生物工程设备复习

1、生物工程设备应试任课老师：蒋介石、法海、黄晓明 考试时间：十周周五十点第一部分 作业第二部分 考试可能内容第一章 绪论一、生物工程1. 生物技术生物技术（又称生物工艺学或生物工程）是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂将物料进行加工，以提供产品或为社会服务的技术。生物技术与其他学科的关系2.生物技术的四大支柱3.发酵工程（微生物工程）1）发酵工程指利用微生物的特定性状，通过现代工程技术，在生物反应器中生产有用物质的一种技术。发酵对象包括传统的天然微生物和动物、植物细胞、重组细胞及基因工程菌等。微生物发酵：借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身，或其初级代谢产物或次级代

2、谢产物的过程。根据耗氧情况分为厌氧发酵（酒精、乳酸、甘油、丙酸、丁酸等）或有氧发酵（如抗生素、氨基酸、核苷酸、酶制剂等）。2）发酵工程在生物技术中的地位：发酵工程是生物技术产业化的基础和归宿，是生物工程四大支柱的核心。 基工与发工基工原理（基因重组技术）人为分离生物遗传物质（DNA）,并在体外进行切割、拼接和重组，然后导入某宿主细胞或个体内，从而改变它们的遗传品性或使新的遗传信息大量表达，获得相应基因产物（多肽或蛋白质），这种改造生物赋予其特殊功能的过程就称为基因工程。基工在发工中的应用：基工育种、制药细胞工程与发酵工程细胞工程是应用细胞生物学和分子生物学方法，借助工程学的试验方法或技术，在细

3、胞水平上研究改造生物遗传特性和生物学特性，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的有关理论和技术方法的学科。根据研究对象不同可分为动物细胞工程、植物细胞工程和微生物细胞工程。 酶工程与发酵工程酶工程是利用酶、细胞器所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程生产产品的一项技术。3）发酵工程中的应用（微生物工业产品类型） 以微生物细胞、酶（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等胞内外酶）、代谢产物（初级、次级及异源产物）、生物转化或修饰化合物为产物及微生物特殊机能的利用（如湿法冶金、除境污染）。二、生物反应过程1. 生物反应过程生物反应过程是指利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。组

4、成部分：（1）原料的预处理及培养基的制备（2）生物催化剂的制备（3）生物反应器及反应条件的选择（4）产品的分离与纯化辅助部分：生物催化剂酶（酶反应过程）和细胞（发酵过程）实验过程：菌种筛选摇瓶试验发酵罐试验三、生物工程设备l 按生产流程分：1. 原料前处理设备：如除杂、粉碎、输送、培养基制备（灭菌、液化、糖化）；2. 生物反应器：种子罐、发酵罐；3. 后处理设备：过滤、浓缩、干燥、结晶、蒸馏、离交、脱色、萃取等；4. 辅助生产设备：无菌空气系统、冷冻系统、水处理系统、蒸汽系统；l 按专业性质分：1. 专业设备（如：发酵罐、种子罐等生物反应器）；2. 通用设备（如：泵、风机等）；3. 非标准设备

5、：根据实际工艺需要定做的，无统一标准。l 生物工程设备特点a. 常温、常压或低压操作；b. 无菌操作，考滤死角的清除，保证不被污染；c.工艺要求，如：通气、搅拌、条件控制、补料；d.材料应保证耐受酸碱腐蚀。l 生物工程设备基本要求在满足工艺要求、保证产品质量和收得率的前提下，生产成本最低：a、强度和刚度；b、加工费用、运行费用；c、生产能力；d、设备利用率。第二章固体物料处理设备【注意名词解释】一、固体物料筛选与分级设备1. 谷物原料粗选设备（1）磁力除铁器将夹杂在古物中的铁磁性物质去除，避免后续加工过程受到破坏。固定式除铁装置：永磁溜管、永磁筒， 平板式除铁器（2）永磁滚筒结构：进料装置、滚

