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发酵动力学期末思维导图
这是一篇关于发酵的思维导图，主要内容包括：课程考察，原料，灭菌，发酵，提取，产品，市场。总结全面细致，适合做为复习资料。
编辑于2025-06-15 10:56:25- 发酵
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发酵
课程考察
组成
3
出勤
提问
作业
7
生物设备
生物工程技术
化学工程与设备
生物反应
目的
生产细胞
直接用酶催化得到代谢产物
收集细胞的代谢产物
生物反应器
分类
厌气
酒精生物反应器
啤酒生物反应器
沼气生物反应器
通气
搅拌式 气升式 自吸式
光照
膜
化学计量
质量守恒定律
能量守恒定律
设计基础
以生物体为中心
考虑传热 传质
了解生物体生长特性和要求 温度 ph 溶氧
生物学基础
细胞数动力学
产物形成动力学方程
生长耦联性产物合成
非生长耦联性产物合成
高浓度基质及产物的抑制动力学
环境因素对生长及代谢的影响
与化学反应区别
生物反应中存在活细胞，在反应中可将它看作催化剂
活细胞有一定营养需求，使得参与反应的成分很多
反应途径不单一
反应过程伴随生成代谢产物的反应
受众多环境因素影响
子主题
原料
物料处理与培养基制备
选料
固体物料的筛选和除杂设备
筛选机
目的
清除杂质
分级粒度
机械
振动筛
转筒筛
磁铁分离器
分离出夹杂在原料中的金属杂质
机械
平板式
旋转式
组成
永久磁铁
电磁铁
对比
大麦精选与分级设备
目的
除去一些圆形杂粒、伤麦（断裂半粒大麦）和草籽，避免影响发芽和啤酒风味。
设备
精选
碟片式精选机
工作面积大、产量高，碟片可更换。
滚筒式精选机
分离杂粒中含大麦少，但袋孔利用率低、产量低。
分级
平板分级筛
圆筒分级筛
概要
按粒度分级，圆筒筛结构简单但筛面利用率低（约 1/5）。
生物反应物料处理
粉碎
粉碎目的
减小颗粒度，增大表面积，加速溶解，节省蒸汽，提高淀粉利用率，便于连续生产。
粉碎力学分析
挤压、冲击、研磨、剪切、劈裂破碎。
粉碎机基本要求
粒度均匀、及时排料、自动化操作、易更换部件、低粉尘、有保险装置、低能耗。
粉碎机械
锤式粉碎机
适用于中等硬度及脆性物料（如瓜干、玉米），含水量≤15%，锤刀与筛网间隙可调（5-10mm），优点为结构简单、生产能力高，缺点为磨损大。
辊式粉碎机
用于粒状物料中碎及细碎（如麦芽、大米）
类型
两辊式（挤压或剪切作用，间隙可调，带弹簧保险）
四辊式（两对辊筒 + 筛选装置）
五辊式（光辊 + 丝辊组合）
六辊式（三对辊筒，前两对光辊保护皮壳，第三对丝辊粉碎粗粒）
盘磨机
由转动圆盘和固定圆盘组成，用于磨碎大米、玉米等，缝隙可调，分单转盘和双转盘式。
球磨机
转筒内装硬质球体（锰钢、鹅卵石等），通过撞击和研磨粉碎物料，转速需适当，装填量为转筒容积的 30-45%。
概要
湿法粉碎/固体物料的加水粉碎
流程
原料加水粉碎，经预热、泵送至后续工序。
优点
无粉尘、淀粉吸水膨胀提高蒸煮效果、节省蒸汽、减少设备磨损。
微细粉碎和超微细粉碎
目标
将物料粉碎至微米级或埃级颗粒
采用两段式粉碎或专用设备（如搅拌槽型、行星式粉碎机）。
液体培养基的制备及杀菌设备
糖蜜稀释
过程
稀释
酸化
灭菌
添加营养盐
方法
间歇
在稀释罐内搅拌完成。
连续式
连续稀释器
水平式
立式
错板式
胀缩式
变管径式
功能
实现糖蜜与水、营养盐的混合。
利用酶（麦芽自带或外加）降解淀粉、蛋白质等，制备麦芽汁（麦汁），提高浸出物收率。
淀粉质原料的蒸煮糖化设备
糖化目的：
蒸煮设备：
蒸煮罐：
加热粉浆至糊化，配备蒸汽管、安全阀、测温口。
后熟器：
维持糊化醪温度，促进充分糊化，带液位控制和二次蒸汽入口。
真空冷却器：
通过真空环境降低糊化醪温度，配套冷凝器和喷射器。
糖化设备：
连续糖化罐：
混合糊化醪、水和酶制剂，维持温度和流动状态。
真空糖化装置：
集成汽液分离、糖化、冷却功能，缩短流程。
啤酒生产中麦芽汁的准备
糖化设备分类：
两锅式：
糊化锅兼煮沸锅，糖化锅兼过滤槽，适用于小型厂。
四锅式：
糊化、糖化、过滤、煮沸分设，过滤槽位置较高。
六锅式：
增加过滤槽和煮沸锅，提高设备利用率，扩大产量。
关键设备：
糊化锅：
加热大米粉等原料，配备搅拌器和蒸汽加热管。
糖化锅：
混合麦芽粉与水，进行酶分解，带夹套加热。
麦汁煮沸锅：
与外加热器组合，提高煮沸效率（温度 106-108℃），缩短时间，改善麦汁质量（降低色度、提高酒花利用率）。
过滤槽
分离糖化醪中的麦糟和麦汁，配备滤板和耕糟装置。
酒花作用
赋予香气和苦味、稳定泡沫、促进蛋白质沉淀、增强防腐能力。
配料
生物反应物料处理
产物分离纯化设备
输送
灭菌
培养基灭菌
尽量采用高温短时间的连续灭菌
连续灭菌流程
子主题
1. 连续灭菌优点
提高产量：
培养液受热时间短，缩短发酵罐周期，减少养分破坏。
产品质量易控。
蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高。
适合自动控制
降低劳动强度
2. 核心设备与流程
典型流程：
料液罐 → 连消泵 → 加热（连消塔 / 喷射加热器）→ 维持罐（保温灭菌）→ 冷却（喷淋冷却器 / 薄板换热器）→ 发酵罐。
关键设备：
连消塔：
套管式：
料液从外管底部进入，蒸汽由内管小孔喷出加热，灭菌时间 15-20s，流速＜0.1m/s，喷孔直径 6mm。
混合式：
蒸汽侧面进入环形加热料液，挡板促进二次加热，结构简单、效果好。
喷射加热器：
料液经喷嘴高速喷出，吸入蒸汽混合，利用动能转化为压力能推送料液。
维持罐：
保温维持灭菌时间，配备温度计、排气口。
冷却装置：
喷淋冷却器或薄板换热器，快速降低培养基温度。
无菌空气
空压
空气除菌
通风发酵对无菌空气的要求和除菌方法
常识
空气中微生物的分布：
空气中含菌量随环境不同差异大，干燥寒冷的北方少于潮湿温暖的南方，城市多于农村，地平面多于高空，设计时一般以含菌量 10³-10⁴个 /m³ 计算。
发酵对空气无菌程度的要求：
不同发酵过程对无菌空气要求不同，一般按染菌机率 10⁻³ 计算，即 1000 次发酵周期允许 1-2 次染菌。
空气含菌量的测定：
