生物工程设备教案

生物工程设备教案

生物科学与工程学院

2010年9月

课时分配表

章节 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章 第十二章 第十三章 合计 内容 课时 1 5 3 4 7 6 4 3 6 3 3 3 3 51 绪论 物料处理和输送设备 空气净化除菌设备 培养基的制备设备 通风发酵设备 厌氧发酵设备 植物细胞和动物细胞反应器 生物反应器的比拟放大 过滤、离心、膜分离设备 离子交换分离原理和设备 蒸发与结晶设备 干燥设备 蒸馏设备

第一章绪论

【教学目的与要求】了解课程的目的和任务，掌握生化反应的目的，掌握生化反应器的分类，了解生化反应器设计基础内容。

【教学重点与难点】生化反应的目的，生化反应器的分类，设计基础。 【教学方法】讲授 。 【教学时数】1学时

一、 课程介绍 生物工程设备则是生物工程技术和化学工程与设备交叉的结合体 生物反应过程的组成，课程的内容

按各种设备的共性，密切结合发酵生产的特征，重点阐述设备的结构、原理、特点、设计计算、选型及保养。包括整个发酵生产过程中所需要用到的物料的处理和输送设备，培养基的制备设备，无菌空气系统，生物反应器，过滤、结晶、干燥、蒸馏及冷却设备。

课程目的和任务：了解生物工程设备掌握常用生物工程设备的类型、性能、设备 二、生化反应的目的

重点 生化反应的目的：1.生产细胞：2.细胞的代谢产物： 3.直接用酶催 化的产物。

三、生化反应器的分类

重点 根据细胞或组织生长代谢的要求可分为：.厌氧生物反应器、通风生 物反应器、光照生物反应器、膜生物反应器。

其他分类方式：

根据反应器的结构、物料的混合方式。 四、生化反应器设计基础内容： 细胞动力学（菌体生长规律、产物代谢的规律、基质浓度产物浓度对发酵的影响等）、质量传递（气-液传质、液体-微生物）、能量传递、环境对发酵的影响、剪切力的影响等

总之，生化反应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要求，确保这些条件的落实。同时为提高传质和传热的效率需配置搅拌装置，同时需考虑剪切力对菌体生长的影响。发酵过程纯种培养，无菌条件的要求。

【思考题】

1. 生化反应的目的？ 2. 生化反应器的分类？

【作业】

生化反应器的分类方式

【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

【教学效果追记】

本章内容中有反应器的分类等简单的总体知识，要求学生在理解的基础上加以掌握。

【预习】第二章物料处理和输送设备

第二章 物料处理和输送设备

【教学目的与要求】了解发酵工厂物料处理和输送的方法，掌握机械输送设备的特点及选型；掌握气力输送的原理和流程及简单管道的计算。

【教学重点与难点】掌握机械输送设备和气力输送设备的特点及选型，气力输送流程的比较和管道计算。

【教学方法】讲授、自学与多媒体等直观教学手段相结合。 【教学时数】5学时

第一节 固体物料的处理与粉碎设备

一、固体物料的筛选除杂设备

杂物分三类： 纤维性较长的物质

颗粒状的 铁磁性物质

啤酒厂生产过程：

大麦——粗选——精选——分级——浸泡———发芽——干燥——粉碎——糖化 ——过滤——煮沸——冷却分离沉淀——前发酵——后发酵——过滤——灌装—— 杀菌——冷却成品

1.谷物原料的粗选设备

⑴大麦粗选机（平摇振动筛）结构图 ⑵磁力除铁器

a固定形磁钢装置图

b永磁滚筒 CXY—25型永磁滚筒的结构图 2.大麦的精选及分级设备

目的:精选目的除去圆形杂粒,特别是半粒大麦和草籽。

分级目的为了在浸渍和发芽过程保持均匀一致，提高麦芽质量和出芽率。 ⑴大麦精选机

a滚筒精选机 结构图 讲解操作过程 b碟片式精选机 结构图 讲解操作过程 ⑵大麦分级设备

a平板分级筛 结构图 讲解操作过程 b圆筒分级筛 结构图 讲解操作过程 二、固体物料的粉碎设备 1.物料粉碎的力学分析重点

挤压破碎、冲击破碎、研磨破碎、剪切破碎、劈裂破碎，分别举例说明 2.物料的粉碎度（粉碎比）

粉碎比：重点物料粉碎前后平均粒径之比。以x表示 x= D1/D2

D1 D2 粉碎前、后物料的平均粒径mm

粉碎比选择应恰当合理，如：山东某酒精厂，原来采用一级粉碎，电机功率为17KW，后改为二级粉碎，在原电机前加粗粉碎，新增电机2.8KW，产量增加1倍。

3.粉碎机械

⑴锤式粉碎机: 用于原料的中碎和细碎 a 结构如图 讲授粉碎过程。

锤式粉碎机作用力主要是冲击力 b..锤式粉碎机的生产能力

圆孔筛：一个圆筛孔排出 产品容量Vo(m3)

Vo=0.785.Do2.d.μ (m3)

式中： Do—筛孔直径,m d— 产品粒度m μ—排料不均匀系数 每h排出的产品量体积V：

V=60× 0.785.Do2.d.μ.Z.k.n . （ m3/h ） Z — 筛孔总数 k— 锤刀排数 n—转速r/min 每h排出的产品量（质量）Q

Q=V.γ=15π Do2.d.Z.k.n .γ（t/h）

对于方孔筛：

每h排出的产品量体积V：

V=60L. c.d. μ. Z.k.n （m3/h ）

Z — 筛孔总数 k— 锤刀排数 n—转速r/min 每h排出的产品量（质量）Q：

Q=V.γ= 60L. c.d. μ. Z.k.n.γ（t/h） 也可按经验公式计算：Q=k.D1 L.ρ（kg/h） 式中： D1 —转子的工作直径m

L —转子的轴向长度m ρ—粉碎产品的密度kg/m3

k —系数，大米瓜干大麦取80~100

c.粉碎机的功耗N：按经验公式估算:

N=k.D12 L.n (kW) L—转子的轴向长度m n—转子的转数 r/ min

k—系数,与原料的性质和粉碎度有关k约为0.1~0.2 ，粉碎比大时取大值

⑵对辊粉碎机

a对辊粉碎机的构造原理 操作的参数及过程 主要作用力是挤压力

常用两辊、四辊、五辊、六辊。结构图 b.辊式生产能力：理论生产能力

Q=60πD1.n.b.L.ρφ（kg/h）

Φ —松散系数 大麦芽取0.5~0.7，与物料性质和操作均匀度有关。 轧辊长度100mm每小时 粉碎大麦芽：

双辊粉碎机 150~200kg/h 四辊式 200~300kg c功率估算：经验公式：

N=0.735kG/（d.ω）（kW） 也可按下式计算：

N=（0.8~1.06）k Lυ（kW）

式中： k— 系数 k=0.6D1/D2+0.15

D1、 D2 — 进料、卸料粒度 L — 轧辊长度 m

υ — 轧辊的圆周速度 m/s 通常取2.5~5

d多辊粉碎机 ⑶圆盘钢磨

⑷MF—260型钢片式磨粉机

㈢、固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）

1.湿法粉碎设备见图，为某酒精厂的湿法粉碎流程

另 如，柳州设备厂生产的 麦芽粉碎系统，二道对辊 2.砂轮磨

㈣、微细粉碎和超微细粉碎

举例：蛋壳粉粉碎 补钙产品

第二节 固体物料输送设备

对于发酵工厂物料输送主要设备和方法 机械输送设备：

斗式提升机 （垂直提升物料）

皮带运输机 （水平或斜向上提升物料） 螺旋输送机 （水平或斜向上提升物料）

气力输送系统 （垂直或水平提升物料） 前三个为单台设备

机械输送设备

一、斗式提升机 斗式运输机 讲授设备运转过程 1、适用物料：重点松散型、小颗粒物料 大麦、玉米、大豆 砂、细煤

斗式提升机常用于将物料垂直提升到一定高度，以便使物料借重力自流加工。

型式有D型，HL型，PL型。

D型：牵引构件橡胶带，HL型：锻造的环形链条，PL型：板链为牵引构件。 发酵工厂最常用的是以橡胶带牵引的D型斗式提升机。 2、构造和原理

料斗 薄钢板焊接或冲压而成，分浅斗、深斗和尖角形三种。结构如图 料斗带：胶带和链条 装料和卸料：如图

主要为重力卸料和离心卸料。如图 3. 斗式提升机的计算

⑴斗式提升机的提升速度 如表

V⑵生产能力重点：Q?3600?·?·? （kg/h）

h装满系数如表3-3-2

⑶功率消耗 轴功率按下式计算：

P?Q·H （kW）电机功率为轴功率的1.2倍 ，启动时克服惯性的阻力系数。 367?斗式提升机的技术性能如表3-3-3 二、带式输送机 皮带输送机

1.适用物料重点：松散粉状或小颗粒状物料或成包成件的物件。水平或有一定倾角物料输送，倾角≤22°与物料和输送带的摩擦和自然降落的程度有关。 分类： 固定式 搬移式 运动式