6、筒、磁芯、机壳和传动装置。磁铁滚筒构成：由转动的非磁性外筒和固定不动的磁铁芯组成。磁芯，永久磁铁和铁隔板按一定顺序排列成170°的圆弧形，安装在固定的轴上。工作原理：原料进入永磁滚筒后，随非磁性外筒作圆周运动，当运动至图A点时，由于磁芯成170°扇形分布，磁性物质所受磁力不断减少（提供不了足够的向心力）作变加速离心运动而进入铁质收集盒；而无磁性的物料不受磁力而不再受向心力作用而沿该点切线方向作匀加速直线运动飞出，从而与物料分开实现除铁。B、大麦粗选机原理：由筛选与风选构成。三层振动筛面孔径不断减小，先经进口吸风道除去轻杂质和灰尘，进入第一层筛面，除去大杂质，余下的进入第二层

7、，筛去中等杂质，余下的进入第三层，小杂质穿过筛孔排出，麦粒作为筛上物排出，经出口吸风道再次吸除轻质杂质后流出机外。2. 谷物原料的精选设备（1）滚筒精选机目的：除杂粒，如草籽；除去伤残粒，避免发霉而染菌。结构：滚筒、袋孔、绞龙、收集箱（主要构件：是一个表面开有袋孔的旋转圆筒。）原理：利用杂粒与大麦长度不同的特点进行分离。长粒物料在进料压力和滚筒倾斜的影响下受力不平衡（重力、支持力、摩擦力）不能牢牢地嵌入袋孔，在到达A点前，从孔中落出；而短粒物料则嵌入袋孔被带到较高位置高于A点后，受体不平衡而落入中央收集槽中，由螺旋输送机送出从而得到分离。（2）碟片式精选机特点：工作面积大，转速高，产量大；碟片

8、损坏易更换。原理：两侧工作面制成许多特殊形状的袋孔，当碟片在粒状物料中转动时，短粒就会被嵌入袋孔而被带到较高位置，由于孔底逐步向下倾斜，改变了支持力和摩擦力，破坏了短粒同重力的三力平衡，在斜下向的合力作用再从袋孔中倒出，落入收集槽中而长粒物料因其长度较袋孔长，虽有可能进入袋孔，但因其重心仍在袋孔之外，当碟片还未带到一定高度，就因受力不衡而从袋孔中滑落，从而达到长短粒物料的分离目的。3. 谷物原料的筛选分级设备大麦的分级设备主要有两种类型：平面分级筛和圆筒分级筛。 平板分级筛由三种不同规格筛孔的筛面组成。?筛面的种类和结构筛面栅筛面金属丝编织筛面板筛面绢筛面孔径减小 曲筛能避免堵孔；金属筛编织方

9、法有平纹和斜纹，板筛金属薄板冲压而成，又称冲孔筛面。【考查影响因素】振动筛生产能力计算公式：G = Bq，kg/h【振动能力=筛面宽x单位筛宽流量，m x kg/（mh）】 转筒筛有一定公倾角，物料从小孔端进入，由大孔端排出，从而分出三个级粒？ 生产能力计算公式：G = qDL，kg/h【生产能力=单位筛面负荷量x筛面直径x筛筒长度X筛面有效系数。】二、固体物料的粉碎设备A、粉碎【填空、名词解释】粉碎是指大块固体物料破碎成小块物料，或小块物料进一步破碎成粉末状物料。作用：利于溶解和混合；加快物料蒸煮、液化、糖化、发酵的反应速度。机械粉碎的5种作用形式：挤压、冲击、研磨、劈力和剪切。对于坚硬、脆

10、性的物料，挤压和冲击力效果好；韧性的剪切力好；方向性的劈力好。粉碎比（粉碎度）：粉碎前、后物料的直径比。总粉碎比是经过几道粉碎步骤后的总结果。粗碎为26，中、细碎为550，磨碎为50以上。B、固体物料粉碎设备1. 干式粉碎机（1）锤式粉碎机（中等硬度物料的中、细碎，脆性物料 (玉米甘薯) ）结构：由进料斗、转子、销连在转子上的锤刀、筛网和排料口等组成。喂入方式：切向喂入式、轴向喂入式和径向喂入式。工作原理：物料从上方料斗加入，在悬空状态下就被锤的冲击力所破碎；然后物料被抛至冲击板上，再次被击碎；此外物料在机内还受到挤压和研磨的作用。（三种作用力）。两个关键部件：锤刀和筛网。锤式粉碎机生产能力计

