生物工程设备教学大纲Word文件下载.docx

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蒸发与结晶设备

第十二章

干燥设备

第十三章

蒸馏设备

第十四章

生物反应器的检测及控制

第十五章

生物工程供水与制冷系统及设备

合计

51

理论教学部分：

第一章概述

第二章物料处理和输送设备

第一节固体物料的处理与粉碎设备

第二节固体物料输送设备

第三节液体物料的输送设备

第三章空气净化除菌设备

第一节空气净化除菌的方法与原理

第二节空气过滤除菌设备及计算

第四章培养基的制备设备

第一节糖蜜原料的稀释与澄清

第二节淀粉质原料的蒸煮糖化设备

第三节啤酒生产麦芽汁的制备

第四节培养基的灭菌

第五章通风发酵设备

第一节机械搅拌通风发酵罐

第二节气升式发酵罐（ALR）

第三节自吸式发酵罐

第四节通风固相发酵设备

第五节其他类型的通风发酵反应器简介

第六章嫌气发酵设备

第一节酒精发酵设备

第二节啤酒发酵设备

第三节连续发酵

第七章植物细胞（组织）和动物细胞培养反应器

第一节植物细胞（组织）培养反应器

第二节动物细胞培养反应器

第三节微藻培养反应器

第八章生物反应器的比拟放大

第一节生物反应器的放大目的及方法

第二节通气发酵罐的放大设计

第九章过滤、离心与膜分离设备

第一节过滤速度的强化

第二节过滤设备

第三节离心分离设备

第四节膜分离设备

第十章离子交换分离原理及设备

第一节离子交换树脂

第二节离子交换分离原理

第三节离子交换设备

第十一章蒸发与结晶设备

第一节常压与真空蒸发设备

第二节结晶设备

第十二章干燥设备

第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点

第二节非绝热干燥设备

第三节绝热干燥设备

第四节冷冻干燥及其他干燥设备

第十三章蒸馏设备

第一节蒸馏分离提纯原理

第二节酒精蒸馏流程

第三节粗馏塔

第四节精馏塔

第十四章生物反应器的检测及控制自学

第十五章生物工程供水与制冷系统及设备自学

实验教学部分：

在生物工程实验课程中做

实验一发酵罐操作技术

实验二体积溶氧系数的测定

理论教学内容

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。

【教学方法】讲授为主。

【教学内容】

一、课程介绍

二、生化反应的目的

三、生化反应器的分类

四、生化反应器设计基础内容：

【思考题】

1、生化反应的目的？

2、生物反应器的分类？

【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。

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

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

2.大麦的精选及分级设备

⑴大麦精选机

⑵大麦分级设备

二、固体物料的粉碎设备

1.物料粉碎的力学分析

2.物料的粉碎度

3.粉碎机械

⑴锤式粉碎机

⑵对辊粉碎机

⑶圆盘钢磨

⑷MF—260型钢片式磨粉机

三、固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）

1.湿法粉碎设备

2.砂轮磨

四、微细粉碎和超微细粉碎

第二节固体物料输送设备

一、机械输送设备

㈠、斗式提升机斗式运输机

1、适用物料：

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

3.斗式提升机的计算

㈡、带式输送机皮带输送机

1.适用物料

2.结构原理

㈢、螺旋输送机螺旋运输机搅龙

1.适用物料

2.结构和原理：

如结构图略

3.螺旋输送机计算

㈣、可弯曲螺旋输送机

二、气力输送系统及设备

㈠、气流输送原理

1.颗粒在垂直管中的悬浮：

2.颗粒在水平管的悬浮

3.颗粒在输送管中的运动状态

㈡、气流输送的流程

1.真空输送流程

2.压送式气流输送流程

3.混合式气流输送流程

㈢、气流输送系统的组成设备

1、进料装置：

吸嘴和加料器

2、分离装置

3、空气除尘装置：

㈣、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

第三节液体物料的输送设备

一、泵的选型计算

1、离心泵：

2、往复泵（属于容积泵）

3、旋转泵

二、输送管路、管件

1、管径的计算与选择

2、管道介质流速的选择

3、管件：

根据管道直径对应选择

