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| 內容簡介： |
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《生物工程设备》根据国内外生物工程设备的最新研究进展，结合多位教师和企业专家的教学经验与实践，与工业实际应用发展相结合，对生物工程设备领域进行了全新的总结和阐述。《生物工程设备》主要介绍了生物工程设备的研究背景、发展历程、学科特点及学习方法，重点讲述生物反应器，如通风发酵设备、兼性厌氧发酵设备、酿酒设备、动植物细胞培养及酶生物反应器，还详细介绍了生物质原料的预处理设备、细胞破碎与料液分离设备，以及生物工程的下游设备，如萃取设备，离子交换、吸附和层析分离设备，蒸发、浓缩与结晶设备，蒸馏及精馏设备，干燥设备，杀菌设备，空气调节及净化设备，另外还有生物工程工厂附属设备和生物工程高新技术及设备，突出新技术和新装备。每章后还有复习思考题便于读者深入学习。
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目录前言第一章 绪论 1第一节 生物工程设备在现代生物技术领域的地位和重要性 1第二节 生物工程设备的发展历程 1第三节 生物工程设备面临的挑战和发展趋势 3第四节 课程内容和目标 3第二章 生物质原料的预处理设备 5第一节 原料的预处理设备 6第二节 培养基预处理设备 26本章小结 32复习思考题 32主要参考文献 33第三章 通风发酵设备 34第一节 机械搅拌通风密闭发酵罐 35第二节 气升式发酵罐 48第三节 自吸式发酵罐 50第四节 固态发酵设备 52第五节 膜生物反应器 55本章小结 58复习思考题 58主要参考文献 58第四章 兼性厌氧发酵设备 59第一节 乙醇发酵罐的结构与操作 59第二节 乙醇连续发酵设备 62本章小结 63复习思考题 63主要参考文献 63第五章 酿酒设备 64第一节 啤酒生产工艺及设备 64第二节 葡萄酒生产工艺及设备 70第三节 白酒生产工艺及设备 82本章小结 88复习思考题 89主要参考文献 89第六章 动植物细胞培养及酶生物反应器 90第一节 动物细胞培养反应器 91第二节 植物细胞培养反应器 97第三节 酶生物反应器 102本章小结 105复习思考题 106主要参考文献 106第七章 发酵罐的检测及控制 107第一节 发酵过程的状态参数检测 107第二节 控制理论与应用 111第三节 计算机在发酵过程控制中的应用 113本章小结 118复习思考题 119主要参考文献 119第八章 细胞破碎与料液分离设备 120第一节 细胞破碎设备 121第二节 固液分离设备 122第三节 膜分离设备 135本章小结 145复习思考题 146主要参考文献 146第九章 萃取设备 148第一节 液液萃取分离设备 149第二节 固液萃取设备 157本章小结 161复习思考题 162主要参考文献 162第十章 离子交换、吸附和层析分离设备 163第一节 离子交换原理与设备 164第二节 吸附原理与设备 173第三节 层析分离原理与设备 178本章小结 186复习思考题 187主要参考文献 187第十一章 蒸发、浓缩与结晶设备 188第一节 蒸发、浓缩设备 189第二节 结晶设备 200本章小结 208复习思考题 209主要参考文献 209第十二章 蒸馏及精馏设备 210第一节 蒸馏原理 210第二节 乙醇蒸馏设备 221本章小结 227复习思考题 227主要参考文献 228第十三章 干燥设备 229第一节 干燥基础理论 230第二节 气流干燥设备 232第三节 喷雾干燥设备 234第四节 流化床干燥设备 238第五节 真空干燥设备 244第六节 真空冷冻干燥设备 248第七节 微波干燥设备 250本章小结 251复习思考题 251主要参考文献 252第十四章 杀菌设备 253第一节 蒸汽式卧式杀菌锅 254第二节 全水上下锅卧式杀菌锅 256第三节 喷淋单锅式杀菌锅 258本章小结 258复习思考题 258主要参考文献 