常用培养法和光学法，光学法利用微粒对光线的散射作用测量粒子大小和含量，可测 0.3-5μm 微粒浓度，但不能测活细菌数。
除菌方法
辐射杀菌：
紫外线波长为 2537-2650Å 时杀菌效力最强，常用于无菌室等空气对流不大的环境，杀菌效率低，需结合其他方法。
热杀菌：
利用空气压缩时放出的热量进行保温杀菌较经济，流程为空压机→保温维持管→贮罐。
静电除菌：
利用静电引力吸附带电粒子，效率 85-99%，能耗小，压头损失小，常用于洁净工作台等，需定期清洗电极板。
过滤除菌法：
是目前发酵工业经济实用的方法，采用定期灭菌的介质阻截微生物，常用介质有棉花、活性炭、玻璃纤维等。
过滤除菌机理
当微粒随气流通过滤层时，因滤层纤维形成的网格阻碍，气流改变方向和速度，微粒产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而被滞留在纤维表面。
惯性冲击滞留作用：
微粒惯性大，未及时改变方向而冲到纤维表面滞留，气流速度是影响捕集效率的重要参数。
拦截滞留作用：气流速度降到临界速度以下，微粒随气流绕纤维前进，在纤维周边边界滞流区被粘附滞留。
布朗扩散作用：
直径小的微粒在低速气流中产生布朗扩散，增加与纤维的接触滞留机会。
重力沉降作用：
大颗粒在气流速度慢时因重力大于拖带力而沉降，常与拦截作用配合提高捕集效率。
静电吸附作用：
干空气与非导体摩擦产生诱导电荷，带电微粒被异性电荷物体吸引沉降，活性炭的过滤效能主要是表面吸附作用。
过滤除菌流程
空气除菌流程的要求
空气过滤除菌流程需根据生产对无菌空气的无菌程度、压力、温度等要求，结合吸气环境和除菌设备特性制定。
制备较高无菌程度、压力的无菌空气需用空气压缩机增压，流程中需增加冷却、分离、加热等附属设备，以除去压缩空气中的油雾、水雾，保证空气相对湿度在 50%-60% 时通过过滤器。
空气除菌流程的分析
空气压缩冷却过滤流程：
适用于气候寒冷、相对湿度低的地方，流程简单，但需注意油雾污染，可加丝网分离器分离油雾。
两级冷却、分离、加热的空气除菌流程：
是较完善的流程，适应各种气候条件，两次冷却、两次分离油水，能提高传热系数，节约冷却用水，油水雾分离较完全，经加热使空气相对湿度降到 50-60%。
高效前置过滤除菌流程：
利用压缩机抽吸作用，空气先经中效、高效过滤后进入压缩机，无菌程度高，高效前置过滤器采用泡沫塑料、超细纤维纸等为过滤介质。
附属设备
粗过滤器
安装在压缩机前，捕集较大灰尘颗粒，防止压缩机磨损，减轻总过滤器负荷，有布袋过滤、油浴洗涤、水雾除尘等类型。
布袋过滤：
结构简单，滤布材质影响过滤效率和阻力，气流速度一般为 2-2.5m³/(m²・min)，需定期换洗。
油浴洗涤：
空气通过油箱油层洗涤，分离效果好，阻力不大，但耗油量多。
水雾除尘：
空气经水雾洗涤，可除去大部分大颗粒微粒，洗涤室内空气流速一般 1-2m/s。
空气贮罐
消除压缩机排气量脉动，维持稳定压力，利用重力沉降分离部分油雾，结构简单，有些罐内加装冷却蛇管或导筒。
气液分离器
分离空气中的水雾和油雾粒子，常用旋风式和填料式。
旋风分离器：
利用离心力分离微粒，直径不宜太大，进口气流速度 15-25m/s，对 10μm 以上微粒效率高。
填料分离器：
利用填料惯性拦截分离雾沫，丝网分离器可除去 5μm 的雾状微粒，分离效率 98-99%。
空气冷却器 常用立式列管式、沉浸式、喷淋式热交换器，设计时需提高空气给热系数，一般空气流速 5-10m/s。
过滤介质和过滤器的结构
常用过滤介质：
包括棉花、玻璃纤维、活性炭、超细玻璃纤维纸、石棉滤板、烧结材料过滤介质、新型过滤介质（如绝对过滤膜）等，各有特点和适用场景。
过滤器的结构
深层棉花（活性炭、玻璃纤维等）过滤器：
立式圆筒形，充填过滤介质，空气由下向上通过。
平板式纤维纸分过滤器：
由筒身、顶盖、滤层、夹板和缓冲层构成，空气切线进入，经薄层介质过滤后排出。
管式过滤器：
过滤面积比平板式大，卷装滤纸时防止空气走短路。
接迭式低速过滤器：
将滤纸接折成瓦楞状安装在滤框内，用于要求过滤阻力小、效率高的场合。
空气调节设备
发芽对空调的要求
大麦发芽需控制温度、湿度和通风，通入的空气应温度适宜、相对湿度 95% 以上、新鲜洁净，需预先进行状态调节。
空气增（减）湿原理
增湿或减湿是空气与水两相间传热与传质同时进行的过程
增湿时水分从水传递到空气，空气温度降低，近似等焓过程；
减湿时水分从空气冷凝到水，空气湿含量减少，温度降低。
空气的增湿、减湿的方法
空气的增湿方法：
往空气中直接通入蒸汽、喷水、空气混合增湿。
空气的减湿方法：
喷淋低于空气露点温度的冷水、用热交换器冷却空气至露点以下、空气压缩后冷却、用吸收或吸附方法除水汽、通入干燥空气。
空气调节设备的结构
通风式发芽的空气调节流程设备普遍采用加压鼓风式通风
立式
结构紧凑、占地面积小
卧式
生产能力大，用于大型制麦车间。
空气调节设备的计算
包括喷水量、喷嘴、挡水板、喷淋室的计算，根据热量衡算和相关参数确定设备尺寸和性能。
动力
蒸汽
锅炉
蒸汽加热灭菌
操作方便、经济高效，也可采用化学药物、电磁波、过滤、离心等方法。
条件
温度
灭菌时间
公式
N0：初始活菌数；Ns：灭菌后允许残留活菌数（工程上通常取Ns = 10^{-3}\) 个 / 罐，即 1000 罐中残留 1 个活菌）。
关键参数
反应速度常数 k
表征微生物耐热性，k 越小，微生物越耐热。
芽孢特性
细菌芽孢的 k 值远小于营养细胞和霉菌孢子，更耐热。
反应速度常数
阿累尼乌斯方程
E：活化能，活化能越高，温度对灭菌速度影响越大。
结论：
升温时，杂菌死亡速度增加比营养成分破坏速度更快，故高温短时间灭菌更利于保护培养基养分。
时间
原料灭菌
培养液灭菌
方法
化学药物
电磁波
机械
过滤
离心分离
静电方法
大量处理
广泛使用蒸汽加热方法
发酵
菌种接种
发酵设备
要求
满足微生物培养所必要的工艺要求
考虑材质的要求
考虑加工制造的难易程度
通风发酵设备
近代通风发酵工业的开始
青霉素的工业化生产/深层通风培养技术的出现
通风发酵罐/好气性发酵罐及结构
类型
机械搅拌发酵罐
气升式发酵罐
自吸式发酵罐
伍式发酵罐
文氏管发酵罐
机械搅拌发酵罐
利于机械搅拌器，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖和发酵所需要的氧气。
