生物工程设备复习资料第一篇

第一篇 生物反应器

第一章 通气发酵设备

1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。 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；(4) 生产能力高 ；(5) 能耗低；(6)检测控制系统完善；(7) 易放大； (8)生产安全

主要类型：①机械搅拌通气发酵罐 ②气升式发酵罐 ③自吸式发酵罐 ④通气固相发酵设备 ①机械搅拌通气发酵罐： A.工作原理：

利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。

②气升式发酵罐（类型：气升环流式、塔式、空气喷射式等。） A.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。

B.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；④传热良好；⑤结构简单；⑥能耗小；⑦不易染菌；⑧操作和维修方便 ③自吸式发酵罐

A.工作原理：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。

B.优点：①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；②溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；③生产效率高、经济效率高设备便于自动化、连续化。

C.缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％。

机械搅拌自吸式发酵罐 原理：电机带动发酵罐底部空气转子高速运动将空气甩出，借助转子中心形成负压将空气吸入，同时由于转子旋转可起到搅拌器的作用，并将气泡破碎分散。

喷射自吸式发酵罐：利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合和溶氧传质。

2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。 ①罐体（壁厚计算）

由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130℃和0.25MPa(绝对压力)。

②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，并使生物细胞悬浮于发酵体系中，以维持适当的气-液-固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。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。

③挡板作用：防止液面中央形成旋涡流动，增加其湍动和溶氧传质。

1

通常挡板宽度取(0.1～0.12)D，装设4~6块即可满足全挡板条件。

所谓“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：

?0.1~0.12?Dn?0.5 b? ?n???D?D?④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

端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。

三部分：动环和静环、弹簧加荷装置、辅助密封元件 ⑤空气分布器

空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。

空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。 ⑥消泡装置

消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。

两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置 ⑧轴承

中型发酵罐一般在罐内装有底轴承； 大型发酵罐装有中间轴承。 ⑨冷却装置（竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。）

第二章 嫌气发酵设备

1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。

酒精发酵罐：罐体为圆柱体，底盖和顶盖均为蝶形或锥形。采用封闭式。罐体底部装有集水槽，采用管外列管式喷淋冷却，具有冷却发酵液均匀，冷却效率高的优点。 2.酒精发酵罐的计算

发酵罐全容积按下列计算:

V?V0/? 式中 V—发酵罐的代表容积（m3）；V0—进入发酵罐的发酵液量（m3）

—装液系数， 一般取=0.85~0.90

2

带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为:V?罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系：

hh?π2?D?H?1?2? 433??H?1.1～1.5D,h1?0.1～0.14D,h2?0.05～0.1D

对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算： N?nt/24?1 传热总系数K 冷却水耗量的计算

K2?????4.186A0.8D0.7D??1?1.77??R? W??QB

Cp(T2?T1)3、啤酒发酵罐的计算及设计中涉及的问题（如压力、真空、发酵液混和及对流）等。 1）啤酒发酵罐的计算 ①前发酵槽的计算

A.发酵槽数目的确定: N?nt或者N=nt/Z

B.前发酵槽体积的确定: V?ZV0/? ??0.8?0.85 C.前发酵槽冷却面积计算：A?②后发酵槽的计算

(1) 后发酵槽数目的确定： N?V/VS VS为每个后发酵槽的有效体积 (2) 后发酵槽全体积的确定: V?VS/? ??0.9?0.95

2）大型锥罐设计中的问题：

压力；真空；热交换及发酵液循环。 4、新型啤酒发酵设备的优缺点。

1）圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐 ）。这种设备的优点在于能缩短发酵时间,而且具有生产上的灵活性，适合于生产各种类型啤酒的要求。 2）联合罐 3）朝日罐

优点：可加速啤酒的成熟。后酵时罐的装量达96％，提高设备利用率，减少了排除酵母时发酵液的损失。缺点：动力消耗大。 5、CIP在位清洗。

预冲洗→碱预洗→中间清洗→固定喷头喷洗→碱喷冲→清水冲洗→酸冲洗 6、连续发酵与间歇发酵的优缺点。

间歇发酵：操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。

连续发酵：培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，从而保证了产品质量和产量稳定的优点，同时发酵周期短，设备利用率和生产效率高，节省人力和物力以及生产管理稳定，易于自动化生产。

