生物工程设备复习大纲文档格式.docx
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4－联轴；
5－中间轴承；
6－温度计接口；
7－搅拌叶轮；
8－进风管；
9－放料口；
10－底轴承；
11－热电偶接口；
12－冷却管；
13－搅拌轴；
14－取样管；
15－轴承座；
16－传动皮带；
17－电机；
18－压力表；
19－取样口；
21－进料口；
22－补料口；
23－排气口；
24－回流口；
25－视镜；
3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算（非通气状态和通气状态注意参数单位）。
非通气状态：
通气状态：
1．3嫌气发酵罐
1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。
2、酒精发酵罐的计算。
3、啤酒发酵罐的计算及设计中涉及的问题（如压力、真空、发酵液混和及对流）等。
4、新型啤酒发酵设备的优缺点。
圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐）的优点在于能缩短发酵时间,而且具有生产上的灵活性，适合于生产各种类型啤酒的要求。
朝日罐的优点：
可加速啤酒的成熟。
发酵时罐的装量达96％，提高设备利用率，减少了排除酵母时发酵液的损失。
缺点：
动力消耗大。
5、CIP在位清洗。
预冲洗-----碱预洗---中间清洗----固定喷头喷洗----碱喷洗----清水冲洗-----酸冲洗
6、连续发酵与间歇发酵的优缺点。
连续发酵：
培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，发酵周期短，设备利用率和生产效率高，易于自动化生产。
微生物的突变，污染杂菌，混合均匀度不理想，丝状菌的输送困难。
间歇发酵：
操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。
1．4．1动物细胞培养反应器
1、动物细胞培养的特点。
1.细胞生长缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生素；
2.动物细胞较微生物大得多，无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差；
3.培养过程需氧量少，且不耐受强力通风与搅拌；
4.在机体中，细胞相互粘连以集群形式存在；
5.培养过程产物分布于细胞内外，成本高，产品价格昂贵；
6.大规模培养时，不可套用微生物反应的经验；
7.原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡。
2、动物细胞培养反应器的分类。
1.通气搅拌式细胞培养反应器2.气升式细胞培养反应器3.中空纤维细胞培养反应器4.实验室水平的微囊细胞培养反应器5.工业化水平的大载体细胞培养反应器6.微载体细胞培养反应器7.活体生物反应器
1．4．2植物细胞培养反应器
1、植物细胞培养反应器的分类。
2、植物细胞培养与微生物培养的区别。
细胞的大小
细胞块的形状
培养液的黏度
需氧量
Kla值比微生物培养的Kla值小得多
对剪切力敏感
需CO2和光照
1．4．3微藻细胞培养反应器
1、微藻细胞培养的特点及反应器种类。
（1）需要足够的光照；
（2）需要供应大量的CO2和排放大量的O2；
（3）混合均匀，防止细胞沉降，且使细胞受光均匀；
（4）微藻的培养基多采用海水配制，除淡水藻外。
种类：
1.敞开式培养反应器2.密闭式培养反应器3.管道式光培养反应器4.浅层溢流光培养反应器
1．5生物反应器的检测与控制
1、生物工程对传感器的要求。
（1）传感器能经受高压蒸汽灭菌；
（2）传感器及其二次仪表具有长期稳定性；
（3）最好能在过程中随时校正；
（4）探头材料不易老化，使用寿命长；
（5）探头安装使用和维修方便；
（6）解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题；
（7）价格合理，便于推广使用。
2、生物传感器及其组成。
生物传感器将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。
组成：
敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件
3、生化过程各参数控制图的绘制。
温度的控制pH的控制溶氧的控制泡沫的控制
