生物工程设备复习资料.docx
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生物工程设备复习资料
通风发酵设备
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,能耗低;(4)培养基流动与混合良好;(5)检测控制系统完善;(6)易放大;(7)生产安全
发酵罐的基本条件:
具有适宜的径高比;能够承担一定压力;保证必需的溶解氧;具有足够的冷却面积;尽量减少死角,灭菌彻底,避免染菌;轴封严密。
1-轴封;2、20-人孔;
3-梯;4-联轴节(器);
5-中间轴承;6-温度计接口;
7-搅拌叶轮;8-进风管;
9-放料口;10-底轴承;
11-热电偶接口;12-冷却管;
13-搅拌轴;14-取样管;
15-轴承座;16-传动皮带;
17-电机;18-压力表;
19-取样口;21-进料口;
22-补料口;23-排气口;
24-回流口;25-视镜;
搅拌器:
有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等;其作用是打碎气泡,使氧溶解于发酵液中,从搅拌程度来说,以平叶涡轮最为激烈,功率消耗也最大,弯叶次之,箭叶最小。
为了拆装方便,大型搅拌器可做成两半型,用螺栓联成整体。
全挡板条件:
是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。
要达到全挡板条件必须满足下式要求:
轴封作用:
使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封,防止泄露和污染杂菌。
常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种(又称机械轴封)。
自吸式发酵罐:
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。
优点:
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;溶氧速率高,溶氧效率高,能耗较低;生产效率高、经济效率高;设备便于自动化、连续化。
缺点:
较易产生杂菌污染,需配备低阻力损失的高效空气过滤系统,罐压较低,装料系数约为40%。
气升式发酵罐工作原理:
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。
气升式发酵罐特点:
反应溶液分布均匀;较高的溶氧速率和溶氧效率;剪切力小;传热良好;结构简单,易于加工制造;操作和维修方便,不易染菌,能耗小;易于放大设计和模拟
原料的处理与粉碎设备
粉碎:
用机械力的方法克服固体物料内部凝聚力达到使之破碎的单元操作。
粉碎目的:
固体物料经粉碎后,颗粒变小,原料的表面积显著增大,可加速蒸煮时的溶解过程。
节省蒸汽,减少能量消耗,提高淀粉利用率,并能减少输送管道的阻塞现象,便于连续化生产。
粉碎的方法
湿式粉碎是将水和原料一起加入粉碎机中,从粉碎机出来时即成粉浆。
这种方法无原粉粉末飞扬,车间卫生好,缺点是粉浆必须随产随用,不宜储藏,且耗电量较多。
干式粉碎是将干物料送入粉碎机中。
粉碎机包在机壳之内,有一定的粉尘涌出来,如果不采取必要的除尘措施,车间内会布满灰尘。
粉碎原理
固体物料粉碎按其受力情况可分以下几种 :
挤压破碎、冲击破碎、研磨粉碎、剪切破碎、劈裂粉碎。
所选用粉碎机应有基本要求
粉碎后的物料颗粒大小要均匀;已被粉碎的物块,应立即从轧压部位排除;操作应能自动化;易磨损的部位应容易更换;应产生极少的粉尘,以减少环境污染;在操作发生障碍时,应有保险装置能使自动停车;单位产品消耗能量要小。
粉碎设备
1.锤式粉碎机
优点:
构造简单、紧凑、物料适应性强,粉碎度大(粗粉碎细粉碎皆可),生产能力高,运转可靠。
缺点:
机械磨损较大。
2.辊式粉碎机(对辊粉碎机)3.齿爪式粉碎机4.球磨机5.超微粉碎机
气流粉碎的特点
1)粉碎粒度达到5微米以下,2)粗细粉粒可自动分级,3)可粉碎低熔点和热敏性物料,4)采用自磨原理,不会混入杂质,5)可实现联合作业
筛选目的:
清除杂质
杂物:
纤维性较长的物质,如麻绳草屑、庄稼秸秆;颗粒状物质,如沙子、泥土块、小石块等;铁磁性物质,如铁钉、螺丝等。
精选设备:
碟片式精选机,滚筒精选机,螺旋球度精选机