特点重点：使用非常方便，操作连续性强，输送能力较高，在运送相同距离和重量的物料时，带式输送机的动力消耗最小。

2.结构原理如图

构造： 带、 常用橡胶带塑料带 钢带 300~1200mm

托辊、 上 下 间距1~1.5m 箱松散物料一般1~1.5m ≥20kg成箱 间距≥箱在带长方向的1/2 鼓轮、两端滚轮 卸料端主动轮 装料端从动轮

传动和张紧装置：电动机和减速机，主动轮端；有重锤式和螺丝拉紧式

加料和卸料装置：均匀落料，常采用漏斗加料器，漏斗出口小于带宽的0.7倍。

末段自由落下，不用卸料装置，

中途卸料 用挡板，与带角度35~45°

类型如图

槽式形式 圆形 半圆形

3 ⑴皮带运行速度：与物料有关：一般0.5~1.5m见表3-3-4 窄带取小值，宽带取大值

挡板卸料，＜1.5m/s 成件物品，一般0.5m/s~1.5m/s 或更小

倾斜输送，带速降低，水平速度乘修正系数A ⑵带式输送机的生产能力

Q=3.6A·υ·ρ·φ （t/h） ⑶功率计算

三、螺旋输送机 螺旋运输机 搅龙

1适用物料重点：潮湿的或松散粉状或小颗粒物料。 水平或倾角小于20° 也有垂直报道

2结构和原理：如结构图 略 举例：酱油车间拌种子使用

有根据工艺需要设计的非定型设备，有些采用专业厂生产的标准化设备。

优点：结构简单、紧凑、外形小，密闭和中间卸料 也适合有毒、尘状物料的输送。 参数：

螺旋转数50~80r/min

螺距：一般为螺旋直径的0.5~0.8倍 螺旋与槽的间距5~10mm，太大，丢料。

3螺旋输送机计算

⑴生产能力：

Q?60?? 2?47D2·S·n·?·?·C(t/h)D2·S·n·?·?·CD——螺旋直径，m； S——螺距，m；

n——螺旋转速，r/min； ρ——物料密度，t/m3；

φ——槽的填充系数0.125~0.4 粮粒0.33 C——倾斜系数，水平1，5°0.9； 10°0.8；

15°0.77； 20°0.65。

⑵动力消耗

Q?L.K?H? kW 367 L——输送机长度，m； H——输送高度，m；

K——阻力系数，谷物1.4，颗粒1.8 η ——传动效率 0.6~0.8 ⑶螺旋输送机的直径D计算：

轴功率：P轴? Q2.5D?K(m) ??C Q——输送量 t/h ρ——物料堆积密度t/m3

K——物料综合特性经验系数 粉粒状、谷物干粉0.04~0.06，湿粉料0.07 φ——填充系数，粉粒料0.25~0.35 湿粉料，混合时0.125~0.20 C——倾斜系数 常用螺旋直径系列(单位mm)：重点

150，200，250，300，400，500，600 常用螺旋运输机的转数系列(r/min)：

20，30，35，45，60，75，90，120，150，190

四、可弯曲螺旋输送机

以挠性螺旋体为构件，用电机带动旋转输送物料。可选用不同几何形状的挠性螺旋体，可直线、弯曲输送，也可沿设备周围，饶过墙体、楼层等，输送灵活。输送机可任意布置安装。

直线输送垂直高度10m，水平25m；最长挠性输送管35m，超过10m，功率增加。 优点：只有挠性件是运动体，易维修，不污染被输送物料。 可弯曲螺旋输送机参数见教材P429表3-3-7 气力输送系统及设备

20世纪70年代在食品生化行业广泛应用，利用空气输送大麦、玉米、薯干、高粱等 优点：设备简单，占地面积小，费用少，自动化连续程度高，输送能力和距离变动范围大；同时可对物料加热、冷却、干燥等操作。 一、气流输送原理

㈠颗粒在垂直管中的悬浮：气流向上运动，颗粒受到三个力： 浮力和重力不变， 与粒子有关 颗粒与气流相对运动产生的阻力Fs

随气流变化，有三种情况：

1 Ws＞Fa+Fs 粒子向下运动

2 Ws=Fa+Fs 匀速直线运动 自由沉降 3 Ws＜Fa+Fs 粒子向上运动

Fa+Fs＞Ws 时气流速度为输送该物料的气速

㈡、颗粒在水平管的悬浮

1 气流湍流运动，在垂直方向分力使颗粒悬浮；

2 流体力学考虑，气速在管中心位置速度最大，压力最小。

3 中心线下侧颗粒，颗粒上下受到压强不同，由于自身旋转，产生向管中心的作用 力； 麦格纽斯效应 Magnus effect

4 颗粒形状不规则，产生垂直分力，颗粒悬浮；

5 颗粒与颗粒或管道碰撞，产生垂直分力，颗粒悬浮。 ㈢、颗粒在输送管中的运动状态 与速度直接有关

垂直管中：气速达到颗粒悬浮速度，颗粒在气流中呈流态化状态，自由悬浮，气速

超过颗粒悬浮速度，气流输送，颗粒均匀分布气流中。

水平管：气速很大，颗粒全部悬浮，均匀分布即悬浮流状态Streamflow；气速降低，部分颗粒悬浮，部分沉积在管下部，处于两相流动状态Two-Phase Conveying；气速再降低，有颗粒从气流中分离，产生堆积，形成“小砂球”向前推移，即团块流 Slug Flow

若达到完全悬浮的气流输送，必须具有足够气速 二、气流输送的流程

按压力和设备组合分为：重点

吸引式 真空输送流程 压送式

混合式（压力真空混合式） ㈠真空输送流程

如：啤酒厂大麦输送流程 介绍流程

特点：系统真空，防止物料外漏，室内清洁。最大操作压力5.332×104Pa表压

不须加料器，排料处需密闭较好排料器，防止物料反吹。原因 ㈡压送式气流输送流程 特点：较大的压力差，可输送潮湿物料，输送距离和高度比吸入式大些。系统正压。

装料需密闭较好的加料器，可自动卸料。

最大操作压力：(6.86~ 8.34)×104Pa表压，不反吹。 ㈢混合式气流输送流程

兼有真空式和压送式的特点，可从数点吸入物料压送到较远较高位置。 特点：构较复杂，风机工作条件较差，空气含尘较多。 流程比较：重点

当从一个加料点向几个不同的地点送料时，适合采用压力输送流程；当从几个加料点向一个卸料点送料时，适合采用真空输送流程；输送量相同时，压力系统较真空系统采用较细的管道；在压力系统中，大约每kg空气能输送20kg的物料，相当于24kg物料/m3的标准空气，或1m3的物料/20m3的标准空气气体。真空系统是这些数值的一半。

选择气流输送流程考虑：

物料性质、形状尺寸、输送距离等，结合实际经验，综合考虑。 三、气流输送系统的组成设备

无论哪种流程需要七种设备： 进料装置

输料管道 塑料 钢管 分离装置 闭风器 风机 除尘器 空气管道

1、进料装置：吸嘴和加料器

吸入式，用吸嘴，风量一定，吸入量越多均匀为好。常用

⑴单管吸嘴：输料管口 物料不能低于进料管口，也不能插入物料过深。 ⑵带二次进风口的单管吸嘴：

⑶喇叭形双筒吸嘴：喇叭口开度θ=12~20°

喇叭形双筒吸嘴：

⑷固定型吸嘴：物料经固定料斗吸入输送管，滑板调节进料量。口处装铁丝网 ⑸闭风器 旋转加料器 压力输送作为加料器； 真空输送作为卸料器。

容积式加料器 6、8叶片 转速低于0.25m/s，供料量与速度成正比

闭风器的生产能力：

G=60q.n.η.ρ (kg/h)

q----叶轮转一周排出的体积m3/r；n----叶轮转速r/min；

η ----叶轮体积效率 0.75~0.85；ρ ----物料的体积密度 kg/m3 ； 2、分离装置 空气与物料的分离 卸料 旋风分离器 重力式分离器

要求：分离效率高、性能稳定、连续运转、耐用、维修方便、费用低等 ⑴旋风分离器： 离心式卸料器

利用离心力沉降的原理从气流中分离固体颗粒的设备。

分离效果高，小麦、大米、玉米达100% ，但颗粒越小、越轻，分离难度越大。

分为两种：切线入口 加工简单

全圆周蜗壳入口：对细粉分离效果更高，压力损失小，加工复杂。

⑵重力式分离器 沉降式卸料器多种结构

利用气流速度降低，物料自身重力沉降，对大麦、玉米可100% 分离。

分离器的圆筒直径：

q D1?1.13v?m??vt

vt 悬浮系数 m/s；

L=(1.0~2.0)D1颗粒大于3mm，1.0~1.5中等颗粒，1.3~1.8

粉状物料，1.5~2.0 3、空气除尘装置：

作用：分离回收粉状物料、净化空气、防止颗粒进入真空泵，损坏真空泵。

⑴旋风分离器 标准化系列产品分离10 微米以下的粒子，效率不高。 ⑵滤袋器

⑶湿式除尘器 各种类型利用水捕集气流中的粉尘。

主要原理：水滴与尘粒的惯性碰撞。

重力场，水滴直径在0.1~1mm，除尘效果最佳。 常用JN-64型 6种

风量1000~14000 150m3/h、耗水量0.25~3.5m3/h、压力损失245~539Pa

LS型18种 风量1250~14000 150m3/h、耗水量0.54~1.62m3/h、压力损失784Pa

四、气流输送系统设计 1、流程的选择和确定

2、工艺流程图和设备流程图 3、气流输送系统的计算

⑴、气流速度的选择 ： 重点

一般90%的气流输送，气流速度25m/s足够。见表

若颗粒体积大于2cm2，密度880~1360kg /m3，增加5m/s；

密度1360~1840kg/m，增加10m/s；再大，由实验确定。

⑵混合比 ：重点

定义：每kg空气所能提升的物料的质量，或输送的物料流量(kg/h)与空气流量(kg/h)之比。μ

G μ值越大，单位kg空气输送的 ??物 物料越多。 G气选择：根据物料特性和输送系统。一般，松散物料选择大的混合比，潮湿、粉状、小； ⑶输送空气量的计算 ：选择风机、真空泵

m物3

Q气?(m/h) ??Q---- 空气输送用量m3/h ； m物---- 被输送的物料量，kg/h ； ρ气---- 空气密度 kg/m3 ； μ ---- 混合比。

