生物工程设备知识点总结Word格式文档下载.docx

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τ=Kγn

K：

均匀系数，稠度系数，Pa·

sn；

n：

流体状态特性指数，

拟塑性：

0﹤n﹤1

涨塑性：

n﹥1

如丝状菌（青霉素）、液体曲、多糖；

机械搅拌通风发酵罐的的热量传递

1、发酵过程的热量计算

●生物反应热的计算

Q发酵=Q生物+Q搅拌－Q散

Q搅拌：

与搅拌功率Pg有关，

η功热转化率，取η=0.92；

Q散发：

Q蒸发、Q显、Q辐射，Q散发=0.2Q生物；

●冷却水带出的热量计算

发酵过程的最大放热：

Q发酵=[Wc（T2－T1）]/VL[kJ/（m3·

℃）]

W:

冷却水流量，kg/h；

c：

水的比热容，kJ/（kg·

℃）；

T1、T2:

冷却水进出口温度，℃；

VL：

发酵液体积，m3;

●发酵液温升测量计算

旺盛期，先使罐温恒定，关闭冷却水，

30min后测定发酵液的温度：

Q发酵=[（w1c1+w2c2）△T]/VL[kJ/（m3·

w1、w2：

发酵液和发酵罐的质量，kg；

c1、c2：

发酵液和发酵罐的比热容，kJ/（kg·

△T：

30min内发酵液的温升，℃；

2、发酵罐的换热装置

●换热夹套

换热系数低：

400~600kJ/（m3·

h·

适应：

5m3发酵罐；

●竖式蛇管

4~6组

换热系数高：

1200~4000kJ/（m3·

要求水温较低；

●竖式列（排）管

传热推动力大，用水量大；

机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积

标准发酵罐的几何尺寸

H/D=1.7~4

d/D=1/2~1/3

W/D=1/8~1/12

B/D=0.8~1.0

（s/d）2=1~5

H0/D=2

●公称体积

指罐的筒身（圆柱）体积与底封头体积之和。

椭圆形封头体积：

V1=πD2hb/4+πD2ha/6

ha：

椭圆封头的直边高度，m；

hb：

椭圆短半轴长度，标准椭圆hb=D/4；

罐的全体积：

V0=πD2[（H0+2（hb+D/6）]/4

≈πD2/4+0.15D3（m3）

气升式发酵罐（ALR）

●工作原理：

把无菌空气通过喷嘴或喷孔以250～300m/s的速度喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用使气泡碎裂，同时形成的气液混合物由于密度较低向上运动，而气含率小的发酵液则向下运动，形成循环流动，实现混合与传质。

●优缺点：

结构简单，冷却面积小；

无搅拌传动设备，节约动了约50％，节约钢材；

操作无噪音；

料液可充满达80～90％，而不需加消泡剂；

维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。

不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低；

●类型：

气升环流式、鼓泡式、空气喷射式；

气升环流式反应器的特点

●发酵液分布均匀：

基质均匀分散；

避免液面形成稳定的泡沫层；

使淀粉类易沉降的物料悬浮分散；

●较高的溶氧速率和溶氧效率

●剪切力小，对细胞损伤小：

适合植物细胞和组织培养；

●传热良好：

液体综合循环速率高；

便于在外循环管路上进行换热；

●结果简单，易于加工制造：

无搅拌器，不需安装结构复杂的搅拌系统；

容易保证密封；

加工制造方便，设备投资较低；

易于放大制造大型反应器；

●操作维修方便

自吸式发酵罐

●原理：

不需要空气压缩机提供压缩空气，依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，同时实现混合搅拌与氧传质的发酵罐。