培养基的灭菌方法及设备
灭菌:
指用物理或化学方法杀灭或除去物料及设备中所有有生命物质的技术或工艺过程。
常用的灭菌方法:
(1)化学试剂灭菌:
常用试剂有甲醛、氯、高锰酸钾、环氧乙烷等;
(2)射线灭菌:
x-射线、β-射线、
紫外线;(3)干热灭菌;(4)湿热灭菌;(5)过滤除菌
灭菌分类:
分批灭菌(实消);空罐灭菌(空消);连续灭菌(空消);过滤器及管道灭菌
实罐灭菌:
将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热,达到预定灭菌温度后,维持一定时间,再冷却到发酵温度,然后接种发酵,又称分批灭菌。
实罐灭菌特点:
1)无需专门灭菌设备,操作简单,灭菌效果可靠。
2)灭菌时间长,降低了发酵罐利用率。
3)培养基部分成分遭到一定程度破坏。
连续灭菌:
又称连消,是指培养基连续加热、维持和冷却后进入发酵罐。
培养基连续灭菌法优点:
(1) 提高产量,设备利用率高。
(2)与分批灭菌比较,培养液受热时间短,培养基中营养成分破坏较少。
(3)产品质量较容易控制;蒸汽负荷均衡,操作方便。
(4)降低了劳动强度,适用于自动控制。
培养基热灭菌的动力学
对数残留公式与理论灭菌时间
例:
有一发酵罐,内装培养基40m3,在121℃的温度下进行实罐灭菌。
设每毫升培养基含有耐热菌的芽孢2×107个,在121℃时的灭菌速率常数为0.0287s-1。
试求灭菌失败的机率为0.001所需的时间。
上题如果是:
在131℃的温度下进行实罐灭菌
真空冷却:
物料在一定真空度下蒸发部分水,需要汽化潜热,取自料液本身,因而料液很快被冷却到真空相应的温度。
例题:
已知从汽液分离器排除物料量为12000kg/h,其比热容为3.6kJ/(kg.K),温度为100℃,要求冷却至65℃,计算真空冷却器的基本尺寸。
解:
(1)真空冷却器内产生的二次蒸汽量:
查水蒸气表和二次蒸汽在65℃时的汽化潜热r=2343.4kJ/kg,
故真空冷却器内产生的二次蒸汽量为:
与65℃相对应的真空度为76.3kPa(572mmHg),在此温度下蒸汽的密度为0.1611kg/m3,则二次蒸汽的体积流量为:
(2)真空冷却器的直径和高度:
取器内二次蒸汽的上升速度不超过1m/s,则真空冷却器的直径D:
一般真空冷却器的径高比为为:
1:
1.5~2,现取D:
H=1:
1.5,则真空冷却器的圆柱部分高H:
(3)醪液下降管(排醪管)的直径:
设糊化醪液密度=1090kg/m3,取醪液在排醪管内下降为1m/s,则醪液下降管管径D:
过滤、离心与膜分离设备
常见的单元操作:
1)固液分离:
过滤、离心、沉降等。
2)分离纯化:
萃取、蒸发浓缩、沉淀、膜分离等
3)精制成形:
结晶、干燥。
过滤原理与方法
过滤是在推动力(重力、压强、离心力)作用下,利用液固微粒或颗粒尺度的差异使悬浮液通过某种多孔性过滤介质,固体颗粒被截留,滤液则穿过过滤介质流出从而实现液固两相分离的过程。
发酵液的预处理
目的:
增大悬浮液中固体粒子的尺寸,除去高价无机离子和杂蛋白质,降低液体黏度,实现有效分离。
方法:
1.加热2.凝聚和絮凝3.加入盐类4.调节pH5.加入助滤剂
过滤介质特性:
所能截留的固体粒子的大小和对滤液的透过性。
常用过滤介质:
1.织物介质(滤布):
由棉、毛、麻等织成的天然纤维滤布和合成纤维滤布;
2.粒状介质:
硅藻土、珍珠岩粉、细砂、活性碳、白土;
3.多孔固体介质:
多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等。
板框压滤机特点
1)结构简单、操作容易、故障少、保养方便,机器使用
2)寿命长,所需辅助设备少
3)对物料的适应性强,既能分离难以过滤的低浓度悬浮液和胶体悬浮液,又能分离料液黏度高和接近饱和状态的悬浮液
4)过滤面积选择范围广,可在3-1250m2间选用
5)滤饼含湿量较低、固相回收率高、滤液澄清度好
6)滤布的检查、洗涤、更换较方便
7)过滤操作压力大,可达1MPa,过滤操作稳定
8)造价低、投资小
9)间歇操作,辅助时间长,劳动强度大
常用板框式压滤机类型
通常有BMS、BAS、BMY、BAY类型。
其中B表示板框压滤机、M表示明流、A表示暗流、S表示手动压紧、Y表示液压压紧,代号后面的数字表示过滤面积、滤框规格及框的厚度。
BMS40/635-25
板框式压滤机选型
