生物工程设备实验指导书

1、目目 录录 试验一、发酵罐的构造及初步设计试验一、发酵罐的构造及初步设计发酵系统的组成及发酵罐几何结构计算与初步设计发酵系统的组成及发酵罐几何结构计算与初步设计 .1 一、目的要求.1 二、基本原理.1 三、试验用小型发酵系统的基本组成.1 四、发酵罐几何结构计算与初步设计.2 五、简要说明发酵系统的基本组成及各自功能。.5 实验二、生物工程通用设备结构和原理实验二、生物工程通用设备结构和原理板框过滤实验板框过滤实验.6 一、实验目的.6 二、基本原理.6 三、实验装置.7 四、实验步骤.8 五、实验结果.8 六、实验过程中应注意的问题.9 七、问题与思考.10 实验三、干燥设备结构和生物材料

2、干燥方法实验三、干燥设备结构和生物材料干燥方法喷雾干燥实验喷雾干燥实验.11 一、实验目的.11 二、实验装置及原理.11 三、实验材料：鸡蛋等。.12 四、操作步骤.12 五、测试结果.13 实验四、生物工程典型生产线构成实验四、生物工程典型生产线构成乳制品生产线乳制品生产线.15 一、实验目的.15 二、参观实习内容.15 三、实验报告要求.15 说明：生物工程设备实验指导书可作为食品与生物工程学院生物技术、生物工程等相 关专业的生物工程设备、发酵工程及设备、发酵工程等专业课程的实验指导用书。 第 1 页 共 16 页 试验一、发酵罐的构造及初步设计 发酵系统的组成及发酵罐几何结构计算与初

3、步设计 一、目的要求 通过对实验用发酵系统的实物演示，初步认识发酵系统地基本组成；并结 合对小型发酵罐结构的剖析，进一步熟悉和掌握发酵发酵罐的基本结构和工作 原理；在此基础上尝试完成在给定条件下的发酵罐几何结构计算与初步设计。 二、基本原理 发酵罐是进行液体发酵的特殊设备。生产上使用的发酵罐容积大，均用钢 板或不锈钢板制成；实验室使用的小型发酵罐，其容积可从约 1L 至数百升或 稍大些。一般来说，10L 以下是用耐压玻璃制作罐体，10L 以上用不锈钢板或 钢板制作罐体。发酵罐配备有控制器和各种电极，可以自动地调控试验所需要 的培养条件，是微生物学、发酵工程、医药工业等科学研究所必需的设备。 各

4、厂家生产的发酵罐有所差别，但基本原理是相同。现以镇江东方生物工 程设备技术有限责任公司 10L 罐为例，说明发酵系统的基本组成和发酵罐的主 要结构及工作原理。 三、试验用小型发酵系统的基本组成 发酵系统通常由罐体、搅拌系统、空气供给系统、温度控制系统、pH 控制 系统、过程变量的测量和灭菌系统组成。 罐体为一不锈钢圆筒，底端用不锈钢板与圆筒罐身焊接而成，顶端用不锈 钢板及橡胶垫圈密封构成。容积为 10 L，顶盖上有几个孔口(如下图)，分别是 加料及接种口、补料口、放置 DO(溶解氧)电极口、放置 pH 电极口、放置搅拌 器口等。 搅拌系统为平叶型涡轮式双搅拌，由位于灌顶的电机驱动，为增加溶氧传

5、质 效率，还增设有一定数目的挡板。 空气供给系统由小型空压机提供高压空气，并由空气过滤系统进行过滤后， 第 2 页 共 16 页 无菌空气管从罐顶延伸至罐底后经由空气分布器后进入培养基中。 温度控制系统，由罐体夹套、加热器及温度测量系统组成。 pH 控制系统，由 pH 测量系统和酸碱流加系统组成。 过程变量的测量，主要包括温度、溶解氧、pH 等的跟踪测量。 灭菌系统组成，由电蒸汽发生器产生蒸汽提供给整个发酵系统进行灭菌。 此外，通常还要设置报警灯系统 当发酵过程中，电路上发生故障，或超 出测量系统测设定的参数值，甚至测定值范围时，则出现报警 信号。另外，小 型或大型自动发酵罐通常还应该是自动和

