生物工程设备考试重点

考试题型：1、填空 201=20 2、判断 181=18 3、简答 76=42 4、设计 210=20生物工程设备考试重点第1章 生物质原料处理过程与设备1、 生物质原料的筛选除杂设备1、夹杂物大体上分三类：纤维性较长的物质 颗粒状物质 铁磁性物质 （填）2、根据麦粒横截面积大小，将筛选除杂设备分为：粗选设备、精选及分级设备（根据筛孔大小不同分，孔径由上至下变小）（1）粗选设备： 大麦粗选机 特点：振动筛，分为风选、三级振动筛、平面筛 磁力除铁器 分离组成：永久磁铁、电磁铁 磁铁分离方法：永磁溜管（平板磁铁分离器）、永磁滚筒 （旋转式）（2） 精选及分级设备（生物设备） 精选机：精选适用于颗粒状物料，按颗粒长度分级。 精选机理：利用带有袋孔（窝眼）的工作面来分离杂粒物料，袋孔中嵌入长度不同的颗 粒，带升高度不同而分离。 大麦分级 根据腹径大小分为三级：2.5mm ：2.22.5mm ：2.2mm（饲料） 一般选择2.2mm以上制大麦（即、级） 分级设备 平板分级筛、圆筒分级筛 （简单知道）2、 生物质原料的粉碎设备1、机械粉碎的5种形式（5种粉碎力）：挤压、冲击、研磨、剪切和劈裂。 （填）2、粉碎设备 锤式粉碎机 作用力：冲击力、挤压力、研磨 盘磨机 作用力：研磨、剪切 球磨机 作用力：转机、研磨 辊式粉碎机 作用力：挤压、剪切和研磨。 物料一般麦芽、大米较多 类型：两辊式粉碎机、四辊式粉碎机、五辊式粉碎机（前三个辊为光辊，后两个为丝辊）、 六辊式粉碎机（三对辊筒，前两对为光辊，后一对为丝辊） 湿式粉碎机 根据是否加水，分为干法粉碎和湿法粉碎三、生物质原料固体间的混合1、固体混合的机理：对流混合：固体粒子的循环流。 剪切混合：粒子间相互滑动和撞击产生。 扩散混合：存在状态不同而产生的局部混合作用。2、 混合设备（分为2大类） 回转型混合机：水平圆筒型、倾斜圆筒型、V型、双锥型、立方体型 固定型混合机：搅拌槽式混合机、回转圆盘型混合机第2章 物料输送过程与设备1、 固体物料的输送1、4种设备：斗式提升机（垂直提升物料） 皮带运输机（水平或斜向上提升物料） 螺旋输送机（水平或斜向上） 气力输送系统（垂直或水平）2、斗式提升机（会画简图）（1）料斗：分为浅斗、深斗和尖角形斗。（2）料斗带：即牵引带。胶带由若干层帆布组成的橡胶带。 钢质链条具有较强的牵引力。（3）装料方式：喂入式、掏取式。 卸料方式：主为重力卸料、离心力卸料。 （填）3、 带式输送机 水平或斜向上输送物料，角度22 张紧装置：安装时，装在从动轮装置上4、 螺旋输送机 水平或斜向上输送物料，角度22螺旋形状：全叶式、带式、叶片式和成型叶四种。5、 刮板输送机（简单了解） 刮板输送机在作水平输送时，被输送的物料受到刮板链条在运动方向的压力和自身重量的作用，在物料之间产生了内摩擦力；这种物料之间的内摩擦力，保证了物料堆形成稳定状态，不至于在输送过程中发生翻滚现象。同时，这种内摩擦力足以克服物料在料槽内移动时料槽对物料的外摩擦阻力，使物料成为连续整体的料流而被输送。（填）6、 气力输送系统及设备（空气输送） 垂直管中颗粒物料气流输送的流体力学条件：垂直管中，气流速度大于颗粒的悬浮速度。（1） 气流输送三种形式：吸引式、压送式、混合式 （即三种气流输送流程） 三者比较：（好好看） 吸入式不需要加料器，但需要排料器； 压送式需要加料器，防止在加料处发生物料反吹，不需要排料器，可自动卸料； 当输送量相同时，压送式较吸入式采用较细的管道，因为前者操作压力较后者为大。 