生物工程设备

生物工程设备，分享了生物反应器、嫌气发酵设备、生物反应器的检测与控制、生物原料处理过程及设备、液体培养基的制备及杀菌设备、干燥设备、蒸馏设备、蒸发与结晶设备、萃取与色谱分离设备、生物反应器的放大、料液分离过程设备的知识。

生物工程设备

• 生物反应器
  • 机械搅拌式发酵罐
    • 主要组成部分 ．壳体：密封，防止杂菌污染 ·控温部分：测温传感器，冷却装置 ．搅拌部分：搅拌器，混合，传热、传质 ．通气部分：无菌空气，空气分布器 ·进出料口：进料、出料、补料 ．测量系统：传感器， T , pH ，溶氧 ．附属系统：消泡装置，视镜，挡板等
    • 机械搅拌发酵罐的通风与有氧传质
      • 双膜理论
        • (1）气泡中的氧通过气相边界层传递到气﹣液界面上(2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面 (3）在界面液相侧通过滞留层传递到液相主体 (4）在液相主体中进行传递，进入生物细胞内。·双膜：气膜和液膜 ．氧由气泡传递到液相中是生物通气发酵过程中的限速步骤。
      • 体积溶氧系数
      • 通风量
      • 影响氧传递速率的主要因素
        • .①搅拌： ·增大搅拌功率，氧传递速率增加。但过于激烈搅拌，剪切力增加，对细胞造成伤害，产生大量搅拌热，增加传热负担．·空气流量：在一定范围内，空气流量增加， K a 提高。空气流量过大，搅拌器在大量气泡中空转，不能分散空气，搅拌功率下降， KLa 就不能增加。 ·搅拌器的形式：蜗轮式搅拌器较好，特点：直径小，转速快，搅拌效率高，功率消耗低，使液面上下翻腾，延长空气的滞留时间·搅拌转速：黏度大、易结团的发酵液，以大叶径、低转速、多组搅拌器为好；反之相反。 .②空气线速度 ·在一定范围内，增加通风量，空气线速度相应增加。空气线速度过大时，会发生"空载"现象，即桨叶不能打散空气，气流形成大气泡在轴的周围逸出，降低搅拌效率和溶氧速率．无园盘的蜗轮式搅拌器易发生过载，气体沿着中心迅速上升 .③空气分布管 ．喷口直径越小，气泡的直径越小，溶氧系数就越大。环型管的喷孔直径极易堵塞，发酵工业多采用直管式空气分布器。 ④氧的分压 ◇增加空气中氧的分压可使氧的溶解度增加 ◇增加空气压力，即增大罐压，或用含氧较多的空气或纯氧都能增加氧的分压 ．适当提高空气压力，过分增加对设备耐性提高，增加设备投资 ．氧分压过高，会造成微生物暂时中毒．纯氧要考虑经济核算。 .⑤发酵罐内液柱高度 ．功率消耗和空气流量不变时，增加发酵液体积，通风效率降低 ．径高比 H / D 小，则氧的利用率差 ·罐身过高，罐内液柱过高，液柱压差大，气泡体积缩小，气液界面小，降低氧的传递 ．罐身过高，厂房要求也高，不利于操作，增加成本。一般取 H / D =3。 ·⑥发酵罐体积 ．发酵罐的体积大，氧利用率高；体积小，氧利用率差 ．大罐的气液接触时间长，氧的溶解率高，搅拌和通风均可小些。 ⑦发酵液的物理性质 ．发酵液的浓度增加，黏度增加，则溶氧系数降低．泡沫大量形成，影响氧的传递 ．消泡剂用量过多，消泡剂聚集在微生物细胞表面及气泡液膜周围，增加传质阻力，降低氧的传递速率
    • 发酵罐结构
      • 罐体
        • ·封头 ．搅拌器．轴封 ．打泡器 ．联轴器 ．空气吹泡管（空气吹泡器）．挡板 ．冷却装置·视镜 ·人孔 ．形状：圆柱体． 容积：5L~2000m3 ·材料：玻璃、碳钢或不锈钢 ．大型发酵罐：复合不锈钢，衬里不锈钢板厚2~3mm ．封头：椭圆形或碟形．要求能承受： ．压力：0.25MPa ．温度：130℃
      • 搅拌器
        • 搅拌器 ．作用： .1．打碎气泡，加速和提高溶氧 .2．使生物细胞悬浮分散在发酵体系中，维持适当的气﹣液﹣固三相混合 ·3．强化传质、传热过程 涡轮式搅拌器叶片 ．形状：主要有三种 ．平叶式、弯叶式、箭叶式 ．在相同功率下，粉碎气泡的能力：平叶＞弯叶＞箭叶 ．叶片数：一般六个，少至3个，多至八个 ．大型搅拌器可为两半型．材料：不锈钢板
