南京工业大学发酵设备及工艺设计期末要点Word格式文档下载.docx

1、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（）加热时间的计算 ：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/m2 ）F：夹套或盘管的传热面积（m2） tS：加热蒸汽温度（）（2）直接蒸汽加热传热及操作时间的计算热损失为5%-15%） 加热时间的计算 d1、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） 2.保温阶段传热及操作时间的计算加热蒸汽用量 蒸汽排出口的总面积（cm

2、2） ：蒸汽排出的时间（min） P：罐内蒸汽的绝对压力（kg/ms2） ：加热蒸汽比容（m3/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 3.冷却阶段传热及操作时间的计算 冷却时间的计算 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） t1S：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（）

3、t2：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。

4、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.维持管操作特点在培

5、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 沿程冷却设计方案

6、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搬迁到发酵车间周边，压缩机输

7、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： （%）；空气中湿含量： kg/kg（水气/干空气）；空气中的水汽分压： （Pa）； 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： 式中1和2分别是压缩前后空气的相对湿度，%； pS1和pS2分别是对应压缩前后空气温度的饱和蒸汽压，Pa； P1、P2分别是压缩前后空气的绝对压强，Pa。空

8、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

9、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） 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

10、B.公称容积/总体积 公称容积：V0=筒体容积+底封头容积=Vc+Vb；H：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; S1：上层搅拌器与液面间距，m; B：下搅拌器距底间距，m 总体积：装料系数： （VL罐中实际装料量）C.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

11、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；HL-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=1/21/3 W/D=1/81/12 B/d=0.81.0 S/d=1.52.5 S1/d=12 E.全挡板条件： 指罐内加了挡板使漩涡基本消失，或者说

12、是指达到消除液面漩涡的最低挡板条件。F.机械密封上伸轴：机械单端面轴封下伸轴：机械双端面轴封G.发酵热计算（平均温差计算） 通常称发酵过程中产生的净热量为“发酵热”。 Q发酵= Q生物+ Q搅拌- Q空气- Q辐射式中，Q生物为生物体生命活动中产生的热量；Q搅拌为当搅拌器搅动液体时机械能转化为热能时的热量；Q空气为通入发酵罐内的空气由于发酵液中水分蒸发及空气温度上升所带走的热量；Q辐射为发酵罐外壁和大气间的温度差引起的热量传递,Q辐射=0.08F外壁（t壁-t空）。在实验测量中，维持培养液温度恒定不变的情况下，式中，Q发酵为发酵热，kJ/（m3h）；W为冷却水流量，kg/h；c为冷却水比热容，

13、kJ/（kg）；t1、t2为冷却水进出口温度，；V为发酵液体积，m3。也可测出发酵罐传热系数K值：式中，F为发酵罐的传热面积，m2； tm为发酵液与冷却水间的平均温度差，K。5、搅拌功率计算 P55 P59搅拌雷诺数 牛顿条件通气搅拌功率计算例3-1、2 VVM 表观粘度 P73 生物反应器检测参数与传感器A.搅拌雷诺数：搅拌情况下的雷诺准数： n:搅拌器转速，r/min；搅拌器直径，m； ：液体密度，kg/m3； ：液体黏度，PasB.牛顿条件通气搅拌功率计算C.表观黏度： 非牛顿流体没有确定的黏度值，通常把某时刻一定切变率下剪切应力与剪切率之比称为表观黏度。D.生物反应器检测参数与传感器（

14、1）检测参数 需要检测的参数及操作特性，按其性质特点，可分为三大类：物理量、化学量和生物量。（如表所示） 物理参数：在生化反应过程中需随时检测和控制的参数有温度、压力、通气量、搅拌转速、补料用量和泡沫高度。 化学参数：常用的在线检测和控制的参数是pH值、溶氧浓度和尾气CO2浓度。 生物量：一般难于在线检测。需检测的参变量：前体浓度、细胞活度、酶活性和细胞生长速率。 较多的参数采用取样或离线检测等方法取得，有些参数还需通过间接计算取得。（2）传感器生物反应器的传感器可将生理效应和化学效应转换为电信号，从而提供了生化反应过程的转台信息。用于生化反应过程参数检测的传感器分为在线检测和离线检测。一般用

15、于生物反应器的传感器有以下要求： （1）用于罐内的传感器必须能耐热，经受高温灭菌。（2）使用的传感器能抵抗菌体对其性能的影响。 （3）抗罐内气泡干扰。（4）传感器的结构必须严密、无泄露，并要求避免灭菌死角。6、固液分离原理 P86 P89固液分离设备原理分类 离心分离因素及离心机分类 板框压滤机的结构及各部件的功能 管式离心机、碟片式离心机应用特点A.固液分离设备原理分类：分过滤和沉降过滤原理：在推动力（重力、压强、离心力）作用下，利用液-固微粒的重度或颗粒尺度的差异使悬浮液通过某种多孔性过滤介质，固体颗粒被截留，滤液则穿过过滤介质流出，从而实现液-固两相的分离过程。沉降原理：利用液-固间的密