●特点：

①节约空压机及其附属设备冷却器、油水分离器、空气贮罐、过滤器等，减少占地面积，减少设备投资约30％左右；

② 

溶氧效率高，能耗低；

③设备便于自动化、连续化，用于酵母和醋酸生产具有生产效率高优点；

缺点：

由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。

●自吸式发酵罐的构件主要是自吸搅拌器和导轮，又称转子及定子；

喷射自吸式发酵罐

●原理：

发酵液通过文氏管或液体喷射装置时，在收缩段流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现氧传质。

（1）文氏管自吸式发酵罐；

（2）液体喷射自吸式发酵罐。

主要用于酵母培养

溢流喷射自吸式发酵罐

液体溢流通过溢流喷射器形成抛射流，液体表面层与相邻的气体进行动量传递，使边界层的气体具有一定的速率，从而带动气体进入发酵罐；

●溢流喷射自吸式发酵罐类型：

单层、双层。

其他类型的通风发酵设备：

固定床生物反应器，卧式转盘反应器，中空纤维生物反应器，机械搅拌光照发酵罐

嫌气发酵设备

传统酒精发酵罐

●采用圆柱形筒体，蝶形或锥形封头

●温度控制：

中小型罐采用罐外喷淋冷却；

大型罐采用罐内蛇管或与罐外喷淋相结合的冷却方式

●清洗方式：

人工清洗、机械清洗

●水力清洗装置：

喷水管两头弯成一定的弧度并装有喷嘴，管上开有小孔，当喷嘴以一定的速度喷出水时，反作用力使喷水管旋转，从而达到对罐内各个部位水力洗涤的目的。

缺点是水压不大时，水力喷射强度和均匀度都不理想。

可在原有水力喷射装置的基础上，安装一根直立的喷水管，管上钻有小孔洗涤效果可大大提高。

新型大容量酒精发酵罐

●采用斜底或锥底，顶部为锥顶，夹套冷却

●由于罐太大，中心部位降温和底部循环困难。

可采用两种不同的措施：

1、采用中心降温水柱对罐中心醪液进行降温，或采用罐外螺旋板换热器循环来降温；

2、侧搅拌或连通器加泵循环来改善混合和滞留问题；

酒精发酵罐的计算

（一）发酵罐结构尺寸的确定

容积：

V=V0/φ

V0—进入发酵罐的发酵液量（m3）

φ—装液系数，取0.85-0.9

若采用锥形封头，则：

V=πD2（H+h1/3+h2/3）/4（m3）

H—圆柱部分高度（m）

D—罐的直径（m）

h1—封底高度（m）

h2—封顶高度（m）

尺寸关系：

H=1.1-1.5Dh1=0.1-0.14D

h2=0.05-0.1D

（二）罐数的确定

N=nt/24+1（个）

n—每24小时内进行加料的发酵罐个数

t—一次发酵周期所需时间（h）

（三）发酵罐冷却面积计算

F=Q/KΔtm（m2）

1、总的发酵热Q=Q1-（Q2+Q3）

Q1：

生物合成热、

Q2：

蒸发热损失、

Q3：

罐壁向周围的散热。

（1）Q1计算有两种计算方法

a、按发酵旺盛期糖度下降的百分值计算：

Q1=GSqq=418600J/kg

b、根据冷却水来计算：

Q1=WCp（t2-t1）

（2）蒸发热Q2

Q2=5%-6%Q1

（3）罐壁向周围散热Q3

Q3=Fαc（tW-tB）

tW—罐壁最高温度

tB—所在地区夏季平均温度

2、对数平均温度差Δtm的计算

Δtm=

t1、t2—分别为冷却水进出口温度

tF—主发酵时的发酵温度

（四）、冷却水耗量的计算

W=QB/Cp（t2-t1）（kg/h）

Cp—冷却水的比热[J/（kg℃）]

