生物工程设备教案

V’——糖化醪液量 m/h

t——醪液在罐内的停留时间 min φ——装填系数 0.75~0.85 b.真空糖化装置 如图 介绍过程

第三节 啤酒生产麦芽汁的制备

一、啤酒厂糖化设备的组合方式 重点

四器组合：糊化锅、糖化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅.适合于产量较大工厂。 六器组合：增加一只过滤槽和一只麦汁煮沸锅. 八器组合：两组四器组合

二器组合：一只糖化锅兼麦汁过滤槽，一只糊化锅兼麦汁煮沸锅。

适合于小型啤酒厂和微型作坊

介绍二次糖化法 详细说明 1、糊化锅 结构如图 传统 新型

径高比2：1，升气筒面积为锅内液面的1/50~1/30

糊化锅体积：和辅料量有关，百kg投料加水420~450kg。 百kg投料有效容积：0.5~0.55m3

四器组合中容量为糖化锅容量的1/2~2/3

二器组合中容量比糖化锅容量稍大，兼做煮沸锅 加热面积：A=Q/（△t.k） 根据传热方程 Q 传热量，△t 温升 k传热系数 搅拌功率计算 ：

糊化锅、糖化锅多采用二折叶旋浆式搅拌器，可使用永田进治公式计算：

P轴=Npρn3d5

式中：Np 功率准数

ρ 糊化醪密度kg/m3 n 搅拌转数r/s d 搅拌浆叶直径m

电机功率：P=k（k1 P轴+P摩）/η k 电机功率储备系数 1.2~1.4 k1 阻力系数2.0~2.4

传动机构和轴封的摩擦损失取0.5kW，或轴功率的10% 2.糖化锅 结构如图径高比2：1，充满系数0.7

百kg投料有效体积0.45~0.56m3、升气筒面积是锅内液面面积的1/50~1/30 3 麦汁煮沸锅 结构如图

径高比2：1，搅拌转数30~40r/min，排气筒高度10~20m 煮沸锅的体积：

每百kg投料需要0.7~0.8m3有效容积。

如果煮沸强度为10% 每立方米麦汁需要0.6~0.75m3加热面积。

为了提高煮沸强度促进蛋白凝固可采用内置辅助加热器或外置加热器的煮沸锅.图 详细介绍

4.糖化醪过滤槽 结构 说明设备运行过程

3

第四节培养基的灭菌

大量处理培养基的方法采用蒸汽加热方法。 一、培养基热灭菌动力学

1、对数残留公式与理论灭菌时间重点

杂菌在一定温度下受热死亡 遵循一级反应方程。

-dN/dτ=kN 积分可得：ln No/Ns=τk 或2.303lgNo/Ns=τk 理论灭菌时间τ=1/k ln No/Ns

2、灭菌温度与菌体死亡反应速度常数的关系 根据Arrhenius方程可得：k=Ae-E/RT

k 菌体死亡速度常数 1/s A 阿累尼乌斯常数 1/s

E 细菌孢子的活化能 4.187J/mol R 气体常数1.987× 4.187J/mol T 热力学温度 K

代入上式可得： τ=1/Ae-E/RT ln No/Ns 灭菌时间和温度之间的理论关系。图2-1-47

3、活化能：重点分子在碰撞所具有的内能比在该温度下其他分子所具有的平均内 能要大，这种过剩的能量就是活化能。

由k=Ae-E/RT 得lnk=lnA-E/RT

反应动力学：活化能大的反应中，反应速度常数随温度变化越大。反之，活化能小的反 应中，反应速度常数随温度变化越小。细菌孢子死亡的活化能在(50~100)× 4.187kJ/mol，营养成分蛋白质维生素破坏的活化能在(2~26)×4.187kJ/mol 。 详细讲述高温段时间灭菌的理论基础 进行公式推导

二、连续灭菌流程： 如图 连续灭菌流程优点:

①设备利用率高，提高产量。

②与分批比较，受热时间短，营养成分损失少。 ③产品质量易控制；热负荷均衡，操作方便。 ④降低劳动强度，生产过程易于自动控制。

一般灭菌温度110~130℃ 加热段15~30s 维持8~25min。

采用连消器，加热段停留时间15~20s， 培养液流速小于0.1m/s，蒸汽从小孔喷速25~40m/s. 维持罐图

喷射连续灭菌流程图 喷射加热器

详细说明过程

【思考题】

1.概念:粉碎比,活化能

2.固体粉碎设备的类型、结构

3.淀粉质原料的蒸煮糖化设备、啤酒糖化设备的组成及糖化锅的计算 4培养基灭菌原理，灭菌时间与活化能的关系 5原料蒸煮的目的

【作业】

1.概念:粉碎比,活化能

2.啤酒糖化设备的组合方式？ 3.灭菌时间与活化能的关系

【参考书目】

《生物工程设备》梁世中主编，中国轻工业出版社2002年 《发酵工程设备》 中国轻工业出版社 《生物工艺学》 中国轻工业出版社 【教学效果追记】

本章内容中主要是培养基的制备，主要是发酵培养基前处理和制备设备。

复习提问：活化能 、培养基高温能灭菌为什么营养破坏少？

第五章 通风发酵设备

【教学目的与要求】了解各种通风发酵设备结构及其设备特点，掌握机械搅拌通风发酵罐的容量尺寸计算，掌握通风发酵罐搅拌轴功率的计算。掌握自吸发酵罐的吸气原理，了解通风固相发酵设备和其他类型的发酵设备。