11、算公式单孔排出体积=孔面积x产品粒度x排料系数(0.7)，即：V0=4d02d，m3（圆孔）或V0=LCd，m3（方孔）；每小时排出体积=孔总面积x单位时间锤刀扫过次数，即：V=（60nK）×（V0Z），m3/h（注：转子上有K排锤刀，每转一圈，扫过K次；有Z个孔；n取r/min）动力消耗计算公式耗功=A×刀径方×转轴长×转分速×系数，即N=AD2Ln，KW（2） 辊式粉碎机（粘性和潮湿物料-麦芽、大米）原理：主要工作构为两个相对旋转的平行装置的圆柱形辊筒（有的表面光滑，有的表面有齿、有的表面有凸棱或凹槽），装在两辊之间的物料通过辊筒对其的摩擦

12、作用而被拖入两辊的间隙中被粉碎。作用力：挤压、剪切和研磨（等速转动，有转速差）。要得到粒度较细的成品：提高转速、具有一定转速差（1520）。分类：双辊、多辊（避免过粉碎）或两辊式、四辊式、五辊式、六辊式 辊式生产能力：与辊筒直径、长度、转速、间隙及物料容量和填充系数有关。（3）圆盘粉碎机结构：两个带沟纹的圆盘组成，分单转盘和双转盘。原理：物料由料斗进入圆盘中心，由于离心力的作用，物料在两个圆盘缝隙中向外甩出，并受到圆盘的研磨和剪切作用而被粉碎，间隙可调。若两圆盘同时反向旋转，则研磨剪切作用更强。（4）球磨机结构：由转筒和硬质球体组成。转筒内还可衬以锰钢纵列护板，并一高一低的构成波形内壁以增强球

13、下落时的撞击力。原理：球体随筒旋转作圆周运动而升起，当球上升至一定高度时向心力过大（F实际向心力>mv2r=mr2(以此速度做圆周运动的临界或理论向心力)）而做向心运运落下（等价于斜抛运动），对物料产生撞击（抛射）作用，同时靠近筒壁的物料也可为圆球所研磨，转速过快和过慢都没有撞击作用，粉碎效果差。操作因素：研磨体装填量、尺寸大小和转速（32/D）。在粒度较大物料研磨时，研磨体的尺寸要大些，装填量少些，使冲力作用加强；反之，研磨体尺寸小些，装填量多些，则有利于小粒物料的研磨。研磨体装填量、尺寸大小和转速的配合直接影响着球磨机的操作质量。研磨体（球体）装填量越少，筒体转速越大（在极限转速范围

14、内），则研磨体的滑动也越小，故对物料的研磨作用也较小。2. 湿式粉碎 将固体和水一起加入机中粉碎，包括粗粉碎和细粉碎。湿式粉碎设备：包括输料装置、加料器、粉碎机和加热器等。湿法粉碎优点：1） 消除粉尘危害，降低原料消耗；2 ）淀粉吸水膨胀，提高蒸煮效果；3 ）粉碎后经预热，提高蒸气利用率；4）机器的磨损减少。湿式粉碎设备：包括输料装置、加料器、粉碎机和加热器等。湿式粉碎机组成：转子，定子，分离装置，研磨室。本章作业1. 原料预处理包括哪两个环节，为什么要进行这两个环节的预处理？2. 原料除铁装置分为哪两种，永磁滚筒的结构组成？其滚筒和铁芯一般由什么材料构成？3. 原料除杂主要设备有哪些？他们结

