生物工程设备1

第一章 物料的处理与输送设备第一节 原料的筛选与粉碎设备一、 原料的筛选：发酵上使用的较多的是谷物原料，其中含有多种杂质：泥土、砂子、草籽金属等。为保证原料进入粉碎机前保证粉碎原料成品的质量和保护粉碎机必须要经过筛选程序。二、 原料去铁：如原料中含有铁类的磁性金属，如不清除随原料进入粉碎机或精选机，会对机器造成损害，必须要取出原料中的铁块。1、 磁铁分离器：原料以薄层形式进入分离器，铁块被吸住而除去原料则自由通过。2、 常用分离器有两种;(1)平板式（2）旋转式3、 磁铁的选择;(1) 永久磁铁：结构简单、维修方便、不耗电。缺点：磁力弱、会退化。(2) 电磁铁：磁力稳定、性能可靠。缺点：耗电、结构复杂三、 筛选机1、 筛选机的作用：(1)去除原料中的杂质，（2）粒度不同原料的分级2、 常用的筛选机（1） 振动筛；平面筛：使用的筛子有两种：金属或尼龙编制、冲孔金属板。冲孔金属板筛孔分为：圆形、正方形、长方形。根据物料形状和所含杂质的形状而定。目前使用的振动筛：筛宽（B） 5001600mm 振幅（L） 46mm 振频（H）200650次/分振动筛的生产能力由下面的公式决定：G=Bq（kghr）式中：B筛面的宽度（m） q单位筛宽流量mhr由q值常常不知道可用近似公式：G=3600（kghr）式中：B筛面有效宽度（m）取B=0.95Bh筛面物料层厚度（m）取h=12d d为物料最大直径V物料沿平面运动的平均速度（ms）取0.5（ms）下物料松散系数 取0.360.64物料的密度 （2）圆筒分级筛：使用较多于制麦厂 见p2 图1-4生产能力：G=qDLh p3四：粉碎设备1：物料粉碎的作用：在发酵生产中，为了加速蒸煮、糖化、发酵的反应速度，将大块固体物料粉碎成小块物料甚至是粉末物料，增加传热、传质、微生物吸收利用的比表面积。粉碎质量的好坏，不仅反映出粉碎操作的合理性和经济性而且会影响蒸煮、糖化发酵的质量。2：粉碎方法：根据操作作用力分为四种（1） 挤压（2） 冲击（3） 磨碎（4） 劈碎3：锤式粉碎机（1） 适用范围：中等硬度物料的中碎和细碎操作，尤其适用于脆性物料，玉米，地瓜干（2） 构造及作用原理 p3（3） 锤式粉碎机的主要构件 锤刀，材质 高C钢锰钢 ，形状主要有矩形、带角矩形、斧形 锤刀安装一定要对称安装，保证主轴有动平衡的性能以免产生附加的惯性力而损伤机器 锤刀磨损后应更换 筛网孔 一般由钢丝网构成或在金属板上钻圆孔、方孔、长方孔介绍p3酒精厂选用不同规格的筛网对产品的颗粒大小和生产能力有很大影响。为防止筛孔堵塞物料含水量要小于15%，而且还可以调节锤刀与筛网间的径向距离（4） 生产能力和动力消耗计算： 生产能力计算：半径验出法假设从一圆孔排出的产品体积V（） 当轴上有K排个锤刀，转子的转速为rmin，筛孔总数Z个，则每小时排出产品体积：V=60KZhr如是长方形筛孔，则=LCd（） 动力消耗：估算：N=ADLn（）4: 辊式粉碎机:(1) 适用范围粒状物料的中碎及细碎(2) 构造及作用原理分为二四五六:辊式粉碎机 相对运动，有15%20%速度差，一个固定一个可调。可移动辊的后方应装有推力弹簧，辊分光辊丝辊(3) 生产能力及功率的计算：生产能力的计算公式Q=120DnLbhr生产经验1000mm长度双辊粉碎机每小时的生产能力150-200kg，四辊 200-300kg用于粉碎麦芽：功率 N=根据生产经验：500kg/hr产能消耗1kw左右。5：盘磨机 p46: 球磨机p4-p5第二节： 气流输送一、 概述气流输送也称风力输送，借助于强烈的空气流的动能使物料在气流中被悬浮输送。发酵工厂广泛用于输送大麦、大米麦芽及地瓜干等疏松物料。气流输送的优点; 设备简单，占地面积小，费用少输送能力和输送距离有较大的变动范围。另外输送过程中还可以对物料进行加热，冷却，干燥等操作。例如：422K热空气，短时间内，从进口到出口面粉湿度从14%下降10%面粉出口温度321K。缺点：动力消耗大，不适用于输送潮湿和粘质的物料。二、 气流输送原理第一节中谈到，气流输送借助气流的动能使管道物料在气流中被悬浮输送，说明物料在气流中悬浮是很重要的，物料在垂直管中和水平管中的悬浮机理是不同的。（一） 颗粒在垂直管中的悬浮物料小颗粒在静止空气中自由降落受到作用力有三个：。颗粒在重力作用下，降落速度越来越快，同时导致颗粒收到的空气阻力越来越大最后当三力达到平衡+=时颗粒以不变的速率匀速降落。称为自由降落速度若空气具有向上速度，当=时颗粒在气流中静止。这时称为颗粒悬浮速度。