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生物工程设备期末复习题生物工程设备期末题 1根据工艺操作，发酵生产设备类型分为 发酵设备和 发酵设备。 2小型发酵罐罐顶和罐身采用 连接，材料一般为不锈钢。 3罐体各部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为 左右。 4挡板的作用是防止液面中央形成 流动，增强其湍动和溶氧传质。 5消泡器的作用是 。 6大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用 使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。 7为了防止发酵液泄漏和杂菌污染，搅拌器轴与罐顶或罐底连接处需要密封，即 。 8一个发酵罐的圆柱部分体积为80 L，上下封头的体积分别为10 L，如果装料系数为80%，则罐的总容积为 L，罐的有效容积为 L，公称容积为 L。 9CIP清洗系统整个清洗程序分7个步骤：预冲洗、 、中间清洗、清水喷冲、碱喷冲、清水冲洗、 。 10细胞培养的操作方式有 、流加式操作、半连续式操作、 连续操作和 。 11笼式通气搅拌反应器由两大部分组成： 和 。搅拌笼体由 和其顶端的 以及套在笼体外面的 组成。 二、名词解释 1. 连续发酵。2在线检测。3净化工作台。4公称容积。5流加式操作 三、简答题 1. 机械搅拌发酵罐的基本要求是什么？2机械搅拌通风发酵罐中搅拌器的作用是什么？3圆柱锥底啤酒发酵罐上为什么要安装真空安全阀？4朝日罐生产啤酒的优缺点是什么？ 1. 试论述传感器应满足哪些条件？2以四器组合为例说明啤酒生产中麦汁的制备设备包括哪几种，每种设备的用途是什么？ 六、计算题 一个年生产12万t赖氨酸的发酵工厂，发酵产酸水平为18，提取总收率为85，年生产时间为300d，发酵周期为60 h，洗罐准备时间为12 h，设发酵罐的装罐系数为80，发酵罐的容积为450 m3。问：1、该工厂每日产量是多少(t/d)？2、每日所需要的发酵液量是多少？3、每日所需要的发酵罐容积为多大？4、生产12万t赖氨酸需要发酵罐的总数是多少？(每步计算请标清楚单位,小数点后保留一位有效数字) 一、名词解释 1、 菌体的率 YX/S 对基质的细胞得率Yx/s Y x /s = 生成细胞的质量Dx消耗基质的质量-DS 2、半连续式操作 又称反复分批式培养或换液培养，是指在分批式操作的基础上，不全部取出反应系剩余部分重新补新的营养成分，再按分批式操作的方式进行培养，这是反应器内培养液的总体积保持不变的操作方式。 3、Ka 4、发酵稀释比D:补料速度与反应器体积的比值，在稳定状态下，细胞的生长速率等于稀释速率 5、过滤效率被捕捉的粉尘量与原空气中粉尘量之比。 6、装料系数：发酵罐存在持气与起泡问题，必须在充入培养液后留有一定的空间。 =V0j式中 V发酵罐的代表容积；V0进入发酵罐的发酵液量V 装液系数 7、实罐灭菌：将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，又称分批灭菌。 8、升膜式蒸发器：真空蒸发设备，主要由加热室和汽液分离器组成，在真空状态下溶液在蒸发器的加热表面形成液膜，很快受热升温、汽化、浓缩。液膜与蒸发的二次气流方向相同称为升膜式蒸发器。 9、带式输运机：利用一根封闭的环形皮带，绕在相距一定距离的2个鼓轮上，皮带由主动轮带动运行，物料在带上靠摩擦力随带前进，到另一端卸料。由皮带、托辊、鼓轮、传动装置、张紧装置、加料装置和卸料装置组成。适用于松散干湿物料、谷物颗粒及成件制品。 10、比拟放大：即生物反应过程的放大，就是指以实验或中式反应设备所取得的数据为依据，设计制造大规模的反应系统，确定相应的工艺条件，以进行工业规模生产。 二.填空 1.某机械搅拌发酵罐内发酵液中的溶氧浓度为0.025mol/m3,此罐压下饱和溶氧浓度为0.275 mol/m3,此罐的KLa值为1000(1/h),根据传质理论,计算此类发酵罐的供氧能力为 250 mol (O2)/(m3h) 2.某酒精工厂,每发酵罐的进料量为24t/h,每4h装满一罐,糖化醪密度为1075 Kg/m3,装料系数为0.9, 计算此发酵罐的全体积约为 100 m3 3.