生物工程设备复习资料

1、11生物反应器设计基础1、发酵罐数的确定。12通风发酵罐1、 通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。高效生物反应器的特点：(1) 传质和传热性能好；(2) 结构密封、防杂菌污染；(3) 设备简单、维修方便；(4) 生产能力高 (5) 能耗低； (6)检测控制系统完善；(7) 易放大； (8)生产安全1） 主要类型机械搅拌发酵罐(TRC)A.工作原理： 利用机械搅拌器的作用，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、发酵所需要的氧气。发酵罐的基本条件:(1)具有适宜的径高比；(2)能够承担一定压力；(3)保证必需的溶解氧；(4)具有足够的冷却面积；(5)尽量减少

2、死角，灭菌彻底，避免染菌；(6)轴封严密。B.特点气升式发酵罐（类型：气升环流式、塔式、空气喷射式等。）A. 工作原理把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。B.特点（8）反应溶液分布均匀；较高的溶氧速率和溶氧效率；剪切力小；传热良好；结构简单；能耗小；不易染菌；操作和维修方便 自吸式发酵罐A. 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。B.优点：不必配备空气压缩机及其附属

3、设备，节约设备投资，减少厂房面积；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；生产效率高、经济效率高设备便于自动化、连续化。 缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40。C. 喷射自吸式发酵罐：利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合和溶氧传质。通风固相发酵设备2、 机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。罐体（壁厚计算）由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130和0.25MPa(绝对压力)。搅拌器：有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是打

4、碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。挡板：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取(0.10.12)D，装设46块即可满足全挡板条件。所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：轴封作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。端面式轴封又称

5、机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。空气分布器空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。通常通风管的空气流速取20m/s。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命消泡装置消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安

6、装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。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。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接轴承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。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料

7、轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。冷却装置（竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。）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）。（单只搅拌桨）在具有挡板且满足全挡板的情况下，搅拌准数是搅拌雷诺准数的函数。即 雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。 当液体处于湍流状态时 1. 不通气条件下的轴功率P0计算（鲁士顿(Rushton J. H.)公式：）P0无通气搅拌输入的功率（W）；NP功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数（圆盘六平直叶涡轮，NP6；圆盘六弯叶涡轮， NP4.7；圆盘六箭叶涡轮，NP3.7）；涡轮转速（r/s）；L液体密度（kg/m3

8、）； 液体粘度（N.s/m2）；D 涡轮直径（m）；2.通气搅拌功率Pg的计算（修正的迈凯尔公式）P0无通气搅拌输入的功率（kW）；涡轮转速（r/min）；Di 涡轮直径（cm）Q通气量（mL/min）例题：某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装有四块标准挡板，装液量VL为6m3，搅拌转速 =168rpm，通气量Q=1.42 m3 /min，醪液粘度=1.9610-3 Ns/ m2，醪液密度 =1020 kg/ m3 ，三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封增加的功率为

9、 1%，求轴功率Pg和kL，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 ）解：1.先求出Re：2. 因Re104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数NP = 4.7 ，故叶轮的不通气时搅拌功率P0为：3.求通气时搅拌功率Pg：4.所需电动机功率为：4. 求kL ：先求空截面气速vS：求kL ：13嫌气发酵罐1、 酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。1）2、 酒精发酵罐的计算。1） 发酵罐结构尺寸的确定发酵罐全容积式中 V发酵罐的代表容积（m3）；V0进入发酵罐的发酵液量（m3） 装液系数， 一般取=0.850.90带有罐体高度、底、盖高度和罐径

10、的尺寸关系：锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为:2） 发酵罐罐数的确定 对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算： （式中N发酵罐个数； n 每24小时内进行加料的发酵罐数目；t 一次发酵周期所需时间，h）3） 发酵罐冷却面积计算（实例） 可按传热基本方程式来确定，即： （A冷却面积（m2） ;Q总的发酵热（J/h） ； K传热总系数（J/m2 .h) ；Tm对数平均温度差） 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。1）啤酒发酵罐的计算前发酵槽的计算A.发酵槽数目的确定B.前发酵槽体积的确定C.前发酵槽冷却面积计算后发酵槽的计算A.后发酵槽数目的确定B.后发酵槽

11、全体积的确定2）大型锥罐设计中的问题： 压力；真空；热交换及发酵液循环。4、 新型啤酒发酵设备的优缺点。1） 圆筒体锥底发酵槽（简称锥形罐 ）。 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。目前，锥形发酵罐成为国内外啤酒工厂使用较多的设备。2） 联合罐3） 朝日罐 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。间歇发酵：操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。连续发酵：培养液浓度和代