当时颗粒会被气流带动实现气流输送。所以说就是垂直管中颗粒物料气流输送的流体力学条件。（二）颗粒在水平管中的悬浮颗粒在水平管中的悬浮比较复杂，一般认为是下面五种力的结果：1、 气流为湍流时在垂直方向上的分速度所产生的力2、 气流分布（沿管截面）呈抛物线形，这个速度差而引起的静压差所产生的作用力。3、 麦格纽斯效应（Magnus effects）4、 颗粒不规则而产生的气流推力合力5、 颗粒与颗粒，颗粒与管壁碰撞而产生的垂直作用力。上述五种作用力仅表示水平管道颗粒受力的可能性，并不表示同时性。与时间的关系是未知函数（三）颗粒在管道中的运动状态气流输送中颗粒在管道中的运动状态与气流速度有直接的关系（1） 在垂直管中：当=时颗粒在气流中呈流态化状态自由悬浮在气流中当时颗粒基本上均匀分布于气流中（2） 在水平管道中：（可以由透明的管道进行观摩）当气流速度很大时：颗粒全部悬浮，均匀分布于气流中，呈现悬浮流状态当气流降低时： 一部分沉积管下部，但没有降落到管壁上，呈上部颗粒稀落，下部颗粒密集的所谓的两相流动状态，这种状态为悬浮输送的极限状态。 当气流速度进一步降低，将有颗粒从气流中分离出来沉于管底，沿管底滑动或停止移动产生堆积，而上部的悬浮颗粒愈来愈少，大部分堆积底部，形成小沙丘向前移动，产生所谓“团块流”由上分析：要得到完全的气流输送必须有足够的气流速度，但是过大的气速是没有必要的，会造成很大的输送阻力和磨损。（四）气流输送流程根据设备组合情况不同，气流输送装置分为真空、压力和压力真空输送三种形式。1、 真空输送 p82、 压力输送p83、 压力真空输送 二者结合 p94、 各流程比较：（1） 从不同地方向同一卸料点送料时，适于真空。（2） 从一个加料点向不同地方送料时，适于压力。（3） 真空系统不需要加料器，而排料处要装有封闭较好的排料器。压力系统不需要排料器，而加料处要装有封闭较好加料器。（4） 选择输送方式，应根据物料特性，输送量，输送距离，线路状况综合考虑。（五）气流输送设备的组成设备1：进料装置（1） 吸嘴：用于真空系统进料装置分成三种; 单管型带二次空气进口的单管型喇叭形双管吸嘴。 P9-p10(2) 旋转加料器（也称旋转阀）用于压力输送进料装置而用于真空输送卸料装置 见p10图1-19旋转加料器的供料量由下面公式计算：V=60qnh式中（容积效率）=进料体积叶片间隔小的几何容积。一般随物料性质、转子转速和转子上下压力差等因素而异。通常 0.750.85.(3) 卸料装置：旋风分离器 p10 沉降式分离器p11圆筒直径 D=1.13m L=1.02.0D 圆锥高度H=m(4) 空气除尘装置作用;进一步回收粉状物料，减少损失。净化排放空气。防止损害真空泵分成：旋风分离器 p11袋滤器 p11湿式除尘器 p11(六)气流输送系统的计算1、气流速度：如速过大，浪费动力加大磨损和物料破碎 如速过小，不能悬浮或不能完全悬浮，造成阻塞气流速度u由实验或经验得出，一般说：物料密度大，粒径愈大，u愈大见p12 表1-12、 混合比：物料质量流量W与空气质量流量W的比值（ 表明1kg空气所能输送物料的量）愈大，送料量愈多。但过大会造成阻塞，阻力损失大。取决于输送系统的具体情况和物料特性。真空小 压力大输送距离短大 反之松散大 粉状、潮湿小见表1-2 p133、 输送空气量和输送管径的计算p134、 压力的计算 p13-155、 输送功率的计算及风机的选择输送功率就是系统风机（或真空泵）功率N= 效率取0.50.7V=（1.11.2）msP=（1.11.2）Ppa风机的选择 p166、 计算举例第三节：输送机械习题;某啤酒厂真空书送达米，大米由单孔吸嘴吸入，经过垂直高度20米，水平距离50米，90的弯管两个。新的焊接管=6，沉降式卸料器排料后接旋风除尘器，袋滤器再由真空泵吸出放空，空气段管路总长30米，90弯管六个，=2，计算主要参数和沉降器的主要尺寸，旋风分离器的型号，袋滤器的型号，每日操作4hr，输送24吨大米。大米悬浮速度=12ms，混合比=5.第三章 微生物工业发酵设备第一节 概述微生物工业：是利用M生长和代谢活动生产各种有用物质的现代工业。由于它以培养微生物（发酵）为主。习惯上称为发酵工业。培养微生物的反应器习惯称为发酵罐M工业与M设备之间关系：M工业的发展推动M工业装备的改变，而微生物工业装备的演进又推动M工业的跃进。环顾世界微生物发展史，可分为五个阶段。第一阶段：1900前，中国古代发明米酒酿造术。