从几个不同地点，向一个送料点送料时，采用吸入式最合适；从一个加料点向几个不同的地方送料时，采用压送式最合适。（2） 气流输送的主要配套设备：进料装置 输料管道 分离装置 闭风器（看） 风机 除尘器 空气管道 空气除尘装置分为3种：旋风分离器 布袋滤尘器 湿式除尘器2、 液体物料的输送设备1、 液体输送机械中，根据作用原理，可分为 离心泵 往复泵 旋转泵 三者特点：离心泵：气压差为工作原理 往复泵：往复运动，利用大气压吸入液体 旋转泵：出口压高，效率高，无噪音，适用于高压下输送黏稠性液体。第3章 培养基的制备设备1、 发酵生产中，需要对培养基及其发酵设备进行灭菌，一般工业上常采用蒸汽湿热灭菌。2、淀粉质原料的蒸煮与糖化 连续蒸煮设备：罐式蒸煮设备 柱式连续蒸煮设备 管式连续蒸煮3、 木质纤维素中抑制物的形成过程中的三种有害物质 三大类：弱酸类：甲酸、乙酸、乙酰丙酸 呋喃化合物类：5-羟甲基糠醛、糠醛 酚类化合物类：4-羟基苯甲醛、 4-羟基苯甲酸、紫丁香醛、紫丁香酸、香草醛、 香草酸木质纤维素中抑制物的形成过程（1）蒸汽爆破法 原理（清楚，看下） 高压蒸汽爆碎技术是比较有效、低成本、无污染的新技术。向装有植物纤维物质的压力罐通入高压蒸汽，使罐温度达到200240左右，原料中的半纤维素会迅速分解释放出有机酸，发生自水解作用而可溶化。细胞间的木质素熔化，并发生部分降解，变得易为热水、有机溶剂或稀碱抽提。加上突然减压爆碎的机械分离作用，使植物细胞间质或细胞壁变疏松，细胞游离，纤维素的可酶解性明显增强。蒸汽爆碎技术的成败在于精确控制处理强度（蒸汽温度和处理时间）和处理的均匀度。控制不当，半纤维素等未充分降解或降解产生的单糖被进一步降解破坏，得糖率往往会低于理论值的65%。（2）稀酸预处理法 （看看） 半纤维素和纤维素都能被强酸直接降解成单糖。纤维素的酸水解工艺比较简单，已有工业化经验。但是需要较高的温度和较大量的酸，水解产生的单糖会进一步降解，产生对微生物有毒性的糠醛类物质。处理后的糖液需要中和、脱毒等后处理后才能用于发酵。用稀硫酸在较低温度下处理植物纤维材料，可以只降解其中的半纤维素，而提高经过预处理后的材料中纤维素的可酶解性。因为处理条件较温和，生成的糖类降解比较少。稀酸水解生成的糖类可发酵生成乙醇。4、 糖蜜酒精发酵前4步骤：稀释、酸化、灭菌、增加营养盐。 （填）糖蜜稀释器：水平式糖蜜连续稀释器 立式糖蜜连续稀释器 错板式连续稀释器（简单看） 胀缩式糖蜜连续稀释器 变管径式连续稀释器 间歇式稀释器5、麦芽汁的制备设备 “三锅两槽”：糊化锅、糖化锅、煮沸锅；过滤槽、沉淀槽。“三锅两槽”结构特征及主作用： 糊化锅：用来加热煮沸辅助原料（大米粉或玉米粉）和部分麦芽粉醪液，使其淀粉液化和糊化。 糖化锅：用途是使麦芽粉与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。 过滤槽：主要用于麦汁与麦糟分开而得到清亮的麦芽汁。 麦汁煮沸锅：用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发掉，使其达到要求浓度，并加入酒花浸出酒花中的苦味及芳香物质，还有加热凝固蛋白质、灭菌、灭酶的作用。 