1考察需要处理的悬浮液的特性(处理量、黏度、含固量、滤速等)、处理要求、采用何种材质的板框压滤机、明流还是暗流、压紧方式等。
确定大致的型号,原则:
无菌过滤采用不锈钢;滤液不能暴露和易挥发的的用暗流;含固量高的用厚框;考虑操作劳动强度不选手动压紧方式
2
计算板框压滤机的台数
式中VP——板框压滤机的滤箱体积,m3;VF——发酵液体积,m3;i——其湿滤渣体积与发酵液体积之比;K——滤箱的填充系数
3
评估过滤时间
式中n——滤框数目;A——滤框的过滤面积;k——滤框滤速
例:
现有发酵液30m3,经考察知其含固量为15%,滤速为0.018m3/m2h。
假定板框充填系数为0.75,现有BMY60/800-30U,请确定板框台数,并预测过滤时间。
解:
从表查得,BMY60/800-30U的过滤面积A=60m2,滤框容量VP=902L=0.902m3。
沉降是利用液固间密度差异,在重力场或离心力场中的速度差实现液固分离的过程。
密度差越大越有利于分离,重力场或离心力场越大越有利于分离。
过滤离心分离设备
评价离心力大小的是离心分离因素,其定义是对象所离心力与重力的比值或在离心力场中的离心加速度与重力加速度的比值,以F表示
F﹤3000,常速离心机
沉降式离心分离设备:
管式离心机和碟式离心机
F在3000-50000,中速离心机离心分离设备分类
F≥50000,高速离心机
F在200000-6000000,超速离心机
膜分离:
利用膜的选择性(孔径大小),以膜的两侧存在的能量差作为推动力,由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。
膜:
在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质,把流体相分隔开来成为两部分,这一薄层物质称为膜。
膜的分类
按孔径大小:
微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜
按膜结构:
对称性膜、不对称膜、复合膜
按材料分:
合成有机聚合物膜、无机材料膜
膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程,近似于筛分过程,依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的,故而可以按分离粒子大小进行分类:
微滤(Microfiltration,MF);超滤(Ultrafiltration,UF);反渗透(Reverseosmosis,RO);纳滤(NF);电渗析(Electrodialysis,ED);渗透气化(Pervaporation,PV)
微滤(MF):
以多孔细小薄膜为过滤介质,压力差为推动力,使不溶性物质得以分离的操作,孔径分布范围在0.025-14μm之间;
超滤(UF):
分离介质同上,但孔径更小,为0.001-0.02μm,分离推动力仍为压力差,适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质;
反渗透(RO):
是一种以压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的膜分离操作,孔径范围在0.0001-0.001μm之间;(由于分离的溶剂分子往往很小,不能忽略渗透压的作用,故而成为反渗透)
电渗析:
以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过性,从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作;
萃取设备
萃取:
利用在两个互不相溶的液相中各种组分(包括目的产物)溶解度的不同,从而达到分离的目的。
物理萃取:
利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力,分离过程纯属物理过程。
萃取体系的构成:
溶质:
被萃取的物质;原溶剂:
原先溶解溶质的溶剂;萃取剂:
加入的第三组分
萃取剂选择原则:
使溶质在萃取相中有最大的溶解度。
有机溶剂的选择:
根据相似相溶的原理,选择与目标产物极性相近的有机溶剂为萃取剂,可以得到较大的分配系数。
有机溶剂应当价廉易得,与水不互溶,与水有较大的密度差,黏度小,表面张力适中,相分散和相分离容易,容易回收,毒性低,腐蚀性小,不与目标产物反应。
