FERMENTATION EQUIPMENT · STUDY PORTAL
生物发酵设备 · 知识总览
按发酵生产工艺流程组织的 10 章讲义索引。点击任一知识点，直达对应讲义中的精确位置。
10
章节讲义
670
幻灯页
67
知识点
🚇 工艺线路图 →
上游处理
→
灭菌
→
发酵
→
下游分离
→
无菌空气
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上游处理
第一章
生物反应物料处理
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88 页 · 9 个知识点 · 24 张自测卡
发酵生产工艺总流程
P2
料 → 菌 → 酵 → 取 → 品：原料 → 灭菌 → 发酵 → 提取 → 产品。本章只讲最前面的"原料处理"。
一、固体物料的筛选除杂设备
P3–10
除杂两件事：筛子除杂质 + 磁铁除金属。筛选机靠"振动/转筒+吸风"分级；磁铁分离器分平板式(永磁、简单)和旋转式(滚筒)。
一(续)、大麦精选与分级设备
P11–19
四件设备配对记：碟片式 / 滚筒式(按长短分)＋平板 / 圆筒分级筛(按粒度分级)。目的：去伤麦和草籽。
二、固体物料的粉碎设备
P20–41
破碎五法"挤冲研剪劈"；机型按物料：脆性→锤式，麦芽/大米→辊式(2/4/5/6辊)，米玉豆→盘磨，硬料→球磨。
三、固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）
P42–43
湿法四好："无尘、膨胀、省汽、耐磨"。
一、糖蜜原料的稀释与澄清
P44–51
稀释器五型按外形记：水平 / 立式 / 错板 / 胀缩 / 变管径，全是连续式，靠湍流混合。
二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备
P52–60
糖化＝酶把淀粉/蛋白等大分子降解，溶出糖类/糊精/氨基酸 → 麦芽汁(溶解物＝浸出物)。设备链：蒸煮罐→后熟器→糖化锅→冷却。
三、啤酒生产中麦芽汁的准备
P61–71
糖化设备按锅数：两锅 / 四锅 / 六锅(利用率低~50%才扩成六器)。主线：糊化锅→糖化锅→煮沸锅→过滤槽。
四、培养基的灭菌
P72–88
灭菌＝一级反应，τ=2.303/k·log(N0/Ns)；k 随温度变化(Arrhenius)。结论：高温短时——杀菌快而养分破坏少。
≤ 2 mm
30–40°
≈ 1/5
< 15%
5–10 mm
25–55 m/s
第一章（续）
物料输送
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12 页 · 3 个知识点 · 15 张自测卡
三种机械运输机
P2–4
按运输方向记三机：带式＝水平/缓坡长距离；斗式＝垂直高度大、占地小；螺旋式＝水平/缓坡、封闭不污染。
沉降速度与悬浮速度
P5–7
记一个等式：悬浮速度 ＝ 沉降速度（数值相同、方向相反）。气速＞悬浮速度 → 物料被带走；实际气速要远大于悬浮速度。
三种基本形式
P8–11
气力输送三形式："吸·压·混"——吸气式（负压抽吸）、压气式（正压压送）、混合式（先吸后压）。
水平或 20–30° 以下
水平或 < 20°
V下 ＝ V沉（数值相等）
G ＝ P ＝ R（重力＝阻力）
远大于物料悬浮速度
6–7 m/s
灭菌
第一章（续）
培养基的灭菌
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17 页 · 5 个知识点 · 23 张自测卡
灭菌方法与目的
P2–3
大量培养液灭菌一律靠蒸汽加热(方便经济)；蒸煮与灭菌目的不同——蒸煮温度低、维持时间长。加热既灭菌又破坏养分，要恰当掌握温度与时间。
热灭菌动力学与灭菌时间
P4–6
杂菌受热死灭＝蛋白质失活变性＝一级反应。灭菌时间 τ＝2.303·(1/k)·log(N₀/Nₛ)；绝对无菌(Nₛ=0)不可能，工程取 Nₛ=10⁻³ 个/罐。
灭菌温度与死亡速度常数
P7–9
k 随温度变化用阿累尼乌斯方程 k＝A·e^(−E/RT)。活化能大→k 随温度变化大。升温时杂菌死亡速度增加远大于养分破坏速度增加——这是高温短时灭菌的理论依
连续灭菌流程与优点
P10–11