12、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。连续发酵存在的问题：1）微生物的突变；2）污染杂菌；3）混合均匀度不理想；4）丝状菌的输送困难1）单罐间歇发酵 2）多罐连续发酵3） 连续发酵理论罐数的确定（图解法）141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

13、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 优点：没有移动部件；完全密封；便于无菌操作；设计简单；便于放大生产；氧的转换率高。3）中空纤维细胞培养反应器 优点：培养体积小，细胞高密度生长；有浓缩产品的功能；产物纯度高；自动化程度高，细胞生长周期长 缺点：中空纤维价格昂贵，生产成本高。4） 工业化水平的大载体细胞培养反应器 优点：操作控制简单，可随机取样检测；人工增加附着细胞密度高；消耗用品价格低廉，产物收率高；5） 微载体细胞培养反应器 优点：比表面积大，单位体积培养培养基细胞产率高;微载体悬浮于培养基中，细

14、胞生长环境均一，简化了这些环境因素的检测和控制;培养基的利用率高;采样重演性好;收获过程简单;放大较容易;劳动强度小，占用空间小。6） 转基因动物生物反应器动物乳腺生物反应器;动物膀胱生物反应器142植物细胞培养反应器1、 植物细胞培养反应器的分类。1） 机械搅拌式反应器 优点：混合性能好；传氧效率高；操作弹性大；可用于细胞高密度培养； 缺点：剪切力大2） 非机械搅拌式反应器 非搅拌式反应器所产生的剪切力较小，结构简单。其主要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器 3）组合式反应器 利用“ 优势互补”原则，将两种反应器结合起来研究出组合式反应器。带有低速搅拌的气升式发酵罐可弥补低气

15、速时混合性差的弱点。2、植物细胞培养与微生物培养的区别。1)细胞的大小； 2)细胞块的形状；3) 培养液的黏度；4)需氧量；5)Kla值比微生物培养的Kla值小得多；6）对剪切力敏感7)需CO2和光照 植物细胞培养具有的优点：（1）代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行，可以通过改变培养条件和选择优良培养体系得到超整株植物产量的代谢产物；（2）培养在无菌条件下进行，可排除病菌和虫害侵扰；（3） 可以进行特定的生物转化反应；（4）可以探索新的合成路线和获得新的有用物质等。143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。 微藻大规模培养的特点：1）需要足够的光照；2）需要供应大量的CO

16、2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。 微藻培养反应器应有条件：1）足够的光照；2）合适的温度；3）合适的无机碳源及其他无机营养物质；4）合适的pH；5）充分混合；6）避免污染；7）氧的析出或供应；分类：1）敞开式培养反应器 优点：成本低、建造容易、操作简单、易于生产。 缺点： 培养效率低、培养条件无法控制、易受污染、水分易蒸发、光能利用率低 2）密闭式培养反应器 优点：培养效率高、培养条件易于控制、污染少、生产周期延长、适用于所有藻类的培养。 开发密闭式微藻光培养反应器依据的原则：高光照比表面积；较高的气体交换效率；适合

17、的循环方式；改善光的传播途径、分配和质量；防治有害次生代谢的积累；较易实现培养条件的优化； 尽量降低生产成本。 3）管道式光培养反应器 4）浅层溢流光培养反应器15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。 传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电学量)的器件。 生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗

18、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。生物传感器的特点：由选择性好的主体材料构成的分子识别元件，一般不需进行样品的预处理；利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体；由于它的体积小、可以实现连续在位监测；响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。 组成：敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件 1）敏感元件（酶电极、微生物电极、免疫电极、） 2)信号转换器（将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置） 电化学电极可用

19、作生物传感器的信号转换器的电化学电极一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型电极 生物热敏器件：基于温度测量原理，把生物功能材料和高性能检测器件结合而成，如酶热敏电阻。酶热敏电阻可分为密接型和反应器型。光生物电极 光生物电极的测量原理：生物发光反应的测量原理；生物物质的光吸收、光激发；生物反应物质对光传播对干扰原理。竞争结合型、光吸收型、荧光淬灭型、指示剂型、生物发光型和光传递干扰型。组织传感器以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极动植物组织中的酶是反应的催化剂与酶电极比较，组织电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高.2.酶的稳定性增大.3.材料易