基本要求
具有适宜径高比。
能承受一定压力。
搅拌通风装置能使气液充分混合，保证溶解氧。
具有足够的冷却面积。
罐内尽量减少死角，避免藏垢积污，能彻底灭菌，避免染菌。
搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
结构
罐体
由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，材料一般为不锈钢。
罐顶
设有快开人孔、视镜、灯镜、进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管等
罐身
设有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。
搅拌器
作用
打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。
类型
轴向式
桨叶式
螺旋桨式
径向式/涡轮式
常用的涡轮式搅拌器有
圆盘平直叶涡轮
圆盘弯叶涡轮
圆盘箭叶涡轮
挡板
作用
改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。
通常挡板宽度取 (0.1~0.2) D，装设 4~6 块即可满足全挡板条件
全挡板条件
一定转数下增加罐内附件而轴功率仍保持不变
公式为 (W/D) Z=(0.1~0.12) D/D×Z=0.5。
消泡器
作用
将泡沫打破
形式
锯齿式
梳状式
孔板式
孔径约 10~20 毫米，长度约为罐径的 0.65 倍。
消泡器长度为罐径0.65倍
联轴器
大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接
种类
鼓形
夹壳形
轴承
作用
减少震动
中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承，罐内轴承采用液体润滑的塑料轴瓦，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的 0.4~0.7%。
变速装置
试验罐采用无级变速装置
发酵罐常用的变速装置
三角皮带传动
圆柱齿轮减速装置
螺旋圆锥齿轮减速装置
轴封
作用
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
种类
填料函
结构简单
死角多，易渗漏染菌，轴磨损严重，摩擦功率消耗大，寿命短
端面轴封
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
结构复杂，装拆不便，对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。
换热装置
夹套式换热装置
多应用于容积较小的发酵罐、种子罐
结构简单，加工容易，罐内无冷却设备，死角少
传热壁较厚，冷却水流速低，降温效果差；
竖式蛇管
换热装置适用于容积 5 米 ³ 以上的发酵罐
冷却水在管内的流速大，传热系数高，但弯曲位置容易蚀穿；
竖式列管（排管）换热装置加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区，但传热系数较蛇管低，用水量较大。
气升式发酵罐
原理
特点
结构简单，冷却面积小。
无搅拌传动设备，节省动力约 50%，节省钢材。
操作时无噪音。
料液装料系数达 80~90%，而不须加消泡剂。
维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。
但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
结构
分为内循环和外循环两种
主要结构
罐体
上升管
空气喷嘴
性能指标
循环周期时间必须符合菌种发酵的需要。
选用适当直径的喷嘴，保证气泡分割细碎，与发酵液均匀接触，增加溶氧系数。
自吸式发酵罐
结构
包括罐体、自吸搅拌器及导轮、轴封、换热装置、消泡器。
充气原理
主要构件
自吸搅拌器及导轮，转子由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入
转子形式
九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等
叶轮均为空心形
类型
回转翼片式自吸式发酵罐。
具有转子及定子的自吸式发酵罐。
喷射式自吸式发酵罐。
前两者结构简单，制作容易，应用广泛；第三种电耗少，但泵的构造复杂。
优点
节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器等设备，减少厂房占地面积。
减少工厂发酵设备投资约 30% 左右。
设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。
酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵母后的废液量少。
设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。
伍式发酵罐
结构
主要部件
套筒
搅拌器
原理
搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器，空气由空心轴导入经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。
缺点
结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。
文氏管发酵罐
原理
用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。
优缺点
优点
吸氧效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省；
缺点
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于好氧量较大的微生物发酵不适宜。
通气与搅拌
搅拌器
型式
轴向推进
螺旋桨式搅拌器
机制
