生物工程设备 第一章课件

一 固体物料处理设备 固体物料的筛选除杂设备杂物纤维性较长的物质，如麻绳草屑、庄稼秸秆；颗粒状物质，如沙子、泥土块、小石块等；铁磁性物质，如铁钉、螺丝等。生物加工原料在很多情况下往往会混入沙土、石子甚至金属生物加工原料在很多情况下往往会混入沙土、石子甚至金属等杂物。进行生产前，必须先将原料中混杂的杂物除去等杂物。进行生产前，必须先将原料中混杂的杂物除去生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料处理设备 1) 谷物原料粗选设备 大麦粗选机工作原理生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 磁力除铁器 固体物料处理设备 1)谷物原料粗选设备 固定形磁钢装置 永磁滚筒 磁钢的排列生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料处理设备 2) 大麦的精选设备 大麦精选机 颗粒状的生物质原料（如大麦、小麦）等必须进行精选和分级，其主要颗粒状的生物质原料（如大麦、小麦）等必须进行精选和分级，其主要原理是按颗粒长度进行分级，以除去不必要的杂粒，有滚筒精选机和碟原理是按颗粒长度进行分级，以除去不必要的杂粒，有滚筒精选机和碟片精选机两种片精选机两种 。碟片式精选机 工作原理 特点：工作面积大，转速高，产工作面积大，转速高，产量大，碟片损坏可以更换。量大，碟片损坏可以更换。生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料处理设备 2) 大麦的精选设备 碟片式精选机 工作原理 特点：分离出来的杂粒含大麦较少，缺点是袋孔的利用分离出来的杂粒含大麦较少，缺点是袋孔的利用系数低，产量低，且工作面磨损后不能修复。系数低，产量低，且工作面磨损后不能修复。1234短粒长粒图1-6 滚筒精选机工作示意图5生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料处理设备 3) 大麦的分级设备 平板分级筛 工作原理 生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料处理设备 3)大麦的分级设备 圆筒分级筛 工作原理 圆筒分级筒优点：设备简单、电动机传动比平板分级筛方便。缺点：筛面利用率少，仅为整个筛面的1/5。生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 二 固体物料粉碎设备为什么固体物料需要进行粉碎? 固体物料经粉碎后，颗粒变小，原料的表面积显著增大，可固体物料经粉碎后，颗粒变小，原料的表面积显著增大，可加速蒸煮时的溶解过程。节省蒸汽，减少能量消耗，提高淀粉加速蒸煮时的溶解过程。节省蒸汽，减少能量消耗，提高淀粉利用率，并能减少输送管道的阻塞现象，便于连续化生产。利用率，并能减少输送管道的阻塞现象，便于连续化生产。 生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料粉碎设备原料粉碎湿法粉碎湿法粉碎干法粉碎干法粉碎 湿式粉碎是将水和原料一起加入粉碎机中，从粉碎机出来时即成粉浆。这种方法无原粉粉末飞扬，车间卫生好，缺点是粉浆必须随产随用，不宜储藏，且耗电量较多。 干式粉碎是将干物料送入粉碎机中。粉碎机包在机壳之内，有一定的粉尘涌出来，如果不采取必要的除尘措施，车间内会布满灰尘。生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料粉碎设备 1) 物料粉碎的力学分析 固体物料的粉碎按其受力情况可分以下几种 ：挤压破碎(a)、冲击破碎(b)、研磨粉碎(c)、剪切破碎(d)、劈裂粉碎(e)。生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料粉碎设备固体物料粉碎设备 2)2)所选用粉碎机应有基本要求：所选用粉碎机应有基本要求： （1 1）粉碎后的物料颗粒大小要均匀；）粉碎后的物料颗粒大小要均匀； （2 2）已被粉碎的物块，应立即从轧压部位排除；）已被粉碎的物块，应立即从轧压部位排除； （3 3）操作应能自动化；）操作应能自动化； （4 4）易磨损的部位应容易更换；）易磨损的部位应容易更换； （5 5）应产生极少的粉尘，以减少环境污染；）应产生极少的粉尘，以减少环境污染； （6 6）在操作发生障碍时，应有保险装置能使自动停车；）在操作发生障碍时，应有保险装置能使自动停车； （7 7）单位产品消耗能量要小。）单位产品消耗能量要小。 