实际空气用量可比计算值大10% ~20% ；防止漏气和其他因素。

⑷输送管径(内径)的计算和选择 ：

? 已知气流速度时v气 ：

Q气?D23600v气 4 4Q气Q气D??0.0188?m? 3600?v气v气

3

用此公式计算空气管直径：一般空气管气速取6~14m/s，

压缩空气管路取6~10m/s，低压或负压管路取10~14m/s。 空气管管材：应有足够的强度和耐磨性

无缝钢管、普通水煤气管、不锈钢管、硬质聚氯乙烯管。

计算出管径，根据国家管径的规格圆整，选用标准管径。公称直径Dg表示。 管件的公称直径是指与它们相配的管子的公称直径。

⑸压力损失计算： （管网阻力）选择风机

输送流程中，风机的出口压力或入口真空度必须大于管网系统的总的压力降。

包括：

a、 空气管的压力损失△P1 直管、弯管 b、加速段的压力损失△P2

c、输料管的压力损失△P3垂直管、水平管、弯管 d、分离器（卸料器）输料管的压力损失△P4 f、空气进出口的压力损失△P5

总压损： △P=△P1+△P2+△P3 +△P4+△P5

⑹风机的计算和选型

风机选型两个参数： 风量、 风压

为保险起见，理论计算基础上，加10~20%。 根据国家风机的系列选取。常用风机：

往复式真空泵、SZ型水环式真空泵、离心式风机、罗茨风机

例：某酒精厂采用吸入式流程一级输送瓜干。每小时输送量为4545kg/h，输送的水平距离30m，垂直距离15m，90°大弯管(r/D=6)2个，空气管长度10m， 90°弯管(r/D=2)3个，瓜干从沉降式卸料器排出，气流再经旋风分离器、袋滤器后由风机抽出排空。要求⑴画出工艺流程草图⑵计算输料管径⑶计算风机风量风压功耗。

解：⑴画出工艺流程图 介绍如何画

此值不符合国家管道标准，查化工手册圆整 选用无缝钢，公称直径150，壁厚4.5。 若选用塑料管，可查塑料管标准 答：

第三节液体物料的输送设备

生物工厂液体物的输送多采用： 离心泵、 往复泵、 螺杆泵

一、泵的选型计算

㈠、离心泵：离心泵叶轮部分必须充满液体。重点 1、离心泵的压头 （扬程）重点 压头：泵传给1kg液体的能量。

?P

H??Z??HL不要误解扬程就是升举高度△Z ?2、离心泵的流量：重点

离心泵在单位时间内输送入管路系统的液体量。与泵的结构、尺寸（叶轮直径宽度）和转速有关

3、离心泵的特性曲线

主要压头H、流量Q、效率η、轴功率P 不同种类曲线不同， 共同点：

压头随流量变化，流量增加压头降低 重要特性。 功率随流量增大上升，流量为0功率最小。启动

效率随流量增大上升，达到一定值流量增加效率降低。在一定转速下有一个最佳点（设计点）操作应在设计点附近，最高效率对应的流量和压头下工作最经济。

4、其他条件影响

黏度：越大，泵的能量损失越大；

压头、流量减小，效率降低，轴功率增加； 转速：转速改变，Q、H、P都变化， 离心泵的压头与液体的重度无关。 5、吸上高度和汽蚀现象

吸上高度不能超过当地大气压所相当的液柱高度。 液体到泵的入口。叶轮入口不可能达到绝对真空。 有其允许吸上高度

汽蚀现象：叶轮入口的绝对压强与液体的饱和蒸汽压相等，液体沸腾，产生大量蒸汽泡，严重影响叶轮的工作。

⑵输料管径：

选定风速： 吸入式风速取v气=22m/s，一级真空输送 混合比取μ=3 常温常压空气的密度ρ=1.2kg/m3 风机风量：空气裕量10%

1.1m物1.1?4545Q气???1388.75(m3/h)??3?1.2Q1388.75D?0.0188气?0.0188?0.1494?m?v气22

HQ?6、轴功率计算

P?(kW) 电机功率 取1.1~1.2倍轴功率。 102?

7、离心泵的选择：重点 查我国的泵样本、规格目录

选择时，Q以最大流量为准， H以系统最大Q的压头为准；没有刚好的，选Q H都稍大的一个；或选用在要求Q H下，效率最高的一个。 同一类泵，有系列特性曲线如图P448，

如选择流量20L/s，压头50m，查出型号、查性能 ㈡、往复泵 （属于容积泵）

液流有脉冲；其低压靠工作室的扩张形成，有自吸作用，可以吸进液体，所以开泵之前泵内可以不充满液体。与离心泵的不同点。

另外：其流量固定，泵出口不能加阀门。 流量与活塞面积、冲程和冲程数有关。

定义：重点冲程：活塞在缸内两端点移动的整个距离。 冲程数：每分钟往复的次数。效率：70%~90%

形式：重点 立式往复泵

卧式往复泵 磨损严重。

可输送粘稠、有颗粒的液体。

㈢、旋转泵 靠泵体内一个或几个转子的旋转来吸入或排除液体，又称转子泵 。 齿轮泵：压头高流量小，可输送粘稠膏状不含固体颗粒物料。 螺杆泵：靠泵内的螺杆旋转，挤压到排出口。输出压强大，单可达1MPa，三可达10MPa

可输送颗粒黏度的悬浮液 泥浆

泵的选择：定型产品

根据物料的性质、操作温度条件、扬程、流量等选择，注意选型号时，Q、H、吸上高度适当增加10%~20%富裕量。

二、输送管路、管件 1、管径的计算与选择

根据流量：管内径 根据流量的计算导出

Q?mm?v 可应用算图查出管径。再根据管道系列进行圆整，圆整后管内液体流速要符合流速规定的范围。也可按泵出口管径选择管道直径。

2、管道介质流速的选择

计算管径，关键是介质流速，流速大，管径小，节省管材，能耗增加；流速小，管径大，管材增加，投资大。

根据输送介质种类、性质、输送条件合理选择

参考教材P451表3-3-13管内流体常用的流速范围 3、管件：根据管道直径对应选择

【思考题】

1、解释概念：粉碎比、混合比、压头、冲程、

2、磁力除铁器有哪几种？大麦的精选和分级设备有哪些？ 3、粉碎机的类型及其主要作用力？

D?18.8

4、固体物料的单台输送设备有哪些？ 其适用输送物料和条件？ 5、气流输送的流程有几种？特点？比较各流程。 6、气流输送的设备组成？

7、生物工业常用的泵及适用物料范围

8、某啤酒厂真空输送麦芽。每天输送量20吨，操作4h，输送的水平距离50m，垂直距离25m，90°大弯管(r/D=6)2个，沉降式卸料器排料，后接旋风分离器、袋滤器再由真空泵排空，空气管长20m， 90°弯管(r/D=2) 4个。要求⑴画出工艺流程草图⑵计算风机风量⑶计算输料管管径 。

【作业】

思考题中的全部 【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】本章内容是生物工厂普遍都使用的内容，要求大家能够学会设备的选型。

复习提问 ：磁力除铁器的种类？气力输送流程的比较

第三章 空气净化除菌设备

【教学目的与要求】了解常用空气净化流程及特点，掌握介质过滤除菌的机理、对数穿透定律及深层介质过滤器的设计计算。

【教学重点与难点】介质过滤除菌的机理、流程对数穿透定律及深层介质过滤器的设计计算。

【教学方法】讲授、自学与多媒体等直观教学手段相结合。 【教学时数】3学时

第一节 空气净化除菌的方法与原理

一、生物工业生产对空气质量的要求 1.空气中的微生物分布

目的说明我们使用的空气，尽量洁净，减少设备负荷。 2.生物工业生产对空气质量的要求

生物工业生产使用的无菌空气是指通过除菌处理、空气中的含菌量降到零级或更低、 使污染的可能性降到极小。一般以染菌概率为10-3来计算。即1000次发酵周期所用的无 菌空气中只允许一次污染。

3.空气中含菌数的测定

采用光学法——粒子计数器，对直径0.3~5微米的微粒测量比较准确。 表311《洁净厂房设计规范》GB50073-2001规定 补充 采用的是国际标准ISO14611-1规定 二、空气净化除菌的方法及原理 1.空气除菌的方法：重点 ⑴辐射杀菌

X射线、β、γ射线、紫外线、超声波

常用的是紫外线，波长253.7~265nm杀菌力最强，杀菌强度与紫外线强度呈正比，与距离的平方成反比。常用于无菌室和医院的手术室、菌种室等空气对流不大的环境。

需配合甲醛熏蒸或苯酚喷雾。对霉菌甲醛效果稍差、一般采用硫磺熏蒸。

⑵热杀菌

热杀菌是有效、可靠的杀菌方法。但采用蒸汽电热加热空气杀菌，经济上不合理。 图热杀菌流程 介绍 ⑶静电除菌

静电除菌法利用静电引力吸附带电离子而达到除菌除尘的目的。除尘效率最佳条件下对1微米的微粒可达99%，一般在85%~99%，每1000立方米空气耗电0.2~0.8kW。压损小30~150Pa，设备不大。但设备维护安全技术措施要求高，一次性投资大。常用于洁净工作台、工作室空气预处理，再配合高效过滤器使用。

静电除尘装置 由两部分组成电离部分、除尘部分。如图 ⑷过滤除菌法

是生物工业常用的经济、实用的空气除菌方法。采用定期灭菌的干燥介质阻截流过的空气中所含的微生物颗粒，获得无菌空气。

过滤介质按孔隙大小分为两类： 一类介质间空隙大于微生物，需要一定厚度的介质滤层。二类是介质空隙小于细菌，含菌空气通过时，微生物被截留在介质上，达到无菌要求。前者有棉花、玻璃纤维、活性炭、烧结材料、微孔超滤膜等。后者有微孔膜（孔径0.22微米材料有聚四氟乙烯PTFE 、聚偏氟乙烯FVDF）、超细玻璃纤维。

2.介质过滤除菌机理重点

⑴惯性冲击滞留作用机理：如图，讲述机理 效率η=b/df

??c?pdp2vo18?df

c层流修正系数

vo 微粒空气的流速m/s df 纤维直径m dp 微粒直径m

ρp 微粒密度kg/m3 μ 空气黏度Pa.s

当空气流速降低，惯性力降低，b宽度小效率降低，降到一定程度，φ=1/16，η=0 此时的vo称为临界速度 vo与df、dp有关

⑵拦截滞留作用机理

当空气流速降到临界流速以下，微粒随气流靠近纤维，在纤维周围形成滞留层，层内气速更慢，被带到滞留层的颗粒慢慢靠近纤维和纤维接触而被黏附滞留。 其捕集效率可用经验式

?2?11?? 21?Rln(1?R)?1?R??????2(2.0?lnRe)?1?R??R=dp/df 气流的雷诺数Re?dfv??