在罐内将液体向下或向上推进，形成轴向的螺旋流动
混合效果较好
气泡的分散效果不好
常用的螺旋桨叶数 Z=3，螺距等于搅拌器直径，最大叶端线速度不超过 25 米 / 秒。
径向推进
圆盘弯叶涡轮搅拌器
搅拌流型与平直叶涡轮的相似，但前者造成的液体径向流动较为强烈，在相同的搅拌转速时，前者的混合效果较好，但输出的功率较后者小。
适用于
混合要求特别高，溶氧速率相对较低
圆盘箭叶涡轮搅拌器
与上述两种涡轮相近
但轴向流动较强烈，在同样转速下，造成的剪率低，输出功率也较低。
圆盘平直叶涡轮搅拌器
大气泡受圆盘阻挡
避免气泡从轴部叶片空隙上升
保证气泡更好的分散
具有很大的循环输送量和功率输出
适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿流体的搅拌混合。
流型
罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型：
在无挡板的情况下，在轴中心形成凹陷的旋涡；安装挡板后，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。
涡轮式搅拌器的流型：
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，轴中心位置也有凹陷的旋涡，适当安排冷却排管，可基本消除轴中心凹陷的旋涡。
装有套筒时的搅拌器搅拌流型：
在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套筒，可以大大加强循环输送效果，并能将液面的泡沫从套筒的上部入口，抽吸到液体之中，具有自消泡能力。
搅拌器轴功率的计算
单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算
一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率取决于叶轮和罐的相对尺寸、搅拌器的转速、流体的性质、挡板的尺寸和数目。
通过因次分析，得 P0/(N³D⁵)=K (D²Nρ/μ)ᵐ
其中 P0 为不通气时搅拌器输入液体的功率，ρ 为液体的密度，μ 为液体的粘度，D 为涡轮直径，N 为涡轮转数，K、m 为决定于搅拌器的型式、挡板的尺寸及流体的流态的常数。
搅拌功率准数 NP=P0/(ρN³D⁵)
表征着机械搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性之比。
当 ReM>10⁴，达到充分湍流之后，NP 保持不变，对圆盘六平直叶涡轮 NP≈6，圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7，圆盘六箭叶涡轮 NP≈3.7，此时 P0=NPρN³D⁵。
多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算
使用多个涡轮时，两者间的距离 S，对非牛顿型流体可取为 2D，对牛顿型流体可取 2.5~3.0D；静液面至上涡轮的距离可取 0.5~2D，下涡轮至罐底的距离 C 可取 0.5~1.0D。符合上述条件的发酵罐，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数。
通气液体机械搅拌功率的计算
同一搅拌器在相等的转速下输入于通气液体的搅拌功率比不通气液体的低，迈凯尔得出 Pg=C (P0²ND³/Q⁰.⁵⁶)⁰.⁴⁵，福田秀雄校正后得出 Pg=2.25 (P0²ND³/Q⁰.⁰⁸)⁰.³⁹×10⁻³
其中 Pg、P0 分别为通气、不通气时的搅拌轴功率，N 为搅拌器转速，D 为搅拌器直径，Q 为通气量。
非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响
常见的某些发酵液具有明显的非牛顿流体特性，如霉菌醪、放线菌醪
牛顿型流体如用水解糖液、糖蜜等原料做培养液的细菌醪、酵母醪。
非牛顿型流体搅拌轴功率的计算与牛顿型流体方法一样，但需先知道粘度与搅拌速度的关系，再计算不同搅拌速度下的 ReM，绘出 NP~ReM 曲线。
如不要求较高的准确度，可用牛顿型流体的 NP~ReM 曲线代替非牛顿型液体的 NP~ReM 曲线。
氧的传递
氧的传递过程
氧是难溶性气体，氧的传递过程包括气泡到气液界面的扩散、穿过气液界面、穿过液膜、藉浓度差通过液体、通过菌体的传递，其中穿过液膜和菌体外的边界层是慢步骤。
氧的传递模型
当气体混合状态好，并且细胞都悬浮，限速步骤主要为穿过液膜，可用方程 OTR=dC/dt=kLa (C*-CL) 描述，其中 OTR 为氧传递速率，kLa 为单位体积氧的传递系数，C * 为与气相平衡的氧浓度，CL 为发酵液中的氧浓度。
影响氧传递速率的因素
影响体积氧传递系数 Kla 的因素
Kla=k (P/V)ᵛ(vs)ᵝ(napp)ᵅ
其中 P 为搅拌功率，V 为发酵液体积，vs 为空气线速度，napp 为表观气速。
影响因素
搅拌、空气线速度、空气分布管、发酵罐内液柱的高度、发酵液性质、泡沫和消泡剂。
搅拌可形成小气泡，增大比表面积，增加气液接触时间，促进传质，使菌体分散；
空气线速度较小时，Kla 随线速度的增加而增加，线速度增加至一定程度后，如不改变搅拌速度，会降低搅拌功率，使 Kla 降低，甚至发生 “过载” 现象；
空气分布管改变气泡的大小，从而改变气泡的比表面积；
发酵罐内液柱高度增加，Kla 增大；
发酵液粘度影响液体湍动性及液膜的阻力；
泡沫使气泡滞留时间延长，消泡剂降低氧的传递速率。
影响传质推动力 (C*-CL) 的因素
包括温度、溶液的性质、氧分压、发酵罐内液柱的高度。温度影响亨利常数，溶液中盐和糖的存在降低了氧的溶解度，氧分压增大，C * 增大，发酵罐内液柱高度增加，罐底部压力增大，氧分压增大。
体积氧传递系数 Kla 的测定
方法有亚硫酸盐氧化法、排气法、取样极谱法、复膜电极和氧分析仪法。
溶氧浓度控制
培养液中氧浓度的变化是供需平衡的结果，调节发酵液中溶氧含量从供、需两个方面考虑。
供氧方程为 OTR=kLa (C*-CL)，可通过提高 Kla 或 (C*-CL) 来增加供氧；
需氧方程为 γ=QO₂X，影响因素包括养料的丰富程度、温度等。