生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料粉碎设备 3)粉碎设备 锤式粉碎机 锤式粉碎机 锤式粉碎机最大特点是锤式粉碎机最大特点是具有很高的破碎比（达具有很高的破碎比（达1050）这是其他粉碎机不）这是其他粉碎机不能比拟的。此外单位产量能能比拟的。此外单位产量能耗低、构造简单、结构紧凑、耗低、构造简单、结构紧凑、生产能力高等都是锤式粉碎生产能力高等都是锤式粉碎机的优点。机的优点。 生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料粉碎设备 3) 粉碎设备 双转子锤式粉碎机 双转子锤式粉碎机生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料粉碎设备 3) 粉碎设备 辊式粉碎机 (对辊粉碎机)生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料粉碎设备 3)粉碎设备 多辊粉碎机四辊式粉碎机六辊式粉碎机五辊式粉碎机生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料粉碎设备 3)粉碎设备 圆盘钢磨生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料湿法粉碎设备 4)湿法粉碎设备 主要包括输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。湿法粉碎流程的优点： 1.消除了粉尘危害，改善了劳动环境，降低了原料消耗； 2.粉碎过程中，淀粉已开始吸水膨胀，提高了蒸煮效果； 3.粉碎后经预热，提高了蒸汽的利用率； 4.机器零件的磨损减少，节省了设备维修费用。生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料湿法粉碎设备 4) 湿法粉碎流程1水进口水出口23出料进料 图1-17 PM-DCP磨1-磨罐2-圆钉3-转筒生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 固体物料湿法粉碎设备 5) 砂轮磨SM-30A型砂轮磨生物反应物料处理设备生物反应物料处理设备 6) 6) 微细粉碎和超微细粉碎微细粉碎和超微细粉碎生物反应物料输送设备生物反应物料输送设备 三三 气流输送气流输送 借助强烈的空气流沿管道流动，把悬浮在气流中的物料借助强烈的空气流沿管道流动，把悬浮在气流中的物料送至所需的地方。送至所需的地方。F浮浮fFg颗粒在管道中的受力作用颗粒在管道中的受力作用应用：应用：输送大麦、大米、麦芽及地瓜干等输送大麦、大米、麦芽及地瓜干等松散物料。松散物料。优点：优点：设备简单，占地面积小，费用少，设备简单，占地面积小，费用少，输送能力和输送距离的可调性大，管理简便，输送能力和输送距离的可调性大，管理简便，易于实现自动化。易于实现自动化。缺点：缺点：动力消耗比较大，不适于输送潮湿动力消耗比较大，不适于输送潮湿的和粘滞的物料。的和粘滞的物料。生物反应物料输送设备生物反应物料输送设备 1. 1.气流输送流程气流输送流程 根据设备组合不同，气流输送装置可分为真空输送、压根据设备组合不同，气流输送装置可分为真空输送、压力输送和压力真空输送。力输送和压力真空输送。 真空输送真空输送生物反应物料输送设备生物反应物料输送设备 气流输送流程气流输送流程 压力输送压力输送 压力真空输送压力真空输送生物反应物料输送设备生物反应物料输送设备 气流输送流程气流输送流程如何选择输送方式？如何选择输送方式？ 选择输送方式时，应根据物料的特性、输送量、输送距离、线路状选择输送方式时，应根据物料的特性、输送量、输送距离、线路状况、动力消耗等因素，综合进行考虑。一般对于大麦、大米等松散的粒况、动力消耗等因素，综合进行考虑。一般对于大麦、大米等松散的粒状物料，最适宜用气流输送；而较大的块状物料或过细的粉状物料，气状物料，最适宜用气流输送；而较大的块状物料或过细的粉状物料，气流输送时困难较大。输送量大且能连续运行的操作，宜用气流输送；输流输送时困难较大。输送量大且能连续运行的操作，宜用气流输送；输送量少且是间歇操作的，不宜用气流输送。对短距离输送，宜用低压压送量少且是间歇操作的，不宜用气流输送。对短距离输送，宜用低压压送；长距离输送，则以高压压送有利。送；长距离输送，则以高压压送有利。生物反应物料输送设备生物反应物料输送设备 2. 2. 物料分离装置物料分离装置 旋风分离器旋风分离器生物反应物料输送设备生物反应物料输送设备 2. 2.物料分离装置物料分离装置 重力式分离器（沉降器）重力式分离器（沉降器）物料筛筒气流出口生物反应物料输送设备生物反应物料输送设备 3. 