t2、t1—分别为冷却水进出口温度

QB—冷却水带走的热量（J/h）

代谢终产物抑制消除方法：

真空发酵、萃取发酵、吸附法发酵、二氧化碳气提发酵等

1、真空发酵：

原理：

发酵过程中保持一定的真空度，发酵液处于沸腾状态，酒精被蒸馏出来。

主要设备有发酵罐、发酵蒸发器、总凝器、分凝器、收集器、真空泵。

优点：

糖浓度提高3倍，发酵时间缩短1/3；

酒糟、水、蒸汽都有减少；

生产能力、设备利用率提高；

酒精浓度可达33%。

缺点：

能耗大、费用高、真空操作负荷大、容易引起杂菌污染。

2、萃取发酵：

具有能耗低、操作简便易行的优点。

发酵和萃取在同一反应器中进行：

采用固定化细胞技术，选择合适的萃取剂。

发酵和萃取分开进行：

（1）膜萃取：

将发酵液取出，三聚磷酸丁酯为萃取相，在中空纤维膜反应器中萃取。

（2）二氧化碳超临界萃取：

发酵液逆向通过超临界二氧化碳萃取柱，富含酒精的超临界流体通过活性炭柱吸附分离酒精。

3、吸附法

将吸附剂直接加到发酵液中或让发酵液循环通过一个疏水性的分子筛吸附柱来吸附酒精。

一般可采用疏水性硅沸石作为吸附剂，采用这种方法发酵时间可缩短30%。

4、透析膜法

采用对酒精有选择性透过的多孔性膜，分离发酵液中的酒精来降低发酵液中的酒精浓度。

5、二氧化碳气提法

利用发酵过程中产生的二氧化碳，通过循环压缩机加压后，送回发酵罐气提发酵产生的酒精，在0℃冷却饱和了酒精和水蒸气的二氧化碳，再由活性炭填充柱吸附酒精，纤维素填充柱吸附水。

生产能力提高27%。

啤酒发酵设备：

趋于向大型化、露天化、联合的方向发展。

（一）前发酵设备

前发酵槽为方形开口式或密闭式设备，均置于室内，材料内涂保护层。

冷却方式：

蛇管或排管冷却，冷却面积0.2m2/m3发酵液，0-2℃冰水冷却。

密闭式:

具有回收二氧化碳、减少前发酵室内耗冷量及减少杂菌污染机会的优点。

室内采用空调制冷，实施冷风再循环。

开口式：

室内装二氧化碳排除装置，排管冷却，补充10%新鲜空气的再循环方式。

　发酵室：

四周墙壁和顶棚采用较好的绝热材料，地面有一定的坡度，顶棚应建成倾斜或光滑弧面，空间不应太高。

（三）后发酵设备

贮酒罐主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进啤酒稳定、澄清和成熟。

后发酵温和，产生热量少，无须装冷却装置，热量借室内低温带走。

金属的圆筒形密闭容器，有卧式和立式两种。

由于罐内需饱和二氧化碳，故应制成耐压容器。

新型啤酒发酵设备

（一）圆筒体锥底发酵罐

用于上面及下面啤酒发酵，前后酵可合并在该罐内进行。

室外放置，节省投资。

能缩短发酵时间，生产灵活。

长圆筒形，H/D=4，上部是碟形封头，下部是锥形底。

封头上有：

压力安全阀、真空安全阀、二氧化碳回收，排气、CIP共用一个进口，由一根管道通到操作间再分支。

锥底有：

取样管、啤酒出口、二氧化碳通气管。

筒体上有冷却带、温度探头，外包保温层。

冷媒采用乙二醇、酒精溶液或液氨。

罐的容量与糖化能力相匹配，以12-15小时内满罐为宜。

由于后酵要进行二氧化碳饱和，因此应做成耐压罐，利用压力及真空安全阀来保证安全受压。

压力过大是由于麦汁进罐时未将排气口打开，导致罐内气体排不出去；

发酵过程中产生大量的二氧化碳也排不出去。

真空产生的原因：

放罐时未开排气阀；

CIP清洗时，罐内二氧化碳与清洗剂NaOH反应，造成罐内真空；

清洗后罐内温度太高，蒸汽较多，突然采用冷水清洗，蒸汽冷凝，造成罐内真空。

利用发酵过程中产生的二氧化碳以及不同高度上的温度差，可引起罐内液体的对流和热交换。

锥形罐的冷却夹套分为2-4段，当酵母沉降性能差时，锥底部分也应有冷却夹套．

　　夹套有多种形式：

扣槽钢、扣角钢、扣半管、蜂窝夹套、环行冷却带等。

1、圆筒锥底发酵罐

●优点：

缩短发酵时间；

较大灵活性；

适合各种类型啤酒生产；

●冷却介质：

乙二醇、酒精、液氨；

使用夹套冷却，分为2~4段；

2、联合罐

一种具有较浅锥底大直径发酵罐，H/D=1.1-1.3，罐内设置有机械搅拌，并具有冷却装置。

由薄层竖直圆筒体、拱形顶和有足够斜度以除去酵母的锥底组成。

多数用不锈钢制作。

特殊的基础保证经受10级地震。

冷却带采用一段位于罐中上部的双层冷却板，罐外用聚尼烷作保温层。

3、朝日罐

由不锈钢制作的斜底圆柱形发酵罐，H/D=1-2。

外设冷却夹套包围罐身和罐底。

内设带转轴的可移动排液管，可保证酒液中二氧化碳均一。

特点：

利用离心机回收酵母，利用薄板冷却器降温，利用循环泵将发酵液抽出再送回。

这样可缩短发酵时间，解决酵母沉降慢的缺点，提高设备利用率，酒损可减小，但动力消耗大。

CIP清洗系统

原位清洗，不分解生产设备，又可用简单操作方法安全自动的清洗系统。

不仅能清洗机器，而且还能控制微生物

固定式CIP系统由清水罐、酸罐、碱罐、废碱罐、泵、加热器组成。

通过罐顶的CIP喷头喷出高压水柱来对罐内进行清洗。

有固定式和旋转式。

主要步骤有：

CO2回收、水冲、通空气、接入CIP系统、水洗、废碱洗、碱洗、水洗、酸洗、水洗、杀菌水冲。

酒精连续发酵

1、九罐连续糖蜜发酵工艺：

酒母和糖蜜同时加入第一个罐，并依次流入各罐，最后从第九个罐流出。

在第一个罐中通入空气，并维持第一罐中一定的酵母数。

二氧化碳气体由各罐顶部进总汇集管，到综合利用车间。

连续发酵周期可达20天，发酵只需32小时，酒精浓度达9-10%。

2、印度Biostil连续发酵工艺：

用一个发酵罐，六台酵母离心机，酵母回流发酵罐，但从粗馏塔出来的醪液没有回流发酵罐，而是全部直接排放（废液用来制沼气）

3、真空连续多级发酵：

在多级发酵流程中，设置了多个发酵罐及发酵蒸发器，并公用表面浓缩器、酒精捕集器、真空泵，形成了酒精的多级真空提取。

多级真空发酵设备配置能够提高发酵液的起始浓度达65—73％干物，并得到设计浓度的酒精和成熟的发酵液。

