第八章 通气发酵设备(2)

第二章通气发酵设备常用的通气发酵罐：机械搅拌式、气升环流式、鼓泡式和自吸式。

一、机械搅拌通气发酵罐1.主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡剂、人孔、视镜等。

罐体：由圆柱体和椭圆形或蝶形封头焊接而成，为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130C和0.25MPa(绝压)搅拌器：常用的由平叶式或弯叶式圆盘涡轮搅拌器。

主要作用为混合和传质，同时强化传热过程。

挡板：防止液面中央形成旋涡流动，增强其湍动和溶氧传质。

轴封：防止染菌和泄漏。

大型发酵罐常用的轴封为双端面机械轴封，由三部分构成，动环和静环、弹簧加荷装置、辅助密封元件。

空气分布器：主要分为环形管式和单管式，喷气孔向下以尽可能减少培养液在环形分布管上滞留。

对机械搅拌通气发酵罐，分布管内空气流速取20m/s左右。

消泡装置：在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加入化学消泡剂，二是使用机械消泡装置。

通常，两种方法联合使用，最简单实用的消泡装置为耙式消泡器。

2.传统的双模理论（1）气泡中的氧通过气象边界层传递到气-液界面上（2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面传递到液相侧（3）氧分子在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体（4）在液相主体中进行对流传递到生物细胞表面液膜外面（5）通过生物细胞表面的液相滞流层扩散进入生物细胞内3.体积溶氧系数KLa此值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大，则KLa值低，反之KLa值高4. 影响KLa的主要因素有：（1）操作条件，如搅拌转速、通气量等（2）发酵罐的结构及几何参数，如体积、通气方法、搅拌叶轮结构和尺寸等（3）物料的物化性能，如扩散系数、表面张力、密度、黏度、培养基成分及特性等5.增加液相中溶解氧的方法（1）提高KLa：加强液相主体紊流，加速气液界面更新，增大气液接触面积、降低液膜厚度（2）提高Cs（液相中饱和溶解氧浓度）：提高气相中的氧分压6.强化溶氧传质的新技术(1)发酵液中添加氧载体：加入不溶于培养基又五毒的物质，例如，加入10%-30%C11-C17烷烃或丁基四氟呋喃，可提高溶氧系数数倍。

发酵思考题完整答案第⼋章发酵过程1，发酵过程的定义发酵过程即细胞的⽣物反应过程，是指由⽣长繁殖的细胞所引起的⽣物反应过程。

它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，⽽且还包括固定化细胞的反应过程、⽣物法废⽔处理过程和细菌采矿等过程。

2，为何要研究发酵过程微⽣物发酵的⽣产⽔平不仅取决于⽣产菌种本⾝的性能，⽽且要赋以合适的环境条件才能使它的⽣产能⼒充分表达出来。

为此我们必须通过各种研究⽅法了解有关⽣产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深⼊地了解⽣产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的⽣产⼯艺提供理论基础。

同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测⼿段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采⽤传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使⽣产菌种处于产物合成的优化环境之中。

3，发酵过程的主要控制参数主要分为哪三⼤类物理、化学和⽣物三类4，发酵过程中通常测定的参数有哪些⽬前较常测定的参数有温度、罐压、空⽓流量、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓度、菌体浓度(⼲重、离⼼压缩细胞体积%)等。

5，发酵过程中参数测定的⽅法有哪两种参数测定⽅法有：在线测定，取样测定（离线测定）6，简述发酵过程的代谢变化规律。

为什么要了解这⼀规律。

1）代谢变化就是反映发酵过程中菌体的⽣长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。

2）了解⽣产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通⽓搅拌等环境条件下对基质的利⽤、细胞的⽣长以及产物合成的代谢变化，有利于⼈们对⽣产的控制。

7，分批发酵、补料分批发酵和连续发酵的定义。

对这三种发酵⽅式进⾏⽐较。

分批发酵(Batch fermentation)是指在⼀封闭系统内含有初始限量基质的发酵⽅式。

在这⼀过程中，除了氧⽓、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加⼊任何其它物质。

发酵过程中培养基成分减少，微⽣物得到繁殖。

通⽓发酵设备⼩结第⼆章通⽓发酵设备常⽤的通⽓发酵罐：机械搅拌式、⽓升环流式、⿎泡式和⾃吸式。

⼀、机械搅拌通⽓发酵罐1.主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空⽓分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡剂、⼈孔、视镜等。

罐体：由圆柱体和椭圆形或蝶形封头焊接⽽成，为满⾜⼯艺要求，罐体必须能承受⼀定压⼒和温度，通常要求耐受130C和0.25MPa(绝压)搅拌器：常⽤的由平叶式或弯叶式圆盘涡轮搅拌器。