3.空气除尘装置空气除尘装置 空气除尘器的作用：空气除尘器的作用：回收粉状物料，减少损失；净化回收粉状物料，减少损失；净化排放空气；防止尘粒损坏真空泵。排放空气；防止尘粒损坏真空泵。常用空气除尘器：常用空气除尘器：旋风分离器、袋滤器和湿式除尘器。旋风分离器、袋滤器和湿式除尘器。生物反应物料输送设备生物反应物料输送设备 3. 3.空气除尘装置空气除尘装置 袋滤器袋滤器 湿式除尘器湿式除尘器第二节第二节 液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备v 1. 1.糖蜜原料的稀释与澄清糖蜜原料的稀释与澄清 间歇式稀释器间歇式稀释器 通常为一敞口容器，内安有搅拌装置或用通风代替搅拌，通常为一敞口容器，内安有搅拌装置或用通风代替搅拌，使糖蜜与水达到均匀稀释。使糖蜜与水达到均匀稀释。 糖蜜稀释器糖蜜稀释器 糖蜜连续稀释器糖蜜连续稀释器 水平式连续稀释器：水平式连续稀释器：主体为一圆筒形水平管，沿管长在管主体为一圆筒形水平管，沿管长在管内装有若干隔板和筛板，将其分成若干空段。内装有若干隔板和筛板，将其分成若干空段。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备v 1. 1.糖蜜原料的稀释与澄清糖蜜原料的稀释与澄清 液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备v 1. 1.糖蜜原料的稀释与澄清糖蜜原料的稀释与澄清 糖蜜连续稀释器糖蜜连续稀释器 立式连续稀释器立式连续稀释器 错板式连续稀释器错板式连续稀释器液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备v 1. 1.糖蜜原料的稀释与澄清糖蜜原料的稀释与澄清 糖蜜连续稀释器糖蜜连续稀释器 膨缩式连续稀释器膨缩式连续稀释器 变管径式连续稀释器变管径式连续稀释器液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备v 2. 2.淀粉质原料的蒸煮糖化设备淀粉质原料的蒸煮糖化设备 液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 罐式连续蒸煮罐式连续蒸煮 蒸煮温度可高可低，节约能耗；设备简单，操作容易，蒸煮温度可高可低，节约能耗；设备简单，操作容易，制造方便。制造方便。v 2. 2.淀粉质原料的蒸煮糖化设备淀粉质原料的蒸煮糖化设备 1)蒸煮设备蒸煮设备 多采用连续式蒸煮，有低温长时间的罐式连续蒸煮，中温多采用连续式蒸煮，有低温长时间的罐式连续蒸煮，中温的柱式连续蒸煮和高温短时间的管式连续蒸煮。的柱式连续蒸煮和高温短时间的管式连续蒸煮。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备罐式连续蒸煮糖化流程罐式连续蒸煮糖化流程蒸煮罐蒸煮罐 罐式连续蒸煮罐式连续蒸煮 真空冷却真空冷却：物料在一定真空度下蒸发部分水，物料在一定真空度下蒸发部分水，需要汽化潜热，取自料液本身，因而料液很快被需要汽化潜热，取自料液本身，因而料液很快被冷却到真空相应的温度。冷却到真空相应的温度。 真空冷却器中真空度产生：真空冷却器中真空度产生：一般要借助于水力一般要借助于水力喷射泵或蒸汽喷射泵，连续地抽去真空冷却器中喷射泵或蒸汽喷射泵，连续地抽去真空冷却器中的二次蒸汽。的二次蒸汽。 液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 2)真空冷却器真空冷却器液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 真空冷却器真空冷却器真空冷却装置图真空冷却装置图12345为了更完全地从料液中分离蒸汽，真空冷却器中蒸为了更完全地从料液中分离蒸汽，真空冷却器中蒸汽上升速度不应超过汽上升速度不应超过1ms，醪液在下降管中流速，醪液在下降管中流速为为0.80.5ms。 液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备3)3)糖化设备糖化设备 连续糖化罐连续糖化罐 把已将温至把已将温至60606262的糊化醪，与糖化醪液或曲乳液混合，将的糊化醪，与糖化醪液或曲乳液混合，将6060下下维持维持303045min45min，保持流动状态，使淀粉在酶的作用下变成可发酵性糖。，保持流动状态，使淀粉在酶的作用下变成可发酵性糖。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备3) 3) 糖化设备糖化设备 真空糖化装置真空糖化装置优点：优点：真空糖化器既真空糖化器既是蒸发冷却器，又是糖是蒸发冷却器，又是糖化器，简化了设备。