1、 生物工程設備是生物工程專業的必修專業課，是在學完了專業基生物工程設備是生物工程專業的必修專業課，是在學完了專業基礎課和技術基礎課之后開設的有關生物加工過程設備的原理、構礎課和技術基礎課之后開設的有關生物加工過程設備的原理、構造、設計及應用的一門專業課。為使生物技術的實驗室成果開發造、設計及應用的一門專業課。為使生物技術的實驗室成果開發成產業，必須要構造由生物工程設備構成的生產線，是生物工程成產業，必須要構造由生物工程設備構成的生產線，是生物工程專門高級人才必須掌握的內容之一。專門高級人才必須掌握的內容之一。 本課程的任務：是按照生物加工過程的工藝要求，講述生物加工本課程的任務：是按照生物加工

2、過程的工藝要求，講述生物加工過程設備之共性，闡述各設備的過程設備之共性，闡述各設備的原理原理、構造構造、設計設計、應用應用或或選用選用，使生物工程的學生在學習了生物化學、微生物學、物理化學和化使生物工程的學生在學習了生物化學、微生物學、物理化學和化工原理的基礎上，進一步掌握生物工程設備的基本內容和基本理工原理的基礎上，進一步掌握生物工程設備的基本內容和基本理論。論。 Chapter1 Chapter1 培養基準備與培養基滅菌的設備；培養基準備與培養基滅菌的設備；Chapter2 Chapter2 發酵用壓縮空氣預處理及除菌設備；發酵用壓縮空氣預處理及除菌設備；Chapter3 Chapter3

3、 生物反應器與發酵參數檢測元件；生物反應器與發酵參數檢測元件；Chapter4 Chapter4 液液- -固分離設備；固分離設備；Chapter5 Chapter5 萃取設備；萃取設備；Chapter6 Chapter6 層析設備和離子交換設備；層析設備和離子交換設備；Chapter7 Chapter7 蒸發和結晶設備；蒸發和結晶設備；Chapter8 Chapter8 生物產品干燥設備；生物產品干燥設備；Chapter9 Chapter9 生物制藥生產生物制藥生產GMPGMP規范要點規范要點u生物工程設備生物工程設備徐清華主編，科學出版社，徐清華主編，科學出版社，20042004u生化反應

4、動力學與反應器生化反應動力學與反應器戚以政、汪叔雄主編，化學工業出戚以政、汪叔雄主編，化學工業出版社，版社，1996 1996 u生化反應工程生化反應工程山根桓夫著，周斌譯山根桓夫著，周斌譯, , 西北大學出版社，西北大學出版社，1992 1992 u生物工程設備生物工程設備梁世中主編，中國輕工業出版社，梁世中主編，中國輕工業出版社，2002 2002 u發酵設備發酵設備高孔榮主編，中國輕工業出版社，高孔榮主編，中國輕工業出版社，1993 1993 u生物加工過程與設備生物加工過程與設備鄭裕國主編，化學工業出版社，鄭裕國主編，化學工業出版社，u生物工程設備生物工程設備陳國豪主編，化學工業出版社

5、，陳國豪主編，化學工業出版社，20072007美國美國WaveWave細胞反應器細胞反應器 Steri-CultSteri-Cult新型紅外新型紅外COCO2 2培養箱培養箱板框過濾機板框過濾機培養基滅菌的概念及意義培養基滅菌的概念及意義實罐滅菌的設備實罐滅菌的設備連續滅菌的設備連續滅菌的設備淀粉質原料的蒸煮與糖化淀粉質原料的蒸煮與糖化Keyanddifficulty:培養基的滅菌設備及計算培養基的滅菌設備及計算 培養基滅菌的目的、要求和方法培養基滅菌的目的、要求和方法 濕熱滅菌的理論基礎濕熱滅菌的理論基礎 培養基滅菌的工程設計培養基滅菌的工程設計 滅菌滅菌的方法的方法v化學滅菌化學滅菌v射線

