发酵设备复习发酵设备复习20132013需要掌握的重点设备：需要掌握的重点设备：o生物反应器：生物反应器：机械通风搅拌发酵罐、酒精机械通风搅拌发酵罐、酒精发酵罐、气升式发酵罐、啤酒发酵罐发酵罐、气升式发酵罐、啤酒发酵罐o物料处理设备：物料处理设备：锤式粉碎机锤式粉碎机o过滤设备：过滤设备：板框压滤机、转筒真空过滤机板框压滤机、转筒真空过滤机o离心分离设备：离心分离设备：管式离心机、碟片式离心管式离心机、碟片式离心机机 o挡板：挡板的作用是防止液面中央形成漩涡挡板：挡板的作用是防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质。流动，增强其湍动和溶氧传质。o全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。附件而轴功率仍保持不变。o要达到全挡板条件必须满足下式要求：要达到全挡板条件必须满足下式要求： （b/Db/D）n=0.5 n=0.5 b b为挡板宽度，为挡板宽度，D D为发酵罐直径，为发酵罐直径，n n为挡板数。为挡板数。 o空气分布器空气分布器：环形管式和单管：环形管式和单管式。式。o消泡装置：消泡装置：耙式消泡器、梳齿耙式消泡器、梳齿式打泡器式打泡器 二、机械搅拌通风发酵罐的二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质通风与溶氧传质1 1气气- -液相间的溶氧传质理论液相间的溶氧传质理论双膜理论双膜理论2. 2. 体积溶氧速率体积溶氧速率3. 3. 体积溶氧系数体积溶氧系数k kL L：是衡量生物反应器溶氧：是衡量生物反应器溶氧性能的一个重要参数性能的一个重要参数影响影响k kL L的主要因素有：的主要因素有： （1 1）操作变量（条件）操作变量（条件） （2 2）发酵罐的结构及几何参数）发酵罐的结构及几何参数 （3 3）物料的物化性能）物料的物化性能4机械搅拌通风发酵罐的通风量o（1 1）持气率持气率o（2 2）通气速率通气速率：常用空截面气速：常用空截面气速VsVs表示，对表示，对气液传质有重要影响，它不仅影响体积溶氧气液传质有重要影响，它不仅影响体积溶氧系数系数kLkL，而且还影响搅拌功率，而且还影响搅拌功率o（3 3）通风强度通风强度（VVmVVm） ：每立方米发酵液每：每立方米发酵液每分钟通入多少立方米的空气。分钟通入多少立方米的空气。o（4 4）通气功率通气功率：一定压强的无菌空气通过空：一定压强的无菌空气通过空气分布器或罐口减压膨胀且以一定速度进入气分布器或罐口减压膨胀且以一定速度进入发酵液中释放能量，其到气发酵液中释放能量，其到气- -液液- -固（细胞）固（细胞）之间的混合。之间的混合。 5通气压强（发酵罐压）o通气压强对通气压强对OTROTR的影响：提高罐的影响：提高罐压即提高风压，可使相应的饱压即提高风压，可使相应的饱和溶氧和溶氧C*C*增大，从而使溶氧速增大，从而使溶氧速率率OTR=kLOTR=kL（c*-cc*-c）提高。）提高。6富氧通风提高生物反应溶氧速率的技术措施提高生物反应溶氧速率的技术措施溶氧速率溶氧速率 OTR=KLa(C*-CL)=Kd(P*-P)o提高通气压强提高通气压强o富氧通风富氧通风o提高提高K KLaLa( (或或K Kd d) )三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性机械搅拌的重要性：机械搅拌的重要性： 当用同一发酵罐进行试验时，若固定当用同一发酵罐进行试验时，若固定通气量，则当搅拌叶轮形状、大小、数量、通气量，则当搅拌叶轮形状、大小、数量、转速等参数改变时，所需的通气搅拌功率转速等参数改变时，所需的通气搅拌功率也随之变化，对发酵结果也产生影响。也随之变化，对发酵结果也产生影响。搅拌叶轮类型的选择：搅拌叶轮类型的选择：主要考虑功率准数，主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。的大小与种类等等。搅拌叶尖线速度与剪应力o搅拌叶尖线速度与剪应力对生物细胞搅拌叶尖线速度与剪应力对生物细胞的的剪切损伤剪切损伤： 其损害程度取决于生物细胞的特性其损害程度取决于生物细胞的特性和搅拌力的性质、强度以及作用时间和搅拌力的性质、强度以及作用时间等。等。o关于搅拌剪切与反应器形式、结构及关于搅拌剪切与反应器形式、结构及对象生物细胞的设计准则，目前以对象生物细胞的设计准则，目前以搅搅拌叶尖线速度拌叶尖线速度为基准并以具体条件下为基准并以具体条件下实验为标准。实验为标准。四、热量传递与换热装置设计计算1 1发酵过程的热量计算发酵过程的热量计算 Qt=Q1+Q2Qt=Q1+Q2一一Q3Q3oQ1Q1生物合成热，包括生物细胞呼吸放热生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热两部分。和发酵热两部分。oQ2Q2机械搅拌放热；机械搅拌放热；oQ3Q3发酵过程通气带出的水蒸气所需的汽发酵过程通气带出的水蒸气所需的汽化热及气温上升所带出的热量，以及发酵罐化热及气温上升所带出的热量，以及发酵罐壁与环境存在温差而传递散失的热量。壁与环境存在温差而传递散失的热量。 （1 1）生物合成热计算法）生物合成热计算法（2 2）冷却水带出热量计算法）冷却水带出热量计算法（3 3）发酵液温升测量计算法）发酵液温升测量计算法2发酵罐的换热装置 （1 1）换热夹套）换热夹套 （2 2）竖式蛇管）竖式蛇管 （3 3）竖式列管（排管）竖式列管（排管）2、罐的容积计算（1 1）罐的总容积（）罐的总容积（V V总总）o V V总总V V0 0+2V+2V1 1 （m m3 3）（2 2）公称体积：）公称体积：筒身体积筒身体积+ +底封头体积底封头体积 （3 3）有有效效容容积积：罐罐的的实实际际装装料料容容积积，它它等等于于罐的总容积罐的总容积V V总总乘以罐的装满系数（乘以罐的装满系数（）通用发酵罐设计程序o根据生产能力要求和操作特点，确根据生产能力要求和操作特点，确定发酵罐的容积和数量；定发酵罐的容积和数量；o进行结构尺寸的计算；进行结构尺寸的计算； （罐体、降温、搅拌、通风等）（罐体、降温、搅拌、通风等）o溶氧系数和搅拌功率的计算；溶氧系数和搅拌功率的计算；o绘制装配图和主要部件图绘制装配图和主要部件图第二节 气升式发酵罐o常见的气升式反应器有气升环流式、鼓泡式、常见的气升式反应器有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。空气喷射式等。o其其工作原理工作原理是把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷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，实现混合与发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。溶氧传质。1气升环式反应器的特点 （1 1）反应溶液分布均匀）反应溶液分布均匀 （2 2）较高的溶氧速率和溶氧效率）较高的溶氧速率和溶氧效率 （3 3）剪切力小，对生物细胞损伤小）剪切力小，对生物细胞损伤小 （4 4）传热良好）传热良好 （5 5）结构简单，易于加工制造）结构简单，易于加工制造 （6 6）操作和维修方便）操作和维修方便2气升环流式发酵罐的主要结构及操作参数a a平均循环时间平均循环时间tmtm：b b气液比气液比R R：o所谓液气比就是发酵液的环流量所谓液气比就是发酵液的环流量VcVc与通风量与通风量VGVG之比，即之比，即 R=VC R=VCVGVG第三节 自吸式发酵罐o自吸式发酵罐是一种不需要空气压自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的缩机提供加压空气，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。搅拌与溶氧传质的发酵罐。第二章 嫌气发酵设备一、酒精发酵罐一、酒精发酵罐（喷射）水力洗涤装置二、新型啤酒发酵设备圆筒体锥底发酵罐 锥形罐已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。锥形罐已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。o优点：优点： 锥形罐可单独用于前发酵或后发酵，还可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）；能以将前、后发酵合并在该罐进行（一罐法）；能缩短发酵时间；缩短发酵时间； 便于实现自动化控制、生产效率高、灵活，便于实现自动化控制、生产效率高、灵活，置于室外降低建筑投资等。置于室外降低建筑投资等。 能适合于生产各种类型啤酒的要求。能适合于生产各种类型啤酒的要求。 o所所谓谓生生物物反反应应过过程程的的放放大大，就就是是指指以以实实验验室室或或中中试试反反应应器器所所取取得得的的试试验验数数据据和和规规律律为为依依据据，设设计计、制制造造大大规规模模的的反反应应器器，以实现工业规模生产。以实现工业规模生产。生物反应器放大生物反应器放大的方法（一）理论放大方法（一）理论放大方法（二）半理论放大方法（二）半理论放大方法（三）因次分析法（三）因次分析法机械搅拌通风发酵罐的机械搅拌通风发酵罐的经验放经验放大方法大方法以体积溶氧系数以体积溶氧系数k kL L（或（或k kd d）相等为基准的放大法）相等为基准的放大法以以 P P0 0V VL L相等的准则进行反应器放大相等的准则进行反应器放大以以搅搅拌拌叶叶尖尖线线速速度度相相等等的的准准则则进进行行机机械械搅搅拌拌通通风风发发酵酵罐的放大罐的放大以混合时间相等的准则进行放大以混合时间相等的准则进行放大综综合合兼兼顾顾搅搅拌拌叶叶尖尖线线速速度度、搅搅拌拌液液流流速速度度压压头头H H、搅搅拌拌液液流流循循环环速速率率（对对机机械械搅搅拌拌发发酵酵罐罐为为泵泵送送能能力力）Q QL L以及以及Q QL LH H比值对发酵反应器放大设计的影响比值对发酵反应器放大设计的影响物料处理与培养基制备1.大麦粗选机大麦粗选机o大麦的粗选主要是筛选和风选。大麦的粗选主要是筛选和风选。2. 磁力除铁器磁力除铁器（l l）固定形磁钢装置（平板式磁分离器）固定形磁钢装置（平板式磁分离器）（2）永磁滚筒（旋转式磁分离器）。）永磁滚筒（旋转式磁分离器）。