生物工程设备作业-第二篇第一章

生物工程设备各章节要点第一章绪论题库1、生物工程的定义生物工程是指利用生物体系，应用先进的生物学和工程学原理，通过加工（或不加工）底物原料为人类提供所需产品（或社会服务）的一种新型跨学科技术。

2、1857年微生物学的鼻祖、以“发酵学之父”美誉著称的法国人巴斯德首次证明了酒精发酵是由酵母菌引起的，发酵现象是由微生物所进行的化学反应，而且不同的发酵与不同微生物有关。

（列文虎克、弗洛里、钱恩）3、生物工程设备主要包括生物反应器和生物反应物料处理及产物分离纯化设备。

第二章原料处理及灭菌设备题库1、发酵工厂中的原料都含有很多种杂质，为了清楚各种杂质，利用物料与杂质在物理特性上的差异，可以采用一些机械方法和措施将杂质除去，目前常用方法有：筛选法、比重法、浮选法、磁选法。

2、振动筛的筛体包括筛框、筛面、吊杆、筛面清理装置、限振装置（不包括自衡振动器、）3、振动筛筛体内有有三个筛面，第一层是接料筛面，第二层是大杂筛面，第三层是小杂筛面。

（判断，填空）4、提高粉碎机效率的方法有：①采用密闭循环法②增加吸风装置，可以加速粉料离开筛孔③采用鳞状筛代替平筛5、生物产品发酵工厂中用到的输送设备按所输送的物料可分为固体物料的输送和液体物料的输送，输送固体物料可采用各种类型的输送机和气体输送装置，输送液体物料则采用各种类型的泵和空气压缩机。

6、根据卸料动力的不同，斗式提升机的卸料方法分为离心式、混合式和重力式7、培养基灭菌方式有两种：分批灭菌法和连续灭菌法（实消法和连消法）。

分批灭菌方法的优点是不需其他设备，操作简单，适于规模小的发酵罐使用或极易发泡或粘度很大的培养基的灭菌；缺点是加热和冷却所需时间较长，发酵罐利用率不高，培养基中营养成分会遭到一定程度的破坏。

培养基的连续灭菌，就是将配好的培养基在向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却而进行灭菌。

连续灭菌具有如下的优点：（1）提高产量。

与分批灭菌相比培养液受热时间短，可缩短发酵周期，同时培养基成分破坏较少。

第一章原料的输送和粉碎设备1.原料粉碎的目的、方法1)目的：a.增加淀粉粒、酶与水的接触面，加速酶促反应与可溶性物质的溶出，提高淀粉的利用率；b.缩短蒸煮时间，使原料中的还原糖少遭破坏，节约蒸汽用量；c.使原料颗粒度变小，增加在设备和管道中的流动性,易于实现连续化。

2)方法：a.湿式粉碎：将水和原料一起加入粉碎机中，以粉浆状出来特点：无粉尘飞扬，排料方便，不需粉尘通风等；不易贮藏，耗电量大b.干式粉碎:原料直接进入粉碎机进行粉碎特点：需配通风除尘设备（通风管道装在粉碎室）c.回潮干法粉碎：原料喷少量水后在进行粉碎（啤酒厂粉碎）d.连续调湿粉碎：粉碎过程连续喷水2.选择粉碎设备的原则、粉碎度及粉碎程度，对原料粉碎设备的要求1)原则：①根据物料的性质和所要求的粉碎度等而定②坚硬物料、脆性物料：挤压、冲击③韧性、粘性物料：剪切、研磨、挤压④方向性物料：劈裂2)粉碎度：物料粉碎程度前后平均粒径之比x=D1/D2D1 粉碎前物料的平均粒径D2粉碎后物料的平均粒径3）粉碎程度：按粉碎物料和成品的粒度大小分类：粗碎、中细碎、磨碎或研磨、胶体磨；筛析法：以物料通过不同筛目标准筛的百分数来表示4）设备要求：①粉碎后物料颗粒大小均匀②不重复粉碎，已粉碎物料需立即从压榨部分排除③操作自动化④容易更换磨碎的部位，在操作发生障碍时有保险装置，能自动停车。