化器，简化了设备。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 4) 4)啤酒生产中麦芽汁的制备啤酒生产中麦芽汁的制备 两器组合：仅由糖化锅兼麦汁过滤槽和糊化锅兼煮沸锅两两器组合：仅由糖化锅兼麦汁过滤槽和糊化锅兼煮沸锅两锅组成。用于锅组成。用于小型啤酒厂小型啤酒厂；四器组合：四器为糊化锅、糖化锅、过滤槽和麦汁蒸煮锅；四器组合：四器为糊化锅、糖化锅、过滤槽和麦汁蒸煮锅；六器组合：在四器的基础上，增加一只过滤槽和一只麦汁六器组合：在四器的基础上，增加一只过滤槽和一只麦汁煮沸锅；或两只糖化糊化两用锅，两只过滤槽和两只麦煮沸锅；或两只糖化糊化两用锅，两只过滤槽和两只麦汁蒸煮锅。汁蒸煮锅。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 4) 4)啤酒生产中麦芽汁的制备啤酒生产中麦芽汁的制备 糊化锅糊化锅 球形锅中麦芽汁的循环图球形锅中麦芽汁的循环图f1f2h1h2液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备4) 4) 啤酒生产中麦芽汁的制备啤酒生产中麦芽汁的制备 糖化锅糖化锅 使麦芽糖与水混合，并使麦芽糖与水混合，并保持一定温度进行蛋白质保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。分解和淀粉糖化。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 4) 4)啤酒生产中麦芽汁的制备啤酒生产中麦芽汁的制备 麦芽汁煮沸锅麦芽汁煮沸锅 又称煮沸锅或称浓缩锅，又称煮沸锅或称浓缩锅，用于麦汁的煮沸和浓缩，用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发，把麦汁中多余水分蒸发，使麦汁达到要求浓度，并使麦汁达到要求浓度，并加入酒花，浸出酒花中的加入酒花，浸出酒花中的苦味及芳香物质；还有加苦味及芳香物质；还有加热凝固蛋白质、灭菌、灭热凝固蛋白质、灭菌、灭酶的作用。酶的作用。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 麦芽汁煮沸锅麦芽汁煮沸锅有列管式内加有列管式内加热器的煮沸锅热器的煮沸锅具两段内加具两段内加热器的煮沸锅热器的煮沸锅煮沸锅与外加热煮沸锅与外加热器的组合方式器的组合方式1煮沸锅与外加热煮沸锅与外加热器的组合方式器的组合方式2液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 糖化醪过滤槽糖化醪过滤槽平底筛过虑槽平底筛过虑槽快速过虑槽快速过虑槽液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备啤酒酿造工艺流程啤酒酿造工艺流程液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 3. 3.液体培养基的灭菌液体培养基的灭菌 灭菌：指用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中所有有生命物质的灭菌：指用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中所有有生命物质的技术或工艺过程。技术或工艺过程。 常用的灭菌方法有：常用的灭菌方法有： (1)(1)化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、高锰酸钾、环氧乙烷等；化学试剂灭菌：常用试剂有甲醛、氯、高锰酸钾、环氧乙烷等； （2 2）射线灭菌：）射线灭菌：x-射线射线、 -射线射线、紫外线；紫外线； （3 3）干热灭菌；）干热灭菌； （4 4）湿热灭菌；）湿热灭菌； （5 5）过滤除菌）过滤除菌 1) 1)培养基热灭菌的动力学培养基热灭菌的动力学液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能细菌死亡的活化能与培养基营养成分破坏的活化能 可见，细胞死亡的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能可见，细胞死亡的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能大得多，所以细菌的死亡速率要比营养成分的破坏速率快得多。大得多，所以细菌的死亡速率要比营养成分的破坏速率快得多。 