16、度差异，在重力场或离心力场中的速度差而实现液-固分离的过程。两者区别：有无过滤介质。B.离心分离因素：对象所受离心力与重力的比值或在离心力场中的离心加速度与重力加速度的比值以f表示。 离心机分类：被处理料液的进入方式分为：连续流离心机和分批流离心机按分离因素大小分为：常速离心机、高速离心机、超速离心机处理目的不同分为：液-固分离和液-液分离被分离对象：（动物）细胞离心机和菌体（微生物）离心机C.板框压滤机的结构及各部件的功能：由机架、压紧机构和过滤机构组成。（1）机架：是压滤机的基础部件，两端是止推板和压紧头，两侧的大梁将两者链接起来，大梁用以支撑滤板、滤框和压紧板。（2）压紧机构：板框的压紧

17、方式有手动压紧、机械压紧和液压压紧。均是将滤板压紧。（3）过滤机构：由滤板、滤框、滤布、压榨隔膜组成。D.管式离心机、碟片式离心机应用特点:管式离心机：分为GF和GQ两种，GF适用于乳浊液的分离，GQ适用于含固量小于1%的悬浮液澄清分离，特别适合于固相浓度小、粘度大、固相颗粒细、固液两相密度差较小的固-液分离 特点：转速高、离心分离因素大，能分离液固；密度差小的物料；可用于液液、液固分离；处理含固量小（5%）的液体；分批式出渣，不适合于密闭要求的场合。碟片式离心机：分离因素高，结构复杂，价格昂贵，可以用间歇或连续的方式运行。常用于高度分散（非均相）的液-固、液-液或液-液-固分离，密度相近的液

18、体组成溶液的分离或含有细小固体颗粒的悬浮液分7、膜分离 P108 定义 表征膜性能参数 膜分离的特点 P112超滤流程A.膜分离： 借助于膜的孔径，在推动力作用下，把大于标示膜孔径的物质分子加以截留，以实现溶质的分离、分级和浓缩的过程。常见的膜分离过程有反渗透、微滤、超滤等。优点：干净、效率高、投资小、易验证、连续操作、易于放大。B.表征膜性能参数 表征膜性能参数有通量单位时间通过单位面积膜的料液体积流量，L/（m2h）和截留率（一定截留孔径下透过膜的溶质占原液中的溶质百分数，%）。C.膜分离的特点干净（比萃取）、效率高（比薄膜蒸发浓缩）、投资小（比大型离心机）、易验证（比有机溶剂沉淀）、连续

19、操作、易于放大等优点。膜分离过程一般是在常温下操作，整个过程完全是物理过程、无相变化。膜的材质：聚偏二氟乙烯（ PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚砜（PES）、纤维素、尼龙、聚丙烯（PP）D.超滤流程料液从料液罐中由泵打至超滤膜上面，分子量比膜孔大的循环回料液罐中，比膜孔小的分子就透过膜至下游，从而达到浓缩的目的。回流出口压强进口压强进料产品出口压强超滤器被过滤料液8、萃取设备 P113 萃取设备组成（1）混合设备（包括混合罐、混合管、喷射萃取器、泵）：要求将溶媒及料液进行充分的混合，使之能在较短时间 内接近于相平衡。（2）分离设备（管式离心机、碟片式离心分离机）：将经过萃取后的萃取相（

20、溶媒相）和萃余相（水相）进行分离。9、离子交换 P137 P143 交换罐结构 P143 离交罐放大A.离子交换罐结构具有多孔支持版的离子交换罐：视镜、进料口、手孔、液体分布器、树脂层、多孔板、尼龙布、出液口。具有块石支持层的离子交换罐：进料口、视镜、液位计、树脂层、卵石层、出液口。B.离交罐放大根据单位树脂床体积中所通过溶液的体积流量相同的原则进行放大根据单位树脂床体截面积上所通过溶液的体积流量相同的原则进行放大10、蒸发设备 P144 P145 P152 蒸发设备组成 膜式真空蒸发器的分类 升膜式蒸发器定义及工作过程 传热计算公式 例题7-1A.蒸发设备组成：主要是由蒸发器、冷凝设备、气液

21、分离器（又称除沫器）、真空系统等组成。B.膜式真空蒸发器的分类：单流长管膜式蒸发器：升膜式长管蒸发器、降膜式长管蒸发器、升降膜式长管蒸发器循环式薄膜蒸发器刮板式薄膜蒸发器离心式薄膜蒸发器C.升膜式蒸发器： 定义：工作原理：物料从加热器下部进入，在加热管内被加热蒸发拉成液膜，浓度液在二次蒸汽带动下一起上升，从加热器上端沿汽液分离器筒体的切线方向进入分离器，浓缩液从分离器底部排出，二次蒸汽进入冷凝器。长管内液膜的形成过程：ah（见P146）加热管长，混合油经预热后由下部进入加热管内，迅速沸腾，产生大量蒸气泡并迅速上升。D.传热计算公式 换热面积：F:换热面积，m2；Q：为蒸发器热负荷，kJ/h：