Qn N?t N?nt

K?TmZ 3

连续发酵存在的问题：

（1）微生物的突变（2）污染杂菌（3）混合均匀度不理想（4）丝状菌的输送困难

第三章 动物细胞培养反应器

1.动物细胞培养的特点

1. 细胞生长缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生素；

2. 动物细胞较微生物大得多，无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差； 3. 培养过程需氧量少，且不耐受强力通风与搅拌； 4. 在机体中，细胞相互粘连以集群形式存在；

5. 培养过程产物分布于细胞内外，成本高，产品价格昂贵； 6. 大规模培养时，不可套用微生物反应的经验； 7. 原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡。 2、动物细胞培养反应器的分类。 1）机械搅拌式细胞培养反应器 2）气升式细胞培养反应器

优点：①没有移动部件；②完全密封；③便于无菌操作；④设计简单；⑤便于放大生产；⑥氧的转换率高。

3）中空纤维细胞培养反应器

优点：①培养体积小，细胞高密度生长；②有浓缩产品的功能；③产物纯度高；④自动化程度高，细胞生长周期长

缺点：中空纤维价格昂贵，生产成本高。 4）工业化水平的大载体细胞培养反应器

优点：①操作控制简单，可随机取样检测；②人工增加附着细胞密度高；③消耗用品价格低廉，产物收率高； 5）微载体细胞培养反应器

优点：①比表面积大，单位体积培养培养基细胞产率高;②微载体悬浮于培养基中，细胞生长环境均一，简化了这些环境因素的检测和控制;③培养基的利用率高;④采样重演性好; ⑤收获过程简单;⑥放大较容易;⑦劳动强度小，占用空间小。 6）转基因动物生物反应器

动物乳腺生物反应器;动物膀胱生物反应器

第四章 植物细胞培养反应器

1、植物细胞培养反应器的分类。

悬浮培养反应器：1.机械搅拌2.非机械搅拌3.组合式反应器4.光生物反应器 固定化细胞培养反应器：1.填充床2.流化床3.膜反应器 1）机械搅拌式反应器

优点：混合性能好；传氧效率高；操作弹性大；可用于细胞高密度培养； 缺点：剪切力大 2）非机械搅拌式反应器

非搅拌式反应器所产生的剪切力较小，结构简单。其主要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器 3）组合式反应器

利用“ 优势互补”原则，将两种反应器结合起来研究出组合式反应器。带有低速搅拌的

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气升式发酵罐可弥补低气速时混合性差的弱点。 2、植物细胞培养与微生物培养的区别。 1)细胞的比微生物细胞大； 2)细胞块的形状变化大；3) 培养液的黏度大；4)需氧量小；5)Kla值比微生物培养的Kla值小得多；6）对剪切力敏感7)需CO2和光照 植物细胞培养具有的优点：

（1）代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行，可以通过改变培养条件和选择优良培养体系得到超整株植物产量的代谢产物；（2）培养在无菌条件下进行，可排除病菌和虫害侵扰； （3）可以进行特定的生物转化反应；（4）可以探索新的合成路线和获得新的有用物质等。

第五章 微藻生物反应器

1、微藻细胞培养的特点及反应器种类。 微藻大规模培养的特点： （1）需要足够的光照；（2）需要供应大量的CO2和排放大量的O2； （3）混合均匀，防止细胞沉降，且使细胞受光均匀； （4）微藻的培养基多采用海水配制，除淡水藻外。 微藻培养反应器应有条件： （1）足够的光照；（2）合适的温度；（3）合适的无机碳源及其他无机营养物质； （4）合适的pH；（5）充分混合；（6）避免污染；（7）氧的析出。 分类：敞开式培养反应器

优点：成本低、建造容易、操作简单、易于生产。

缺点：培养效率低、培养条件无法控制、易受污染、水分易蒸发、光能利用率低 密闭式培养反应器

优点：培养效率高、培养条件易于控制、污染少、生产周期延长、适用于所有藻类的培养。

第六章 生物反应器的检测与控制

生化工程用传感器应具有的要求： （1）传感器能经受高压蒸汽灭菌；

（2）传感器及其二次仪表具有长期稳定性； （3）最好能在过程中随时校正；

（4）探头材料不易老化，使用寿命长； （5）探头安装使用和维修方便；

（6）解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题； （7）价格合理，便于推广使用。 1、生物传感器及其组成。

