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生物工程设备复习点总结 生化反应器的设计是以生物体的代谢为核心，除考虑传质、传热的因素外，还需要考虑对环境条件的要求，同时为提高传质和传热的效率需配置搅拌装置的要考虑剪切力对菌体生长的影响。发酵过程纯种培养，要求无菌条件。 生化反应的目的可分为三类：1.生产细胞：菌体细胞，单细胞蛋白、活菌制剂等；2.细胞的代谢产物：酒精、氨基酸、抗生素等；3.直接用酶催化的产物：淀粉糖（果葡糖浆、葡萄糖、饴糖等）；大豆蛋白低分子肽等。机械搅拌通风发酵罐：它是通过外加压力(空气压缩机)将空气通入发酵罐，并利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。自吸式发酵罐：利用特殊的机械搅拌装置或液体喷射吸气装置或溢流喷射器吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。毋须另外提供压缩空气。气升式发酵罐：气升式生物反应器是利用气体的喷射动能和液体的重度差引起气液循环流动，从而实现发酵液的搅拌、混合和溶氧。通用罐的基本条件（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。常Ho /D =2。（2）发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必须的溶解氧。 （4）发酵罐应具有足够的冷却面积。（5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，能灭菌彻底，避免染菌（6）搅拌器的轴封应严密，防杂菌污染和泄漏。热交换装置夹套式换热装置：多用于容积较小的发酵罐、种子罐；夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。 优点是：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。 其缺点是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。竖式蛇管换热装置：安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，容积5m3以上的发酵罐多用这种换热装置。 优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。这种冷却装置适用于冷却用水温度较低的地区，水的用量较少。 不足：气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过40C，影响发酵产率，应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，增加了投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。竖式列管(排管)换热装置：是以列管形式分组对称装于发酵罐内。优点：加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区。缺点：传热系数较蛇管低，用水量较大。轴封：作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有两种：填料函式轴封和端面式轴封（又称机械轴封）。填料函式轴封的优点是结构简单，主要缺点是：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修，耗工时多。端面式轴封的优点：清洁；密封可靠无死角；使用寿命长；摩擦功率耗损小；轴或轴套不受磨损；缺点：结构比填料密封复杂，装拆不便；对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。 轴承：为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦(如聚四氟乙烯等)，轴与轴承的接触处可加一个轴套。通气发酵罐（好氧性发酵罐）主要包括机械搅拌通气发酵罐、气升式发酵罐及自吸式发酵罐。发酵罐中的搅拌器：作用有混合、传质、传热、溶氧（打碎气泡）。类型可分为轴向（如螺旋桨）和 径向（如涡轮式）。圆盘平直叶涡轮搅拌器：设有圆盘阻挡大的气泡，避免气泡从轴部的叶片空隙上升，使气泡更充分地分散。具有很大的循环输送量和功率输出，适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿流体的搅拌混合。圆盘弯叶涡轮搅拌器的搅拌流型与平直叶涡轮的相似，但前者造成的液体径向流动较为强烈，因此在相同的搅拌转速时，前者的混合效果较好。但由于前者的流线叶型，在相同的搅拌转速时，输出的功率较后者的为小。因此，在混合要求特别高，而溶氧速率相对要求略低时，可选用圆盘弯叶涡轮。圆盘箭叶涡轮搅拌器：其搅拌流型与上述两种相近，但轴向流动较强烈，在同样转速，造成的剪率低，输出功率也较低。圆盘的作用：若无圆盘阻挡，则从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快，走短路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻挡只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。