微生物带正电荷与介质带的负电荷相反，通过时被吸附，再者空气通过介质，介质

表面感应出很强的静电荷，将微生物颗粒吸附，以树脂处理过的纤维最明显。

联想高中丝绸处理玻璃棒产生静电。

第二节 空气过滤除菌设备及计算

一、介质过滤除菌流程 1.介质过滤除菌流程的要求

流程的选择根据当地气候条件，菌种的工艺要求确定

空压机 螺杆压缩机 有油和无油润滑 有油润滑油进入系统，强化除油

蜗轮压缩机

选择需考虑空气的湿度、温度、压力 主过滤器在空气湿度50~60%过滤效果最好 2.介质过滤流程 重点 ⑴两级冷却、分离、加热流程 如图 详细介绍

特点：

适合任何地区 油水分离彻底

⑵空气压缩冷却过滤流程 如图 详细介绍

由压缩机、贮罐、空气冷却器和过滤器组成。去掉两级冷却、分离、加热流程中的5.6.7.8，

适合空气温度6℃相对湿度80%或12℃，60% 采用蜗轮压缩机。 ⑶前置高效过滤器除菌流程

二、空气过滤除菌设备及设计计算 主过滤器

1.空气过滤除菌的对数穿透定律

过滤除菌效率：重点滤层所滤去的微粒数与原空气所含微粒数的比值。

??N1?N2N?1?2 N1N1N1原空气所含微粒数个/m3

N2过滤后空气微粒数个/m3

穿透率：重点过滤穿透滤层的空气所含微粒浓度与原空气微粒浓度的比值。 在研究空气过滤器的过滤规律，为简化研究 做如下4个假定：重点

①流经过滤介质的每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响。 ②空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被气流卷起带走。 ③过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关。

④空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的微粒数。 在上述假定条件下，空气通过单位滤层后，微粒浓度下降与进入空气微粒浓度成正

N2dNLdN?KN ???K?dL 比，即：?N1N0dLlnN2N??KL 2?e?KL N1N1或 lgN2N??K'L 2?e?K'L

N1N1N 滤层中空气的微粒浓度个/ m3 L 过滤介质层的厚度m

dN/dL 单位滤层除去的微粒数个/ m3 K、K’ 过滤常数

揭示了深层过滤除菌的对数穿透定律。表示进入滤层的空气微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之比是过滤层厚度的函数。

过滤常数和很多因素有关v，df，填充量，空气颗粒直径等。为了方便计算采用过滤效率为90%的滤层厚度作对比

N2?0.1N1lgN2?lg0.1??1??KL90 N1K'?L90对数穿透定律，是以四个假定为前提，对于滤层厚度较薄的过滤器是符合的，但对于滤层厚的过滤器产生偏差较大，且滤层厚后，微粒数递减不均匀，K值变化较大需要修正。

2.对数穿透定律的校正 自学 3.空气过滤压降的计算 可采用经验公式

2?v2am?p?cL?Pa?

?dfL 滤层厚度m ρ 空气密度，kg/m3 a 介质填充系数 df 纤维直径m v 空气在介质间隙中的流速m/s v=vs/(1-a) P384

m 实验指数,对不同的过滤介质 棉花1.45 19μm的纤维1.35 8μm纤维 1.55

C 阻力系数 是Re的函数 棉花介质 c≈100/Re 纤维作介质c≈52/Re 4.过滤器结构及计算 纤维介质深层过滤器 如图

孔板—铁丝网—麻布—棉花—麻布—活性炭—麻布—棉花—麻布—铁丝网—孔板 过滤器直径的计算

V??4D2v D?4V(m) ?v

V工作压力下处理空气量m3/s

v 空气的流速（空截面气速）m/s

一般取0.1~0.3m/s原则使过滤器在较高的气速下运行，效率和气速有关。 过滤器的计算举例 重点及难点

一发酵罐每分钟需要空气10m3，空气在过滤器中的线速度为0.15m/s，此时过滤常数为153.5m-1，空气的微生物浓度为200个/m3，发酵周期为100h，设计过滤器？(滤层厚度直径)

解：No=10×60×100×200=1.2×107（个） Nt=0.001个 滤层厚度： 1No11.2?107L?ln?ln?0.151(m)KNt153.50.001

4Q4?10过滤器直径 D???1.19m?v3.14?0.15?60

答:略

因故空气流速变为0.03m/s，此时K’=20.0m-1， 同一个发酵罐，风量变了，

此时的风量为0.785×1.192×0.03m3 每分钟进入过滤器的菌数 ：

N0= 0.785×1.192×0.03×60×200=400个 此操作条件下，每分钟从过滤出口的菌体数为

N?KL 2 ? e N 2 ?N1e?K'L?400e?20.0?0.151?19.5N1

达不到发酵对无菌空气的要求。在此操作条件下，要达到100h内从过滤器 穿透的微生物数为0.001，介质的滤层厚度为： 此操作条件下的滤层厚度为：

1400?60?100L'?ln?1.08(m)

20.00.001

远远大于0.151m，（没考虑风量是否达到要求）

设计时须考虑K值和空气流速 。让设备在设计的最佳条件下运转。

介绍滤纸过滤器

金属过滤器 最新产品 过滤系统的组成 主要参数 膜过滤器

过滤器的消毒问题 操作要点

三、附属设备

1、粗过滤器 形式 2、空气贮罐 3、气液分离器 4、空气冷却器 四、空气过滤介质 过滤介质：

棉花、玻璃纤维、活性炭、玻璃纤维纸、烧结板材料、滤芯。 影响过滤效率的因素： 1介质纤维直径 2.滤层厚度

3.介质的填充密度 4.空气流速

提高过滤效率的措施 重点

1.合理的空气预处理设备，合理的净化流程，使油水分离良好。 2.合理的空气过滤器，选用过滤效率高的介质。 3.保证进口空气的清洁度

高空采风；改善环境条件，降低空气菌数 压缩气站设在厂区的上风头； 空气压缩前的预处理

4.降低进入过滤器空气相对湿度，在干燥条件运转；

使用无油润滑压缩机；加强油水分离；提高过滤器进口空气 的温度，降低相对湿度。

【思考题】

1.名词解释:过滤除菌效率 穿透率 2.过滤除菌流程有那些?特点和实用范围

1.深层过滤除菌的作用机理，常用的过滤介质。 4.如何理解对数穿透定律，其四点假设？ 5.如何进行过滤器设计计算

【作业】

1.名词解释:过滤除菌效率 穿透率

2.设计一适合南方环境的空气净化流程，并说明理由。 过滤除菌流程有那些?特点和适用范围 3.过滤除菌的要求 4.提高过滤效率的措施 5.过滤器计算

某发酵罐通风量为15m3/min，发酵周期100h，设计一台的棉花过滤器，(已知空气流速=0.1m/s，此时过滤常数K’=13.5/m) 进入过滤器的空气含菌量是5000个/m3，求到罐率为0.1%(即1000次发酵周期漏进一个杂菌)。计算过滤器的滤层厚度和直径。

【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】

本章内容中主要是过滤设备，主要深层过滤介质、过滤机理，常用的过滤流程，深层介质过滤器的设计计算，对数穿透定律也是重点，有一些概念需要掌握。通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习掌握这些内容。

复习提问 ：常用的空气除菌流程有哪些？

第四章 培养基的制备设备

【教学目的与要求】了解常用培养基制备的流程，掌握常用的灭菌的机理和采用流程。

【教学重点与难点】高温短时间灭菌的基础、常用的灭菌流程。 【教学方法】讲授、自学与多媒体等直观教学手段相结合。 【教学时数】4学时

第一节 糖蜜原料的稀释与澄清

一、 间歇式稀释设备： 为什么稀释，制糖的大致过程 常用体积5~20m3、径高比1:1.1 体积计算: V=Vs/η

二、糖蜜连续稀释器 如图 结构，安装 操作 常用水平式糖蜜稀释器 三、糖液的酸化澄清设备

酸化目的：加入硫酸，进行灭菌，使灰渣沉淀，达到发酵要求。 酸化桶体积和个数： V总=Qt/η（m3）

第二节淀粉质原料的蒸煮糖化设备

一、淀粉质原料蒸煮糖化的目的 重点

1、原料吸水后，借助于蒸煮时的高温高压作用，使原料的淀粉细胞膜和植物组织破裂，即破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使其内容物流出，呈溶解状态变成可溶性淀粉，以便糖化剂作用，使淀粉变成可发酵性糖。糊化，采用的方法是用蒸汽加热蒸煮。

2、借助蒸汽的高温高压作用，把存在于原料中的大量微生物进行灭菌，以保证发酵过程中原料无杂菌污染，使酒精发酵能顺利进行。

二、蒸煮设备 流程图 介绍详细操作 1、蒸煮罐 径高比1：3~5 最后一个后熟器(汽液分离器)

当蒸煮罐和后熟器采用相同的体积时, 后熟器体积按下式计算:

V1t=V2(N－1)+V2φ V2=V1t/(N－1＋φ)

2、套管加热器：如图 有效加热段的停留时间为 15~25s、流速不超过0.1m/s 粉浆初70℃、加热蒸汽压力0.5Mpa、蒸汽喷射速度20~40m/s 加热蒸汽消耗量的计算：

W=G c（T2- T1 ）/（I-λ） W 蒸汽消耗量kJ/h

G 进入蒸煮锅或加热器的粉浆量kg/h c 粉浆比热kJ/kg.℃

T2 蒸煮温度 或杀菌温度 ℃

T1 进入蒸煮锅或加热器的粉浆温度℃ I 加热蒸汽的热焓 kJ /kg. λ 加热蒸汽冷凝水的热焓 kJ/kg.

