发酵第一章生物质原料处理过程与设备

发酵机械与设备徐明芳博士教授暨南大学生科院2015-09-11工欲善其事，必先利其器

——论语·魏灵公

目录绪论第一篇生物质原料处理设备第二篇生物反应设备第三篇产物分离设备第四篇其他设备第一篇生物质原料处理设备第一章生物质原料预处理设备第二章生物细胞培养基制备设备第一篇生物质原料处理设备第一章生物质原料处理过程与设备内容第一节生物质原料筛选与分级第二节生物质原料的粉碎第三节生物质原料固体间的混合思考题生物质原料为什么要进行预处理?预处理包括哪些内容?常用的旋转式永磁滚筒磁铁分离器结构与工作原理；大麦精选机结构与工作原理是什么？振动筛的结构与原理？锤式粉碎机结构、工作原理辊式粉碎机结构和工作原理球磨机结构和工作原理底物生物反应器检测控制仪表培养基（灭菌）经加工原料酶细胞生物催化剂（游离或固定化）机械能除菌空气产品提取纯化副产品产品废物热能原材料营养物典型工业生物技术过程核心技术？培养基制备工艺过程：

原料→筛选→粉碎

→糊化（蒸煮、酶）→→糖化（酶法）→灭菌→冷却原料概述工业化大生产所用原料主要有两种：

1.直接使用淀粉为原料

(或淀粉的加工品，如各种淀粉糖)2.以初级粮食为原料(淀粉质原料)，如大米、玉米、瓜干、苕干、大麦等，需要对原料进行预处理

(包括筛选、除杂和粉碎)。概述预处理原因

是因为原料在收获贮藏和运输中会混入各种夹杂物，可分为三类：a.纤维性较长物质，如麻绳、草屑、庄稼秸秆等；b.颗粒状，如泥土块、沙子、小石块等；c.铁磁性物质，如铁钉、螺丝等。危害：原料出品率降低；影响后面工序的进行，如粉碎时会磨损机械等。第一节生物质原料筛选与分级1、生物质原料筛选与分级设备1.1磁力除铁器

（1）永磁溜管2～3个盖板，每个盖板上装有两组前后错开的磁铁。连续磁选、拆板清理。1.固体物料的筛选除杂设备发酵工厂以初级粮食为原料的生产中，谷物原料含有泥土、砂石、草籽、杂谷、金属等杂质，必须对原料进行筛选和除杂处理。谷物原料粗选设备（1）磁力除铁器由永久磁铁或电磁铁组成。永久磁铁结构简单，使用维护简便和不耗电能，但磁力较弱，磁性会退化。电磁铁磁力稳定，性能可靠，但需一定的电流强度，结构复杂。常用的磁铁分离器：平板式和旋转式平板式磁铁分离器：由若干块磁铁排成一排，镶在木槽中，磁极露在物料通过的倾斜平面上。1.磁铁分离器结构a.结构平板式磁铁分离器旋转式磁铁分离器b.原理：用磁铁分离器除铁时，只要原料成薄层通过分离器，铁块便被吸住而除去，物料则继续自由通过。

平板式旋转式(2)永磁滚筒磁铁滚筒由

转动的外筒

和其中固定

不动的磁铁

芯组成机构包括进料装置、滚筒、磁芯、机壳和传动装置等。永磁滚筒磁芯，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。

RCYG永磁传动滚筒磁力除铁器工作原理平板式磁铁分离器：由若干块磁铁排成一排，镶在木槽中，磁极露在物料通过的倾斜平面上。旋转式磁铁分离器：由半圆形磁铁铁芯与旋转滚筒组成。（1）固定形磁钢装置将永久磁钢根据需要的数量组合起来，分散或集中装置在谷粒经过的加料斜槽或加工设备之前。（2）永磁滚筒由上体机1，磁铁滚筒2，下机体3，涡轮减速器4和电机5等组成。

物料经压力门形成均匀的料层，落到磁铁滚筒上，谷物随滚筒转动而下落，从出料口排出，其中磁性金属杂质被磁芯磁化，吸留在外筒表面，并被外筒上的拨齿带着随外筒一同转动至磁场作用区外，自动落入铁盒内。1.2大麦的精选及分级设备大麦发芽之前要精选，主要是去除圆形杂粒，特别是断裂的半粒大麦和草籽。大麦精选机（动画）利用杂粒与大麦长度不同的特点进行分离。常用的精选机有碟片式和滚筒式。（1）碟片式精选机工作原理

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，当碟片在大麦堆中转动时，短粒物料被嵌入袋孔而被带到较高位置，由于孔底逐步向下倾斜，短粒物料受本身的重力作用从袋孔中倒出，落入收集槽中。长粒物料因长度较袋孔长，虽能进入袋孔，但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，使长粒物料和短粒物料分离。分级设备---精选机精选目的：除杂粒，除去伤残粒，因为大麦发芽时伤粒易生霉。（1）碟片式精选机精选机适用于颗粒状物料，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。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。

