第十一章生物工程设备课件
生物工程设备 ppt课件
生物工程：用生物体或其组成成分在最适条件下产生有 益产物及进行有效生产过程的技术。
生物工程包括五大工程，即遗传工程(基因工程)、细胞 工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应 器工程。
在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞 株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表 达超远缘性状的新物种——“工程菌”或“工程细胞株”。
列文∙虎克发现细胞，罗伯特∙胡克发明”cell”，德国的植物学 家施莱登和动物学家施旺证明了细胞是动植物的基本单位 ；
1897年德国的毕希纳发现被磨碎后的酵母细胞仍可进行酒精 的发醉，并认为这是酶的作用，并于1907年因此发现而获得 诺贝尔化学奖；
德国的科赫首先用染色法观察了细菌的形态，并发现了结核
美国的生化学家萨姆纳说明酶是一类蛋白质，在1946年和他 的同事共获诺贝尔化学奖；
我国微生物学家尹光琳等在20世纪70年代完成 维生素C微生物二步转化的方法。
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4 生物工程设备
③ 现代生物技术——基因工程技术，按人们意愿设计，通 过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。
1865年奥地利人孟德尔提出了经典的遗传学说；
一个优良的生物反应器应具有良好的传质、传热和 混合的性能；结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护 方便；有可靠的检测和控制仪表；搅拌及通气所消耗的 动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。
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4.1.1 微生物反应器
发酵罐——进行大规模悬浮培养微生物的反应器。 工业微生物发酵多为好氧发酵，因此发酵罐多采用通气 和搅拌方式来增加氧在培养液中的溶解。 发酵罐的类型：机械搅拌型、外部液体循环式、气升式
生物工程设备课程设计课件1PPT课件
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2.2 蛇管换热装置
根据工艺要求温度、总散热量等确定冷却装置 （设管、列管等）的冷却面积、管径、长度、高 度等参数。
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无挡板的涡轮搅拌反应器
蛇管中径与容器直径之比
Dc/D=0.80; 蛇管高度与容器直径之比
Lc/D=1.00; 蛇管管子外径与蛇管中径之比
Dco/Dc=0.042; 每圈蛇管之间距与蛇管管子外 径之比Sc/dco=1.0; 蛇管距器底的高度与容器直径 之比Hc/D=0.10。
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3. 发酵罐搅拌装置设计
搅拌装置由搅拌器、轴及其支承组成。搅拌器的形式主要 有：桨式、推进式、涡轮式等，一般在设计任务书中给定。
当搅拌器型式确定后，设计的主要内容是确定搅拌器直径、 搅拌器与搅拌轴的连接结构，进行搅拌轴的强度设计和临 界转速校核，选择轴的支承结构。
搅拌器的直径Dj与发酵罐D1内径之比根据文献推荐值选取。
（2）培养学生对生物工程设计的技能以及独立分析问题、解决问题 的能力。树立正确的设计思想，掌握机械搅拌通风生物反应器设计的 基本方法和步骤，为今后创造性设计生物反应器和相关技术改造工作 打下一定的基础。
（3）培养学生熟悉、查阅并综合运用各种有关的设计手册、规范、 标准、图册等设计技术资料；进一步培养学生识图、制图、运算、编 写设计说明书等基本技能；完成作为工程技术人员在机械设计方面所 必备的设计能力的基本训练。
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1 罐体的设计
1．1 罐体的结构设计
罐体由顶盖、筒体和罐底组成，通过支座安装在基础
或平台上，罐底通常采用椭圆形封头，顶盖在受压状态下
