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1、1发酵设备及工厂设计期末复习要点一、发酵设备1、实罐灭菌 P4 P5 P7 定义 大罐搅拌轴功率配置注意点 操作过程 判断标准 升温阶段灭菌效应 灭菌过程热量计算例 1-3A.实罐灭菌：将培养基配置在发酵罐里，用饱和蒸汽直接加热，以达到预定灭菌温度并保温维持一段时间，然后再冷却到发酵温度，这种灭菌过程称作培养基实罐灭菌或称培养基分批灭菌（实消） 。B.大罐搅拌轴功率配置注意点一般发酵罐上的电机在无特殊要求时，都是按发酵罐通空气状态下的轴功率配置的，这类发酵罐若采用实罐灭菌工艺最佳的办法是采用变频调速电机，这样可以既保证实罐灭菌时物料需搅拌的要求，也能保证正常发酵过程搅拌功率的要求。C.操作过程
2、： 间接加热阶段,培养基由室温加热至80-90；直接蒸汽加热阶段,培养基由80-90 121；保温阶段，121；冷却阶段，121 培养温度 （见P5 图1-1、1-2） 把配制好的培养基泵入发酵罐内，密闭发酵罐后，开动搅拌。稍开阀门15和9，引入蒸汽进夹套预热培养基至7590，保持夹套压强表的表压50100kPa.培养基预热到7590后，开阀门1和4，排尽蒸汽管道中的冷凝水后，再开阀门2，从空气管道引入蒸汽进发酵罐。关阀门15，并停止搅拌。开阀门5，稍开阀门7，排尽蒸汽管道里的冷凝水后，开阀门6，从取样管道引入蒸汽进发酵罐。开阀门13，稍开阀门11，排尽蒸汽管道里的冷凝水后，开阀门10，由出料
3、管引入蒸汽进发酵罐。分别稍开阀门16、17、18，排出活蒸汽，调节进汽阀门和排汽阀门的开度使灌压保持在表压105kPa，温度恒定在121，维持2025min。完成保温时间后，关一路排汽，再关一路进汽，最后三路排汽与三路进汽全部关闭。开阀门3和2引入无菌空气。开阀门8，关阀门9，开阀门14，夹套引入冷却水，开搅拌，冷却降温到发酵工艺要求的温度。注意点：凡与培养基接触的管道都要进整齐，凡不与培养基接触的管道都要排气D.质量评判标准：培养基灭菌后达到无菌要求；营养成分破坏少；培养基灭菌后体积与进料体积相符；泡沫少。E.升温阶段灭菌效应实罐灭菌的发酵罐体积较大（60-100m 3）,这样培养基的加热升
4、温阶段时间较长，为了不使培养基受热时间长，营养成分破坏过多，应该考虑加热升温阶段的灭菌效应。反之，发酵罐体积在40m 3 以下可以不考虑。F.*实罐灭菌传热及操作时间的计算：1.升温阶段传热及操作时间的计算（1）间接加热传热及操作时间的计算加热蒸汽用量 （Q热损失为加热蒸汽用量的5%-15%） )1(2QrtCGSG：培养基重量（kg） C：培养基比热（kJ/kg or kcal/kg ） S：蒸汽耗量（kg） i：蒸汽的热热焓量（ kJ/kg or kcal/kg ） r：蒸汽的汽化潜热（ kJ/kg or kcal/kg ） t1：开始加热时培养基的温度（）t2：加热结束时培养基的温度（）
5、加热时间的计算 21lntFKS：加热所需的时间（h） K：加热过程中的平均传热系数（ kJ/m2h or kcal/m2h ）F：夹套或盘管的传热面积（m 2） t S：加热蒸汽温度（）(2)直接蒸汽加热传热及操作时间的计算加热蒸汽用量 （Q热损失为5%-15%）)1(2QCtiGS加热时间的计算 360)(785.0231Sdvd1、d2、d3：分别为各进气管直径（m） ：加热蒸汽比容（m3/kg） S：蒸汽在管内的流速（m/s）22.保温阶段传热及操作时间的计算加热蒸汽用量 vPFS19.F：蒸汽排出口的总面积（cm 2） ：蒸汽排出的时间（min） P：罐内蒸汽的绝对压力（kg/ms