λ=c’ T2 c’水的比热4.187 kJ/kg.℃

3、真空冷却器 结构图真空度530~600mmHg 70~80kPa

器内二次蒸汽上升速度≤1m/s，径高比1：1.5~2.0

醪液在管内下降速度1m/s 一般高于糖化锅10m 原因 重点 4.糖化设备

a连续糖化罐如图

几何尺寸 H=0.5~1.0D h=0.11~0.25D r=（D2+4h2）/8h 体积：V=V’t /60φ

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：

根据工艺要求，采用相同类型的发酵罐，在气温最热季节，发酵最旺盛的放热高峰时期，使温度恒定，测定冷却水的进出温度和用量。

经验测得每m3发酵液每小时传给冷却器热量：青霉素 为4.186×6000kJ/(m3.h) 链霉素4500、谷氨酸发酵7500、肌苷 4200、四环素5000。⑶发酵液温升计算法：气温最热季节，选择主发酵产热量最大时刻，通过发酵罐温控使温度恒定，然后关闭冷却水，发酵液在30min的温度的上升值。

2.换热装置

⑴夹套式换热： 夹套的高度稍高于发酵静液面，不进行冷却面积的计算。适合于5m3以下的发酵罐。传热系数在400～600kJ/(m2.h. ℃) ⑵竖式蛇管：分4～6组对称分装罐内 5m3以上罐。 ⑶竖式列管 和蛇管一样分组装 3.换热装置传热温差和面积

⑴温差的计算: 采用对数平均值. ⑵传热面积：

五、机械搅拌发酵罐的通风与溶氧

氧在25℃纯水的溶解度很低，0.25mol/m3 ，培养基中更低，而工业微生物比呼吸速率为0.1～0.4kg氧/h.g干细胞。合成细胞1kg/h.g溶氧成为限制因素，发酵液的通风溶氧十分重要。

1.气液相间的溶氧传质理论：传统的双膜理论

在耗氧发酵，发酵液氧浓度是溶氧速率OUR和耗氧速率OTR的函数。 氧由气泡传递到生物细胞：步骤分5步重点

⑴气泡中的氧通过气相边界层传递到气-液界面上。 ⑵氧分子由气相侧通过扩散穿过界面。

⑶在界面液相侧通过液相滞留层传递到液相主体。 ⑷在液相主体中进行传递扩散。

⑸通过生物细胞表面的液相滞留层传递进入生物细胞内。

提高c*方法有两个:一提高罐压,c*提高但二氧化碳的溶解度也提高可能影响菌体生长;其二采用富氧通风,工业规模成本增加.目前未采用. 2.机械通风发酵罐的溶氧系数

影响因素: a 操作条件:搅拌转数,通风量等

b 发酵罐的几何尺寸,体积搅拌叶轮的直径等

c 发酵液的物化性质能,如密度,表面张力,扩散 系数等.

3．机械通风发酵罐的通风量:

风量与发酵液的溶氧系数和空截面气速及通气强度VVm有关.

通气强度：重点指每立方米发酵液每分钟通入的空气的立方米数(通风比)。 持气率 : 重点 通气后发酵液体积的增加量与不通气时发酵液体积的比 值.

h=(VLG-VL)/VL

对大多数牛顿性流体经验公式： h=1.8(Pg/VL)0.14 vs0.75 六、机械通风发酵罐的通气功耗 搅拌轴功率计算重点补充

“溢流”现象：当发酵液通气速率较高，搅拌叶轮直径小，转速低时，会

出现搅拌器对液体的流动和气体的分散基本上没有影响，此现象称为“溢流”现象。

不发生“溢流”现象的条件：Di＞(VgDi1.5/n2)0.2

只适合牛顿性流体 , 蜗轮搅拌器,标准几何尺寸的机械搅拌发酵罐. 据试验,通风带入的混合能占总量的10%,90%为机械搅拌器输入. 1.单只蜗轮不通气条件下的搅拌轴功率Po重点

搅拌轴功率指搅拌器输入搅拌液体的功率,是克服液体阻力所消耗的功率. 不包括机械传动摩擦所消耗的功率.不是电机功率或耗用功率. Rushiton.J.H等人采用因次分析法研究,试验证实:

?Di2n?L?PO?k???Np?Ln3Di5???m功率准数 Np 是Re的函数 Np—Re的关系曲线

图中看出当Rem大于104时曲线1.2.3.4.趋于平直

螺旋桨Np=0.4 圆盘六直叶Np=6.0，圆盘六弯叶Np=4.7圆盘六箭叶Np=3.7 不通气的搅拌功率的计算重点和难点

35PO?Np?LnDi式中：Po——不通气的搅拌功率 W μ——黏度 Pa.s

ρL——发酵液密度 kg/m3， Di——蜗轮直径 m

n——蜗轮的转速 r/s。

一定要注意经验公式的单位。

2.多只蜗轮不通气的搅拌轴功率的计算，

经验公式和实测结果都表明多蜗轮的输出功率近似等于单只蜗轮的功率 乘以蜗轮个数。Pn≈N.Po

3.通气搅拌功率的计算：重点和难点 相同的情况下，通气的搅拌功率降低，原因，除密度降低外，叶轮周围的气液接触状态有关。

Michiel.B.J 等人用六平叶蜗轮进行搅拌试验，测定Pg、蜗轮直径Di、转速，N， 空气流量Vg，和Po的关系，整理得到经验公式，福田修雄等在100L～42立方米的系列设备对上式进行修正、并经单位换算得到修正的迈凯尔公式：

?Po2nDi3??3Pg?2.25?10??V0.08???g?0.39式中：Po、Pg——分别为通气、不通气的搅拌轴功率kW

n——搅拌转速r/min Di——搅拌叶轮直径cm Vg——通风量mL/min。

上式适合较大的发酵罐，如40立方，比例尺寸在正常的范围内，误差较小。

例：某细菌发酵罐罐径为1.8m，采用单只圆盘六弯叶蜗轮，蜗轮直径0.6m，罐内装有四块标准挡板，搅拌器转速168r/min，通风量为1.42m3/min(已换算为罐内状态的流量)，料液黏度 1.96×10－3Pa.s，料液密度为1020kg/m3，已知此细菌醪为牛顿型流体要求计算Pg.

4.通气速率vs 影响发酵液的kla和搅拌功率 a.根据福田秀雄的研究结果 vs↑Vg↑ Pg↓

b. vs↑Vg↑ Pg↓要维持Pg恒定，需n↑Di↑

c. vs↑持气率和起泡性v↑，研究表明发酵罐的vs值的上限1.75～2.0m/s， 此范围安全，不起泡。

d.敏感性微生物（动物细胞） vs、泡沫水平和搅拌会对它损伤，需改进叶轮结构，使用低剪切力 的叶轮。

f.对固定不变的VVm， vs随反应器的规模增大提高。

实际应用中，通气强度随反应器的规模增大降低，因为液深增加，压力增加，溶氧浓度提高。

第二节气升式发酵罐 ALR

一、 原理、结构

常见类型：气升环流式、鼓泡塔、空气喷射式

工作原理：无菌空气通过喷嘴或喷孔射进发酵液，通过气液混合物的湍流作用使气泡分割细碎，通气后液体密度下降，向上运动，含气量小的液体向下运动实现溶氧传质。重点

二、气升环流式反应器的特点：

1.发酵液混合均匀，罐内没有搅拌器，发酵液处于循环流动状态，气液固三相混合 均匀，不易形成稳定的泡沫和沉淀。

2.具有较高的溶氧速率和效率： 3.剪切力小、对生物细胞损伤小。 4.传热良好。

5.结构简单、加工容易。没有轴封密封性好不渗漏，制造方便，设备投资低，放大容易实现。

6.操作维修方便，没有搅拌热，总产热量低。 三、气升环流式发酵罐的主要结构和操作参数 1.结构参数： 高径比：H’/D=5～9

导流筒直径与罐径DE/D：0.6～0.8较合适

2.操作特性重点 a.平均循环时间tm

内环流反应器设有导流筒，筒内上升区，外下降区。循环速度慢，易缺氧。 平均循环时间（周期） tm由下式确定：

VVLtm?L?VC?D2?Em43

式中：VL——发酵液量m

Vc——发酵液循环流量m3 DE——导流筒直径m

Υm——导流筒内液体平均流速m/s 设计时一般采用2.5～3min。 b.气液比R：

概念发酵液循环流量和通风量的比值。

R=VL/Vg

C.溶氧传质：

传质速率和气液两相流动和混合有关，受反应器输入能量的影响。其体积溶氧系

数是空截面气速的函数。kLa=b.vs

对水电解质，m=0.8，b是空气分布器形式和溶液性质的函数，由实验确定。 气升环流式发酵罐结构简单，溶氧高，能耗低，便于加工和放大制作特大 型罐，用于单细胞培养和废水处理。

3.典型的气升循环发酵罐 图1-2-18

第三节 自吸式发酵罐

自吸发酵罐是一种不需要空压机提供加压空气、依靠特殊的设计的吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气、实现混合和溶氧的发酵罐。1961年开发研究，用于醋酸发酵和单细胞蛋白及维生素生产，1981年在我国酵母厂推广应用，效果良好。

机械搅拌自吸发酵罐 有定子、无定子

自吸发酵罐： 喷射自吸发酵罐

溢流喷射自吸发酵罐

一、自吸式发酵罐的特点： 与机械搅拌通风发酵罐相比

1.不需要空压机和附属设备，节省设备投资30%，节省厂房。

2.溶氧速率、效率高，能耗低、尤其是溢流式自吸发酵罐，溶氧比能耗可降到0.5kW.h/kg氧。

3.用于酵母生产和醋酸发酵，具有生产效率高、经济效益好的优点。酒精—醋酸转化率97%。

缺点：发酵罐是负压吸入空气，发酵系统不能保证一定的正压，罐压较低，容易污染。可过滤前加鼓风机给空气适当的压力，降低污染，增加风量，提高溶氧系数。

二、机械搅拌自吸式发酵罐 1.吸气原理：重点 当叶轮转子高速旋转时，将框内液体甩向叶轮边缘，在转子中心形成负压，转子转动的越快形成的负压越大，吸气量越大，转子的内腔和大气相通，空气被不断的吸入，甩向叶轮边缘，通过导轮使空气分布均匀甩出。空气在循环发酵液中分裂为细小气泡，在湍流状况下混合扩散，这样在搅拌的同时完成吸气。结构如图