影响萃取操作的因素
①pH值:
pH低,有利于酸性物质分配在有机相,有利于碱性物质分配在水相。
②温度:
一般采用较低的温度。
③无机盐:
无机盐的存在,有利于溶质转移到有机相。
超临界流体(supercriticalfluid,SCF):
当一种流体处于其临界点的温度和压力之下,则称之为超临界流体。
利用超临界流体为萃取剂的萃取操作称为超临界流体萃取。
超临界流体特点:
密度接近液体--萃取能力强;粘度接近气体--传质性能好。
优点:
临界条件温和;产品分离简单;无毒、无害;不燃;无腐蚀性;价格便宜(书上277页)
缺点:
设备投资大
离子交换分离原理及设备
离子交换分离:
利用离子交换树脂作为吸附剂,将溶液中的待分离组分,依据其电荷差异,依靠库仑力吸附在树脂上,然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来,达到分离的目的。
离子交换过程:
1.A+自溶液扩散到树脂表面;
2.A+从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心;
外部扩散、内部扩散、交换反应
3.A+在活性中心发生交换反应;
4.解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面;
5.B+从树脂表面扩散到溶液;
根据离子交换的操作方式不同,可分为静态和动态交换设备。
动态交换设备按操作方式不同分间歇操作的固定床和连续操作的流动床。
固定床有单床(单柱或单罐操作)、多床(多柱或多罐串联)、复床(阳柱、阴柱)及混合床(阳、阴树脂混合在一个柱或罐中)。
混合床交换罐制备无盐水的流程
固定床的放大
1.根据交换罐负荷相同的原则
交换罐负荷f:
单位时间单位湿树脂体积中所通过溶液的体积流量
D2=m1/3D1
H2=D2H1/D1
m:
放大倍数
2.根据单位树脂床截面积上通过溶液的体积流量相同的原则
v:
溶液通过树脂床线速度
该方法高度不变,直径增加。
D2=m1/2D1
H2=H1
例:
若用弱酸型树脂吸附链霉素溶液,其体积流量3m3/h,树脂床高度为1.27m,直径1m,现将流量放大1倍,求放大后的交换罐中树脂床的高度和直径。
解:
原树脂床体积:
VM1=3.14×12×1.27/4=1(m3)
交换器负荷:
f=VF/VM=3/1=3(h-1)
(1)根据交换器负荷相同原则放大
D2=m1/3D1=21/3×1=1.26(m)
H2=D2H1/D1=1.26×1.27/1=1.60(m)
VM2=mVM1=2×1=2(m3)
(2)根据线速度相同原则放大
D2=m1/2D1=21/2×1=1.42(m)
H2=H1=1.27(m)
VM2=πD22×H2/4=3.14×1.422×1.27/4=2.00(m3)
蒸发浓缩设备
蒸发:
用加热的方法使溶液中的部分水分或溶剂气化并除去。
挥发性溶剂与不挥发性溶质分离.
目的:
浓缩
蒸发浓缩的优点:
1.物料沸腾温度降低,避免或减少物料受高温发生变质;2.沸腾温度降低,提高了加热蒸汽和溶液热交换的温度差,增加了热传强度;3.为二次蒸汽的利用创造了条件,可采用双效或多效蒸发,提高热利用率;4.由于物料沸腾降低,蒸发器热损失减少。
蒸发设备必须满足的基本要求:
1.充分的加热热源,以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量;
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。
蒸发设备一般由热交换器(蒸发器)、冷凝器、气液分离器和真空系统等组成。
升膜式蒸发器工作原理:
物料从加热器下部进入,在加热管内被加热蒸发拉成液膜,浓缩液在二次蒸汽带动下一起上升,从加热器上端沿汽液分离器筒体的切线方向进入分离器,浓缩液从分离器底部排出,二次蒸汽进入冷凝器。
降膜式蒸发器工作原理:
物料从加热管上部进入,经分配器导流管进入加热管,沿管壁成膜状向下流。
升降膜式蒸发器的特点:
容易达到升膜的要求;有利于液膜体均匀分布;有利于操作控制;将两个浓缩过程串联,可提高产品的浓缩比,减低设备高度。
刮板式蒸发器:
是通过旋转的刮板使液料形成液膜的蒸发设备。
刮板式蒸发器特点:
这种蒸发器传热系数较高;设备加工精度高;圆筒的直径一般不大,一般选择在300~500毫米为宜;蒸发器加热室的圆筒内表面必须经过精加工;轴要有足够的机械强度;蒸发器在离心力场的作用下具有很高传热系数。