6、滅菌射線滅菌v干熱滅菌干熱滅菌v濕熱滅菌濕熱滅菌v過濾滅菌過濾滅菌1 1、培養基實罐滅菌（分批滅菌或實消）：將、培養基實罐滅菌（分批滅菌或實消）：將培養基配制在發酵罐里，用飽和蒸汽直接加熱，培養基配制在發酵罐里，用飽和蒸汽直接加熱，以達到預定滅菌溫度并保溫一段時間，然后再以達到預定滅菌溫度并保溫一段時間，然后再冷卻到發酵溫度。冷卻到發酵溫度。2 2、培養基的連續滅菌：將配好的培養基在向、培養基的連續滅菌：將配好的培養基在向發酵罐等培養裝置輸送的同時進行加熱、保溫發酵罐等培養裝置輸送的同時進行加熱、保溫和冷卻而進行的滅菌。和冷卻而進行的滅菌。個個/ /罐。罐。 發酵生產中，往往需要對發酵生產中，

7、往往需要對培養基培養基及其及其發酵設備發酵設備進行滅菌，一般工業上常采用進行滅菌，一般工業上常采用蒸汽濕熱滅菌蒸汽濕熱滅菌。 濕熱滅菌的原理濕熱滅菌的原理 就是直接用就是直接用高溫蒸汽滅菌高溫蒸汽滅菌。蒸汽在冷凝時釋放出大。蒸汽在冷凝時釋放出大量潛能，蒸汽具有強大穿透力，蒸汽的濕熱破壞菌體蛋量潛能，蒸汽具有強大穿透力，蒸汽的濕熱破壞菌體蛋白質和核酸的化學鍵，白質和核酸的化學鍵，使酶失活使酶失活，微生物因代謝障礙而，微生物因代謝障礙而死亡。死亡。濕熱滅菌的優點濕熱滅菌的優點v蒸汽來源容易，操作費用低，本身無毒；蒸汽來源容易，操作費用低，本身無毒；v蒸汽有強的穿透力，滅菌易于徹底；蒸汽有強的穿透力

8、，滅菌易于徹底；v蒸汽有很大的潛熱；蒸汽有很大的潛熱；v操作方便，易管理。操作方便，易管理。 滅菌程度滅菌程度和和營養成分的破壞營養成分的破壞是滅菌工作中的主是滅菌工作中的主要矛盾，恰當掌握加熱要矛盾，恰當掌握加熱溫度溫度和和時間時間是滅菌工作的關鍵。是滅菌工作的關鍵。在滅菌過程中，活菌數逐漸減少，其減少量隨活菌數在滅菌過程中，活菌數逐漸減少，其減少量隨活菌數的減少而遞減，即微生物的死亡速率與任一瞬時殘留的減少而遞減，即微生物的死亡速率與任一瞬時殘留的活菌數成正比，稱之為對數殘留定律，也即反映為的活菌數成正比，稱之為對數殘留定律，也即反映為一級化學反應動力學為：一級化學反應動力學為： dNKN

9、dt 式中式中 N N0 0 開始滅菌（開始滅菌（t=0t=0）時原有活菌數；）時原有活菌數； N Nt t 經時間經時間t t后殘存活菌數。后殘存活菌數。0012.303lnlgttNNtKNKN大腸桿菌在不同溫度下的死亡曲線大腸桿菌在不同溫度下的死亡曲線在發酵罐中進行實罐滅菌，是典型的分批滅菌：全過程包括升溫、保溫、降溫三個過程連續滅菌流程及設備連續滅菌流程及設備 為了減少培養基營養成分受熱損失，滅菌盡量采用為了減少培養基營養成分受熱損失，滅菌盡量采用高溫短時高溫短時的的連續滅菌，即在培養基輸送至發酵罐的同時進行加熱、保溫和冷連續滅菌，即在培養基輸送至發酵罐的同時進行加熱、保溫和冷卻而進行