溶氧控制方法有改变气体成分、搅拌速度、挡板、通气速率、罐压、基质浓度、温度、添加表面活性剂等，各方法的作用、成本、效果及备注不同。
机械搅拌发酵罐的设计
设计内容和步骤
设备本体的设计
罐体的设计：包括筒体、封头的设计、计算，罐体压力试验时应力校核及容积验算。 附件的设计选取：接管尺寸的选择、法兰的选取、开孔及开孔补强、人孔及其它。 传热部件的计算：挡板、中间支承、扶梯的选取。
搅拌装置的设计
搅拌轴的设计。
联轴器的选取。
轴承的选取及其轴承寿命的核算。
密封装置的选取。
搅拌器的设计。
搅拌轴的临界转速。
设备的强度及稳定性检验
设备承受各种载荷的计算
设备重量载荷的计算、设备地震弯矩的计算、偏心载荷的计算。
塔体强度及稳定性检验。
裙座的强度计算及校核
裙座计算、基础环的计算、地脚螺栓计算、裙座与筒体对接焊缝验算。
发酵罐的结构计算
罐容积的计算
根据生产规模和发酵水平计算每日所需发酵液的量，再确定发酵罐的容积。
例如，一年产 5 万柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为 14%，提取总收率 90%，年生产日期为 300 天，发酵周期为 96 小时，每日产量为 50000/300=166.7 吨，每日所需发酵液的量为 166.7/(0.14×0.9)=1322.8 吨，假定发酵罐的装液系数为 85%，则每日所需发酵罐容积为 1322.8/0.85≈1556.8 米 ³，取发酵罐的公称容积为 250 米 ³，每日需要 6 个发酵罐，发酵周期为 4 天，考虑放罐洗罐等辅助时间，整个周期为 5 天，则所需发酵罐的总数 = 5×6+1=31 个。
结构尺寸的计算
根据已确定的发酵罐公称容积，计算发酵罐圆柱体的直径，公式为 V1=π/4×H0×D²，其中 V1 为圆柱体体积，H0 为圆柱部分高度，D 为罐的直径。封头的容积计算，椭圆形封头的容积 V2=π/4×D²×hb+π/6×D²×ha=π/4×D²(hb+1/6D)，其中 ha 为椭圆短半轴长度，对标准椭圆型封头 ha=1/4D，hb 为椭圆封头的直边高度。罐的全容积 V0=V1+2V2=π/4×D²[H0+2 (hb+1/6D)]，发酵罐总高度 H=H0+2 (ha+hb)，液柱高度 HL=H0+(ha+hb)，装料容积 V=V1+βV2=π/4×D²(H0+βhb+1/6D)，装料系数 φ=V/V0。
附属结构的计算
挡板数量和尺寸计算
(W/D) Z=(0.1~0.12) D/D×Z=0.5，其中 D 为罐的直径，Z 为挡板数，W 为挡板宽度。
搅拌器的设计计算
首先根据生产菌种和发酵类型选定搅拌器的类型，再从已计算出的发酵罐的直径计算搅拌器相应的结构尺寸，如圆盘平直叶涡轮比例尺寸 D1:di:l:B=20:15:5:4。
冷却面积的计算
发酵过程的热量计算
通过冷却水带走的热量进行计算：
Q 最大 = 4.186×W×c×(t2-t1)/V
其中 Q 最大为每米 ³ 发酵液每小时传给冷却器的最大热量，W 为冷却水流量，t1 为冷却水进口温度，t2 为冷却水出口温度，c 为冷却水的比热，V 为发酵罐内发酵液的总体积。
通过发酵液的温度升高进行计算：
Q 最大 = 4.186×(G×c×t+G1×c1×t)/V
其中 G 为发酵罐内发酵液的重量，c 为发酵液的比热，t 为 1 小时内发酵液的温度升高度数，G1 为发酵罐筒体的重量，c1 为发酵罐筒体材料的比热。
通过生物合成进行计算：
Q 总 = 发酵过程散发热 + 搅拌热 - 汽化热
发酵过程散发热包括呼吸燃烧热和发酵热
呼吸燃烧热为 1 公斤糖发酵放出 15659 千焦，发酵热为 1 公斤糖发酵放出 4857 千焦，搅拌热 Q2=P×860×4.186，汽化热 Q3=4.186×G×(I 出 - I 进)。
通过燃烧热进行计算：
Q 总 =∑Q 产物生成 -∑Q 作用物生成。
冷却面积的计算
F=Q 总 /(K×Δtm)
其中 F 为冷却面积，Q 总为总发酵热，K 为传热总系数，Δtm 为对数平均温差
Δtm=[(T-t1)-(T-t2)]/ln [(T-t1)/(T-t2)]
其中 T 为发酵液温度，t1 为冷却水进口温度，t2 为冷却水出口温度。
蛇管的 K 值为 4.186×(300~450) 千焦 / 米 ²・小时・°C，冷却排管的传热系数 K=1/[1/α1+(δ/λ) 垢 +(δ/λ+1/α2)]
其中 α1 为冷却水在管内的给热系数，α2 为发酵液向排管的给热系数，(δ/λ) 垢为水垢的热阻。
厌氧发酵设备
酒精发酵设备及计算
要求
酒精发酵工艺要求
酒精生长代谢必要工艺条件
及时移走发酵产生热量
利于发酵液的排出，设备的清洗 维修以及设备制造安装方便
酒精发酵罐的结构
基本结构
主体：
圆柱形筒体
碟形或锥形底盖和顶盖
附件
罐顶
废汽回收管
进料管
接种管
压力表
测量仪表接口管
人孔
供观察清洗和检修罐体内部
罐底
排料口
排污口
大型罐近罐底设人孔
便于维修和清洗
罐身上下均装有
取样口
温度计接口
冷却装置
中小型罐
罐顶喷水淋于外壁膜状冷却。
大型罐
罐内蛇管 + 外壁喷淋联合冷却
其他
罐外列管式喷淋冷却
优点
冷却均匀、效率高
洗涤装置
大型罐
采用水力喷射洗涤装置
酒精发酵罐的计算
结构尺寸确定
全容积公式
V=Vo/ϕ
圆柱罐容积
罐数计算（间歇发酵）
N=nt/24+1
n: 每日加料罐数, t: 发酵周期)\)
冷却面积计算
传热方程
F=Q/K▲t（m）
总发酵热
Q = Q_1 - (Q_2 + Q_3)
Q1: 生物合成热
按发酵最旺盛时，单位使劲啊糖度降低的百分值计算
Q1=WCp（t2-t1）
Q2: 蒸发热损失
Q1的5％--6％
Q3: 罐壁散热
对数平均温差
tF: 发酵温度, t1/t2: 冷却水进出口温度
传热总系数 K
由发酵液到蛇管壁的传热系数α1
冷却管壁到冷却水的传热系数α2
计算举例
已知条件：进料量 24 吨 / 小时，4 小时满罐，发酵周期 72 小时，冷却水 20~25℃，蛇管冷却。计算结果：罐容积：100 米 ³，尺寸 \(D=4.7\) 米，\(H=5.6\) 米。罐数：\(N=19\) 个。冷却面积：33 米 ²，蛇管总长度 188 米。
啤酒发酵设备及计算