4、PID控制。
1．6生物反应器的比拟放大
1、生物反应器放大的目的。
应用理论分析和实验研究相结合的方法，总结生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研究解决有关的质量传递、动量传递和热量传递问题，以便在反应器的放大过程中尽可能维持生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。
2、放大的内容。
罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放大问题，这些内容都有一定的相互关系。
3、经验放大中常用的两种方法
因次分析放大方法----就是在放大过程中，维持生物发酵系统参数构成的无因次数群（称为准数）恒定不变。
数学模拟法-----是根据有关原理和必要的试验结果，对实际的过程用数学方程的形式加以描述，然后用计算机进行模拟研究、设计和放大。
该法的数学模型根据建立方法不同可分为由过程机理推导而得到的“机理模型”、由经验数据归纳而得的“经验模型”和介于二者之间的“混合模型”。
2．1．1生物反应物料处理设备
1、固体物料的筛选除杂设备具体包括哪些。
谷物原料粗选设备1.大麦粗选机2.磁力除铁器大麦的精选设备1.滚筒精选机2.碟片式精选机大麦的分级设备1.平板分级筛2.圆筒分级筛
2、原料粉碎的方式，具体设备。
湿法粉碎和干法粉碎。
设备：
锤式粉碎机双转子锤式粉碎机辊式粉碎机（对辊粉碎机）多辊粉碎机球磨、圆盘钢磨
3、物料粉碎的力学分析。
固体物料的粉碎按其受力情况可分以下几种
：
挤压破碎（a）、冲击破碎（b）、研磨粉碎（c）、剪切破碎（d）、劈裂粉碎（e）。
4、锤式粉碎机的工作原理。
物料从上方料斗加入，在悬空状态下就被锤的冲击力所破碎。
然后物料被抛至冲击板上，再次被击碎。
此外物料在机内还受到挤压和研磨的作用。
5、两辊式粉碎机的工作原理。
由两个直径相同的钢锟相向转动，把放在钢锟之间的物料夹住入两锟之间，物料受到挤压力而被压碎。
两个锟子中，一个是固定的，一个是可以前后移动的，用以调节两锟筒的间距，控制粉碎粒度。
2．1．2液体培养基的制备及杀菌设备
1、罐式连续蒸煮流程及蒸煮罐和后熟罐结构特点及作用。
该流程中，蒸煮罐3是在加热，实际上应称为加热罐，后熟器4不在加入蒸汽，是保持温度，起到维持一定时间的后熟作用。
最后一个后熟器主要起到气液分离作用，使经加热，后熟的蒸煮醪分离出一部分蒸汽并使之降温。
2、真空冷却装置设备图及原理。
1、真空冷却器2、冷凝器3、喷射器4、冷水进口5、料液进口
真空冷却：
物料在一定真空度下蒸发部分水，需要汽化潜热，取自料液本身，因而料液很快被冷却到真空相应的温度。
真空冷却器中真空度产生：
一般要借助于水力喷射泵或蒸汽喷射泵，连续地抽去真空冷却器中的二次蒸汽。
3、啤酒厂麦汁制备的四器组合
四器为糊化锅、糖化锅、过滤槽和麦汁蒸煮锅；
糖化锅：
使麦芽糖与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。
麦芽汁煮沸锅：
又称煮沸锅或称浓缩锅，用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发，使麦汁达到要求浓度，并加入酒花，浸出酒花中的苦味及芳香物质；
还有加热凝固蛋白质、灭菌、灭酶的作用。
4、液体培养基的灭菌方法及工业常用的方法。
（1）化学试剂灭菌：
常用试剂有甲醛、氯、高锰酸钾、环氧乙烷等；
（2）射线灭菌：
x-射线、β-射线、紫外线；
（3）干热灭菌；
（4）湿热灭菌；
（5）过滤除菌
培养基及发酵设备的灭菌：
分批灭菌（实罐灭菌或实消）空罐灭菌（空消）连续灭菌（连消）过滤器及管道灭菌
5、对数残留公式及理论灭菌时间。
6、实罐灭菌、连续灭菌及灭菌时间的计算。
参考课件
2．2．1过滤、离心与膜分离设备
1、常压、加压和真空过滤具体设备。
2、离心分离因数
3、常用的膜分离设备
板式膜过滤器管式膜过滤器中空纤维式膜分离器螺旋卷式膜分离器
2．2．2离子交换分离、色谱原理及设备
1、离子交换的原理
借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的,是一种属于传质分离过程的单元操作。
离子交换是可逆的等当量交换反应。
2、常用的离子交换罐（具有多孔支持板的离子交换罐）结构图
1-视镜2-进料口3-手口4-液体分布器5-树脂层6-多孔板7-尼龙层8-出液口
2．3萃取分离设备
1、溶剂萃取的方法