操作，常选用椭圆形封头，对直径较小的种子罐，顶盖可
生物工程设备2011ppt课件
• 培养基：供特定的微生物、动物细胞、植物细胞、 细胞组织、微藻生物等进行生长、繁殖、代谢和合 成产物需要的，按一定组成比例配制而成的营养物 质。 • 培养基按其配方成分可以分成天然培养基和合成培 养基。 天然培养基：一类具体成分不十分明确的天然 产品，大部分是农产品。 合成培养基：一类完全明确的化学成分物质配 制组成。
（2）纯种培养技术的成熟—初级代谢产物 生产阶段 该阶段的特点： ◆发酵产品属于初级代谢产物； ◆生产过程简单，生产规模小； ◆对发酵设备要求不高。
酱油固态发酵生产
（3）通气搅拌技术的成熟——好氧培养阶段 该阶段的特点： ◆生物和化工的交叉学科——生化工程 诞生。 ◆发酵工程在微生物学、生物化学、生 化工程三大学科基础上迅速形成一个完整的体 系，促进抗生素工业、酶制剂工业和有机酸工 业迅速发展。 ◆研制出大型的带机械搅拌和无菌通气 装置的发酵罐。
（5）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段
该阶段的特点： ◆生物技术可生产动、植物和人类的多种生理活性蛋白，如 胰岛素、生长激素和多种单克隆抗体； ◆生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品和能 源和环境领域的发展； ◆生物工程设备得到发展，如针对大多基因工程菌的表达产 物在细胞内，研制超声细胞破碎和高压匀浆新技术，以及扩张床 层析等新方法不断涌出。
生物工程设备的特点
生物工程设备的特点 生物工程设备与中下游技术密切相关。 生物技术的上、中下游技术 划分标志：生物反应器 上游生物技术：主要任务是构建或选育出社会需要的、 稳定的、优良的生产细胞菌株。 中下游生物技术：其主要任务就是设计经济上合理、技 术上可行、操作上安全的生物技术工艺过程与设备 系统。包括培养基制备与灭菌、无菌空气的制备、 细胞株种子扩大培养、生物反应器无菌操作与控制 培养、产物的提取、分离纯化等。
生物工程课件PPT
图解法确定
02
基本操作模型
酶催化反应的反应时间
01
酶催化反应的反应时间
（1）BSTR的均相酶促反应的反应时间
= 0
计算BSTR反应时间的通式
若酶反应为单底物无抑制反应，且动力学关系符合M-M方程，可得
= 1 −
= 0 න
−
=
01
基本操作模型
反应时间为
假定： =0时, = , = 0;
= 时, = , =
= − න
令底物转化率为 ：
=
有
−
=
=1−
/
0 −
/ 0 − − 0
=
/ + / 0 − − 0
03
细胞反应的反应时间
积分得到：
= න
/
0
+ / 0 − − 1
/ 0 − − 0
故它是在封闭系统进行的过程；反应器中底物浓度、产物浓度以及细胞浓度均随反
应进行的时间而变化。
1. 非稳态过程
2. 所有物料具有相同的停留时间和反应时间
3. 随着反应的进行，反应器的效率将降低
01
基本操作模型
对分批搅拌反应器，可对整个反应器做反应组分（底物或产物）的物料衡算为：
反应组分的转化速率
= -反应组分的积累速率
1 −
当 ≫ 时，即反应呈零级反应特征时
∙ = = −
从图中可以看出，当 / 值较小时，近似为一级反应，
生物工程设备课程分析26页PPT
1. 课程内容设计
生物反应器设计 基础
通气发酵设备
嫌气发酵设备 植物细胞（组织） 和动物细胞培养反
应器
生物反应器的检测 及控制
知识教学单元
生物反应器的化学计量和生物学基础；生 物反应器的质量和热量传递；生物反应器 的剪切力问题 机械搅拌通气、气升式和自吸式发酵罐； 通气固相发酵设备 酒精和啤酒发酵设备及连续发酵
课程概况
4. 课程在支撑培养规格要求的知识、能力和 素
质结构方面的作用
通过《生物工程设备》的学习，使学生掌握不同类型的生物产品 生产设备的结构及工作原理，培养学生如何应用这些基本理论去分析 和解决生产过程中具体问题的能力，培养学生改造原有生产过程使其 更符合客观规律的创新能力，培养学生的工程化理念及素质。
蒸发与结晶设备
干燥设备
固体物料的处理与粉碎设备；液体培养基 的制备及灭菌设备
过滤速度的强化；过滤设备；离心分离设 备；膜分离设备
萃取分离方法及设备；离子交换分离原理 及设备；吸附分离方法及设备；色谱分离 方法及设备
常压与真空蒸发设备；结晶设备
物料干燥过程及生物制品干燥的特点；非 绝热干燥设备；绝热干燥设备；冷冻干燥 及其他干燥设备