啤酒发酵罐中发酵液的对流主要是依靠其中 CO2 的作用,另外冷却操作时啤酒 温度 的变化也会引起罐的内容物的对流循环 4.CIP清洗系统是Clean In Place的简称,即 内部清洗系统 ,进行大罐清洗工作的关键设备是 喷射洗涤装置 。 5悬浮培养适用于非贴壁依赖型细胞，贴壁培养适用于贴壁依赖型细胞。除此之外还有一种 固定化 培养对两类细胞都适用。 6.酒精厂以玉米粮食为原料的生产中需要 粗选机 、除铁 器 等设备对原料进行预处理。 7锤式粉碎机的作用力主要为 冲击力 。 胀缩式糖蜜连续稀释器的工作原理是 糖液的流速随器径的几次 改变而流速多次改变，促进了糖液的均匀混合 。 8.啤酒厂生产麦芽汁多采用四器组合，四器为糊化锅 、 糖化锅 、 麦汁过滤槽 、和 煮沸锅 糊化锅的作用是 加热煮沸辅助原料，使淀粉液化和糊化 。 9.管式离心机转鼓直径小，转速高,一般为15000r/min,分离 因数大,可达50000,因此分离强度高,可用于液-液分离和微粒 较小的悬浮液的澄清。 10膜分离过程的实质是 小分子物质透过膜，而大分子或固体粒子被阻挡 。 11液-液萃取设备应包括3个部分：混合设备、分离设备、和溶剂回收设备。 12蒸发器主要由_热交换器_和_蒸发室_两部分组成。 13结晶设备应有搅拌 装置,使结晶颗粒保持悬浮于溶液中,并同溶液有一个相对运动,以成薄晶体外部境界膜的厚度,提高溶质质点的扩散速度,加速晶体长大。 14沸腾造粒干燥过程中，影响产品颗粒大小的因素有_停留时间、摩擦作用 _和_干燥温度_。 15在用蒸汽加热灭菌时，要保证管道彻底灭菌,管路配置应能彻底排除冷凝水，故管路应有一定的斜度和装设排污阀门。在灭菌开始时，还必须注意把设备和管路中存留的空气充分排尽，否则造成假压而实际灭菌温度达不到要求。 16标出卧式空调室的部件的名称:3 喷嘴 4 挡水板: 三问答题 1. 简述植物细胞培养的特点以及常用的培养器的卧式空调类型及优缺点。 室 (1)植物细胞培养的特点：细胞的大小比微生物细胞大细胞块的形状培养液的黏度随细胞浓度的增加而显著上升需氧量低 Kla 值比微生物培养的Kla值小得多 对剪切力敏感需CO2和光照 (2) 悬浮培养反应器：机械搅拌反应器非机械搅拌反应器组合式反应器光生物反应器 固定化细胞反应器：填充床反应器流化床膜反应器 机械搅拌式反应器: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。 非机械搅拌式反应器：剪切力较小，结构简单，没有搅拌轴更易保持无菌。缺点:搅拌强度过低往往使培养物混合不均；过量的通气对细胞生长有阻碍作用；过量的溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利 填充床反应器：改善了细胞间的接触和互相作用，单位体积细胞较多,由于混合效果不好,常使床内氧的传递、气体的排出、温度和pH的控制较困难；支持物破碎还易使填充床堵塞。 流化床：混合效果较好，但流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常使支持物颗粒破损，另外，流体力学复杂使其放大困难。 膜反应器：与凝胶固定化相比，膜反应器的操作压力较低，流体力学易于控制，易于放大，而且能提供更均匀的环境条件，同时还可以进行产物分离以解除产物的反馈抑制，但成本较高。 2.提高过滤速度的方法都有那些? (1)通过改变悬浮液的物理性质而实现分离:增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去高价无机离子和杂蛋白质，降低液体黏度，实现有效分离。 方法：加热凝聚和絮凝加入盐类调节pH加入助溶剂 (2) 选择适当的过滤介质和操作条件：过滤介质除过滤作用外,还是滤饼的支撑物尽量采用加压过滤,确定滤饼比阻与过滤压差的关系,再与过滤方程相关联,求得最佳操作条件. 3.提高物料的干燥速度可以采取哪些措施？生物工业中常用的干燥设备有哪些类型？请举例说明。 提高物料的干燥速度可以采取以下措施：当干燥速率为表面汽化控制时，提高空气温度，降低空气湿度，改善空气与物料之间的流动和接触状况，提高真空室的真空度。当干燥速率为内部汽化控制时，减小物料颗粒直径，提高干燥温度。 生物工业制品的干燥设备类型 瞬时快速干燥设备：滚筒干燥设备、喷雾干燥设备、气流干燥设备、沸腾干燥设备 低温干燥设备：真空干燥设备、冷冻干燥设备 例如：真空干燥设备、冷冻干燥设备可用于空气中易氧化的生物制品的干燥 4.