20、于获得. 工作原理：将热能变化转换为电信号；将光效应转换为电信号；直接产生电信号3、生化过程各参数控制图的绘制。4、PID控制。（比例、积分、微分控制） 比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。 积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。积分作用太强会使系统出现振荡。 微分控制可以克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 16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

21、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。1）以体积溶氧系数kLa(或kd)相等为基准的放大法（实例） 高好氧发酵通常应用等kLa的原则进行反应器放大2）以P0/VL相等的准则进行反应器的放大 对于溶氧速度控制发酵反应的非牛顿型发酵液，通常应用P0/VL相等准则进行反应器的放大。211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。(?)1） 大麦的精选设备大麦

22、精选机：利用杂粒与大麦不同的特点进行分离。 碟片精选机工作面积大，转速高，产量大，碟片损坏可以更换2） 大麦的分级设备平板分级筛工作原理圆筒分级筛工作原理优点：设备简单、电动机传动比平板分级筛方便。缺点：筛面利用率少，仅为整个筛面的1/5。为什么固体物料需要进行粉碎? 固体物料经粉碎后，颗粒变小，原料的表面积显著增大，可加速蒸煮时的溶解过程。节省蒸汽，减少能量消耗，提高淀粉利用率，并能减少输送管道的阻塞现象，便于连续化生产。2、 原料粉碎的方式，具体设备1) 湿式粉碎是将水和原料一起加入粉碎机中，从粉碎机出来时即成粉浆。这种方法无原粉粉末飞扬，车间卫生好，缺点是粉浆必须随产随用，不宜储藏，且耗

23、电量较多。 主要包括输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。 湿法粉碎流程的优点： 1.消除了粉尘危害，改善了劳动环境，降低了原料消耗； 2.粉碎过程中，淀粉已开始吸水膨胀，提高了蒸煮效果； 3.粉碎后经预热，提高了蒸汽的利用率； 4.机器零件的磨损减少，节省了设备维修费用。2)干式粉碎是将干物料送入粉碎机中。粉碎机包在机壳之内，有一定的粉尘涌出来，如果不采取必要的除尘措施，车间内会布满灰尘。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。1) 优点：构造简单、紧凑、物料

24、适应性强，粉碎度大（粗粉碎细粉碎皆可），生产能力高，运转可靠。缺点：机械磨损较大。 2) 适用范围: 中等硬度物料的中、细碎，脆性物料。3) 锤刀：可拆换，可摆动避开硬物。高碳钢和锰钢，可两头调换使用。4) 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。212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。罐式连续蒸煮：蒸煮温度可高可低，节约能耗；设备简单，操作容易，制造方便。2、 真空冷却装置设备图及原理。 真空冷却：物料在一定真空度下蒸发部

25、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。四器组合：四器为糊化锅、糖化锅、过滤槽和麦汁蒸煮锅；1） 糊化锅2）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。3）过滤槽4）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。灭菌：指用物理或化学方法杀灭或除

26、去物料及设备中所有有生命物质的技术或工艺过程。 常用的灭菌方法有： (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、 -射线、紫外线； （3）干热灭菌； （4）湿热灭菌； （5）过滤除菌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。1）实罐灭菌：将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，又称分批灭菌。 要保证分批灭菌的成功，必须有：1.内部结构合理，焊缝及轴封装置可靠，蛇管无穿孔现象的发酵罐；2.压力稳定的蒸汽；3.合理的操作方法例：有一发酵罐，内装培养基40m3，在1

27、21的温度下进行实罐灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在121 时的灭菌速率常数为0.0287s-1。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。解：2）培养基的连续灭菌有以下优点：（1）提高产量，设备利用率高。（2）与分批灭菌比较，培养液受热时间短，培养基中营养成分破坏较少。（3）产品质量较容易控制；蒸汽负荷均衡，操作方便（4）降低了劳动强度，适用于自动控制。 流程例：有一发酵罐，内装培养基40m3，在131的温度下进行连续灭菌。设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2107个，在131 时的灭菌速率常数为0.25s-1。试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。解：221过滤、离心与膜

28、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。(生物分离工程)222离子交换分离、色谱原理及设备1、 离子交换的原理。离子交换过程包括5步：1. A+自溶液扩散到树脂表面；2. A+从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心；3. A+在活性中心发生交换反应；4. 解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面；5. B+从树脂表面扩散到溶液；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。圆筒体的高径比一般为23，树脂层高度约为圆筒高度的50 70。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23萃