主要作⽤为混合和传质，同时强化传热过程。

挡板：防⽌液⾯中央形成旋涡流动，增强其湍动和溶氧传质。

轴封：防⽌染菌和泄漏。

⼤型发酵罐常⽤的轴封为双端⾯机械轴封，由三部分构成，动环和静环、弹簧加荷装置、辅助密封元件。

空⽓分布器：主要分为环形管式和单管式，喷⽓孔向下以尽可能减少培养液在环形分布管上滞留。

对机械搅拌通⽓发酵罐，分布管内空⽓流速取20m/s左右。

消泡装置：在通⽓发酵⽣产中有两种消泡⽅法，⼀是加⼊化学消泡剂，⼆是使⽤机械消泡装置。

通常，两种⽅法联合使⽤，最简单实⽤的消泡装置为耙式消泡器。

2.传统的双模理论（1）⽓泡中的氧通过⽓象边界层传递到⽓-液界⾯上（2）氧分⼦由⽓相侧通过扩散穿过界⾯传递到液相侧（3）氧分⼦在界⾯液相侧通过液相滞流层传递到液相主体（4）在液相主体中进⾏对流传递到⽣物细胞表⾯液膜外⾯（5）通过⽣物细胞表⾯的液相滞流层扩散进⼊⽣物细胞内3.体积溶氧系数KLa此值表⽰在曝⽓过程中氧的总传递性，当传递过程中阻⼒⼤，则KLa值低，反之KLa值⾼4. 影响KLa的主要因素有：（1）操作条件，如搅拌转速、通⽓量等（2）发酵罐的结构及⼏何参数，如体积、通⽓⽅法、搅拌叶轮结构和尺⼨等（3）物料的物化性能，如扩散系数、表⾯张⼒、密度、黏度、培养基成分及特性等5.增加液相中溶解氧的⽅法（1）提⾼KLa：加强液相主体紊流，加速⽓液界⾯更新，增⼤⽓液接触⾯积、降低液膜厚度（2）提⾼Cs（液相中饱和溶解氧浓度）：提⾼⽓相中的氧分压6.强化溶氧传质的新技术(1)发酵液中添加氧载体：加⼊不溶于培养基⼜五毒的物质，例如，加⼊10%-30%C11-C17烷烃或丁基四氟呋喃，可提⾼溶氧系数数倍。

发酵工厂设备第一章、物料的处理与输送设备一、筛选：磁铁分离器、筛选机1、磁铁分离器用途：清除磁性金属杂质，避免对机器造成损害。

2、筛选机用途:清除杂质；物料分级。

二、粉碎机:锤式粉碎机、盘磨机、两辊式粉碎机)1、锤式粉碎机用途:中等硬度的物料的中碎与细碎作业，尤其适用于脆性物料。

锤式粉碎机粉碎机理:锤刀的冲击力、挤压、研磨。

2、盘磨机用途：广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料。

主要构件:两个带沟纹的圆盘：两种方式：①一个和轴一起转动，另一个固定在外壳上；②两圆盘同时反向旋转3、两辊式粉碎机辊筒分为光辊及丝辊两种。

一个固定，一个可移动。

推力弹簧的作用：调节两辊间隙及对超载荷起保险作用；保护机器。

三、气流输送1、颗粒在输料管中的运动状态在垂直管中， u=ut，流态化状态：颗粒自由悬浮在气流中；u>ut，气流输送状态：颗粒均匀分布于气流中，随气流而流动。

在水平管中,悬浮流状态：当气流速度很大时；两相流状态：当气流速度降低时；团块流状态：当气速进一步降低时。

2、气流输送流程：真空输送流程、压力输送流程、混合式输送流程3、气流输送的适用性：①适合输送大米、大麦等松散的粒状物料；②适合用于输送量大且能连续运行的操作；③从几个不同地点，向一个送料点送料时，采用吸入式最合适；④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；⑤短距离输送，选择低压压送；⑥长距离输送，高压压送。

4、物料分离装置：①旋风分离器：是一种利用离心力沉降原理自气流中分离出固体颗粒的设备。

②重力式分离器：又称沉降器。

5、空气除尘装置：旋风分离器、袋滤器、湿式除尘器湿式除尘器就是利用水来捕集气流中的粉尘。

加料装置常用漏斗式加料器和螺旋式加料器。

6真空输送流程：1吸嘴；2软管；3固定管；4分离器；5旋转加料器；6排料斗；7吸风管；8除尘器；9风机；10排风管；四、输送机械：带式输送机、斗式提升机、螺旋输送机1、螺旋输送机的构造：机槽1螺旋叶片3 轴2传动装置5轴承4吊架6止推轴承—装在轴的两端，以承受螺旋推送物料时所产生的轴向力。

