Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиологических производств

ИНЖЕНЕРНАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ 

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ 
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ 

ПРОИЗВОДСТВ

А.В. ЛУКАНИН

Рекомендовано

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки 19.03.01 «Биотехнология»

(квалификация (степень) «бакалавр»)

Москва

ИНФРА-М

202УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 663.1(075.8)
ББК 28.4я73
 
Л84

Луканин А.В.

Инженерная биотехнология: процессы и аппараты микробиоло-

гических производств : учебное пособие / А.В. Луканин. — Москва : 
ИНФРА-М, 2023. – 451 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/16718.

ISBN 978-5-16-011480-4 (print)
ISBN 978-5-16-103739-3 (online)
В учебном пособии показаны принципы проведения процессов и рабо-

ты аппаратов, используемых в биотехнологии (биоинженерии). Рассмот-
рены теоретические основы различных технологических процессов — ги-
дромеханических, тепловых, массообменных и механических. Описаны 
конструкции типовых аппаратов, методы, используемые для их расчетов, 
и показаны области их применения. 

Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работни-

ков, инженеров-технологов и других специалистов, обучающихся и рабо-
тающих в области промышленной биотехнологии.

УДК 663.1(075.8)

ББК 28.4я73

А в т о р:

А.В. Луканин, доктор технических наук, профессор

Р е ц е н з е н т ы:

Н.Б. Градова, доктор биологических наук, профессор;
Б.С. Ксенофонтов, доктор технических наук, профессор

ISBN 978-5-16-011480-4 (print)
ISBN 978-5-16-103739-3 (online)
© Луканин А.В., 2016

Л84

Введение

Аппаратура, используемая в технологических процессах произ-
водства продуктов микробиологического синтеза, весьма разно-
образна и, хотя у данной отрасли имеется немало общего с другими 
смежными отраслями, во многом специфична.
Специфические требования к оборудованию, применяемому в 
микробиологической промышленности, связаны с санитарно-гиги-
еническими особенностями его использования и предот вращением 
контаминации, что имеет решающее значение при проектиро вании 
конструкций, выборе материалов для их изготовления и др.
Одно из основных требований к оборудованию микробиологи-
ческого производства — это его герметичность. Применение гер-
метичных аппаратов, особенно на стадии культивирования, явля-
ется важ ным условием качественного проведения процесса и полу-
чения стандартного продукта с высоким выходом из единицы сырья. 
Большое значение имеет правильный выбор материала, из которого 
изготовлено оборудо вание, поскольку компоненты материала могут 
оказывать как активирующее, так и ингибирующее действие на биосинтез 
биологически активных веществ.
Оборудование должно быть рассчитано на проведение непрерывных 
процессов, поскольку это позволяет интенсифицировать и 
авто матизировать их. 
Общая схема биотехнологического производства с точки зрения 
процессов и аппаратов, может быть представлена следую щим 
образом:
1) механические процессы, применяемые для переработки 
твердых материалов. К таким процессам относятся: перемещение 
материа лов, их измельчение, классификацию (сортировку) по крупности, 
дозирование и смешивание;
2) гидромеханические процессы, используемые при перера ботке 
жидкостей и газов, а также неоднородных систем, состоя щих из жидкости 
и мелко измельченных твердых частиц, взве шенных в жидкости (
суспензий). Движение жидкостей, газов и суспензий характеризуется 
законами механики жидких тел — гидромеханики. К числу 
гидромеханических процессов относятся: перемещение жидкостей и 
газов, перемешивание в жидкой сре де, разделение жидких неодно-
родных систем (отстаивание, фильтрование, центрифугирование), 
очистка газов от пыли;
3) тепловые процессы, связанные с теплообменом, т.е. пере ходом 
тепла от одного вещества к другому. К этим процессам относятся: на-
гревание, охлаждение, процессы, протекающие с изменением агре-

гатного состояния вещества, — испарение, кон денсация, плавление 
и затвердевание, а также процессы выпа ривания, кристаллизации и 
получения искусственного холода;
4) массообменные процессы, заключающиеся в переходе вещества 
(массы) из одной фазы в другую путем диффу зии. К этой группе от-
носятся следующие процессы перехода веществ:
 
• из твердой фазы в жидкую (растворение) или из жидкой фазы в 
твердую (кристаллизация);
 
• из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу (экстрак ция);
 
• из жидкой фазы в газообразную (испарение жидкости, де сорбция 
растворенного газа из жидкости) или из газообразной фазы в 
жидкую (конденсация пара, аб сорбция газа жидкостью);
 
• из жидкой фазы в парообразную и одновременно из па-
рообразной фазы в жидкую (ректификация);
 
• из твердой фазы в газообразную (возгонка, десорбция газов из 
твердых тел) или из газообразной фазы на поверх ность твердых 
тел (адсорбция газов твердыми телами).
Указанные механические, гидромеханические, тепловые и мас-
сообменные процессы широко применяются в большинстве биотех-
нологических производств. 