传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电学量)的器件。 生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。 生物传感器的特点：

由选择性好的主体材料构成的分子——识别元件，一般不需进行样品的预处理； 利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体； 由于它的体积小、可以实现连续在位监测；

响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。 组成：敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件

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1）敏感元件（酶电极、微生物电极、免疫电极、） 2)信号转换器（将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置）

电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型电极．

生物热敏器件：基于温度测量原理，把生物功能材料和高性能检测器件结合而成，如酶热敏电阻。酶热敏电阻可分为密接型和反应器型。 光生物电极

光生物电极的测量原理：①生物发光反应的测量原理；②生物物质的光吸收、光激发；③生物反应物质对光传播对干扰原理。竞争结合型、光吸收型、荧光淬灭型、指示剂型、生物发光型和光传递干扰型。 组织传感器

以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极．动植物组织中的酶是反应的催化剂．与酶电极比较，组织电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高.2.酶的稳定性增大.3.材料易于获得.

工作原理：将热能变化转换为电信号；将光效应转换为电信号；直接产生电信号 4、PID控制。（比例、积分、微分控制）

比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。积分作用太强会使系统出现振荡。

微分控制可以克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

第七章 生物反应器的比拟放大

1、生物反应器放大的目的。

应用理论分析和实验研究相结合的方法，总结生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研究解决有关的质量传递、动量传递和热量传递问题，以便在反应器的放大过程中尽可能维持生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。 2、放大的内容。

罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放大问题，这些内容都有一定的相互关系。

3、经验放大中常用的两种方法。

1）以体积溶氧系数kLa(或kd)相等为基准的放大法（实例）

高好氧发酵通常应用等kLa的原则进行反应器放大 放大后通气强度和转速下降 2）以P0/VL相等的准则进行反应器的放大

对于溶氧速度控制发酵反应的非牛顿型发酵液和高细胞密度培养，通常应用P0/VL相等准则进行反应器的放大。

以搅拌叶尖速度相等的准则进行机械搅拌通风发酵罐的放大 以混合时间相等的准则进行放大

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1）敏感元件（酶电极、微生物电极、免疫电极、） 2)信号转换器（将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置）

电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型电极．

生物热敏器件：基于温度测量原理，把生物功能材料和高性能检测器件结合而成，如酶热敏电阻。酶热敏电阻可分为密接型和反应器型。 光生物电极

光生物电极的测量原理：①生物发光反应的测量原理；②生物物质的光吸收、光激发；③生物反应物质对光传播对干扰原理。竞争结合型、光吸收型、荧光淬灭型、指示剂型、生物发光型和光传递干扰型。 组织传感器

以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的电化学传感器称为组织电极，此系酶电极的衍生型电极．动植物组织中的酶是反应的催化剂．与酶电极比较，组织电极具有如下优点：1.酶活性较离析酶高.2.酶的稳定性增大.3.材料易于获得.

工作原理：将热能变化转换为电信号；将光效应转换为电信号；直接产生电信号 4、PID控制。（比例、积分、微分控制）

比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。积分作用太强会使系统出现振荡。

微分控制可以克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

第七章 生物反应器的比拟放大

1、生物反应器放大的目的。

应用理论分析和实验研究相结合的方法，总结生物反应系统的内在规律及影响因素，重点研究解决有关的质量传递、动量传递和热量传递问题，以便在反应器的放大过程中尽可能维持生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率。 2、放大的内容。

罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放大问题，这些内容都有一定的相互关系。

3、经验放大中常用的两种方法。

1）以体积溶氧系数kLa(或kd)相等为基准的放大法（实例）

高好氧发酵通常应用等kLa的原则进行反应器放大 放大后通气强度和转速下降 2）以P0/VL相等的准则进行反应器的放大

对于溶氧速度控制发酵反应的非牛顿型发酵液和高细胞密度培养，通常应用P0/VL相等准则进行反应器的放大。

以搅拌叶尖速度相等的准则进行机械搅拌通风发酵罐的放大 以混合时间相等的准则进行放大

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