当碟片在大麦堆中转动时，短粒物料被嵌入袋孔而被带到较高位置，由于孔底逐步向下倾斜，短粒物料受本身的重力作用从袋孔中倒出，落入收集槽中。

长粒物料因长度较袋孔长，虽能进入袋孔，但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，使长粒物料和短粒物料分离。(1）碟片式精选机主要构件:由一组两侧开有许多袋孔的同轴碟片组成1、大麦精选机原理：利用杂粒与大麦长度不同的特点进行分离大麦的精选及分级设备

（1）碟片式精选机表1-1

碟片精选机的技术特性

型

号项

目FTTф25〞×27FTTф25〞×23生产能力，t/24h140，5.8t/h120,5/h碟片直径，mm630630碟片数目2723碟片转速：除芥麦除燕麦55—6070—7555—6070—75传动轮转速，r/min17517.5所需功率，kW1.91.5外形尺寸，mm2200×872×8531900×872×853(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到较高位置，落入中央收集槽中，由螺旋输送机送出从而得到分离。滚筒式精选机表1-2

滚筒精选机技术特性技术特性低速滚筒精选机高速滚筒精选机从大麦中除芥麦时生产能力，kg/h10003000功率，kW0.30.55圆筒直径，mm600600圆筒长度，mm22002000

筒转速，r/min1345

轴转速，r/min50120尺寸：长，mm8302853宽，mm640640重量，kg300350此外低速滚筒精选机的安装应与水平线成5°~10°角，颗粒原料向出口运动速度约为0.03~0.05m/s，平均生产率为100~140[kg/h·m2（袋孔面积）]。而高速滚筒精选机可接近水平安装，其生产率可达500kg/h·m2。

5XFZ-10B复式精选机技术含量高：集风选，筛选（分级），比重选等功能为一体，电磁调速无级控制比重台频率，成品净度好，质量高。综合性能局国内领先水平。大生产率：加工速度快，周期短，效率高。提别适合收购加工户，炒货企业以及种子企业等使用。适应性广：该机对多种作物以及所有颗粒状物料有良好的清选作用。绿色环保：设有螺旋除尘系统，能将粉尘，轻杂质等沉降后集中排放，无污染。

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振动筛平面筛固体物料的筛选分级设备1.筛选设备－－振动筛（动画）a.结构以大麦粗选设备为例，结构见下图。振动筛：是一种平面筛，常用筛子有两种：一种是由金属丝(或其他丝线)编织而成的；另一种是冲孔的金属板。筛孔的形状有圆形、正方形、长方形等。大麦粗选机用的是长方形的冲孔筛板。筛板开孔率一般为50-60％，开孔率愈大，筛选效率愈高，但开孔率过大会影响筛子的强度。目前使用的筛选机，筛宽在500-1600mm,

振幅通常取4-6mm，频率可在200-650次／分范围内选取。b.工作原理

筛选操作就是将物料从筛的一端加入，并使其向筛的另一端移动，从而使尺寸小于筛孔的物料穿过筛孔落下，成为筛下物；尺寸大于筛孔的物料则经过筛面从筛的另一端引出。大麦粗选设备振动筛

DZSF电动振动筛旋振筛

/三次元振动筛分过滤机作用与原理:三次元振动筛分过滤机/旋振筛的动力源是振动电机，振动电机转轴上下端安装有重锤（不平衡重锤）通过振动电机的旋转运动在不平衡重锤作用下转变为水平、垂直、倾斜的三维运动即三次元运动，旋振筛利用振动电机三维运动，通过旋振筛的弹簧和振动体把三维运动传递给振动筛网面。通过改变振动电机上下重锤的相位角来实现物料在筛面上的运动轨迹，以此达到筛分、去杂、过滤的目的。

超Sweco圆形筛分机旋振筛

振动筛生产能力计算

，kg/hB：筛宽，m；q:单位筛宽流量，kg/(m.h)近似计算：，kg/hB0-筛面有效宽度，m;h-筛面物料层厚度，m，h=1~2d，d为物料最大直径Vcp-物料沿筛面运动的平均速度，m/sφ-物料松散系数，取0.36~0.64ρ-物料的密度，kg/m3(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到较高位置，落入中央收集槽中，由螺旋输送机送出从而得到分离。滚筒式精选机表1-2

滚筒精选机技术特性技术特性低速滚筒精选机高速滚筒精选机从大麦中除芥麦时生产能力，kg/h10003000功率，kW0.30.55圆筒直径，mm600600圆筒长度，mm22002000

筒转速，r/min1345

轴转速，r/min50120尺寸：长，mm8302853宽，mm640640重量，kg300350此外低速滚筒精选机的安装应与水平线成5°~10°角，颗粒原料向出口运动速度约为0.03~0.05m/s，平均生产率为100~140[kg/h·m2（袋孔面积）]。而高速滚筒精选机可接近水平安装，其生产率可达500kg/h·m2。