Глава 1. Общие пОлОжения

1.1. КлассифиКация ОснОВных прОцессОВ и аппаратОВ 

Все нижеперечисленные процессы в той или иной степени ис-
пользуются в производстве лекарственных препаратов, химических, 
пищевых, кормовых и других продуктов.
По общепринятой классификации, основанной на кинетичес кой 
(скоростной) закономерности процессов, различают [3, 5]:
•
• гидромеханические•процессы, скорость jг которых определяется за-
конами гидродинамики:

 
j
dV
Fd
p
r
K
p
г =
=
=
τ

Δ
Δ
1
1
, 
(1.1)

где V — объем перемещаемой среды; F — площадь сечения аппа рата; 
τ — время; К1 — коэффициент скорости процесса (величина, обратная 
гидравлическому сопротивлению r1); Δр — перепад давлений (дви-
жущая сила процесса).
К гидромеханическим относятся процессы перемещения жид-
костей и газов, осаждения, фильтрования, центрифугирования, псев-
доожижения, перемешивания в жидких средах и др.;
•
• тепловые•процессы, скорость jт которых определяется законами 
теплопередачи: 

 
j
dQ
Fd
t
r
K
t
т =
=
=
τ

Δ
Δ
2
2
, 
(1.2)

где Q — количество переданной теплоты; F— поверхность тепло-
обмена; K2 — коэффициент теплопередачи (величина, обратная тер-
мическому сопротивлению r2), Δt — разность температур меж ду об-
менивающимися теплотой материалами (движущая сила про цесса).
К тепловым относятся процессы нагревания, охлаждения, ки-
пения, конденсации, выпаривания и др.;
•
• массообменные•(диффузионные)•процессы, скорость jм которых 
определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую:

 
j
dM
Fd
c
r
K
c
м =
=
=
τ

Δ
Δ
3
3
, 
(1.3)

где М — количество вещества, перенесенного из одной фазы в 
другую; F — поверхность контакта фаз; К3 — коэффициент массо-
передачи (величина, обратная диффузионному сопротивлению r3, 

Δс — разность между равновесной и рабочей концентрациями ве-
щества в фазах (движущая сила процесса).
К массообменным относятся процессы абсорбции, ректифи-
кации, экстракции, адсорбции, сушки, кристаллизации и др.;
•
• механические•процессы, скорость которых определяется зако-
нами физики твердого тела.
К механическим относятся процессы измельчения, классифи-
кации, дозирования, смешивания твердых материалов, их пере-
мещения и др.;
•
• химические•процессы, связанные с превращением веществ и из-
менением их химических свойств. Скорость jх этих процессов опре-
деляется закономерностями химической кинетики:

 
j
dM
Vpd
K f c
х =
=
τ
4 ( ) , 
(1.4)

где М — количество прореагировавшего в химическом процессе ве-
щества, Vp — объем реактора, К4 — коэффициент скорости хими-
ческого процесса, f(с) —движущая сила процесса, которая является 
функцией концентраций реагирующих веществ.
Производственным или технологическим называется воспроиз-
веденный в большом масштабе процесс пере работки природных и 
синтетических материалов в продукты потребле ния. 
Для осуществления каждого производственного процесса необхо-
димы: 1) исходные материалы; 2) машины; 3) энергия; 4) рабочая сила.
Производственный процесс состоит из стадий производства, а 
стадии производства — из отдельных технологических операций. 
Промышленное производство характе ризуется использованием 
машин и аппаратов, пред назначенных для осуществления различных 
процессов.
Машина — это устройство, выполняющее механи ческое движение 
с целью преобразования энергии или материалов. В машине сочета-
ются три основных узла: двигатель, передаточный и исполнительный 
меха низмы. Передаточный и исполнительный меха низмы часто объ-
единяются в одно целое, составляя рабочую машину (станок).
Двигатель — это устройство, обеспечивающее дви жение всех 
других механизмов машины. Чаще всего в качестве двигателя 
использу ются электродвигатели трехфазного тока.
Исполнительный, или рабочий, механизм является основой рабочей 
машины. Он служит для непосредст венного воздействия на предмет 
труда и производит в нем необходимые изменения, являющиеся 
целью об работки.
Передаточный механизм — это связующее звено между двига-
телем и исполнительным механизмом, ко торое осуществляет свою 

