生物工程设备期末复习完整版Word格式.docx
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机械搅拌自吸式、喷射自吸式、溢流喷射自吸式
自吸式发酵罐特点：
优点：
⑴节约设备（压缩机）投资，减少厂房面积。
⑵溶氧速率和溶氧效率高；
能耗较低。
⑶生产效率高，经济效益好（酵母和醋酸的发酵）。
缺点：
（1）由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。
（2）必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。
自吸式发酵罐的主体结构包括：
（1）罐体
（2）自吸搅拌器及导轮；
（3）轴封；
（4）换热装置；
（5）消泡器
机械搅拌自吸式发酵罐
（1）构造：
自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。
转子由箱底向上升入的主轴带动。
当转子转动时，其框内的液体被甩出，形成局
部真空而由导气管吸入空气。
转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶
轮等，叶轮均为空心形。
（2）原理：
它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，
从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在
液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。
文氏管吸气自吸式发酵罐原理：
用泵使发酵液通过文氏管吸气装置，由于液体在文氏管的收缩段流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现溶氧传质。
溢流喷射自吸式发酵罐原理：
液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸作用。
2．气升式发酵罐
机械搅拌发酵罐不足：
（采用气升式发酵罐可以克服以下的缺点）
（1）设备构造比较复杂
（2）动能消耗较太
（3）轴封易泄露和染菌
工作原理
⑴把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎；
⑵同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含量小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
⑶反应器内液体混合均匀，因不用机械搅拌器，减少了剪切作用对细胞的损伤。
类型：
常见：
气升环流式反应器、气液双喷射气升环流反应器、设有双层板的塔式气升发酵罐
根据结构特点：
内循环式和外循环式
特点（无需搅拌器，定向循环流动，故有许多优点）：
1反应溶液分布均匀；
⑵有较高的溶氧速率和溶氧效率；
⑶剪切力小，对生物细胞损伤小；
⑷传热良好；
⑸结构简单，易于加工制造。
⑹操作和维修方便。
主要结构及操作参数
1）主要结构参数：
（1）反应器的高径比h/D=5-9
（2）导流筒径与罐径比DE/D=（3）空气喷嘴直径与反应器直径比D1/D以及导流筒上下面到罐顶及罐底的距离均对发
酵液的混合和流动、溶氧等有重要作用
2）操作特性
（1）平均循环时间tm
发酵液必须维持一定的环流速度以不断补充氧，使发酵液保持一定的溶氧浓度，适应微生物生命活动的需要。
循环周期：
发酵液在环流管内循环一次所需要的时间。
（循环周期时间必须符合菌种发酵的需要。
）
（2）液气比R
定义：
发酵液环流量Vc和通风量VG之比。
（3）气升式反应器的溶氧传质
取决于发酵液的湍流及气泡的剪切细碎状态。
计算题：
一气升环流式发酵罐中发酵液体积为10m3，导流筒半径为200mm，导流筒内发酵液的平均流速为s，若通风量为1m3/min。
试计算发酵液的环流量VC（m3/min）、平均循环时间tm（s）及液气比R。
对气升式发酵罐的看法：
对于“节能”观念很强的现今社会，再加上发酵行业的开始迅猛发展，气升式发酵罐会逐渐成为生物反应器的“罐中之王”．由于其结构简单，易于制造，操作和维修简便，有较高的溶氧速率与溶氧效率，传热良好，剪切力小，对生物细胞损伤小，更重要的是它与机械搅拌式发酵罐相比节电70%-80%，降低成本，且无菌操作可靠性更高，给发酵行业带来更多的利润．但是发酵液在环流管内循环一次的时间，需根据培养的微生物种类及其耗氧的速率