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？

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。

《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

第三章空气净化除菌设备

【教学目的与要求】掌握空气净化原理和介质过滤除菌设备的计算

【教学重点与难点】空气净化原理和介质过滤除菌设备的计算

【教学方法】结合实例教学

一、生物工业生产对空气质量的要求

1空气中微生物的分布

2生物工业生产对空气质量的要求

3空气含菌量的测定

二、空气净化除菌的方法与原理

（一）空气除菌的方法

1热杀菌

2辐射杀菌

3静电除菌

4过滤除菌

（二）过滤除菌的机理

1惯性冲击滞留作用机理

2拦截滞留作用机理

3布朗扩散作用机理

4重力沉降作用机理

5静电吸附作用机理

第二节空气介质过滤除菌设备及计算

一、空气介质过滤除菌流程

（一）空气除菌流程的要求

（二）空气除菌流程

1两级冷却、分离、加热的空气除菌流程

2空气压缩冷却过滤流程

3前置高效过滤器除菌流程

二、空气介质过滤除菌设备及设计计算

空气过滤器

1空气过滤除菌的对数穿透定律

2对数穿透定律的校正

3空气过滤压力降的计算

4过滤介质

a棉花

b玻璃纤维

c活性炭

d超细玻璃纤维纸

e石棉滤板

f烧结材料过滤介质

g新型过滤介质和过滤器简介

5过滤器结构及计算

a纤维介质深层过滤器：

结构尺寸包括直径和高度

b平板纤维纸过滤器

6过滤器的计算举例

1、空气除菌的方法？

2、生物工业“无菌空气”的要求？

3、什么是穿透率？

1.《生物工程设备》梁世中主编，中国轻工业出版社2002年

2.《发酵设备》高孔荣主编，中国轻工业出版社1991年

3.《发酵工程与设备》，中国轻工业出版社1981年

4.《生物工艺原理》贺小贤主编，化学工业出版社2003年

【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。

一、间歇式稀释设备：

二、糖蜜连续稀释器如图

三、糖液的酸化澄清设备

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

二、蒸煮设备

1、蒸煮罐

2、套管加热器：

3、真空冷却器

4.糖化设备

一、啤酒厂糖化设备的组合方式

四器组合：

六器组合：

八器组合：

二器组合：

1、糊化锅

2.糖化锅

3.麦汁煮沸锅

4.糖化醪过滤槽

第四节培养基的灭菌

一、培养基热灭菌动力学

1、对数残留公式与理论灭菌时间

2、灭菌温度与菌体死亡反应速度常数的关系

3、活化能：

二、连续灭菌流程：

喷射连续灭菌流程图

喷射加热器

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

4.计算题：

某啤酒厂一次糖化操作糖化锅投料量麦芽粉1160kg，每百kg加水420kg，糊化锅投料麦芽粉254kg，大米762kg每百kg混合料加水430kg，混合后糖化醪的密度为1070kg/m3，计算糖化锅的体积及几何尺寸?

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、自学与录像等直观教学手段相结合。

一、机械搅拌通风发酵罐的结构

主要有罐体、搅拌器挡板、轴封、空气分布器、消泡器组成。

二、机械搅拌通风发酵罐几何尺寸和体积

重点径高比和公称体积

三、机械搅拌通风发酵罐的通风和溶氧传质

传统的双膜理论、通风比、通气强度。

四、发酵液的流变特性和机械搅拌通风发酵罐搅拌功率

发酵液的流体的流变特性分为：

牛顿性流体和非牛顿性流体

五、机械搅拌通风发酵罐的热量传递

机械搅拌通风发酵罐的热量计算方法有三种：

通过生物合成热；

冷却水带出的热量和发酵液的温升。

六、机械通风发酵罐的通气功耗补充

一、气升式反应器的特点

发酵液分布均匀，容氧速率和效率较高；

二、气升环流式发酵罐的主要结构及操作参数

结构包括径高比5~9较好，导流筒径与罐径比等。

操作参数有平均循环时间和气液比

第三节自吸式发酵罐

一、自吸式发酵罐的特点

二、机械搅拌自吸式发酵罐

机械搅拌自吸式发酵罐原理和设计要点

三、喷射自吸式发酵罐

第四节通风固相发酵设备

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？

5.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=5.55m3/min（已换为罐内状态），醪液黏度为2.25×