6、2） ：加热蒸汽比容（m 3/kg）加热蒸汽用量（根据经验估算） S（30%50%）S（直接加热蒸汽用量）小于5m3发酵罐取50%，大于5m3发酵罐可取30%左右保温时间的计算 SNK0lg).(3.冷却阶段传热及操作时间的计算冷却时间的计算 SftACWG2121ln)( 212teASCWFK：冷却所需时间（h） W： 冷却水的流量（kg/h ） C1：培养基比热（ kJ/kg or kcal/kg ）C2：冷却水比热（kcal/kg or kJ/kg） t 1S：培养基开始冷却时的温度（） t1f：培养基冷却结束时的温度（） t2S：冷却水进口温度（） t1：培养基冷却过程中的任一温度（
7、） t 2：培养基在t1温度时冷却水的出口温度（）2、连续灭菌 P10 P16 优点 流程设备 喷射加热器工作原理 维持管操作特点 冷却设备类型A.培养基的连续灭菌有以下优点：（1） 采用高温、快速灭菌，物料受热时间短、营养成分破坏少，培养基连消后质量好，发酵单位高（2）灭菌时间短，发酵罐的利用率高（3）蒸汽负荷均衡，锅炉利用高（4）适用于自动控制（5）减低劳动强度 （连消饱和蒸汽压强要求：0.5MPa） B.流程设备培养基连续灭菌系统设备由配料罐（池）、送料泵、预热罐、连消泵、加热器、维持罐和冷却器7个关键设备组成（见P10 图1-3）流程：原材料在配料罐内配制成液体培养基，经送料泵至预热罐
8、。在预热罐内蛇管把培养基加热至7590后，由连消泵连续打入加热器内，要求在2030s或更短的时间内将培养基加热至130140。维持设备起保温灭菌的作用，使加热后的培养基在维持设备中保温停留一段时间，以达到灭菌的目的。培养基在完成灭菌后，要求快速冷却到发酵工艺规定的温度。C.喷射加热器工作原理当被加热物料通过喷射式混合加热器的喷嘴时，压力降低，流速增加，在喷嘴的出口处形成低压区，蒸汽在此区域进入加热器内，与被加热物料进行混合，蒸汽在物料中凝结放热，汽、水之间进行能量、动量和质量的交换，然后进入混合室进一步均匀混合，最后进入扩压室使物料的流速降低，压力升高，完成加热物料的过程。D.维持管操作特点在
9、培养基连续灭菌工艺中维持设备起保温灭菌作用，使加热后的培养基在维持设备中保温停留一段时间，以达到灭菌目的。要求该设备内物料返混要小，外壁要用保温材料进行保温，设计中实际停留时间应为理论灭菌保温时间乘上3-5 倍。培养基在管式维持器中的流速可取0.3-0.6m/s，要保证培养基在管式维持器中流动处于活塞流状态。E.冷却设备类型：真空冷却器（在真空下，水分立即汽化，使温度下降广泛应用于大型酒精发酵企业） 、喷淋冷却器（底端进，上端出，放在通风场所） 、螺旋板换热器（是大型工业化发酵企业节能，节水有效方法） 。3、压缩空气预处理 P20 P22 P27 发酵用无菌空气质量指标 空气预处理目地 沿程冷
10、却设计方案 除水过程计算例 2-2、3 、4 设备流程及节点设备功能原理 总过滤器滤芯 分过滤器滤芯及过滤精度A.发酵用无菌空气质量指标：压强：控制在 0.2-0.35MPa空气流量：根据发酵工厂或发酵车间的总体发酵罐容量来确定3温度：一般控制进发酵罐压缩空气的温度比发酵温度高出 10相对湿度：60%-70%洁净度：通过除菌处理后压缩空气中含菌量降低到零或达到洁净度 100 级的洁净空气B.压缩空气预处理目的:保证总过滤器内的过滤介质干燥，不应因压缩空气中夹带的水滴、油滴受潮引起介质的结团变形而失效。预处理包括：降温、除水、除油 、除尘 C.沿程冷却设计方案：把原安置在空气压缩机车间旁的换热器
