生物工程设备 (2)

生物工程设备复习提纲

第一篇 第一章 生物反应器设计基础

1、生物反应器：为适应生物反应的特点而设计的反应装置

2、生物反应器设计要求：要求以生物体为中心，满足生物体生长代谢的要求，满足生物的代谢特点及无菌操作的特点。

3、实际应用的生物反应器根据细胞或者组织生长代谢要求，总得分为①厌气生物反应器，有时可能通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正压，防止染菌，以及提高厌氧控制水平。例如酒精发酵罐、啤酒发酵罐；②通气生物反应器，又分为搅拌式、气升式、自吸式。搅拌时反应期考搅拌器提供动力使物料循环、混合，气升式则以通入的空气上升产生动力，自吸式反应器是利用特殊搅拌叶轮在搅拌过程中产生真空而将空气吸入反应器内，毋须另外供气；③光照生物反应器，反应器壳体部分或全部采用透明材料，进行光合作用反应；④膜生物反应器。

4、生物反应与一般化学反应的显著差别：①生物反应存在着活细胞，在反应中可以将它看作催化剂；②由于细胞是生长着的，它对营养有一定的要求，使得参与反应的成分很多；③生物反应的途径通常不是单一的，反应过程也往往伴随着生成代谢产物的反应，它受到众多环境因素的影响。

5、一个良好的培养装置应具有：①严密的结构（可以抑菌），②良好的液体混合性能（原料与菌体充分接触），③高的传质和传热速率（保证高产率），④灵敏的监测和控制仪表（产物方面考虑）。

6、发酵生产过程：原料→处理→原料配比→灭菌；

菌种→活化→扩培→发酵→产品提取→产品检验→成品

7、啤酒发酵为厌气式发酵，但还是需要制备无菌空气，为什么？因为需要给麦汁通氧，酵母菌繁殖初期需要氧气。

8、设备分为专业设备、通用设备、非标准设备。

第二章 通风发酵设备

1、通风发酵设备的特点：良好传质和传热性能，结构严密，防杂菌污染，培养基流动与混合良好，良好的监测与控制，设备较简单，方便维护检修，能耗低，是目前应用最广泛的发酵设备。

2、机械搅拌通风发酵罐优点：①pH 和温度容易控制，②尺寸放大的方法大致已

确定，③适用于CSTR 等。

缺点：①搅拌功率消耗大，②罐内结构复杂，③易使丝状菌受损伤。

3、通用的机械搅拌通风发酵罐主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡器、人孔、视镜。

4、机械搅拌通风发酵罐条件：①高径比H/D为1.7~4，②发酵罐能承受一定的压力（灭菌的高压且P 内>P外），③气液充分混合，保证溶氧；④具备足够的冷却

面积（生物热），⑤减少死伤（pH 对菌种影响），轴封要严密，减少泄露。

5、全挡板条件：在一定转速下，再在搅拌罐内增加挡板或其他附件，搅拌功率仍保持不变而涡旋基本消失，能达到消除页面漩涡的最低条件即为全挡板条件。

6、填料函轴封缺点：①死角多，②寿命短，③功率消耗大，④轴磨损大

7、双端面机械轴封装置优点：①清洁，②密封可靠，③无死角，④寿命长，⑤摩擦功率损耗小，⑥轴或轴套不会磨损，⑦对轴的精度和光洁度没有填料函轴封严格，对轴的振动敏感性小。

8、新式发酵罐H/D=10，特点：大大提高了空气的利用率，但压缩空气压力需要较高，预料与底物不易混合均匀，厂房高操作不便。

9、传统的双模理论两个前提：①气膜内气体分子和液膜中液体分子都处于层流状态，分子无对流，②氧浓度呈平衡状态

10、气升式发酵罐工作原理：是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，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。

11、气升环式反应器的特点：①反应溶液分布均匀，②较高的溶氧速率和溶氧效率，③剪切力小，对生物细胞损伤小，④传热良好，⑤结构简单，易于加工制造，⑥操作和维修方便。

12、自吸式发酵罐优点：①不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；②溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；③用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效率高的特点。

缺点：一般的自吸式发酵罐是负压吸入空气的，故发酵系统不能保持一定的正压，较易产生杂菌污染。同时，必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。

13、通用罐、气升罐、自吸罐三者H/D区别：气升罐H/D的适宜范围是5--9，这既有利于混合与溶氧，也便于放大设计用于发酵生产，放大设计应以溶氧为主放大较好；由于自吸式发酵罐是靠转子转动形成的负压而吸气通风的，吸气装置是沉浸于液相的，所以为保证较高的吸风量，发酵罐的高径比H/D不宜取大，且罐容增大时，H/D应适当减小，以保证搅拌吸气转子与液面的距离为2~3m。通用罐的搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动，H/D较高有利于提高空气利用率，但使得压缩空气压力较高，并且顶料与底料混合不均匀，其适当当范围为1.7～4，新型设备可达10，兼具以上优缺点。