10、的滅菌。卻而進行的滅菌。時間(min)溫度圖2-3 培養基連續滅菌過程中溫度的變化20s20s2-3min14427實罐滅菌設備示意圖培養基實罐滅菌的質量優劣判別標準培養基實罐滅菌的質量優劣判別標準v1. 培養基滅菌后達到無菌要求培養基滅菌后達到無菌要求v2.營養成份破壞少營養成份破壞少v3.泡沫要少泡沫要少例：有個發酵罐，內裝培養基例：有個發酵罐，內裝培養基40m3,現采用實罐滅菌，滅菌溫現采用實罐滅菌，滅菌溫度度121，問其滅菌需要多長時間？，問其滅菌需要多長時間？（在微生物發酵行業中一般常設滅菌前每毫升培養基（在微生物發酵行業中一般常設滅菌前每毫升培養基中含有耐熱菌的芽孢為中含有耐熱菌的

11、芽孢為2107個，滅菌失敗的概率通個，滅菌失敗的概率通常定為常定為0.001，即滅菌后殘留芽孢數為，即滅菌后殘留芽孢數為0.001個）個）（1 1）連消塔）連消塔- -噴淋冷卻連續滅菌流程噴淋冷卻連續滅菌流程 圖2-4 連續滅菌設備流程示意圖1-配料罐（拌料罐）2-蒸汽入口 3-連消塔 4-維持罐 5-培養基出口 6-噴淋冷卻 7-冷卻水1234567（2 2）噴射加熱）噴射加熱- -真空冷卻流程真空冷卻流程圖2-5 加熱-真空冷卻連續滅菌流程生培養液蒸汽噴射加熱器維持管膨脹閥急聚蒸發室滅菌好的培養液真空 圖2-6 薄板換熱器連續滅菌流程維持段蒸汽加熱段熱回收段水冷卻段生培養液冷卻水滅菌好的培

12、養液（3 3）板式換熱器滅菌流程）板式換熱器滅菌流程（4 4）冷卻設備）冷卻設備 常用噴淋冷卻器和套管冷卻器。常用噴淋冷卻器和套管冷卻器。 前者是將冷卻水通過噴淋裝置均勻的淋在水平的排管前者是將冷卻水通過噴淋裝置均勻的淋在水平的排管上，以冷卻管內的培養基。上，以冷卻管內的培養基。 后者是一種內管走熱培養基，內外管間的管隙中走冷后者是一種內管走熱培養基，內外管間的管隙中走冷卻水的冷卻器卻水的冷卻器。a a、連續滅菌的優缺點、連續滅菌的優缺點 Advantages保留較多的營養質量保留較多的營養質量容易放大容易放大較易自動控制；較易自動控制；糖受蒸汽的影響較少；糖受蒸汽的影響較少；縮短滅菌周期；縮

13、短滅菌周期；發酵罐利用率高；發酵罐利用率高； DisadvantagesDisadvantages設備比較復雜，投資較大。設備比較復雜，投資較大。分批滅菌的優缺點 Advantages:設備投資較少設備投資較少染菌的危險性較小染菌的危險性較小人工操作較方便人工操作較方便對培養基中固體物質含量較多時更為適宜對培養基中固體物質含量較多時更為適宜 Disadvantages:滅菌過程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負荷波動滅菌過程中蒸汽用量變化大，造成鍋爐負荷波動大，一般只限于中小型發酵裝置。大，一般只限于中小型發酵裝置。 采用連續滅菌，發酵罐應在加入滅菌的培養基前先行單獨滅菌。通常是用蒸汽加熱發酵罐的夾

14、套并從空氣分布管中通入蒸汽，充滿整個容器后，再從排氣管中緩緩排出。在保溫結束后，關鍵是隨即通入無菌空氣，使容器保持正壓。 在發酵過程中，往往要向發酵罐中補入各種不同的料液。在發酵過程中，往往要向發酵罐中補入各種不同的料液。這些料液都必需經過滅菌。這些料液都必需經過滅菌。 滅菌的方法則視料液的性質、體積和補料速率而定。滅菌的方法則視料液的性質、體積和補料速率而定。 如果補料量較大，而具有連續性時，則采用連續滅菌較如果補料量較大，而具有連續性時，則采用連續滅菌較為合適。為合適。 也有利用過濾法對另補料液進行除菌。也有利用過濾法對另補料液進行除菌。 補料液的分批滅菌，通常是向盛有物料的容器中直接通補