涡轮式搅拌器的流型：上述三种涡轮搅拌器的搅拌流型基本相同，各在涡轮平面的上下两侧形成向上和向下的两个翻腾。如不满足全挡板条件，轴中心位置都有凹陷的旋涡。螺旋桨式搅拌器形成轴向的螺旋流动，混合效果较好，但造成的剪率较低，对气泡的分散效果不好。一般用在藉压差循环的发酵罐中，以提高其循环速度。常用的螺旋桨叶数Z=3。罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型：罐中心垂直安装的螺旋桨，在无挡板的情况下，在轴中心形成凹陷的旋涡。如在同一罐内安装46块挡板，液体的螺旋状流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使旋涡消失（适当安排冷却排管也可）。挡板的作用：是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。 发酵液中因含蛋白质等发泡物质，发酵过程中易产生泡沫，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，且增加染菌机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法：1.加化学消泡剂：如豆油；2.机械消泡：耙式消泡器、涡轮式消泡器、旋风离心和叶轮离心式消泡器、碟片式消泡器、刮板式消泡器。搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混合强度与单位体积液体中输入的搅拌功率有很大关系。 搅拌器所输入搅拌液体的功率取决因素有：叶轮和罐的相对尺寸、搅拌器的转速、流体的性质、挡板的尺寸和数目。机械通风发酵罐的溶氧1氧在液体中的溶解 1.1 溶氧速度，双膜理论的基本前提：（1）气泡和液体之间存在界面，两边分别有气膜和液膜，均处于层流状态，氧分子只能借浓度差以扩散方式透过双膜，（2）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于平衡关系。（3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。根据双膜理论假说，氧在液体中的溶解速率关健在于气液接触面上氧的传递速率，而单位接触面上氧传递速率决定于传递动力与阻力之比，动力为气液两相之间的氧浓度或氧分压差，阻力则来自气膜和液膜。1.2影响体积氧传递系数KLa的因素：搅拌、空气流速、空气分布管、发酵罐内液柱的高度、发酵液的性质、泡沫和消泡剂、菌体浓度。其中，环形空气分布管的分布装置：喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。1.3 影响传质推动力的因素：温度（氧在水中的溶解度随温度的升高而降低 ）。溶液的性质：盐和糖的存在降低了氧的溶解度。在电解质溶液中，由于发生盐析作用，使氧的溶解度降低。提高氧分压的一个方法就是提高气泡总压力。 2、 微生物的耗氧单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速率。25100m mol氧/（Lh）；微生物呼吸开始受到影响的溶氧浓度称为临界溶氧浓度。3、溶氧浓度的测量和控制用耐高温的复膜电极在线测量：将阴极、阳极和电解质溶液装入壳体，用能透过氧分子的高分子薄膜封闭起来，并使阴极紧贴薄膜，就成了极谱型复膜电极。气升式发酵罐：机械搅拌发酵罐其通风原理是罐内通风，靠机械搅拌作用使气泡分割细碎，与培养基充分混合，密切接触，以提高氧的吸收系数；设备构造比较复杂，动能消耗较大。采用气升式发酵罐可以克服上述的缺点。1.气升式反应器的类型：气升环流式、空气喷射式、鼓泡式。2.气升式反应器工作原理：通过喷嘴或喷孔将空气喷射进发酵液中，通过气液的湍流作用面使气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度减小而向上升，而气含率小的发酵液因密度较大而下降，从而实现混合和溶氧传质。3.气升式反应器的特点：1）反应溶液分布均匀。2）较高的溶氧速率和溶氧效率。3）剪切力小，对生物细胞损伤小。4）传热良好。5）结构简单，易加工。6）操作和维修方便。自吸式发酵罐：如机械、喷射、溢流自吸式发酵罐。自吸式吸气原理：此类发酵罐吸气的主要构件是吸气搅拌叶轮及导轮，也被称为转子和定子。转子的叶轮是中空的，当其转动时，腔内的液体被甩出而形成局部真空从而从中空的转轴吸入空气，通过导轮均匀地分布于发酵液中。特点：节约设备、不需附属设备、减少厂房占地面积；溶氧速率高，能耗低；因负压吸气而较易染菌，要过滤空气。1.机械自吸式发酵罐的吸气原理：当转子转动时，其框内液体被甩出而形成局部真空而吸入空气。2.喷射自吸式发酵罐如文氏管发酵罐的吸气原理：泵将发酵液送入文氏管中，由于收缩段中流速增加，形成真空，将空气吸入，并使气泡分散，与液体混合均匀，提高发酵液的溶解氧。3.溢流自吸式发酵罐吸气原理:是液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气作用。酒精发酵设备一、酒精发酵原料：生产酒精主要用淀粉质原料，如甘薯干、玉米等；糖质原料常用的有糖蜜、甘蔗、甜菜和甜高梁等。二、与酒清发酵有关的微生物：用于水解淀粉生产糖化曲的主要是曲霉和根霉。在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母，俗称酒母。