古埃及虽能酿造啤酒但第一次大规模酿造啤酒是在17世纪，出现容量1500桶木质发酵器，并应用温度计（1757年）和原始的热交换器（1801年）第二阶段：从1900年1940年，开发酵母、柠檬酸、乳酸，丙酮和丁醇发酵产品。出现好氧、机械搅拌发酵器，并可以在压力下引进蒸汽灭菌。厌氧发酵丙酮-丁醇的发酵罐 V=200m第三阶段：从1940年到1960年，由于战争对抗生素的大量需求以大规模深层培养生产青霉素为代表，发酵技术有重大突破，解决了向培养基中大量通入灭菌空气和高浓度培养基中搅拌功率的计算等问题。进行了真正的纯种发酵。产品主要有抗生素、赤霉素、氨基酸、酶和甾类转化，好氧搅拌发酵罐=80m第四阶段：从1960年到1979年，以大规模开发微生物细胞作为饲料蛋白为代表，出现了高压喷射和强制循环的发酵罐和连续发酵技术。如氧机械搅拌罐容积由80m150m。英国帝国化学公司由甲醇为原料=（连续生产）单细胞蛋白的强制循环气升式发酵罐V=3000m。为防止大面积发酵染菌，对发酵设备结构，培养基灭菌设备和无菌空气的制备提出了更高的标准。第五阶段: 从1979年到目前，起代表是基因工程菌的大规模培养。基因工程技术不仅能在不相关的生物之间转移基因而且还可以很精确地对一个生物基因组进行转移，因而赋予M细胞具有生产较高等生物细胞所产生的化合物的能力。如胰岛素和干扰素等生产。 大规模悬浮培养哺乳动物细胞=疫苗，单克隆抗体 大规模悬浮培养植物动物细胞=生物皂甘抗肿瘤，扩张心血管 发酵设备 发酵罐 =（发展） 第二节 培养基灭菌方法及设备 微生物发酵要求纯种培养，培养的严格灭菌= 由于纯种发酵过程中污染杂菌会使目标代谢产物的生产率大为下降，甚至得不到产品，即使能得到产品，质量也很难保证。因为杂菌产生的次级代谢产物会给提取分离工序带来困难。培养基灭菌就是从培养基中杀死或者除杂菌(非生产菌)的过程。 方法有很多种：1、化学药品2、辐射3、干热、湿热（蒸汽）4、滤膜过滤为防止杀菌剂残留在培养基中，影响生产菌生长和降低生产成本考虑，除对一些热敏性培养基采用膜过滤之外。工业上都采用湿热灭菌（蒸汽）。这是由于蒸汽容易获得，价格低廉，蒸汽温度高，穿透力强，冷却潜热大，灭菌后，不残存对生产菌生产不利的物质。 一：热灭菌的基本理论从微生物整体看，生产温度范围很广（080）按期生长速度分为三个温度界限超出最低和最高生长温度的范围，生命活动就要中断。一般来说微生物对低温的敏感性并没有对高温敏感性那么显著。虽然低温可是一部分微生物死亡，但大多数在低温状态下只是新陈代谢活动减弱或者降低，处于休眠状态。但是生命活动依然存在。但是微生物在超过最高生长温度以上的环境中，就会死亡。温度升高死亡越快，因为高温下，微生物体内的酶失活（遇热），使代谢发生障碍而死亡。不同的菌种，还有不同的酶，而不同的酶对热的抵抗不同，即使同一种菌由于其菌龄与有关芽孢形成而对热的抵抗力也不同。微生物对热的抵抗力称为M的耐热性是热灭菌的主要参数。M生物的耐热性有许多种，最有代表性的为：（一） 热（至）死时间，在一定的温度下杀死某些M所需最小时间 表列出一些细菌孢子在培养基中的热死时间细菌孢子温度（）80100110120枯草杆菌74-75hr175-185min37-38min7.5-8min棱状芽孢杆菌10-10.5hr4-45min巨大芽孢杆菌16-17hr15-16min柱状芽孢杆菌1140-1200min肉毒棱状芽孢杆菌330min32min4min生芽孢棱状芽孢杆菌9-10min85-90min15-17min (二) 热阻及相对热阻微生物热阻用热死时间表示 相对热阻指相同条件下，两种微生物热死时间的比值表2-2;各种,对湿热的相对热阻微生物相对热阻营养细胞和酵母细胞菌芽孢1.0310霉菌孢子病毒和噬菌体2-101-5从表中可以看粗细菌芽孢比其他微生物有更大的热阻，因此在湿热灭菌时，如能将细菌芽孢杀死，则可以认为其他杂菌早也被杀死。二 培养基湿热灭菌利用高温蒸汽直接加热培养基，利用其湿热杀死杂菌。注意：培地的加热时间和温度对灭菌作用和营养成分的破坏是同时发生的。营养成分的破坏将会影响微生物生产和产物的生成。两者是灭菌操作中的主要矛盾。恰当掌握灭菌时间和温度是灭菌工作的Key(一) 分批灭菌：把培养基放到发酵罐中，与罐体一起加热至预定温度保温一段时间，然后冷却至准备接种温度。 分批灭菌也称实消，见P59，因此分批灭菌的过程是由加热，保温和冷却三个阶段组成，见P60图。虽然在加热阶段和冷却阶段也有杀菌效应，一般说保温时间即是灭菌温度1、 分批灭菌保温时间的计算培养基灭菌的过程中选择灭菌温度和时间是保证灭菌质量的关键。 