教师姓名 李瑞
常允康
本科专业 生物工程 生物工程
本科学位 工学学士 工学学士
研究生专业 化学工程与技术
生物工程
研究生学位 工学博士 工学硕士
职称 讲师 讲师
教学内容及条件
4. 教材及参考资料的选 取
教材选用高等学校专业教材《生物 工程设备》（该书由梁世中主编，中国 轻工业出版社，2019年6月出版），教 材内容和课程教学配合密切，教材内容 以通俗易懂的方式强调了生物工程设备 结构及工作原理的基础知识，列举了大 量理论与实际相结合的应用案例，使学 生不仅学到专业知识而且培养分析问题 和解决问题的能力。
《生物工程设备》教学大纲
《生物工程设备》课程教学大纲一、课程的性质和目的本课程是大学本科生物工程专业的专业课，通过本课程学习，结合认识实习和发酵工程等专业课程的学习，使学生掌握生物工程企业的工作流程、设备结构及其工作原理，主要设备的设计计算及选型，初步了解设备的安装与维护。
在此基础上，了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。
通过本课程的学习，使学生初步具有独立分析和解决生产及试验研究上的工程设备问题的能力。
二、课程的基本要求通过本课程的教学，要求学生掌握生物工程生产过程中常用设备的结构、特点、工作原理、设计计算、选型及保养。
通过本课程学习使学生掌握常见生物工程设备的结构原理，能进行设计和选型的能力。
三、课程内容与要求第一章物料输送系统设备（4学时）1、学习目的和要求通过本章学习，了解生物工程工厂常用的固体物料和液体物料的输送设备，掌握斗式提升机、皮带输送机、螺旋输送机和气力输送系统的构造、原理及相关计算。
2、课程内容（1）斗式提升机；（2）皮带输送机；（3）螺旋输送机；（4）气力输送系统；（5）液体物料的输送设备。
3、考核知识点和考核要求（1）识记：斗式提升机、皮带输送机、螺旋输送机的构造及工作原理，气力输送流程、主要配套设备；（2）领会：气流输送的原理；（3）综合应用：气力输送系统的设计。
第二章物料处理与培养基制备（4学时）1、学习目的和要求通过本章学习，掌握固体物料的筛选、除杂及粉碎设备的构造、工作原理，液体培养基的制备及杀菌所涉及的设备构造、工作原理、工作流程及相关计算与设备选型。
2、课程内容（1）固体物料的筛选除杂设备；（2）固体物料的粉碎设备；（3）糖蜜原料的稀释与澄清设备；（4）淀粉质原料的蒸煮糖化设备；（5）啤酒生产中麦芽汁的制备。
3、考核知识点和考核要求（1）识记：振动筛、磁力除铁器、碟片式精选机、滚筒精选机、平板分级筛、圆筒分级筛、锤式粉碎机、辊式粉碎机、圆盘钢磨机、钢片式粉碎机、湿法粉碎机的构造及工作原理，糖蜜原料的稀释与澄清设备的构造及工作原理，淀粉质原料蒸煮糖化流程、啤酒生产中麦芽汁的制备流程中相关设备的构造及工作原理；（2）领会：固体物料粉碎的力学分析，培养基热灭菌的动力学；（3）综合运用：液体培养基的制备及杀菌工艺流程的设计。
第十一章生物技术与工程课时4动物细胞工程-2025年高考生物备考教案
课时4动物细胞工程课标要求核心考点五年考情核心素养对接1.阐明动物细胞培养是从动物体获得相关组织，分散成单个细胞后，在适宜的培养条件下让细胞生长和增殖的过程。
动物细胞培养是动物细胞工程的基础；2.阐明动物细胞核移植一般是将体细胞核移入一个去核的卵母细胞中，并使重组细胞发育成新胚胎，继而发育成动物个体的过程；3.阐明动物细胞融合是指通过物理、化学或生物学等手段，使两个或多个动物细胞结合形成一个细胞的过程；4.概述细胞融合技术是单克隆抗体制备的重要技术；5.简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值动物细胞培养和干细胞的应用2023：辽宁T7、海南T7、湖南T21（4）；2022：海南T20（1）（3）（4）、湖北T7、江苏T14；2021：湖南T22（2）、重庆T5、浙江1月T18；2020：江苏T231.生命观念——深入理解动物细胞核移植和克隆技术，理解生命的发生、发展过程。
2.科学思维——分析动物细胞培养的条件、细胞融合和单克隆抗体制备的原理，形成科学思维的习惯。
3.科学探究——通过动物细胞培养操作，培养科学探究能力。