而定，且若控制不当，会严重影响微生物的活力及减少发酵产率．
3.酒精发酵的原理：
（1）酿酒酵母是兼性厌氧菌，利用此类微生物生产酒精、啤酒等的发酵过程，无需通入空气，所用的设备是厌氧发酵设备。
（2）在无氧情况下，丙酮酸经脱羧酶脱羧生成乙醛，再在乙醇脱氢酶还原下，将乙醛转化为乙醇，并产生少量能量。
4.啤酒发酵过程：
前发酵（主发酵）：
酵母繁殖、大部分可发酵性糖类代谢及发酵产物形成的阶段；
后发酵：
残糖进一步分解，形成二氧化碳，溶于啤酒中，啤酒进一步得到成熟和澄清。
5.啤酒发酵罐的CIP清洗系统流程
CIP清洗系统是在密闭环境下，不拆动设备零部件或管件，对设备系统进行清洗及消毒的过程。
啤酒发酵罐的CIP清洗系统流程：
用清水冲至无泡→用%~%碱液循环清洗30min→用水冲至pH为中性→用消毒剂循环杀菌10min以上。
6.微藻培养反应器
7.固态发酵生物反应器
固态发酵定义：
是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程，因此固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程。
固态发酵与深层液体发酵的区别：
（1）固态发酵需要维持培养空间湿度的恒定或者补水，而液体发酵则不需要。
（2）微生物生长方式不同。
（3）传质特点不同。
（4）固态发酵散热性能差。
（最大的缺点）
（5）固态发酵是非均匀相反应。
几种固态发酵生物反应器
浅盘式生物反应器：
浅盘发酵是在无搅拌、无强制通风的状态下进行的发酵。
传统的操作，一般是将蒸煮后的物料运到一个洁净的接种室，经冷却后和菌种混匀，装入浅盘。
浅盘内物料层的厚度对发酵温度有直接影响，物料层厚度越大，微生物的浓度越低。
浅盘内物料层的厚度不宜超过5cm
填料床式生物反应器：
采取强制通风方式，具有一定压力、温度和湿度的空气从底部通入，通过物料层，再从顶空排出。
通风的目的不仅是供氧，更重要的功能是去除代谢热。
由于强制通风，故发酵热的去除主要靠对流热和蒸发水分散热。
主要操作参数：
通风量、进口空气的温度、环境温度。
底部通风、顶部排气的填充床反应器，空气入口处温度最低，随物料层高度的升高，物料温度渐增，顶部出口空气温度最高。
流化床式生物反应器；
是通过向上流动的气流使颗粒或粉粒物料维持在悬浮状态形成流化床而培养微生物的装置。
可用于絮凝微生物、固定化酶、固定化细胞反应过程以及固体基质的发酵。
（优点、缺点P89）
转鼓式生物反应器：
把固体培养基质装在一转鼓式容器内，可通风并维持恒温，随着转鼓的旋转，物料依靠自身的重力下落，从而实现翻料的装置。
由于经典的转鼓式反应器装料系数较低，且耗能较大，在此基础上开发了内筒体旋转的转鼓式反应器和弯叶式挡板倾斜式转鼓反应器。
搅拌式生物反应器；
搅拌式生物反应器的最高温度比填料床的低。
典型代表是圆盘制曲机。
圆盘制曲机或多层圆盘制曲机是在箱式发酵装置上发展起来的。
圆盘制曲机也可以设计成集杀菌（或蒸料）与制曲培养与一体，在发酵容器内设置蒸汽加热系统对物料进行灭菌或汽蒸。
压力脉动固态发酵生物反应器；
利用无菌空气对密闭恒温的低压容器的气相压力施以周期性脉动，强制实现气体扩散，然后通过瞬时排气泄压，松动培养基固体颗粒，从而实现供氧和搅拌的装置。
反应器
（1）反应器的搅拌翻料方式：
完全静止发酵、间歇搅拌发酵、连续搅拌发酵
（2）反应器通风换气方式：
自然对流通风、强制通风
8.植物细胞培养特性及培养方式
植物细胞培养特性：
植物细胞培养具有周期长、细胞抗剪切能力弱、易团聚等特点。
植物细胞培养反应器的设计不仅要考虑有利于细胞生长，还要考虑有利于产物的积累和分离。
总体上，适合植物细胞培养的反应器应具有适宜的氧传递、良好的流动性和较低的剪切力。
植物细胞培养方式：
悬浮培养和固定化细胞培养
第四章
1.生物反应过程的状态参数
物理、工程参数
生物、化学参数
2.生化过程检测仪器分类：
在线检测和离线检测
3.液位和泡沫高度的检测：
1）液位检测的主要方法：
电容法、压差法和称重法
2）泡沫高度的检测常用方法：
电极探针测定法
培养基和液体流量测定
1）科里奥利斯质量流量计（CMF）：
利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利斯力原理制成的一种直接式质量流量仪表。
它在原理上消除了温度、压力、流体状态、密度等参数的变化对测量精度的影响，可以适应多种流体和糊状介质的测量。
2）涡街流量计：