大麦的精选及分级设备大麦的精选及分级设备 1大麦精选机大麦精选机o精选是利用杂粒与大麦长度不同的特点精选是利用杂粒与大麦长度不同的特点进行分离。进行分离。o常用的精选机有碟片式和滚筒式常用的精选机有碟片式和滚筒式2种，种，都是利用带有都是利用带有袋孔（窝眼）袋孔（窝眼）的工作面来的工作面来分离杂粒，袋孔中嵌入长度不同的颗粒，分离杂粒，袋孔中嵌入长度不同的颗粒，带升高度不同而分离。带升高度不同而分离。（1）碟片式精选机）碟片式精选机o工作原理：当碟片在大麦堆中转动时，短粒工作原理：当碟片在大麦堆中转动时，短粒物料就会被嵌入袋孔而被带到较高位置，长物料就会被嵌入袋孔而被带到较高位置，长粒物料未能带到一定高度。粒物料未能带到一定高度。o碟片精选机的特点是工作面积大，转速高，碟片精选机的特点是工作面积大，转速高，产量比滚筒精选机大；而且各种不同的袋孔产量比滚筒精选机大；而且各种不同的袋孔可用于同一机器中；碟片损坏可以部分更换。可用于同一机器中；碟片损坏可以部分更换。缺点是碟片上的袋孔容易磨损。缺点是碟片上的袋孔容易磨损。（2）滚筒精选机）滚筒精选机o它的主要工作构件是一个内表面开有袋孔的它的主要工作构件是一个内表面开有袋孔的旋转圆筒，长粒物料在进料的压力和滚筒本旋转圆筒，长粒物料在进料的压力和滚筒本身倾斜度的作用下，沿滚筒长度方向由机器身倾斜度的作用下，沿滚筒长度方向由机器另一端流出，短粒物料则嵌入袋孔被带到较另一端流出，短粒物料则嵌入袋孔被带到较高的位置，落入中央收集槽中。高的位置，落入中央收集槽中。o滚筒精选机的特点是它分离出来的杂粒中含滚筒精选机的特点是它分离出来的杂粒中含大麦较少；其主要缺点是袋孔的利用系数低，大麦较少；其主要缺点是袋孔的利用系数低，且工作面磨损后不能修复。且工作面磨损后不能修复。2大麦的分级设备大麦的分级设备o 大麦的分级设备有两种类型，大麦的分级设备有两种类型，一种是平板分级筛，另一种是圆一种是平板分级筛，另一种是圆筒分级筛。筒分级筛。o 圆筒分级筛的优点是：设备简圆筒分级筛的优点是：设备简单、电动机传动比平板分级筛方单、电动机传动比平板分级筛方便。缺点是：筛面利用率小，仅便。缺点是：筛面利用率小，仅为整个筛面的为整个筛面的1/5。二、固体物料的粉碎设备二、固体物料的粉碎设备o 原料粉碎可分为湿式粉碎和干式粉碎两原料粉碎可分为湿式粉碎和干式粉碎两类。类。o 湿式粉碎无原粉粉末飞扬，不需要除尘湿式粉碎无原粉粉末飞扬，不需要除尘通风等辅助设备，车间卫生好，所得的成品通风等辅助设备，车间卫生好，所得的成品颗粒大小均匀，成品的排出也较方便。缺点颗粒大小均匀，成品的排出也较方便。缺点是粉碎所得的料浆必须即时投入生产，不宜是粉碎所得的料浆必须即时投入生产，不宜贮藏，且耗电量较多。贮藏，且耗电量较多。 1锤式粉碎机锤式粉碎机o 锤式粉碎机的作用力主要为冲击力。锤式粉碎机的作用力主要为冲击力。（锤刀、矢形撞击板）（锤刀、矢形撞击板）2辊式粉碎机（对辊粉碎机）辊式粉碎机（对辊粉碎机）o 物料受到挤压力和剪切力而被压碎。物料受到挤压力和剪切力而被压碎。o优点是结构简单、维修容易、调节方便，优点是结构简单、维修容易、调节方便，产品过粉碎少。缺点是粉碎比小，生产能产品过粉碎少。缺点是粉碎比小，生产能力小，辊子磨损不匀。力小，辊子磨损不匀。三、固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）三、固体物料的加水粉碎（湿法粉碎） 1. 湿法粉碎设备湿法粉碎设备o 湿法粉碎设备主要包括：输料湿法粉碎设备主要包括：输料装置、加料器、粉碎机和加热器装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。等几部分。o 砂轮磨是湿粉碎的一种机器。砂轮磨是湿粉碎的一种机器。第二节第二节 液体培养基的制备及杀菌液体培养基的制备及杀菌设备设备一、一、淀粉质原料的蒸煮糖化设备淀粉质原料的蒸煮糖化设备o罐式连续蒸罐式连续蒸煮糖化流程煮糖化流程o特点：蒸煮特点：蒸煮温度可高、温度可高、可低，节省可低，节省煤耗；设备煤耗；设备简单，操作简单，操作容易。容易。 二、啤酒生产中麦芽汁的制备二、啤酒生产中麦芽汁的制备（一）啤酒厂精化设备的组合方式（一）啤酒厂精化设备的组合方式o 啤酒厂糖化车间按其主要糖化啤酒厂糖化车间按其主要糖化设备的数目分为两锅式、四锅式设备的数目分为两锅式、四锅式和六锅式三种。和六锅式三种。 （二）糊化锅（二）糊化锅 糊化锅的锅底设计成弧形，原糊化锅的锅底设计成弧形，原因是弧形锅底对流体传热循环的影因是弧形锅底对流体传热循环的影响上。响上。 （三）糖化锅（三）糖化锅 （四）麦芽汁煮沸锅（四）麦芽汁煮沸锅 （五）糖化醪过滤槽（五）糖化醪过滤槽（1）常压过滤设备）常压过滤设备（2）快速过滤槽，是一种在低真空下操）快速过滤槽，是一种在低真空下操作的新型糖化醪过滤设备。因为使用了作的新型糖化醪过滤设备。因为使用了离心泵抽滤，增加了过滤压力差，过滤离心泵抽滤，增加了过滤压力差，过滤速度加快。缺点是麦汁透明度不及传统速度加快。缺点是麦汁透明度不及传统过滤槽好。过滤槽好。四、液体培养基的灭菌四、液体培养基的灭菌连消器连消器连消器连消器喷淋冷却流程喷淋冷却流程喷淋冷却流程喷淋冷却流程特点：特点：热效率高，热效率高，适用范围广；适用范围广；热和冷却热和冷却水消耗量大。