糖化醪过滤槽：主要用于醪液的糖化和麦汁的过滤。主结构参数：糖化锅锅体直径与高之比为21，升气管截面积为锅圆筒截面积的1/301/50。 V糊：V糖 =1/22/3 糖化锅糊化锅加水：W料：W糖 = 1：4.24.5第4章 空气净化除菌与空气调节1、 空气过滤除菌机理：五种作用机理 惯性冲击滞留作用机理 拦截滞留作用机理 布朗扩散作用机理 重力沉降作用机理 静电吸附作用机理2、（设）3、空气介质过滤除菌设备（1）常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。（2）空气压缩机分为：离心式空气压缩机、往复式空气压缩机。（3）空气贮罐中贮气罐作用：消除脉动维持罐压的稳定使部分液滴在罐内沉降保温灭菌。（4）气液分离器：旋风分离器（直径10m）、丝网分离器（直径10m） 4、空气增湿和减湿的方法（掌握，简答）（1）增湿方法：往空气中通入直接蒸汽 喷水 空气混合增湿（2）减湿方法：喷淋低于该空气露点温度的冷水； 使用热交换器以把空气冷却至其露点以下； 空气经压缩后冷却至初温，使其中水分部分凝集析出，使空气减湿； 用吸收或吸附方法除掉水气，使空气减湿； 通入干燥空气，所得的混合空气的湿含量比原有空气的低。第5章 嫌气发酵设备1、对酒精发酵罐的要求：及时移走热量 有利于发酵液的排出 便于设备的清洗，维修 有利于回收二氧化碳2、 传统发酵：前发酵：封闭空间、开口式罐 后发酵：贮酒罐 主要作用：完成嫩啤酒的继续发酵 饱和二氧化碳 促进啤酒的稳定、澄清和成熟3、新型发酵： 圆筒体锥底发酵罐（会画图） 联合罐 朝日罐 （简单了解）4、多罐式连续发酵（会画）主特点： 连续发酵 上面酵母 发酵温度高 21 24 有搅拌 啤酒风味与间歇的相似第6章 通风发酵设备1、 机械搅拌通风发酵罐1、发酵罐的基本条件 （填，简答） 适宜的高径比，2.5 4倍 承受一定压力，1.5倍 搅拌通风装置 足够的冷却面积 减少死角 轴封严密2、发酵罐体的尺寸比例 （画图）（1）高径比：2.54（2）两组搅拌器的间距：S = 3Di（3）搅拌器与罐底的距离：C = Di，太小影响液体循环。3、加热方式：夹套传热 蛇管传热4、全挡板条件：在一定转速下，再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。 装设46块即可满足全挡板条件。 （填）5、 轴封形式：填料函式轴封、端面式轴封（常用）6、气-液相间的溶氧传质理论：双膜理论2、 气升式发酵罐（ALR）1、 生物工业大量应用的3种气升式发酵罐： 气升环流式反应器 气液双喷射气升环流反应器 多层空气分布板的气升环流发酵罐（侧壁）2、 气升式反应器的特点： 反应溶液分布均匀 较高的溶氧速率和溶氧效率 剪切力小，对生物细胞损伤小 传热良好 结构简单，易于加工制造 操作和维修方便与机械搅拌通风发酵罐比较：剪切力小，损伤小3、 自吸式发酵罐的特点（1）优点： 不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房占地面积 溶氧速率高，溶氧效率高、能耗较低 用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点。