4.社会责任——了解生物工程技术在生产上的应用，认同生物技术对社会发展的影响，承担应有的社会责任动物细胞融合技术和单克隆抗体2023：北京T12、湖北T22（1）（2）（3）；2022：浙江1月T29（二）（3）、辽宁T24Ⅱ、江苏T19、山东T15；2021：山东T15；2020：江苏T28（4）、全国ⅠT38；2019：江苏T23动物体细胞核移植技术和克隆动物2023：天津T7；2021：辽宁T13、湖南T22（3）；2020：天津T1命题分析预测1.高考对本部分的考查常以生产或科研实践为情境，也可以图为载体，主要考查动物细胞培养、动植物细胞融合的异同、单克隆抗体的制备等，既有选择题，也有非选择题。
2.预计2025年高考仍可能延续往年的考查形式及特点，与基因工程、胚胎工程等其他知识相结合进行命题考点1动物细胞培养和干细胞的应用学生用书P3331.动物细胞培养（1）动物细胞培养的原理、条件和过程辨析细胞贴壁和接触抑制（1）细胞贴壁是指体外培养的细胞贴附在培养瓶的瓶壁上生长的现象；接触抑制是指当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时，细胞通常会停止分裂增殖的现象。
第十一章 干燥设备2非绝热干燥设备
11.2 非绝热干燥设备
11.2.2 带式真空干燥器
真空箱式干燥器的缺点是物料在干燥过程中处于静止状 态，无法翻动或移动，因此干燥时间长，尤其是在干燥后期。 带式真空干燥器在这方面进行了改善，如图11-2 所示，在一 个密封的真空干燥室内，有两个滚筒带动不锈钢料带。加热 时物料置于不锈钢料带上，在滚筒的带动下缓慢移动，两个 滚筒一个用来加热，另一个用来冷却，在不锈钢料带上下的 辐射加热器也可以同时加热。
生物工程设备
第十一章 干燥设备
干燥设备
11.1 11.2
固体物料干燥机理及生物工业 产品干燥的特点 非绝热干燥设备
11.3 绝热干燥设备
11.4 冷冻干燥及其他干燥设备
11.5 干燥辅助设备
11.2 非绝热干燥设备
干燥过程根据系统进出口焓的变化通常分为绝热干燥过 程（等焓干燥过程）和非绝热干燥过程（非等焓干燥过程）。 符合下列条件的干燥过程称为绝热干燥过程：
11.2 非绝热干燥设备
图 11-2 带式真空干燥器 1—加热滚筒；2—真空室；3---冷却滚筒；4—产品出口；5—原料 进口；6—不锈钢带；7—辐射加热器 8—至真空系统
11.2 非绝热干燥设备
11.2.3 耙式真空干燥器
耙式真空干燥器相当于在一个卧式筒状真空干燥箱内增 加了一个水平搅拌装置，这个搅拌装置带有很多叶片，在干 燥过程中像一个耙子不断翻动物料，因此，称为耙式真空干 燥器。如图 11-3 所示，湿物料经上部装入后密封，打开真 空装置，向夹套内通入蒸汽或者热水加热，在耙式搅拌的不 停搅拌下，物料中的湿份不断挥发并通过真空系统排出。
11.2 非绝热干燥设备
图 11-3 耙式真空干燥器 1—外壳 2—夹干燥器的焓差发生了 明显的改变。
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第一节 气流干燥 第二节 喷雾干燥 第三节 沸腾干燥与沸腾造粒干燥 第四节 真空干燥和真空冷冻干燥
概论
利用热能除去固体物料中湿份的单元操 作
产品生产最后工序
常用方法：对流干燥、冷冻干燥、 真空干燥、微波干燥等
主要内容：干燥设备和计算
分类方式
热能传递给湿物料的方式：直接干燥、 间接干燥、介电加热干燥
式中 D——干燥管的直径，m。
第二节 喷雾干燥
喷雾干燥：利用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，在短时间内获得干燥 。
压力喷雾法（又称机械喷雾法）：利用往复运动的高压泵
气流喷雾法：依靠的压缩空气通过喷嘴时产生的高速度，将液 体吸出并雾化
一、气流干燥流程与设备
概念：
把含有水的块状或粉粒状物料，通过适当的方法使它们分散到热空气中， 在与热气流并流输送的同时进行干燥而获得粉状干燥制品的过程。
流程：
湿物料
加料斗
器
固体产品
风机排走废气经
加料器 锁气管
气流干燥管 出口9卸出，
分离
二、气流干燥器的型式 （一）按照加料方式分类
直接加料型
t 1 ，t 2
2 ——进入和离开干燥器的热空气的温度，℃；
——干燥时的微粒的温度，即湿球温度。
空气传给物料的热量可用下列公式计算：
Q 'Q Q 损 -L (I2'-I0)
Q ——空气加热器的热损失，kJ/h，；
Q 损 ——干燥器的热损失，kJ/h； I 2 ' ——当初始空气湿含量为，离开干燥器的温度为时的热焓量。 I 0 ——初始空气的热焓量，kJ/h；
带分散机型
带粉碎机型
进料 热风
排料 图11-3 粉碎机结构示意图