1，单级萃取2.多级错流萃取3.多级逆流萃取
2、双水相体系及常用于生物分离的双水相体系。
双水相体系：
某些有机物之间或有机物与无机盐之间，在水中以适当的浓度溶解后形成互不相溶的两相或多相水相体系。
常用生物分离的双水相体系：
PEG－Dextran系列和PEG－无机盐系列。
2．4蒸发与结晶设备
1、常压蒸发设备
1.夹套加热式麦芽汁煮沸锅2.内置加热式麦芽汁煮沸锅3.外加热式麦芽汁煮沸锅
2、真空蒸发的优点及设备
1.物料沸腾温度降低，避免或减少物料受高温所产生的质变；
2.提高了热交换的温度差，增加了传热强度；
3.为二次蒸汽的利用创造了条件，可采用双效或多效蒸发，提高热能利用率；
4.蒸发器热损失减少。
设备：
1.管式薄膜蒸发器2.降膜式蒸发器3.刮板式蒸发器4.离心式薄膜蒸发器
3、升膜式蒸发器工作原理、降膜式蒸发器工作原理
升膜式蒸发器工作原理：
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。
降膜式蒸发器工作原理：
物料从加热管上部进入，经分配器导流管进入加热管，沿管壁成膜状向下流。
4、蒸发过程节能的方法
采用多效蒸发，循环利用热能：
将高能二次蒸汽用作加热介质去蒸发另外的物料而本身也被冷凝。
热泵蒸发：
用机械泵或用蒸汽喷射泵将低压蒸汽压缩成较高压力的蒸汽，重新利用加热蒸汽的办法。
5、真空煮晶设备结构
煮晶锅的结构比较简单，是一个带搅拌的夹套加热真空蒸发罐，整个设备由加热蒸发室、加热夹套、汽液分离器、搅拌器等4部分组成。
2．5干燥设备
1、气流干燥原理
利用热空气与粉状或颗粒状湿物料在流动过程中充分接触，气体与固体物料之间进行传热与传质，从而使湿物料达到干燥的目的。
2、气流干燥流程中脉冲管的工作原理
当颗粒进入小管径的干燥管段时，高速流过，使颗粒加速运动。
加速终了时。
颗粒又接着进入大管径的干燥管内，由于气流速度的降低，导致颗粒速度的减慢，直至减速终了时，干燥管径再次缩小，如此重复交替的进行，使颗粒不断加速减速，从而强化了传热传质速率。
3、喷雾干燥原理及几种喷雾器的形式
喷雾干燥原理：
喷雾干燥是利用不同的喷雾器，将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状，形成具有较大表面积的分散微粒同热空气发生强烈的热质交换，迅速排除本身的水分，在几秒至几十秒内获得干燥。
喷雾器：
压力式喷雾器、气流式喷雾器和离心式喷雾器。
4、冻干的原理及特点
原理：
将湿物料（或溶液）在较低温度下（-10～-50℃）冻结成固态，然后在高度真空下，将其中固态水分直接升华为气态而除去的干燥过程。
1.干燥温度低，特别适合于高热敏性物料的干燥；
2.能保持原物料的外观形状；
3.冻干制品具有多孔结构，有理想的速溶性和快速复水性；
4.冷冻干燥脱水彻底，质量轻，产品保存期长。
2．6蒸馏设备
1、洒精蒸馏挥发系数与精馏系数
挥发系数K：
是指沸腾溶液的蒸汽中酒精含量与酒精在水溶液中的含量之比。
精馏系数K’：
K’=Kc/KA
当K’>
1时，则蒸汽中杂质含量增加，杂质多聚集在气相中。
当K’<
1时，则蒸汽中杂质含量减少，杂质多聚集在液相中。
当K’=1时，则杂质平均分布在气相和液相中，在这种情况下，较难分离。
2、分子蒸馏技术
答:
分子蒸馏技术是在很高的真空条件下，对物料在极短的时间里加热、气化、分离，以达到提纯的目的，分离的对象都是沸点高，而又不耐高温、受热容易分解的物质。
系统压力一般在0.133-1.33Pa范围内，物料受热时间仅为0.05s左右。
3、水蒸汽蒸馏原理
水蒸汽蒸馏是用水蒸汽来加热混合液体，使具有一定挥发度的被测组分与水蒸汽分压成比例地自溶液中一起蒸馏出来。
当某些物质沸点较高，直接加热蒸馏时，因受热不均匀易局部炭化，还有些被测成分，当加热到沸点时可能发生分解。
这些成分的提取，可用水蒸汽蒸馏。
当植物性芳香原料浸在水中并加热至沸腾或用蒸汽通过芳香原料的料层中，由于沸水或水蒸汽对原料组织表面的芳香油分与沸水或蒸汽直接接触，从而产生水和油的两个蒸汽分压。
混合蒸汽通过导气管进入冷凝器进行冷凝冷却，然后再经过油水分离后，即得精油。
3．1空气净化除菌与空气调节
1、生物工业生产中对空气质量的要求。
生物工业生产中对空气质量的要求是：
无菌，无灰尘，无杂质，无水，无油，温度，湿度，正压等要求；
生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求是：
一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为N=10-3。