259第十五章 空气调节及净化设备 260第一节 空气调节 261第二节 空气净化 264本章小结 275复习思考题 275主要参考文献 275第十六章 生物工程工厂附属设备 276第一节 水处理设备 277第二节 制冷原理及设备 282第三节 蒸汽净化设备 294第四节 清洁工艺及设备 294本章小结 298复习思考题 299主要参考文献 299第十七章 生物工程高新技术及设备 300第一节 低温粉碎技术及设备 301第二节 喷雾冷冻干燥技术及设备 303第三节 超临界流体萃取技术及设备 307第四节 非热力杀菌技术及设备 317本章小结 323复习思考题 323主要参考文献 323附录 324
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第一章绪论 第一节生物工程设备在现代生物技术领域的地位和重要性 生物工程设备是生物技术产业化的基石。现代生物技术的成果，如基因工程药物、蛋白质药物、生物疫苗等，要从实验室走向市场，实现大规模生产，必须依赖高性能、高质量的生物工程设备。以生物分离工程设备为例，膜分离技术在酿酒工程中通过超滤和纳滤有效去除杂质，可显著提高酒类产品的纯度和风味稳定性；在食品科学与技术领域，连续离心机与色谱分离系统结合，可实现乳制品中功能性蛋白的高效纯化。这些设备能够按照严格的工艺要求和质量标准，稳定地进行生产操作，确保产品的一致性和可靠性。另外，生物工程设备对于优化生产工艺至关重要。生物技术过程往往复杂且精细，设备的性能和功能直接影响到生产工艺的效率和效果。例如，先进的发酵设备可以提供更精准的环境控制，从而提高微生物或细胞的生长和代谢效率，增加目标产物的产量；固定化酶反应器的应用不仅提高了酶的重复利用率，还通过精准的传质与传热控制，显著提升了催化效率；在食品工业中，固定化葡萄糖异构酶反应器用于高果糖浆生产，设备的设计直接影响产物转化率和能耗水平。 在保障生物制品的质量和安全性方面，生物工程设备也发挥着关键作用。以酿酒工程为例，现代不锈钢发酵罐通过无菌设计和在线监测系统，有效避免了传统陶罐易受杂菌污染的问题；食品加工中的超高温瞬时杀菌（UHT）设备则通过精确的温度控制与快速冷却技术，确保液态食品的微生物安全性。在生产过程中，设备的材质、结构和密封性等因素都直接关系到产品是否会受到污染，以及是否能保持其活性和稳定性。严格的设备设计和制造标准，以及完善的清洁和消毒措施，能够有效地防止交叉污染和微生物滋生，确保生物制品符合国家质量标准和生产安全要求。 生物技术的发展会带动能实现此技术的生物工程设备的创新，反过来，生物工程设备的创新和发展又会推动生物技术的进步。新的设备和技术的出现，如微流控技术、生物传感器等，为生物技术的研究和应用开辟了新的途径。它们能够实现更微小、更精确的生物操作，加速了生物技术在疾病诊断、药物研发等领域的应用拓展。此外，从经济角度来看，高效的生物工程设备有助于降低生产成本，提高企业的竞争力，促进生物技术产业的可持续发展。 第二节生物工程设备的发展历程 生物工程设备的发展经历了以下三个阶段。 一、传统生物工程设备——自然发酵阶段 数千年之前，人们还不清楚微生物的存在，并不明白微生物与发酵的关系，但是凭借生活经验和实践积累，已经将微生物应用于日常生活中，掌握了酿酒、制醋等技术。这一阶段靠自然发酵，历史悠久，工艺*特且经验丰富。人们只知其然而不知其所以然，靠的是实践经验和自然发酵。这一阶段的特点是多菌种自然接种、自然发酵，发酵工艺凭经验传授，设备功能单一，产品质量不稳定，所用到的设备仅仅是土罐、陶罐和木桶等简单容器。例如，我国古代黄酒酿造采用陶坛进行开放式发酵，通过“开耙”（搅拌冷却）技术调节温度与溶氧。 二、近现代生物工程设备——纯种培养与通气搅拌发酵技术阶段 从19世纪末到20世纪30年代，随着微生物筛选、分离技术的进步，纯种培养技术逐步出现。多种工业发酵过程陆续建立，啤酒、葡萄酒、乙醇、丙酮、丁醇、柠檬酸等发酵产品相继上市，这些发酵产品属于初级代谢产物，生产过程相对简单，对发酵设备的要求不高。 