圆筒体锥底罐（C.C.T）的结构及特点外型特点
主体：
圆柱形筒体 + 锥形底，蝶形 / 拱形顶盖，冷却夹套。
尺寸比例：
单酿罐：
直径：筒体高 \(D:H=1:1\sim2\)。
两罐法
发酵罐：
\(D:H=1:3\sim4\)，
贮酒罐
\(D:H=1:1\sim2\)。
锥底角：
发酵罐 73°~75°（利于酵母沉降）
贮酒罐 120°~150°（省材料）。
材料：
碳钢 + 涂料或不锈钢（防啤酒酸性腐蚀及 \(H_2S\)、\(SO_2\) 腐蚀）。
冷却夹套：
形式：换热片式（耐高压，一次性冷媒蒸发）或半圆管 / 米勒板式夹套（低温低压冷媒）。分区：上段（液面下 15cm）、中段（筒体下部）、锥底段（近排酵母口）。
隔热层与防护层：
材料：
聚酰氨树脂、聚苯乙烯泡沫塑料（厚 150~200mm）或膨胀珍珠岩（厚 200~250mm）。
外防护：
0.7~1.5mm 合金铝板或 0.5~0.7mm 不锈钢板（瓦楞型）。
附件：
温度传感器、取样阀、安全阀、真空破坏阀、CIP 装置、视镜、二氧化碳排出管、锥底快开人孔。
C.C.T 的优缺点
优点：
加速发酵、节省厂房投资、冷耗低、CIP 清洗卫生可靠。
缺点：
酵母使用代数低（5~6 代）、贮酒澄清困难（非凝聚性酵母需强化过滤）、单酿罐温度均匀需 5~7 天。计算内容罐容积及尺寸、罐数、冷却面积（方法与酒精发酵罐类似）。
发酵液后续处理
发酵液固液分离
发酵产物
存在状态
透出菌体细胞
细胞内
细胞本身
过滤
强化过滤速度
发酵液的预处理
加热
能改善发酵液操作特性，促进蛋白质变性凝固，降低其溶解度
使发酵液黏度明显降低，提高过滤速度。
凝聚与絮凝
有效改变细胞菌体和蛋白质等胶体粒子分散状
使其聚集、颗粒增大，便于分离
常用于细小菌体且黏度较大的发酵液预处理中。
有机高分子聚合物絮凝剂
是具有长链状结构的水溶性聚合物。
常见的
聚丙烯酰胺类衍生物
聚苯乙烯类衍生物
天然有机分子
海藻酸钠、明胶、骨胶、壳聚糖等。
加入盐类
发酵液中加入某些盐类
除去高价无机离子
调节 pH
根据蛋白质胶体性质
调节 pH 到蛋白质的等电点除去蛋白质
加入助滤剂
胶体粒子吸附于助滤剂微粒上，助滤剂作为胶体粒子载体，促进凝聚。
常用助滤剂
硅藻土、珍珠岩粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素等。
使用助滤剂应考虑
粒度
助滤剂品种
用量
过滤介质的选择
工业上过滤介质种类多
有刚性的多孔烧结金属和多孔陶瓷、金属丝编织物、微孔塑料膜
最常用的有棉织物和合成纤维滤布及松散粉粒如硅藻土等
重要选择因素
介质所能截留的固体粒子大小
对滤液的通透性
表示方式
一定压力差下单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积
取决于过滤介质
单个毛细孔径大小
单位过滤面积上毛细孔数目
在水中加入一定浓度和不同大小的粒子，对一定过滤介质做实验，可测量滤液中各种大小粒子数目。
硅藻土
特性
化学性能稳定，一般不与酸碱反应，不会改变液体组成
形状不规则，多孔，比表面大
无毒且不可压缩，形成的过滤成层不会因操作压力变化而改变阻力，是良好助滤剂
用法
作为深层过滤介质，过滤含少量悬浮固形物的液体，能除去直径可达 1μm 的最小粒子。
毛细孔道的筛分和吸附作用
在支持介质表面预先形成硅藻土薄层（预涂层），保护支持介质的毛细孔道不被堵塞。
将适量硅藻土分散在待过滤悬浮液中，使形成的滤饼具有多孔隙性，降低滤饼可压缩性
提高过滤速度
延长过滤操作周期
过滤操作条件优化
化工原理中过滤微分方程式表明过
滤速率与过滤面积成正比，与滤液黏度成反比，滤饼比阻力愈大、滤饼层愈厚，过滤速率愈小。
改善悬浮液的物理性质
主要为降低滤液黏度，减少滤饼比阻及滤饼厚度
滤饼比阻力r0
滤液通过1m厚均匀滤饼层阻力
单位多用 1/m。
加热是降低滤液黏度最有效的方法。
增大毛细孔直径，减少弯曲因子有利于降低滤饼比阻
加入絮凝剂使胶体粒子长大，形成大孔径滤饼层
加入固体助滤剂，降低滤饼层可压缩性，减小弯曲因子
工业生产
优化操作条件
优化操作条件目的是提高过滤速率
不可压缩滤饼
r0为常量
过滤速率与过滤压力差成正比，可在过滤介质和设备机械强度范围内采用加压过滤
可压缩滤饼
压力差超过某一值后，增大压力差反而使过滤速率减小
间歇式恒压过滤操作
开始时过滤速度最大，过滤速率逐渐降低
确定最佳过滤操作时间可获得最大生产能力。
､过滤设备
板框式及板式压滤机
板框式/板式压滤机
优缺点
优点
结构简单，价格低，过滤面积大，耐受压力高，动力消耗小，适用于较难处理物料的过滤
缺点
不能连续操作，劳动强度大，辅助操作时间长，滤布易损坏。
工艺计算
物料
总物料
滤液物料
滤渣物料
选择及台数
过滤面积及生产能力
自动框板压滤机
优缺点
优点
在框板压紧、卸饼、清洗等操作中可自动完成，劳动强度小，辅助操作时间短
缺点
结构复杂，价格昂贵。
真空过滤机
设备主体是由筛板组成能转动的水平圆筒，表面有金属丝网和滤布，筒内隔成若干空间，通过分配头与真空和压缩空气管路相通
分为
过滤区
洗涤及脱水区
卸渣及再生区
小型过滤试验装置及过滤过程的放大
工业规模生产中的过滤工艺、设备选型及工艺设计等问题不能仅从理论解决，需进行试验研究，用简单过滤装置对滤饼压缩特性、操作参数等进行研究，通过实验模拟估算大规模过滤。
离心
离心分离设备
功能
藉惯性离心力作用进行固液分离
离心澄清机
倾析式离心机具两种功能
将两种相对密度不同、互不溶解的混合液体分离
离心分离机
常用离心机
管式离心机
碟式离心机
分离因数
离心力与重力的比值或离心加速度与重力加速度的比值
反映离心机分离能力的重要指标
f 越大，分离能力愈强。
工业上根据离心分离因数将离心机分为三类：
1. 普通离心机
f<3000，分离 0.01-1.0mm 固体颗粒；
2. 高速离心机
3000<f<50000，常用于乳浊液分离；
3. 超速离心机
f>50000，适用于分散度较高的乳浊液分离。
管式离心机转鼓直径小，转速高，一般为 15000r/min，分离因数大，分离强度高，可用于液 - 液分离和微粒较小的悬浮液的澄清。
离心分离设备的放大
等效时间放大
依据离心力和离心时间的乘积估计分离难易程度
等效时间=离心分离因数*分离时间