3.锤式粉碎机的结构、特点1)锤式粉碎机的结构（酒精厂）①锤刀:高碳钢或锰钢，40*125-180*6-7mm。

末端V=25-55m/s,V越大，产品粒度越小，锤刀重量小，易产生自转；重量大，功率大。

②筛板：用以控制粉碎物料的粒度，圆形或长条形。

锤刀与筛孔间隙为5-10mm.一般6+2mm③锯齿形冲击板：与锤刀一起挤压，磨碎物料2)特点：①可做粗碎和细碎②体积紧凑，构造简单，生产能力高③适用于不同性质的物料，物料含水量≤15%④锤刀磨损快，筛网易损坏⑤运转时震动较大，应安装在底层⑥粉碎机底部可采用吸引式气流输送，防止粉尘飞扬，提高产量。

上篇小结第一章物料输送设备1、生物工业生产常用物料类型及主要输送设备特点A、物料类型：固体物料、液体物料、气体物料三类B、固体物料输送有机械输送：带式输送、螺旋输送均为水平或倾斜方向，斗式提升机为垂直方向；气力输送：真空~、压力~、压力真空~。

风机是气力输送的唯一动力设备，真空输送风机在物料的后面，压力输送风机在物料的前面。

液体、酱体物料输送多用离心泵、往复泵以及螺杆泵，使用最多的是离心泵和往复泵。

气体输送：气体加压后在圆形或方形管道中实现输送。

2、三种机械输送的原理A、带式输送机[皮带运输机]：水平或倾斜方向结构原理：利用一根封闭的环形带，绕在相距一定距离的滚轮上，由滚轮带动运行，物料放在带上，靠摩擦力随带前进，到带的另一端靠自重卸下B\斗式提升机:垂直方向提升结构原理：胶带或链条作牵引件，将若干料斗固定在牵引件上，牵引件由上下转鼓张紧并运行，料从下部装入料斗提升至上部绕过转鼓从斗内卸出。

C、螺旋输送机(绞龙)：水平或倾斜方向用于粉状、小颗粒状输送、加料及料水混合等。

原理：由外壳和一个旋转的螺旋料槽和传动装置构成，当轴旋转时，物料因受重力和摩擦力作用，螺旋将物料沿轴向推进，一般用于水平或少倾斜方向物料输送。

3、气流输送：气流输送是指在输送管道中，空气以高速流动，借助空气的动能，使物料在气流中被悬浮输送到指定地点的输送方式。

4、混合比：是指气流输送系统中，单位时间输送的物料质量G物与单位时间所需的空气质量G气的比值，即每1kg空气所能提升的物料质量。

μ＝ G物/ G气5、输料管布置原则•2个以上时，料量大的靠近风机；•尽量缩短水平段；•先沿垂直管提升至所需高度，再水平运至卸料点；•物料易停滞或易堵塞处，预设吹气口或易拆件；•弯头：曲率半径应取输料管的5~10倍,减少90度弯•弯头外壁易磨损，可采用加厚或做更换管件。

6、重力式卸料器气-固分离的原理：带物料气流进入一个较大空间，速度降低，物料因自身重力而沉降，气体经过滤后排出。

生物工程设备练习思考题生物科学与工程学院2010年9月第一章绪论【思考题】1.生化反应的目的？2.生化反应器的分类？第二章物料处理和输送设备【思考题】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。

第三章空气净化除菌设备【思考题】1.名词解释:过滤除菌效率穿透率2.过滤除菌流程有那些?特点和实用范围3.深层过滤除菌的作用机理，常用的过滤介质。

4.如何理解对数穿透定律，其四点假设？5.设计一台通风量为15m3/min的棉花过滤器，(已知棉花纤维直径为16μm，填充系数α=8％，空气流速=0.1m/s，此时过滤常数K’=13.5/m)空气工作压强为392kPa(绝对压力)，进入过滤器的空气含菌量是5000个/ m3，发酵周期100h，求到罐率为0.1%(即1000次发酵周期漏进一个杂菌)，工作温度30℃，空气进口温度20℃，压力98070Pa。