因此，这种发酵生产能力与浓度为36—40％一级真空发酵相比增加了30％，同时，酿造用水和能耗都有所降低。

啤酒连续发酵

1、塔式连续发酵：

启动时，加入无菌麦汁及酵母，麦汁在塔内一边上升，一边发酵，直至满塔。

经培养达到要求的酵母浓度梯度后，以低速泵入麦汁，一周后全速操作，并经常通入二氧化碳来疏松酵母柱。

流出的嫩啤酒经酵母分离器和薄板换热器后送入贮酒罐，充入二氧化碳，贮存4天即可包装。

定期排除部分老酵母，减少酵母自溶。

塔体采用三段夹套或盘管冷却，塔顶的圆柱体膨大部分是沉降酵母的离析器装置，减少酵母流失，保持塔内酵母浓度梯度。

2、多罐式连续发酵

三罐式连续发酵流程：

麦汁通过柱式供氧器，流向两个带有搅拌器发酵罐的第一个，控制三分之二的糖在第一个罐中发酵，温度21℃，再借位差溢流入第二罐。

　　第二个罐中发酵温度24℃。

再流入第三个酵母分离罐，罐内被冷却到5℃，也可用酵母离心机代替酵母分离罐，成熟啤酒溢流到贮酒罐。

四罐式连续发酵流程：

在三罐式的基础上最前面增加一个酵母繁殖罐，即为四罐式。

多罐式连续发酵的特点：

带有搅拌装置，能耗大，同时酵母易被带走，无法保持发酵罐内的酵母浓度。

植物细胞（组织）和动物细胞培养反应器

植物细胞（组织）培养反应器

1、植物细胞培养液的性质：

植物细胞比微生物细胞要大很多；

细胞培养时，细胞形态将发生明显变化；

培养液黏度随细胞浓度增加而显著上升

2、植物细胞培养采用：

悬浮培养——机械搅拌反应器、非机械搅拌反应器

固定化细胞培养系—填充床反应器、流化床反应器、膜反应器

（1）机械搅拌式反应器：

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、但剪切力大

（2）非机械搅拌反应器：

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

固定化植物细胞培养的优点：

1）可克服植物细胞培养中细胞遗传和生理的高度不稳定性

2）防止因为细胞间的不一致性，而造成的在培养过程中的高产细胞系出现的低产率和产生其他代谢产物的情况

3）有利于消除和减弱流质流动所引起的切变力

4）细胞在一个限定的范围内生长可导致一定程度的分化发育，促进次级代谢产物的产生

（1）填充床反应器

细胞固定于支持物表面和内部，支持物颗粒堆叠成床，培养基在床层中流动。

床中单位体积细胞较多，混合效果不好；

床内氧的传递，气体排出，温度和PH控制较为困难；

支持物颗粒破碎还易使填充床堵塞

（2）流化床反应器

利用流体（液体或气体）的能量使支持物颗粒处于悬浮状态

混合效果好但流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常使支持物颗粒破碎，流体动力学的复杂使其放大困难

（3）膜反应器

采用一定孔径和选择透性的膜固定植物细胞

动物细胞（组织）培养反应器

一、非贴壁依赖性细胞：

来源于血液。

淋巴组织的细胞，肿瘤细胞和某些转化细胞

二、贴壁依赖型细胞：

大多数动物细胞，非淋巴组织的细胞，异倍体的细胞

贴壁依赖性细胞：

需要附着于带适量正电荷的固体或半固体表面上才能正常生长

1、贴壁培养：

成纤维细胞和上皮细胞

培养方式：

滚瓶系统，微载体系统

2、悬浮培养：

非贴壁依赖性细胞：

杂交瘤细胞等

细胞在培养器中自由悬浮生长

转瓶或滚瓶培养，发酵罐

3。

固定化培养：

适合于两种细胞，

非贴壁依赖性细胞用海藻酸钙包埋。

贴壁依赖性细胞用胶原包埋

细胞生长密度大、抗剪切力、抗污染能力强

深层培养：

分批式，流加式，半连续式，灌注式

1、分批式操作：

将细胞和培养液一次装入反应器内培养，细胞不断生长，产物不断形成，经过一段时间反应后，将整个系统取出。

A、在分批式发酵过程中细胞生长的环境在不断变化；

B、细胞所处环境并非最优

2、流加式培养：

将一定量的培养液装入反应器，在适宜条件下接种细胞，进行培养，细胞不断生长，产物也不断形成，随着细胞对营养物质的不断消耗，新的营养成分不断补充至反应器内，使细胞进一步代谢。

