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1、生物工程设备第一章 绪论l 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。l 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。l 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l 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l 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
2、大型化、自动化发展l 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l 目前常用的处理方法有：筛选法、比重法、浮选法、磁选法l 预处理包括：筛选去杂、磁力除铁、精选分级、原料粉碎l 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l 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l 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。l 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l 重力分
3、选原理：干重重力分选、湿重重力分选l 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。l 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l 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l 螺旋球度精选机从长颗粒中分离出球形颗粒l 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l 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。l 实际粉碎过程中受到两个因素的影响：原料性质和粉碎设备结构与操作系数l 锤式粉碎机主要作用于脆性物
4、料，两个关键部件 锤刀，筛面l 辊式粉碎机（啤酒厂粉碎麦芽和大米）利用两辊筒相对转动把物料压碎。应用于破碎粘性和湿性物料，常用的有两辊、四辊、五辊、六辊l 固体物料的输送各种类型的输送机和气力输送装置流体物料的输送各种类型的泵和空气压缩机、风机l 带式输送机构造：输送带、驱动滚筒、张紧滚筒、张紧装置、装料斗、卸料装置、托辊及机架组成l 斗式提升机是将低处的物料输送到高处，分为倾斜斗式提升机、垂直斗式提升机，从牵引构件分为带式和链式两种l 螺旋式输送机优点：结构简单、紧凑、横截面尺寸小；工作可靠；制造成本低；密封性好；输送方向是可逆的；在物料输送中可以同时进行混合、搅拌等工艺操作。缺点：输送过程
5、中物料易粉碎。输送机零部件磨损较重，动力消耗大。输送长度较小（小于40m）。对超载敏感，需要均匀进料。l 气流输送 输送原理：又称风力输送。借助空气在密闭管道高速流动，物料在气流中被悬浮输送到目的地l 液体物料输送设备及特点1. 离心泵 依靠高速旋转叶轮对被泵送液料的动力作用，把能量连续传递给料液，实现连续地液体输送2.往复泵 往复泵的流量由活塞截面积、活塞冲程及活塞往复次数所决定，与系统所需压头没有关系3.隔膜泵 粘稠的液体，要求有润滑性4.螺杆泵 特点：效率高、无振动和噪音；粘稠性的液体5.齿轮泵 特点为流量较小，但压头较高。常用来输送黏稠性液体和作为板框压滤机的加料泵6.漩涡泵旋涡泵的结
6、构和作用原理与离心泵相类似。叶轮以高速旋转时，由于离心力的作用，叶片凹槽内的液体以很高的速度甩向流道，由于流道截面较宽，液体流速减慢，一部分动能就转变成静压能而被压入管道l 气蚀现象：当叶轮入口处的压力低于或等于输送温度下液体的饱和蒸气压时，液体将在该处气化而产生气泡，同时原来在液体中的溶解气体也会解吸出来而使泡沫增加，气泡随液体从低压区流向高压区；气泡在高压作用下迅速凝结或破裂，周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，产生极大的冲击压力，使叶轮表面呈海绵状、鱼鳞状破坏。此现象叫做离心泵的气蚀现象产生原因：吸液池压力（Pa）、叶轮入口附近最低压力（Pk）压差（Pa- Pk ）、压差大泵的
7、吸入能力大;、PkPt汽蚀危害：产生噪音、泵过流部件点蚀、泵的性能下降l 气缚：离心泵启动时，若泵壳内存有空气，由于空气的密度很低，旋转后产生的离心力小，因而在叶轮中心处产生的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，虽启动离心泵但不能输送液体。这种离心泵无自吸能力的现象叫气缚。培养基灭菌及灭菌设备（重点）l 微生物对热的抵抗力叫做热阻l 致死温度：杀死微生物的极限温度称为致死温度l 热力致死时间：在特定条件、特定温度下，杀死某种微生物所需的最短时间l 对数残留定律 对微生物进行湿热灭菌时，培养基中的微生物受热死亡的速率与残存的微生物数量成正比，这就是对数残留定律表达式：- dN/d= NN 培养基中