连续灭菌＝尽量高温短时，经加热—维持—冷却后入发酵罐。五大优点：提产量、质量易控、蒸汽负荷均衡、适于自控、降劳动强度。
连续灭菌主要设备
P12–17
三类连消塔：套管式(内外管夹层、383–403K)、混合式(蒸汽侧入环形加热)、连消器(单套管喷嘴+挡板，可立可卧)；配维持罐保温、喷射加热器(温度能转压力能)
τ = 2.303·(1/k)·log(N₀/Nₛ)
10⁻³ 个/罐
k 越小越耐热
k = A·e^(−E/RT)
= E / RT²
383–403 K
发酵
第二章
厌氧发酵设备
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39 页 · 5 个知识点 · 24 张自测卡
一、酒精发酵罐的结构
P2–7
酒精罐＝圆柱体 + 碟形/锥形顶底的立式金属罐；记三件事：结构(顶进料底排料)、冷却(小罐喷淋外壁、大罐内蛇管)、洗涤(水力喷射)。
二、酒精发酵罐的计算
P8–18
四算："容积 → 罐数 → 发酵热 → 冷却面积"。核心三式：V=V0/φ；N=nt/24+1；F=Q/(KΔtm)。
三、计算举例
P19–29
一道例题串起全部公式：先求罐数N=19、容积V=100m³、D=4.7m，再算发酵热Q、冷却水W、Δtm、K，最后得冷却面积F=33m²及蛇管尺寸。
一、圆筒体锥底罐(C.C.T)的结构及特点
P30–36
C.C.T＝露天圆柱锥底大罐，最大特点是大型化(100~600m³)。记五点：外型、罐材料、冷却夹套、隔热防护层、罐主要附件。
二~四、C.C.T的优点、缺点及计算
P37–39
优点四好"快·省房·省冷·易洗(CIP)"；缺点三差"酵母代数低·澄清难·温度不均"。计算同酒精罐：容积、罐数、冷却面积。
0.85~0.90
1.1~1.5D
0.1~0.4D
0.05~0.1D
N = nt/24 + 1
F = Q/(K·Δtm)
第三章
通风发酵设备
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123 页 · 10 个知识点 · 37 张自测卡
本章导读：通风发酵设备
P2–5
四节连记：罐(结构) → 搅(通气搅拌) → 氧(氧传递) → 设(设计计算)。通风发酵＝好气发酵，核心是把空气不断送入并溶进发酵液供菌耗氧。
一、机械搅拌发酵罐
P6–28
五型发酵罐："机·气·自·伍·文"——机械搅拌、气升式、自吸式、伍式、文氏管。机械搅拌罐是最常用型，11大部件按"体·封·泡·搅·联·承·挡·气·热·人·变"记
二、气升式发酵罐
P29–32
气升式＝无搅拌、靠空气喷嘴+上升管循环。优点"简·省·静·满·易"：结构简单、省动力50%、无噪音、装料系数80~90%不用消泡剂、清洗方便。
三、自吸式发酵罐
P33–37
自吸式＝不要空压机，靠转子(转)+定子(定)旋转自动吸气。吸入氧利用率70~80%；省净化系统、省投资约30%，溶氧效果高。
四、伍式发酵罐 / 五、文氏管发酵罐
P38–40
伍式＝套筒+空心管搅拌器(兼空气分配器)，液体套筒外升内降循环；文氏管＝泵把液压入文氏管喉部，负压自吸空气，无空压机和搅拌器。
一、搅拌器的型式及流型
P41–50
搅拌器分两类：轴向式(螺旋桨)和径向式(涡轮)。涡轮四型按叶记：平直叶 / 弯叶 / 箭叶(+圆盘)；流型受挡板影响——有挡板消旋涡、由径向流转轴向流。
二、搅拌器轴功率的计算
P51–69
轴功率＝克服介质阻力的功率(不含机械摩擦)。不通气：P₀＝N_P·ρN³D⁵，功率准数 N_P＝f(Re_M)；通气后功率下降，用迈凯尔修正式算 P_g。
一、氧传递过程与模型
P70–79
氧难溶于水(4℃仅8mg/L)是核心难题。氧从气泡到细胞经9步，限速步是气泡边界层扩散(第3步)；故 OTR＝k_L·a·(C*−C_L)，把 k_L 与 a
二、影响氧传递的因素 / 三、溶氧控制
P80–98
供氧 OTR＝K_La(C*−C_L)，耗氧 γ＝Q_O₂·X。K_La受搅拌、空气流速、分布管、液柱高度、发酵液性质、泡沫影响；传质推动力(C*−C_L)受温
设计内容、步骤与结构计算
P99–123
机械搅拌罐三大块：搅拌装置·轴封·罐体。设计流程：罐容积 → 结构尺寸 → 附属结构(挡板/搅拌器) → 冷却面积；通用罐比例尺寸 D_i＝D/3、B＝0.1D
四十年代中期
机·气·自·伍·文