15、构及工作原理如何？4. 原料分级设备包括哪些？5. 什么叫粉碎，原料粉碎是5种主要的作用力形式？6. 锤式粉碎机的结构和工作原理？其适合于什么类型原料的粉碎，优缺点是什么？【特点：构造简单、用途广泛、生产率高、易于控制产品粒度、无空转损伤等；优点是粉碎比大、结构简单、能耗低、产能大；缺点是工作部件易磨损，含水量大易堵塞，运动噪声大。】第三章 物料输送设备机械输送设备：皮带运输机、斗式提升机、 螺旋输送机。一、固体物料输送设备【考查】1、带式输送机（续输送机械，水平&倾斜）输送物料：块状、颗粒状物料及整件物料；功 能：水平输送、倾斜输送；特 点：输送量大，动力消耗少，运转连续，工作平稳，

16、输送距离大。构造：输送带、滚筒、托辊、料斗、卸料装置、驱动装置、张力装置，清扫器。A. 输送带橡胶带 钢带 钢丝网带 塑料带B. 驱动装置 包括电动机、减速器、驱动滚筒、改向滚筒。驱动滚筒是传递动力的主要部件；其长度略大于带宽，呈鼓形结构，即中部直径稍大，用于自动纠正输送带的跑偏。C、托辊用于承托输送带及其上面的物料，避免作业时输送带产生过大的挠曲变形。分为上托辊（即载运托辊）和下托辊（即空载托辊）两种。上托辊分平托辊和凹面托辊，又有单辊式和多辊。下托辊为平托辊。D. 张紧装置螺旋式利用螺杆拉（压）力重锤式利用悬垂重物的重力E.卸料挡板犁式 F. 清扫器一般输送带的工作面用弹簧清扫器。非工作面

17、用刮板清扫器。主要参数的确定A.输送能力连续输送散状物料：吨/小时=3.6×每米千克重×带速输送成件物品：吨/小时=3.6×单件千克重物件间距×带速B.输送带宽度输送散物料：与输送能力、带速、截面系数、带上物料密度等有关。输送成件物品时:带宽应比物品的宽度尺寸大50-100 mm。C. 带速的确定带速越高，输送能力越大，输送带的抖动也越大，物料容易从带上抛出，且易磨坏。（1）较长及水平输送机，可选用较高的带速；（2）刮板卸料时，一般< 2 m/s； （3）输送成件物品时， < 1.25 m/s 。（4）输送易扬尘的粉状物料，应使< 1

18、m/s；（5）人工检选时， < 0.3 m/s；【考查】2、斗式提升机（垂直、倾斜连续输送散状物料）在带或链等挠性牵引件上，均匀地安装着若干料斗用来连续运送物料的运输设备。优点：结构简单;占地面积小;提升高度大；密封性好，不易产生粉尘。缺点：料斗和牵引件易磨损，对过载的敏感性大。构造：牵引件、传动滚筒、张紧装置、料斗、加料及卸料装置和驱动装置。整个装置封闭在金属外壳内，一般传动滚筒和驱动装置放在提升机的上端。类型：立 式、倾斜式装料与卸料方式A. 斗式提升机的装料方式（1）挖取法适用：适合于小或磨蚀性小的粉状物料。（2）撒入法适用：适用于料块较大及磨蚀2. 卸料方式（a）离心式利用离心力

19、提升速度快场合（b）无定向自流式（离心力重力）流动性差、潮湿物料（c）定向自流式（重力）大块、比重大、易碎料3、螺旋式输送机（密封输送设备；输送粉状或粒状物料）作用力：输送、混合、挤压作用。输送方式：水平、倾斜（< 20°）输送。构造（1）螺旋轴实体螺旋、带式螺旋、叶片式螺旋（搅拌及混合）、成型式。（2）料槽工作原理利用螺旋把物料在固定的机壳（料槽）内推移进行输送。物料不随螺旋旋转，滑动形式移动。主要参数的确定（1） 输送能力与螺旋直径 螺距 轴速 物料堆积密度 等有关（2）螺旋轴的转速n=AD(A物料综合系数;D螺旋直径)（3）螺旋轴的直径D=k2.5Qc与输送能力、物料堆积

