生物工程设备重点(加强版)

1、重点加强版第一篇 第一章 生物反应器设计基础1、生物反应器：为适应生物反应的特点而设计的反应装置。2、生物反应器设计要求：要求以生物体为中心，满足生物体生长代谢的要求， 满足生物的代谢特点及无菌操作的特点。3、 实际应用的生物反应器根据细胞或者组织生长代谢要求，总的分为厌气生 物反应器，有时可能通入二氧化碳或氮气等惰性气体以保持罐内正压，防止染菌，以及提高厌氧控制水平。例如酒精发酵罐、啤酒发酵罐：通气生物反应 器，又分为搅拌式、气升式、自吸式。搅拌时反应期考搅拌器提供动力使物料 循环、混合，气升式则以通入的空气上升产生动力，自吸式反应器是利用特殊 搅拌叶轮在搅拌过程中产生真空而将空气吸入反应器

2、内，毋须另外供气；光 _ 照生物反应器：反应器壳体部分或全部采用透明材料，进行光合作用反应： 膜生物反应器：反应器内安装适当的部件作为生物膜的附着体，或者用超滤膜（如中空纤维等）将细胞控制在某一区域内进行反应器。5、一个良好的培养装置应具有：严密的结构（可以抑菌） ，良好的液体混 合性能（原料与菌体充分接触），高的传质和传热速率（保证高产率），灵 敏的监测和控制仪表（产物方面考虑）。6发酵生产过程：原料一处理一原料配比一灭菌；菌种f活化f扩培f发酵f产品提取f产品检验f成品7、啤酒发酵为厌气式发酵，但还是需要制备无菌空气，为什么？答：因为需要给麦汁通氧，酵母菌繁殖初期需要氧气。8、 设备分为专

3、业设备、通用设备、非标准设备。（举例）第二章通风发酵设备1、通风发酵设备的特点：良好传质和传热性能，结构严密，防杂菌污染，培养 基流动与混合良好，良好的监测与控制，设备较简单，方便维护检修，能耗低, 是目前应用最广泛的发酵设备。2、机械搅拌通风发酵罐优点：pH和温度容易控制，尺寸放大的方法大致已 确定，适用于CSTF等。缺点：搅拌功率消耗大，罐内结构复杂，易使丝状菌受损伤。3、通用的机械搅拌通风发酵罐主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分 布器、传动装置、冷却管（或夹套） 、消泡器、人孔、视镜。4、机械搅拌通风发酵罐条件：高径比 H/D为1.74，发酵罐能承受一定的 压力（灭菌的高压且P内

4、P外）,气液充分混合，保证溶氧；具备足够的冷却 面积（生物热），减少死伤（pH对菌种影响），轴封要严密，减少泄露。5、全挡板条件：在一定转速下，再在搅拌罐内增加挡板或其他附件，搅拌功率 仍保持不变而涡旋基本消失，能达到消除页面漩涡的最低条件即为全挡板条件。 挡板宽度约为 0.1-0.12D 。6、为什么不能紧贴壁面：发酵培养基残渣堆积于挡板背侧形成死角，所以应该 有宽度为挡板宽度的 0.1-0.3 的间隙。 .搅拌器轴功率 ： 是指搅拌器以既定的速度转动时 , 用以克服介质的阻力所需要的 功率。7、轴封：使罐底或罐顶与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。1）填料函轴封缺点：死角多，寿命短

5、，功率消耗大，轴磨损大2）双端面机械轴封装置优点：清洁，密封可靠，无死角，寿命长， 摩擦功率损耗小，轴或轴套不会磨损，对轴的精度和光洁度没有填料函轴 封严格，对轴的振动敏感性小。8、新式发酵罐H/D=10,特点：大大提高了空气的利用率，但压缩空气压力需要 较高，预料与底物不易混合均匀，厂房高操作不便。10、气升式发酵罐工作原理： 是把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中， 通 过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎， 同时由于形成的气液混合物密度 降低故向上运动， 而气含率小的发酵液则下沉， 形成循环流动， 实现混合与溶氧 传质。11、气升环式反应器的特点： 反应溶液分布均匀， 较高的溶氧速