【教学重点与难点】机械搅拌通风发酵罐的容量尺寸计算，通风发酵罐搅拌轴功率的计算，自吸发酵罐的吸气原理。

【教学方法】讲授、动画图片等直观教学手段。 【教学时数】7学时

第一节 概述

通风发酵设备是好氧发酵的核心设备，随着化学工业和计算机的应用，生物工程有了新的发展。反应器的生产已由专业公司开发系列化。

通风发酵罐的要求和必备条件：重点

⑴良好的传热传质性能，气液混合良好，保证足够的溶解氧；

⑵结构严密（轴封、机械）罐内减少死角灭菌彻底，防止杂菌污染； ⑶适当的高径比； ⑷良好的检测和控制； ⑸承受一定的温度和压力；

⑹设备的结构简单，维修方便，耗能低。

第二节 机械搅拌发酵设备

一、 发酵罐的结构：重点 图1-2-1密闭受压容器，

主要有：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管(夹套)、消泡器、人孔、视镜等

1.罐体 椭圆或碟型封头和圆柱体焊接，材质：碳钢或不锈钢 工艺要求：耐受温度130℃、压力0.25MPa(绝对)

罐体壁厚与罐径、材料和耐压有关，承受压力计算2.搅拌器、挡板

搅拌器的作用是混合传质，打碎气泡，促进溶氧，同时使菌体分散，维持空气、发酵液、菌体三相混匀，强化传热。

重点概念：全挡板条件指在一定转速下，再增加罐内附件，而轴功率保持不变。轴封、空气分布器作用是吹入无菌空气使空气分布均匀。

3.轴封：

作用：将罐底或罐顶与轴之间的缝隙密封，防止泄露和污染杂菌。 常用有两种： 填料轴封端面轴封（机械）单、双 4.空气分布器 形式有二种：单管式 环型管 5.消泡装置 图1-2-2

打散气泡，避免产生的气泡随空气溢出增加污染机会。一般发酵：机械消泡和化学消泡结合。

最简单实用：耙式消泡器：锯齿 和梳状。直接固定在搅拌轴上。6.联轴器和轴承： 大型发酵罐：联轴器：鼓型和夹壳型 小型发酵罐：法兰

轴承：大罐：底轴承、中间、轴套（防止磨损）注意！！！连接轴中心线对正。 二、发酵罐的几何尺寸和体积

通用发酵罐结构和尺寸已规模化设计，体积在一定范围内变动。表1-2-1常用机械搅拌通风发酵罐的系列体积和主要的尺寸，教材P34

1.几何尺寸 图1-2-11 重点 2.发酵罐的体积：用公称体积：概念

??1??VO?D2HO?2?D2?hb?D?446???1???D2?HO?2(hb?D?46??三、机械搅拌发酵罐的搅拌与流变特性重点

1.搅拌器的按装：小罐，法兰、直接打开；大罐，人孔。 搅拌器分为几部分组装，用螺栓固定在轴上。 2.搅拌器的叶轮直径和类型 3.搅拌的叶尖线速度与剪切力

生物细胞在机械搅拌的剪切作用下，会受到损伤，但受伤程度和搅拌作用

的关系，没有定量结论，有定性结论。单细胞耐受力强，丝状菌弱，动物细胞更敏感（首先考虑降低剪切力）。

搅拌剪切和反应器结构设计准则： 搅拌尖叶线速度为准，一般不大于7.5m/s。

图大型通用发酵罐叶轮直径与剪切速率 液尖线速度 转速和功率关系。 4.发酵液的流变特性：常见

⑴牛顿型流体重点：特点是黏度是温度的函数，不随剪切速率和剪应力变化 ⑵宾汉塑性流体 特征：相邻两层流体的剪应力 ⑶拟塑性和涨塑性流体

拟（假）塑性流体：黏度随剪应速率的增加而降低。同一流体不同搅拌转素的黏度不同，且，同一转速培养液中的剪应速率随径向离开搅拌涡轮的距离按指数倍降低。

涨塑性流体：黏度随剪应速率的增加而升高。 四、发酵罐的热量传递重点

1.发酵过程的热量计算：计算方法有四种 ⑴生物合成热的计算：

⑵冷却水带出的热量的计算方法：