（2）缺点：不能保持一定的正压，较易产生杂菌污染；装料系数约40%（3）改进措施：采用自吸气与鼓风相结合的鼓风自吸式发酵系统4、发酵罐设计基本原则 灭菌彻底 法兰连接要少 采用全焊接 避免死角、裂缝 能单独灭菌 连接管道等能蒸汽密封 阀门清洗、维修、灭菌方便 罐维持正压 发酵罐材料（不锈钢） 碟形/椭圆形封头 11、底式搅拌轴12、发酵罐输出功率（大型发酵罐 1-3 W/L）第7章 细胞破碎与料液分离过程设备1、 生物工业下游加工可分为四个阶段： （填） 发酵液的预处理和固液分离 产物提取 产物精制 成品加工2、 细胞破碎设备 主提取细胞壁（1）高速珠磨机（2）高压匀浆器（3）超声波振荡器：特点：频率高、波长短、定向传播，频率为1525kHz （填） 作用原理：空化（空穴）效应 分类：槽式、探头直接插入介质 （后者比前者好）3、 发酵液的预处理（展开写） 加热： 凝聚和絮凝： 加入盐类： 调节pH值： 加入助滤剂：4、过滤设备：按过滤推动力，可将过滤设备分为常压过滤机、加压过滤机、真空过滤机 * 真空过滤机（转筒式真空过滤机）：（掌握） 连续操作顺序：过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼 圆筒分3个区域：过滤区：空间与真空管连通（吸滤） 洗涤及脱水区：空间也与真空管连通，吸入洗涤水，吸干滤饼。 卸渣及再生区：与压缩空气管路连通，压缩空气由筒内向外，穿过 滤布而将滤饼吹松，随后由刮刀刮除。吹净残渣，滤布再生。 特点：生产能力大，劳动强度小，推动力小（压差），滤饼湿度大，投资大。5、 膜分离（1）克服的两种力力：流体的流动的阻力、膜两侧的渗透压。（2）浓差极化：当溶液从膜一侧流过时，溶剂及小分子溶质透过膜，大分子的溶质在靠近 膜面处被截留。并不断返回溶液主体中，当这一返回速度低于大分子溶质 在膜面聚集的速度时，则会在膜的一侧形成高浓度的溶质层的现象。（3） 措施：采用错流操作或加大流速等措施。（4）良好的膜分离设备应具备的条件： 膜面切向速度快，以减少浓差极化 单位体积中所含膜面积比较大 容易拆洗和更换新膜 保留体积小，且无死角 具有可靠的膜支撑装置（5）膜分离设备形式：板式、管式、中空纤维式、螺旋卷式第8章 萃取与色谱分离设备1、 溶剂萃取按操作方式分：单级萃取、多级萃取（错流萃取、逆流萃取）2、 双水相萃取的必要条件：形成的两种聚合物分子间存在斥力。（填）3、 离子交换法：主基于一种合成的离子交换剂作为吸附剂，以吸附溶液中需要分离的离子。 优点：树脂无毒性且可反复再生使用，少用或不要有机溶剂，因而成本低，设备简单，操 作方便。 缺点：生产周期长，pH变化范围大，甚至影响成品质量等缺点。4、阴阳交换树脂，清楚对象（判）5、吸附分离（1） 原理：利用合适的吸附剂，在一定的操作条件下，使发酵液中的产物被吸附在固定吸 附剂的内外表面上，再以适当的解吸剂将产物从吸附剂上解吸下来，从而达到 分离浓缩的目的。（2） 优点：不用或少用有机溶剂，操作简便、安全，设备简单，吸附过程中pH变化小， 适用于稳定性较差的产物的分离。（3）缺点：选择性差，收率低，无机吸附剂性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大。6、色谱分离法（1）优点：分离效率高，设备简单，操作方便，一般在常温下操作，不易使物质变性 特别适用于不稳定的有机大分子物质。（2）缺点：处理量小，周期长，不能连续操作。