20、密度等有关（4）轴功率P0=Q367(L0)±H与输送机送能力、水平投影长度、垂直投影长度和物料阻力系数等有关（5） 电机功率P=k0P04、气力输送设备借助空气在密闭管道高速流动，物料在气流中被悬浮输送到目的地。特点：不适用于输送粉尘、工作噪声大。组成：供料器、输送管道及管件、卸料器、除尘器、风机分类：吸送式（负压）；压送式；混合式 二、液体输送装置1、真空吸料装置输送距离近、提升高度低（短距离提升）低黏度酱类或含固体料液 黏度较低料液避免用泵的场合2、泵离心泵、齿轮尗、双螺杆泵、往复泵、旋涡泵A离心泵（连续输送液体）中低粘度的料液，含悬浮物及腐蚀性也可原理：机壳、扇叶、动能 静压

21、能(压头) 负压 气蚀 罐液 安装高度B齿轮泵不含固体的粘稠液体原理：离心、挤压流量及压力有脉动，噪声大，输送液体必须具有润滑性，以免齿轮磨损。C双螺杆泵（回转式容积泵）高黏度液体及带有固体的料液。D往复泵黏度大、或压头需求高的液体。 往复泵的流量由活塞截面积、活塞冲程及活塞往复次数所决定，而与系统所需压头无关，即流量与压头无关。F旋涡泵流体入口不是在叶轮中心处位置，而是与出口成对称的泵壳边缘。第三节 气体输送设备1、空气压缩机：涡轮式空压机；往复式空压机冷却装置有水冷和风冷(连续供气)之分。出口流量不稳定，夹带油雾，给后道工序空气除菌带来困难。2、 鼓风机离心鼓风机3、离心通风机：分低压、中

22、压、高压三种。第四章 空气除菌设备【填空、名词解释】一、空气除菌（除去或杀灭空气中的微生物）l 除去方法：静电吸附、介质过滤；l 杀灭方法：辐射、热杀菌、化学药物杀菌。1. 杀灭方法（1）辐射杀菌仅用于一些表面的灭菌及有限空间内空气的灭菌。、射线、紫外线、超声波等能破坏蛋白质等生物活性物质。（2）热杀菌利用空气压缩时放出的热量进行保温灭菌，使蛋白质氧化而致死。2、除去方法（1）静电除菌（2）过滤除菌法（用定期灭菌的干燥介质阻截流过的空气）机理气流通过滤层纤维时受其阻碍，迫使改变流速大小、方向而绕流运动，致使气流中的微粒与滤层纤维产生撞击、拦截，同时受重力和静电吸引力等力作用，加之自身的布朗运动

23、，最终被截留、捕集在纤维表面上。作用情况：l 惯性截留气流通过纵横交错的滤层纤维时受其阻碍，被迫不断改变速度大小、方向而绕流运动，由于微粒惯性较空气分子大，来不及改变方向，致与滤层纤维产生撞击而被截留。l 滞流拦截气流绕过纤维运动（绕流）时，由于黏滞力作用在气固界面形成流速缓慢的层边界滞留区，区内的微粒慢慢靠近和接触纤维而被黏附截留。流体雷诺数和纤维的直径影响边界屋的发展，进而影响截留效率。同时绕流时发生的逆留也起到一定作用。l 布朗运动 （扩散）截留在气体流速不高、纤维间隙较小的情况下，作短距离布朗运动的微粒极易与纤维相撞而被截留的接触滞留机会。l 重力沉降微粒在气体流动产生的压差下浮起随气

24、流运动，当气流流速变低，压差减小，竖直向上的分力小于向下的重力时，便会沉降。大颗粒在流速缓慢的层边界滞留区如极易沉降。l 静电吸引力气流通过纤维层使其感应上与微粒（本身带电，或感应带电电荷,或外加电场作用带电荷）相反电荷的静电。（另外，带电微粒随气流流动也会形成电场，通过外加电场或磁场作用，也能被截留下来。）气流速度同除菌效率间的关系a. 当气流速度较小时，除菌效率随气流流度的增加而降低，此时扩散起主要作用；b. 当气流速度中等时，滞流截留起主要作用。c. 当气流速度较大时，除菌效率随气流流度的增加而增加，此时惯性冲击起主要作用；d.如果空气流速过大，已被捕集的微粒又被湍动的气流夹带返回到空气