主要构件：吸气搅拌叶轮(转子)、导轮(定子)组成

转子：三叶轮(三棱叶) 、四叶轮、六叶轮 叶轮为空心型 转子和定子结构图 2.设计要点：

a.发酵罐的径高比：保证风量不宜取大

原则：保证转子距发酵液液面距离2～3m， b.转子和定子:用的较多: 三棱叶和四弯叶 特点：

转子和定子的结构尺寸：D/L=5：1 D：r=2.5：1

定子直径是转子直径的2倍，定子和转子间距 1～2.5mm c.吸气量Vg：可用准数法和比拟放大计算

在满足单位体积功耗相等的条件下，三棱叶吸气量由下式计算：

f(Na,Fr)=0

三棱叶转子的吸气准数Na和Fr准数的关系如图1-2-24 Na=0.0628～0.0634

即 Vg=(0.0628～0.0634)nd3 m3/s

m

实际吸气量比计算值小，为其0.5～0.8倍。

六弯叶转子吸气量按经验公式计算，结果根据不同发酵液矫正 Vg=12.56nCBL(D-L) km3/min。

三、喷射自吸式发酵罐 文氏管 液体喷射 1.文氏管 图

2.液体喷射：采用液体喷射吸气装置 由梁世中和高孔荣教授研究 四、溢流喷射自吸发酵罐 图

通气靠溢流喷射器。原理是液体溢流时形成抛射流，抛射流表面液体具有一定的速度，带动相邻气体流动形成自吸作用。

第四节 通风固相发酵设备

酱油、醋、单细胞蛋白饲料等，多采用固体通风发酵设备。固体通风发酵设备结构简单，投资小。可分为两类：自然通风、机械通风

一、自然通风发酵设备

一般用于酿酒和酱油生产，我国最早，现仍采用。由曲室、架子和曲盘组成。 浅盘：木制最早、铝制、不锈钢现多使用，底及两侧开孔通风

尺寸：54×37×6cm 根据操作方便确定。

也有直接用竹帘铺在架上，可扩大固体培养基与空气的接触面积，浅盘生产称盒曲，竹帘生产称为帘子曲。

曲室要求：易于保温、散热、排湿和清洁消毒。 一批料占一个曲室，便于控制管理。

曲架：高1.5～2m，木制或钢制，隔成几层，每层高15～25cm，最底层距地 30～50cm。料层厚度：6～10cm

二、机械通风发酵设备

风机强化通风，料层厚度可0.3～0.5m，制曲效率高，可控制料层发酵温度。结构如图

曲池：长方形水泥池，宽2m，深1m，长度根据场地、产量而定，曲池底高于地面，有8～10o倾斜，池底上方有层假底筛板，料放在筛板上，曲池低端和风机相连，中间设有闸门，调节风量。

曲房结构和自然通风曲房结构基本相同。 新型固体发酵罐，如常州三环 其他发酵设备如图

【思考题】

1.概念：平均循环时间、全挡板条件、持气率、气液比R 2.自吸发酵罐吸气原理

3.双膜理论的前提,氧由气泡传递到溶液中生物细胞的步骤？ 4.机械通风发酵罐空截面气速的上限？

【作业】

1.解释概念：平均循环时间、全挡板条件、持气率、气液比R 2.自吸发酵罐吸气原理

3.氧由气泡传递到溶液中生物细胞的步骤？

4.计算题.已知：某细菌发酵罐，直径2.17m，叶轮直径0.72m，采用两只六平叶蜗

轮，搅拌转速109r/s，通风量Vg=5.55m/min（已换为罐内状态），醪液黏度为2.25×-33

10 Pa.s，密度1020kg/m，发酵液为牛顿型流体，求Pg？

【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】

本章内容中有一系列重要的基本概念，需要在理解的基础上加以掌握。机械通风发酵罐的功率计算优为重要，通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习，加深印象。

【预习】嫌气发酵设备

第六章 嫌气发酵设备

【教学目的与要求】了解嫌弃发酵设备结构及其特点，掌握酒精发酵罐的容量尺寸计算，掌握啤酒发酵罐的类型。了解连续发酵罐数理论计算和发酵流程.

【教学重点与难点】酒精发酵罐的容量结构设计计算，啤酒发酵罐。 【教学方法】讲授、自学与录像等直观教学手段相结合。 【教学时数】6学时

3

作业讲评：表扬及指出存在问题 复习提问：搅拌轴功率的计算公式单位，自吸发酵罐的吸气原理

第一节 酒精发酵设备

发酵设备是发酵工厂的主要设备，按通风好氧情况可分为两类:

好气设备：柠檬酸 谷氨酸 酶制剂 抗生素 嫌气设备：酒精、啤酒、丙酮丁醇等 一、酒精发酵罐: 酒精发酵是利用酵母将糖转化为酒精，所以必须满足酵母生长代谢的必要条件如温 度，从结构考虑有利于发酵液的排除和罐体的清洗杀菌，还要考虑设备的检修、安装、制造方便等。

一般酒精发酵罐，罐体圆柱形，顶盖为碟形或锥形。结构如图1-3-1 冷却装置：中小形罐：罐顶喷水外壁冷却

大型罐：内装冷却蛇管和外壁喷水结合

o

水力喷射：开孔φ4~6mm 与水平呈20夹角，洗涤压力0.6~0.8MPa，48~56r/min，

5min可完成洗涤作业

二、酒精发酵罐的计算 重点 1、发酵罐全体积: V=Vo/φ

式中: V——发酵罐的全体积 m3

带锥底.盖的圆柱型发酵罐全体积: V=π/4D2 (H＋h1/3＋h2/3) 发酵罐的几何尺寸推荐如下:

H=1.1~1.5D h1=0.1~0.14D h2=0.05~0.1D

根据发酵罐的高经比 可确定发酵罐的尺寸 2、发酵罐数的确定:

对于间歇发酵可按下式计算:

N=(1/24)n.t+1 (个)

3、发酵罐冷却面积的计算：重点和难点 ⑴总发酵热Q：厌氧发酵

Q=Q1－(Q2+Q3)

Q1 ——生物合成热. Q2 ——蒸发损失热.

Q3 ——罐壁向周围的热损.

1)生物合成热Q1:由三部分组成，微生物生命活动呼吸热，繁殖的繁殖热和形成产物的发酵热。目前理论难以准确计算。计算方法有两种

a、酒精啤酒发酵按发酵旺盛时单位时间糖度降低的百分值计算(以消耗1kg麦芽糖发酵散出的热量为650kJ为基准，也有报道1kg麦芽实际发酵热为418.6kJ，如不冷却，温升10℃)：Q1 ＝m.s.q

b:通过测定小实验罐发酵最旺盛时的放热量计算:

小罐放热量Q`： Q`=W. cp(t2－t1) 扩大到生产罐,生产罐的放热量Q1 Q1 =Q`V/V`

2)Q2蒸发损失热: Q2 =5%~6% Q1 3) Q3的求法:

a、Q3=Kc.A’(tw-tB)

Kc=k对+k辐

b、经验估算，无论放在室内、外一律取Q3=10~20% Q1

3.传热总系数k的确定：由两部分组成，传热分系数和热阻组成,发酵液蛇管璧的传热系数k1 情况比较复杂,对酒精发酵可取2300~2700kJ/ (m2.h. ℃) ,从冷却管璧到冷却水的传热分系数k2 。

总传热系数K：按下式计算

11?11???K??????????K1K2???壁???垢例:重点和难点 某酒精厂，发酵罐 的进料量为24t/h，每4h装满一罐，发酵周期为72h,发酵温度30℃，冷却水的初、终温度为20℃和25℃,若采用蛇管冷却,试确定发酵罐的结构尺寸，

3

罐数，冷却水耗量，冷却面积和冷却装置的尺寸。(糖化醪密度为1076kg/m)

第二节啤酒发酵设备

一、啤酒前.后发酵设备及计算

1.前发酵设备：图 槽底部有坡度易排水；距槽底10~15cm，排出管； ⑴、前发酵槽的计算: ①发酵槽数的确定: 重点

在一个发酵槽内容纳一次麦芽汁前提下,发酵槽数N可按下式计算:

N=n.t

在一个发酵槽内容纳一次麦芽汁的整数Z倍,发酵槽数时 :

N=n/Z.t

②前发酵罐体积的确定：重点

考虑装液系数，计算糖化一次麦汁的量，即可确定发酵槽的总体积V：

?③前发酵槽冷却面积计算: 重点 发酵槽冷却面积：

A?V?ZVO?m?3Qm2??K?tm2.后发酵设备

材料:以前用A3钢板,内涂防腐层.也有用铝板，现多用复合钢板 圆筒形金属容器：卧式和立式如图。 ⑴后发酵槽的计算

后发酵槽又称储酒罐，作用是完成嫩啤酒的继续发酵，饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。

其容量应和啤酒过滤设备能力匹配。

若选定每个后发酵槽的容量后，根据后发酵槽的总有效容积，可确定后发 酵槽数N：

N=V/Vs

后发酵槽的有效容积，主要根据啤酒的年产量，啤酒的品种贮酒期(酒龄)确定。再 根据充满系数确定全体积后,其槽的结构尺寸可以算出.圆筒形贮槽的最适体积和尺寸可通过算图来选择.如图

贮酒槽结构形式对合理利用贮酒室影响很大，1m3的生产面积可得到贮酒槽的有效体积:

立式圆筒型 300~500L 卧式圆筒型 500~600L 四角矩型 600~800L.