采用湿热法对液体培养基进行灭菌时，采用高温短时间的灭采用湿热法对液体培养基进行灭菌时，采用高温短时间的灭菌方法，以减少营养成分的破坏。菌方法，以减少营养成分的破坏。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 2) 2)影响培养基灭菌的因素影响培养基灭菌的因素 1.1.灭菌效果和营养成分的保持灭菌效果和营养成分的保持 2.pH2.pH的影响的影响 3.3.培养基成分的影响培养基成分的影响 4.4.起泡起泡 5.5.颗粒颗粒液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 3) 培养基及发酵设备的灭菌培养基及发酵设备的灭菌 分批灭菌（实罐灭菌或实消）分批灭菌（实罐灭菌或实消） 空罐灭菌（空消）空罐灭菌（空消） 连续灭菌（连消）连续灭菌（连消） 过滤器及管道灭菌过滤器及管道灭菌液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 分批灭菌（实罐灭菌）分批灭菌（实罐灭菌） 实罐灭菌：实罐灭菌：将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时达到预定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，又称分批灭菌。酵温度，然后接种发酵，又称分批灭菌。 液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 分批灭菌（实罐灭菌）分批灭菌（实罐灭菌）要保证分批灭菌的成功，必须有：要保证分批灭菌的成功，必须有：1.内部结构合理，焊缝及轴封装置内部结构合理，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐；可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐；2.压力稳定的蒸汽；压力稳定的蒸汽；3.合理的操作方法。合理的操作方法。液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 分批灭菌（实罐灭菌）分批灭菌（实罐灭菌） 灭菌时间的计算灭菌时间的计算例：例：有一发酵罐，内装培养基有一发酵罐，内装培养基40m2，在，在121的温度下进行实罐灭菌。的温度下进行实罐灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在个，在121 时的灭菌速率常时的灭菌速率常数为数为0.0287s-1。试求灭菌失败的机率为。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。所需的时间。解：解：(min)9 .23ln1)(0287. 0(001. 0)(10810210400114760SSNNktskNN个）个液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备培养基的连续灭菌有以下优点：培养基的连续灭菌有以下优点：（1 1） 提高产量，设备利用率高。提高产量，设备利用率高。（2 2）与分批灭菌比较，培养液受热时间短，培养基中营养）与分批灭菌比较，培养液受热时间短，培养基中营养成分破坏较少。成分破坏较少。（3 3）产品质量较容易控制；蒸汽负荷均衡，操作方便。）产品质量较容易控制；蒸汽负荷均衡，操作方便。（4 4）降低了劳动强度，适用于自动控制。）降低了劳动强度，适用于自动控制。 连续灭菌流程连续灭菌流程液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 连续灭菌流程连续灭菌流程液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 连续灭菌流程连续灭菌流程 灭菌时间的计算灭菌时间的计算例：例：有一发酵罐，内装培养基有一发酵罐，内装培养基40m2，在，在131的温度下进行连续灭菌。的温度下进行连续灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在个，在131 时的灭菌速率常时的灭菌速率常数为数为0.25s-1。试求灭菌失败的机率为。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。所需的时间。解：解：液体培养基的制备及杀菌设备液体培养基的制备及杀菌设备 连续灭菌流程连续灭菌流程(min)7 . 2ln1)(25. 0(001. 0)(10810210400114760 SSNNktskNN个）个）个个