25、中，除菌效率反而又下降。过滤效率：滤层所滤去的微粒与原来微粒数的比值（全过率为1）。空气过滤器的过滤效率与微粒的大小，过滤介质的种类、规格、填充密度、厚度，空气流速有关。无菌空气的制备：预处理、过滤处理。二、过滤除菌流程1. 两级冷却、两次分离、适当加热除菌流程适用: 潮湿的地区，其他地区因地制宜适当增减。特点： 比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件； 能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，提高过滤效率2. 冷热空气直接混合式空气除菌流程适用：中等含湿地区，但不适合于空气含湿量高的地区。流程：压缩空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水

26、、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合。特点: 省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单； 利用压缩空气来加热析水后的空气； 冷却水用量少等。3. 高效前置过滤空气除菌流程适用：对空气洁净度要求严格且高的生产过程。流程：利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后再进入空气压缩机，这样就降低了主过滤器的负荷。特点：采用了高效率的前置过滤设备，使空气经过多次过滤，因而所得的空气无菌程度比较高。【填空】三、过滤介质及过滤器的结构A、空气预处理目的：（1）提高压缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷。（2）去除压缩后空气中所带的油水，以合适的空气湿度和温度进入空气过滤器。B、空气

27、预处理设备1. 粗过滤器：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘(安装在空气压缩机前)作用：捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受损，同时也可减轻总过滤器负荷；（1）袋式除尘器（2）油浴洗涤装置流程：空气进入装置后通过油层洗涤，空气中的微粒被油黏附而逐渐沉降于油箱底部而除去。这种装置的洗涤除菌效果好，阻力也不很大。填料：一般用油浸铁丝网、玻璃纤维或其他合成纤维。（3）水雾除尘装置流程： 空气从设备底部进口管吸入，经装置上部喷下的水雾洗涤成为为洁净空气，带有水雾的洁净空气经上部过滤滤网过滤后进入压缩机， 空气中的灰尘、微生物颗粒被黏附沉降，从装置底部排出。洗涤室内空气流速不能太大，否则带出水雾太多，

28、会影响压缩机，降低排气量。2. 空气压缩机（离心式、往复式）3. 空气贮罐 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. 气液分离器水雾油雾的影响：导致传热系数降低，给空气冷却带来困难。如果油雾的冷却分离不干净，带入过滤器会堵塞过滤 介质的纤维空隙，增大空气压力损失。黏附在纤维表面，可能成为微生物微粒穿透滤层的途径，降低过滤效率，严重时还会浸润介质而破坏过滤效果。（1）旋风分离器 工作原理：含尘气流由切向进入筒体，沿内壁螺旋式向下旋转，粉尘在离心力的作用下甩向器壁，并在重力作用下落入灰斗。已净化气体由中心管排出。适用范围：除去输送介质气体中携带的固体颗粒杂质和液滴。

29、适用于净化大于1-3微米的非粘性、非纤维的干燥粉尘。效果：离心力越大分离效果越好，其径向速度与气流速度的平方成正比，但随回转半径增加而减小。（2）填料分离器原理：利用块状介质、颗粒状介质、网状介质或高分子材料丝网的惯性拦截作用来分离空气中的水滴或油滴的方法。填料：有焦炭、活性炭、瓷环、金属车屑、金属丝网、塑料丝网等5. 空气冷却器（1）立式列管式热交换器冷却水（或低温水、冷盐水）在管内流动，空气在壳内流动。为增加冷却水的流速可采用多程换热器，为增加空气在壳体内的湍动，换热器壳体内装有若干与管束垂直的圆缺型挡板或盘状挡板。（2）喷淋式热交换器（3）沉浸式热交换器C、过滤介质与空气过滤器1.过滤介