5XFZ-10B复式精选机技术含量高：集风选，筛选（分级），比重选等功能为一体，电磁调速无级控制比重台频率，成品净度好，质量高。综合性能局国内领先水平。大生产率：加工速度快，周期短，效率高。提别适合收购加工户，炒货企业以及种子企业等使用。适应性广：该机对多种作物以及所有颗粒状物料有良好的清选作用。绿色环保：设有螺旋除尘系统，能将粉尘，轻杂质等沉降后集中排放，无污染。（2）转筒筛物料从小孔端进入，由大孔端排出，从而分出三个级粒。倾斜角3～5°圆周速度0.7～1.0m/s滚筒筛产能：G=qπDLφq-单位筛面负荷量，kg/m2；D-筛面直径，m；L-筛筒长度，m；φ-筛面有效系数作者Admin

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滚筒筛分机的主体结构是筛分筒，它是由若干个圆型状筛网组成，整体与地平面成倾斜状态，外部被密封隔离罩所密封，以防止污染环境。

滚筒筛分机通过变速减速系统使筛分筒在一定转速下旋转，物料自上而下通过筛分筒得到分离，细料从筛分筒前端下部排出，粗料从筛分筒下端尾部排出。

第二节生物质原料的粉碎生物质原料的粉碎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。物料粉碎的必要性：溶解、混合和反应。粉碎目的：主要是使物料颗粒变小，表面积显著增大，可加速溶解，节省加热时的蒸汽量（减少能耗），提高原料利用率，减少输送时管道堵塞等。机械粉碎的5种形式（5种粉碎力）：挤压、冲击、研磨、劈力和剪切。粒径范围:

粗碎.

原料粒度40～1500mm，成品粒度5～50mm

中细碎.原料粒度5～50mm，成品粒度0.1～5mm

微粉碎.原料粒度5～10mm，成品粒度＜100μm

超微粉碎.原料粒度0.5～5mm，成品粒度＜10～25μm粉碎比（粉碎度），粉碎前后的粒度比。

粉碎比，粗碎为2～6，中、细碎为5～50，磨碎为50以上。

总粉碎比是经过几道粉碎步骤后的总结果。

根据物料的特性，以及粉碎要求选择合适的粉碎方法。任何一种粉碎机，都是几种方法的结合。粉碎设备：（1）锤式粉碎机（动画）适用范围:中等硬度物料的中、细碎，脆性物料。锤刀：可拆换，可摆动避开硬物。

高碳钢和锰钢，可两头调换使用。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。锤式粉碎机产能与动力消耗计算产能：圆孔

V0=π/4*d02dμd0-筛孔直径，m；d-产品粒度，m；

μ-排料系数方孔：

V0=LCdμ

总产能：

V=60V0KnZK-锤刀排数；n-转速，r/min；Z-总孔数动力消耗：N＝AD2Ln

A-系数；D-锤刀末端直径，m；L-转子轴向长度，m；n-转速，r/min；（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。盘磨机（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。通常，球磨机的合适转速可按下式求得：D——

转筒直径（m）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。球磨机（4）湿法粉碎设备—

辊式粉碎机无粉尘分散微粒化、广泛湿式粉碎设备主要包括输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分可用于生物行业、染料、涂料、颜料、医药、农药、合成纤维、皮革化工及化妆品、电子、食品等行业（4）辊式粉碎机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，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）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。辊式粉碎机生产能力及功率计算粉碎视频/v_show/id_XMzYwNTE5Njg=.html产能及功率计算产能计算：

Q=120πDnLbγφ

D-辊筒直径，m；L-辊筒长度，m；

n-辊筒转速，r/min；b-隙宽，（0.1-0.15mm）；

γ-物料容量，kg/m3；φ-填充系数功率计算：

N=0.735KG/dnK-系数，取100~110；

G-产能，t/h；

d-麦芽腹径，cm；

N-滚筒转速，r/min；（5）超细粉碎理化性质改变大生物材料难处理应用有限，发展迅速超微粉碎机械超微粉碎振动磨胶体磨冲击式超微粉碎机JTM-系列胶体磨

大型超细搅拌磨气流超细粉碎机超微粉碎应用:提升珍珠价值纳诺卡（碳酸钙咀嚼片）第三节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（1）.回转型混合机水平圆筒型混合机与倾斜圆筒型混合机

（a)水平圆筒型混合机仅靠扩散作用混合，效率低。(b)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一角度，物料呈复杂的环状移动。（a)水平圆筒型混合机SYH系列三维运动混合机(b)倾斜圆筒型混合机(c)_ZX型双锥高效混合机(d)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。GHJ-V系列高效混合机2.固定型混