生物工程单元操作实验（第三版）

２１世纪初，国际生物工程学科蓬勃发展并日益呈现特色，生物工程产业化迅速崛起，生物

工程成为我国和国际上发达国家优先发展的高科技领域之一，亟须培养一大批具有较强工程

实践能力与应用能力的生物工程研发和产业化人才。面向当时新设立的生物工程、生物技术

本科专业的教学需要，２００３年我们在国内首先编写出版了《生物工程单元操作实验》，有别于

传统的面向化学工程、轻工专业的《化工原理实验》，使其更贴近于实际生物工程中的单元操

作，获得了许多同行的认同。

生物工程专业与生物技术的产业化密切相关，其下游技术从菌种培养和发酵开始，其产物

的分离纯化和生化分离工程等一系列内容都和化工原理中的单元操作及其原理是一脉相承

的。因此，生物工程单元操作脱胎于化工单元操作，其基本的传递过程原理是一致的，如基本

的传热、传质的操作原理。但是随着生物工程的发展，他们的区别越来越大，因为生物工程中

的*操作特点是所处理的物质有生物活性，易分解，要求物质在处理时尽量保持其生物活性

不损失，特别不能在高温进行也不能有影响活性的溶剂存在，因此将生物工程单元操作从化学

工程中分离出来，形成自己的特色是必然的。

教材经过１０年使用，根据生物工程实际生产工艺的发展和教学积累，我们对生物工程单

元操作的综合性实验和开放性实验做了大胆的探索与革新，于２０１３年出版了修订版，以进一

步加强课程的生物工程特色。

目前生物工程学科定位清晰、学科内涵与人才培养目标明确，已经形成了一套特色鲜明、

相对完善的科学理论和工程实践体系，于２０１１年被国务院学位委员会批准为新的一级学科，

２０１７年开始审批设立独立的生物工程学科学位点，将生物工程的本科、硕士、博士、专业学位

等培养系统化。笔者所在的上海交通大学获批我国*批生物工程学科博士学位授予权。对

于生物工程本科教学，随着工程专业认证日益得到重视，面向产出的人才培养理念得到认可，

培养过程中工程理念及解决复杂生物工程问题的能力培养观念得以进一步深入，而为本专业

学生打下工程基础的*为重要的专业课程之一就是生物工程单元操作，因此笔者持续关注本

课程的教学内容与教学方法改革。

生物工程单元操作的实验教学对于培养学生分析和解决有关单元操作的各种问题及综合

问题的能力非常重要。在生物工程单元操作实验教学中，生物专业的学生可以接触到和生产

设备较接近的工程实验装置，从而形成初步的“工程”概念，得到工程知识的熏陶，使其不仅能

在实验室工作，还具有“能够走出实验室”的工作能力。

按照生物工程专业的教学要求，我们尝试将生物工程单元操作的教学重心从原来教学中

偏重于化学工程单元操作向着重于课程基础和生物工程学科特色转变，加强基本概念、基本原

理、基本技能的教育，并和生物工程有机结合。本课程应用性强，有助于提高学生理论联系实

际的能力和动手操作能力，从理性和感性上赋予生物专业的学生以工程的概念。本课程通过

加强学生实践环节的教育，旨在培养有独立工作能力、有创造能力的学生。

本课程内容除生物工程教学大纲要求的基础实验外，还包括了与生物工程专业密切相关

的单元操作装置和实验，主要是传质方面的单元操作，如喷雾干燥器、薄膜浓缩器、高速离心分

离机、结晶实验、超滤实验、层析实验等，而且各实验装置由原来的小型模拟设备转向中试型生

产研究设备。本课程也为学生自主设计实验留出空间，学生可以通过对不同单元操作的组合，

自己设计有实用意义的实验，如将灵芝发酵液经离心、浓缩、干燥制备灵芝干粉；将精馏和萃取

相结合进行发酵产物的初步分离。各高校可以根据自己的实验设备、教学课时、教学要求等选

择相关教学内容。

希望通过本课程的学习，学生能够达到以下教学要求：

（１）使学生了解生物工程单元操作的基本设备、基本概念和基本原理，加强对工程的

理解；

（２）掌握生物工程单元操作的基本方法，能够熟练应用于生物工程实际过程；

（３）加强学生对生物工程设备的综合运用能力和生物工艺的基本研究能力，加深对复杂

生物工程问题的理解。

本教材由上海交通大学生命科学技术学院生物工程系的胡洪波、王威、张雪洪共同编写。

书中引用了大量公开文献，在此向原作者特别是本书首版作者唐涌濂教授表示衷心的感谢。

由于编者的水平有限，而且现有的单元操作实验设备受到一定的限制，同时生物工程单元操作

教学仍处于改革时期，本教材定有不足之处，敬请广大读者批评指正。

录

第１章 实验的组织与实施……………………………………………………………………… １