影响萃取操作的因素有哪些？ 萃取剂的选择 萃取剂应对欲分离的产物有较大的溶解度，并有良好的选择性，这些可用分利因素来表征。萃取剂选择除要求萃取能力强以外，在操作方面还要求萃取剂与萃余液的相互溶解度要小，粘度低，便于两相分离；萃取剂易回收，化学稳定性好且价廉易得。 PH范围 PH一方面影响选择性，另一方面又影响分配系数，因而影响产物的萃取收得率。通常情况下，酸性产物应在酸性萃取到萃取剂中，而碱性杂质则成盐留在水相中，碱性产物因在碱性条件下萃取到萃取剂中。另外，PH还应选取咋产物稳定的范围内。 温度的确定 大多数生物工业产品在较高温度下都不稳定，故萃取应维持在室温或较低温度下进行。但低温下料液粘度高，传质速率慢，故萃取速度低。因此工艺条件允许时，可适当提高萃取温度，升高温度有时对提高分配系数有利。 盐析、带溶剂、去乳化的作用 加入盐析剂如硫酸铵，氯化钠等可使产物在水中溶解度降低，从而使产物更多地转入溶剂中，另外也能减少萃取剂在水中的溶解度。 5.简述连续发酵有哪些优越性，为什么不能用连续发酵完全代替间歇式发酵？ 优越性：连续发酵具有培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，从而保证产品质量和产量稳定的优点，同时又具有发酵周期短，设备利用率和产量高，节省人力和财力以及生产管理稳定，便与自动化生产。 原因：由于连续发酵试验和生产中遇到了在长期连续发酵过程中，微生物的突变和杂菌污染问题。欲保持长期的无菌状态，在技术上有一定的困难。此外，发酵液在连续流动过程的不均匀性和丝状菌在管道中流动的困难以及对微生物动态方面的活动规律还缺乏足够的认识。 6气升式生物反应器的特点。 应溶液分布均匀：气、液、固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好 较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器有较高的气含率和比气液接触面积，因而有较高传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高，KLa可达2000h-1,且溶氧功耗相对低。剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞及组织的培养。 传热量好：通气发酵均产生大量发酵热,气升式生物反应器可以迅速散出多余的热，使反应器内温度恒定。 结构简单，易于加工制造：气升式反应器罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，故加工制造方面设备投入低。 操作和维修方便：因为无机械搅拌系统，故结构简单，能耗低，操作方便，特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏染菌问题，另外，因无机械搅拌热产生，故发酵总热量低，换热冷却和温控有保证。低能耗 7.简述过滤的除菌机制。 采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物，从而获得无菌空气。常用的过滤介质按孔隙大小可分成两大类，一类是介质间孔隙大于微生物，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称之为深层介质过滤；另一类介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，称之为绝对过滤。 8.为什么说“生物反应器的结构对生物反应器的产品质量，收率和能耗起到关键作用？p1 答：”与化学反应器不同点是生物反应都以“自催化”方式进行，即在目的产物生成过程中生物自身要生长繁殖，要以生物体为中心，除了考虑反应器的传质、传热等性能以外，还需要选择适宜的生物催化剂，这包括了解产物在生物反应的那一阶段大量生成、适宜的PH和温度，是否好养和易受杂菌等；生物体是活体，生长过程可能受到剪切力影响，也可能发生凝聚成为颗粒，或因自身产期产气或手痛其影响而漂浮于液面；材料的选择能确保无菌操作的设计；检测与控制配置的可能性、安全性、经济性等。