6、率和溶氧效 率，剪切力小，对生物细胞损伤小，传热良好，结构简单，易于加工制造， 操作和维修方便。12、自吸式发酵罐优点：不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资， 减少厂房面积；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；用于酵母生产和醋酸 发酵具有生产效率高、经济效率高的特点。缺点：一般的自吸式发酵罐是负压吸入空气的， 故发酵系统不能保持一定的正压， 较易产生杂菌污染。同时，必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。13、通用罐、气升罐、自吸罐三者 H/D区别：气升罐H/D的适宜范围是5-9，这既有利于混合与溶氧，也便于放大设计用于发酵生产，放大设计应以溶氧为 主放大较好；由于自吸式发酵罐是靠转子转动

7、形成的负压而吸气通风的，吸气 装置是沉浸于液相的，所以为保证较高的吸风量，发酵罐的高径比 H/D 不宜取 大，且罐容增大时， H/D 应适当减小， 以保证搅拌吸气转子与液面的距离为 23m。 通用罐的搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动，H/D较高有利于提高空气利用率，但使得压缩空气压力较高，并且顶料与底料混合不均匀，其适当当范围为1.74,新型设备可达10，兼具以上优缺点。14、挡板的作用：防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质。15、搅拌器的作用：主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡细碎以增大气 -液界面，以获得所需要的溶氧速率

8、，并 使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气-液-固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。16、溢流：由于内外压力差造成发酵液从罐顶喷出，安装溢流阀来解决。气泛：17、 机械通风发酵罐的尺寸：发酵罐通常有两组搅拌器，两组搅拌器间距 S 约 为搅拌器为直径的D1三倍，与罐底距离C一般等于搅拌直径D1, 一般也不宜小 于 0.8 D1 ，否则影响液体循环。18、消泡装置和消泡装置的意义： a. 消泡装置：最简单的消泡装置为耙式消泡 器，可直接安装在上搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适当高度。 安装在发酵罐内转动轴上部的消泡器有齿式，梳式，孔板式，旋桨梳式等。b. 消泡装置

9、的意义：当泡沫溢上与碟片式接触时，泡沫受高速旋转的离心碟片 的离心作用，在碟片间的隙道中破碎分离成液态及气态两相，气体的离心沉降 速度小，则沿碟片间的隙道向上流动，通过通气孔沿空心轴向上排出；液体的 离心沉降速度大，贝U被甩出碟片组，返回发酵罐中。19、 KLa值的影响因素以及测定方法：影响因素：a.操作条件，如搅拌转速、通 气量等。b.发酵罐的结构及几何参数，如体积、通气方法、搅拌叶轮结构和尺 寸等。c.物料的物化性质，如扩散系数、表面张力、密度、黏度、培养基成分 及特性等。测定方法：亚硫酸钠氧化法20、发酵罐的公称体积：为罐的筒身体积与底部封头体积之和。21、影响溶氧因素：持气率，通气速率

10、，通气功率，同期压强22、如何选择涡轮搅拌器的叶型：在相同专转速和桨叶直径等情况下比较，箭 叶圆盘式涡轮搅拌器所产生的剪切应力小于弯叶、平叶，但混合效果大于后两 种型式，输出功率也低于后两种；平叶涡轮搅拌器所产生的剪切应力大于箭叶和 弯叶，但混合效果却小于箭叶和弯叶，输出功率为最大；弯叶涡轮搅拌器所产 生剪切应力、混合效果及输出功率介乎于两者之间。第三章嫌气发酵设备1、在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐 宜米用密闭式。发酵罐的公称体积：为罐的筒身体积和底部封头的体积之和。 全体积计算近似为:2、罐外列管式喷淋冷却优点：具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。3、发

11、酵周期：指发酵液从进到出的时间。发酵生产周期：指上一次进料到下一次进料的时间。连续灭菌：对培养基破坏小，又叫连消。间歇灭菌：物料及罐体一起灭菌，先升温再灭菌，又叫实消。空罐灭菌：反应器及相关管道灭菌，又叫空消。4、酵母发酵温度25。C左右，啤酒发酵用9°C,为什么？因为在这个温度下， 不易染菌，口感好；副产物少，口感好；抑制杂菌生长。5、啤酒发酵的推动力；罐内的二氧化碳压强大于罐外，即 P内CO>P外CO罐内 温度高于罐外，即T内>丁外罐内物料浓度小于罐外，即 B内X<B外X*加速发酵的原因（罐内自循环）：1.罐底CO2分压高上升2.底部糖降快，酒精 多，密度低，