水消耗量大。喷射加热连续灭菌流程喷射加热连续灭菌流程o优点：加热和冷却在瞬优点：加热和冷却在瞬间完成，营养成分破坏间完成，营养成分破坏最少，可以采用高温灭最少，可以采用高温灭菌，由于采用管道维持，菌，由于采用管道维持，可以保证物料先进先出，可以保证物料先进先出，避免过热。避免过热。o缺点：此流程操作难度缺点：此流程操作难度较大，在蒸发室下面要较大，在蒸发室下面要装一台出料泵，或将蒸装一台出料泵，或将蒸发室置于离发酵罐液面发室置于离发酵罐液面10m以上的高处。以上的高处。 薄板换热器连续灭菌流程薄板换热器连续灭菌流程第二章第二章 过滤与离心设备过滤与离心设备 第一节第一节过滤设备过滤设备按过滤推动力，可将过滤设备分为常压过按过滤推动力，可将过滤设备分为常压过滤机、加压过滤机和真空过滤机三类。滤机、加压过滤机和真空过滤机三类。常压过滤效率低，仅适用于易分离的物料，常压过滤效率低，仅适用于易分离的物料，加压和真空过滤设备在生物工业中被广泛加压和真空过滤设备在生物工业中被广泛采用。采用。板框式压滤机板框式压滤机o板板框式压滤机主要由许多滤板和滤框间隔排列而组成。框式压滤机主要由许多滤板和滤框间隔排列而组成。o板和框多做成正方形，角端均开有小孔，装合压紧后即板和框多做成正方形，角端均开有小孔，装合压紧后即构成供滤浆或洗水流通的孔道。构成供滤浆或洗水流通的孔道。o框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。的空间，滤板用以支撑滤布并提供滤液流出的通道。o滤板又分为洗涤板与非洗涤板两种。滤板又分为洗涤板与非洗涤板两种。o每台板框压滤机有一定的总框数，其数目由生产能力和每台板框压滤机有一定的总框数，其数目由生产能力和悬浮液固体浓度确定。悬浮液固体浓度确定。o工作过程：组装工作过程：组装过滤过滤洗涤洗涤卸饼卸饼清洗滤布清洗滤布重新重新组装组装二、真空过滤机二、真空过滤机o真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作真空过滤设备以大气与真空之间的压力差作为过滤操作的推动力。为过滤操作的推动力。o生物工业中，用的较多的是转筒真空过滤机。生物工业中，用的较多的是转筒真空过滤机。转筒真空过滤机的结构与操作转筒真空过滤机的结构与操作 转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆设备的主体是一个由筛板组成能转动的水平圆筒。筒。 圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间，分别圆筒内沿径向被筋板分隔成若干个空间，分别与真空和压缩空气管路相通。与真空和压缩空气管路相通。 整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣及整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区，卸渣及再生区再生区3个区域。个区域。第二节第二节 离心分离设备离心分离设备 离心机是籍惯性力的作用进行固液分离，或离心机是籍惯性力的作用进行固液分离，或将两种相对密度不同、互不溶解的混合液体将两种相对密度不同、互不溶解的混合液体分离的设备。分离的设备。 离心分离设备分两类：离心分离设备分两类：o一类是过滤式离心分离设备，习惯上称为离一类是过滤式离心分离设备，习惯上称为离心澄清机；心澄清机；o另一类是沉降式离心分离设备，又称离心沉另一类是沉降式离心分离设备，又称离心沉降机。降机。一、离心分离原理与分离因数一、离心分离原理与分离因数o离心分离因数离心分离因数是指离心力与重力的比值，或是指离心力与重力的比值，或离心加速度与重力加速度的比值。离心加速度与重力加速度的比值。o离心分离因数是反映离心机分离能力的重要指标。离心分离因数是反映离心机分离能力的重要指标。o它表示，在离心力场中，微粒可以获得比在重力场它表示，在离心力场中，微粒可以获得比在重力场中大中大 f 倍的作用力。倍的作用力。of 值愈大，表示离心力愈大，其分离能力愈强。值愈大，表示离心力愈大，其分离能力愈强。二、常用离心机结构及选型二、常用离心机结构及选型 悬浮液中的颗粒在离心机中能够被分离并沉悬浮液中的颗粒在离心机中能够被分离并沉降至转鼓壁上的条件是：料液在转鼓内的停留降至转鼓壁上的条件是：料液在转鼓内的停留时间时间 t 应大于或等于颗粒离心沉降所需的时间应大于或等于颗粒离心沉降所需的时间T，即，即tT。 颗粒在碟片离心机中被分离的条件是颗粒颗粒在碟片离心机中被分离的条件是颗粒在运动中达到上一层碟片的内腹面。在运动中达到上一层碟片的内腹面。第三章第三章 萃取与离子交换设备萃取与离子交换设备第一节第一节 萃取分离原理及设备萃取分离原理及设备一、萃取操作过程及设备一、萃取操作过程及设备 液一液萃取设备应包括液一液萃取设备应包括3个部分：混合设备、个部分：混合设备、分离设备和溶剂回收设备。分离设备和溶剂回收设备。（一）混合设备（一）混合设备o 萃取操作中，用于两液相混合的设备有萃取操作中，用于两液相混合的设备有混合罐、混合管、喷射萃取器及泵等。混合罐、混合管、喷射萃取器及泵等。