离心机分离因数愈大，达到相同分离效果所需时间愈短，由小型试验装置确定 te 值后，可选择具有相似等效时间的大型离心机。
几何特性参数放大
在进行离心机选型时，应选择满足几何特性参数 C 的离心机，以保证分离过程所需的微粒沉降速度 Vt 和分离能力 Q 值，参数 C、Vt 和 Q 之间的关系为 Q=Vt・C。
膜分离
膜分离技术是 20 世纪 60 年代后发展起来的高新技术，已成为重要分离手段
与传统分离方法相比
具有设备简单、节约能源、分离效率高、容易控制等特点
常把孔径 1μm 以下的微孔膜称超过滤膜。
膜分离方法
过程
小分子透过，大分子被阻挡
常见的膜分离过程
渗透
透析
电渗析
反渗透
微过滤
超滤
气体透过
推动力
浓度差
压力差
电位差
膜
第一张超过滤膜是用醋酸纤维制成的
膜厚0.1mm左右，醋酸纤维适用的 pH 范围为 3~8，耐温上限为 50℃，不耐碱性洗涤剂清洗，应用受限制。
聚砜膜
膜分离技术的突破
优点
耐热性能好，可达 80℃；pH 范围宽，可连续在 pH1-13 范围内使用；
耐氯能力强，短期清洗时耐氯量可达 200mg/kg；孔径范围宽，可在 (1-20)×10⁻³μm 范围内变化。
膜分离过程
施加压力主要用于克服流动阻力和膜两侧的渗透压
分类
高分子量
克服流动阻力
低分子量
克服渗透压
浓极化差
当溶液从膜一侧流过时，大分子溶质在靠近膜面处被截留并不断返回溶液主流，返回速度低于大分子溶质在膜面的聚集速度，会在膜一侧形成高浓度的溶质层。
为减少浓差极化，通采用错流操作或加大流速等措施。
膜分离设备
蒸发与结晶
浓缩是通过加热蒸发溶剂或用电渗析、离子交换等方法提高溶液浓度的过程。
结晶是将高浓度溶液或过饱和溶液缓慢冷却（或蒸发）使溶质形成晶体析出的过程，
二者都是发酵工业中提取和精制发酵产物的常用操作。本章按发酵产品特性分析讨论常用的浓缩设备，如常压蒸发设备、真空蒸发设备、结晶设备等。
蒸发设备
蒸发浓缩是使稀溶液中溶剂汽化，增加溶质浓度，有常压蒸发、真空蒸发等方式，都需满足供应足够热能、促使溶剂蒸汽迅速排除、有一定热交换面积这三项要求。蒸发设备通常由蒸发器、冷凝器和抽气泵等组成，由于溶液性质不同，蒸发器种类和型式多样，选择时需考虑溶液的耐热性、结垢性、发泡性、结晶性、腐蚀性、粘滞性等特性，同时要满足工艺要求、传热良好、结构合理紧凑等设计要求。
常压蒸发设备（麦芽汁煮沸锅）
啤酒厂的麦芽汁煮沸锅主要用于将清麦芽汁煮沸浓缩到要求的发酵糖度，小厂还可担负糊化等作用，且设备便于清洗。
其结构特点包括：
锅体：
近似球形，能用较薄材料制成体积大、强度足够的容器，清洗方便，搅拌功率消耗小。
加热夹套结构：
小型煮沸锅通常在锅底装置加热夹套，大型煮沸锅因直径大，多做成向内凸出以增大加热面积，促进物料循环，还可分别设置内外加热区，有些设计在夹层内焊加强棒以提高设备受压能力，近年还有采用中心加热式自然循环麦芽汁煮沸锅。
搅拌装置：
使物料受热均匀，加速对流，提高传热系数，防止固体物料沉淀造成过热和结垢。
排汽管：
有一定大小和高度，按二次蒸汽流速计算，排汽管道装调节风门，防止室外冷空气倒流。
真空蒸发设备
发酵工业中大部分产物是热敏性物料，真空蒸发浓缩是在真空状态下，溶液于较低温度沸腾汽化，蒸发温度由真空度决定，通常真空度为 600 - 700mmHg，蒸发温度为 50 - 75℃，为缩短受热时间，广泛应用薄膜蒸发设备，按膜形成方法可分为管式薄膜蒸发器、刮板式薄膜式蒸发器、离心薄膜蒸发器。
管式薄膜蒸发器：
升膜式蒸发器：
液膜与汽流方向相同并流上升，溶液在加热管中爬膜需加热蒸汽与物料蒸发温度有足够温差，使蒸汽量和速度带动溶液成膜上升
适用于发泡性、粘度较小的热敏性物料，不适用于粘度大、易积垢或浓缩后有结晶析出的物料，加热管直径和长度选择要适当。
降膜式蒸发器：
物料溶液从加热管上部进入，沿管壁成膜状向下流，关键是液料分配，可采用齿形溢流口、导流棒、旋液导流器、分配筛板等分配器，与升膜式蒸发器各有优缺点，升降膜式蒸发器可互补不足。
刮板式蒸发器：
通过旋转刮板使液料形成液膜，由转动轴、物料分配盘、刮板等构成，液料进入分配盘后被抛向器壁，被刮板刮成薄膜受热蒸发浓缩，适用于浓缩高粘度或含悬浮颗粒的液料，传热系数高。
离心式薄膜蒸发器：
利用旋转离心盘产生的离心力使溶液形成薄膜，在离心力场作用下传热系数高，液流湍动剧烈，蒸汽气泡易分离。
蒸发浓缩过程的节能
蒸发浓缩耗能大，降低能耗的最好办法是循环利用热能，即多效蒸发
理论上蒸发可做成很多效，但实际因传热温度差与沸点上升，效数最多达 6 - 7 效，要使多效蒸发与热泵蒸发节能效益更大，需增加传热系数，降低传热温度差和减少物料沸点上升。
结晶设备
结晶原理和起晶方法
结晶原理：
晶体特点：
具有一定几何晶形、颜色的固体，是稳定的固体状态，纯且化学均一，形状规则，易筛分。
溶解与结晶：
包括溶解、溶解平衡、过饱和、结晶等过程。
过饱和溶液：、
溶质溶解度大于饱和度且无晶体或刺激因素时，溶液在介稳定区较稳定，过饱和溶液曲线以上浓度的溶液易自然起晶。
晶核形成与晶体长大：
受溶质质点在溶液中的碰撞、吸引、扩散、排列等因素影响。
结晶速度：
与过饱和溶液的浓度差、温度、溶液粘度、境界膜厚度等有关。
起晶方法：
自然起晶：
将溶液蒸发浓缩至过饱和不稳定区自然起晶，因晶核数量难控制，晶体小，耗热量大，蒸发时间长，现较少采用。
刺激起晶法：
将溶液蒸发浓缩至介稳定区，放出后突然冷却进入不稳定区起晶，晶核数量达到一定时改变条件回升温度，再慢慢冷却育晶。
晶种起晶法：
将溶液浓缩到介稳定区过饱和浓度后加入晶种，搅拌使晶体长大，操作控制方便，产品大小均匀，晶形一致，工业结晶多采用。
结晶设备
结晶设备的类型和特点：
按改变溶液浓度的方法分为浓缩结晶设备、冷却结晶设备和其他结晶设备，按运转情况分为间歇式和连续式结晶设备。
设计结晶设备应注意的条件：
考虑溶液性质、粘度、杂质影响、结晶温度、晶体大小形状及长大速度特性等，设备应有搅拌装置，搅拌速度和形式选择得当。
搅拌结晶箱的结构：
立式结晶箱：
结构简单，产量小、周期短的多采用，有冷却装置和搅拌装置。
等电点结晶罐：
与立式结晶箱原理和形态相似，设备较大，搅拌是关键部件，保证晶种悬浮、溶液 pH 均匀和增加传热系数。
卧式结晶箱：