30、质（1）纤维状或颗粒状过滤介质 棉花 玻璃纤维 活性炭 烧结金属 多孔陶瓷 多孔塑料（2）过滤纸类介质（超细玻璃纤维纸）（3）微孔膜类过滤介质（4）非织造布2. 空气介质过滤器（1）纤维状或颗粒介质过滤器 （立式圆筒结构）（2）过滤纸类过滤器（旋风式和套管式）（3）金属烧结管空气过滤器（4）微孔膜过滤器问题与思考1. 空气除菌的方法有哪些？（射线、热杀菌、静电吸附、过滤除菌）2. 空气过滤除菌的机理？气流速度与除菌效率之间的关系，并说明在不同的气流速度下过滤除菌的主要作用形式？3. 空气过滤除菌的流程有哪些？各有什么特点？4. 为什么要对空气进行预处理？（降低过滤器负荷，确保过滤器正常运行）5

31、. 什么叫灭菌，灭菌的方法有哪些？为什么要对培养基进行灭菌？6. 生物工业对空气有哪些要求？（流量、压力、湿度、温度、洁净度）发酵类型和设备第五章 通气发酵设备类型:通风式、自吸式、伍式、文式、鼓泡式、塔式、气升式发酵罐。一、机械搅拌式通气发酵罐A、发酵罐的基本条件 适宜的径高比（高与直径的比值为1.7-4）； 能承受一定压力、温度。由于发酵罐在消毒及正常运转时，罐内有一定压力（气压和液压）和温度，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受相当的压力； 搅拌通风装置保证气液充分混合。发酵用的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵必需的溶解氧； 具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量的热，为了

32、控制发酵过程不同阶段所需的温度，应装有足够的冷却部件； 死角少，灭菌彻底； 轴封严密，泄漏少。B、 发酵罐的基本组成【考查画图】0l 搅拌系统作用：混合传质。使气泡与发酵液充分混合，提高溶氧速率; 使细胞悬浮分散于发酵体系中；强化传热过程。l 变速装置作用：利用齿轮等速度转换器将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩以降低速度并降低负载的惯量、提高输出扭矩。l 搅拌器分螺旋桨搅拌器和涡轮式搅拌器及新型搅拌器三类。涡轮式搅拌器又分平叶式、弯叶式和箭叶式：a.平叶式，功率消耗大，适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿型流体等；b. 弯叶式功率消耗较小，径向流动较为强烈，在相同的搅拌转速时，混

33、合效果较好，但剪切效果差，用于混合要求高，溶氧要求低c. 箭叶式功率消耗较大又次之，轴向流动较强烈，但在同样转速下，它造成剪率低，输出功率低。l 联轴作用刚性联接各段搅抖轴。类型：鼓形及夹壳形。l 轴承作用为了减少震动，中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承。l 轴封（运动部件与静止部件之间的密封），其作用是防止泄漏和污染杂菌。类型：填料函和端面轴封（机械轴封）。l 挡板作用：a. 改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。b. 防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。全挡板条件：达到消除液面旋涡的最低条件（46块）。挡板宽度：（0.1

34、0.12）D，与罐壁距离：挡板宽度的（1/51/8），避免形成死角，防止物料与菌体堆积。l 空气分布器作用是吹入无菌空气，使空气分布均匀。有单管和环形管两种。环形管的环径一般为搅拌器直径的0.8倍。通风量较小时喷口直径越小，气泡直径越小，而氧气的传质系数也越大。但是实际生产通风量较大，气泡直径与风量有关，与喷口直径无关，所以单管的分布装置的分布效果不低于环形管，而且环形管喷口容易被堵塞，所以常用单管。l 消泡器类型：锯齿形、梳状式及孔板式。消泡器的长度约为罐径的0.65倍。C、设计计算几何尺寸比例体积热量计算发酵罐数见嫌气发酵（1）/1.7-4（2）公称体积：罐的圆柱体积和底封头体积的和。（3