функцию путем передачи, регулирования, преобразования и распре-
деления первоначального вращательного движения, создаваемого 
двигателем, и приведения этого движения в работу в соответствии с 
задачами исполнительного механиз ма. 
Аппарат — механическое устройство предназначенное для прове-
дения различных технологических процессов. В отличии от машины 
аппарат не имеет двигателей и передаточных механизмов. Примеры 
аппаратов — фильтры, экстракторы, отстойники.

1.2. принципы анализа и расчета прОцессОВ

Анализ процесса начинается с определения условий равновесия 
системы с учетом законов гидродинамики, термодинамики и мас-
сообмена. Наибольшее количество параметров, которые можно из-
менять, не нарушая равновесия, определяют с помощью правила фаз 
Гиббса для различных систем [5, 7, 12]:

 
Ф + С = К + 2, 
(1.5)

где Ф — число фаз; С — число степеней свободы, т.е. число неза-
висимых переменных, значение которых можно произвольно из-
менять без нарушения числа или состава фаз в системе; К — чис ло 
компонентов системы.
По характерным равновесным и рабочим параметрам опреде ляют 
движущую силу процесса, используемую для расчета основ ных раз-
меров проектируемого аппарата.
Целью расчета химических процессов и аппаратов является оп-
ределение массовых потоков перерабатываемых материалов и энер-
гетических затрат, необходимых для осущест вления процессов, а 
также вычисление основных размеров машин и аппаратов.
Для инженера-конструктора важны не столько определение ма-
териальных и энергетических соотношений процесса, сколько глу-
бокий анализ его кинетических закономерностей. Ана лиз позволяет 
найти оптимальные условия процесса, при кото рых размеры машин 
и аппаратов минимальны.
Анализ процессов и расчет аппаратов проводят в определен ной 
последовательности. Сначала, исходя из законов гидродина мики 
или термодинамики, выявляют условия равновесия и опре деляют 
направление течения процесса. По данным о равно весии устанав-
ливают начальные и конечные значения парамет ров процессов.
На основании закона сохранения материи составляют уравнение 
мате риального баланса•[10]:

 
ΣМн = ΣМк , 
(1.6)

где ΣМн — количество исходных материалов; ΣМк — количество ко-
нечных про дуктов.
Далее определяют тепловой эффект процесса и, исходя из закона 
сохранения энергии, составляют уравнение теплового баланса [10]:

 
ΣQн + Qp = ΣQк + Qп, 
(1.7)

где ΣQн — тепло, поступающее в аппарат с исходными материалами; 
Qp — тепловой эффект процесса; ΣQк — тепло, уходящее из аппарата 
с конечными продуктами; Qп — потери тепла в окружающую среду.
По величинам, характеризующим рабочие и равновесные па-
раметры, определяют движущую силу процесса.
На основании законов кинетики (гидромеханической, тепло вой, 
диффузионной, химической) находят коэффициент скорости процесса.
По полученным данным определяют основной размер аппа рата: 
емкость, площадь поперечного сечения, поверхность нагре ва, по-
верхность фазового контакта и т.д. Для этого используют общее со-
отношение:

 
А = М / (DК), 
(1.8)

