生物工程设备学时：32学时

绪 论

一 研究对象及内容 对象：在生物工程工厂中广泛应用，与生产工艺紧密结合的生产设备。 内容：各类设备的工作原理、构造、适 用对象、特点及设计、计算。 依托的基础知识：化工原理、物理化学、 微生物学、生物化学、高等数学等。

二 授课顺序以味精生产为例： 大米除杂 浸泡 粉碎 调浆 双酶法液化、糖化 配料 连消 进罐发酵 过滤 等电点结晶 过滤 中和 脱色 浓缩 结 晶 干燥 包装

从工艺流程中，可以得到该课程学习顺序： 1、原料前处理设备：如除杂、粉碎、培 养基制备(灭菌、液化、糖化); 2、生物反应器：种子罐、发酵罐； 3、后处理设备：过滤、浓缩、干燥、结 晶、蒸馏、离交、脱色、萃取等； 4、辅助生产设备：无菌空气系统、冷冻 系统、水处理系统、蒸汽系统；

三 发酵设备分类1、专业设备：仅用于本专业的设备，如： 生物反应器(发酵罐、种子罐)、液化、 糖化设备、连消设备； 2、通用设备：除在本专业使用外，在其 他工业上也广泛使用，如：泵、风机、粉 碎机、管件、阀门、过滤器、换热设备。 3、非标准设备：按实际工艺定做的，无 统一标准的容器，如：储罐、计量罐等；

四 生物工程及其设备的发展生物工程的发展促进了生物工程设备的 发展。反之，设备的发展同样影响着生物 工程工业化的发展。 1、传统天然发酵阶段： 十八世纪前，全世界已有许多的发酵产 品。如：啤酒、白酒、葡萄酒、酱油、醋、 豆腐乳、干酪、酸乳。没有酿造的理论， 也不知道是微生物的作用，全凭经验。

2、纯培养阶段： 1675年，虎克观察到微生物； 200年后，巴斯德证明了酵母的酒精发 酵； 柯赫建立了纯培养技术； 布赫纳证明了酒精发酵是由一系列的酶 催化的化学反应。 发酵工业进入纯培养阶段。开始了以酒 精、丙酮丁醇、甘油、啤酒为代表的纯种 厌氧液体发酵。

3、好氧发酵阶段： 1940年，青霉素在二次大战中成功进行 了大规模生产，使发酵工业由厌氧发酵开 始进入到以有机酸、维生素发酵为主要产 品的好氧发酵阶段。 为了提高溶氧、降低生产成本，使得 发酵罐向多方位发展，相继出现了机械搅 拌罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐等。

4、代谢控制发酵阶段 二十世纪五十年代，日本建立了代谢控 制发酵技术，出现了以谷氨酸、赖氨酸为 代表的氨基酸发酵和以肌苷酸、鸟苷酸为 主的核酸发酵。 产物抑制和底物抑制理论的出现，使得 发酵工业出现流加技术和发酵提取耦合技 术，相应出现了谷氨酸、赖氨酸的流加设 备和酒精、L-乳酸的发酵、提取耦合设备。

5、基因工程阶段 1979年，建立起基因操作技术，使发酵 工业进入到基因工程阶段，并兴起了动植 物细胞培养技术及其工业化的发展。代表 产品有胰岛素、干扰素的生产。 在设备上出现了动植物细胞培养反应器， 以满足动植物细胞对氧的需求及对剪切力 的敏感。

五 生物工程设备发展趋势1、设备材料越用越好： 地缸、木桶 水泥池 碳钢、低合 金钢 优质合金钢 2、发酵设备容积逐渐增大： 由传统的木桶200-400L逐渐发展到现在: 啤酒320m3、谷氨酸700m3、单细胞蛋白 1500m3、废水处理生化反应器27000m3。 喷雾干燥塔由蒸发能力50kg/h发展到 5000kg/h。

3、自动化程度越来越高： 由手动及人工看罐，发展到温度、搅拌、 风量、风压、pH、溶氧、消泡、补料全部 可以进行自控，应用微机管理。 4、设备制造趋于标准化： 由自行设计、加工发展到厂家可提供标 准图纸及可订购加工。 5、工艺流程更简单化： 设备的整合使得单元操作合并，缩短了 工艺流程；先进设备的应用，完全改变了 原有复杂的工艺流程。

如： L-乳酸发酵后提取工艺流程： 发酵液 中和过滤 浓缩 结晶 过滤 酸解 过滤 离交 浓缩 脱色 高真空蒸馏 L-乳酸 改进后提取工艺流程： 发酵液 粗过滤 微滤 滤 分子蒸馏 L-乳酸

超滤

纳

6、由分批生产向连续化生产过渡 连续化生产同分批生产相比较，它具有 操作简单、生产能力大、设备利用率高、 生产质量稳定、容易实现自动化等优点。 目前，液化、糖化、连消、发酵、浓缩、 干燥、结晶等单元操作都可进行连续操作。

六 生物工程设备的特点及要求1、设备特点： a、在常温、常压或低压下操作 发酵温度一般在25-55℃之间，灭菌温度 一般在126 ℃以下，30分钟。压力：一般 在2kg/cm2以下。 b、无菌下操作，设备应考虑死角的消除， 保证不被污染。如：正压操作、蒸汽密封、 专用阀门等。

2、基本要求 在满足工艺要求、保证产品质量和收 得率的前提下，生产成本最低。 a、强度和刚度 b、加工费用、运行费用(能耗、原料 生产消耗、设备折旧) c、生产能力：罐越大，投资越省、运 行越稳定，但不能染菌，否则损失惨重。 d、设备利用率：利用率高，设备投资 越省、设备生产能力越大、生产成本越 低。

e、设备的结构应满足工艺的要求，如： 通气、pH调节、温度、补料。 f、制作材料应保证它耐受酸碱的腐蚀。 如：有机酸发酵罐可采用SS316制作， 也可采用A3钢内衬不锈钢或橡胶、陶瓷、 涂料；离子交换柱可采用SS317L或采用 不锈钢内衬橡胶。

七 学习方式 1、以学习最先进的装备和工艺为目的。2、专业设备应学会设计，其它设备

重在 选型。 3、注重具有共性的设备。