2、空气除菌的一般方法，生物工业常用的除菌方法。
热杀菌辐射杀菌静电除菌过滤除菌法
介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中，而达到除菌的目的。
目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。
3、介质过滤除菌机理及常用介质。
惯性冲击滞留作用机理拦截滞留作用机理布朗扩散作用机理重力沉降作用机理静电吸附作用机理
1.棉花2.玻璃纤维3.活性碳4.超细玻璃纤维纸5.石棉滤板6.烧结材料过滤介质：
如PVA7.新型过滤介质：
如PVDF、PTFE
4、两级冷却、分离、加热的空气除菌流程（各设备的结构及作用）。
1.粗过滤器：
安装在空气压缩机前，主要起捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也减轻总过滤器的负荷。
2.空压机：
对空气进行压缩，使其进入储罐形成空气
3.储罐：
消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。
4.冷却器：
对空气进行冷却处理
5.旋风分离器：
将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。
一般常用的有旋风式和填料式。
6.丝网分离器：
去除较小和微小液珠
7.加热器：
对气流加热除菌，并降低空气湿度
8.过滤器：
对空气进行最后的过滤
5、对数穿透定律、过滤器的种类
对数穿透定律-dN/dL=KN
此式称为对数穿透定律，它表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。
1.纤维介质深层过滤器2.平板式纤维纸过滤器3.管式过滤器4.接迭式低速过滤器5.JPF空气过滤器6.YUD-Z空气过滤器
6、焓湿图及状态变化过程
湿空气焓湿图介绍
表征湿空气状态的各主要参数，部分可以查图得到，也可以通过公式计算得出。
在空气调节工程中，为了避免繁琐的公式计算，可以将一定大气压力P下的t、H、ψ、I、PW等湿空气的状态参数之间关系用线算图表示出来。
线算图有多种形式，我国广泛采用的是以焓为纵坐标，以含湿量为横坐标的焓湿图，又称I-H图。
1．等湿（干式）加热过程：
空气调节中常用表面式空气加热器来处理空气。
当空气通过加热器时获得了热量，提高了温度，但含湿量并没有变化。
因此，空气状态变化是等湿增焓升温过程，过程线为A→B。
2．等焓减湿过程：
用固体吸湿剂（例如硅胶）处理空气时，水蒸汽被吸附，空气的含湿量降低，空气失去潜热，而得到水蒸汽凝结时放出的汽化热是温度升高，但焓值基本未变，只是略微减少了凝结水带走的液体热，空气近似按等焓减湿升温过程变化，如图A→D
3．等焓加湿过程：
用喷水室喷循环水处理空气时，水吸收空气的热量而蒸发为水蒸汽，空气失掉显热，温度降低，水蒸汽到空气中使含湿量增加，潜热量也增加。
由于空气失掉显热，得到潜热，因而空气焓值基本不变，所以此过程为等焓加湿过程。
如图A→E所示。
4．等温加湿过程：
如图中A→F过程。
这也是一个典型的状态变化过程，是通过向空气喷蒸汽而实现的。
空气中增加水蒸汽后，其焓和含湿量都将增加。
5．减湿冷却（或冷却干燥）过程：
如果用表面冷却器处理空气，当冷却器的表面温度低于空气的露点温度时，空气中的水蒸汽将凝结为水，从而使空气减湿，空气的变化过程为减湿冷却过程或冷却干燥过程，此过程线如图A→G。
如果用水温低于空气露点温度的水处理空气，也能实现此过程。
3．2设备与管道的清洗与杀菌
1、保证管道彻底灭菌的设计要求
1.管道应有一定的斜度，通常取1/100或更大；
2.凹陷低点安装排污阀；
3.管路有足够的支撑点；
4.尽可能减少和简化管路，尽可能少用弯头管件和阀门；
5.尽可能减少最高与最低点，且在每个最高点装设蒸汽进管，在最低点均装冷水阀；
6.每个罐及管道尽可能分开灭菌。
这样才能保证蒸汽杀菌的严密性与稳定安全性。
2、空罐灭菌
灭菌温度和灭菌时间的要求是高温长时（121℃，60分钟），既合理经济，又能杀灭设备中各死角残存的杂菌或芽孢。
3、设备材料及加工要求
设备材料的选择：
发酵罐及产品分离纯化等设备、管道的材料多采用不锈钢，尤其是可耐酸、耐碱、耐盐等质量优良的不锈钢，如1Cr18Ni9Ti和含钼的不锈钢。
设备材料应避免使用含锌、镉、铅等的材料。
加工要求：
设备管路阀门等内表面要求较高的光洁度，尤其发酵罐等要光滑、无细孔、无毛刺及凹坑裂纹等。