因此在分批灭菌中选择耐热杆菌芽孢为灭菌对象可以认为其被撒施时，其他类型的M早被杀死，灭菌温度选择121-145。在工程设计中，常取培地初始污染度（耐热杆菌芽孢）为10个/ml或者210/ml 经灭菌所杂菌的残留量为0.001个，也就是说灭菌失败概率1/1000，作为灭菌后培养基含杂菌的标准。灭菌时间的求取可以根据对数残留定律： 式中：灭菌时间（s） No开始灭菌时，杂菌的个数（个） K灭菌常数（1/s） Ns灭菌结束时，杂菌的个数（个） 与灭菌温度和菌的种类有关K=Ae 式中：A系数（1/s） E灭菌时所需活化能（J/mol） R气体常数（8.314 J/mol）以耐热杆菌芽孢为灭菌对象时：A=1.3410（1/S） E=2.8410（J/mol）因此上式可写成：lgK=+36.127例：某发酵罐，内装培养基40m,在121进行实罐灭菌，设耐热杆菌芽孢数为：10个/ml，求灭菌时间。解：No=401010=410个Ns=0.01个lgK=+36.127=+36.127=-1.55K=0.0281（1/S）=1442.6(s)=24min最近我们从实罐灭菌过程温度时间图可见：发酵罐愈大，加热冷却阶段时间愈长，若考虑加热阶段的灭菌效应。则可以适当减少保温时间以免营养成分的破坏过多。依据上例，已知升温阶段培养基从100升到121需要20分钟，求灭菌时间解：考虑升温阶段的灭菌效应，在升温到121时，培养基中杂菌个数由No降到Np由于在升温过程中：K值变化，lgK=+36.127T=273+100=373KT=273+121+394k在373K394K之间任取8点带入上式，用图解法求出K值， 图解积分：=0.128K /S求出积分平均值：Km=0.0061 1/S在加热段结束时，培养基中残留的菌数Np=Np=2.6510(个)则灭菌保温时间：=1182.1（S）=19.7min从上面计算可以知道，考虑加热段的灭菌效应的灭菌时间比不考虑加热段的灭菌效应的灭菌时间少18%左右。据此推断：发酵罐愈大，在实罐灭菌中，升温时间越长，加热段的灭菌效应应考虑进去。（二） 连续灭菌由于分批灭菌时，加热阶段和冷却阶段时间长，对培养基成份受热时间长，破坏多，发酵罐利用率低。因此大规模发酵工业多采用连续灭菌法。即将培养基在发酵罐处连续不断进行快速加热。保温和快速冷却。然后进入已灭过菌的发酵罐内。也称连消。优点：（与分批灭菌比较）1、 灭菌温度高，时间较短。对培地营养成份破坏小，有利于发酵。2、 发酵设备利用率高，有利于大规模工业生产。3、 蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高。4、 适采用自动控制，温度控制精度高。5、 降低劳动强度。缺点：1、 涉及设备多。投机费用大。2、 暂用厂房面积大。3、 操作复杂。流程见P34.图2-61、加热设备培养基经配制后在预热桶用直接蒸汽或者通过蛇管，由室温升高到70-80。然后用BA离心泵或者螺条泵将培养基打入连消系统加热设备内，要求在2030 S或者更短时间，培养基加热至130-140。生产上用0.050.08 MPA（表压）与预热后的培养基直接混合，使培地快速升温。加热设备由塔式加热器和喷射加热器2种。（1）塔式加热器（套管式连消塔）如图2-11所示：介绍见P64 塔式加热器的小孔数目的计算方法见P35（教材）（2）喷射式加热器 国内大多数发酵工厂采用，其加热速度快，噪音小。 其内部结构件教材P652、 灭菌保温设备（1）维持罐：它是一立式圆筒形密闭容器。高径比24 如图教材P36，图2-15 内容介绍见教材P36.向面加“为减少培养基在容器内反混程度。维持H/D大些好，设备的外层包裹绝热保温材料。维持罐的有效容积由下式计算： V=(M)式中：V维持罐有效体积（m） G培养基的体积流量（m/s） 培养基在维持罐内平均停留的时间（s）理论灭菌时间（s）充满系数，取0.850.9例题见教材：P37(2)管式维持罐：由水平只管和U型弯管焊接而成，外层包裹绝热保温层。用于解决维持罐的反混。向同学讲诉维持罐存在的缺陷。由于培养基在管道维持罐内接近呈活塞流流动，反混几乎等于0.管式维持罐的设计计算：1967年：著名生物工程学者：Alba Humphrey和Miuis把Pe(彼列式准数)，微生物残存率Co/Cs和Da（达姆科勤准数）进行关联和简化得到下式：Da=式中：Pe彼列式准数。 