利用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母。三、酒精发酵工艺：常用淀粉质原料和糖质原料的酒精发酵工艺。(1) 淀粉质原料酒精发酵工艺分为原料预处理、原料蒸煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏等工艺如图1.原料预处理(1)原料的除杂 (2)原料的粉碎：目的主要是增加原料受热面积,有利于淀粉颗粒的吸水膨胀、糊化,缩短后续热处理时间,提高热处理效率。另外,粉末原料加水混合后容易流动输运。原料粉碎方法主要分为干粉碎和湿粉碎两种:设备大多采用锤式粉碎机。2.蒸料：淀粉质原料吸水后在高温高压下蒸煮，可以破坏植物组织和细胞，使淀粉彻底糊化、液化，使蒸煮物料成为均一的糊化醪，为进一步的淀粉转化为糖创造良好的条件；其次蒸料还有灭菌的作用。3.糖化曲制备：糖化曲分固体曲和液体曲，用麸皮为主原料制成的固体曲叫麸曲，用液体深层通风培养的称为液体曲。连续糖化工艺：根据蒸煮醪冷却(前冷却)和糖化醪液冷却(后冷却)的方法不同，可将连续糖化工艺分成混合冷却连续糖化、真空冷却连续糖化和三级真空冷却连续糖化三大类。4.乙醇发酵工艺有间歇发酵、半连续式发酵和连续式发酵三类。过程可分为前发酵期、主发酵期和后发酵期三个阶段。前发酵期：一般为前10h，酵母数量少，糖分消耗慢，酒精和CO2产生少，发酵醪表面较平静。发酵温度不超过30。主发酵期：前发酵期之后的12h左右，酵母已大量增殖并逐渐停止繁殖而主要进行乙醇发酵。使糖分迅速下降，酒精量逐渐增多，醪液产生大量CO2，有很强的CO2泡沫响声。此期间发酵醪温度上升快，应控温在3034。后发酵期阶段：经主发酵期，醪液的大部分糖分已被耗掉，发酵弱，产热少，发酵醪温度渐降，应控制在3032。5、 酒精蒸馏与精馏，蒸馏设备后面学习。 (二) 糖质原料酒精发酵工艺：糖质原料制酒精不必要糖化及之前的操作，工艺较简单。例如糖蜜酒精发酵工艺过程包括前处理、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏四个工序。 前处理包括的内容有：稀释糖蜜。糖蜜常缺乏酵母必需的营养，需添加一些氮源、营养盐(如硫酸铵、硫酸镁、磷酸盐等)以及生长因子(如酵母菌自溶物)等。五、酒精发酵罐1.酒精发酵罐筒体为圆柱形，低盖和顶盖均为碟形或锥形。为了回收CO2及其带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。2.冷却装置：中小型酒精罐采用罐顶喷淋于罐外壁进行膜状冷却；而大型酒精发酵罐则采用罐顶喷淋与罐内冷却蛇管相结合。为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。3.洗涤装置:发酵罐水力洗涤装置由一根两头装有喷嘴，上开有喷孔的洒水管和一根供水管组成，它们通过一活接头连接。洒水管两端弯曲，它是靠两端喷嘴喷水时形成的反作用力而使喷水管产生旋转。啤酒发酵设备添加酒花：麦芽汁煮沸过程中分34次加入啤酒酿造工艺 （1）工艺流程：原料大麦清选分级浸渍发芽干燥麦芽及辅料粉碎糖化过滤麦汁煮沸麦汁沉淀麦汁冷却接种酵母繁殖主发酵后发酵过滤包装杀菌贴标成品。 （2）技术要点。 接种与酵母增殖。冷却麦芽汁入酵母繁殖槽，接种6代以内回收的酵母泥5（或扩大培养的种子液），控制品温68，好氧培养1224h，待起发后入发酵池（罐）进行主发酵。 主发酵，也称前发酵，可分四个时期：起泡期、 高泡期、落泡期、泡盖形成期。 后发酵。后发酵的主要作用是使残糖继续发酵，促进CO2在酒液中饱和；同时利用酵母内酶还原双乙酰； 后处理。后发酵结束，酒液经过过滤、装瓶、热杀菌（60 30min）处理，称为熟啤酒，而不经热杀菌的称为鲜啤酒。发酵液的对流主要依靠发酵生成的CO2之作用。在整个锥形罐的发酵液中形成一个CO2含量的梯度。比重较小的发酵液具有上浮的提升力。而且在发酵时上升的CO2气泡对周围的液体具有一种拖曳力，由于拖曳力和提升力结合后所造成的气体搅拌作用，促进发酵液的循环传质及混合相热交换。冷却操作时啤酒温度的变化也会引起罐的内容物的对流循环。（3）、新型啤酒发酵设备圆筒体锥底发酵罐：简称锥形罐，可单独用于前发酵或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行（一罐法）。设备的外型特点 筒体蝶形或拱形盖，锥形体底，罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套。筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。对单酿罐一般是D：H1：12。对两罐法的发酵罐D：H1：34。 发酵罐锥底角，取排出角为7375，考虑到发酵中酵母自然沉降最有利(一定体积沉降酵母在锥底中占有最小比表面积时摩接力最小)，对于贮酒罐，因沉淀物很少，主要考虑材料利用率常取锥角为120150 。 啤酒循环的目的是为了回收酵母，降低酒温，控制酒母浓度和排除啤酒中的生味物质。CIP (Clean In Place)清洗系统，是指设备（罐体、管道、泵、过滤器等）及整个生产线在无需人工拆开或打开的前提下，在一个预定时间内，将一定温度的清洁液通过密闭的管道流速对设备表面进行喷淋循环而达到清洗目的设备装置。原理：由贮罐完成配制加热清洗液，经气动控制阀与增压泵、回流泵来完成清洗液的输送及回流循环清洗、排放、回收整个清洗过程。CIP 使用的清洗剂：清洗过程一般首先需要将污物从被清洗表面分离, 再将此污物在清洗液中分散形成一种稳定的悬浮状态, 并防止污物重新沉淀在被清洗物的表面上。