的性质、强度及作用时间等。对搅拌剪切的耐受力：单细胞微生物丝状菌动物细胞 通常对耐剪切力较强的生物细胞,搅拌叶线速度应不在于7.5m/s 3、发酵液的流变特性 牛顿型流体，宾汉塑性流体，假塑性流体，涨塑性流体,（1）牛顿型流体：牛顿型流体的特性是其粘度不随搅拌剪切速率和剪应力影响。,1、宾汉型 2、假塑性 3、牛顿型 4、涨塑性 1、涨塑性2、牛顿型 3、假塑性,（2）宾汉塑性流体：,（3）假塑性和涨塑性流体：,机械通风发酵罐的通风与溶氧传质,1
10、、氧在液体中的溶解,根据双膜理论假说，氧在液体中的溶解速率关健在于气液接触面上氧的传递速率，而单位接触面上氧传递速率决定于传递动力与阻力之比，动力为气液两相之间的氧浓度或氧分压差，阻力则来自气膜和液膜。单位接触面积上的氧的传递速率可表示为,单位体积液体的溶氧速率表示为：,2、微生物的耗氧,单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速率。25100m mol氧/Lh,微生物呼吸开始受到影响的溶氧浓度称为临界溶氧浓度。,搅拌器轴功率的计算,1.求搅拌雷诺准数,2.不通气条件下单涡轮搅拌轴功率的计算,3.不通气条件下多涡轮搅拌轴功率的计算,4.通气搅拌轴功率的计算,计算出搅拌轴的功率后，便可选用合适的电动
11、机。,第二章嫌气发酵设备,第一节酒精发酵设备第二节啤酒发酵设备第三节连续发酵,第一节酒精发酵设备,2、在洒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。,一、酒精发酵罐1、酒精发酵罐筒体为圆柱形，低盖和顶盖均为碟形或锥形。顶有人孔，视镜及二氧化碳回收管。进料管接种管压力表和测量仪表接口管等。罐底装有排料口和排污口罐身上下装有取样口和温度计接口,3、冷却装置：对中小型酒精罐，采用罐顶喷淋于罐外壁进行膜状冷却；而对于大型酒精发酵罐，则采用罐顶喷淋与罐内冷却蛇管相结合。为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集
12、水槽。,4、洗涤装置。发酵罐水力洗涤装置由一根两头装有喷嘴，上开有喷孔的洒水管和一根供水管组成，它们通过一活接头连接。洒水管两端弯曲，它是靠两端喷嘴喷水,时形成的反作用力而使喷水管产生旋转。而对于大型的发酵罐，可用高压强的水力喷射洗涤装置。,喷孔与管成20o角,二、酒精发酵罐的计算,带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为：D 罐的直径（米）H 罐的圆柱部分高度（米）h1 罐底高度（米）h2 罐盖高度（米）,（一）发酵罐结构尺寸的确定发酵罐全容积可按下列计算：V=V0/V发酵罐的全体积（m3）V0进入发酵罐的发酵液量（m3）装液系数，一般取=0.850.90,推荐发酵罐的尺寸。H=1.11.5Dh
13、1=0.10.14Dh2=0.050.1D 从而确定发酵罐的尺寸比例.,（三）发酵罐罐数的确定 对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：N发酵罐个数（其中一个作备用）（个）n每24小时内进行加料的发酵罐数（个）t一次发酵罐周期所需要时间（h),（四）发酵罐冷却面积计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：,Q总的发酵热（J/h）K传热总系数（J/m2 h)Tm对数平均温度差 A冷却面积（m2）,1、总的发酵热Q=Q1-(Q2+Q3)微生物在嫌气过程中总的发酵热，一般由生物合成热Q1，蒸发损失Q2，罐壁向周围散失的热损失Q3等三部分热量所组成。对于微生物的生物合成热至今尚难准确计算。