（3） 分类：依据分离机理分 吸附色谱法（靠吸附力不同而分离） 分配色谱法（靠物质在两液相间的分配系数不同而分离） 离子交换色谱法（靠个物质对离子交换树脂的化学亲和力不同而分离） 凝胶色谱法（靠各物质的分子大小或形状不同而分离）第9章 蒸发与结晶设备1、蒸发的分类：按操作空间的压力可分为：常压、加压或减压蒸发。 按蒸汽利用情况可分为：单效蒸发、二效蒸发和多效蒸发 按操作流程可分为：间歇式、连续式。 按加热部分的结构可分：为膜式和非膜式。2、结晶：物质从溶液中成晶体状态析出，或从熔融状态受冷时成晶体状态凝结的过程。 结晶方法： 蒸发浓缩 冷却 降低溶解度 起晶方法：自然起晶：利用蒸发浓缩排除大量溶剂，溶液浓度将进入过饱和不稳定区 刺激起晶：处于介稳区，采用刺激手段（突然冷却、振荡、搅拌、超声波） 晶种起晶：处于介稳区，加入一定大小和数量的晶种。3、搅拌结晶设备：立式结晶箱 等电结晶罐 卧式结晶箱 真空结晶箱4、蒸发与结晶的区别 蒸发：将部分溶剂从溶液中排出，是溶液浓度增加，溶液中的溶质没有发生相变。 结晶过程：通过将饱和溶液冷却、蒸发，或投入晶种使溶质结晶析出。第10章 干燥过程与设备1、 干燥：利用热能除去固体物料中湿分（水分或其他溶剂）的单元操作。往往是整个生物 加工过程中在包装之前的最后一道工序。 干燥方法：对流干燥（包括固定床干燥、流化床干燥、气流干燥和喷雾干燥） 冷冻干燥 真空干燥 微波干燥 物料中水分分为：游离水（易于除去）、结合水（难以除去）。 干燥包括两个过程：传热过程、传质过程。2、表面汽化控制：水分在表面的汽化速率 内部扩散速率3、 气流干燥（1）原理：利用热气流将物料在流态下进行干燥。（2）适用物料：潮湿分散状态颗粒物料。（3）特点：干燥强度大 干燥时间短 适用性广 设备结构简单，占地面积小，生产能力大，能连续操作，可实现自动控制。4、 喷雾干燥（1） 原理：利用不同的喷雾器，将悬浮液或粘带的液体喷成雾状，与热空气之间发生热量 和质量传递而进行干燥的过程。（2）适用物料：不能借结晶方法得到固体产品的生物制品。（3）特点：干燥速度快，时间短 干燥温度较低 制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。（4）关键：料液的雾化（5）种类：压力式喷雾器 气流式喷雾器 离心式喷雾器5、冷冻干燥（1）原理：将湿物料（或溶液）在较低温度下（-10 -50）冻结成固态，然后在高度真 空（130 0.1 Pa）下，将其中固态水分直接升华为气态而除去的干燥过程。（2）特点（与其他干燥相比）： 干燥温度低，特别适合于高热敏性物料的干燥； 能保持原物料的外观形状； 冻干制品具有多孔结构，因而有理想的速溶性和快速复水性； 冷冻干燥脱水彻底，质量轻，产品保存期长。（3） 缺点：设备昂贵，干燥周期长，能耗较大，产量小，加工成本高。6、 微波干燥（1） 原理：当待干燥的湿物料置于高频电场时，由于湿物料中水分子具有极性，则分子沿 着外电场方向取向排列，随着外电场高频率变换方向，则水分子会迅速转动或作 快速摆动。（2）特点： 加热干燥时间比较短 干燥均匀 便于控制 热效率高。（3）频率在300 300000 MHz或波长0.001 1 m的高频电磁波。设计题：1、啤酒连续发酵 2、机械搅拌通气发酵罐 3、气升式通气发酵罐 4、斗式提升机- 9 -