离心式薄膜蒸发器:
利用旋转的离心盘所产生的离心力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。
结晶设备
结晶:
是指溶质自动从过饱和溶液中析出形成新相的过程。
只有当溶质浓度超过饱和溶解度后,才可能有晶体析出。
固体有结晶和无定形两种状态
按照形成过饱和溶液途径的不同,可将结晶设备分为:
冷却结晶器、蒸发结晶器、真空结晶器、盐析结晶器和其他结晶器五大类
真空式结晶器比蒸发式结晶器要求有更高的操作真空度。
一般没有加热器或冷却器。
由于不存在传热面积,从根本上避免了在复杂的传热表面上析出并积结晶体。
干燥设备
生物工业产品干燥的特点
1.快速高效,加热温度不宜过高;
2.产品与干燥介质的接触时间不能太长;
3.干燥产品应保持一定的纯度,在干燥过程中不得有杂质混入。
生物工业产品干燥通常采用喷雾干燥、气流干燥、沸腾干燥和冷冻干燥
干燥机理
湿物料的干燥操作有2个基本过程同时进行:
1.热量由气体传递给湿物料,使其温度升高;
2.物料内部的水分向表面扩散,并在表面汽化被气流带走。
气流干燥原理及特点
工作原理:
利用热空气与粉状或颗粒状湿物料在流动过程中充分接触,气体与固体物料之间进行传热与传质,从而使湿物料达到干燥的目的。
特点:
1.干燥强度大;2.干燥时间短,对热敏性物料可选较高温介质;3.可把干燥、粉碎、输送、包装等组成一道工序;4.设备结构简单,占地面积小,生产能力小,能连续操作,可实现自动化控制;5.适用性广,可使用于各种粉粒状、碎块状物料;6.对晶形磨损厉害;7.热能利用率低。
喷雾干燥原理:
利用不同的喷雾器,将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状,形成具有较大表面积的分散微粒同热空气发生强烈的热质交换,迅速排除本身的水分,在几秒至几十秒内获得干燥。
喷雾干燥特点:
1.干燥速率快、时间短;2.干燥温度低;3.制品具有良好的分散性和溶解性,成品纯度高。
流化床干燥(沸腾干燥)原理及特点
原理:
利用流态化技术,即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。
特点:
1.传热传质速率高;2.干燥温度均匀,控制容易;3.结构简单,可连续化、自动化生产,且设备结构简单,生产能力高,动力消耗小。
空气净化除菌的方法与原理
发酵工厂对空气的质量要求
无菌,无灰尘,无杂质,无水,无油,温度,湿度,正压等要求;
无菌空气:
是指通过除菌处理使空气中含菌量降低到零或极低,从而使污染的可能性降至极小。
生物工业生产中对无菌空气的无菌程度要求是:
一般要求1000次使用周期中只允许有一个菌通过,即经过滤后空气的无菌程度为N=10-3。
洁净空间:
指空气中微粒受控制的空间。
洁净度级数(英制):
每1ft3空气中,粒径大于等于0.5μm的最大允许粒子数。
洁净度级数(国际制):
每1m3空气中,粒径大于等于0.5μm的最大允许粒子数的常数对数值。
空气洁净级数(英制)
粒径≥0.5μm的最大微粒数(个/ft3)
粒径≥0.5μm的最大微粒数(个/m3)
空气洁净级数(国际)
100
100
3500
M3.5
1000
1000
35000
M4.5
10000
10000
350000
M5.5
100000
100000
3500000
M6.5
贮气罐作用:
消除压缩机排出空气量的脉冲,维持稳定的空气压力,同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。
H/D=2.2-2.5
V=10-20%VC(压缩机的排气量,m3/min)
汽液分离器作用:
将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。
一般常用的有旋风式和填料式。
过滤效率:
就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值,它是衡量过滤设备的过滤能力的指标。
N2/N1——过滤后与过滤前空气中微粒浓度的比值,即穿透滤层的微粒浓度与原微粒浓度的比值(穿透率)
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