6、手动可相互切换的系统。 四、发酵罐几何结构计算与初步设计 基于上述对发酵系统的基本认识，在下述给定条件下，对生产用机械通风 搅拌用发酵罐几何结构进行初步计算，并画出相应比例的发酵罐结构图示。 某年产 5 万柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为 14%(W/V)，提取总收率 90%(W/W)，年生产日期为 300 天，发酵周期为 96 小时，冷却水的初、终温分别 为 20和 25，发酵罐壁最高温可达到 40，生产厂区夏季平均温度为 33。 发酵罐采用蛇管进行冷却（冷却管规格为 53/60mm，管壁厚 3.5mm） ，发酵液 传给冷却蛇管的传热系数为 1450 kJ/m2h，主发酵时的温度为 36。

7、主 发酵期每小时糖降为发酵液量的 0.5%，糖分消耗中发酵占 80%，呼吸占 20%，1kg 糖发酵时产生的呼吸热为 15660KJ（或产生的发酵热为 4860KJ） ，采 用六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，搅拌层数为 3。设发酵液密度 =1080kg/m3 ，粘 度 = 210-3 Pas，发酵罐的装液系数为 85%，发酵罐的公称容积为 250 米 3。 第 3 页 共 16 页 1发酵罐个数的计算 根据该规模和发酵水平计算该厂每日所需发酵液的量，再根据这一数据确 定每日所需要的发酵罐的容积及所需要的发酵罐总数。 2结构尺寸的计算 根据已确定的发酵罐容积计算的近似公式及常见机械通风搅拌发酵罐几何 尺

8、寸比例，可由下式计算发酵罐圆柱体的直径 D，罐身高 H，罐高 H0，搅拌叶 轮直径 Di，挡板宽度 B，下搅拌叶与罐底距离 C 及相邻两个搅拌叶间距 S。 3.搅拌功率计算（取 D/Di = 3.5） 搅拌器叶端圆周线速度取值范围一般在 3-8m/s，取 7.5m/s，则搅拌转速 发酵液密度 =1080kg/m3 ，粘度 = 210-3 Pas， 则雷诺准数为 若 Rem104，属湍流状态，查表六弯叶涡轮搅拌器的 K=4.8，故单层搅拌功 率 第 4 页 共 16 页 校正系数为， 三层搅拌器时的搅拌功率为： 若通风量：，则通风准数 Na 为： 所以： 考虑传动部分功率损失及端面轴封增加功率损

9、耗等因素，则所需电机功率 为 4.冷却面积和冷却装置的计算 1234t QQQQQ Q1=msq；Q2=3600Pg；Q3=0.2Q1；Q4=AKC(TW-TB) ； 21 () t P Q W CTT 12 1 2 ()() 2.3lg FF m F F TTTT T TT TT 0.8 2 0.2 () 4.1861 1.77 vD KA DR 12 1 11 K KK 壁垢 一般取，中代表管壁厚，为钢管的传热系数取 188 垢 1 16750 壁 kJ/m2h 第 5 页 共 16 页 5.根据上述计算结果按比例绘出发酵罐结构示意图，并标注罐圆柱体的直 径 D，罐身高 H，罐高 H0，搅

10、拌叶轮直径 Di，挡板宽度 B，下搅拌叶与罐底距 离 C 及相邻两个搅拌叶间距 S 的具体数值，及冷却装置和挡板示意图。 五、简要说明发酵系统的基本组成及各自功能。 实验二、生物工程通用设备结构和原理板框过滤实验 （适用于生物技术专业） 一、实验目的（板书标红部分） 1.了解板框过滤机的构造和操作方法； 第 6 页 共 16 页 2.测定恒压过滤方程式中的过滤常数K、 e q 及 e ； 二、基本原理（板书标红部分和方程式） 板框过滤是把液固混合物的滤浆在一定压强下送入两侧覆有过滤介质 （滤布）的滤框内，滤液通过滤布流走，固体物（滤渣）被滤布截留在框内。 板框过滤有恒压过滤和恒速过滤两种操作方