29、取分离设备1、 溶剂萃取的方法。（生物分离工程）1) 溶剂萃取影响萃取操作的因素：1. 萃取剂的选择 2. pH的范围 3. 温度的确定 4. 盐析、带溶剂、去乳化的作用2） 双水相萃取(ATPP)双水相萃取原理：基于物质在双水相体系中的选择性分配。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。双水相体系在生物分离的应用：用于蛋白质、酶、核酸、菌体、细胞、细胞器以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。2、双水相体系及常用于生物分离的双水相体系。常用生物分离的双水相体系：PEGDextran系列和PEG无机盐系列。24蒸发与结

30、晶设备1、 常压蒸发设备。麦芽汁煮沸锅夹套加热式 内置加热式(列管式内加热器的煮沸锅、具两段内加热器的煮沸锅)2、 真空蒸发的优点及设备。1)真空蒸发的优点：物料沸腾温度降低，避免或减少物料受高温所产生的质变；提高了热交换的温度差，增加了传热强度；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；蒸发器热损失减少。2）管式薄膜蒸发器 特点：液体沿加热管壁成膜而进行蒸发； 类型：升膜式、降膜式和升降膜式3、 升膜式蒸发器工作原理、降膜式蒸发器工作原理。1）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

31、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。BM系列薄膜蒸发器 ：蒸发器为升膜式列管换热器。设备与物料接触部分均采用不锈钢制造，具有良好的耐腐蚀性能。对于加热管子直径、长度选择要适当，管径不宜过大，一般在2528毫米之间，管长与管径之比一般为 100150 ，这样才能使加热面供应足够成膜的汽速2） 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。3） 升降膜式蒸发器 工作原理：物料先进入升膜加热管，沸腾蒸发后，汽液混合物上升至顶部，然后转入另一半加热管，再进行降膜蒸发，浓缩液从下部进入汽液分离器，分离后，二次蒸汽从分离

32、器上部排入冷凝器，浓缩液从分离器下部出料。 升降膜式蒸发器的特点：易达到升膜和降膜的要求；有利于降膜均匀分布，提高传热系数；用升膜控制降膜进料，有利于操作；两个浓缩过程串联，可提高产品的浓缩比，减低设备高度。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。研制更理想的蒸发设备和效率更高的热泵。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。25干燥设备

33、1、 气流干燥原理。工作原理：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。3、 喷雾干燥原理及几种喷雾器的形式。1）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。2）喷雾器：压力式喷雾器、气流式喷雾器和离心式喷雾器。压力式喷雾器 采用压力式喷嘴借助高压泵的压力将溶液、悬浮液、乳浊液、膏糊状物料雾化成细小液滴，然后与高温热空气进行快速热交换，在极短时间内以简单的工艺迅速连续干燥成

34、细颗粒状物料的设备。气流喷雾器内部混合式和外部混合式，常用的是内部混合式离心式喷雾器空气经过滤和加热，进入干燥器顶部空气分配器，热空气呈螺旋状均匀地进入干燥室。料液经塔体顶部的高速离心雾化器，（旋转）喷雾成极细微的雾状液珠，与热空气并流接触，在极短的时间内可干燥为成品。成品连续地由干燥塔底部和旋风分离器中输出，废气由风机排空。4、冻干的原理及特点。1）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。2）特点：干燥温度低，特别适合于高热敏性物料的干燥；能保持原物料的外观形状；冻干制品具有多孔结构，有理想的速溶性和快速

35、复水性；冷冻干燥脱水彻底，质量轻，产品保存期长。26 蒸馏设备1、 洒精蒸馏挥发系数与精馏系数。1）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。如，酒精的体积分数为10%，与其沸腾溶液平衡的蒸汽中的酒精体积分数为51%，则KA（A代表酒精） =51/10=5.12） 醪液中存在大量挥发杂质，其挥发系数以Kc表示。为了更地比较酒精与杂质的可分离程度，引入了精馏系数K的概念。 K=Kc/KA 当K1时，则蒸汽中杂质含量增加，杂质多聚集在气相中。 当K1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

36、馏技术。 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。 分子蒸馏因为在高真空中进行，与通常的常压蒸馏，减压蒸馏相比，其主要优点是：（1）蒸发速度快；（2）蒸发温度低；（3）分离效果好（因为相对挥发度增大）；（4）分解、聚合现象少；（5）热损失少；（6）共沸混合物消失；（7）在常压中不能蒸馏的物质也可以。 原理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