      • 挡板
        • 挡板 ．作用： .1．防止液面中央产生旋涡.2．促使液体激烈翻动·3．提高溶解氧 ．宽度：0.1-0.12D 全挡板条件：挡板数增加，轴功率增加。但增加到一定数目后，在一定的转速下，再增加罐内挡板数，轴功率仍保持不变。 ．一般装设4-6块挡板，即可满足全挡板条件
      • 轴封
        • ·作用：使固定的发酵罐与搅拌轴之间能够密封，防止染菌和泄露 ．常用的轴封：填料函和端面轴封
        • 填料函轴封
          • ·组成：由填料箱体、填料底承座、填料压盖和压紧螺栓等零件构成。．优点：结构简单。 ．缺点：死角多，容易渗漏和染菌；寿命短，经常维修
        • 双端面轴封
          • 机械轴封与填料函轴封相比优点是 .1．密封可靠。在一个较长的使用期中不会泄漏或很少泄漏。清洁，无死角，可以防止杂菌污染。 .2．使用寿命长。正确选择摩擦副和比压的机械密封可使用2~5年，最长有用到9年。 ·3.维修周期长。在正常工作的情况下，不需要维修。.4.轴或轴套不受磨损。 ·5．摩擦功率耗损少。一般约为填料函密封的10~50% .6．机械轴封对轴的精度和光洁度没有填料函要求那么严格，对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感，对轴的震动敏感性小。 .7．适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各种转速以及各种腐蚀性、磨蚀性、易燃、易爆、有毒介质的密封。 ·9．其缺点是：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。
      • 空气分布器
        • 空气分布器 ．形状：环形管式和单管式．单管式：结构简单，管口正对罐底中央，与罐底距离约 40mm. ．环形管式：喷气孔向下，喷孔直径2-5mm ．不锈钢分散器：
      • 换热装置
        • ·(1）通过生物合成热计算（ Q 总＝发酵过程散发热＋搅拌热﹣汽化热） ．散发热＝生物呼吸燃烧热＋发酵热 发酵罐的换热装置 ·1．夹套式：优点：结构简单，加工容易，罐内死角少，容易清洗灭菌；缺点：传热壁较厚，冷却水流速低，降温效果差 .2．竖式蛇管：优点：冷却水在罐内的流速大，传热系数高；缺点：弯曲位置容易被蚀穿 .3．竖式列管：优点：加工方便，适于气温较高，水源充足的地区，流速较快时，降温速度快；缺点：传热系数较低，用水量较大·4．外盘管换热器：半圆形的型钢、角钢制成螺旋形，或将条形钢板冲压成弧形焊在发酵罐外壁。减少发酵罐内部件的死角，减少泄露，易清洗。 ·5．弥勒板：弥勒板（蜂窝夹套）是一种新型高效夹套。
      • 消泡装置
        • ．方法：加入化学消泡剂，机械消泡装置 ．常用的消泡器：耙式消泡装置 ．作用：将泡沫打破
      • 特点
  • 自吸式发酵罐
    • ．一个反应器内设多个气升环流管．有效体积高达8000-20000m3 ·节能，操作稳定，无噪音，对环境无污染．适于废水处理。 ．优点： ．节省空气压缩机及其辅助设备，投资降低，减少厂房面积 ．气泡小，溶氧系数高．生产效率高，经济效益高 ．缺点： ．罐压较低，易杂菌污染，加鼓风机 ．必须配备低阻 力损失的高效 空气过滤系统。
    • 机械搅拌自吸式发酵罐
      • ·(1）特点 ．高径比要小 ．黏度高的发酵液， 适当降低罐的高度 原理 ．主要构件：吸气搅拌叶轮（转子）及导轮（定子） ·原理：转子转动时，其框内液体被出，形成局部真空而吸入空气。．转子类型：三叶轮，四叶轮，六叶轮等。 四弯叶转子特点：剪切作用较小，阻力小，消耗功率较小，直径小，转速高，吸气量较大，溶氧系数高 ．叶轮外径和罐径比为1/8~1/15，叶轮厚度为叶轮直径的1/4~1/5。 三棱叶转子特点：转子直径较大，转速低，吸气量大、稳定，吸程（液面与吸气转子的距离）也较大。 ．缺点：所需的搅拌功率较大。
