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1、生物工程设备复习点总结 生化反映器的设计是以生物体的代谢为核心，除考虑传质、传热的因素外，还需要考虑对环境条件的规定，同时为提高传质和传热的效率需配置搅拌装置的要考虑剪切力对菌体生长的影响。发酵过程纯种培养，规定无菌条件。 生化反映的目的可分为三类：1.生产细胞：菌体细胞，单细胞蛋白、活菌制剂等；2.细胞的代谢产物：酒精、氨基酸、抗生素等；3.直接用酶催化的产物：淀粉糖（果葡糖浆、葡萄糖、饴糖等）；大豆蛋白低分子肽等。机械搅拌通风发酵罐：它是通过外加压力(空气压缩机)将空气通入发酵罐，并运用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充足混合促使氧在醪液中溶解，以保证供应微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。自
2、吸式发酵罐：运用特殊的机械搅拌装置或液体喷射吸气装置或溢流喷射器吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。毋须此外提供压缩空气。气升式发酵罐：气升式生物反映器是运用气体的喷射动能和液体的重度差引起气液循环流动，从而实现发酵液的搅拌、混合和溶氧。通用罐的基本条件（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的运用率较高。常Ho /D =2。（2）发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必须的溶解氧。 （4）发酵罐应具有足够的冷却面积。（5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，能灭菌彻底，避免染菌（6）搅拌器的轴封应严密，防杂菌污染和泄漏。热互换装置夹套式换热装置：多用于容积较小的发酵罐
3、、种子罐；夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。 优点是：结构简朴；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有助于发酵。 其缺陷是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。竖式蛇管换热装置：安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，容积5m3以上的发酵罐多用这种换热装置。 优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。这种冷却装置合用于冷却用水温度较低的地区，水的用量较少。 局限性：气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过40C，影响发酵产率，应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，增长了投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。竖式列管(排管)
4、换热装置：是以列管形式分组对称装于发酵罐内。优点：加工方便，合用于气温较高，水源充足的地区。缺陷：传热系数较蛇管低，用水量较大。轴封：作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有两种：填料函式轴封和端面式轴封（又称机械轴封）。填料函式轴封的优点是结构简朴，重要缺陷是：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修，耗工时多。端面式轴封的优点：清洁；密封可靠无死角；使用寿命长；摩擦功率耗损小；轴或轴套不受磨损；缺陷：结构比填料密封复杂，装拆不便；对动环及静环的表面光洁度及平直度规定高。 轴承：为了减少震动，中型发
5、酵罐一般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦(如聚四氟乙烯等)，轴与轴承的接触处可加一个轴套。通气发酵罐（好氧性发酵罐）重要涉及机械搅拌通气发酵罐、气升式发酵罐及自吸式发酵罐。发酵罐中的搅拌器：作用有混合、传质、传热、溶氧（打坏气泡）。类型可分为轴向（如螺旋桨）和 径向（如涡轮式）。圆盘平直叶涡轮搅拌器：设有圆盘阻挡大的气泡，避免气泡从轴部的叶片空隙上升，使气泡更充足地分散。具有很大的循环输送量和功率输出，合用于各种流体，涉及粘性流体、非牛顿流体的搅拌混合。圆盘弯叶涡轮搅拌器的搅拌流型与平直叶涡轮的相