中性清洗剂（如水）；酸性清洗剂（常使用的无机酸为硝酸、磷酸、硫酸; 有机酸为醇酸、葡萄糖酸和柠檬酸, 乳酸和酒石酸）是用以溶解设备表面矿物质沉积物, 如钙镁的沉积物、硬水积石、啤酒积石、牛乳积石和草酸钙等；碱性清洗剂，食品工厂使用最广泛，碱与脂肪结合形成肥皂，与蛋白质形成可溶性物质而易于被水清除，最常用的碱为NaOH、KOH等, NaOH 的缺点是难过水, 过水冲洗时间长；但NaOH 的清洗效果好。CIP 过程的消毒剂：如次氯酸盐、碘化物、稳定性二氧化氯、酸性阴离子表面活性剂等，消毒前要彻底清洗。动、植物细胞培养与微生物培养区别：动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞附着在固体或半固体的表面才能生长；对营养要求严格，除氨基酸、维生素、盐类、葡萄糖或半乳糖外，还需有血清。动物细胞对环境敏感，包括pH、溶氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要求，一般须严格的监测和控制。 一、植物细胞培养反应器1、 悬浮培养有机械搅拌反应器和非机械搅拌反应器；机械搅拌反应器：优点是获得高的溶氧系数，而主要问题是剪切力问题和无菌密封问题（机械搅拌需搅拌轴）。非机械搅拌反应器通常为气体搅拌反应器，主要有鼓泡式反应器（又分内、外循环式）和气升式反应器。优点：剪切力小，对植物细胞损伤小；因没有搅拌轴而更易保持无菌；操作费用低。 不足：因气体搅拌强度低，高密度培养时混合不够均匀，须靠大量的通气输入动量和能量；过量的通气易排除培养液中的CO2和乙烯，对细胞生长有阻碍作用；过高的溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利。2、固定化细胞生物反应器包括填充床反应器、流化床反应器、膜反应器。固定化细胞 ：将具有一定生理功能的生物体（如微生物、植物细胞、动物细胞或组织、细胞器等），用物理或化学方法使其与适当载体相结合，作为固体催化剂利用。1）填充床反应器优点：单位体积细胞多，受剪切力小。缺点：由于其混合效果低，对必要的氧传递，pH值、温度控制和气体产物(如C02)的排除造成了困难。再者支持物颗粒破碎易堵塞填充床。2）流化床反应器：利用液体或气体的流动使支持物颗粒处于悬浮状态。优点：良好的传质特性。缺点：剪切力和颗粒碰撞会损坏固定化细胞，同时，流体动力学的复杂性使之难以放大。3）膜反应器如中空纤维反应器（细胞保留在管外，基质走管内）和螺旋式卷绕反应器（将固定有细胞的膜卷成圆柱状）。优点是可重复使用，易放大，且能提供更均匀的环境条件；膜有选择性，易分离产品。缺点是构建膜反应器的成本高。二、植物组织培养及反应器1.发状根的大规模培养：发根是整体植株或其某一器官、组织(包括愈伤组织)、单细胞甚至原生质体受发根农杆菌的感染所产生的一种病理现象(形成多分枝的不定根)。 2.小植物的大规模快速繁殖两条途：1、形成不定芽途径；2、形成胚状体途径。动物细胞培养反应器一、动物细胞培养方法：非贴壁依赖性细胞和贴壁依赖性细胞。1、 贴壁培养是指必须贴附在固体介质表面生长的细胞培养。大多数动物细胞有贴壁依赖性，如成纤维细胞和上皮细胞。2、悬浮培养是指细胞在培养器中自由悬浮生长的过程，主要用于非贴壁依赖性细胞的培养，如杂交瘤细胞等。3、固定化培养：微载体培养：采用葡聚糖等微小的颗粒让细胞贴附其上进行培养。大载体培养：采用海藻酸钠在钙液中形成的的网络状凝胶珠做为细胞的吸附载体进行培养。包埋和微囊培养：将动物细胞包裹在凝胶载体或微囊内进行培养，对两类细胞都适用，细胞生长的密度高，抗剪切力和抗污染能力强。对非贴壁依赖性细胞常用海藻酸钙包理；对贴壁依赖性细胞常用胶原包理。 结团培养：利用有些贴壁依赖性细胞有集结成团的特点，以细胞本身做为基质，相互吸附后，再用悬浮的方法进行培养。二、动物细胞培养的操作方式(1)分批式(Batch) 将细胞和培养液一次性装入反应器内进行培养，反应后将整个反应系取出。(2)流加式(Fedbatch) 一次培养多次加入原料，反应终止时取出整个反应系。(3)半连续式：在分批式操作的基础上，不全部取出反应系，剩余部分重新补充新的营养成分，再按分批式操作方式进行。(4)连续式(Continuous) 是指将细胞种子和培养液一起加入反应器内进行培养，一方面新鲜培养液不断加入反应器内，另一方面又将反应液连续不断地取出，使反应条件恒定。如果细胞不被取出，例如微载体培养系统，则又称为灌注培养。三、动物细胞大规模培养反应器1、 通气搅拌式细胞培养反应器2、气升式动物细胞培养反应器：剪切力小，器内没有机械运动部件，因而活细胞损伤率比较低；直接喷射空气供氧，氧传递速率高，供氧充分；液体循环量大，使细胞和营养成分能均匀地分布于培养基中。3、中空纤维细胞培养反应器用于培养悬浮生长的细胞和贴壁依赖性细胞。4、微载体悬浮培养系统用微珠作载体， 使单层动物细胞生长于微珠表面，可在培养液中进行悬浮培养。优点：比表面积大；生长条件易控制且易放大，兼贴壁与悬浮培养的优势，取样方便；易于分离。 5、微囊培养系统：技术是将生物活性物质、完整的活细胞或组织包在薄的半透膜内。先将细胞悬浮于海藻酸钠溶液,再将细胞悬浮液滴入CaCl2溶液,后用半透膜和长链聚合物氨基酸包被，形成坚韧多孔的可通行的外膜。6、大载体系统培养：大载体由海藻酸钠构成。7、流化床反应器既可培养贴壁依赖性细胞，也可培养非贴壁依赖性细胞。传质性能好，循环系统采用膜气体交换器，能快速供给高密度细胞所需的氧，同时排除代谢产物如CO2。