    • 文管式吸气自吸式发酵罐
      • 用泵使发酵液通过文氏管吸气装置，液体在文氏管的收缩段流速增加，形成真空，将空气吸入，并使气泡分散混合。
    • 液体喷射自吸式发酵罐
      • 液体喷射吸气装置吸入空气，在发酵罐内装入导流筒，喷射器导流尾管插入至导流筒液面下，与液体混合。
    • 溢流喷射自吸式发酵罐
      • ．原理：依靠溢流喷射器， 在液体流动时形成抛射流，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成吸气作用。 双层溢流喷射自吸式发酵罐 ．发酵罐体在中部分隔成两层， 以提高气液传质速率和降低能
  • 气升式发酵罐
    • 工作原理： ．无菌空气﹣﹣喷嘴或喷孔﹣﹣进入发酵液中﹣﹣混合满流﹣发酵液密度降低﹣-向上运动﹣﹣气含率小的发酵液下沉﹣-循环流动
    • 特点
      • ．反应溶液分布均匀 ．溶氧速率和溶氧效率较高．剪切力小，对生物细胞损伤小 ．传热良好 ．结构简单，便于加工制造．操作和维修方便
    • 主要结构
    • 操作特性
    • 塔式发酵罐
      • ．又称空气搅拌高位发酵罐 ．用途：酵母生产，细胞培养，有机酸，抗生素等，用途较广 ．特点：罐身高，小型设备高径比为6．适于多级连续发酵
    • 鼓泡式发酵罐
      • ．最原始的通气发酵罐·没有设置导流筒 ．不能控制液体的主体定向流动
    • Biohoch反应器
      • ．一个反应器内设多个气升环流管．有效体积高达8000-20000m3 ·节能，操作稳定，无噪音，对环境无污染．适于废水处理
  • 通风固相发酵设备
    • ·用途：酱油、酿酒、饲料蛋白 ．传统的发酵工艺，设备简单，投资少。 ．自然通风固体曲发酵设备．曲室设计要求保温、散热、排除湿气及清洁消毒。 ．房顶向两边倾斜，防止冷凝的汽水滴落在曲上。 机械通风固体曲发酵设备 ·使用鼓风机强化了发酵系统的通风。 ．曲层厚度增加。 ．生产效率高。 ．便于控制曲层温度，曲的质量提高。 ·曲室多用长方形水泥池l
• 嫌气发酵设备
  • 酒精发酵罐
  • 啤酒发酵罐
  • 新型啤酒发酵设备
  • 废水处理厌氧生物反应器
    • 第一代厌氧生物反应器
    • 第二代厌氧生物反应器
    • 第三代厌氧生物反应器
• 生物反应器的检测与控制
  • 生物传感器
    • 控制理论
    • 温度
    • 压强
    • 液位和泡沫高度
    • 培养基与液体流量测定
    • 黏度计
    • 搅拌转速与功率
    • pH的测定
    • 溶氧与二氧化碳浓度
    • 细胞浓度
• 生物原料处理过程及设备
  • 生物质原料的筛选与分级
    • 大麦粗选机
    • 磁力除尘器
    • 大麦精选机
    • 大麦分级设备
  • 固体物料的粉碎设备
    • 粉碎原理
    • 粉碎目的
    • 对粉碎机的要求
    • 设备分类
      • 锤式粉碎机
      • 辊式粉碎机
      • 盘磨机
      • 球磨机
      • 微细粉碎和超微细粉碎
• 液体培养基的制备及杀菌设备
  • 糖蜜原料的稀释设备
    • 间歇式稀释设备
    • 糖蜜连续稀释器
    • 糖液的酸化澄清设备
  • 淀粉质原料的蒸煮设备
  • 啤酒生产中麦芽汁制备
    • 糊化锅
    • 糖化锅
    • 糖化醪过滤槽
    • 麦汁煮沸锅
  • 液体培养基的灭菌
    • 连续灭菌设备
      • 喷射加热式
      • 设备构成
        • 加热器
        • 连消器
        • 维持罐
        • 冷却设备
      • 薄板换热器式
    • 分批灭菌设备
  • 固体培养基制备
• 干燥设备
  • 干燥方法
  • 生物工业的干燥设备类型
    • 子主题