当非流线型阻流体垂直插入流体中，随着流体流动，阻流体就产生旋涡分离，此旋涡形成了有规则的排列，称此排列为涡街。
在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出涡街频率就可以推算出流体的流量。
但不适用于低雷诺数测量（Re≥2╳10^4适用）在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。
3）椭圆流量计：
在测试室内有一对椭圆齿轮，在进口与出口两端液体压差作用下，一对椭圆齿轮在转轴上不停地转动，把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，测出其转数即可知道充满和排放该体积部分流体的次数，从而计量出流经仪表的液体的体积总量。
其流量测定范围为╳10＾-3～100m3/h。
气体流量的测定
1）分类：
体积流量型和质量流量型。
2）体积流量型：
根据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量装置。
主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。
3）质量流量型：
利用传热原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量的仪表。
对一定的气体，输出的电势与质量流量成正比：
。
根据流体的固有性质（如质量、导电性、电磁感应性、离子化和热传导性能）等设计的气体流量计。
流量范围：
～250L/h。
主要类型有气体热质量流量计。
pH的检测
1）工作原理：
利用玻璃电极与参比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电位。
pH电极的最重要的部位为玻璃敏感膜（微孔膜），若电极微孔膜部分受蛋白质等大分子污染吸附，必须用蛋白酶浸泡使蛋白质酶解溶出。
2）结构：
P121
溶解CO2浓度的测定:
原理是利用对CO2分子有特殊选择渗透性的微孔膜，并使扩散通过的CO2进入饱和碳酸钠缓冲液中，平衡后显示的pH与溶解的CO2浓度成正比，由此可测出溶解CO2浓度。
氧化还原电位（ORP）的检测:
是基于溶液中的金属电极上进行的电子交换达到平衡时，具有相应的氧化还原电位值。
4.全细胞浓度的测定：
P124
5.生物反应过程控制：
主要参数的控制：
温度、pH、溶氧浓度、基质和细胞浓度
高级控制方式：
P131
1）概念：
2）PLC控制（可编程控制器）
第五章
1.细胞破碎设备包括：
高速珠磨机、高压匀浆机、超声波振荡器
方法：
1）机械法:
珠磨破碎、高压匀浆破碎和超声波破碎等
2）非机械法:
酶溶法、化学法、物理法和干燥法等
2.过滤分离设备
过滤操作包括过滤、洗涤、干燥、卸渣4个阶段。
板框压滤机
过滤：
滤浆由滤浆通路经滤框上方进入滤框，固体被滤布截留，在框内
形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布流向两侧的滤板，再经滤板的沟槽流至
下方通孔排出。
洗涤：
洗涤板下端出口关闭，洗涤液穿过滤布和滤框的全部向过滤板流
动，从过滤板下部排出。
结束后除去滤饼，进行清理，重新组装。
（由若干滤板和滤框间隔排列而组成，板和框之间夹有滤布，当板框压紧后即形成若干滤室。
料液由离心泵或齿轮泵打入由板和框组成的通道并分别进入各滤室，滤液经滤布由滤板下方流出，滤渣即停留在滤室中，最后形成滤饼。
2）板框式过滤机的优点：
①单位过滤面积占地少；
②对物料的适应性强；
③过滤面积的选择范围宽；
④过滤压力高，滤饼的含水率低；
⑤结构简单，操作容易，故障少，保养方便，机器寿命长；
⑥固相回收率高；
⑦过滤操作稳定。
装卸板框劳动强度大,滤布磨损严重。
板框式硅藻土过滤机：
P139
3.离心分离设备
离心机的分离因数
离心分离因素：
离心力与重力的比值，或离心加速度与重力加速度的比值，用Fr表示。
（分离因数是衡量离心机性能的主要指标，Fr越大，离心分离的推动力就越大，离心机的分离性能越好。
管式离心机
1）原理：
待处理的物料以一定压力由进料管经底部空心轴进入鼓底，靠圆形折转挡板分布于鼓四周。
鼓内设有十字形挡板，液体在鼓内由挡板被加速到转鼓速度，在离心力场作用下，乳浊液（或悬浮液）沿轴向上流动的过程被分成轻液相和重液相，通过上方溢环状流口排出。
P141
2）特点：
结构简单，体积小，运转可靠，操作维修方便，但单机转筒容量有限，处理量较小。