3．3生物反应物料输送设备
1、机械输送设备种类
斗式提升机皮带运输机螺旋输送机
2、如何选择输送方式
选择输送方式时，应根据物料的特性、输送量、输送距离、线路状况、动力消耗等因素，综合进行考虑。
一般对于大麦、大米等松散的粒状物料，最适宜用气流输送；
而较大的块状物料或过细的粉状物料，气流输送时困难较大。
输送量大且能连续运行的操作，宜用气流输送；
输送量少且是间歇操作的，不宜用气流输送。
对短距离输送，宜用低压压送；
长距离输送，则以高压压送有利。
3、气流输送
借助强烈的空气流沿管道流动，把悬浮在气流中的物料送至所需的地方。
应用：
输送大麦、大米、麦芽及地瓜干等松散物料。
优点：
设备简单，占地面积小，费用少，输送能力和输送距离的可调性大，管理简便，易于实现自动化。
动力消耗比较大，不适于输送潮湿的和粘滞的物料。
4、旋风分离器原理结构
净化天然气通过设备入口进入设备内旋风分离区，当含杂质气体沿轴向进入旋风分离管后，气流受导向叶片的导流作用而产生强烈旋转，气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风筒体，密度大的液滴和尘粒在离心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下，沿筒壁下落流出旋风管排尘口至设备底部储液区，从设备底部的出液口流出。
旋转的气流在筒体内收缩向中心流动，向上形成二次涡流经导气管流至净化天然气室，再经设备顶部出口流出。
5、离心泵原理及气蚀现象
离心泵能吸上液体是由于在泵的叶轮进口形成了低压，如果提高泵的安装高度，将导致泵内压力降低，当压力降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾。
使液体以很大速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高，瞬时压力很大的冲击，这种现象就称为气蚀现象。
发生气蚀现象时，会发出噪音，使泵体震动，严重时可使泵根本无法工作，而且使泵的寿命大大降低。
3．4生物工程供水与制冷系统及设备
1、水处理的三个阶段及设备
①水过滤②水的软化或脱盐③水的杀菌
常用水的过滤装置：
砂滤棒过滤器活性炭过滤器中空纤维超滤装置
离子交换装置电渗析装置
氯杀菌紫外线杀菌臭氧杀菌
2、发酵工厂洁净蒸汽的工艺要求
①蒸汽压力稳定，以保证热加工过程的稳定性，通过稳压阀和缓冲罐来实现；
②蒸汽应维持一定的干度；
③保持蒸汽流量稳定，且含有较少的不凝性气体，以提高蒸汽的热效率。
3.5生物工程压力容器
1、压力容器零部件的标准化（公称直径、公称压力）
公称直径：
是容器和管道标准化后的尺寸系列。
对容器而言是指容器的内径（用管子作筒体的容器除外）；
对于管子或管件，公称直径是指名义直径，是介于管子内外径之间的某个数值。
表示方法：
某压力容器DN2000表示内径为2000mm；
某无缝钢管DN100表示公称直径为100mm（可能有几种规格：
φ108×
4、φ108×
4.5，外径一定是１０８mm，壁厚为４mm或4.5mm。
）以D0表示外径。
公称直径查表可得。
公称压力：
规定的标准压力等级，一般单位为MPa。
2、压力容器用钢的类型
按化学成分分类，压力容器用钢可分为三大基本类型，即碳素钢、低合金钢、和高合金钢。
3、内压薄壁容器定义及设计
压力容器按壁厚可以分为薄壁容器和厚壁容器。
通常把壁厚与其内半径之比小于0.1的容器称为薄壁容器，反之为厚壁容器。
压力容器的设计是根据工艺过程的要求和条件，进行结构设计和强度计算。
结构设计需要选择适用、合理、经济的结构形式，同时满足制造、检测、装配、运输和维修等要求；
而强度计算内容包括容器的材料，主要结构尺寸的确定，强度、刚度和稳定性计算等，以保证容器安全可靠运行。
4、壁厚设计；
最小壁厚
最小壁厚按下列方法确定：
1、对于碳素钢和低合金钢容器，不小于3mm，腐蚀裕量另加；
2、对于不锈钢容器，取tmin=2mm。
5、压力试验
容器制成后或检修后投入生产之前，必须进行压力试验，其目在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象。
压力试验包括耐压试验和气密性试验两种，其中耐压试验又根据试验时使用介质的不同分为液压试验和气压试验。
因液体介质的压缩系数远小于气体，故试验时危险性相对较小，所以耐压试验一般采用液压试验。
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