半圆底卧式长槽或敞口卧放圆筒长槽，容积大，动力消耗小，结晶速度快的物料可串联连续结晶。
真空煮晶锅：
用于结晶速度快、易自然起晶且要求晶体较大的产品，如谷氨酸钠，是带搅拌的夹套加热真空蒸发罐，与产品接触部分用不锈钢制成。
结晶设备的新动向：
实现自动化关键是测量和控制结晶过程溶液的过饱和浓度，连续结晶设备设计要满足防止结垢、溶液浓度均匀、避免促使晶核形成的刺激、采用分级装置、清除杂质、控制溶液循环速度和晶核密度等要求。
提取
沉淀分离
过滤
离心
超滤
反渗透
干燥
干燥设备
在工业发酵领域，像味精、酶制剂、柠檬酸和酵母等固体产品都离不开干燥这一环节，干燥通常是完成产品工艺的最后一道工序，与最终产品的质量紧密相关。
不同的产品对干燥有不同要求
与酶有关的产品（如酶制剂）
干燥过程会影响酶活力
适合采用低温、快速干燥，像喷雾干燥、沸腾干燥或冷冻干燥就比较合适；
结晶状物质（味精、柠檬酸）
干燥时要尽量避免结晶受到磨损，且含水量不能高
低温短时间干燥即可；
啤酒酿造中的麦芽干燥
特殊要求，除降低水分含量外，还要求烘焙过程中麦芽产生生化变化，使其成为具有特有色、香、味且溶解度好的粉质麦芽。
干燥方法和设备的选择
综合考虑发酵产品的特点、产量以及经济性等因素。
目前，发酵产品的干燥较多采用空气干燥法，麦芽干燥也属于空气干燥
根据工作原理，空气干燥设备可分为
气流干燥
沸腾干燥
喷雾干燥
固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点
固体物料干燥机理
物料中水分的性质：
包括游离水和结合水。、
干燥机理：
存在表面汽化控制和内部扩散控制两种情况。
恒速干燥和降速干燥：
恒速干燥阶段的干燥速度取决于物料表面水分的汽化速率，主要排除游离水分，又称表面汽化控制阶段
降速干燥阶段的干燥速度主要取决于物料本身的结构、形状及大小等特性，主要排除结合水分，又称内部扩散控制阶段。
干燥设备的选型原则
产品质量的要求：
许多生物工业制品要求保持生物活性，避免高温分解和严重失活，如高活性且昂贵的生物制品需选择真空干燥或冷冻干燥设备。
产品的纯度：
生物产品大多要求纯度高，无杂质或杂菌污染，干燥设备应能在无菌或密闭条件下操作，且有灭菌设施。
物料的特性：
不同特性的物料需选择不同干燥设备，如颗粒状物料可考虑沸腾干燥或气流干燥，结晶状物料选择固定床干燥，浆状物料可选择滚筒干燥或喷雾干燥。
产量及劳动条件：
依据产量选择干燥方式和设备，同时考虑劳动强度、连续化自动化程度、投资费用及维修操作等因素。
非绝热干燥设备
麦芽干燥塔
类型：
有水平烘床和垂直烘床，过去水平式烘床干燥塔广泛采用，近年来多被单层高效麦芽干燥塔代替。
单层高效麦芽干燥塔的结构与操作：
由塔体、板机、干燥室、支撑柱、空气混合室等组成，技术指标包括每烘焙周期 1m² 烘床的麦芽产量、烘焙周期、绿麦层高度、烘焙热量等，还有流化床干燥塔，干燥迅速但能耗大，干燥可能不均匀。
真空干燥设备
原理：
在真空条件下操作的接触式干燥过程，温度低，水分可在低温下汽化，适于热敏性和易氧化物料干燥，但生产能力低，需抽真空系统。
设备组成：
一般由密闭干燥室、冷凝器和真空泵组成，包括真空箱式干燥器、带式真空干燥器、耙式真空干燥器等。
气流干燥
原理：利用热空气与粉状或颗粒状湿物料在流动中充分接触，进行传热传质使物料干燥，干燥时间短，一般 1-5s。 特点：干燥强度大、时间短适合热敏性物料、设备紧凑生产能力大、可与其他工序组合、但对晶形磨损厉害、热能利用程度低。 流程与设备：我国使用的气流干燥器有长管、短管和旋风气流干燥器等，流程包括空气过滤、加热、加料、干燥、分离等环节，干燥管有圆形、方形和脉冲管等形式，加料器有螺旋加料器等。
喷雾干燥
原理：利用喷雾器将悬浮液和粘滞液体喷成雾状，与热空气热交换迅速干燥，成品为粉末状。 特点：干燥速度快时间短、温度较低适合热敏性物料、制品分散性和溶解性好纯度高，但容积干燥强度小、热量消耗多。 方法与设备： 压力喷雾法：利用高压泵将液体喷出分散成液滴，用于酵母粉干燥，因高压泵要求高，喷咀易磨损堵塞，不适用于粒度大的悬浮液。 气流喷雾法：依靠压缩空气雾化液体，能处理悬浮液和粘性大的液体，在制药工业广泛使用。 离心喷雾法：利用高速旋转圆盘给予溶液离心力使其雾化，酶制剂大型生产和酵母粉干燥多采用此法。 气流喷雾干燥设备：由圆柱圆锥形构成，塔直径与高度、锥体高度有一定比例，干燥室用不锈钢衬里，顶部有空气分配盘。 离心喷雾干燥设备：包括喷雾室、喷雾机和热风盘等，喷雾室直径与喷盘转速有关，喷雾机喷盘有多种型式，热风盘为蜗壳形，使热风均匀进入塔内。、
沸腾干燥
原理：
利用流态化技术，热空气使粒状物料流化沸腾，水分汽化干燥，沸腾造粒干燥是喷雾干燥与沸腾干燥的结合。
特点：
传热传质速率高、干燥温度均匀易控制、设备紧凑占地面积小、生产能力高动力消耗少。
设备构造和操作：
有单层和多层，单层卧式多室沸腾干燥设备将沸腾床分为若干部分，可调节风量，用于颗粒状物料干燥，操作中可能出现沟流和层析现象。
沸腾造粒干燥设备：
原理是液滴在沸腾床中与颗粒作用形成固体颗粒，影响产品颗粒大小的因素有停留时间、摩擦、干燥过程温度等，设备为倒圆锥形，热风从底部上升，废气经旋风分离器排出。
冷冻干燥及其他干燥设备
冷冻干燥原理及设备
原理：
将湿物料在低温下冻结成固态，在高度真空下将固态水分直接升华为气态除去，也称升华干燥，必要条件是干燥压力低于操作温度下冰的饱和蒸汽压。
特点：
干燥温度低适合高热敏感性物料、能保持原物料外观形状、制品有多孔结构速溶性和复水性好、脱水彻底保存期长，但设备昂贵、周期长、能耗大、成本高。
流程及设备：
过程分为两个阶段，系统由冷冻、真空、水汽去除、加热装置组成，冷冻部分常用蒸汽压缩式制冷，真空部分干燥箱压力有一定要求，水汽去除部分主要用冷凝法，加热部分干燥室加热方法有传导、辐射和微波加热，干燥室有箱式、钟罩式、隧道式等。
微波干燥原理及设备
原理：
微波是高频电磁波，湿物料置于高频电场时，水分子极性使其随电场变化摆动摩擦产热升温。
设备：
微波炉由矩形谐振腔、输入波导、反射板、搅拌器等组成，谐振腔为金属矩形中空六面体，有炉门、排湿孔等，还有平板形连续微波干燥炉。
蒸馏
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