总之，生物反应器的设计原理是基于强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。 四计算题： 1、某厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一只圆盘六箭叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装有四块标准挡板，装液量VL为6m3，搅拌转速 =150rpm，通气强度为1.0VVm，醪液粘度=2.25×10-3 N·s/ m2，醪液密度 =1020 kg/ m3 ,求轴功率Pg和Kd。 解： 先求搅拌雷诺准数： Re=wDirLm2=(150/60)(0.6)´102022.25´10-3=40.8´104故发酵系统属充分湍流，功率系数NP=3.7。故两组叶轮的不通气时搅拌功率为： p0=NPwrLDi35æ150ö5=3.7´ç÷´1020´0.6=4586(W)=4.586(KW) è60ø3通气搅拌功率为 : Pg0.577 P0=2.647KW 空截面气速为: æp2övs=6´1ç´1.8÷=2.359m/min=235.9(cm/min)è4ø从而可算出溶氧系数： Kd=(2.36+3.3n)(Pg/VL)0.56vs0.7w0.7´10-9=(2.36+3.3)(2.647/6)0.56235.91500.70.7=5.47´10-62某丙酮丁醇厂需新建 100 M丙酮丁醇发酵罐,已计算出主发酵期生物合成热 Q1 =4×10kj/h,蒸发热损失Q2 为Q1 的 5%,查有关资料可知罐向周围环境散失的热损失 Q3 =1.2×10kj/h,醪液的比重为=1.082×10 kg/M，发酵温度为 30 ，冷却水进口温度为 20 ，出水温度为 25 ，冷却水的平均比热 Cp=4.186 kj/(kg.),罐内采用蛇管冷却,冷却蛇管为水煤管,其规格为 53/60 (mm),壁厚3.5mm，其导热系数=188 kj/(M.h.),根据生产经验数据可取传热系数1和2分别为2700 kj/(M.h.)和 1.45×10kj/(M .h.),另外管壁水垢层的热阻取 1/16750 M .h./kj,试求发酵罐冷却面积、蛇管总长度和冷却水耗量。 解:总的热量Q=4×10-5%×4×10-1.2×10 =3.68×10 (kJ/h) 5545242233435Q3.68´105 冷却水耗量 W =Cp(t2-t1)=4.186´(25-20)= 17600 (kg/h) (tF-t1)-(tF-t2)2.303lgtF-t1tF-t2 对数平均温度差 tm=11= 7.2 () 1 K =+112+S+1167501= 2700+114500+0.0035188+116750 = 1931 kJ/(M ·h·) Q23.68´105冷却面积 F =K×Dtm=1931´7.2 = 26.5 M 23设计一台通风量为50M/min的棉花活性炭空气过滤器， 空气压力为 0.4 MPa(绝对压力)，已知棉花纤维直径 d=16 微米，填充系数= 8%，空气线速度为 0.1 M/sec，若进入空气过滤器的空气含菌量是 5000 个/M ， 要求因空气原因引起的倒罐率为0.1%，发酵周期 100 hr。工作温度为 40，平均气温为 20，计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器直径)。 表1 纤维直径 d=16 微米，填充系数= 8% 时棉花纤维的K'值 0.05 0.10 0.50 1.0 2.0 3.0 0空气流速 v (M/sec) k' (1/cm) 0.193 0.135 0.1 0.195 1.32 2.55 33解： 查表： 当v0= 0.1 M/sec 时,K'=0.135 Nlg2N1=-k'LN1= 5000×50×60×100 = 1.5×10 N2= 10 L=lgN2N1=-12.18-0.135=90.2(cm)9-3-k'P1 = 0.1 MPa P2= 0.4 MPa V1= 50 M/min = 0.83 M/sec 由气态方程得： V2=V14V233P1T23×=0.22(M/sec) P2T1=4´0.223.14´0.1=1.67D= 答: 该空气过滤器的过滤介质厚度为 90.2 cm ,过滤器直径为 1.67 M. pVS