其液体流速足以使细胞微粒悬浮，却不会损坏脆弱的细胞。8、无泡搅拌反应器采用多孔的疏水性的塑料管装配成通气搅拌桨。用于实验室研究和中试工业生产。9、陶质矩形通道蜂窝状生物反应器微藻大规模培养反应器（一）、微藻培养反应器的条件：1足够的光照； 2合适的温度；3合适的碳源；4合适的pH值；5充分的混合；6避免污染；7氧的析出与供给。（二）、微藻大规模培养反应器：1、敞开式培养反应器：池或天然湖泊。优点：成本低、建造容易、操作简便易生产。缺点：培养效率低；条件难控制；易受杂藻、水生动物、大气灰尘等污染；水分易蒸发；光能利用率低，难实现高密度培养。2、封闭式光培养反应器封闭式光培养反应器的优点：培养效率高；培养条件易控制；污染少；生产周期长；合于所有藻类的培养。设计原则：高光照表面积与体积比；较高气液交换率；适合的循环方式；改善光的传播途径、分配和质量；防止有害代谢产物的积累；较易实现培养条件的优化控制；尽量降低生产成本。类型有管道式光培养反应器、圆筒型光培养反应器、扁平箱式光培养反应器、浅层槽式反应器、光纤光培养反应器。（三）生物反应器的检测及控制在线检测：仪器的电极等可以直接与反应器内的培养基接触或可连续从反应器中取样分析测定。取样测定（离线测量）：从反应器中取样出来，然后用仪器分析或化学分析等方法进行检测。1、 pH计原理：玻璃电极与参比电极浸泡于某一溶液时具有一定的电位。2、温度的测定原理：热电阻利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度。3、 溶氧浓度的测定：氧分子透过膜，在溶氧电极的阴极上被还原，产生电流，所产生的电流量与被还原的氧量成正比。4.细胞浓度的测定在一定的细胞浓度范围，全细胞浓度与光密度值呈线性关系。可测定全细胞浓度的范围是0-200g/l 。适合于游离的细胞，不适合丝状细胞。5.液体流量计6.气体流量计：金属浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。如图：7、压强的测定隔膜式压力表的工作原理： 隔离膜片在被测介质压力P的作用下产生变形，压缩内部充填的工作液形成一个相当于P的压力P。经工作液的传导，使压力仪表中的弹性元件自由端产生相应的变形，并按与之相配接的类别压力仪表指针显示出被测的压力值。8、尾气测定：CO2浓度传感器和高精度氧气传感器。 9、粘度计：粘度是流体内部抵抗流动的阻力，用对流体的剪切应力与剪切速率之比表示。Brookfield黏度计可调整不同的转速， 经由一个沉浸入样品中的转子可以测得扭力。此转子是由一个马达弹簧所带动， 此弹簧的偏离由指针所显示。物料处理一、预处理的必要性：在生产前，须先将原料中混杂的小铁钉、杂草、泥快和石头等杂质除去，保证后续工序顺利进行。二、预处理的方法（方式）：1.原料除杂、筛选、风选、磁力除铁。2、原料的精选及分级设备：有些原料经过除铁除杂后就可（如玉米原料生产酒精）。有些还需要进一步的精选和分级，生产啤酒的主要原料大麦，在除铁和粗选后，还需要进行精选和分组。大麦在发芽之前进行精选，主要目的是要除去一些圆形杂粒，特别是断裂的半粒大麦（伤麦）和草子，伤麦在发芽时容易生霉；草子则会给麦汁和啤酒带来不良草味。三 固体物料的粉碎设备。粉碎方法干粉碎、湿粉碎。1.湿法粉碎设备包括：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等。2、砂轮磨：原料需除杂和硬物，操作时先加水再开机。如我国的豆制品制作。3、常用的粉碎机械：锤式粉碎机（特别适用于脆性物料，被粉碎的物料含水量不应超过10%15%，如粉碎瓜干、高粱、玉米等）；辊式粉碎机（麦芽、大米）；圆盘钢磨（小麦、大豆、大米等）；钢片式磨粉机。 培养基的制备和杀菌设备1、 糖蜜原料的稀释与澄清设备 糖蜜的浓度大，酵母不直接利用，在利用糖蜜作原料生产酒精时必须进行稀释，同时加营养盐；之后进行酸化澄清，灭菌、等处理过程。糖蜜稀释有间歇式糖蜜稀释器：稀释罐内附有搅拌器。如果工厂原有糖化锅设备，一般都利用糖化锅作稀释设备。糖蜜连续稀释器：目前我国糖蜜酒精工厂多采用连续稀释法。糖蜜酸化、澄清：糖液酸化是在糖液中加入硫酸，防止杂菌的繁殖,加速糖蜜中灰分与胶体物质沉淀, 同时调整稀糖液酸度以达到发酵的需要。糖蜜酸化在酸化桶进行。二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备直链淀粉在7080可溶于水，溶液粘度较小，遇I2呈纯蓝色；支链淀粉在高温水中可溶，溶液粘度大，遇I2呈兰紫色。水-热处理的目的：淀粉原料经水热处理，使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用。膨胀：淀粉是一种亲水胶体，遇水加热后，水分子渗入淀粉颗粒的内部，使淀粉分子的体积和重量增加，该现象称膨胀。 糊化：在温水中，当淀粉颗粒无限膨胀形成均一的粘稠液体的现象，称为淀粉的糊化。此时的温度称为糊化温度。溶解或液化：淀粉糊化后，如果提高温度至 130，由于支链淀粉的全部（几乎）溶解，网状结构彻底破坏，淀粉溶液的粘度迅速下降，变为流动性较好的醪液，这种现象称为淀粉的溶解或液化。糖化原因：薯类和谷类以及野生植物原料经过加压蒸煮，淀粉糊化成为溶解状态，但还不能直接被酵母菌利用，发酵生成酒精。因此，经过蒸煮以后的糊化醪，在发酵前必须加入一定量的糖化剂，使溶解状态的淀粉，变为酵母能够发酵的糖类，这一个由淀粉转变为糖的过程，称为糖化。