10-3Pa.s，密度1020kg/m3，发酵液为牛顿型流体，求Pg？

第六章嫌气发酵设备

【教学目的与要求】掌握酒精发酵灌和啤酒发酵罐结构和计算；

了解连续发酵设备、新型啤酒发酵设备。

【教学重点与难点】酒精发酵灌和啤酒设备的结构和计算。

【教学方法】讲授为主

第一节酒精发酵设备

一、酒精发酵罐

结构有罐体、冷却盘管和水力洗涤装置

二、酒精发酵的计算

包括结构尺寸的确定、罐数的确定和冷却面积的计算

第二节啤酒发酵设备

一、啤酒前、后发酵设备及计算

前发酵设备及计算；

后发酵设备及计算。

二、新型啤酒发酵设备

有三种：

锥形罐、联合罐和朝日罐

第三节连续发酵

一、连续发酵时间的确定

二、连续发酵理论罐数的确定

三、连续发酵流程

主要有酒精发酵和啤酒发酵。

啤酒发酵我国一般不采用。

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？

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）。

【教学目的与要求】了解植物细胞培养的方法和反应器,掌握动物细胞培养的方法和动物细胞培养系统。

【教学重点与难点】动物细胞培养的方法和动物细胞培养系统

【教学方法】讲授和自学结合。

【教学内容】

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反应器

二、植物细胞培养反应器

三、植物组织培养及反应器

第二节动物细胞培养反应器

一、动物细胞培养的方法

贴壁培养、悬浮培养和固定化培养。

二、细胞培养的操作方式

三、动物细胞大规模培养反应器

四、动物细胞大规模培养的应用

第三节微藻培养反应器（自学）

一、微藻生物技术的优越性

二、微藻大规模培养的特点

三、微藻大规模培养反应器

1.动物细胞培养操作方式及动物细胞反应器类型？

2.常用动物细胞反应器的培养系统及特点？

3.微囊系统的制作过程？

第八章生物反应器的比拟放大

【教学目的与要求】了解生物反应器的放大目的及方法，掌握Po/V相等准则和体积容氧系数相等准则放大的方法

【教学重点与难点】生物反应器的放大目的及方法，Po/V相等准则和体积容氧系数相等准则放大的方法

【教学方法】教师主讲结合实例教学

第一节生物反应器的放大目的及方法

一、生物反应器的放大目的

二、生物反应器的放大的方法

生物反应器的放大的方法有理论放大法、半理论放大法、因次分析法和经验放大法。

第二节通气发酵罐的放大设计

一、机械搅拌通气发酵罐的经验放大法

机械搅拌通气发酵罐的经验放大法：

以体积容氧系数相等的原则放大；

以单位发酵液搅拌功率相等的原则放大；

这两种应用最多。

二、气升式反应器的放大

1.机械通风反应器放大方法？

2.几何体积的放大过程？

3.体积溶氧系数相等原则的放大方法？

4.单位体积搅拌功率相等的原则放大转速的计算？

5.计算题：

某通风发酵罐体积100L，拟放大到20m3生产罐，发酵液为牛顿型流体，黏度μ=2.25×

10－3Pa.s，密度ρ=1020kg/m3，实验罐尺寸为直径375mm，搅拌叶轮直径125mm，高径比H/D=2.4，液深HL=1.5D，装液量60L，通风量1.0VVm，使用两挡六弯叶蜗轮搅拌器，转速350r/min，请按Po/V相等的准则放大，（放大罐空气流量为5.55m3/min）求放大罐的几何尺寸和Pg

【教学目的与要求】了解常用的加压过滤、真空过滤和离心沉降有关设备及计算

【教学重点与难点】加压过滤、真空过滤和离心沉降有关设备的选型

【教学方法】教师主讲

第一节过滤速度的强化

一、过滤介质和过滤介质的特性

过滤介质的特性和常用的过滤介质

二、过滤操作条件的优化

1改变发酵液的物理特性：

加热、凝聚和絮凝、加入盐类、调节PH、加入助滤剂。

2操作条件的优化：

提高过滤压力，降低滤饼比阻优化操作时间

第二节过滤设备

一、板框式及板式压滤机

（一）压滤机：

结构和型号。

（二）板式压滤机

（三）自动板框压滤机

（四）板框压滤机的工艺计算

1物料恒算

2板框式压滤机的选择和台数

3过滤面积及生产能力的计算

二、真空过滤机

（一）转筒真空过滤机的结构和操作

（二）转筒真空过滤机的生产能力

第三节离心分离设备

一、离心分离原理和离心分离因数

（一）碟式离心机的分离原理

（二）离心分离因数

二、常用离心机结构及选型

（一）管式离心机结构及操作

（二）常用离心机的生产能力

悬浮液中的颗粒在离心机中能够分离并沉降在转鼓壁上的条件

四、.膜分离设备

过滤介质的渗透性、离心分离因数

2.常用的过滤介质.