到反应终止时取出整个反应系。

无反馈控制流加、有反馈控制流加

能够调节环境中营养物质的浓度：

1）避免某种营养成分初始浓度过高而出现的底物抑制现象；

2）能防止限制性营养成分被消耗而影响细胞的生长和产物的形成

由于新鲜培养液的加入，整个过程中反应体积是变化的。

3、半连续式流加：

反复分批式培养或换液培养，在分批培养的基础上，不全部取出反应系，剩余部分重新补充新的营养成分，再按分批式操作的方式进行培养

反应器内培养液的总体积保持不变

适用于基因工程动物细胞分泌有用产物和病毒培养

4、灌注培养：

细胞接种后，一方面新鲜培养液不断加入反应器，另一方面反应液连续不断的取出，但细胞留在反应器内，使细胞处于一种不断的营养状态

大大提高细胞密度，有助于产物的表达和纯化。

连续操作：

适用于培养非贴壁依赖性细胞

将细胞种子和培养液一起加入反应器中进行培养。

一方面新鲜培养液不断加入反应器中。

另一方面将反应液连续不断的取出，使反应条件处于一种恒定状态

细胞所处环境状态可长期保持稳定、可研究细胞生理和代谢规律、能连续不断的收获产物、且提高细胞密度

动物细胞培养反应器

1、通气搅拌式细胞培养反应器

一般常用笼式通气搅拌器

特点：

可避免向培养基中通气时气泡直接损伤细胞

采用微载体系统时，微载体不会被通气所产生的泡沫滞留在气液界面中

2、气升式动物细胞培养反应器：

湍动温和而均匀、剪切力小、反应器内无机械运动部位，细胞损伤率低、直接喷射空气传氧，氧传递速率高、反应器内液体循环量大，细胞和营养成分分布均匀

在气升式反应器内，溶氧可通过自动调节通入空气的速率来实现pH可通过加入二氧化碳或氢氧化钠来控制

在气升式反应器内从底部中央内管通入的气体：

1）一部分从顶部溢出2）一部分沿培养器内缘下降，到培养器底部和新吸入的气体混合再度上升

3、中空纤维细胞培养反应器：

可用于贴壁依赖和非依赖性细胞的培养

1）让每根纤维的管内成为内室，灌注无血清培养液

2）管与管之间的间隙为外室，细胞黏附在外室管壁上

3）细胞从内室获得营养物，并从外室获得血清

4）血清和胞外产物停留在外室

5）代谢废物为小分子量物质能渗入内室可从内室排出

4、微囊培养系统：

1）细胞密度大2）产物单位体积浓度高3）分离纯化操作经济简便4）抗体活性，纯度好

5、大载体系统：

将海藻酸钠滴入钙溶液中形成

①操作控制简单，可随机取样检测；

②人工增加附着细胞密度高；

③消耗用品价格低廉，产物收率高；

6、微载体培养系统

利用固体小颗粒为载体，细胞在载体的表面附着，通过连续搅拌悬浮于培养液中，并形成单层生长，繁殖

微藻生物技术：

富含蛋白质等营养物质和多种生理活性成分；

具有抗肿瘤，抗真菌，防止心血管等疾病

三种藻类：

螺旋藻，小球藻，杜氏藻

1）光能利用率高；

2）是非微管植物，无复杂的生殖器官，生物量易收获加工利；

3）经诱导后能产生高浓度有商业化价值的化合物；

4）无有性生殖，只有简单的细胞分裂周期，能在很短的时间内完成细胞循环

微藻大规模培养的特点：

1）要有足够的光照；

2）培养过程中必须提供大量的二氧化碳，并将氧气及时排出；

3）培养基的混合要满足气液传递，液固传递，防止细胞沉降，且细胞在反应器的表面垂直方向上要能充分混合；

4）培养机多用海水配置

微藻培养反应器须满足的条件：

1）足够光照2）合适温度。

3）合适的无机碳源（即其它无机营养物质）4）合适的pH5）充分混合6）避免污染）7）氧的析出和供给

类型：

敞开式培养反应器、封闭式光培养反应器、管道式光培养反应器、浅层溢流光培养反应器

生物反应器的放大过程

比拟放大：

把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放大

放大的方法：

经验放大法、因次分析法、时间常数法、数学模拟法

因次分析放大：

放大过程中，维持生物发酵系统参数构成的无因次数群（准数）恒定不变的放大方法。

生物质原料处理设备

1、生物质原料筛选与分级设备

1.1磁力除铁器

1.2精选机

精选目的：

除杂粒，除去伤残粒，因为大麦发芽时伤粒易生霉。

精选机适用于颗粒状物料，按颗粒长度分级。

精选机理：

利用带有袋孔（窝眼）的工作面来分离杂粒物料，袋孔中嵌入长度不同的颗粒，带升高度不同而分离。

碟片精选机（一组同轴安装的圆环形铸铁碟片）、滚筒式精选机（表面开有袋孔的旋转圆筒）

1.3筛选分级设备：

振动筛和转筒筛

2、生物质原料的粉碎

粉碎：

大块固体物料破碎成小块物料，或小块物料进一步破碎成粉末状物料。

粉碎的必要性：

溶解、混合和反应

机械粉碎的5种形式（5种粉碎力）：

挤压、冲击、研磨、劈力和剪切。

粉碎设备：

锤式粉碎机、盘磨机、球磨机、超微粉碎机械（超微粉碎振动磨、胶体磨、冲击式超微粉碎机）

3.生物质原料固体间的混合