20世纪40年代，青霉素的工业化生产推动了通气搅拌发酵罐的革新，使得各种抗生素、有机酸、酶制剂、维生素、激素等生物技术产品能够实现规模化生产。如青霉素的生产，在表面培养时，1L的锥形瓶装200mL培养液，发酵效价约为40U/mL，提取纯度为20%，收率约为35%，生产1kg20%纯度的青霉素要用8万个培养瓶；而采用通气搅拌发酵技术，1943年研制出青霉素深层液体发酵工艺，使用5m3机械搅拌发酵罐，通入无菌空气，并结合离心萃取、冷冻干燥等技术，当时发酵效价达到200U/mL，目前发酵效价已可达到65000U/mL，提取纯度为60%，收率约为75%，每5m3的发酵罐可生产60%的青霉素0.75kg。食品工业中的氨基酸发酵（如谷氨酸发酵）也受益于此，设备的大型化与自动化使产量倍增。 在通气搅拌发酵技术（好氧培养）的基础上，后续又发展出了人工诱变育种与代谢控制发酵工程技术、发酵动力学和连续化及自动化发酵工程技术、微生物酶反应合成与化学合成相结合的工程技术等，使得生物工程设备不断完善，产品种类日益丰富。 三、现代生物工程设备——代谢调控与智能化技术深入结合阶段 代谢调控与智能化技术深入结合阶段的核心是通过对微生物代谢途径的深入研究和调控，对微生物的基因进行改造或筛选，使得微生物能够按照人们的预期进行代谢，实现对发酵产物有目的地生产。例如，通过选育赖氨酸生产菌，使其代谢途径发生改变，能够大量合成赖氨酸而非其他产物；在酶工程中，生物传感器与反馈控制系统可实时监测反应液中的底物浓度，动态调节酶反应条件，确保产物高效合成；在食品科学与技术领域，智能化酶解设备在植物蛋白质加工中实现pH、温度与酶活性的联动控制，显著提高水解效率。 代谢调控发酵技术对发酵设备和工艺提出了更高的要求，促进了生物工程设备向智能化发展，需要更精确的控制系统来调节发酵过程中的温度、pH、溶氧等参数，以满足微生物代谢的需求。 基因工程设备的突破推动了生物催化工程的进步。例如，酿酒酵母基因改造中使用的电转化仪与高通量筛选系统，加速了高耐受性菌株的选育；在食品工业中，重组酶（如凝乳酶）的大规模生产依赖高密度发酵罐与亲和层析纯化系统，设备的高效分离能力是关键。 现代生物催化设备强调绿色与可持续性。以生物催化为核心的生物制造技术将是人类社会的一个重大技术革命，其深度、广度和长远的影响可以与工业革命相匹敌，系列生物催化的新型设备在工业生产中得到应用。例如，固定化酶膜反应器在食品添加剂（如阿斯巴甜）合成中，通过连续化操作减少溶剂消耗；酿酒工程中的生物催化酯化设备则利用脂肪酶提升白酒风味物质的生成效率，同时降低能源消耗。 第三节生物工程设备面临的挑战和发展趋势 随着微生物工业的发展，生物工程设备也在不断发展、进步。欧美及日本等国家微生物工业规模大，产值高，产品众多，生物工程设备也较为先进。我国在生物工程设备制造加工领域与世界先进国家相比还存在一定的差距，目前我国生物工程设备面临以下挑战：①复杂体系的分离难题。生物体系的复杂性使得对生物过程的准确模拟和优化成为难题，需要更先进的数学模型和计算方法。例如，食品工业中多糖-蛋白质混合物的高效分离需开发新型膜材料与多级联用技术。②酶工程设备的稳定性。固定化酶载体易失活，需改进反应器设计以延长酶的寿命。 今后生物工程设备的发展方向主要集中在以下方面：①智能化和自动化。利用先进的传感器技术、数据分析和人工智能算法，实现设备的自动控制、远程控制、诊断和优化运行。②微型化和高通量。为了加快生物工程实验研发的进程，降低研发成本，开发微型化的生物工程设备，提高实验和生产的效率，降低成本。例如，微流控芯片技术在酶活性筛选中的应用，可加速酿酒酵母代谢途径优化。③多功能集成化。将多种功能集成于一个设备中，可减少设备的占地面积，提高生产效率和灵活性。④绿色环保和可持续。随着低碳生物时代的到来，为减少二氧化碳排放，采用环保材料和节能技术，以减少设备对环境的影响，实现可持续发展。⑤个性化定制。根据不同的生物产品和生产工艺，定制个性化的生物工程设备，以满足特定人群或场景的产品需求。⑥成套化。对一些比较成熟或者特殊生产工艺的设备如精酿啤酒、超高温瞬时杀菌设备的成套化，如英国APV、德国ATS等公司的设备。