糖化过程是淀粉酶或酸水解的作用，把淀粉糖化变成可发酵性糖。糖化：以无机酸或酶为催化剂，在一定温度下使淀粉水解，将淀粉全部或部分转化为葡萄糖等可发酵性糖的过程。糖化剂 ：糖化过程中所用的催化剂。包括无机酸和酶。目的：将淀粉转化为可发酵性糖。淀粉的水解反应过程：粉分子内-1,4和-1,6葡萄糖苷键断裂，逐渐变小，依次变为糊精、低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。糊精是若干种分子大于低聚糖的碳水化合物，有旋光性，还原性，能溶于水，不溶于酒精。检验液化：是否有淀粉，用碘液，是否呈蓝色；检验糖化：是否水解完全测定还原糖；用无水酒精检验有无糊精。3、 啤酒生产中麦芽汁的制备设备后熟器不再通入蒸汽，前几个后熟器是温度维持段，起保持高温度真正后熟作用。最后一个后熟器也叫汽液分离器，分离出来的二次蒸汽可供粉浆罐预热粉浆。连续蒸煮设备：如图真空冷却：物料在一定真空度下蒸发部分水所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，称为真空冷却。欲保持真空冷却器中真空度，一般要借助于真空泵、水力喷射泵或蒸汽喷射泵，连续地抽去真空冷却器中的二次蒸汽。工作原理：料液以切线进入，由于真空冷却器内为真空，醪液产生自蒸发，产生大量的二次蒸气，醪液在器内旋转被离心甩向周边沿壁流下，从锥底排醪液口排出。二次蒸气从器顶进入进入冷凝器，在冷凝器内与水直接接触而被冷凝，不凝性气体由真空泵或蒸气喷射泵抽走，造成器内真空。糊化锅作用是用来加热煮沸麦芽粉和辅助原料醪液，使其淀粉液化和糊化。糊化锅底制成球形能够促进液体循环，因而可节省搅拌动力，还有便于清洗的优点。糖化锅用途是使麦芽粉与水混合，并保持一定温度使蛋白质分解和淀粉糖化。其外形结构材料与糊化锅同，但约大一倍。煮沸锅用于麦汁煮沸和浓缩，使麦汁达到要求浓度，并加酒花，浸出酒花中的苦味及芳香物质，还起到灭菌，灭活酶的作用。煮沸锅结构与糊化锅相同，但容积要大。四、液体培养基的灭菌设备(一)分批灭菌设备，在发酵罐中进行灭菌间歇灭菌又称实罐灭菌：将配制好的培养基放在发酵罐或其它容器，通入蒸气将培养基和所用设备一起灭菌的操作过程。 (1)升温:先夹套预热到80左右，再从培养基中直接通入蒸汽加热到121 ，直接通蒸汽升温时间控制在40min左右。(2)保温:控制蒸汽进出量，维持121 ，30min后，关闭进汽阀，通无菌空气。(3)冷却:保温结束后，在夹套内通冷却水进行冷却。要点是三路进汽：直接蒸汽从通风口、取样口和出料口进入罐内直接加热，直到所规定的温度，并维持一定的时间。发酵罐实罐灭菌为什么要“三路进汽”? 实罐灭菌的进汽和排气原则是什么? 所谓发酵罐实罐灭菌的“三路进汽”就是在对培养基灭菌时，让蒸汽从空气进口、排料口、取样口进入罐内，使培养基均匀翻腾，达到培养基灭菌之目的。这是因为这三个管都是插入到发酵醪中，若不进蒸汽就会形成灭菌死角。实罐灭菌的进汽和排气原则是“非进即出”，就是说所有进入发酵罐的管道在灭菌过程中如果不进入蒸汽就一定要进行排气，使所有管道都被蒸汽（或二次蒸汽）通过，得以灭菌。不能有既不进汽也不排汽的管道（死角）存在。空罐灭菌：也称空消。无论是种子罐、发酵罐、还是尿素（或液氨）罐、消泡罐，当培养基（或物料）尚未进罐前对罐进行预先灭菌。为了杀死所有微生物特别是耐热芽孢，空罐灭菌要求温度高，时间长。常在 127-133 ， 30-60分钟。(二)培养基连续灭菌连续灭菌也叫连消，就是将培养基在发酵罐外，连续不断进行加热、维持和冷却，然后进入发酵罐的过程。连续灭菌系统是由加热（连续消塔）、维持（维持罐）与冷却（喷淋室）三部分组成的整体；维持罐的保压保温与维持一定时间才能保证灭菌的彻底。相关设备有料液罐、连消泵、连消塔、维持罐和喷淋冷却器。过滤、离心与膜分离设备一、过滤方式 实现过滤操作的外力有重力、压力、离心力，由此过滤有常压、加压、真空及离心过滤不同的形式，生物工程中应用最多的是加压过滤和真空过滤，压力过滤又可分为恒压过滤、恒速过滤、加压变速过滤。根据过滤介质形式可分为深层过滤和滤饼过滤。深层过滤，深床过滤(deep bed filtration)，过滤原理：颗粒尺寸介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯曲的孔道，靠静电和分子的作用力附着在介质孔道上；滤饼过滤(cake filtration)，饼层过滤注意：所选过滤介质的孔道尺寸一定要使“架桥现象”能够过发生。二发酵液预处理：目的是增大悬浮液中固体粒子尺寸，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。1、加热：使蛋白质变性凝固，改善发酵液操作特性。2、凝聚和絮凝技术：能有效地改变细胞、菌体蛋白质等胶体粒子的分散状态，使它们聚集，从而颗粒变大，便于分离。3、加入盐类：除去高价无机离子（去除无机离子） 形成络合物,促进蛋白质沉淀 。4、调节pH：调节pH到蛋白质的等电点,蛋白质变性。5、加入助滤剂(硅藻土、珍珠岩粉、石棉粉、纤维素、白土等),助滤剂可以作为胶体粒子的载体，均匀的分布在滤饼层，改变滤饼结构，减少可压缩滤饼的过滤阻力。加入方法有预涂和将助滤剂混在滤浆中一起过滤。三、过滤设备1.板框压滤机由滤板、滤框、滤布等构成。滤板的作用是支持滤布和提供滤液流出的通道； 滤框的作用是与滤布围成容纳滤浆及滤饼的空间。板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。