11、式，过滤时固体颗粒不断被截留， 介质表面慢慢形成滤饼并逐渐变厚，滤液通过滤饼的阻力也随之增加，如果保 持过滤速率不变，就要不断增加介质两侧压差，此即恒速过滤；反之介质两侧 压差不变，过滤速率随着滤饼增厚而减小，此即恒压过滤。本实验做恒压过滤 操作。 恒压过滤的基本方程式为： )()( 22 ee KAVV 令： ， （为单位过滤面积上所通过的滤液量）则上式可 改写为： )()( 2 ee Kqq 其微分式为： Kddqqq e )(2 即： e q K q Kdq d22 上式的倒数式用增量代替则可写出近似式： e q K q Kq 22 以上各式中： 过滤时间，s； -时间内所得的滤液量，m

12、3； -为形成与过滤介质阻力相等的滤渣层所得到的滤液量，称作过滤介质 的当量滤液体积，m3； 相当于得到滤液量 所需过滤时间，s； -过滤面积，m2； -过滤常数。 K 2 A V q ，A V q e e e q K 2 第 7 页 共 16 页 上式为一直线方程，在笛卡尔坐标上作图，其斜率为 ，截距为 。 三、实验装置（板书标红部分和板框过滤流程） 实验装置及流程见附图所示，主要设备为板框过滤机、配浆槽、储浆罐、 水洗罐、计量筒、空气压缩机等。滤浆在配浆槽中配制好后送入储浆罐，一边 搅拌一边用压缩空气送至过滤机过滤，过滤前先把过滤机按规定加上滤布组装 好，过滤完毕再用水洗涤滤饼一次。 板和

13、框的构造见附图所示，1 钮板叫滤板，2 钮板叫滤框，3 钮板为洗涤板。 滤框空间尺寸为 17017020mm（四角扇形半径为 40mm） 。 四、实验步骤 首先熟悉实验设备、流程，搞清各个阀门的用途、操作方法，在此基础上 按以下步骤进行实验。 检查所有阀门均处于关闭状态； 第 8 页 共 16 页 把滤布浸湿，在 2 钮滤框两侧对准孔道平整地铺好，板与框按 1-2-3-2-1 的次 序排列组装好，用顶丝杠压紧； 水洗罐加水至 2/3 液面； 启动空气压缩机，使减压阀前压力保持在 3kgf/cm2以上备用； 一切准备就绪后，用橡胶塞堵住配浆槽底部出口，向槽内加水 40kg 及 MgCO31.5k

14、g 配制滤浆液（浓度 35%Wt） ，不断地搅拌均匀； 打开储浆罐的放空阀，把配制好的滤浆全部送入储浆罐，同时开动搅拌机搅 拌，关闭进浆阀和放空阀； 把压缩空气送入储浆罐，维持 0.5kgf/cm2压力，打开过滤机上滤浆和滤液的 进出口阀、，进行过滤，与此同时用秒表不停地计量滤液流出量 （每隔一个容积单位记一次时间） ，直至滤液停止流出为止，然后关闭阀 、； 把储浆罐剩余滤浆卸出备用，把压缩空气送入水洗罐，打开过滤机水洗进出 口阀、，进行滤饼水洗操作，洗液流出 1000ml 即可停止； 水洗完毕，打开过滤机，取出滤饼，洗净滤布、滤框，重新组装好过滤机并 压紧，改变过滤压力，重复 59 的操作过

15、程； 实验完毕，用水洗罐的水（加压缩空气）冲洗储浆罐液面管及其他输液管道， 以免 MgCO3沉淀堵塞； 关闭空气压缩机，清扫场地，整理好实验设备。 五、实验结果 将实验数据及计算结果记入数据表，在方格纸上标绘 关系图，由 制图求出直线的斜率 和截距 ，进而求出K及qe，根据恒压 过滤基本方程式，设q=0，0再求出。 过滤实验数据记录表过滤实验数据记录表 过滤压强 （表压） 序号滤液量过滤时间备注 q q K 2 e q K 2 第 9 页 共 16 页 累计V(L)增量V(L)累计(S)增量(S) 1 2 3 4 5 6 数据计算表数据计算表 过滤压强 （表压） 序号 q (m3/m2)q (