（二）按干燥管形状分类 直管式
适用于比较容易干燥的物
变径管式
将颗粒等速运动段的直径扩大，使物料与气流的相对 速度加大，有利于颗粒表面气膜更新
b
c
d
图11-4 干燥管形状
三、气流干燥的特点
可获得高度干燥的成品 适用于热敏性物料的干燥 热效率高 热损失少 设备简单，操作容易，投资少 操作稳定，便于自动化。 整个过程都是连续的，便于与前后工序衔接 可烦
连续操作
热效率比间歇干燥高，容易实现自动化， 操作人员少
大量处理及热敏性物质的干燥
我国干燥设备现状
数百家干燥设备制造企业 ，干燥设备行 业协会
基本上已经满足国内市场的需求，某些 型号的设备还出口到国外
接近或达到90年代国际水平 仍有差距
第一节 气流干燥
一、气流干燥流程与设备 二、气流干燥器的型式 三、气流干燥的特点和适用范围 四、气流干燥的计算
Nu 8
5
2
0
50
100
Re浮
图11-6 Nu准数与Re的关系
（2）微粒总表面积的计算
设微粒为规则的球形，表面积为： Fnd2
式中 n ——每小时进入干燥管的微粒个数
n
G
d 6
3
粒
式中 G ——干燥器的生产能力，kg/h
所以
6G F
d 粒
，m2/h
（3）干燥时间的计算
物料与空气之间的平均温差为：t t1 t2
L ——通过物料平衡计算得到的空气量，kg干空气/h。
干燥过程所需要的时间： 3600Q '
Ft
（4）干燥管的长度与直径
l (w气w浮)
l ——干燥管长度，m；
w 气 ——空气在干燥管内流速，根据物料性质选用，一般为10~20m/s；
w 浮 ——颗粒悬浮速度，m/s；
D
l
36000.785w气气
特点：结构简单，操作方便和可靠，获得的产品质量好
气流喷雾干燥塔的构造
构成：干燥室 、气流喷雾器、分配盘 、螺旋排风管 、回风 管 、袋滤器。
各部件的功能：
– 气流喷雾器：使料液雾化 – 分配盘：使空气形成旋流与雾滴接触，提高干燥效果
– 螺旋排风管：使气固两相分离
– 回风管：尾气排放 – 袋滤器：尾气过滤
四、气流干燥的计算
（1）通过基尔比切夫准数求出物料的悬浮速度和干燥过程终 空气与物料的给热系数α ：
Ki
d3
4g(粒气) 3v2气气
d粒————微 微粒粒平的均平直均径密，度，m，kg可/m用3；筛子分级，根据筛孔平均直径计算；
气——空气在干燥管内平均温度时的密度，kg/m3；
v 气 ——空气在干燥管内平均温度时的运动粘度，m2/s。
干燥速度慢，设备造价高，但热效率高 间接干燥设备有：真空干燥、冷冻干燥、
辐射干燥
3．介电加热干燥
高频高燥和微波干燥等
间歇操作
小批量生产，处理量少或多品种生产；与干燥 衔接的前后工段生产不连续；物料的供给、成 品的排出和物料在干燥器内连续输送有困难； 干燥时间极长的物料
设备简单，操作中故障少，投资和操作费用少； 其缺点是物料受热时间长，不适用热敏物料；
操作方式 ：连续操作和间歇操作
1.直接干燥
热空气与物料直接接触，物料干燥所需的热量主要 依靠物料与热空气的对流传热。
包括：表面干燥、气流干燥、喷雾干燥、振动干燥 及沸腾造粒干燥
热空气温度较高，干燥速度大，设备投资少，但热 效率低
应用最广泛
2．间接干燥
物料干燥所需要的热量通过金属等材料 直接传递
离心喷雾干燥法 ：利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予溶液 离心力，使其高速甩出，形成薄膜、细丝或 液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与 撕裂等作用形成细雾
气流喷雾干燥设备
气流喷雾干燥流程、特点
组成：喷雾干燥塔、喷嘴外，还有空气加热器、压缩空气系统和 空气过滤器等
流程：压缩空气从切线方向进入喷雾器外面的套管，形成空气涡 流 ，并在喷嘴处形成低压区，吸引液体混合并使之微粒化。热风 从干燥塔的上部经空气分配盘进入，与喷雾后的液体微粒相遇， 使之干燥，干燥后的物料由塔底部排出，废气沿回风管导入袋滤 器或旋风分离器，收集随废气带走的粉末状产品，然后经排风机 排入大气中。
求得准数Ki后，可根据图11-5所示的关系求 出颗粒悬浮雷诺准数 Re 浮，这样便可以求出颗 粒的悬浮速度。
w浮
Re浮 d
v气
可以从雷诺准数 R e 浮 来查出努塞尔特准数 N u ，这样就能
确定空气与物料颗粒之间的给热系数 。
Nu气
d
式中 气 ——在平均温度时，空气的导热系数，kJ/（m2·h·℃）。