8、活的微生物个数； t 灭菌时间（s）; k 比死亡速率（s-1） (死亡速率常数)dN/dt 微生物的瞬间变化率，即死亡速率l 死亡速率常数是微生物耐热性的一种特征，它随微生物种类和灭菌温度而异。相同温度下，值越小，则此微生物越耐热l 影响培养基灭菌的主要因素：1、微生物热阻2、 pH 微生物在pH6.08.0范围内耐热性最大3、 菌的浓度细菌浓度越高，所需灭菌时间越长4、 培养基成分油脂、糖类及一定浓度的蛋白质会增加微生物耐热性5、 泡沫 泡沫中的空气形成隔热层，使热量难以渗透进去杀死其中潜伏的微生物6、 颗粒 颗粒小，灭菌容易，颗粒大，灭菌难l 论证高温灭菌为何有利于培养基成分的保留答：在
9、灭菌时，当温度变化，菌死亡速率常数和培养基成分破坏速率常数都变化。温度由T1升高到T2，k值分别为：同样，灭菌时培养基成分的破坏也可得类似关系：即随着温度的上升，灭菌的速度常数的增加倍数大于培养基成分破坏的增加倍数。或者说，当灭菌温度上升时，微生物杀灭速度的上升超过培养基成分破坏的速度。 根据这一理论，培养基灭菌采用高温短时间的方法，有利于减少营养成分的破坏l 培养基灭菌方式有两种：分批灭菌（实消法） 连续灭菌（连消法）l 分批灭菌也称实罐灭菌、实消法。将配制好的培养基放入发酵罐中，通入蒸汽将培养基和所用设备一起进行灭菌的操作过程。分批灭菌对蒸汽的要求较低，不需要专门的灭菌设备，投资少，设备简
10、单，是中小型发酵罐常用的一种灭菌方法。适用于规模较小、极易发泡或粘性很大的培养基的灭菌。加热和冷却所需的时间较长，发酵罐利用率不高，培养基的成分会遭到一定程度的破坏。l 连续灭菌法也称“连消法”。指配制好的培养基在发酵罐在向发酵罐输送的同时进行加热、保温和冷却三个步骤。只在大规模的发酵工厂中作培养基灭菌用。，短时间按内加热到保温温度，保温时间短，有利于减少营养成分的破坏ll 通用型发酵罐实罐灭菌将蒸汽从进气口、排料口、取样口直接通入罐中，使罐温上升到118-120，罐压维持在0.090.1MPa（表压），并维持约30minl 保温阶段，凡进口在培养基液面下的各管道都应通入蒸汽；在液面上的其余管
11、道则应排放蒸汽，这样才能保证灭菌彻底，不留死角l 培养基分批灭菌工艺设计：最高控制温度121，灭菌度取染菌率0.1%，通常选用枯草芽孢杆菌的芽孢作为标准l 培养基的连续灭菌是指将配制好的培养基在向发酵罐输送的同时经过预热、加热、保温和冷却过程的灭菌方法，也叫连消法l 培养l 连消塔的种类：套管式连消塔、混合式连消塔l 实消法与连消法的比较连续灭菌优点：采用高温短时灭菌，培养基受热时间短，营养成分破坏少，有利于提高发酵产率；蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高，操作方便。缺点：所需设备设备复杂、投资大；操作麻烦,染菌机会多；不适合含大量固体物料的灭菌；蒸汽压力要求高于5105Pa。实消法优点：设备要求低，
12、不需另外加热、冷却装置；操作要求低、蒸汽压力要求低3105-4105Pa，适合小批量生产规模；适合大量固体物料的灭菌。缺点：培养基的营养物质损失大，灭菌后培养基质量下降；发酵罐的利用率较低，不适合大规模生产的灭菌。l 培养基连续灭菌工艺设计1.预热：配制罐或预热罐中，将配制好的料液预热到70，不溶性物料发生糊化，不易沉淀；减小振动噪音。2.加热 用高温蒸汽使料液温度很快升高到灭菌温度（130140 ），套管式和汽液混合式。特点：结构简单、操作噪音低，蒸汽与料液混合充分、瞬时完成加热过程3.保温 使料液在灭菌温度下保持57min。因为：连消塔加热的时间很短，光靠这段时间的灭菌是不够的；4.冷却
13、使料液冷却到4050后（冷水喷淋），输送到预先灭菌过的罐内第三章 空气压缩及除菌设备l 空气除菌的方法：常用的除菌方法：介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附l 静电吸附作用机理当气流速度较小时，没有惯性碰撞作用，以拦截、重力沉降和布朗运动现象为主，此时，除菌效率随气流速度增大而降低当气流速度增大到某值时，除菌效率最小，此为临界速度当气流速度继续增加，惯性碰撞开始发挥作用，除菌效率随着气流速度增加而提高如果气流速度过大，除菌效率又下降，则是由于已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气中l 提高过滤效率的措施1.减少进口空气的含菌数。加强生产环境的卫生管理，减少环境空气中的含菌量； 提高空气
14、进口位置，减少空气进口含量； 加强压缩前的空气预过滤。 2.设计和安装合理的空气过滤器。 3.降低进入总过滤器空气的相对湿度。采用无油润滑空压机； 加强空气的冷却，去油水； 提高进入总过滤器的空气温度，降低其相对湿度。l 对数穿透定律假设：纤维之间互不影响微粒与纤维接触即吸附过滤效率与空气中微粒的浓度无关空气中的微粒在滤层中的递减均匀 具体版：(1)过滤器中过滤介质每一纤维的空气流态并不因其他邻近纤维的存在而受影响； (2)空气中的微粒与纤维表面接触后即被吸附，不再被气流卷起带走； (3)过滤器的过滤效率与空气中微粒的浓度无关； (4)空气中微粒在滤层中的递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率
15、的菌体。l 空气压缩机：离心式空气压缩机、往复式空气压缩机两种离心式空压机特点：空气压力稳定，效率高，设备紧凑，占地面积小，无易损部件，获得的空气不带油雾往复式空气压缩机特点：出口压力不够稳定，气缸需要加润滑油 原理：靠活塞在气缸内的往复运动而将空气抽吸和压入l 贮气罐作用（1）消除脉动，维持罐压的稳定。 （2）使部分液滴在罐内沉降。 （3）保温灭菌储气罐设计：H/D=2.2-2.5 普通的为2.54.0V400Vp/n 或：V=0.1-0.2Vcl 气液分离器 一般常用的有旋风式和填料式旋风分离器优点：结构简单、制造方便，对10m以上的微粒效率较高介质过滤器（丝网分离器）：具有较高的分离效率，对直径大于5m的颗粒分离效果可达99%，大于10的更可高达99.5%，能除去部分2-5m的较细颗粒，加上结构简单，阻力不大等，被广泛