二、新兴啤酒发酵设备 1.圆筒体锥底发酵罐:

优点：能缩短发酵时间，且具有生产上的灵活性。结构如图 锥形罐的设计要点：仔细考虑：

⑴耐压要求，设计压力为最大工作压力加10%，安全阀，打开；清洗，真空阀。 ⑵罐内的对流和热交换。

⑶内部的清洗。一般采用CIP清洗。 2.联合罐 结构如图

3.朝日罐 结构如图：罐材:4~6mm不锈钢板，高径比1~2:1 ㈢CIP清洗设备：Clean In Place内部清洗设备

如图是容积为800m3，安装在室外的发酵罐与CIP清洗系统的流程。清洗管道一般采用150mm。

三、连续发酵

在发酵罐内连续不断的流加培养液，同时又连续不断的排除发酵液，使发酵罐内微生物一直维持在生长加速期，同时又降低了代谢产物的积累，缩短了发酵周期，提高了

设备的利用率，这种发酵方式称为连续发酵。

优点：

1.培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，从而保证产品质量和产量的稳定； 2.发酵周期短，设备利用率和产量较高，节省人力和物力以及生产管理稳 定，便于自动化生产等优点。

本节只讨论连续发酵的时间、理论罐数和发酵流程。 ㈠连续发酵的时间：自学

㈡连续发酵的罐数：采用图解法 自学 对连续发酵：输出量=输入量+增长量 ㈢连续发酵的流程：

1.酒精连续发酵流程:上世纪50~70年代开始,首先在糖蜜原料实现连续发 酵,然后淀粉原料. 糖蜜原料连续发酵流程:如图

发酵液酵母数维持0.6~1.0亿/ml时, 发酵周期34h, 发酵液酒精含量达到 发酵率85%9%~10%,

淀粉质原料连续发酵流程:如图 2.啤酒连续发酵流程:

塔式连续发酵是上世纪60年代英国APV公司开始设计,又称APV连续发酵流 程。如图：啤酒塔式连续发酵流程。三罐式啤酒发酵流程。

【思考题】

1.酒精发酵罐如何设计计算？ 2.啤酒发酵罐的形式？

3.连续发酵设备的适用范围？

【作业】

1.计算题：某酒精工厂，每发酵罐的进料量为28t/h，每4h装满一罐，糖化液密度为1082kg/m3发酵周期72h，冷却水初、终温为20℃，25℃ ，若罐内采用蛇管冷却，发酵罐的总传热系数为2000kJ/m2.h.℃,试确定发酵罐的结构尺寸,罐数,冷却水耗量(假设发酵液热损包括蒸发热和向周围的散热为生物合成热的10%即Q2+ Q3=10% Q1)。

2.传统啤酒发酵罐的后酵能力应与什么设备匹配？ 【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】

本章内容中主要是酒精和啤酒发酵设备，需要掌握设备的结构和设计计算。通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习掌握。

【预习】植物细胞(组织)和动物细胞培养反应器

第七章 植物细胞(组织)和动物细胞培养反应器

【教学目的与要求】了解植物细胞培养和动物细胞培养的特点，掌握动植物细胞反应器的类型和特点。了解动植物细胞反应器在生物工业的应用。

【教学重点与难点】动植物细胞反应器的类型和特点。

【教学方法】讲授、自学与图像等直观教学手段相结合。 【教学时数】4学时

作业讲评：表扬及指出存在问题 复习提问：酒精发酵罐罐数的计算

第一节 植物细胞(组织)培养反应器

一、植物细胞培养过程的特点：

广义的植物细胞培养技术包括植物器官(根、枝叶、发根、胚、冠瘿组织等)，组织、细胞以及原生质体培养，并以此发展起来的各种植物细胞培养技术。

㈠、植物细胞培养过程的特点 1.细胞培养液的性质重点

植物细胞比微生物细胞大得多，低倍镜可观察到。培养液的黏度与微生物发酵液不同，烟草细胞对数生长期的黏度是培养初期的30倍。

2.植物细胞培养中的传递状态

耗氧培养中，必须要通风搅拌，氧传递是关系发酵成本的主要因素。对于植物细胞 也存在同样是问题。

研究证明，培养烟草细胞氧消耗比速度的最大值为0.6mmol/(g干菌体/h), 比微生物要低1.5~8mmol/(g干菌体/h)得多.说明需氧量小？ 重点

培养烟草细胞,氧传递效率用液膜kla值表示,如图在反应器通风搅拌情况下研究kla值对烟草细胞培养生长的情况。解释图中曲线。

植物细胞kla过大,对培养未必有好处.可能一定浓度的二氧化碳含量对细胞量的增长有益.

二、植物细胞培养反应器

悬浮培养：植物细胞培养，机械搅拌和非机械搅拌反应器 固定化培养 填充床 流化床和膜反应器 1.悬浮培养反应器：重点

⑴机械搅拌反应器 日本最早培养烟草细胞获取尼古丁 1972 如图目前最大的植物细胞培养反应器装置 介绍流程 说明

⑵非机械搅拌反应器 一般为气体搅拌

非机械搅拌反应器 鼓泡式反应器，气升式反应器 内循环，外循环如图

很多研究表明，气体搅拌反应器尤其是气升搅拌反应器十分适合植物细胞培养与次 级代谢产物的生成。我国刘大陆、查丽杭八.五期间发明气升内错流反应器生产紫草宁， 细胞量达12gdw/L，紫草宁含量达细胞干重的10%，是天然植株含量的2~8倍。

如图是新疆紫草细胞培养流程 说明流程 每级放大倍数？

一般认为，气体搅拌反应器结构简单，传氧速率高以及剪切力低，更适合于植物细胞培养，同时需结合植物细胞生长代谢特性对其加以改造更适合植物细胞的培养。

2.固定化细胞生物反应器重点

植物细胞培养的关键细胞遗传和生理稳定性，固定化细胞培养系统比悬浮培养更适合于植物细胞团的培养。已成功用于培养辣椒、胡萝卜、长春花、毛地黄等植物细胞。

固定化培养反应器：填充床反应器，

流化床反应器， 这两种的不同 膜反应器

三、植物组织培养反应器

在植物组织培养系统发展较快的有：

1.发状根大规模培养系统 如图 讲述操作过程 控制 2.小植物的大规模快速培养

从两条不同途径考虑采用组织培养反应器进行植物的快速繁殖。重点

a形成不定芽的途径：从植株茎尖诱导不定芽后在反应器大规模培养不定芽或不定根。

b形成胚状体的途径：从植株外植体诱导胚性愈伤组织得到体胚，然后在反应器内 大规模培养体胚，最终制成人工种子。

自1981年报道培养矮牵牛后，已进行草莓、香蕉苗、百合、兰花、唐菖蒲等的茎、芽、微小块茎、球茎、体细胞、小植物和合成种子的大规模培养，规模达1000L。

华南理工大学和中科院华南植物所合作开发适合香蕉高经济作物的浅层循环式植株快速繁殖器，获得实用新型专利。结构如图 连接到动画演示图片

中科院冶金所应用径向流生物反应器培养唐菖蒲原球茎如图 讲述流程

第二节 动物细胞培养反应器

20世纪70年代以来基因工程和杂交瘤技术的迅速发展，通过动物细胞培养可得到许多与人类健康和生存有关的生物技术产品如病毒疫苗、干扰素，诊断试剂、治疗蛋白等高新技术产业。

动物细胞体外培养有明显的优势。为传统的微生物发酵技术无法代替。应用细胞工程技术大规模培养动物细胞生产各种生物活性物质是一种比较经济可靠的技术。不完全统计，世界上有10000多个实验室，400家工厂生产生物技术产品的研究。

有代表：气升式深层培养系统、

微载体、 大载体、 微囊以

中空纤维培养系统。

一、动物细胞培养方法重点

体外培养的动物细胞有两种类型:

非贴壁依赖性细胞：源于血液,淋巴,肿瘤细胞。采用悬浮培养

贴壁依赖性细胞： 大多数动物细胞。需附着在带正电荷的固体或半固体表

面生长.贴壁培养.

1.贴壁培养:

大多数动物细胞如Hela,Vero,BHK,CHO等常采用的细胞系. 采用滚瓶设备 设备

特点:结构简单,投资少,技术成熟,重现性好,扩大培养简单,增瓶.

缺点劳动强度大,表面积小,占用空间大,体积细胞产率低,监控环境条件限制. 微载体系统,培养贴壁依赖性细胞.

优点:比表面积大;细胞生长环境均一;培养基利用率高;采样重演性好;收获不复杂;放大较容易;劳动强度小,占用空间小.

2.悬浮培养 细胞在培养器中自由悬浮生长的过程 非贴壁依赖性细胞的培养如转化瘤细胞 3.固定化培养

采用包埋培养 适合两类细胞培养

细胞生长密度高,抗剪切力和抗污染力强.一般对非贴壁依赖性细胞 ,采用海藻酸钙包埋对贴壁依赖性细胞 ,采用胶原包埋.

不同的包埋方法的特点见P91 表1-4-1 二、细胞培养的操作方式重点

无论悬浮培养还是贴壁培养，从操作方式可分为分批式,流加式,半连续式, 连续式,灌注式.

1.分批式操作 细胞和培养液一次性装入反应器培养, 细胞不断生长,产物不断形成,经一段时间,将整个反应系全部取出.

2.流加式操作 先将一定量的培养液装入反应器,在适宜的条件下接种细胞,细胞不断生长,产物不断形成,新的营养不断补充,使细胞进一步生长,到反应终止取出整个反应系.

3.半连续式操作 反复分批式培养,换液培养.在分批式操作的基础上,不全部取出反应系,剩余部分重新补充新的营养成分再按分批式操作的方式进行培养,反应器内反应液体积不变.

4.连续式操作 将细胞种子和培养液一起加入反应器内,一边新鲜培养液不断加入反应器内,一边将反应液不断取出,使反应条件处于一种恒定状态.

可连续不断收获产物,能提高细胞密度用于培养非贴壁依赖性细胞.如英国Celltech公司培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体

5.灌注式操作 细胞接种后进行培养,一方面培养基不断加入反应器,一方面又将反应液连续不断的取出,但细胞留在反应器内,使细胞处于一种不断的营养状态.