37、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。 所谓“水散”，就是指水向原料组织进行渗透，并以它作为载体，将精油逐步扩散到组织表面，这种现象称为“水散”所用。只有当精油传递到组织表面，才能形成水和油两个分压，精油才能被蒸出，所以“水散”作用在水蒸汽蒸馏过程中就显

38、得十分重要了。“水散”方法有两种：一种是锅外“水散”，另一种是锅内“水散”。 31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=10-32、空气除菌的一般方法，生物工业常用的除菌方法。1）热杀菌2）辐射杀菌3）静电除菌4）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

39、空气除菌方法。3、介质过滤除菌机理及常用介质。1） 机理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2）常用的过滤介质有棉花、活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料过滤介质、烧结金属过滤介质等。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）。（作业）5、 对数穿透定律。过滤器的种类。 1）-dN/dL = KN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。2） 种类纤维介质深层过滤器平板式纤维纸过滤器管式过滤器接迭式低速过滤器JPF空气过滤器YUD-Z空气过滤器6、焓湿图及状态变化过程。空气湿度x(湿含量)

40、：湿空气中所含的水蒸气质量与所含的干空气质量之比。相对湿度：湿空气中水蒸气分压与同温下水的饱和蒸气压之比。露点温度td：空气在湿含量H不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度称为露点温度td。此时开始有水珠冷凝出来。在空调技术中，常利用冷却方法是空气温度降到露点温度以下，以便水蒸气从空气中析出凝结成水，从而达到干燥空气的目的湿球温度tw：将温度计的感温球包以湿纱布，纱布的一部分浸入水中以保持纱布足够湿润，这就成为湿球温度计。这种温度计在温度t、湿度为H的不饱和空气流中，在绝热条件下达到平衡所显示的温度，称为空气的湿球温度。与此同时，在空气流中还放一支普通温度计，所测得的温度，相对于湿球温度而言称

41、为空气的干球温度。 1等湿（干式）加热过程 2等焓减湿过程 3等焓加湿过程 4等温加湿过程5减湿冷却（或冷却干燥）过程32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。

42、3、设备材料及加工要求。1）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。2）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。33生物反应物料输送设备1、 机械输送设备种类。1） 斗式提升机适用范围：垂直提升固体物料，适用于松散型、小颗粒物料。料斗类型有深斗（深度大、装料多，较难卸料，适用于干燥、易撒落的颗粒物料）、浅斗（深度小，斗口宽，易卸料，可用于较湿和较黏物料的输送）和尖角形三种类型。装料方式分掏

43、取式和喂入式两种。卸料方式：重力卸料：适用干燥松散且磨损小的物料； 离心卸料：适用黏度较大或较重的物料。计算：生产能力（输送量）： 功率消耗 轴功率P轴 电机功率P电机2） 皮带运输机适用物料：松散干湿物料、谷物颗粒及成件制品。结构：皮带、托辊、鼓轮、传动装置、张紧装置、加料装置和卸料装置。原理：利用一根封闭的环形皮带，绕在相距一定距离的2个鼓轮上，皮带由主动轮带动运行，物料在带上靠摩擦力随带前进，到另一端卸料。生产能力的计算：动力消耗的计算：3）螺旋输送机适用物料：松散的粉状或小颗粒状物料原理生产能力的计算：动力消耗的计算：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

44、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。缺点：动力消耗比较大，不适于输送潮湿的和粘滞的物料。根据设备组合不同，气流输送装置可分

45、为真空输送、压力输送和压力真空输送。4、 旋风分离器原理结构。5、离心泵原理及气蚀现象。1）原理2）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34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） 水过滤水的过滤作用机理：水过滤是一系列不同过程的综合效应，包括筛滤、深层过滤和静电吸附。常用水的过滤装置：砂滤棒过滤器： 砂滤棒（又称砂芯）系选用多孔陶瓷原料经高温烧结而成。棒身具有许多细微孔，是过滤器发挥过滤作用的主体部分，未经处理的原水经过滤棒本身透过达到过滤澄清的目的。 过滤器分上下二层，中间置放隔水板一块。隔水板即是固定滤棒的装置，又起液体过滤前后分界作用活性炭过滤器活性微孔径为25nm。利用活性炭的表面吸附和机械过滤作用除去水中的杂质，常用于离子交换法和电渗析法的前处理。中空纤维超滤装置2） 水的软化或脱盐离子交换装置电渗析装置 利用阴、阳离子交换膜对水中离子具有选择性和透过性的特点。在外加直流电场