16、m3/m2)(S)q/(s/m) 1 2 3 4 5 6 六、实验过程中应注意的问题（板书标题） 配滤浆时，水与 MgCO3的比例，在配浆槽中搅拌均匀（先少加水，加入 MgCO3，泡一会儿，再加水搅拌） ； 滤浆加入储浆罐时应打开放空阀，打开搅拌机，注意关闭气路，否则 易返浆） ； 滤布平整（孔要对正包括滤布和滤框，板框有钮一侧冲一边） ，板框按顺序排 列好； 整个过程中应注意气路压力保持稳定； 第 10 页 共 16 页 开阀顺序：先开出口阀，再开进浆阀，关时顺序相反，水洗时，顺序相同； 开阀位置：过滤、；水洗时：、。 七、问题与思考（板书标红部分） 1.为什么过滤开始时，滤液常常有一点混浊

17、，然后慢慢转清？ 2.过滤压强增加一倍时，得到同一过滤所需要的时间是否减少一半？为什么？ 实验三、干燥设备结构和生物材料干燥方法喷雾干燥实验 第 11 页 共 16 页 一、实验目的 1.掌握喷雾干燥器的结构、操作、控制和调整 2.观察物料的实际喷雾干燥过程 3.测定喷雾干燥中的各种参数 二、实验装置及原理 装置：喷雾干燥器、胶体磨、均质机 原理：喷雾干燥实验机是一种实验室小型喷雾干燥设备,主要用于食品材料 的干燥和粉末化。食物原料由蠕动泵进料入高速离心喷雾头雾化成为极细的雾 滴，与炽热的空气进行剧烈的热交换，干燥成为粉状或颗粒状、含水量低的产 品，通过旋风分离器，排出湿空气，实现了液体食品原

18、料的快速干燥粉末化。 这种干燥方法的特点是干燥速度快。浓缩液被雾化成很小的微粒，增大了 液体蒸发的表面积，如 1 立方厘米 的液体，雾化的液滴直径为 100 微米，则其 总的液滴的表面积为 600 平方厘米，这样大的表面积与高温热介质接触，进行 迅速的热交换，一般只需几秒到儿十秒就能干燥完毕，具有瞬间干燥的特点。 虽然喷腔中空气温度较高，热空气进口温度达 150-250，但液滴有大量水分 蒸发，其干燥温度一般不超过热空气的湿球温度，适合热敏性物料的干燥，且 第 12 页 共 16 页 制品有良好的分散性和溶解性，产品干后成为粒径不同的空气球，制品疏松， 产品在密封的容器中干燥不会污染，生产过程

19、简单，操作方便，适合连续化生 产。其主要缺点是单位产品耗热量大，容积干燥纯度小，因此干燥设备体积大。 三、实验材料：鸡蛋等。 四、操作步骤 1.1.原料液的处理原料液的处理 鸡蛋破壳弃去蛋清蛋黄加水搅拌胶体磨均质料液备用 2.2. 喷雾干燥器使用及操作方法喷雾干燥器使用及操作方法 (1)检查喷头及管件连接是否正确、密封。 (2)接通电源（指示灯亮） 。 (3)根据需要设定空气进口温度、出口温度。 (4)打开鼓风机开关（调至所需的风速） 。 (5)打开加热开关。 (6)当温度达到设定温度时，按下压缩泵按键。 (7)打开蠕动泵开关，开始进料液。 (8)通过调节压缩泵、蠕动泵和脉冲旋钮来调整料液喷雾