6、似，但前者导致的液体径向流动较为强烈，因此在相同的搅拌转速时，前者的混合效果较好。但由于前者的流线叶型，在相同的搅拌转速时，输出的功率较后者的为小。因此，在混合规定特别高，而溶氧速率相对规定略低时，可选用圆盘弯叶涡轮。圆盘箭叶涡轮搅拌器：其搅拌流型与上述两种相近，但轴向流动较强烈，在同样转速，导致的剪率低，输出功率也较低。圆盘的作用：若无圆盘阻挡，则从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打坏，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数减少；同时气泡大，上升速度快，走短路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻挡只能从圆盘中央流至其边沿，从而被圆盘周边的搅拌
7、浆叶打坏、分散，提高了溶氧系数。涡轮式搅拌器的流型：上述三种涡轮搅拌器的搅拌流型基本相同，各在涡轮平面的上下两侧形成向上和向下的两个翻腾。如不满足全挡板条件，轴中心位置都有凹陷的旋涡。螺旋桨式搅拌器形成轴向的螺旋流动，混合效果较好，但导致的剪率较低，对气泡的分散效果不好。一般用在藉压差循环的发酵罐中，以提高其循环速度。常用的螺旋桨叶数Z=3。罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型：罐中心垂直安装的螺旋桨，在无挡板的情况下，在轴中心形成凹陷的旋涡。如在同一罐内安装46块挡板，液体的螺旋状流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使旋涡消失（适当安排冷却排管也可）。挡板的作用：是改变液流的方向，由径向流改为轴
8、向流，促使液体剧烈翻动，增长溶解氧。 发酵液中因含蛋白质等发泡物质，发酵过程中易产生泡沫，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，且增长染菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法：1.加化学消泡剂：如豆油；2.机械消泡：耙式消泡器、涡轮式消泡器、旋风离心和叶轮离心式消泡器、碟片式消泡器、刮板式消泡器。搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不涉及机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混合强度与单位体积液体中输入的搅拌功率有很大关系。 搅拌器所输入搅拌液体的功率取决因素有：叶轮和罐的
9、相对尺寸、搅拌器的转速、流体的性质、挡板的尺寸和数目。机械通风发酵罐的溶氧1氧在液体中的溶解 1.1 溶氧速度，双膜理论的基本前提：（1）气泡和液体之间存在界面，两边分别有气膜和液膜，均处在层流状态，氧分子只能借浓度差以扩散方式透过双膜，（2）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处在平衡关系。（3）传质过程处在稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。根据双膜理论假说，氧在液体中的溶解速率关健在于气液接触面上氧的传递速率，而单位接触面上氧传递速率决定于传递动力与阻力之比，动力为气液两相之间的氧浓度或氧分压差，阻力则来自气膜和液膜。1.2影响体积氧传递系数KLa的因素：搅拌
10、、空气流速、空气分布管、发酵罐内液柱的高度、发酵液的性质、泡沫和消泡剂、菌体浓度。其中，环形空气分布管的分布装置：喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。1.3 影响传质推动力的因素：温度（氧在水中的溶解度随温度的升高而减少 ）。溶液的性质：盐和糖的存在减少了氧的溶解度。在电解质溶液中，由于发生盐析作用，使氧的溶解度减少。提高氧分压的一个方法就是提高气泡总压力。 2、 微生物的耗氧单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速率。25100m mol氧/（Lh）；微生物呼吸开始受到影响的溶氧浓度称为临界溶氧浓度。3、溶氧浓度的测量和控制用耐高温的复膜电极在线测量：将阴极、阳极和电解质溶液装入壳体