15、料液的分批滅菌，通常是向盛有物料的容器中直接通入蒸汽。入蒸汽。 所有的附屬設備和管道都要經過滅菌。所有的附屬設備和管道都要經過滅菌。二、淀粉質原料的蒸煮與糖化 蒸煮目的 糖化定義 連續蒸煮糖化流程96 213578蒸煮 廢氣 去發酵罐10冷水4圖2-12 連續糖化工藝工程1-后熟罐 2-真空罐 3-混合冷凝器 4-水密封池 5-真空蒸發罐 6-糖化鍋 7-硫酸罐 8-液曲罐 9-轉料泵 10-噴淋冷卻器罐式蒸煮罐式蒸煮在我國發酵在我國發酵廠，將噴射廠，將噴射加熱器與后加熱器與后熟器、糖化熟器、糖化罐組成了連罐組成了連續蒸煮糖化續蒸煮糖化流程，流程，1、蒸煮設備（1）罐式蒸煮設備 圖2-13 蒸

16、煮罐1-粉漿入口 2-加熱蒸汽管 3-糊化醪出口 4-安全閥接口 5-壓力表 6-制液體曲醪出口 7-罐耳 8-溫度計測溫口 9-人孔321546879 圖2-14 最后一個后熟器（氣液分離器）1-糊化醪入口 2-糊化醪出口 3-耳架 4-自控液位儀表接口5-壓力表 6-二次蒸汽進口 7-人孔 8-安全線 9-液位指示器8756493412糊化醪（2 2）柱式連續蒸煮設備）柱式連續蒸煮設備3圖2-15 柱式連續蒸煮流程圖1-粉漿罐 2-泵 3-加熱器 4-緩沖器 5-柱子 6-后熟器1245555566圖2-16 加熱器粉漿粉漿蒸汽蒸汽（3 3）管式連續蒸煮）管式連續蒸煮2010圖2-17 管

17、式連續蒸煮設備流程圖1817161911761512131412895431-輸送機 2-斗式提升機 3-貯料斗 4-錘式粉碎機 5-螺旋輸送機 6-粉漿罐 7-泵 8-預熱鍋9-近料控制閥 10-過濾器 11-泥漿泵 12-單向閥 13-三套管加熱器 14-蒸煮管道 15-壓力控制閥 16-后熟器 17-蒸汽分離器 18-真空冷凝器 19-蒸汽冷凝器 20-糖化鍋 原料粉碎原料粉碎攪拌和加料預煮攪拌和加料預煮加熱器加熱器管式連續蒸煮管式連續蒸煮后熱器后熱器蒸汽分離器蒸汽分離器送至糖化工序送至糖化工序123至糖化鍋蒸汽空氣混合氣體料液冷水 圖2-18 真空冷卻器1-真空冷卻器 2-膜式塔 3-

18、噴射器2 2、連續糖化設備、連續糖化設備 其作用是連續地把糊化醪與水稀釋，并與液體曲、其作用是連續地把糊化醪與水稀釋，并與液體曲、麩曲或糖化酶混合，在一定溫度下維持一定時間，保持麩曲或糖化酶混合，在一定溫度下維持一定時間，保持流動狀態，以利于酶的活動。流動狀態，以利于酶的活動。 啤酒生產中麥芽汁的制備設備啤酒生產中麥芽汁的制備設備 圖2-19 連續糖化罐糊化醪進管 2-水和液體曲或曲乳或糖化酶進入 3-無菌壓縮空氣管 4-人孔 5-溫度計測溫口 6-殺菌蒸汽進口管 7-糖化醪出口 8-攪拌器糊化醪無菌壓縮空氣糖化醪124 8 35676啤酒是生物加工產業中的一個典型產品，中國的啤啤酒是生物加工