14、对于确定酒精、啤酒等嫌气发酵热，一般按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算，通常消耗1kg麦芽糖发酵放出的实际热量为418.6KJ。如果发酵液不进行冷却，则发酵温度可升高10。,2、对数平均温度差Tm的计算式为:,3、总传热系数K的确定:,4、冷却水耗量的计算：,例题：p58,第二节啤酒发酵设备,一、啤酒发酵设备的发展,二、前后发酵设备(现已很少用),三、新型啤酒发酵设备1、圆筒体锥底发酵罐 圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐），已广泛用于前或后发酵啤酒生产。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）。这种设备的优点在于能缩短发酵时间,而且具有生产上的灵
15、活性，故能适合于生产各种类型啤酒的要求。目前，国内外啤酒工厂使用较多的是锥形发酵罐 这种设备一般置于室外。,1).锥形罐的高径比一般为1.5-61，锥底角度一般为60-130 2).已灭菌的麦汁与酵母由底部进入罐内最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。3).外面设有冷却管，冷媒可以是乙二醇、酒精、冰与盐水的混合物4).罐身与罐盖设有人孔以便观察和维修。5).罐顶装有安全阀，压力表，玻璃视镜；罐身装有取样管，温度计6).罐底还设有CO2充气管，以在后发酵时饱和CO27)大型发酵罐应设有真空安全阀。啤酒发酵罐发酵罐真空的形成(p67)。8)啤酒罐内对流和热交换
16、的问题(p67)。,罐内真空,罐内真空主要是系列的发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗时造成的。大型发酵罐放料的速度很快造成一定的负压。罐内留存一部分CO2气体，在进行清洗时，CO2有被除去的可能，所以也可能造成真空。大型真空发酵罐应设防止真空的装置。真空安全阀的作用是允许空气进入罐内，以建立罐内外压力的平衡。罐内CO2的除去量可根据进入的清洗液的碱含量算出，并进一步计算出需要进入罐内的空气量。,罐内的对流与热交换,发酵罐中发酵液的对流主要依靠其中CO2的作用。在整个锥形罐的发酵液中形成一个CO2含量的梯度。比重较小的发酵液具有上浮的提升力。而且在发酵时上升的二氧化碳气泡对周围的液体具有一种拖
17、曳力由于拖曳力和提升力结合后所造成的气体搅拌作用，使罐的内容物得到循环，促进了发酵液的混合相热交换。冷却操作时啤酒温度的变化也会引起罐的内容物的对流循环。,2.联合罐,是一种具有较浅锥底的大直径(高径比为1：113)发酵罐能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。联合罐在发酵生产上的用途与锥形罐相同，既可用于前、后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。因而它适合多方面的需要，故又称该类型罐为通用罐。,结构：主体是一圆柱体，是由7层1.2m宽的钢板组成。总的表面积是378m3，总体积765m3。联合罐是由带人孔的薄壳垂直圆柱体、拱形顶及有足够斜度以除去酵母的锥底所组成。联合罐的基础是一钢筋混凝土圆柱体，
18、其外壁约3m高，20cm厚。基础圆柱体壁上部的形状是按照罐底的斜度来确定的。有30个铁锚均匀地分埋入圆柱体壁中，并与罐焊接。圆柱体与罐底之间填入坚固结实的水泥沙浆，在填充料与罐底之间留25.4cm厚的空心层以绝缘。,3.朝日罐,前发酵和后发酵合一的室外大型发酵罐朝日罐是用46mm的不绣钢板制成的斜底圆柱型发酵罐。其高度与直径比为1:1-2:1外部设有冷却夹套，冷却夹套包围罐身与罐底。外面用泡沫塑料保温内部设有带转轴的可动排油管，用来排出酒液，并有保持酒液中CO 2含量均一的作用。,朝日罐特点,朝日罐与锥形罐具有相同的功能，但生产工艺不同。（1）利用离心机回收酵母（2）利用薄板换热器控制发酵温度