1.7–4
D/3
(0.1~0.2)D
(W/D)·Z = 0.5
下游分离
第四章
过滤、离心与膜分离
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50 页 · 7 个知识点 · 26 张自测卡
为什么要做液固分离
P2–4
产物三处藏：胞外悬浮液 / 胞内 / 就是细胞本身。提取前先液固分离。难点在滤饼可压缩，取决于过滤介质、预处理、设备选择与操作。
一、发酵液的预处理
P5–8
预处理五招：加热 → 凝聚絮凝 → 加盐 → 调pH → 加助滤剂。核心目的都是降黏度、改善滤饼。
二、过滤介质的选择
P9–13
介质三大类：织物(滤布) / 粒状(硅藻土) / 刚性(烧结金属、陶瓷、微孔膜)。看两点：截留粒径 + 通透性。
三、过滤操作条件优化
P14–17
过滤速率∝过滤面积/滤液黏度，与滤饼比阻、滤饼厚度成反比。两条路：改善悬浮液物性 + 优化操作压力。
按推动力ΔP分三类
P18–30
按ΔP记设备：静压差→常压机、外正压→加压机(板框/叶滤)、负压差→真空(转筒)。
离心原理与分离因数
P31–39
离心力 F∝r·n²，提转速比增大转鼓直径更有效。分离因数 f＝离心力/重力，f 越大分离能力越强。常用管式 / 碟式。
膜分离方法、膜与组件
P40–50
膜分离＝小分子透过、大分子被截留，推动力含浓度差/压力差/电位差。注意浓差极化，靠错流或加大流速缓解。
≈ 10 μm
1 μm
< 0.5 μm
< 1 μm
滤液通过 1 m 厚滤饼层的阻力
270–330 L/m²·h
第五章
蒸发与结晶设备
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82 页 · 8 个知识点 · 26 张自测卡
蒸发与结晶两大单元
P2
本章两件事：蒸发＝加热汽化溶剂使溶液变浓；结晶＝继续浓缩/冷却让溶质析出成晶体。蒸发设备分常压、真空(薄膜)，结晶设备分浓缩结晶、冷却结晶。
一、蒸发设备的要求与选型特性
P3–10
选蒸发器先看溶液六性："热·垢·泡·晶·腐·粘"——耐热性、结垢性、发泡性、结晶性、腐蚀性、粘滞性。热敏怕高温→选薄膜蒸发。
二、常压蒸发设备（麦芽汁煮沸锅）
P11–20
煮沸锅四大件："锅体·加热夹套·搅拌·排汽管"。锅体近球形(薄壁、强度高、好洗)；大锅改用中心内加热器自然循环。
三、真空蒸发与薄膜蒸发设备
P21–46
热敏物料怕受热→真空降沸点 + 薄膜缩受热时间(几秒~几十秒)。薄膜四型：管式(升/降/升降)、刮板式、离心式。
四、蒸发浓缩过程的节能
P47–49
节能靠循环利用二次蒸汽——多效蒸发、热泵蒸发；但效数受温差与沸点升制约，最多6~7效再加不经济。
五、结晶原理与起晶方法
P50–64
过饱和是结晶前提；起晶三法："自然·刺激·晶种"。工业首选晶种起晶法(晶核可控、晶形均匀)。
六、结晶设备的类型与结构
P65–76
按改变浓度方式分：浓缩结晶(煮晶)、冷却结晶、等电点结晶。结晶箱分立式(产量小)与卧式(产量大、可连续)。
七、结晶设备的新动向
P77–82
连续结晶六要点："不结垢·浓度匀·防刺激·分级·除杂·循环适当"，核心是自动测控过饱和度与浓度。
600–700 mmHg
50–75℃
几秒~几十秒
20–50 m/s
100–160 m/s
25–80 mm
第六章
干燥设备
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75 页 · 6 个知识点 · 26 张自测卡
干燥概述与发酵产品干燥特点
P2–4
干燥是固体产品的最后一道工序，直接关系最终质量。发酵产品干燥按工作原理分三类：气流干燥、沸腾干燥、喷雾干燥（麦芽干燥也属空气干燥）。
一、干燥机理 / 二、干燥速率 / 三、选型原则
P5–10
水分两种：游离水(恒速段排)＋结合水(降速段排)。两控制：表面汽化控制(恒速)、内部扩散控制(降速)。选型四看：质量、纯度、特性、产量。
一、麦芽干燥塔 / 二、真空干燥设备
P11–19
麦芽干燥塔：水平/垂直烘床，趋势是单层高效取代多层。真空干燥三优点：温度低、少氧化、护活性；三型式：箱式、带式、耙式。
一、原理特点型式 / 二、流程与设备
P20–27
气流干燥＝颗粒悬浮在热气流中边走边干，时间极短(1–5s)。五优点：强度大、护质好、适应广、紧凑、可联合工序；缺点：磨损大、热利用率低(约30%)。