19、產業中的一個典型產品，中國的啤酒生產已位于全世界第三位。影響啤酒產量和質量的酒生產已位于全世界第三位。影響啤酒產量和質量的關鍵因素之一是麥芽汁的制備。麥芽汁是啤酒酵母的關鍵因素之一是麥芽汁的制備。麥芽汁是啤酒酵母的培養基。培養基。三、啤酒生產中麥芽汁的制備設備三、啤酒生產中麥芽汁的制備設備1、糊化鍋 用來加熱煮沸輔助原料（大米粉或玉米粉）和部分麥芽粉醪液，使其淀粉液化和糊化。 圖2-34 糊化鍋大米粉進口 2-熱水進口 3-攪拌器 4-加熱蒸汽管進口 5-蒸汽冷凝水出口 6-糊化醪出口 7-不凝性氣體出口 8-耳架 9-麥芽粉液或糖化醪入口 10-環形槽 11-污水排出口管 12-風門大米粉熱

20、水 污水糖 化 醪1234798121110h1h2f1f2圖2-35 球形鍋中麥芽汁的循環圖2 2、麥芽汁煮沸鍋、麥芽汁煮沸鍋 用于麥汁的煮沸和濃縮，把麥汁中多余水分蒸發掉，使其達到要求濃度，并加入酒花，使酒花中所含的苦味及芳香物質進入麥汁中。 麥汁出口麥汁入口冷熱水進口冷凝水出123467891011 圖2-37 麥牙煮沸鍋1-電動機 2-減速箱 3-出料閥 4-攪拌裝置 5-鍋體 6-液量標尺7-入孔雙拉門 8-鍋蓋 9-排氣管 10-筒形風帽 11-入孔單拉門3 3、糖化醪過濾槽、糖化醪過濾槽 主要用于醪液的糖化和麥汁的過濾。冷凝水出1/2蒸汽進1/2蒸汽進出料進料冷熱水進口冷凝水出1

21、2345789101112131415 圖2-38 糖化醪過濾槽1-油壓缸 2-出槽口 3-減速箱 4-變速箱 5-耕槽裝置 6-電動機 8-射水槽 9-槽體 10-入孔雙拉門 11-入孔單拉門 12-槽蓋 13 下粉筒 14 排汽管 15-筒形風帽6四、淀粉水解制糖四、淀粉水解制糖 淀粉水解為葡萄糖的方法有酸解法、酶解法和酸酶結合法等。1、酸解設備（1）加壓罐水解糖化612345蒸汽蒸汽 圖2-39 糖化罐構造圖1-淀粉乳管 2-噴出管 3-蒸汽排出管 4-安全閥 5-入孔 6-酸管（2 2）管道水解糖化）管道水解糖化 管道糖化法是將加了酸的淀粉乳用泵輸送，流經管道，用蒸汽直接或間接加熱，使

22、淀粉乳糊化、糖化，在一定溫度下流經其余管道，在它端流出，達到需要的糖化程度。235674蒸汽蒸汽糖化液淀粉酸水 圖2-40 直接加熱式管道糖化設備1-混合桶 2-加熱器 3-進料罐 4-放料閥 5-急驟蒸發器 6-糖化管 7-泵23654中和區蒸汽糖化液冷卻水蒸汽溶液Na CO 圖2-41 糖化管道示意圖1-淀粉乳 2-泵 3-糖化管 4-閥 5-急驟蒸發器 6-加熱管淀粉乳蒸汽ooo圖2-42 間接式加熱管構造示意圖淀粉乳酸蒸汽4糖化液32蒸汽 圖2-43 糖化管設備示意圖1-攪拌器 2-糖化管 3-急驟蒸發器 4-閥 5-加熱器 6，7-泵17652 2、酶解設備、酶解設備 酶解分為液化和糖化兩步。（1）液化 升溫液化法、高溫液化法和噴射液化法。液化桶噴射液化器進料桶淀粉乳桶出料控制蒸汽溫度控制淀粉乳圖2-45 噴射液化設備流程圖圖圖2-46 2-46 噴射液化器構造示意圖噴射液化器構造示意圖圖圖2-47 2-47 噴射液化器噴射液化器加熱處理真空快速冷卻淀粉乳液化酶蒸汽冷卻水液化冷卻糖化酶酸泵蒸汽 冷凝水液化酶糖化過濾圖2-48 管道3-段連續液化流程圖