11、，用能透过氧分子的高分子薄膜封闭起来，并使阴极紧贴薄膜，就成了极谱型复膜电极。气升式发酵罐：机械搅拌发酵罐其通风原理是罐内通风，靠机械搅拌作用使气泡分割细碎，与培养基充足混合，密切接触，以提高氧的吸取系数；设备构造比较复杂，动能消耗较大。采用气升式发酵罐可以克服上述的缺陷。1.气升式反映器的类型：气升环流式、空气喷射式、鼓泡式。2.气升式反映器工作原理：通过喷嘴或喷孔将空气喷射进发酵液中，通过气液的湍流作用面使气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度减小而向上升，而气含率小的发酵液因密度较大而下降，从而实现混合和溶氧传质。3.气升式反映器的特点：1）反映溶液分布均匀。2）较高的溶氧速率和溶氧
12、效率。3）剪切力小，对生物细胞损伤小。4）传热良好。5）结构简朴，易加工。6）操作和维修方便。自吸式发酵罐：如机械、喷射、溢流自吸式发酵罐。自吸式吸气原理：此类发酵罐吸气的重要构件是吸气搅拌叶轮及导轮，也被称为转子和定子。转子的叶轮是中空的，当其转动时，腔内的液体被甩出而形成局部真空从而从中空的转轴吸入空气，通过导轮均匀地分布于发酵液中。特点：节约设备、不需附属设备、减少厂房占地面积；溶氧速率高，能耗低；因负压吸气而较易染菌，要过滤空气。1.机械自吸式发酵罐的吸气原理：当转子转动时，其框内液体被甩出而形成局部真空而吸入空气。2.喷射自吸式发酵罐如文氏管发酵罐的吸气原理：泵将发酵液送入文氏管中，
13、由于收缩段中流速增长，形成真空，将空气吸入，并使气泡分散，与液体混合均匀，提高发酵液的溶解氧。3.溢流自吸式发酵罐吸气原理:是液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气作用。酒精发酵设备一、酒精发酵原料：生产酒精重要用淀粉质原料，如甘薯干、玉米等；糖质原料常用的有糖蜜、甘蔗、甜菜和甜高梁等。二、与酒清发酵有关的微生物：用于水解淀粉生产糖化曲的重要是曲霉和根霉。在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母，俗称酒母。运用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母。三、酒精发酵工艺：常用淀粉质原料和糖质原料的酒精发酵工艺。(一)
14、淀粉质原料酒精发酵工艺分为原料预解决、原料蒸煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏等工艺如图1.原料预解决(1)原料的除杂 (2)原料的粉碎：目的重要是增长原料受热面积,有助于淀粉颗粒的吸水膨胀、糊化,缩短后续热解决时间,提高热解决效率。此外,粉末原料加水混合后容易流动输运。原料粉碎方法重要分为干粉碎和湿粉碎两种:设备大多采用锤式粉碎机。2.蒸料：淀粉质原料吸水后在高温高压下蒸煮，可以破坏植物组织和细胞，使淀粉彻底糊化、液化，使蒸煮物料成为均一的糊化醪，为进一步的淀粉转化为糖发明良好的条件；另一方面蒸料尚有灭菌的作用。3.糖化曲制备：糖化曲分固体曲和液体曲，用麸皮为主原料制成的固体曲叫
15、麸曲，用液体深层通风培养的称为液体曲。连续糖化工艺：根据蒸煮醪冷却(前冷却)和糖化醪液冷却(后冷却)的方法不同，可将连续糖化工艺提成混合冷却连续糖化、真空冷却连续糖化和三级真空冷却连续糖化三大类。4.乙醇发酵工艺有间歇发酵、半连续式发酵和连续式发酵三类。过程可分为前发酵期、主发酵期和后发酵期三个阶段。前发酵期：一般为前10h，酵母数量少，糖分消耗慢，酒精和CO2产生少，发酵醪表面较安静。发酵温度不超过30。主发酵期：前发酵期之后的12h左右，酵母已大量增殖并逐渐停止繁殖而重要进行乙醇发酵。使糖分迅速下降，酒精量逐渐增多，醪液产生大量CO2，有很强的CO2泡沫响声。此期间发酵醪温度上升快，应控温在3034。后发酵期阶段：经主发酵期，醪液的大部分糖分已被耗掉，发酵弱，产热少，发酵醪温度渐降，应控制在3032。5、 酒精蒸馏与精馏，蒸馏设备后面学习。 (二) 糖质原料酒精发酵工艺：糖质原料制酒精不必要糖化及之前的操作，工艺较简朴。例如糖蜜酒精发酵工艺过程涉及前解决、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏四个工序。 前解决涉及的内容有：稀释糖蜜。糖蜜常缺少酵母必需的营养，需添加一些氮源、营养盐(如硫酸铵、硫酸镁、磷酸盐等)以及生长因子(如酵母菌自溶物)等。五、酒精发酵罐1.酒精发酵罐筒体为圆柱形，低盖和顶盖均为碟形或锥形。为了回收CO2及其带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。