计算过滤器的滤层厚度和直径。

第四章培养基的制备设备【思考题】1.概念:粉碎比活化能2.固体粉碎设备的类型、结构3.啤酒糖化设备的组成方式4.为什么高温灭菌营养成分破坏的少？培养基灭菌原理5.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【思考题】1.解释概念：平均循环时间、全挡板条件、持气率、气液比R2.自吸发酵罐吸气原理3.氧由气泡传递到溶液中生物细胞的步骤？4.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2.25×10-3 Pa.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【思考题】1.计算题：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)。

第一篇生物反应器第一章通气发酵设备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)生产安全主要类型：①机械搅拌通气发酵罐②气升式发酵罐③自吸式发酵罐④通气固相发酵设备①机械搅拌通气发酵罐：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。

②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：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；④传热良好；⑤结构简单；⑥能耗小；⑦不易染菌；⑧操作和维修方便③自吸式发酵罐A.工作原理：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：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生产效率高、经济效率高设备便于自动化、连续化。

C.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％。

机械搅拌自吸式发酵罐原理：电机带动发酵罐底部空气转子高速运动将空气甩出，借助转子中心形成负压将空气吸入，同时由于转子旋转可起到搅拌器的作用，并将气泡破碎分散。

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。

2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。

①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。

生物工程设备第一章绪论●生物工程设备(bioengineering equipment)：就是生物工程类工厂或实验室为生物反应提供最基本也是最主要的能够满足特定生物反应工艺过程的专门技术装备或设施。

即为生命体完成一定反应过程所提供的特定环境。

●生物工程设备是现代生物技术的基本原理与工程学原理相交叉的应用性学科，是将生物技术成果产业化的桥梁。

●吕文虎克发明显微镜、柯赫建立了微生物分离纯化和纯培养技术、弗莱明发现了青霉素，并确认青霉素对伤口感染更有疗效●通风搅拌发酵技术的建立标志着实现了真正意义的生物工程设备；代表：青霉素●对通气搅拌生物反应器进行了改造，发展了气升式反应器，设备向着大型化、自动化发展●20世纪70年代基因重组技术诞生；代表产物是胰岛素第二章原料处理及灭菌设备●目前常用的处理方法有：筛选法、比重法、浮选法、磁选法●预处理包括：筛选去杂、磁力除铁、精选分级、原料粉碎●筛分机械原理：根据颗粒的几何形状及其粒度，利用带有孔眼的筛面对物料进行分选的机器，具有去杂、分级两个功能●网目：以每英寸长度内的筛孔数表示，称为网目数，简称网目，以M表示●振动筛：发酵工厂应用最为广泛，带有风力除尘功能的筛选设备，多用于清除物料中小或者轻的杂质。

●滚筒筛分类有 1.并列式：颗粒直径分布均匀；2,串联式：小颗粒含量较多的；3.同轴式：大颗粒含量不多的物料●重力分选原理：干重重力分选、湿重重力分选●湿重重力分选利用不同密度的颗粒在水中受到的浮力及下降阻力的差异进行分选的。

●典型重力分选机械粒状原料密度去石机采用干法重力分选块根原料除石机该设备通常采用湿法重力分选●精选设备常用的有滚筒式精选机、碟片式精选机、螺旋球度精选机●螺旋球度精选机从长颗粒中分离出球形颗粒●粉碎的理论模型（a）体积粉碎模型（b）表面粉碎模型（c）均一粉碎模型●粉碎：粉碎是固体物料尺寸由大变小的过程，是利用机械力来克服固体物料内部凝聚力使之破碎成符合要求的小颗粒的单元操作。

第一章生物质原料预处理设备1.固体物料的粉碎有可能受那些力作用引起的？挤压粉碎、冲击粉碎、磨碎、剪碎、劈碎2.锤式粉碎机有哪些部件构成？它是如何粉碎物料的？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。