35、）全体积计算V0=4D2H0+2h+16D4D2H+0.26D3（4）其它主要尺寸间的相互关系(考试时给出)发酵罐装料容积V的计算V=V0（装料系数） 装料量一般装料高度为圆柱部分高度的70，泡沫少时取90，多时取60。（5）机械搅拌通气发酵罐的热量传递Ø 发酵过程的热量计算总热量计算发酵过程所产生的净热量称为“发酵热”，相应的通气发酵过程总热量为=生物合成热（呼吸放热+发酵放热）+机械搅热-通气带走的水蒸气气化潜热和温升显热，即Qt=Q1+Q2-Q3-Q4= Q1+3600Pg-20% Q1（kJ/h）（Pg为搅拌功率，为功热转化率）。冷却水带出热量计算法选择主发酵期产生热量最大时

36、刻，测定发酵冷却水进出口的温度及冷却水用量，则最大的发酵过程放热为：Qt=Wc(T2-T1)VL kJ/m3h符号意义依次：冷却水的流量、比热容、进口温度、出口温度，发酵液体积。Ø 发酵罐的热交换装置 夹套换热装置 容积较小的发酵罐、种子罐。降温效果差。 竖式蛇管装置 5 m3以上的发酵罐，冷却用水温度较低的地区，用水量较少 竖式列管装置 适用于气温较高，水源充足的地区，用水量较大。D、机械搅拌通气发酵罐的通气与溶氧传质1.溶氧传质氧的溶解过程实质上就是气体吸收过程。用双膜理论解释，即：空气被分散成细小的气泡，尽可能增大气液两相的接触界面和接触时间，以促进氧的溶解。气液相间的溶氧传质

37、理论(用双膜理论表述) 气泡中的氧通过气相边界传递到气液界面上； 氧分子由气相侧通过扩散穿过界面传递到液相侧； 氧分子在界面液相侧通过液相滞留层传递到液相主体； 在液相主体中进行对流传递到生物细胞表面液膜外面； 通过生物细胞表面的液相滞留层扩散进入生物细胞内。2. 机械搅拌通气发酵罐的溶氧系数（kLa）对通气发酵系统的氧溶解过程通常用表示。Ø 影响溶氧系数的因素： 操作条件，如搅拌转速、通气量、温度； 发酵罐的结构及几何参数，如体积、通气方式、搅拌叶轮机构和尺寸等； 物料的物化性能，如扩散系数、表面张力、密度、黏度、培养基成分及特性等。Ø 增加方法：罐压 转速 通气量

38、16; 溶氧系数的测定方法亚硫酸盐氧化法、极谱法、氧的物料衡算法和溶氧电极法等。3. 机械搅拌通气发酵罐的通气量与搅拌功率Pg（1）持气率 通气搅拌时气液混合物体积-不通气时溶液体积不通气时溶液体积（2）影响不通气搅拌的搅拌轴功率 P0的因素：反应器直径、结构，液柱高度、黏度、密度，搅拌器型式、直径、速度。（3）通气搅拌功率和通气量 随着通气量的增大，通气搅拌功率会下降； 持气率和气泡均会随着空截面气速的提高而增大。E、机械搅拌通气发酵罐的搅拌与流变特性1. 搅拌叶轮尺寸与类型搅拌叶轮直径与罐径之比Di / D=0.300.40。2、 搅拌叶尖线速度与剪应力生物细胞在机械搅拌的剪切作用下可能会受到损伤，其损害程度取决于生物细胞的特性和搅拌力的性质、强度及作用时间等。对耐剪切力较弱的生物细胞，搅拌叶尖线速度应不大于7.5 m/s。3. 发酵培养液的流变特性F、发酵罐的管路配置、渗漏和死角的排除防止染菌的措施：尽量减少管路，从而减少染菌机会。但是排气管一般单独设置较好，否则，一罐染菌，其他罐通过空气染菌。二、气升式发酵罐1. 气升式发酵罐原理及类型气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐已在工业上应用。 2气升式发酵罐的特点（1）反应溶液分布均匀 气