Co前杂菌浓度（个/ml） Cs后杂菌浓度（个/ml）Da=k(L/)=K式中：K灭菌常数（1/S） L维持管道总长（m） 培养基在管内平均流速（m/s） 培养基在管内平均停留的时间（s）例题：有40m培养基以14 m/h r的流量进行连续灭菌，灭菌T是135。灭菌保温设备采用管式维持器。已知：灭菌前杂菌含量10个/ m l。灭菌后杂量残留量0.001个，培养基在管内平均流速=0.5m/s。问此管式维持罐的主要尺寸？解：=410 lgK=+36.127=+36.127=-0.2578 K=0.55（1/s）Da=代入=42.32Da= K，=76.95s=1.28min维持罐的内径d=0.099(m)取1084无缝钢管。L=0.576.95=38.48m3、 冷却设备：灭菌后的培地需要迅速冷却，以防止营养成份破坏，国内大多数采用喷淋冷却器，有些厂家正在试验采用螺旋板或波纹板换热器。通过冷却设备，培地被冷却到4045，进入发酵罐后，经发酵罐内的冷却装置进一步冷却至培养温度。顶端袋有带齿状的水槽，冷却水从水槽内溢出沿每排管壁以膜状依次流下。喷淋冷却器设备介绍见华化教材P69-P70其传热系数较大，约在8301050KJ/hr,培养基在管内流速为0.30.8ms。喷淋冷却器的主要结构尺寸，可用以下诸式计算（1） 传热量 Q=(W-W)C(t-t)tW(I- C t) (KJ/hr)式中：Q冷却水带走的热量(KJ/hr) W用量 (KJ/hr) W汽化量 (KJ/hr) 一般W=（1-2%）W t，t冷却水初终水温，一般t=20。 I周围空气平均温度下水的汽化热焓（KJ/Kg） C冷却水的比热。（KJ/Kg）（2） 喷淋冷却器的传热面积：F=K传热系数（kj/hr）t冷热流体平均温差（）（3） 喷淋冷却器的管径 d=V培养基体积流量（m/s）培养基在管内流速（m/s），一般取0.30.8m/s（4） 管长 L=(5) 校核喷淋密度Z= （kg/mhr）式中：n水平面上管子排数 L每排管长喷淋密度Z一般控制在8001500kg/mhr.若不在此范围应调节管子排数或管子长度。第三章 发酵用无菌空气预处理流程及设备绝大多数的M发酵生产都需要氧气，通常都是以空气作为氧源。空气中有许多M，若这么多M进入培养基和培养条件下将会大量繁殖，致使发酵染菌。这些染菌不仅需要消耗大量的营养物质，还会产生各种代谢产物影响正常发酵，甚至造成报废。日本由于空气系统部完善造成染菌率占发酵总染菌率的19.96%。我国一般占15-49%，个别工厂达到80%。因此采用和设计一套科学合理的空气净化处理流程，从而获得合格的灭菌空气，对发酵工业至关重要。 第一节：发酵用无菌空气的标准空气中M大多数是细菌孢子酵母，霉菌和病毒等，大多数附着在空气中的灰尘上。灰尘大，M多，城中心，M多，人口稠密，M多。夏比冬季多，离地面低比高多。工程设计常取空气的污染度10 个微生物/m作为标准，发酵用无菌空气，要求把空气进行初温，压缩，减湿除菌等过程达到以下标准。1 连续提供一定流量的压缩空气2 压强控制在0.20.4Mpa3 为防止过程介质受潮失效，空气进入过滤器，相对湿度70%4 进入发酵罐的空气（无菌）温度可以比罐温高10305 压缩空气的洁净度，在设计时，一般取失效几率为10作为计算指标。第二节： 空气除菌方法一：常用的除菌方法：1、 辐射杀菌 紫外线 2600A （种子操作岗位）2、 热杀菌 空气热阻大，经济上不合算3、 静电除尘 4、 过滤除菌 是目前发酵工业较为经济使用的空气灭菌法。它是利用过滤介质来阻截空气中所含的微生物而获得无菌空气。常用的空气过滤器分为二大类“1、深层过滤器：过滤介质 棉花（脱脂），玻璃纤维，有机合成纤维 颗粒介质：活性C，焦炭，还有其他的介质如滤纸，虑板金属或者非金属烧结材料。它们呢构成的滤层空隙大于0.5m（大于个体M），这类过滤器不是真正的过滤而是造静电，扩散，惯性，及拦截等作用来除菌（请同学们看P74-77）2、绝对过滤器：过滤介质是微孔滤膜，孔径.022m，空气中的M真正被过滤而除去，由于其滤芯比较昂贵，国内M除菌方法采用深层过滤。第三节：压缩空气的预处理流程及设备国内M工业的除菌方法大多数采用深层过滤，过滤介质一般都采用棉花，活性C，为防止过滤介质受潮沾污，降低了除菌的效率和增加空气通过的阻力，压缩空气在进入总过滤器前，必须采用减湿预理。其流程，P94页，二级冷却，加热除菌流程图 P93一采风塔（采风室） 一般高于地面10米，有些厂家直接构筑在空压房机的房顶上。二、前置粗过滤器; 安装在空压机吸入口前的过滤器将为前置过滤器成粗过滤器，要求阻力小，容尘量大的特点。 