3.如何进行过滤条件的优化？

4.离心沉降的原理及沉降条件？

5.根据分离因数分类，管式分离机的习惯分类？

第十章离子交换原理与设备

【教学目的与要求】了解树脂的分类和特性和分类方法，掌握离子交换原理和常用离子交换设备和放大方法。

【教学重点与难点】树脂的性能、交换原理，离子交换设备的放大。

【教学方法】讲授、多媒体等直观教学手段相结合。

第一节离子交换树脂

一、交换树脂结构：

二、分类：

有四种分类方法

1.骨架结构主要成分：

2.合成的聚合反应：

共聚型、缩聚型树脂。

3.骨架的物理结构：

4.活性离子：

阳离子交换树脂阴离子交换树脂

强酸性阳离子交换树脂：

弱酸性阳离子交换树脂：

对金属离子亲和力：

H+＞Fe+3＞Al+3＞Ca+2＞Mg+2＞K+＞NH4+＞Na+

强碱性阴离子交换树脂：

弱碱性阴离子交换树脂：

5.树脂编号补充

编号强酸性阳弱酸性阳强碱性阴弱碱性阴

统一1~100101~200201~300301~400

上海731~740721~730711~720701~710

三、树脂合成

1.加聚法

2.缩聚法

四、树脂的理化性能

1.颗粒度

2.交换容量

3.机械强度：

4.膨胀度

5.含水量和密度

第二节离子交换分离原理

一、交换机理：

二、交换速度方程

三、影响交换速度因素

1.颗粒大小

2.交联度

3.离子化合价

4.离子、分子大小

第三节离子交换设备

一、常用离子交换设备

二、离子交换设备的计算

1.树脂用量和罐体积:

2.交换设备的放大

⑴根据交换罐负荷相等的原则放大

⑵按空塔流速相等的原则放大

⑶溶液通过床层的压力降△P

例题：

树脂的交换容量（再生、工作）、含水量、交换负荷

2.树脂的分类方法，特性。

3.离子交换的原理和步骤

用弱酸型树脂（钠型湿树脂）吸附某发酵液,其体积流量为2.8m3/h,树脂床高度1.2m,直径1m,又测得树脂的最大粒径0.86mm,最小粒径0.42mm,平均粒径0.56mm,静止时床层空隙率为32%,湿树脂密度1140kg/m3,发酵液密度视为1000kg/m3,黏度0.002Pa.s,若将流量放大2倍,计算放大后交换罐中树脂床的高度及直径,正吸附时发酵液通过床层的压力降及反吸附时的压力降。

《生物工艺学》中国轻工业出版社第一节离子交换分离原理及设备

【教学目的与要求】了解常压蒸发设备和结晶设备，掌握蒸发的基本要求、升降膜真空浓缩的原理及结晶的原理、煮晶锅的计算。

【教学重点与难点】蒸发的基本要求、升降膜真空浓缩的原理及结晶的原理。

第一节蒸发设备

一、常压蒸发设备

1.夹套加热式麦汁煮沸锅

2.内置加热器式麦汁煮沸锅

二、真空蒸发设备：

1.管式薄膜蒸发器

⑴.升膜式管式薄膜蒸发器

关键：

形成爬膜

形成爬膜的必要条件：

足够的传热温差和传热强度；

产生的二次蒸汽量和蒸汽速度达到足以带动溶液成膜上升的程度。

⑵.降膜蒸发器关键是液体如何分配均匀

常用的分配器

⑶.升降膜式蒸发器

第二节结晶设备

一、结晶原理

晶体的形成过程

晶体形成的速度

二、起晶的方法

1.自然起晶很少采用

2.刺激起晶柠檬酸结晶

3.晶种起晶味精

三、结晶设备

按操作方式分：

间歇结晶设备简单、方便

连续结晶设备复杂、晶体小一般不采用

按改