o 混合罐适用于大多数物料；混合罐适用于大多数物料；o 混合管适用于低粘度物料；混合管适用于低粘度物料；o 喷射式混合器特别适用于低粘度、易分喷射式混合器特别适用于低粘度、易分散的料液。散的料液。o 若两液相容易混合时，可直接利用离心若两液相容易混合时，可直接利用离心泵在循环输送过程中进行混合。泵在循环输送过程中进行混合。 （二）分离设备（二）分离设备o一般采用分离因数很大的碟式高速离心机和一般采用分离因数很大的碟式高速离心机和管式超速离心机进行分离操作。管式超速离心机进行分离操作。 （三）离心萃取机（三）离心萃取机o多采用多级逆流萃取。多采用多级逆流萃取。第二节第二节 离子交换分离原理及设备离子交换分离原理及设备o 根据离子交换的操作方式不同，可分为根据离子交换的操作方式不同，可分为静态和动态交换设备两大类。静态和动态交换设备两大类。o 动态交换设备按操作方式不同分间歇操动态交换设备按操作方式不同分间歇操作的固定床和连续操作的流动床两类。作的固定床和连续操作的流动床两类。o 根据溶液进入交换柱的方向又有正吸附根据溶液进入交换柱的方向又有正吸附和反吸附两种。和反吸附两种。 o 反吸附可以省去菌丝过滤，且液固两相接反吸附可以省去菌丝过滤，且液固两相接触充分，操作时不产生短路，死角。因此生触充分，操作时不产生短路，死角。因此生产周期短，解吸后得到的生物产品质量高。产周期短，解吸后得到的生物产品质量高。o 反吸附时树脂的饱和度不及正吸附的高，反吸附时树脂的饱和度不及正吸附的高，罐内树脂层高度比正吸附时低罐内树脂层高度比正吸附时低。第四章第四章 蒸发浓缩与结晶设备蒸发浓缩与结晶设备一、蒸发器需要满足的基本要求：一、蒸发器需要满足的基本要求：充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量。溶剂汽化所带走的热量。保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。一定的热交换面积，以保证传热量。一定的热交换面积，以保证传热量。 蒸发器有很多种类和型式，选择时必须考虑溶蒸发器有很多种类和型式，选择时必须考虑溶液如下几种的特性：液如下几种的特性：（1）耐热性）耐热性 （2）结垢性）结垢性 （3）发泡性）发泡性 （4）结晶性）结晶性 （5）腐蚀性）腐蚀性 （6）粘滞性）粘滞性真空蒸发设备真空蒸发设备与常压蒸发相比，真空蒸发的优点：与常压蒸发相比，真空蒸发的优点：物料沸腾温度降低，避免或减少物料受高温所物料沸腾温度降低，避免或减少物料受高温所产生的质变。产生的质变。沸腾温度降低，提高了热交换的温度差，增加沸腾温度降低，提高了热交换的温度差，增加了传热强度。了传热强度。为二次蒸汽的利用创造了条件，可采用双效或为二次蒸汽的利用创造了条件，可采用双效或多效蒸发，提高热能利用率。多效蒸发，提高热能利用率。由于物料沸点降低，蒸发器热损失减少。由于物料沸点降低，蒸发器热损失减少。（一）管式薄膜蒸发器（一）管式薄膜蒸发器o这类蒸发器的特点是液体沿加热管壁成膜而这类蒸发器的特点是液体沿加热管壁成膜而进行蒸发。进行蒸发。o按液体的流动方向可分为：升膜式、降膜式、按液体的流动方向可分为：升膜式、降膜式、升降膜式等。升降膜式等。升膜式蒸发器中液膜的形成过程升膜式蒸发器中液膜的形成过程升膜式蒸发器升膜式蒸发器o传热效率高。物料在蒸发器中受热时间很短，对热敏传热效率高。物料在蒸发器中受热时间很短，对热敏性物料的影响相对较小。性物料的影响相对较小。o浓缩倍数不宜太大。浓缩倍数不宜太大。o此种蒸发器对于发泡性强、粘度较小的热敏性物料较此种蒸发器对于发泡性强、粘度较小的热敏性物料较为适用。为适用。o不适用于粘度较大，受热后易产生积垢或浓缩时有晶不适用于粘度较大，受热后易产生积垢或浓缩时有晶体析出的物料。体析出的物料。o升膜式蒸发器正常操作的关键是让液体物料在管壁上升膜式蒸发器正常操作的关键是让液体物料在管壁上形成连续不断的液膜。为保证设备的正常操作，应维形成连续不断的液膜。为保证设备的正常操作，应维持在爬膜状态的温度差。持在爬膜状态的温度差。降膜式真空蒸发浓缩设备降膜式真空蒸发浓缩设备o传热系数大，蒸发速度快，物料与加热蒸汽传热系数大，蒸发速度快，物料与加热蒸汽之间的温度差可以降到很小，物料可以浓缩之间的温度差可以降到很小，物料可以浓缩到较高的浓度。到较高的浓度。o可用于浓缩粘度较高的液体。可用于浓缩粘度较高的液体。o缺点：物料不易分配均匀。缺点：物料不易分配均匀。o降膜式蒸发器中常用的分配器降膜式蒸发器中常用的分配器：齿形溢流口、齿形溢流口、导流棒、旋液导流器、分配筛板、分配盘导流棒、旋液导流器、分配筛板、分配盘升降膜式蒸发器升降膜式蒸发器（1）符合物料的要求。）符合物料的要求。（2）经升膜蒸发后的汽液混合物，进入降膜蒸发，）经升膜蒸发后的汽液混合物，进入降膜蒸发，有利于降膜的液体均匀分布，同时也加速物料的湍有利于降膜的液体均匀分布，同时也加速物料的湍流和搅动，以进一步提高降膜蒸发的传热系数。流和搅动，以进一步提高降膜蒸发的传热系数。（3）用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作控）用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作控制。制。 （4）将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩比，）将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩比，减低设备高度。减低设备高度。刮板式蒸发器和离心薄膜蒸发器刮板式蒸发器和离心薄膜蒸发器o刮板式蒸发器是通过旋转的刮板使液料形成刮板式蒸发器是通过旋转的刮板使液料形成液膜。液膜。o离心式薄膜蒸发器是利用旋转的离心盘所产离心式薄膜蒸发器是利用旋转的离心盘所产生的离心力对溶液的周边分布作用而形成薄生的离心力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。膜。三、蒸发浓缩生产过程中的节能措施三、蒸发浓缩生产过程中的节能措施（1）循环利用热能：多效蒸发、热泵蒸）循环利用热能：多效蒸发、热泵蒸发发（2）强化传热过程）强化传热过程第二节第二节 结晶设备结晶设备 一、结晶设备的类型和特点一、结晶设备的类型和特点o 结晶设备可按改变溶液浓度的方法分为结晶设备可按改变溶液浓度的方法分为浓缩结晶设备、冷却结晶设备和其他结晶设浓缩结晶设备、冷却结晶设备和其他结晶设备。备。o 按结晶过程运转情况的不同，可分为间按结晶过程运转情况的不同，可分为间歇式结晶设备和连续结晶设备两种。歇式结晶设备和连续结晶设备两种。二、设计结晶设备应注意的条件二、设计结晶设备应注意的条件o 设计结晶设备时应考虑溶液的性质、粘设计结晶设备时应考虑溶液的性质、粘度、杂质的影响，结晶温度，结晶体的大小、度、杂质的影响，结晶温度，结晶体的大小、形状以及结晶长大速度特性等条件，以保证形状以及结晶长大速度特性等条件，以保证结晶良好，结晶速度快。结晶良好，结晶速度快。结晶设备中搅拌器的作用结晶设备中搅拌器的作用o保证晶种均匀悬浮，使结晶良好；保证晶种均匀悬浮，使结晶良好；o增加传热系数，增大降温速度，使溶液温增加传热系数，增大降温速度，使溶液温度一致。度一致。结晶设备的热量衡算结晶设备的热量衡算进入结晶设备的热量可分为：进入结晶设备的热量可分为： 原料液带入热量原料液带入热量 溶质结晶时放出的热量溶质结晶时放出的热量 加热溶液的热量加热溶液的热量 随母液带走的热量随母液带走的热量 随结晶带走的热量随结晶带走的热量 随溶剂蒸汽带走的热量随溶剂蒸汽带走的热量 对于冷却结晶设备冷却所带走的热量对于冷却结晶设备冷却所带走的热量 结晶设备向周围散失的热量结晶设备向周围散失的热量第六章第六章 空气净化除菌与空气调节空气净化除菌与空气调节一、空气净化除菌方法及原理一、空气净化除菌方法及原理 （一）空气除菌方法（一）空气除菌方法 常用的空气除菌方法有介质过滤、辐射、化常用的空气除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。学药品、加热、静电吸附等。 （二）介质过滤除菌机理（二）介质过滤除菌机理o 空气的过滤除菌不是真正的面积过滤，而空气的过滤除菌不是真正的面积过滤，而是一种是一种滞留滞留现象。现象。o 惯性冲击、重力沉降、拦截滞留、布朗惯性冲击、重力沉降、拦截滞留、布朗扩散、静电吸引等作用。扩散、静电吸引等作用。二、介质过滤除菌流程二、介质过滤除菌流程o 要保持过滤器在比较高的效率下进行工要保持过滤器在比较高的效率下进行工作，要维持一定的气流速度和不受油、水的作，要维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。干扰。o 气流速度可由操作来控制，要保持不受气流速度可由操作来控制，要保持不受油、水的干扰则要有一系列冷却和分离，要油、水的干扰则要有一系列冷却和分离，要保证控制空气在相对湿度保证控制空气在相对湿度5060条件下条件下过滤，则要有加热设备。过滤，则要有加热设备。 常用空气过滤除菌流程常用空气过滤除菌流程1空气压缩冷却过滤流程空气压缩冷却过滤流程2两级冷却、分离、加热的空气除菌流程两级冷却、分离、加热的空气除菌流程3前置高效过滤除菌流程前置高效过滤除菌流程4. 冷热空气直接混合式空气除菌流程冷热空气直接混合式空气除菌流程三、空气介质过滤除菌设备三、空气介质过滤除菌设备 （一）粗过滤器（一）粗过滤器o 作用：粗过滤器安装在空气压缩机前，主要起作用：粗过滤器安装在空气压缩机前，主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止其进入压缩机而造成压捕集较大的灰尘颗粒，防止其进入压缩机而造成压缩机磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。缩机磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。o 要求：粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小，要求：粗过滤器的过滤效率要高，阻力要小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量。机的排气量。o 常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。油浴洗涤和水雾除尘等。