12、3. 下部温发酵温度比上部高有温差 12度。（根本原因是由于罐底 的菌体密度大） 通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器为什么要安一个圆盘 ? 通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆盘，从搅拌器下方空 气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎， 致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘 的阻挡，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散， 提高了溶氧系数。6、漩涡式搅拌器的类型：圆盘平直叶：圆盘箭叶：圆盘弯叶涡轮。7、 CIP系统，是Clean In Place的简称，意即为内部清洗系统。整个清洗程序 的7

13、个步骤：预冲洗，每次预冲洗时间为30s，进行10次，在罐底被冲干 净后，用定量的水冲入CIP的供应及返回管线，改变系统进行碱预洗，中间清 洗，从气动器来的空气流入罐顶的固定喷头，进行碱喷冲，用清水冲洗， 最后用酸性水冲洗循环。7、啤酒大罐加速发酵的原因 ；a. 罐底CO2分压高b. 底部糖降快，酒精多，密度低c. 下部温差高于上部第二篇 第一章 物料处理与培养基制备1、物料粉碎的必要性：溶解、混合和反应。2、粉碎是指大块固体物料破碎成小块物料，或小块物料进一步粉碎成粉末状物 料。3、湿式粉碎特点：无粉末飞扬，车间卫生好，但不宜贮藏，耗电量多。干式粉 碎特点：易贮藏，效率高，但灰尘多。回潮：湿式

14、粉碎 +干式粉碎。4、物料粉碎的力学分析：挤压破碎，冲击破碎，研磨粉碎，剪切破碎， 劈裂粉碎。5、粉碎机应符合的基本要求：粉碎后的物料颗粒大小要均匀，已被粉碎的 物块，应立即从扎压部位排除，操作应能自动化，易磨损的部件应容易更 换，应产生极少的粉尘，以减少环境污染及保障工人身心健康，在操作发 生障碍时，应有保险装置能使自动停车，单位产品消耗的能量要小。6、锤式粉碎机的优点是构造简单、紧凑、物料适应性强，粉碎度大，生产能力 高，运转可靠。其缺点是机械磨损比较大。7、固体混合机理：对流混合机理，剪切混合机理，扩散混合机理。8、将淀粉质原料进行蒸煮的目的：原料吸水后，借助于蒸煮时的高温高压作 用，是

15、原料的淀粉细胞膜和植物组织破裂， 既破坏原料中淀粉颗粒的外皮， 使其 内容物流出， 呈溶解状态变成可溶性淀粉， 以便糖化剂作用， 使淀粉变成可发酵 性糖。 借助蒸汽的高温高压作用， 把存在于原料中的大量微生物进行灭菌， 以 保证发酵过程中原料无杂菌污染，是酒精发酵能顺利进行。9、罐式蒸煮设备优点：蒸煮温度可高可低，节省消耗，设备简单，操作容易。10、粉浆罐：粉浆在此预热至 70 摄氏度左右，充分吸水，温度过高产生葡萄糖， 更高时，发生美拉德反应。11、管式蒸煮设备优点：高温快速，糊化均匀，糖分损失少，设备紧凑，易于实 现机械化和自动化操作。12、啤酒糖化锅的用途： 是麦芽粉与水混合， 并保持一

16、定温度进行蛋白质分解和 淀粉糖化。13、麦芽汁煮沸锅：用于麦汁的煮沸和浓缩，把麦汁中多余水分蒸发掉，使麦汁 达到要求浓度， 并加入酒花， 浸出酒花中的苦味及芳香物质。 还有加热凝固蛋白 质、灭菌、灭酶的作用。14、连续灭菌（连消）优点：灭菌温度较高，时间较短，培养基营养成分受破坏 的程度较低，提高了发酵罐的利用率。缺点：所需设备较多，操作较为麻烦，染 菌机会较多。15、固体物料中的杂物种类：纤维性（长）、颗粒状、铁磁性。16、 粉碎设备种类：锤式粉碎机、辊式粉碎机、圆盘钢磨、MF-260型钢片式磨 粉机。17、糊化锅与糖化锅参数比较：糊化锅醪液粘度大，阻力大，因此阻力系数大； 麦芽有卖皮，在粉