где А — основной размер аппарата; М — количество материала, 
перерабаты ваемого в единицу времени; D — движущая сила про-
цесса; К — коэффициент скорости процесса.
Из соотношения (1.8) следует, что движущая сила и коэф фициент 
скорости процесса являются основными величинами при опреде-
лении размеров аппаратов. Нахождение численных значений этих 
двух величин является самой сложной частью расчета аппаратуры, так 
как при этом возникает необходимость обоснованно решать вопросы 
масштабных переходов — распро странения данных, полученных в 
лабораторных исследованиях, на промышленные объекты [4—6].
При разработке новых процессов и аппаратов применяют физи-
ческое и математическое моделирование [12].
Физическое моделирование заключается в замене изучения какого-
либо объекта опытным изучением его модели, имеющей ту же фи-
зическую природу, но отличающейся масштабом или значениями 
характеристик. К физическому моделированию при бегают, когда 
натурные испытания трудно осуществить вслед ствие очень больших 
или очень малых размеров разрабатывае мого объекта. При физи-
ческом моделировании используют опи санные ниже теорию подобия 
и метод анализа размерностей.
Математическое моделирование представляет собой прибли-
женное описание какого-либо класса процессов с помощью системы 
дифференциальных уравнений, связывающих основные параметры 
процессов. Та кое описание называют математической моделью процесса.

1.3. периОдичесКие и непрерыВные прОцессы

По организационно-технической структуре процессы делятся на 
периодические и непрерывные•[3, 5, 6].
В периодическом процессе его отдельные стадии (или опера ции) 
осуществляются в одном месте (в одном аппарате или ма шине), но 
в разное время. В непрерывном процессе отдельные стадии осуще-
ствляются одновременно, но в разных местах (в разных аппаратах 
или машинах).
Для примера рассмотрим процесс, который складывается из 
стадий загрузки перерабатываемого материала в установку, его на-
гревания, перемешивания, охлаждения и выгрузки из уста новки го-
тового продукта. Этот процесс может осуществляться периодически 
или непрерывно.
При периодическом проведении процесса все перечисленные 
стадии протекают в разное время в одном аппарате, который соот-
ветствующим образом приспособлен для этого. Исходный материал 
загружается (рис. 1.1) в аппарат. После загрузки материал нагревается 
водяным паром, подаваемым в рубашку 2. Пар отдает тепло перера-
батываемому материалу через стенку корпуса 1 и при этом конден-
сируется; конденсат отводит ся через нижний патрубок в рубашке. 
Стадия перемешивания осуществляется при вращении мешалки 3. 
После перемешивания следует охлаждение материала водой, пода-
ваемой в змеевик 4. Готовый продукт выгружается через патрубок в 
днище аппа рата.

V
V

I
III

II
IV

4
2

3

1

рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса:

1 — корпус; 2 — паровая рубашка: 3 — мешалка; 4 — змеевик; I — исходный мате-
риал; II — готовый продукт; III — пар; IV — конденсат; V — охлаждающая вода

При непрерывном осуществлении процесса все стадии про-
текают одновременно в различных аппаратах (рис. 1.2). Мате риал 

непрерывно загружают в установку, состоящую из ряда специализи-
рованных аппаратов. Он нагревается в теплообмен нике 1, переме-
шивается в аппарате с мешалкой 2, охлаждается в холодильнике 3. 
Готовый продукт непрерывно выводится из холодильника.

III

I

IV

II

V

2
1
3

рис. 1.2. Схема установки для осуществления непрерывного процесса:

1 — теплообменник-нагреватель; 2 — аппарат с мешалкой; 3 — теплообменник-
холодиль ник; I — исходный материал; II — готовый продукт; III — пар; IV — конденсат; 

V — ох лаждающая вода

Для более четкой характеристики периодических и непре рывных 

процессов используют следующие понятия и обозна чения.

Продолжительность процесса (τ) — время, необходимое для завер-

шения всех стадий процесса, начиная с момента загрузки исходных 
материалов и кончая выгрузкой готовых продуктов.

Период процесса (Δτ) — время, протекающее с начала за грузки 

исходных материалов данной партии до начала загрузки исходных 
материалов следующей партии.

Непрерывные процессы имеют значительные преимущества 

перед периодическими: возможность специализации аппарату ры 
для каждой операции (стадии) процесса, стабилизация про цесса 
во времени, улучшение качества продукта, легкость регу лирования 
и возможность автоматизации процесса. Этими преимущества ми 
объясняется неизменная тенденция перехода от периодиче ских про-
цессов к непрерывным.

Непрерывно действующие аппараты в зависимости от ха рактера 

движения и изменения параметров перерабатываемых материалов 
делят на аппараты полного вытеснения, полного смешения и про-
межуточного типа.

При проведении процессов в любом из перечисленных аппа ратов 

изменяются значения параметров перерабатываемых ма териалов. 
Параметрами, характеризующими процесс, являются давление,