（二）空气压缩机（二）空气压缩机o 涡轮式空气压缩机一般由电机直接带动涡轮，涡轮式空气压缩机一般由电机直接带动涡轮，靠涡轮高速旋靠涡轮高速旋 转时所产生的转时所产生的“空穴空穴”现象，吸入空现象，吸入空气并使其获得较高的离心力，再通过固定的导轮和气并使其获得较高的离心力，再通过固定的导轮和涡轮形机壳，使部分动能转变为静压后输出。涡轮形机壳，使部分动能转变为静压后输出。o 涡轮式空气压缩机输气量大，输出空气压力稳涡轮式空气压缩机输气量大，输出空气压力稳定，效率高，设备紧凑，占地面积小，无易损部件，定，效率高，设备紧凑，占地面积小，无易损部件，获得的空气不带油雾等优点。获得的空气不带油雾等优点。o 往复式空气压缩机是靠活塞在汽缸内的往复运往复式空气压缩机是靠活塞在汽缸内的往复运动而将空气抽吸和压出的，因此出口压力不够稳定，动而将空气抽吸和压出的，因此出口压力不够稳定，且因气缸内要加入润滑活塞用的润滑油，使空气中且因气缸内要加入润滑活塞用的润滑油，使空气中带进油雾。带进油雾。（三）空气贮罐（三）空气贮罐o空气贮罐的作用是消除压缩机排出空气量的空气贮罐的作用是消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力，同时也可以利脉冲，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。用重力沉降作用分离部分油雾。（四）气液分离器（四）气液分离器o气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾气液分离器是将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。一般常用的有旋风和油雾粒子除去的设备。一般常用的有旋风式和填料式。式和填料式。（五）空气冷却器（五）空气冷却器o 空气的给热系数很低，须采取恰当的措空气的给热系数很低，须采取恰当的措施来提高它的给热系数。施来提高它的给热系数。o 提高空气给热系数的最好办法是增加空提高空气给热系数的最好办法是增加空气的流速。气的流速。（六）空气过滤器（六）空气过滤器o 空气过滤器的过滤除菌效率主要与微粒空气过滤器的过滤除菌效率主要与微粒的大小、过滤介质的种类和纤维直径、介质的大小、过滤介质的种类和纤维直径、介质的填充密度、滤层厚度以及通过的气流速度的填充密度、滤层厚度以及通过的气流速度等因素有关。等因素有关。o 过滤对介质的要求是吸附性强，阻力小、过滤对介质的要求是吸附性强，阻力小、空气流量大、能耐干热。空气流量大、能耐干热。 常见空气过滤器常见空气过滤器（l l）纤维介质深层过滤器）纤维介质深层过滤器 （2 2）平板式纤维纸过滤器）平板式纤维纸过滤器（3 3）管式过滤器）管式过滤器（4 4）接迭式低速过滤器）接迭式低速过滤器第五章第五章 干燥设备干燥设备一、干燥设备的选型原则一、干燥设备的选型原则o就热敏性而言，生物工业制品的干燥设备有以下几就热敏性而言，生物工业制品的干燥设备有以下几种类型：种类型： 瞬时快速干燥设备瞬时快速干燥设备 低温干燥设备低温干燥设备o选型原则：选型原则： 1产品的质量要求产品的质量要求 2产品的纯度产品的纯度 3物料的特性物料的特性 4产量及劳动条件产量及劳动条件绝热干燥设备绝热干燥设备（一）气流干燥原理及设备（一）气流干燥原理及设备o 原理：气流干燥是利用热气流将物料在原理：气流干燥是利用热气流将物料在流态下进行干燥的过程。流态下进行干燥的过程。o 气流干燥适用于潮湿分散状态颗粒物料气流干燥适用于潮湿分散状态颗粒物料的干燥。的干燥。气流干燥的特点气流干燥的特点优点：优点： （1）干燥强度大。）干燥强度大。 （2）可使用较高的干燥温度，干燥时间短。）可使用较高的干燥温度，干燥时间短。 （3）适用性广。）适用性广。 （4）设备结构简单，设备布置比较紧凑投资费小，）设备结构简单，设备布置比较紧凑投资费小，加工制造方便，能连续操作，可实现自动控制。加工制造方便，能连续操作，可实现自动控制。缺点：对物料有一定的磨损，不适合于对晶形有一定缺点：对物料有一定的磨损，不适合于对晶形有一定要求的物料，且热能利用程度较低。对于较湿的或要求的物料，且热能利用程度较低。对于较湿的或粘稠的物料，气流干燥不太适用。粘稠的物料，气流干燥不太适用。 o气流干燥过程中，热空气的流速大于物料颗气流干燥过程中，热空气的流速大于物料颗粒的自由沉降速度。粒的自由沉降速度。o气流干燥器形式有长管气流干燥器、短管气气流干燥器形式有长管气流干燥器、短管气流干燥器和旋风气流干燥器等。流干燥器和旋风气流干燥器等。o加料器：有螺旋加料器和文丘里加料器等。加料器：有螺旋加料器和文丘里加料器等。（二）喷雾干燥原理及设备（二）喷雾干燥原理及设备o原理：利用不同的喷雾器，将悬浮液或粘滞的液体原理：利用不同的喷雾器，将悬浮液或粘滞的液体喷成雾状，与热空气之间发生热量和质量传递而进喷成雾状，与热空气之间发生热量和质量传递而进行干燥的过程。行干燥的过程。o它特别适用于不能借结晶方法得到固体产品的生物它特别适用于不能借结晶方法得到固体产品的生物制品生产中。制品生产中。 特点特点优点：优点： （1）干燥速度快、时间短。）干燥速度快、时间短。 （2）干燥温度较低。）干燥温度较低。 （3）制品具有良好的分散性和溶解性，成品）制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。纯度高。缺点：缺点： 喷雾干燥的容积干燥强度小，干燥室体积大，喷雾干燥的容积干燥强度小，干燥室体积大，热量消耗多。热量消耗多。1.气流喷雾干燥设备气流喷雾干燥设备o气流喷雾是依靠压力为气流喷雾是依靠压力为0.250.6MPa的压缩空的压缩空气高速通过喷嘴时，将料液吸入并被雾化。气高速通过喷嘴时，将料液吸入并被雾化。o能够处理悬浮液和粘性较大的料液。能够处理悬浮液和粘性较大的料液。o气流喷雾干燥设备除了喷雾干燥塔、喷嘴外，还有气流喷雾干燥设备除了喷雾干燥塔、喷嘴外，还有空气加热器、压缩空气系统和空气过滤器等。空气加热器、压缩空气系统和空气过滤器等。o这种设备的特点是结构简单，操作方便可靠，产品这种设备的特点是结构简单，操作方便可靠，产品质量好。质量好。 o气流喷雾器有两种形式：内部混合式和外部气流喷雾器有两种形式：内部混合式和外部混合式。混合式。o分配盘的形式有旋风扩散式、叶片旋风式，分配盘的形式有旋风扩散式、叶片旋风式，其作用是使空气形成旋流与雾滴接触，提高其作用是使空气形成旋流与雾滴接触，提高干燥效率。干燥效率。o设备的下部有螺旋排风管。设备的下部有螺旋排风管。2离心喷雾干燥设备离心喷雾干燥设备o离心喷雾干燥是利用在水平方向作高速旋转的圆盘离心喷雾干燥是利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予料液以离心力，使其高速甩出，形成薄膜、细给予料液以离心力，使其高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕丝或液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用形成细雾而干燥的过程。裂等作用形成细雾而干燥的过程。o离心喷雾干燥塔的顶部有热风盘、塔内有离心喷雾离心喷雾干燥塔的顶部有热风盘、塔内有离心喷雾机（喷盘）等。机（喷盘）等。o喷矩：在某一半径的圆周内，有喷矩：在某一半径的圆周内，有9095液滴下液滴下落，不再具有水平速度，这个半径距离即称喷矩。落，不再具有水平速度，这个半径距离即称喷矩。 o干燥塔直径和高度的选取应能保证塔内热空气与料干燥塔直径和高度的选取应能保证塔内热空气与料液间的热质交换顺利进行。液间的热质交换顺利进行。o塔径的确定不仅与料液中的含水量有关，而且与喷塔径的确定不仅与料液中的含水量有关，而且与喷雾塔的形式有关。雾塔的形式有关。o塔径大小必须保证料液在尚未干燥之前，不致碰上塔径大小必须保证料液在尚未干燥之前，不致碰上塔壁。塔壁。o干燥塔的高度必须保证干燥时间所需之高度，即料干燥塔的高度必须保证干燥时间所需之高度，即料液尚未干燥前不致沉降于塔底。液尚未干燥前不致沉降于塔底。o喷盘：喷枪形、锥形和圆帽形等。喷盘：喷枪形、锥形和圆帽形等。o热风盘：热风盘的作用是进塔后的热风分配均匀，热风盘：热风盘的作用是进塔后的热风分配均匀，否则会造成塔内局部贴壁。否则会造成塔内局部贴壁。（三）流化床干燥原理及设备（三）流化床干燥原理及设备o原理：流化床干燥（也称沸腾干燥）是利用流态化技原理：流化床干燥（也称沸腾干燥）是利用流态化技术，即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈术，即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。沸腾状态的干燥过程。o流化床干燥的特点是：流化床干燥的特点是： （1）传热传质速率大。）传热传质速率大。 （2）干燥温度均匀，易于控制。）干燥温度均匀，易于控制。 （3）有利于连续化、自动化操作，且设备结构简单，）有利于连续化、自动化操作，且设备结构简单，生产能力高，动力消耗小。生产能力高，动力消耗小。o缺点：当连续操作时物料在干燥室内停留时间不一，缺点：当连续操作时物料在干燥室内停留时间不一，干燥度不够均匀，对结晶物料有磨损作用。干燥度不够均匀，对结晶物料有磨损作用。1单层卧式多室流化床干燥器单层卧式多室流化床干燥器o湿物料由第一室开始逐步向下室移动，已干湿物料由第一室开始逐步向下室移动，已干燥的物料在最后一室经出料口排出。燥的物料在最后一室经出料口排出。o这种干燥器对各种物料的适应性较大，但热这种干燥器对各种物料的适应性较大，但热效率较低。效率较低。2沸腾造粒干燥器沸腾造粒干燥器o沸腾造粒干燥是利用流化介质（空气）与料沸腾造粒干燥是利用流化介质（空气）与料液间很高的相对气速，使溶液带进流化床就液间很高的相对气速，使溶液带进流化床就迅速雾化，这时液滴与原来在沸腾床内的晶迅速雾化，这时液滴与原来在沸腾床内的晶体结合，就进行沸腾干燥，故也可看作是喷体结合，就进行沸腾干燥，故也可看作是喷雾干燥与沸腾干燥的结合。雾干燥与沸腾干燥的结合。 o沸腾造粒过程有沸腾造粒过程有3种情况：自我成粒、涂布成种情况：自我成粒、涂布成粒、黏着成粒粒、黏着成粒o影响产品颗粒大小的因素有下列几种：影响产品颗粒大小的因素有下列几种： 停留时间停留时间 摩擦作用摩擦作用 干燥温度干燥温度 结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！98