适用于含固量较低、固相粒度较小、黏度较大的料液澄清，或用于重液相和轻液相密度差小、分散性高的乳浊液及液-液-固三相混合物的分离。
碟片式离心机
两种不同密度的混合液进入离心分离机，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道，被带着高速旋转，两种液体的离心沉降速度不同，重液的离心沉降速度大，离开轴线向外运动，轻液的离心沉降速度小，则向轴线流动。
两种不同密度液体在碟片间隙道流动的过程中被分开。
在转鼓中加入了许多重叠的碟片，缩短了颗粒的沉降距离，提高了分离效率。
a.分离能力强，分离因数在5000-10000之间；
b.生产能力大，可达10m3/h以上；
c.结构简单，操作维修方便，价格便宜。
d.缺点:
转鼓与碟片之间留有较大的沉渣容积，这部分空间不能发挥碟片式
离心机高效率分离的特点；
间歇人工排渣生产效率较低，劳动强度较大。
三足离心机
主要部件是一个篮式转鼓，转鼓悬挂于三个支足上。
转鼓壁面钻有许多小孔，内壁衬滤布。
适用：
一般用于间歇生产过程中的小批量物料处理。
在生物工程产业中主要用于活性炭与分离液的分离、结晶与母液的分离以及菌体收集。
4.膜分离设备
根据孔径大小分类：
板式膜分离装置原理：
由导流板、膜、支撑板交替重叠组成。
板式膜组件的过滤介质是膜，支撑板的两侧表面有窄缝，内有供滤液通过的通道，支撑板的表面与膜相贴，对膜起支撑作用。
料液通过导流板流过膜面，滤液透过膜，经支撑板面上的窄缝流入支撑板的内腔，然后从支撑板外侧的出口流出；
浓缩液沿导流板上的流道与孔道一层层往上流，从膜器上部的出口流出。
导流板面上设有不同形状的流道，以使料液在膜面上流动时保持一定的流速与湍动，减少浓差极化和防止微粒、胶体等的沉积。
中空纤维膜分离装置：
料液流向：
内压式，料液从空心纤维管内流过，透过液经纤维管膜流出管外。
外压式，料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液从纤维膜管内流出。
中空纤维种类：
细丝型、粗丝型
无论用哪种形式的膜分离装置，都必须对料液进行预处理。
错流膜过滤的基本原理：
P147
5.液-液萃取分离设备
溶剂萃取分类：
按操作方式可分为单级萃取和多级萃取，后者又可分为错流萃取和逆流萃取。
多级逆流萃取：
多级逆流萃取中，在第一级加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级加入萃取剂，并逐渐向前一级移动，即料液移动方向和萃取剂移动方向。
双水相萃取原理：
P150
液-液萃取设备包括3个部分：
混合设备、分离设备、离心萃取设备。
多级离心萃取机：
立式逐级接触式离心萃取设备。
三个单级混合和分离设备的叠合装置，分上、中、下三段，下段是第１级混合和分离区，中段是第２级，上段是第３级，每段的下部是混合区域，中部是分离区域，上部是重液引出区域。
新鲜的轻液由第３级加入，原始重液由第１级加入，萃取后的轻液在第１级引出，萃余有重液则在第３级引出。
（优点：
靠离心力的作用处理密度差小或易产生乳化现象的物系；
设备结构紧凑，占地面积小，效率较高。
动能消耗大，设备费用较高。
）
6.液-固萃取分离设备
原理:
利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另一种溶剂中，经过反复多次萃取，将绝大部分的化合物提取出来。
液-固萃取方法：
1）浸取：
是用溶剂浸渍固体混合物以分离可溶组分及残渣的单元操作，又称固液萃取。
浸取可分为：
物理浸取、化学浸取、细菌浸取
2）渗漉
3）回流提取
7.超临界流体萃取（SFE）
原理：
利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地把有极性大小、沸点高低和相对分子质量大小的成分依次萃取出来。
特点：
P157
第六章
1.层析设备
层析原理：
利用物质的理化性质差异建立起来的分离技术。
由固定相、流动相和待分离样品三部分组成。
固定相：
固体吸附剂或涂渍于惰性载体表面上的液体薄膜，流动相：
惰性气体、液体或超临界流体。
当待分离样品混合物随流动相通过固定相时，混合物中的组分与两相之间多次发生相互作用，各组分与两相发生相互作用的能力不同。
随着流动相的向前移动，各组份不断在两相中进行分配。
与固定相相互作用力弱的组份，随流动相移动时受到的阻滞作用小，向前移动的速度快；
反之，与固定相相互作用强的组份，向前移动的速度慢。
分部收集流出液，可得到样品中所含的各单一组份，达到将混合物各组份分离的目的。