一、原理特点 / 二、喷雾方法 / 三、气流喷雾设备 / 四、离心喷雾设备 / 塔径计算
P28–51
喷雾＝把料液雾化成20–60μm雾滴，几秒至几十秒干燥成粉。三种雾化法记法：压力(高压泵)、气流(压缩空气)、离心(高速转盘)。
一、原理特点型式 / 二、单层多室 / 三、沸腾造粒干燥
P52–75
沸腾干燥＝热空气穿多孔板托起颗粒成流化态翻腾干燥。两故障：沟流、层析。沸腾造粒＝喷雾＋沸腾结合，三种成粒：自我、涂布、粘结。
225–300 kg
16–22 h
0.8–1.5 m
(2.7–42)×10⁴ kJ
1–5 s
10–20 m/s
第七章
蒸馏设备
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83 页 · 7 个知识点 · 25 张自测卡
本章概述：蒸馏与酒精蒸馏
P2–5
蒸馏分离靠挥发度差：加热使易挥发组分先汽化、冷凝后部分回流，反复"汽化—冷凝"使各组分按近纯态分出。本章以酒精蒸馏为例讲设备。
一~二、相平衡与挥发度
P6–13
理想溶液服从拉乌尔定律，分压=纯组分饱和蒸压×液相摩尔分数；相对挥发度 α＝易挥发组分挥发度÷难挥发组分挥发度，α 越偏离 1 越易分离，α=1 不能用蒸馏分离
三~四、三种蒸馏与理论塔板
P14–28
简单蒸馏(间歇、无回流)、平衡蒸馏(闪蒸、连续)、精馏(有回流、可得高纯)三者区别在有无回流；引入理论塔板(平衡级)简化计算，用塔板效率校正。
一~三、单/双/多塔蒸馏流程
P29–37
按塔数记：单塔(只除杂、质差)、双塔(连续精馏，分气相过塔/液相过塔)、三塔(粗馏+排醛+精馏，分直接/半直接/间接式)、多塔(再加排甲醇塔)。
粗馏塔作用与塔板类型
P38–58
粗馏塔把乙醇从成熟醪中分出，酒糟从塔底排(酒糟含醇≤0.01%)。塔板按发展记：泡罩→S形泡罩→导向筛板→浮阀波纹筛板→斜孔塔，越往后效率/产能越高。
精馏塔作用与三种塔板比较
P59–73
精馏塔把粗馏酒精提浓达标，杂醇油从下部塔板抽出。三板比较口诀："结构筛＜斜＜浮，弹性浮＞斜＞筛，通量斜大50%"。
换热器、排液器与杂醇油分离器
P74–83
三类附属：换热器(预热器/分凝器/冷却器)、排液控制器(浮鼓式、U形管，保持液面与压力)、杂醇油分离器(水洗+静置使油浮于液面分出)。
6—10%
x=y=0.894 摩尔比
α≠1 可蒸馏分离
6.96
1
≤ 0.01%
无菌空气
第八章
空气除菌设备
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101 页 · 7 个知识点 · 25 张自测卡
空气除菌总论
P2–3
好氧发酵要无菌空气：测含菌 → 选除菌法 → 定流程 → 选设备。除菌五法记"辐·热·静·滤"，工业首选过滤除菌。
一、对无菌空气的要求和除菌方法
P4–17
含菌量按 10³–10⁴ 个/m³ 估算；染菌机率按 10⁻³（1000批准1–2次染菌）；除菌方法选 辐射 / 热 / 静电 / 过滤，过滤最经济实用。
二、过滤除菌机理
P18–29
纤维捕集五机理"惯·拦·扩·沉·静"：惯性冲击、拦截、布朗扩散、重力沉降、静电吸附。存在临界速度 v₀——效率最低点，操作要避开。
三、空气除菌流程
P30–46
三套流程递进记：压缩冷却过滤(寒冷干燥地区)→两级冷却分离加热(通用、最完善)→高效前置过滤(无菌程度最高)。核心：进过滤器前相对湿度降到 50–60%。
附属设备：粗过滤器·贮罐·分离器·冷却器
P47–62
四件附属按位置记：粗过滤器(压缩机前防磨)、空气贮罐(缓冲脉冲紧接压缩机)、气液分离器(旋风/丝网除水油雾)、空气冷却器(列管/喷淋)。
五、过滤介质和过滤器结构
P63–82
七种介质"棉·玻·炭·纸·棉(石棉)·烧·新"：棉花、玻璃纤维、活性炭、超细玻纤纸、石棉滤板、烧结材料、新型膜。过滤器结构：深层 / 平板 / 管式 / 接管低
空气调节：增湿减湿原理与设备
P83–101
发芽控三要素"温·湿·风"。增湿三法：通蒸汽 / 喷水 / 混合；减湿靠冷却脱水/吸收吸附。设备：立式(小厂紧凑)、卧式(大厂产能大)空调室。
10³–10⁴ 个/m³
10⁻³
20–30 min
0.5–2 μm
0.3–5 μm
2537–2650 Å