过滤时：悬浮液在指定压强下经滤浆通路由滤框角上的孔道并行进入各个滤框，滤液分别穿过滤框两侧的滤布，沿滤板板面的沟道至滤液出口排出。颗粒被滤布截留而沉积在滤布上，待滤饼充满全框后，停止过滤。洗涤时：先将洗涤板上的滤液出口关闭 ，洗涤水经洗水通路从洗涤板角上的孔道并行进入各个洗涤板的两侧。洗涤水在压差推动下先穿过一层滤布及整个框厚的滤饼，然后再穿过一层滤布，最后沿滤板板面沟道至滤液出口排出。称为横穿洗涤法，特点是洗涤水穿过的途径正好是过滤终了时滤液穿过途径的二倍。自动板框压滤机：板框压紧、卸饼、清洗等操作自动完成。过滤时，悬浮液从板框上部两个角孔形成的通道并行压入滤框，滤液穿过滤框两侧的滤布，沿滤板表面的沟槽流入下部角孔形成的通道，滤饼则在滤框内形成。洗饼完毕，油压机将板框拉开，使滤框下降。开动滤饼推板，框内滤饼以水平方向推出落下。传动装置带动环形滤布绕一系列转轴旋转，达到洗滤布的目的。滤框复位，重新压紧，完成一个操作周期。板框压滤机结构示意图 2. 转筒真空过滤机：是工业应用最广的一种连续操作的过滤设备。 转筒真空过滤机工作原理：真空过滤设备采用大气与真空之间的强差作为过滤操作的推动力。 结构：设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中，圆筒沿径向分割成若干扇形格，每个都有单独的孔道通至分配头上。圆筒转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次分别与真空管及压缩空气管相通，因而在回转一周的过程中每个扇形格表面即可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。离心分离离心机的构造：由一个由电动机带动作快速旋转的转鼓。鼓壁可分为有孔或无孔，有孔的鼓壁一般复上滤布，当鼓高速旋转时，鼓内液体靠离心力的作用，由滤孔钻出，固体颗粒则留在滤布上离心过滤。 若鼓壁无孔，物料受离心力的作用，按比重的大小分层沉淀，比重较大的颗粒物料直接附在鼓壁上，比重较小的液体则靠近鼓的中央离心沉降。 离心机分类 按转速分类 常速离心机转速8000rpm以内； 高速离心机转速1000025000rpm以内；超高速离心机转速2500080000rpm以内。 膜分离方法1)渗透：渗透是一个扩散过程，在渗透中只有溶剂透过膜，溶质及固体粒子被阻挡。可用于溶质的浓缩。2) 反渗透：反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂(通常是水)的性质，对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。反渗透可用于从水溶液中将水分离出来，应用如海水和苦咸水的淡化。3) 透析：它是利用多孔膜两侧溶液的浓度差使溶质从浓度高的一侧通过膜孔扩散到浓度低的一侧从而得到分离的过程。目前主要用于制作人工肾，以除去血液中蛋白代谢产物、尿素和其它有毒物质。4)电渗析：是基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质的目的，应用：水溶液中除去电解质(盐水的淡化)、电解质与非电解质的分离和膜电解等。5) 超滤：应用孔径为10到200(110-10 m )的超滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜。6）微滤： 微滤与超滤的基本原理相同，利用孔径大于0.02m直到l0m的多孔膜来过滤含有微粒或菌体的溶液，将其从溶液中除去，微滤应用领域极其广阔，目前的销售额在各类膜中占据首位。7）纳滤：是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，其截留分子量在200-1000范围内，孔径为几纳米，故称纳滤。8）气体膜分离：气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术，目前高分子气体分离膜已用于氢的分离，空气中氧与氮的分离等，具有很大的发展前景。9）渗透汽化膜分离特点：在常温下进行（热敏性成分损失少，特别适合抗生素、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩）；无相态变化（能耗低，保持原有的风味）；无化学变化（产品不受污染）；选择性好（可达分子级）；适应性强（规模可大可小，操作方便，可续可断，工艺简单，易自动化）。浓差极化现象 当待分离液从膜面一侧流过时，靠近膜面的液体处于层流状态，水及小分子溶质透过膜，大分子溶质则被膜阻留。被阻留分子从膜面返回液体主流的速度，受分子通过层流区的扩散速度所控制，当这一速度低于被阻留分子在膜面聚集的速度，就逐渐在膜面上，行成一高浓度的被阻留的溶质分子层。随着浓差极化愈来愈严重，膜的滤出速度也愈来愈低。膜过滤方式：终端过滤、错流过滤。蒸发与结晶设备一、蒸发：将稀溶液通过加热蒸发，使溶剂汽化或将稀溶液通过电渗析、离子交换等办法将溶液提高浓度的过程。蒸发用于发酵滤液、树脂洗脱液及各种提取液的浓缩，以利于后续工序的进行。分类：按操作方式可以分为间歇式和连续式；按二次蒸气利用否分单效、多效蒸发；按操作压强分加压、常压或减压（常用减压，又称真空蒸发）。蒸发装置：热交换器、蒸发室、冷凝器、抽气泵。真空蒸发：溶液在减压状态下进行蒸发。真空蒸发浓缩：溶液在真空状态，较低温度下即沸腾、溶剂汽化。热敏性物料：对热过程敏感，受热后会引起产物发生化学变化或物理变化而影响产品质量的物料。