20、速度的快慢和喷雾 曼的大小，喷雾干燥开始。 (9)当干燥结束时，关闭喷雾干燥器的操作应逆向进行。 (10)当仪器冷却后，取下接受瓶、各部组件及喷头洗净，以备后用。 3.3.操作中需要的注意事项操作中需要的注意事项 (1)按照拟定的工艺条件，调整热工参数，在进风温度 150-170；排风温 度 80-95范围选择，并进行喷雾操作。 (2)停机与出粉按操作规程子干燥将结束前，做好停机准备，按程序停机， 出粉及清扫，必要时进行设备的清洗与烘干。 第 13 页 共 16 页 (3)喷雾干燥器的性能，喷雾干燥器属于小型离心喷雾干燥设备，以电加热 空气为干燥介质，雾化器采用篮式离心转盘，转速 25000r

21、/Min。此机采用控制 盘集中控制电源和各热功参数，电力功率 6kw、进风温度可达 250，水分蒸 发量为 1.5kg/h-5kg/h。 (4)操作要点：开始工作时，先开启电加热器，并检查有否漏电现象及排 风机有否杂声，如正常即可运转，预热干燥室；预热期间关闭干燥器顶部用 于装喷雾转盘的孔口及出料口，以防冷空气漏进,影响预热；干燥器内温度达 到预定要求时，即可开始喷雾干燥作业。开动喷雾转盘，待转速稳定后，方可 进料喷雾；根据拟定工艺条件，通过电源调节和控制所需的进风和排风温度 或调节进料流量、维持正常操作；贮料罐位干燥机顶部 20cm-30cm,并设有流 量调节装置，以控制喷雾流量；喷雾完毕后

22、，先停止进料再开动排风机出粉， 停机后打开干燥器室门,用刷子扫室壁上的乳粉，关闭室门再次开动排风机出粉； 最后清扫干燥室,必要时进行清洗。 五、测试结果 1、测定进风温度与产品含水量、粒度的关系； 2、测定雾化压力与产品含水量、粒度的关系； 3、测定进料量与产品含水量、粒度的关系； 4、绘制离心喷雾干燥器的结构示意图，如何理解乳粉喷雾干燥的原理? 通过 分析实验结果，绘制进风温度与产品含水量、粒度的关系图，雾化压力与产品 含水量、粒度的关系图，写出实验报告，进料量与产品含水量、粒度的关系图； 根据分析结果提出蛋黄粉喷雾干燥的最佳工艺参数。 表 1. 进风温度与产品含水量、粒度的关系 序号进风温

23、度含水量(g/10g)粒度(ml/10g) 1 2 3 4 表 2. 雾化压力与产品含水量、粒度的关系 第 14 页 共 16 页 序号雾化压力(MPa)含水量(g/10g)粒度(ml/10g) 1 2 3 4 表 3. 进料量与产品含水量、粒度的关系 序号进料量(ml/s)含水量(g/10g)粒度(ml/10g) 1 2 3 4 第 15 页 共 16 页 实验四、生物工程典型生产线构成啤酒生产线 一、实验目的 通过工厂生产环节的观摩进一步巩固加深课堂所学过的理论知识，并结合 所学知识让学生初步了解生物工程企业典型的生产线构成及基本的工艺流程。 二、实习内容 学习啤酒生产的基本特点，啤酒的原

24、料组成及特征，啤酒生产的工艺流程， 包括从麦芽制备到清酒的获得各环节工艺特点，操作过程及设备类型及功能等。 三、实验报告要求 要求将观摩的有关啤酒流程及工艺进行总结，并对生产工艺流程进行详细 描述，并按照如下提纲书写实验报告。 (一)啤酒概述，主要包括啤酒的由来，啤酒的特点，啤酒的种类，啤酒生 产原料等；(二)啤酒生产工艺过程，包括麦芽制备、麦芽汁的制备、发酵、清 酒、清洗、稀释及包装等各环节的技术，操作特征等。(三)对实习结果进行分 析讨论。 第 16 页 共 16 页 实验一、实验一、摇床培养确定酵母菌体的培养和营养条件 一实验目的：一实验目的： 掌握微生物斜面培养基、种子培养基及发酵培养基确定方法，学会对已确定菌种确定 实验室发酵工艺。 二实验原理二实验原理 生物量的测定方法有比浊法和直接称重法等。由于酵母在液体深层通气发酵过程