14、挡板的作用：防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质。

15、搅拌器的作用：主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡细碎以增大气-液界面，以获得所需要的溶氧速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气-液-固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。

第三章 嫌气发酵设备

1、在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。

2、罐外列管式喷淋冷却优点：具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。

3、发酵周期：指发酵液从进到出的时间。

发酵生产周期：指上一次进料到下一次进料的时间。

连续灭菌：对培养基破坏小，又叫连消。

间歇灭菌：物料及罐体一起灭菌，先升温再灭菌，又叫实消。

空罐灭菌：反应器及相关管道灭菌，又叫空消。

4、酵母发酵温度25。C 左右，啤酒发酵用9。C ，为什么？因为在这个温度下，①不易染菌，口感好；②副产物少，口感好；③抑制杂菌生长。

5、啤酒发酵的推动力; ①罐内的二氧化碳压强大于罐外，即P 内CO2> P 外CO2②罐内温度高于罐外，即T 内>T外③罐内物料浓度小于罐外，即B 内X

6、CIP 系统，是Clean In Place的简称，意即为内部清洗系统。整个清洗程序的7个步骤：①预冲洗，每次预冲洗时间为30s ，进行10次，②在罐底被冲干净后，用定量的水冲入CIP 的供应及返回管线，改变系统进行碱预洗，③中间清

洗，④从气动器来的空气流入罐顶的固定喷头，⑤进行碱喷冲，⑥用清水冲洗，⑦最后用酸性水冲洗循环。

第二篇 第一章 物料处理与培养基制备

1、碟片精选机的特点是工作面积大，转速高，产量比滚筒精选机大，碟片损坏可以更换。

2、滚筒精选机的特点是它分离出来的杂粒中含大麦较少，其主要缺点时代空的利用系数低，产量也较低，且工作面磨损后不能修复。

3、物料粉碎的必要性：溶解、混合和反应。

4、粉碎是指大块固体物料破碎成小块物料，或小块物料进一步粉碎成粉末状物料。

5、湿式粉碎特点：无粉末飞扬，车间卫生好，但不宜贮藏，耗电量多。干式粉碎特点：易贮藏，效率高，但灰尘多。回潮：湿式粉碎+干式粉碎。

6、物料粉碎的力学分析：①挤压破碎，②冲击破碎，③研磨粉碎，④剪切破碎，⑤劈裂粉碎。

7、粉碎机应符合的基本要求：①粉碎后的物料颗粒大小要均匀，②已被粉碎的物块，应立即从扎压部位排除，③操作应能自动化，④易磨损的部件应容易更换，⑤应产生极少的粉尘，以减少环境污染及保障工人身心健康，⑥在操作发生障碍时，应有保险装置能使自动停车，⑦单位产品消耗的能量要小。

8、锤式粉碎机的优点是构造简单、紧凑、物料适应性强，粉碎度大，生产能力高，运转可靠。其缺点是机械磨损比较大。

9、固体混合机理:①对流混合机理，②剪切混合机理，③扩散混合机理。

10、糖液酸化的目的：在糖液中加入硫酸，进行灭菌，并在此使灰渣沉淀澄清，以达到发酵的需要。

11、将淀粉质原料进行蒸煮的目的：①原料吸水后，借助于蒸煮时的高温高压作用，是原料的淀粉细胞膜和植物组织破裂，既破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使其内容物流出，呈溶解状态变成可溶性淀粉，以便糖化剂作用，使淀粉变成可发酵性糖。②借助蒸汽的高温高压作用，把存在于原料中的大量微生物进行灭菌，以保证发酵过程中原料无杂菌污染，是酒精发酵能顺利进行。

12、罐式蒸煮设备优点：蒸煮温度可高可低，节省消耗，设备简单，操作容易。

13、粉浆罐：粉浆在此预热至70摄氏度左右，充分吸水，温度过高产生葡萄糖，更高时，发生美拉德反应。

14、管式蒸煮设备优点：高温快速，糊化均匀，糖分损失少，设备紧凑，易于实现机械化和自动化操作。

15、啤酒糖化锅的用途：是麦芽粉与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。

16、麦芽汁煮沸锅：用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发掉，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。

17、连续灭菌优点：灭菌温度较高，时间较短，培养基营养成分受破坏的程度较低，提高了发酵罐的利用率。缺点：所需设备较多，操作较为麻烦，染菌机会较多。

18、固体物料中的杂物种类：纤维性（长）、颗粒状、铁磁性。

19、粉碎设备种类：锤式粉碎机、辊式粉碎机、圆盘钢磨、MF-260型钢片式磨粉机。

20、糖化设备种类：连续糖化罐、真空糖化装置。

21、制冷设备种类：真空冷却器、真空糖化装置。

22、由阿累尼乌斯方程k=Ae-E/RT可知, 在活化能大的反应中，反应速度随温度的变化也大，当温度升高时，杂菌的死亡速度要比营养成分的破坏速度快得多，所以高温段时间比地问长时间要好，以减少营养成分的破坏，从而达到既灭菌彻底又较多的保持了营养成分的目的。