22、t为传热温度差，如近沸点进料，K为总传热系数，是传热热阻的倒数，kW/（m2）11、结晶设备 P155 结晶过程 常用结晶设备结构A.结晶过程 结晶是从均一的溶液相中析出固相晶体的一个重要化工单元操作。结晶过程包括三个过程：（1）形成饱和溶液；（2）晶核形成；（3）晶体成长。溶液达到过饱和是结晶的前提，过饱和度则是结晶的推动力。B.常用结晶设备结构带搅拌的结晶罐，罐体上附有夹套，以便根据工艺需要改变罐内温度。搅拌器的形式有板框式搅拌器、直叶式搅拌器、螺旋式搅拌器等。搅拌器形式和搅拌转速的选择应视溶液的性质和晶体大小而定，一般趋向于采用大直径搅拌桨叶、较低的转动速度。结晶设备分类：冷却结晶器：自

23、然冷却敞开式结晶器、搅拌结晶器、连续式结晶器蒸发结晶器：搅拌蒸发结晶器、循环式结晶器真空结晶器：搅拌真空结晶器、循环式连续真空结晶器12、干燥设备 P158 P162 P177干燥设备分类 影响干燥速度的因素 气流干燥的定义、设备流程及应用特点 沸腾干燥定义 喷雾干燥流程及其雾化器形式 沸腾造粒器停留时间影响因素A.干燥设备分类 气流干燥设备、沸腾干燥设备、喷雾干燥设备、沸腾造粒干燥器、真空干燥设备、冷冻干燥设备B.影响干燥速度的因素干燥条件（热空气温度）、湿含量、流量、流速、物料本身含水量及所含水分的性质。C.气流干燥 利用高速热气流将物料在流态化输送过程进行干燥的操作。由于物料在气流中呈悬

24、浮状态，气-固间的接触面积很大，而且在气-固间存在一定的相对速度，一次传热效果很好由于物料在干燥管中停留时间很短，而且气-固相是并流操作，因此可采用较高温度的空气作为干燥介质，这样增大了气-固间的平均温度差设备结构简单，制造方便，占地面积小，能连续操作，适合用于制动控制，但干燥管一般较高，多厂房建筑有一定要求实用性广，可适用于各种粉粒状、碎块状以至泥状物料的干燥对物料有磨损，不适用对晶形有严格要求的产品，同时对黏性很大的物料也不适用气流干燥。D.沸腾干燥定义利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料或粉状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。特点:1.传热传质速率高；2.干燥温度均匀，控制容易；3.结构简单

25、，可连续化、自动化生产。E.喷雾干燥流程喷雾干燥是借热空气将高度分散的溶液或悬浮液进行干燥的过程。风机初滤器电除尘蒸汽加热器电加热高效过滤器喷雾干燥塔旋风分离器袋滤器风机废气处理器卸料器 出料雾化器形式： 气流式喷雾器、机械式喷雾器/、离心式雾化器。F.沸腾造粒器停留时间影响因素 停留时间影响因素 物料性质、造粒核粒度和加入量、成品颗粒的大小以及所需干燥时间等。颗粒大小影响因素 停留时间、摩擦时间、干燥温度、返料量和晶核大小二、发酵工厂设计1、基本建设程序 P5 定义基本建设程序：基本建设项目在整个建设过程中各项工作必须遵循的先后顺序。是基本建设的客观规律2、设计阶段 P10 划分按工程规模的

26、大小、工程的重要性、技术的复杂性、设计条件的成熟程度以及设计水平的高低，总的分为三阶段设计（初步设计，技术设计，施工图设计）、两阶段设计（扩大初步设计，施工程设计）和一阶段设计（施工图设计）三种情况。3、工艺流程设计 P41，44 设计步骤*工艺流程的设计步骤：生产工艺流程示意图，生产工艺流程草图，生产工艺流程图。生产工艺流程示意图：在物料衡算前进行，其主要作用是定性的表明原料变成产品的路线和顺序，以及应用的过程及设备。在设计时首先要弄清楚原料变成产品要经过那些单元操作，其次要确定采用何种操作方式连续或间歇生产工艺流程草图：两个阶段：第一阶段，计算、确定计量和贮存设备的容积以及决定这些容积型设备的尺寸和台数等；第二阶段：解决生物反应过程和化工单元操作的技术问题如过滤面积、传热面积等，对专业设备和通用设备进行设计或选型制图要求：工艺流程草图是由物料流程、图例、设备一览表以及必要的文字说明组成，一般是初步设计阶段的草图。（1）应表示出厂房各层楼面的标高（2）画出设备示意图，设备的尺寸大小应适当相称且大致形似，并标明其流程号（3）画出设备的物料及水、汽、真空、压缩空气、冷冻剂等管线和流动方向，以及管线上的主要阀门及管路附件如过滤器、疏水器等、（4）画出必要的计量器具和控制仪表（5）必要的文字注释（6）附注图例，并按国家规定画出图鉴、