1、作用（1）捕集空气中的较大直径的灰尘减少空压机气缸的磨损，延长使用寿命 （2）由于M附着在灰尘上，粗过滤器也起到一定的除菌作用，减轻总过滤器的负荷。 2、过滤介质：泡馍塑料或者无纺布（折叠式）。流速0.1-0.5M/S。有的工厂把油洛除尘装置作为前置过滤器。P95三 空气压缩机及选用原则在空气净化过程中克服同时压缩机能连续运转，提供表压为0.2-0.4MPA的压缩空气。1、 常用的压缩机及其代号往复式空压机活塞在汽缸内往复运动，完成吸、压、排气气流是不连续的，脉动较大。空气流量大。后设置空气贮罐无往复式的缺点，设备投资大，单位输出量所消耗的功率较往复式大。（3.2-3.5/3.0KW）。不设置空气罐往复式（国内）空压机代号：3L-20/2.3 中3-表示信号；L-汽缸排列呈L形式 20-公称输气量（吸气量）20m/分钟。2.3-表示额空出口压强为2.3公斤/（表压）单螺杆（双）空压机代号：LG 25-80/2.5-DG 中LG表示螺杆，表示双螺杆，25表示表转子直径25 80表示公称输气量80M/ min，2.5表示压强 DG 低噪无油式。国产涡轮式空压机代号：DA350-41 中 D-单吸，双吸（S） A-空压机，350-公称输气量350m/min,41-第一次设计四，空气贮罐：消除空气机排除气流的脉动。保证整个空气预处理流程空气压强的稳定。同时高温的压缩空气介留一定时间也起到杀菌作用。最好有保温层。（螺杆离心式可不安）H/D=22.5 其容积计算V=0.10.2W （P95）五 空气冷却器及压缩空气吸水原理：1、空气冷却器 空气经压缩接受机械功，温度显著上升。P=T,可用侠士表示压强与温度的关系。T=T()T、T被压缩前后T（觉得温度）KP1、P2 呗压缩前后P（绝对压强）（Pa）K-多变指数，对于空气K=1.3例：20空气经压缩，其排气P=210Pa(表压)，问此时的温度为几度？解：T=273+20=293K P1=1.0110PaP2=1.0110Pa+210Pa=3.01PaT=T()=293()=376.97k=104这样高的温度，显然不适合M培养要求，另外空气含水量较高（潮湿地域和季节湿介质受潮失效，必须用冷却设备将空气降温和降湿。常用冷却器是列管式冷却器，其结构和计算在化工原理“传热“中做详细介绍。在空气冷却时，空气走壳层，为提高气相-侧传热系数，设置圆缺型折流板，空气流速1015米/S 冷却水走管层（多管程，24程）水流速0.53米/S。2、 压缩空气析水原理压缩空气的水份来自大气，当大气中的水汽过多。超过其饱和度（即相对湿度为100%），就会有水滴析出。引入几个概念：湿含量X（表示空气中的水份的绝对含量）Kg HO/Kg干燥空气 空气相对湿度： 空气露点温度：T含有一定水汽的空气冷却至相关温度为100%时的温度。空气含湿量X相对湿度，水汽分压P和空气总压P之间的关系：= 公式一X=0.662 （千克水/千克干空气） 公式二= 公式三P空气中的水汽分压 PaP与空气同温度下，水的饱和蒸汽压 Pa，分别为状态前后空气的相对湿度 %P,P 分别为状态前后，对应空气的饱和蒸汽压 PaP,P 分别为状态前后空气的压强（绝对） Pa从公式中看出：状态前后X=X的条件下 0.622=0.622 经处理=（）() 公式五式中随地理，季节，当时的气候条件而变（见华化教材P78）例题见华化教材P79P80六 气液分离设备 气液分离设备一般有二类1、 旋风分离器：教材P96空气一般以1525m/s的流速进入分离器，出口的空气流速为48m/s 对10m以下微粒的分离效率6070%，20m以上几乎100%，对于10m200m的微粒适用旋风分离器。 其压头损失很小P=5002000Pa2、 丝网除沫器：用于出去10m的雾状液滴。（1） 结构 P96 (教材)（2） 除尘原理，华化教材 P82（3） 气体流速及分离器内劲d的计算：V=0.75V （米/s） V=K (m/s) 式中： V实际设计时流速 (m/s) V设备内最大允许的空气流速 (m/s) K经验系数，一般取0.067来计算 则d= W 空气的体积流量m /s(4)压力降; P=33.4 V 经验公式（P97）七：空气加热设备压缩空气经旋风分离器和丝网除沫器把夹杂在空气中的液滴、雾沫除掉后，在进入总过滤器前为了将相对湿度从100%降到70%以下应将压缩空气加热。空气加热设备一般都采用列管式换热器，空气走管程蒸汽走壳程，或则采用套管式加热器，空气走管程，蒸汽走夹套。