11、搬迁到发酵车间周边，压缩机输出的高温压缩空气经大口径钢管的输送过程中沿程即向大气散发热量，到达换热器时接近 1/3-1/2 的热量即已发散，可使列管换热器的冷却水量大大减少。D.除水过程计算相对湿度： （%） ； （%） ；SWpxpS62.0空气中湿含量： kg/kg(水气/干空气)；x62.0空气中的水汽分压： （Pa） ；xW.PS：与空气同温度的水的饱和蒸汽压，Pa； P：为空气的总压强，Pa。若空气的湿含量 x 和温度 t 不变，空气的压强愈大相对湿度 也愈大，因此压缩空气在预处理过程中无相变，即X1=X2，下式成立： )(2112pS式中 1和 2分别是压缩前后空气的相对湿度，%；
12、 p S1和 pS2分别是对应压缩前后空气温度的饱和蒸汽压，Pa；P1、P 2分别是压缩前后空气的绝对压强，Pa。空气经过压缩其湿含量不变，温度大大提高，因而相对湿度就变小，当其冷却时，相对湿度会慢慢增大，直到冷却到露点， =100%，当 100%即有水析出。E.设备流程及节点设备功能原理吸风塔前置过滤器空气压缩机空气贮罐第一冷却器旋风分离器第二冷却器旋风分离器丝网除沫器空气加热器总过滤器进入车间发酵罐上空气过滤器前置过滤器：捕捉较大灰尘颗粒，防止压缩机手磨损，同时减轻总过滤器的负荷空气贮罐：稳定压强消除空气脉动让高温的空气在贮罐里停留一定时间，起到空气的部分杀菌作用利用重力沉降作用分离部分油
13、雾水滴分离器：出去水滴，防止空气中夹带水滴进入总过滤器，是过滤介质失效F.总过滤器滤芯：过滤介质采用涂层式过滤材料组装的滤芯，常用的滤芯是 DMF(聚四氟乙烯聚合膜)或者 DGF（玻璃纤维复合毡） 。分过滤器滤芯：（1 ）耐高温高分子膜材（聚偏氟乙烯微孔膜、硼硅酸涂氟微孔膜、聚四氟乙烯微孔膜等，过滤精度0.01um）（2 ）金属烧结膜材（镍制微孔膜、不锈钢微孔膜等,过滤精度 0.2um） 。均为绝对过滤膜材。4、发酵罐 P36 P39 P40 P41 P44 定义及分类 公称容积/总体积 标准发酵罐结构 主要几何尺寸 结构件类型及其功能原理 全挡板条件 机械密封与应用 发酵热计算（平均温差计算
14、） A.定义：通常将进行大规模悬浮培养微生物的反应器统称为发酵罐分类：按能量输入方式可分为：机械搅拌式、气升式、外部液体循环式B.公称容积/总体积公称容积：V 0=筒体容积+底封 头容积=V c+Vb464222 DhHD 3220 1.04DhHVb4； ； ； ； ； 37.1DH0.18dB312Dd5.2S128DWdSH：发酵罐筒身高，m; D：发酵罐内径，m; d： 搅拌器直径，m; W：挡板宽度，mHL：液位高度，m; S： 两搅拌器间距，m; S 1：上层搅拌器与液面间距，m; B：下搅拌器距底间距，m总体积： 222 .04)6(4HhHVb装料系数： (VL罐中实际装料量)
15、75.00LC.标准发酵罐结构、结构件类型及其功能原理通用式发酵罐是密闭受压设备，主要部件有罐体、搅拌装置、消泡器、轴封、传动装置、传热装置、挡板、人孔、视镜、通气装置、进出料管、取样管等。 （罐体、搅拌装置、挡板、通气装置）搅拌器的作用：产生强大的总体流动，将流体均匀分布于容器各处，以达到宏观均匀产生强烈的湍流，使液体、气体、固体微团尺寸减小挡板的作用：改变被搅拌液体的流动方向，使之产生纵向运动，从而消除液面中央部分产生的下凹旋涡。通气装置的作用：供氧传热装置的作用：及时转移发酵过程中由生物氧化产生的热量和机械搅拌产生的热量消泡器的作用：减少发酵泡沫D.主要几何尺寸：P36 图 3-4 H-筒身高度；D- 罐径；W-挡板宽度；H L-液位高度；d-搅拌器直径；S-两搅拌器间距；B-下搅拌器距底间距；S1-上搅拌器至液面间距H/D=1.73 d/D=1/21/