⑦智能酿造系统。例如，基于人工智能（AI）的发酵过程动态调控模型，可提升啤酒风味一致性与原料利用率。 生物工程设备作为生物工程领域的重要组成部分，其发展水平直接影响着生物工程产业的发展。面对不断涌现的挑战和机遇，需要持续创新，加强跨学科合作，推动生物工程设备向更加智能化、高效化、绿色化和个性化的方向发展，为解决人类面临的健康、环境、能源等问题提供有力的技术支持。 第四节课程内容和目标 生物工程设备的技术水平是整个微生物工业生产的关键，会直接影响产品的质量和经济效益。生物工程设备是生物工程专业的一门主干专业课程，它是从生物工程的研究内容和范围出发，根据生物工程设备共性技术，阐述生物生产过程中主要设备的作用原理、设计方法。本课程是农业类或理工科类院校生物工程、生物技术、生物制药等专业的专业必修课。生物工程设备是从事生物工程技术领域的研究开发人员都应当了解、掌握的一门学科。 课程目标包括：掌握生物工程设备在酶催化、食品加工等领域的选型原则；设计符合绿色制造要求的生物反应与分离系统；运用跨学科知识解决复杂工程问题，如通过设备设计或选型配套提出针对发酵过程杂菌污染的整体解决方案；理论联系实际，能充分分析和解决生物工程设备的具体问题；关注生物工程设备领域的新技术、新进展，培养创新意识和工程思维，以适应行业的发展和变化。 目前我们国家生物工程设备正从“引进吸收”向“自主创新”转型。在本课程的学习中，需要牢固树立“科技报国”理念，推动国产设备走向高端化、国际化。 学习方法：与本课程密切相关的课程有化工原理、生物分离工程、微生物工艺原理、机械基础、工程制图、化工仪器与仪表、电工学、计算机基础等，为了使学习效果最大化，学习本课程的同时，建议提前学习以上课程，或者课外自学相关内容。应该从设备的结构、原理、传动、设计、控制、应用（选型、使用方法）几方面学习本课程，理论联系实践，通过应用得到巩固。 第二章生物质原料的预处理设备 生物质原料的预处理设备是生物工程领域中用于提升原料品质、促进后续加工过程的关键装备。这些设备通过分选、粉碎、混合及糖化等步骤，有效去除原料中的杂质，调整粒度分布，实现多种原料的均刀混合，并将多糖类物质转化为可发酵性糖。分选设备利用物理特性差异分离杂质，粉碎设备则通过机械作用细化原料，混合设备确保各组分充分混合，而糊化与糖化设备则通过酶解或化学方法将复杂碳水化合物转化为简单糖类，为生物转化或发酵过程提供适宜的底物。这些预处理步骤显著提高了原料的利用率和后续工艺的效率。 第一节原料的预处理设备 生物工程产品的原料来源广泛，其中生物质是生物工程产品的重要原料之一，如乙醇发酵以玉米等作为原料，柠檬酸发酵以薯干等作为原料，氨基酸发酵以玉米或大米作为原料等。这些生物质类原料在进行生物反应之前均需要进行预处理，主要包括原料的除杂、分级、粉碎、混合、糊化及糖化等。因此，生物质原料的预处理是生物加工的**步。 一、生物质原料分选设备 （一）分选机械的分类 1.根据去除杂质种类分类生物工程原料的分选设备可以根据原料中杂物的不同而设计。故根据原料中杂物性质的不同，分选设备可分为以下4类。 （1）金属去除设备一般用于除去原料中的铁质磁性杂物，如铁片、铁钉、螺钉等。常用的方法是磁选法。 （2）除石机用于除去原料中的砂石。常用的方法有筛选法和密度法。 （3）除草机用于除去原料中的杂草、茎叶等。常用的方法是风选法和浮选法。 （4）过滤器用于除去液体生物加工原料中的杂物，如原料乳中的毛发、杂质等。常用的方法是过滤法，可安装过滤器过滤。 2.根据分选原理分类根据原料中杂物分选原理设计分选设备时，可以采用一种分选原理，如振动筛、永磁滚筒、色选机等，也可以采用多种分选原理结合于同一设备上，如吸式密度去石机等。 3.根据分选精度分类根据对原料分选精度的不同可分为粗筛机（如振动筛）和精选机（如碟片式精选机和滚筒式精选机）。 （二）筛分相关概念 1.筛分 筛分就是通过一定大小的孔径或长度的筛面，使物料按粒度尺寸大
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