《生物工程设备》课程教学大纲一、课程的性质和目的本课程是大学本科生物工程专业的专业课，通过本课程学习，结合认识实习和发酵工程等专业课程的学习，使学生掌握生物工程企业的工作流程、设备结构及其工作原理，主要设备的设计计算及选型，初步了解设备的安装与维护。

在此基础上，了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。

通过本课程的学习，使学生初步具有独立分析和解决生产及试验研究上的工程设备问题的能力。

二、课程的基本要求通过本课程的教学，要求学生掌握生物工程生产过程中常用设备的结构、特点、工作原理、设计计算、选型及保养。

通过本课程学习使学生掌握常见生物工程设备的结构原理，能进行设计和选型的能力。

三、课程内容与要求第一章物料输送系统设备（4学时）1、学习目的和要求通过本章学习，了解生物工程工厂常用的固体物料和液体物料的输送设备，掌握斗式提升机、皮带输送机、螺旋输送机和气力输送系统的构造、原理及相关计算。

2、课程内容（1）斗式提升机；（2）皮带输送机；（3）螺旋输送机；（4）气力输送系统；（5）液体物料的输送设备。

3、考核知识点和考核要求（1）识记：斗式提升机、皮带输送机、螺旋输送机的构造及工作原理，气力输送流程、主要配套设备；（2）领会：气流输送的原理；（3）综合应用：气力输送系统的设计。

第二章物料处理与培养基制备（4学时）1、学习目的和要求通过本章学习，掌握固体物料的筛选、除杂及粉碎设备的构造、工作原理，液体培养基的制备及杀菌所涉及的设备构造、工作原理、工作流程及相关计算与设备选型。

2、课程内容（1）固体物料的筛选除杂设备；（2）固体物料的粉碎设备；（3）糖蜜原料的稀释与澄清设备；（4）淀粉质原料的蒸煮糖化设备；（5）啤酒生产中麦芽汁的制备。

3、考核知识点和考核要求（1）识记：振动筛、磁力除铁器、碟片式精选机、滚筒精选机、平板分级筛、圆筒分级筛、锤式粉碎机、辊式粉碎机、圆盘钢磨机、钢片式粉碎机、湿法粉碎机的构造及工作原理，糖蜜原料的稀释与澄清设备的构造及工作原理，淀粉质原料蒸煮糖化流程、啤酒生产中麦芽汁的制备流程中相关设备的构造及工作原理；（2）领会：固体物料粉碎的力学分析，培养基热灭菌的动力学；（3）综合运用：液体培养基的制备及杀菌工艺流程的设计。

第八章通气发酵设备（1）第八章通气发酵设备 8.1 机械搅拌通风发酵罐8.2 气升式发酵罐8.3 自吸式发酵罐8.4 通风固相发酵设备8.5 其他类型的通风发酵设备8.1 机械搅拌通风发酵罐一、机械搅拌通风发酵罐的结构二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性四、机械搅拌通风发酵罐的的热量传递五、机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积六、机械搅拌通风发酵罐的放大设计举例●通风发酵设备概述需氧生物化学反应及设备的核心应具有的特点：良好的传质和传热性能；结果严密，防杂菌污染性好；流体流动与混合性能良好；易进行参数检测与控制；设备较简单；方便维修，能耗抵。

●机械搅拌通风发酵罐在发酵工业中占据主导地位；占发酵罐总数的70%-80%；又称为通用发酵罐；我国最大的发酵罐630m3,谷氨酸发酵；一、机械搅拌通风发酵罐的结构主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡器、人（或）孔、视镜；结构示意图1、罐体圆柱体和椭圆形或碟形封头；以不锈钢为材料；耐受130℃温度和0.25MPa（表压）压力；罐壁厚度：罐直径、材料及耐受的压强；●受内压，壁厚由下式计算：式中p：耐受的压强，MPa，表压；D：罐直径，mm；Φ：焊缝系数，双面对焊为0.8，无焊缝为1.0；C：腐蚀裕度，δ- C﹤10mm，为3mm；[σ]：许用应力。

●封头壁厚按碟形封头，由下式计算：式中y：开孔系数，可取2.3（发酵罐）；式中p：外受压力，Pa；α：系数，直立圆筒取45，有焊缝取50；H：圆筒高度，mm。

●对小型发酵罐罐顶和罐体用法兰连接；上开手孔；●对中大型发酵罐装设人孔，罐顶装设视镜及光照灯孔，进料管、排气管、接种管、压力表；排气管尽可能靠近罐顶中心位置；●罐体上设冷却水进出管、进气管、温度、pH、溶氧等检测装置接口；取样管可设在罐顶或罐侧；●注意点罐体上的接口和管路越少越好；如进料、补料和接种可共用一个接口。