薄膜蒸发：让溶液在蒸发设备的加热器内以很薄的液层通过，溶液就会很快受热升温，汽化而浓缩，浓缩的溶液迅速离开加热表面。薄膜真空蒸发器具有传热系数大，浓缩效率高的优点，能保持产品原有的质量、风味和颜色，又可处理粘性大和易产生泡沫的溶液。（一）管式薄膜蒸发器结构：加热蒸发管、二次蒸汽液沫导管、分离器和循环管。浓缩时间短，对粘度较小的热敏性物料质量影响少，但不适用于粘度较大的和受热后易产生积垢的，或浓缩后有结晶析出的物料。分升膜式和降膜式2种。1、升膜式蒸发器 不适用于粘度较大的和受热后易产生积垢的，或浓缩后有结晶析出的物料。升膜式蒸发操作的关键膜的形成：管壁加热，近壁的液体向管中心自然对流；当温度升到相应沸腾温度时，溶液便开始沸腾，温度继续上升，气泡大量形成，互相碰撞，小气泡聚合成较大气泡于管子中部上升，气泡增大，气体上升速度加快，最后形成柱状；出现“爬膜”现象：当蒸汽所产生的气泡很多，流速很快，蒸汽占据了整个管子中部空间，液体只能分布于管壁，形成环形液膜，液膜上升是靠高速蒸汽对流层的拖带而形成。如果液膜上升的速度赶不上溶液蒸发速度，加热管上的液膜将会出现局部被干燥、结疤、结垢、结焦等现象 。升膜蒸发器正常操作的关键：形成爬膜。形成爬膜的必要条件：足够的传热温差和传热强度；产生的二次蒸汽量和蒸汽速度达到足以带动溶液成膜上升的程度。2、降膜式蒸发器：溶液在器内的停留时间短，适合于高热敏或粘度较大的溶液。物料溶液从加热管子上部进入，经分配器导流管分配进入加热管。液体的运动是靠本身的重力和二次蒸汽运动的拖带力的作用，其下降的速度比较快，可以蒸发浓度、粘度较高的溶液，不适于易结晶、结垢的物料。其关健的问题是液料的分配，当分配不够均匀时，有些管子的液量多，液膜很厚，少的液膜薄，甚至没有液体流过造成干壁现象。可采用不同的分配器让料液分配均匀。（2） 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。优点是：对物料的适应性强，对高浓度，粘度大，热敏性，易结晶、结垢的物料都能适用。缺点是：结构复杂，动力消耗大，传热面积小，物料处理量较少。（三）离心薄膜蒸发器是利用旋转的离心盘所产生的力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。设备构型是一杯形离心转鼓。二 起晶方法：结晶是物质自溶液中成晶体状态析出，或从熔融状态受冷凝结成晶的过程。当溶解速度等于结晶速度时的溶液称为饱和溶液。一定温度、压力等条件下，当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度，而溶质仍不析出的现象叫过饱和现象，此时的溶液称为过饱和溶液。把高温饱和溶液缓慢冷却，就有机会形成过饱和溶液，常见的过饱和溶液有碳酸水。介于饱和与过饱和之间的溶液，如果没有晶核或振动等刺激因素存在，它还是比较稳定，可保持一段时间不会结晶析出，这种状态叫介稳状态，该浓度区域称为介稳定区。1 自然起晶法:将溶液用蒸发浓缩的方法排除大量溶剂，使溶液浓度进入过饱和不稳定区，溶液即自然起晶。（此法成晶颗粒小，溶液浓缩耗热量大，蒸发时间长，故少用）2 刺激起晶法：将溶液用蒸发浓缩的方法排除部分溶剂，使溶液浓度进入过饱和介稳定区，然后将溶液放出，使溶液受到突然冷却，进入不稳定区，而自然结晶生成晶核。（柠檬酸结晶）3 晶种起晶法：将溶液浓缩到介稳定区的饱和浓度后，加入一定大小和数量的晶种，同时均匀搅拌，使晶体长大。保持不产生新晶核，适当提高过饱和浓度来增加结晶速度，产品大小均匀，晶形一致，工业多用此法。（味精）三 结晶设备类型：浓缩结晶设备如煮晶锅，冷却结晶设备如结晶箱，等电点结晶设备。1.立式结晶箱常用于产量较小的柠檬酸结晶。2.真空煮晶锅：对结晶速度比较快，易自然起晶，且要求结晶晶体较大的产品，多采用真空煮晶锅。3.等电点结晶罐：搅拌是关键，其作用是保证晶种均匀悬浮，使谷氨酸结晶良好，并使加酸后溶液的pH值迅速均匀、增加传热系数、降温速度，使溶液温度一致。干燥干燥机理：湿物料干燥操作中的2个基本过程：传热过程；传质过程干燥介质空气即是载热体又是载湿体；干燥过程是干燥介质空气与湿物料之间的传热传质过程。1.恒速干燥阶段（表面汽化控件制阶段）：这个阶段由于空气的温度和湿度能保持恒定，传热全部用于水分气化，干燥在恒定温度下进行，主要排除游离水。2.降速干燥阶段（内部扩散控制阶段）：传热一部分用于水分汽化，一部分用于物料升温。属升温干燥，主要除去结合水。气流干燥原理、特点及设备：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。干燥时间一般为- 5 秒。适合潮湿分散颗粒物料的干燥。对物料有磨损，不适用于晶体及强粘性的物料。例如长管式气流干燥器（长度1020米），短管式气流干燥器（长4米）， 旋风气流干燥器。空气过滤器：过滤介质为铁丝网，中间夹上用豆油煮过的丝瓜囊或铁丝等，使尘埃容易粘在上面。 空气加热器：采用螺旋翅片式，也可采用列管式换热器作为空气加热器。喷雾干燥原理:喷雾干燥是利用不同的喷雾器，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交换，迅速排除本身的水分，在几秒至几十秒内获得干燥。雾化方式分为压力喷雾法（机械喷雾法）、气流喷雾法、离心喷雾法。离心喷雾干燥设备主要有喷雾室,喷雾机(包括喷盘)和热风盘。热风盘作用是使进入喷雾室的热空气分配均匀，否则会造成局部黏壁。沸腾（流化床）干燥：利用流态化技术，即利用热的空气流体使孔板上的粒状物料呈流化沸腾状态，使水分迅速汽化达到