层析柱：
由柱体、液体分配盘、集液板、流动相进口和出口构成。
圆柱形，柱材料为玻璃、不锈钢柱、搪瓷等。
（实验室用的层析柱多为玻璃柱，工业生产中的层析柱多采用金属内涂防腐层或不锈钢、搪瓷玻璃等材料制成。
）
尺寸：
层析柱的高径比（L/D）一般为10～30，高径比大，有利于物质的分离。
柱直径一般从几毫米到几十厘米。
层析柱的入口端有液体分配盘，使进入柱内的流动相均匀分布于柱中。
制备型层析柱普遍采用动态轴向压缩法（也称DAC法）装填。
DAC法装填的层析柱床层均匀，密度高，柱效高，性能稳定。
2．离子交换设备
离子交换原理：
利用离子交换树脂作为交换剂，通过离子之间的交换反应，将溶液中的物质吸附在交换剂上，然后用合适的洗脱液将吸附物质从交换剂上洗脱下来，从而达到分离、溶缩和提纯的目的。
离子交换树脂的分类：
按树脂骨架的化学成分，分为聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂、酚-醛型树脂等；
按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂；
按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂（微孔树脂）、大网络树脂（大孔树脂）及均孔树脂；
按树脂的酸碱性分为强酸性、弱酸性阳离子交换树脂和强碱性、弱碱性阴离子交换树脂。
离子交换树脂的主要性能
1）交联度：
离子交换树脂中的交联剂的百分含量。
阳离子交换树脂中交联剂二乙烯苯的含量为8%，则树脂的交联度为8。
交联度的大小，决定着树脂的机械强度和网状结构的疏密。
2）粒度：
树脂颗粒在水中充分膨胀后的直径，一般用筛孔目数或颗粒直径（mm）表示。
3）含水量：
树脂经水充分膨胀后，树脂内部水分占树脂的百分比。
交联度小的树脂，因为内部空隙大，所以含水量高。
一般树脂的含水量在40%～60%。
4）密度：
树脂的密度有湿真密度和视密度。
视密度：
指树脂经充分膨胀后的湿树脂质量与湿树脂在离子交换柱中所占体积之比，其值一般在600～850kg/
5）膨胀性
6）交换量：
理论交换量（全交换量）：
指树脂交换基团中所有可交换离子全部被交换时的交换量，也就是离子交换树脂全部可被交换离子的物质量。
工作交换量：
树脂处在工作状态下的实际交换量。
离子交换设备
1）离子交换设备的分类
按照设备的结构：
罐式、塔式和槽式离子交换设备；
按照操作方式：
间歇式、连续式、周期式离子交换设备；
按照树脂与被分离物质的接触方式分：
固定床、移动床和流化床离子交换设备。
固定床离子交换罐、反吸附离子交换罐、扩口式反吸附离子交换罐、筛板式
连续离子交换设备P167
第七章
蒸发（或称浓缩）：
将稀溶液加热沸腾，使溶剂汽化而将溶液浓缩的过程。
蒸发操作用于发酵滤液、树脂洗脱液及各种提取液的浓缩，以有利于下一工序的进行。
结晶：
将高浓度的溶液或过饱和溶液缓慢冷却（或蒸发），使溶质慢慢形成晶体析出的过程。
加热蒸汽：
蒸发操作一般在溶液沸点下进行。
要维持溶液在沸腾条件下汽化，需要不断供应热量，热源主要是饱和蒸汽水。
二次蒸汽：
溶液蒸发浓缩过程中溶剂汽化产生的蒸汽。
1.真空蒸发的特点：
1）物料的沸腾温度降低，可避免物料因受高温而变质。
2）提高加热蒸汽与物料的温度差，增大单位面积单位时间的传热量，或者使蒸发时需要的传热面积相应减少，加速蒸发过程。
3）可采用多效蒸发，为二次蒸汽的利用创造条件，节约加热蒸汽。
4）对设备要求较高，需要减压装置，系统的投资费用和操作费用较大。
2.真空蒸发设备
薄膜蒸发：
溶液在蒸发设备的加热器内以很薄的液层通过，溶液就会很快受热升温，汽化而浓缩，浓缩的溶液迅速离开加热表面。
2）分类：
a.长管式薄膜蒸发器（又分升膜式蒸发器，降膜式蒸发器，升降膜式蒸发器）
b.刮板式薄膜蒸发器；
c.离心薄膜蒸发器
长管式薄膜蒸发器
1）升膜式长管蒸发器：
是指在蒸发器管壁上形成的液膜与蒸发的二次蒸汽的气流方向均由下而上并流上升。
特点：
浓缩物料时间短，对热敏性物料影响小。
不适用于粘度大和受热后易积垢及浓缩后产生结晶的物料。
2）降膜式长管蒸发器：
是指在蒸发器管壁上形成的液膜与蒸发的二次蒸汽的气流方向
均由上而下并流下降。
（加料口位于蒸发器顶部，分离器位于蒸发器的下部）
（1）可以浓缩高粘度的液体；
（2）停留时间短，可以处理热敏性物料；
（3）适用于易发
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