１．１ 实验方案的拟订 ……………………………………………………………………… １

１．２ 实验方案的实施 ……………………………………………………………………… ３

１．３ 实验数据的处理与评价 ……………………………………………………………… ７

１．４ 从事实验的基础知识 ………………………………………………………………… １２

第２章 生物工程基本测量技术 ……………………………………………………………… １５

２．１ 流体压强的测量方法 ………………………………………………………………… １５

２．２ 流量的测量方法 ……………………………………………………………………… １９

２．３ 温度的测量方法 ……………………………………………………………………… ２４

２．４ 密度及其测量 ………………………………………………………………………… ２８

２．５ 黏度测定方法 ………………………………………………………………………… ３０

２．６ 粒度及其测量 ………………………………………………………………………… ３４

２．７ 气液平衡数据测定 …………………………………………………………………… ３７

第３章 单元操作基本实验 …………………………………………………………………… ４１

３．１ 流体流动阻力的测定 ………………………………………………………………… ４１

３．２ 流量计的流量校验 …………………………………………………………………… ４５

３．３ 离心泵特性曲线的测定 ……………………………………………………………… ４８

３．４ 搅拌器性能测定实验装置 …………………………………………………………… ５０

３．５ 过滤实验 ……………………………………………………………………………… ５２

３．６ 换热器的操作和总传热系数的测定 ………………………………………………… ５６

３．７ 填料吸收塔的操作和吸收系数的测定 ……………………………………………… ５９

３．８ 筛板式精馏塔的操作及塔板效率测定 ……………………………………………… ６４

３．９ 液液萃取塔的操作…………………………………………………………………… ６９

３．１０ 反渗透膜分离过程中传质系数的测定 …………………………………………… ７２

第４章 单元操作综合性实验 ………………………………………………………………… ７５

４．１ 管路拆卸和安装实验 ………………………………………………………………… ７５

４．２ 高速管式离心机沉降分离实验 ……………………………………………………… ７７

４．３ 高速离心喷雾干燥实验 ……………………………………………………………… ８０

４．４ 膨胀床膨胀特性和流体混合性能的测定 …………………………………………… ８３

４．５ 空气循环式干燥过程实验 …………………………………………………………… ８７

４．６ 结晶实验 ……………………………………………………………………………… ９０

４．７ 离子交换层析分离氨基酸 …………………………………………………………… ９５

４．８ 牛血清白蛋白在双水相系统中的分配 ……………………………………………… ９９

４．９ 蛋白质的超滤分离实验 …………………………………………………………… １０２

第５章 开放性实验…………………………………………………………………………… １０５

５．１ 空气过滤器净化效果实验 ………………………………………………………… １０５

５．２ 薄膜蒸发实验 ……………………………………………………………………… １０９

５．３ 超滤、纳滤、反渗透分离实验 ……………………………………………………… １１３

附录……………………………………………………………………………………………… １１７

附录Ａ 阿贝折射仪 ……………………………………………………………………… １１７

附录Ｂ 电热蒸汽锅炉使用说明 ………………………………………………………… １１９

附录Ｃ 实验室安全操作基本知识 ……………………………………………………… １２１

附录Ｄ 国际单位制基本单位和基本常数 ……………………………………………… １２４

附录Ｅ 生物工程单元操作实验中的常用数据表 ……………………………………… １２５

参考文献………………………………………………………………………………………… １２７