第二章 过滤、离心与膜分离设备

1、BMS 40/635-25 意思;B-板框式压滤机， M-明流，对应A-暗流；S-手动压紧，对应Y-液压压紧；40-过滤面积，635-滤框规格，25-框厚度。

2、离心分离因数是指离心力与重力的比值，或离心加速度与重力加速度的比值。是反应离心机分离能力的重要指标。

3、根据离心分离因数大小将离心机分为三类：①普通离心机，f50000。

4、离心机的种类：管式离心机、碟式离心机。管式离心机的两种类型：①GF 型，

用于处理乳浊液而进行液-液分离操作，②GQ 型，用于处理悬浮液而进行液-固分离的澄清操作。

5、等效时间可以理解为离心分离因数与分离时间的乘积。

6、膜分离过程的机制：当溶液从膜一侧流过时，溶剂及小分子溶质透过膜，大分子的溶质在靠近膜面处被截留。并不断返回于溶液主流中，当这一返回速度低于大分子溶质在膜面聚集的速度时，则会在膜的一侧形成高浓度的溶质层，这就是浓差极化。

7、良好的膜分离设备应具有的条件：①膜面切向速度快，以减少浓差极化，②单位体积中所含膜面积比较大，③容易拆洗和更换新膜，④保留体积小，且无死角，⑤具有可靠的膜支撑装置。

8、发酵中通入SO 2的作用：①杀菌作用，②澄清作用，③抗氧化作用，④溶解

作用，⑤增酸作用。

9、管式膜分离装置特点：结构简单，适应性强，清洗安装方便，单根管子可以更换，耐高压，无死角，适宜于处理高粘度及固体含量较高的料液，比其他形式应用更为广泛，其不足是保留体积大，压力降大，单位体积所含的过滤面积小。

10、中空纤维膜分离装置特点：单位体积内提供的膜面积大，操作压力低，且可反向清洗，其不足是单根纤维管损坏时需要更换整个膜件。

11、真空过滤机装置：见第一版书213页图。

12、过滤介质种类：织物介质、粒状介质、多孔固体介质。

13、助滤剂的种类及选择：用粗目滤网时，选择石棉粉、纤维素或二者的混合物；用细目滤布时，选择细硅藻土。

第四章 蒸发与结晶设备

1、蒸发的目的：①利用蒸发操作取得浓溶液，②通过蒸发操作制取过饱和溶液，进而得到结晶产品，③将溶液蒸发并将蒸汽冷凝冷却，以达到纯化溶剂的作用。

2、蒸发器必须满足的要求：①充足的加热热源，②保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除，③一定的热交换面积，以保证传热量。

3、选择蒸发设备应考虑的因素：①溶液粘度，②溶液热稳定性，③有晶体析出的溶液，④易发泡的溶液，⑤有腐蚀性的溶液，⑥易结垢的溶液，⑦溶液的处理量。

4、并流蒸发优点：①不用泵，因为前一效比后一效压力大，②闪蒸溶液。

5、升膜式蒸发器特点：传热效率高，物料受热时间短，对于发泡性粘度较小的热敏性物料比较适用。

6、升降膜蒸发器特点：①符合物料的要求，初进入蒸发器，②经升膜蒸发后的气液混合物有利于降膜的液体均匀分布，③用升膜来控制降膜的进料分配，有利于操作控制，④将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩比，降低设备高度。

7、刮板式蒸发器原理：料液从进料管以稳定的流量进入随轴旋转的分配盘中，在离心力的作用下，通过盘壁小孔被抛向器壁，受重力作用沿器壁下流，同时被旋转的刮板刮成薄膜，薄液在加热区受热，蒸发浓缩，同时受重力作用下流。

8、结晶设备可改变溶液浓度的方法分为①真空结晶器②冷却结晶器③蒸发结晶器④盐析结晶器⑤其他结晶器。

9、连续结晶设备在设计时要满足的要求：①在设备内不要因长时间运转而形成结垢，②设备内的各部位的溶液浓度应均匀，③要避免促使晶核形成的刺激，④连续结晶过程中，设备内同时具有各种大小粒子的晶体，⑤及时清除影响结晶的杂质，⑥设备内溶液的循环速度要恰当。

10、结晶操作：溶液中的溶质含量超过它饱和溶液中溶质含量时，溶质质点间的引力起着主导作用，他们彼此靠拢、碰撞、聚集放出能量，并按一定规律排列而析出，这就是结晶过程。