19、（3）利用循环泵把发酵液抽出又送回去。,朝日罐生产系统,优点：三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵母浓度的控制问题，加速了酵母的成熟。使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵浓接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其含量。,啤酒循环的操作,啤酒循环的目的是为了回收酵母，降低酒温，控制下酒醉母浓度和排除啤酒中的生味物质。（1）第一次循环是在主发酵完毕的第8天，发酵液由离心机分离酵母后经薄板换热器降温返回发酵耀，循环时间为7h。（2）待后酵到4h时进行第二次循环，使酵母浓度进一步降低，循环时间为4-12h。如果要求缩短成熟
20、期，可缩短循环时间。当第二次循环时酵母由于搅动的关系，发酵液中酵母浓度可能回升，这有利于双乙酰的还原和生味物质的排除。（3）若双乙酰含量高，或生味物质较显著，可在第10天进行第三次循环操作。,利用朝日罐进行一罐法生产啤酒的优点是：可加速啤酒的成熟后酵时罐的装量可达96，提高了设备利用率减少了排除酵母时发酵液的损失缺点是动力消耗较大。,四、CIP清洗系统 所谓CIP(Clean In Place)清洗系统，是指设备（罐体、管道、泵、过滤器等）及整个生产线在无需人工拆开或打开的前提下，在一个预定时间内，将一定温度的清洁液通过密闭的管道流速对设备表面进行喷淋循环而达到清洗目的设备装置。特别适合卫生要
21、求较高的生物制药、乳品饮料、啤酒等行业系统清洗。它可与一个至数个发酵罐联结，罐数越多，联结越烦杂，使用管线也越多，目前也有使用活动CIP系统。,CIP清洗系统主要有多个或单个清洗液贮罐及管道、分布器、增压泵、回流泵、气动控制、计量泵、温度控制仪、电导率、液位控制器及PLC触摸屏、控制柜等部件组成。CIP循环单位：微型形状、控制盘、CIP供应泵、污水泵、水箱组成。主要原理由贮罐完成配制加热清洗液，经气动控制阀与增压泵、回流泵来完成清洗液的输送及回流循环清洗、排放、回收整个清洗过程。通过电导率、温度控制仪、计量泵及PLC触摸屏组成的控制系统，命令达到了自动化操作。可以对每一道清洗程序时间度、流量、
22、电导率进行检测与纪录，可打印输出，便于查询与验证。其优点可节省清洗剂、水、蒸汽的消耗量，降低劳动力及酸、碱在作业中的危险性，解决了因操作者的精神状态及情绪的差异而影响清洗效果。,清洗程序的7个步聚1)预冲洗每次30 s，进行10次。2）用浓度3000-3300mg/Kg的碱液循环冲洗16min，此时通入蒸汽以维持清洗液的温度为323）中间清洗，用清水冲洗4min。4）喷冲3次，每次30s。5）用总碱度为3500-4000 mg/kg的碱液喷冲。6）清水冲洗。7）最后用酸性水冲洗循环，以中和残留的碱，并保持罐的弱酸性。,第三节 连续发酵,一、间歇发酵与连续发酵的概念,间歇发酵：就是在一个罐内完成
23、微生物生长的4个阶段的培养过程。,连续发酵：就是在发酵罐内连续不断流加培养液。使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期，同时又降低代谢产物的积累，这样就缩短了发酵周期，提高了设备利用率。这就是连续发酵。,二、酒精连续发酵流程,二、啤酒连续发酵 流程及设备1.塔式连续发酵,2.多罐式连续发酵,特点：发酵罐内装有搅拌器，由于搅拌作用，酵母悬浮酒液中，连续溢流的酒液将酵母带走，无法使发酵罐内保持较高的酵母浓度。第一罐，V26m3，流加速度2.02.6m3/h，温度为21，大约控制2/3的麦汁糖发酵。第二罐，来自于第一罐的溢流，温度24。第三罐，为酵母分离罐，其容量为14m3，最终温度为5，自然沉降的酵母定期抽出，成熟啤酒则由罐上面溢流到贮罐中。,通气发酵设备及嫌气发酵设备主要问题1、画出机械搅拌通气发酵罐结构简图，并标出其主要部分名称及其作用。2、自吸式发酵罐主要有哪些类型，它们的吸气原理是什么。3、端面轴封的密封原理。4、气升式发酵罐的工作原理及其特点。5、公称容积、全挡板条件、CIP循环单位。6、酒精罐和锥形罐结构。酒精罐个数和结构尺寸的确定。7、利用朝日罐进行啤酒生产工艺特点。8、锥形罐啤酒生产时的对流和传热动力。,