三、动物细胞大规模培养反应器重点 1.通气搅拌式细胞培养反应器

主要区别在于搅拌器的结构，要求搅拌产生的剪切力小、混合性能好。

NBS开发的笼式通气搅拌器符合要求， 包括通气腔和消泡腔。最早由Spier设计如图P93，缺点：传氧系数小，不能达到高密度细胞培养的耗氧要求；气路不能就地灭菌，难以用于大型反应器。

华东化工学院将单层改为双层笼式通气搅拌器，扩大丝网交换面积，提高溶氧系数改进后的20L双层笼式通气搅拌反应器，与控制系统管路系统和蒸汽系统一起组成完整的动物细胞培养装置CellCul-20。用于悬浮培养杂交瘤细胞和乙脑病毒，效果良好。

2.气升式动物细胞培养反应器

英国的Celltech公司首先采用气升式动物细胞培养反应器培养杂交瘤细胞 生产单克隆抗体。1980年，10L规模，84，100L 200L 1000L，87放大到10m3，

流程如图：解释过程 从10L~1000L需17天时间，生产单克隆抗体100g。

优点：a 没有移动部件。b.完全密封。c.便于无菌操作。d.不易污染。e.设计简单。f.便于放大生产。g.氧的转换率高等，较好满足了该培养系统中细胞生长时所需的要求。

3.中空纤维细胞培养反应器 可培养贴壁和非贴壁细胞。 1972年制成中空纤维培养系统。84年美国Amicon公司开发Vitafiber1、2、3个型号，85，美国Endotronics公司进一步改进。流程介绍

中空纤维用聚矾或丙烯的聚合物制成。管壁厚50~75微米，内径200微米。管壁半透膜，截留分子量1万，5万，10万u的物质，由内室和外室组成。

营养物从内室进入细胞贴服在外室的壁上，从内室吸取营养，血清和分泌 产物如单克隆抗体分子量大只能留在外室，不断浓缩，打开取出。小分子代谢废

物从内室流出。

一般细胞接种1~3周后可充满外室空隙厚度最终达10层，停止增殖后可维持 高水平代谢功能，达几星期甚至几个月。

4.微囊培养系统重点

20世纪70年代，lin和Sun把生物活性物质、完整的活细胞或组织包在薄的半透 膜中，即称为微囊技术。

操作过程： 介绍

囊内细胞由于得到充分的营养，可获得高达1.4X108/ml的细胞密度。细胞密度大，分泌物产量高。该系统培养周期为2～3周。抗体浓度大，可达110mg/ml，为常规培养的50～100倍

微囊培养系统的特点：

①细胞密度大；②产物单位体积浓度高；③分离纯化操作经济简便；④抗体活性、纯度好。但微囊技术成功率一般只有50％左右，培养液用量大。囊内部分死亡细胞对产物的污染。这些问题还有待进一步研究改进。

5.大载体系统

美国Bellco生物工程公司新设计的大载休培养系统如图 配有先进的主要部件如溶解氧、pH测定以及培养液输入和产物的收获均由微机程控调节。

制作过程 介绍 略 大载体培养系统的优点：

①操作控制方便，可随机取样检测；②附着细胞密度高；③消耗用品价格

低廉，产物收获量大，有明显经济效益。但该系统不具有细胞分泌产物的浓缩装置。

我国1987年引进大载体培养系统，生产单克隆抗体作为人血型定型试清。 6.微载体系统重点

1967年Van Wezel首先创立的一种方法。

基本原理：利用固体小颗粒作为载体，细胞在载休的表面附着，通过连续搅拌悬浮于培养液中，并形成单层生长、繁殖。由于扩大了细胞的附着面．能允分利用生长空间和营养液，因此大大提高细胞的生产效率和产量。微载体由天然葡萄糖聚合物或各种合成聚合物组成。直径50~数百微米，主要有液体微载体、大孔明胶、聚苯乙烯、甲克质、聚氨脂泡沫等

朱德厚1982设计的微载体悬浮培养系统 动画演示

优点：重点①具有较高的表面积体积比；②生长环境均一，条件易于控制，放大容易；③兼具贴壁培养和悬浮培养的优势，而且是均相培养；④取样和细胞汁数简单；⑤细胞和培养液易于分离；⑥大规模培养只需对微生物搅拌式或气升式培养系统稍加改进即可；⑦适合于培养原代细胞、二倍体细胞株，它对生产重组产品来说是必不可少的有效方法。

㈣动物细胞大规模培养的应用 1.疫苗 2.干扰素

3.单克隆抗体

4.其他基因重组产品

【思考题】

1.植物动物细胞培养的特点和反应器的类型？

2.动物细胞培养操作方式及动物细胞反应器类型？ 3.常用动物细胞反应器的培养系统及特点？ 4.举例动植物细胞培养反应器的应用。

【作业】

1.动物细胞培养操作方式 2.微载体培养的优点？ 3.微囊系统的制作过程？

【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】

本章内容中主要是动植物细胞培养反应器，培养系统较多，掌握微载体培养的优点。同时通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习掌握各种培养系统和特点。

【预习】生化反应器的比拟放大

第八章 生化反应器的比拟放大

【教学目的与要求】了解生化反应器的放大方法，重点掌握几何相似和经验放大法中的单位体积搅拌功率相等的准则的放大。

【教学重点与难点】几何相似和经验放大法中的单位体积搅拌功率相等的准则的放大。

【教学方法】示例讲授为主。 【教学时数】3学时

作业讲评：表扬及指出存在问题 复习提问：搅拌轴功率的计算公式

一、生化反应器放大的目的和方法 新产品的研制开发经历：

a.实验室阶段： 菌种筛选和培养基的研究 1~5L小发酵罐

b.中试规模： 小试—中试 探索工业化生产培养基和培养条件 5~500L发酵罐 c.规模化生产： 试生产—商品生产——市场 500L以上发酵罐 获取最大经济效益 ㈠生化反应器放大的目的

应用理论分析和实验研究想结合，总结生物反应器的内在规律和影响因素，重点解决相 关的质量传递、动量传递和热量传递的问题，使反应器放大过程中能尽可能维持生物细 胞的生长规律、代谢产物的生成速率。

㈡生化反应器放大的方法 1.理论放大法 2.半理论放大法 3.因次分析法 3.经验放大规则

二、通风发酵罐的经验放大法 重点和难点

㈠以体积溶氧系数kla或kd值相等为基准的放大法：

高耗氧的发酵采用此法进行反应器放大，实践证明效果良好。 计算公式：1.不通气搅拌公式：Po= ni NpρN3Di5

Re=Di2nρ/μ

2.通气搅拌功率：

Pg=2.25×10-3（Po2nDi3/Q 0.08）0.39

3.溶氧系数：kla=k(Pg/V)αυsβ

kd=（2.36＋3.3ni）（Pg/V）0.56υs 0.7 n 0.7×10-9

举例：某厂在100L机械通风发酵罐中进行淀粉酶生产试验， 所用的菌种为枯草杆菌，取得良好发酵效果。拟放大至20m3生产罐，已知此发酵液为牛顿型流体，黏度μ=0.00225Pa.s，密度ρ=1020kg/m3。试验罐尺寸；直径D=375mm，搅拌叶轮直径Di=125mm，高径比H/D=2.4，液深HL=1.5D，装四块标准档板，装掖量为60L，通气速率1.0VVm，使用两挡圆盘六直叶涡轮搅拌器，转速n=350r/min。通过实验证明，此发酵液为高耗氧的生物反应，可按体积溶氧系数相等的原则进行放大。 解：

1.计算小罐的kd值 先求搅拌雷诺准数

Re?Di2n??0.1252??350/60??1020?2.25?10?3?4.13?104Re＞104 所以 Np=6.0

不通气的搅拌功率：

Po=2NpDi5n3ρ

=2×6.0×1020×0.1255×(350/60)3 =74.1(W)=0.0741kW

通气搅拌功率：Pg=2.25×10－3(Po2n Di3/Vg0.08)0.39

=2.25×10－3(0.7412×350×12.53/600000.08)0.39 =0.0395 (kW)

求小罐的溶氧系数 先求出空截面流速:

0.06vs??0.543?m/min??54.3cm/min0.785?0.3752小罐的溶氧系数

?Pg?kd??2?2.36?3.3???V?L?0.560.56?vs0.7?n0.7?10?9?0.0395?0.70.7?9?8.96???54.3?350?10?0.06??7.01?10?6?molO2/ml.min.atm?2.按几何相似的原则放大到20m3生产罐尺寸：重点和难点 VL=20×60%=12m3=0.785D22×HL =0.785D22×1.5D2 则：D2=2.17m

H=2.4D2=2.4×2.17=5.2m， HL=1.5D2=3.26m Di=(0.125/0.375)×D2=0.72m 3.按单位体积相等的原则放大风量：通气强度不变

大罐风量Q=12m/min 通风气速

Q12vs???3.42?m/min??342cm/min0.785D20.785?2.172气速比原来的54.3m/min增加6倍，气速过大，容易引起泡沫增加，逃料。根据经验及小罐的试验情况，取vs=150cm/min，则放大罐的风量为： 通气强度为：5.55/12=0.462

?Q2?D2vs?0.785?2.172?1.5?5.55m3/min4大罐的溶氧系数

3

?P?kd??2.36?3.30Ni??g??VL??Pg???2.36?3.30?2????12??7.434?10?8Pg0.56n0.7应等于小罐的溶氧系数即：

0.56vs0.07n0.7?10?91500.07n0.7?10?90.56kd?7.43?10?8?Pg0.56n0.7?7.01?10?6Pg?3356n?1.254.求大罐的搅拌轴功率和搅拌转速

现有两个未知数，不能求出，再根据通气搅拌功率计算

?o2nDi3??3PPg?2.25?10?0.08??V??g?0.39Po2n0.723??3??2.25?10??60.08??(5.55?10)??0.206Po0.78n0.39可得

0.39Pg?3356n?1.25?0.206PO0.78n0.39则PO?2.51?10n5?2.1?kW?

再根据不通气的搅拌功率的计算

Po=2NpDi5n3ρ W

=2×6×(n/60)30.725×1020×10-3(kW ) =1.096×105n3 =2.51×105 n-2.1

得:n=108r/min Po=13.86kW Pg=9.64kW放大结果见教材P151表1-6-4。

由表中可知,尽管试验罐和放大罐的溶氧系数相同,几何尺寸相似,但放大后大罐的 通气强度和搅拌转速大大降低.此放大结果经试验可行。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p6x6.html