（1）锤片是粉碎机的主要工作部件。

基本形状有8种，其中以矩形最多。

锤片的形状由被粉碎物料而定，锤片菱角多，粉碎力强，耐磨性差，尖角适合粉碎纤维性物料，环形锤片磨损均匀。

锤片长度一般不超过200mm。

(2）筛板筛板是锤式粉碎机的排料装置，一般用1-1.5mm厚的优质刚板冲孔制成。

通常设在转子的下半周的位置，为了提高粉碎机的排料能力，可使筛板占整个粉碎室内周面积的3/4以上，或者是将筛板置于粉碎室侧面。

筛孔的形状和尺寸是决定粉料粒度的主要因素，对机器的排料能力也有很大的影响。

筛孔的形状一般是圆孔或长孔。

直径分四个等级：小孔1-2mm，中孔3-4mm，粗孔5-6mm，大孔8mm以上。

3.辊式粉碎机是如何粉碎物料？它有几类？原理：主要工作机构为两个相对旋转的平行装置的圆柱形辊筒，装在两辊之间的物料通过辊筒对其的摩擦作用而被拖入两辊的间隙中被粉碎。

两辊式、四辊式、五辊式、六辊式4.简述湿法粉碎的优点.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。

5.按筛面的运动规律不同，摇动筛可分为哪三种？直线摇动筛、平面摇晃筛和差动筛6.影响筛分效率的因素有哪些？（1）筛面上物料层厚度（2）筛下颗粒百分含量、颗粒级配和形状（3）物料含水量此外，筛孔形状、筛面种类、筛分机械的运动方式、加料量的多少及均匀程度也直接影响筛分效率。

7.球磨机粉碎时，粒度，研磨体的尺寸，装填量之间有什么样的关系？在粒度较大物料研磨时，研磨体的尺寸要大些，装填量少些，使冲力作用加强；反之，研磨体尺寸小些，装填量多些，则有利于小粒物料的研磨。

临界溶氧浓度：满足微生物呼吸最低限度的溶解氧浓度。

全挡板条件：“全挡板条件”是指能达到消除液面旋涡的最低条件，即在一定转速下再增加罐内挡板或附件数也不会改善搅拌效果。

过饱和溶解度曲线：由于固体物质的溶解度随温度变化而变化，随温度一定而一定，当溶液达到饱和以后，向溶液中加入这种溶质，溶质不再溶解，这种变化可以用过饱和溶解度曲线来表示。

我们用纵坐标表示过饱和溶解度，横坐标表示温度，绘出固体物质的溶解度随温度变化的曲线，这种曲线叫做过饱和溶解度曲线。

自由沉降速度：又称终端速度。

指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰时，在等速阶段里颗粒相对于流体的运动速度。

即加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度。

比生长速率：每小时单位质量的菌体所增加的菌体量称为菌体比生长速率。

生物转化：是指外源化学物在机体内经多种酶催化的代谢转化。

生物转化是机体对外源化学物处置的重要的环节，是机体维持稳态的主要机制。

对数死亡定律：活菌数逐渐减小，即微生物死亡速率与任一瞬间残存的活菌数成正比。

非牛顿流体：指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。

薄膜蒸发：使液体形成薄膜而进行的蒸发称为薄膜蒸发。

预敷：在待过滤的悬浮液中加入适量的硅藻土预涂层，用以保护支持介质的毛细孔道不被滤饼层中固体粒子堵塞。

气流的输送速度：利用气流的能量，在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料的速度。

搅拌器的轴功率：泵在一定流量和扬程下，原动机单位时间内给予泵轴的功。

对数穿透定律：过滤效率就是过滤器滤层所滤去的微粒数与空气中原有微粒数的比值。

液相进塔：粗镏塔发生的撒气先冷凝成液体然后再进入精馏塔（多一次排醛机会）。

气相进塔：指两塔连续蒸馏时，粗酒精蒸气气相进精馏塔流程。

三塔式蒸馏：是指由粗镏塔、排醛塔、精馏塔三个塔组成的可以将液固液混合物分离成较纯或近千纯态组分的化工单元操作。

离心机的分离因数：离心分离机转鼓内的悬浮液或乳浊液在离心力场中所受的离心力与其重力的比值，即离心加速度与重力加速度的比值。