由于气体一侧的给热系数很低，加热器的总传热系数约为150-300kjhr.1、 空气过滤器深层过滤器. 介质：以纤维和颗粒状介质为过滤床的过滤器用于空气总过滤器 介质：以微孔滤板，超细纤维滤纸，微孔金属烧结管（二级过滤器）绝对过滤器 介质：聚四氟乙烯或纤维树脂材料。用作分过滤器纤维和颗粒状介质为过滤器它是一直立的圆筒加上椭圆形的顶封头和底封头。空气由上而下通过过滤介质从而达到除菌的目的。过滤器内有上下孔板两块，孔板孔径为10-15um,下孔板一般由支撑杆或架与底封头焊接在一起，而且大直径的过滤器下孔板做成凸面型这样可以使底部的介质有压向器壁的分力，以防止空气沿器壁走短路，为使介质层在蒸汽灭菌后干燥得快，有些空气过滤器筒身外面装有供蒸汽加热的夹套，但如加热不恰当，会使过滤器内的棉花炭化玻纤结团，活性炭引起焚烧。（有的没有夹套）空气的进口在过滤器的下方一般沿切线方向进入，由过滤器上方引出。1， 填充介质：介于两孔板之间，介质放置时一定要注意均匀，注意贴壁，平整，有一定的填充密度，以防止短路和被空气吹翻。棉花：未经脱脂，纤维度适中（2-3cm），纤维直径16-20um，其真空度为1520m，通常填充密度为130-150m，其填充率为8.5%-10%，先将棉花弹成比圆筒稍大的棉垫再填入器内玻纤：无碱的玻璃纤维 纤维直径3-20um，其真空度为2600m，通常填充密度为130-280m，其填充率为8%（210kgm ）为防止玻纤粉碎和方便填充，先用酚醛树脂、呋喃树脂将玻纤粘合成具有一定填充率的形状的过滤垫后再放入器内。活性炭：常用的颗粒活性炭是小圆柱体，其大小310-15mm，其真空度为1140m，通常填充密度为50030m，其填充率为44%左右。要求颗粒均匀，坚硬不易被压碎。不单独操作过滤介质，通常与纤维状介质分层堆放成过滤床2、 介质的堆放高度：与纤维性质，直径，填充密度，气流速度和过滤器持续使用时间有关。堆放方法两种：纤维层(下)：活性炭(中)：纤维层(上)=1：12：1（纤维高度0.2-0.3m） 活性炭（下）：纤维层（中）=2-3：1（活性炭在下，高度0.2-0.3）3、介质填充的次序 p884、过滤器的直径D和过滤层高度D=（m）式中=空气体积流量ms，=空容器截面上的空气流速（ms）注意直径D不能超过2.53.0m，过大时介质床不均匀易导致短路。过滤层高度前面一介绍过。生产经验。5、一般上板孔采用弹簧压紧装置（p88 图4-10）其作用p886、过滤器的灭菌：由下而上通入表压0.2-0.4mpa的饱和蒸汽灭菌45min然后用压缩空气吹干备用。一般每月消毒一次，备用一台，以便灭菌时替换。7、压强降的计算P= 式中 C阻力系数C=，空容器截面上的空气流速（ms），空气的比重（m），L介质层高度m， 纤维直径（m）a填充率， m为实验指数：棉花m=1.45 19um玻纤m=1，35 8um玻纤m=1.55.（二）滤纸过滤器P89为一种滤纸过滤器，其结构类似于旋风分离器。过滤介质：超细玻璃纤维。其孔径1-1.5um，厚0.25-0.4mm。真空度为2600m，通常填充密度为384m，a=14.8%，平时以3-6张纸叠在一起使用。特点： 除菌效率高（），阻力小，强度不大，所以要制作纸浆时加入酚醛树脂或是混有7-15%的木浆以增加强度。安装：为使滤纸能平整的置于过滤器中，能经受起灭菌时蒸汽使用是空气的冲击，在过滤器和顶盖法兰间夹有两块相互切合的多孔板【板上开有许多8mm的小孔，开孔率40%（面积）】以夹住滤纸。安装时在滤纸上下分别铺上铜丝网，细雨布，同时加橡皮垫圈夹紧。过滤器的直径D=（p89）和压降：压降很小可忽略。金属烧结管过滤器80年代初，核工业部第八所研制成功JLS过滤管由金属粉末烧结而成，由单根几十根上百根金属微孔滤管安装在不锈钢过滤器壳体内。压缩空气进入壳程经滤管壁除去杂菌和颗粒得到灭菌空气，由管程排除。特点：使用寿命长，耐高温，阻力小，安装维修方便。为防止空气管道中的铁锈和颗粒及蒸汽管中的铁锈对金属微孔管的污染。在此过滤器之前要加一个与之匹配的空气预过滤器和蒸汽过滤器（教材p86）。第四章 通风发酵设备一、概述生化产品有相当部分是以M在液体悬浮好氧培养来生产的。此类M培养设备统称生物反应器和发酵罐。在发酵罐中M在最适宜的环境中进行繁殖、合成代谢产物。一个良好的发酵罐应该满足下列要求：（1） 发酵罐结构必须严密，内部结构简单，以减少死角的产生，内壁光滑，焊缝必须双面焊并磨光，对铁离子敏感的发酵培养，一般采用不锈钢制造。（2） 有良好的气液接触和液固混合性能，使物质传递，气体交换能有效进行。