11、以三效为例的操作方式：并流①不用泵，因为前一效比后一效压力大，②闪蒸溶液；逆流，处理粘度随温度和浓度变化大的溶液；平流，伴有结晶析出的溶液。

第三篇 第一章 空气净化除菌与空气调节

1、紫外线杀菌原理:①产生的臭氧杀菌，②利用自身波长诱导DNA 变异。

2、静电除尘原理：利用静电引力吸附带电粒子而达到除菌除尘目的。悬浮于空气中的微生物，其孢子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒在进入高压静电场时被电离变成带电微粒，但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率很低。

3、介质过滤除菌机理：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。

4、空气除菌中要除去水雾油烟的原因：①导致传热系数降低，给空气冷却带来困难，②如果油雾的冷却分离不干净，带入过滤器会堵塞过滤介质的纤维空隙，增大空气压力损失，③粘附在纤维表面，可能成为微生物微粒穿透滤层的途径，降低过滤效率，严重时还会浸润介质而破坏过滤效果。

5、空气过滤器的功能：从气体中去除污染物（微生物），以使达到所需的气体的无菌程度。

6、过滤除菌效率就是滤层所滤去的微粒数与原空气所含微粒数的比值，它是衡量过滤设备的过滤效能的指标。

7、减少进口空气含菌数的方法：①加强生产环境的卫生管理，②提高空气进口位置（高空采风），③加强压缩前的空气预过滤。

8、降低空气相对湿度的方法：①采用无油润滑空压机，②加强空气的冷却，去油水，③提高进入总过滤器的空气湿度，降低其温度。

9、除菌过滤器的优点：①过滤精度高，②大的通过量，③耐反复的消毒操作，④强的亲水性或疏水性，⑤足够的使用强度。

10、深度过滤介质特点：①颗粒可以在表面被捕集，②也可以在介质深度被捕集。

11、洁净级别：即每立方英尺空气中大于或等于0.5um 的尘埃粒子应小于的数量。

12、空气的增湿方法：①往空气中通入直接蒸汽，②喷水，③空气混合增湿。

13、空气的减湿方法：①喷淋低于该空气露点温度的冷水，②使用热交换器以把空气冷却至其露点以下，③空气经压缩后冷却至初温，④用吸收或吸附方法除掉水气，⑤通入干燥空气。

14、空气增减湿原理：见第一版书396页倒数第二段及图像。

第三章 物料输送系统设备

1、发酵工厂输送主要机械及方法：①斗式提升机，②皮带运输机，③螺旋输送机，④气力输送系统。

2、输送机的带应满足的基本要求：强度高，本身质量轻，相对伸长小，弹性高，柔软，耐磨，耐用。

3、可弯曲螺旋输送机特点：①机动灵活，可作直线输送，也可弯曲输送，使输送工作可沿着设备的周边或障碍设备的外围、上下进行，也可绕过楼层，穿越墙

壁等完成输送任务，其输送机可以任意布置安装，②挠行螺旋体是唯一的运动部件，管件不用任何轴承等其他运动部件，因此几乎不需要进行维修，更不会因使用润滑油而污染被输送物料。

4、要想得到完全悬浮的气流输送，必须有足够的气流速度，以保证气流输送的正常进行。

5、气流输送优点：①采用负压送料，可实现风选，去除贴、石等重物质，②输送气流密闭，防止物料损失，改善劳动环境，③能较好地实现均匀定量输送，方便操作，④设备投资费用较少，⑤设备布置简捷方便。

缺点：所需的动力较大，风机噪音大，物料的颗粒尺寸限制在30mm 以下，对管路和物料的磨损较大，不适于输送粘性和易带静电而有爆炸性的物料。对于输送量少、间歇性的输送也不适用。

6、泵：就是输送液体并提高其压强的机械。

7、气蚀现象：叶轮入口处的绝对压强若低到液体的饱和蒸汽压时，液体便要沸腾，生成大量蒸汽泡，发生破坏性很大的气蚀现象。

8、离心泵并联时，泵在同一个压头下工作，流量为对应流量之和， 离心泵串联时，流量相同，扬程为对应扬程之和。

9、流量调节方法：①旁路流程，部分液体经旁路回到泵中，但不经济，②采用变速电机。

10、离心泵机理：见第一版书445页最上面一段；往复泵机理：见第一版书449页倒数第四段。

画图题

第一版书：182页、198页、375页。

由于从五一开始整理资料，时间上有些匆忙，难免出现错误和遗漏，欢迎大家批评指出，希望能对大家的复习有所帮助。（红色部分为重点，由于本人用的是第一版书，所以第二版的页码麻烦大家自己查找一下吧~）

食品082班 学委 王超

2011/5/5