  • 干燥设备选型原则
  • 真空干燥设备
    • 真空箱式干燥器
    • 真空带式干燥器
    • 搅拌式真空干燥器
    • 滚筒真空干燥器
  • 气流干燥设备
    • 气流干燥特点
    • 设备类型
  • 喷雾干燥
    • 压力式喷雾干燥
    • 气流式喷雾干燥设备
    • 离心喷雾干燥设备
    • 干燥方式
  • 流化床干燥设备
  • 冷冻干燥设备
    • 冷冻干燥系统组成
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      • 精馏塔
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    • 串蒸及具复馏装置的蒸馏方式
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  • 无水乙醇制备
• 蒸发与结晶设备
  • 蒸发
    • 蒸发设备分类
    • 常压蒸发设备
    • 真空蒸发设备
      • 中央循环管式
      • 悬筐式
      • 外加热式
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        • 降膜式蒸发器
        • 升降膜式蒸发器
        • 刮板式蒸发器
        • 离心式薄膜蒸发器
      • 强制循环式
      • 直接接触传热式
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      • 冷凝与不凝气体排除装置
      • 真空装置
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    • 蒸发结晶
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      • 子主题
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    • 等电点结晶
    • 真空结晶设备
• 萃取与色谱分离设备
  • 萃取分离
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      • 子主题
    • 萃取设备
  • 色谱分离
• 生物反应器的放大
  • 放大方法
  • 机械搅拌式发酵罐放大原则
  • 几何相似放大原则
  • 空气流量相同放大原则
  • 单位体积搅拌功率相同原则放大
  • kLa相同原则放大
  • 搅拌叶尖速度相同
  • 混合时间放大原则
• 料液分离过程设备
  • 发酵液预处理
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      • 高压匀浆机
      • 超声波震荡器
    • 子主题
  • 料液分离
    • 过滤
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      • 过滤设备
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      • 错流过滤与死端过滤
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      • 原理
      • 离心过滤
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        • 碟式离心机
    • 膜分离
      • 膜分离方法
      • 膜
      • 设备
        • 板式膜过滤器
        • 管式膜过滤器
        • 中空纤维式膜分离器
        • 螺旋卷式膜分离器