（3） 有良好的热交换性能，以适应灭菌操作和使发酵罐在最适的温度下进行。（4） 保证正常发酵前提下，搅拌和通气的动力省。（5） 尽量减少泡沫产生或安置高效的消泡装置，以增加装料系数。（6） 附有各种检测仪表，及时的得到发酵过程中的生化数据，以利用最优化控制。目前工厂普遍使用的发酵罐是通用式发酵罐，另外还有自吸式空气搅拌式发酵罐，高位发酵罐。第一节：通用发酵罐是最常用的生物反应器，它也称通气机械搅拌发酵罐（P136），它是由一个圆柱形筒体，配上椭圆形或碟形的封头，罐内配有搅拌装置，空气分布装置，冷却或加热装置和取样装置。一般采用不锈钢，有些为降低成本采用复合不锈钢和碳钢，罐体双面焊并打光，罐体能耐3105Pa4.5105Pa(表压)的水压试验。一、 罐的外形及几何尺寸：其外形见P135 H/D=2 Di（搅拌叶半径）/D=1/21/3B(挡板宽)/D=18112 C(下封头到下搅拌叶的距离)/Di=0.81.0S（上下搅拌叶距离）/Di=2.53.0 h/D=0.25(h为封头突出部分的高度)二、 几个有关发酵罐容积的概念（1） 发酵罐全容积VT=VC(圆筒部分)+2Vo(封头体积)（2） 发酵罐公称容积V=VC+Vb=4D2h0+4D2hb+6D2ha（3） 发酵罐工作容积Vw=VTn(n为发酵罐的装料系数)国内发酵罐在未特别标注视，都按发酵罐的公称体积来计算。目前随着制造技术、电子仪表工业、微生物工艺控制技术及染菌率得到控制，发酵罐的容积趋向大型化，国外已有450立方米左右的通用发酵罐国内已有多家采用100立方米左右的通用发酵罐用于抗生素、柠檬酸、谷氨酸的发酵生产。三、 传热装置在工业微生物培养过程中为维持微生物的最适生长温度，必须不断地取出生物热和机械搅拌产生的热量，因此发酵罐上应配备换热装置。发酵热的定义：单位时间每立方米的发酵液产生的热量，以Q发酵表示。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q空气带走-Q辐射散失 可通过计算或者实测得出。一些发酵产品在发酵旺盛时期的平均发酵热：发酵产品 发酵热KJ/m3.hr酒精 4200柠檬酸 12500Vc 20000抗生素 25000谷氨酸 33400发酵罐的加热或冷却都通过夹套或蛇管进行的。国内发酵罐的换热面积1.52.0m2/m3发酵液。5m3以下小罐采用夹套换热装置。为增大夹套的传热系数，夹套内都有螺旋形导流板，传热总系数K=620KJ/m2hr.左右。10m3以上的发酵罐采用不锈钢立式蛇管作换热装置。为了便于蛇管的安装检修，根据发酵罐不同容积可以做成4组、6组或8组，传热总系数K=1700 KJ/m2hr.左右。四、 搅拌装置发酵罐内设置机械搅拌是为了使培养液内部气液固三相混合，以强化质量和热量的传递，特别是对氧的溶解具有重要意义。粉碎起气泡团、加强气液相的湍动增加气液接触面积及延长气液接触时间。搅拌器可使被搅拌的液体形成横向或径向的液流。发酵罐中希望搅拌器以产生径向液流为主，因此广泛采用涡流式搅拌器，为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，搅拌器中央常带有圆盘。（一）、常用的搅拌器有（P160）六平叶涡轮搅拌器、六弯叶涡轮搅拌器、六剪叶涡轮搅拌器在相同直径、相同转速情况下：功率消耗：六平叶六弯叶六剪叶粉碎气泡能力：六平叶六弯叶六剪叶液体混合能力：六剪叶六弯叶六平叶由于六平叶搅拌器的剪切力较大，消耗功率也大，对某些微生物生长不利。（二）、发酵罐的最适Di/D值随着生产菌种、培养液性质、通气程度等在1/21/3间变动，但是愈粘稠的培养液、愈好氧的菌种Di/D值应较大，同时转速较高，即搅拌功率在一个较高水准。（三）、发酵罐内挡板的安装的作用：（P137）1、作用：一般搅拌器在运转时，如不在管内壁上安装挡板，很容易在液面中央部分产生下凹的漩涡，特别是高转速漩涡更突出，甚至是搅拌器不能全部被液体所浸泡，搅拌功率显著下降，搅拌操作不能正常进行。而安装挡板之后可基本上避免上述情况发生。所谓“全挡板条件”指能达到消除液面漩涡的最低条件，此时在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率不变化。此条件愈挡板数nb及挡板宽度与罐径之比B/D值有关，有两个计算公式：（1）（B/D）1.2nb=0.35 当nb=4时，B/D=0.131(2) （BD)nb=0.4 当nb=4时，B/D=0.1由于在发酵罐中除挡板外，