17、碎时，麦皮破而不碎，占有体积增大。18、由阿累尼乌斯方程k=AeE/RT可知,在活化能大的反应中，反应速度随温度的 变化也大，当温度升高时，杂菌的死亡速度要比营养成分的破坏速度快得多， 所以高温段时间比地问长时间要好，以减少营养成分的破坏，从而达到既灭菌 彻底又较多的保持了营养成分的目的。第二章过滤、离心与膜分离设备1、BMS40/635-25意思;B-板框式压滤机，M-明流，对应A-暗流；S-手动压紧， 对应Y-液压压紧；40-过滤面积，635-滤框规格，25-框厚度。2、 离心分离因数是指离心力与重力的比值， 或离心加速度与重力加速度的比值。 是反应离心机分离能力的重要指标。3、 根据离心

18、分离因数大小将离心机分为三类：普通离心机，f<3000，高速 离心机，f=300050000，超速离心机，f>50000。4、离心机的种类：管式离心机、碟式离心机。管式离心机的两种类型：GF型, 用于处理乳浊液而进行液-液分离操作，GQ型，用于处理悬浮液而进行液-固 分离的澄清操作。5、等效时间可以理解为离心分离因数与分离时间的乘积。&浓差极化（膜分离过程的机制）：当溶液从膜一侧流过时，溶剂及小分子溶 质透过膜，大分子的溶质在靠近膜面处被截留。并不断返回于溶液主流中，当 这一返回速度低于大分子溶质在膜面聚集的速度时，则会在膜的一侧形成高浓 度的溶质层，这就是浓差极化。浓差极

19、化消除方法：7、良好的膜分离设备应具有的条件：膜面切向速度快，以减少浓差极化， 单位体积中所含膜面积比较大，容易拆洗和更换新膜，保留体积小，且无 死角，具有可靠的膜支撑装置。8、发酵中通入SO的作用：杀菌作用，澄清作用，抗氧化作用，溶解 作用，增酸作用。9、管式膜分离装置特点：结构简单，适应性强，清洗安装方便，单根管子可以 更换，耐高压，无死角，适宜于处理高粘度及固体含量较高的料液，比其他形式 应用更为广泛，其不足是保留体积大，压力降大，单位体积所含的过滤面积小。10、中空纤维膜分离装置特点：单位体积内提供的膜面积大，操作压力低，且可 反向清洗，其不足是单根纤维管损坏时需要更换整个膜件。12、

20、过滤介质种类：织物介质、粒状介质、多孔固体介质。13、助滤剂的种类及选择： 用粗目滤网时， 选择石棉粉、 纤维素或二者的混合物； 用细目滤布时，选择细硅藻土。14、临界孔径概念：15、膜分离设备主要由四种：板式、管式、中空纤维和螺旋卷式。第四章 蒸发与结晶设备1、蒸发的目的： 利用蒸发操作取得浓溶液， 通过蒸发操作制取过饱和溶液， 进而得到结晶产品，将溶液蒸发并将蒸汽冷凝冷却，以达到纯化溶剂的作用。2、蒸发器必须满足的要求：充足的加热热源，保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽 的迅速排除，一定的热交换面积，以保证传热量。3、选择蒸发设备应考虑的因素：溶液粘度，溶液热稳定性，有晶体析出 的溶液，易发泡的溶液

21、，有腐蚀性的溶液，易结垢的溶液，溶液的处理 量。4、并流、逆流、平流的概念和优点：并流的优点： a. 后一效蒸发室的压力依次比前效，故溶液可以利用各效间的压 力差依次由前一效送到后一效，而不必用泵。b. 后一效溶液的沸点较前一效为低，故溶液有前一效送到下一效时，会因过热而自行蒸发，即闪蒸，而产生较 多的二次蒸汽。缺点：由于溶液的溶度依次比以前效升高，温度又降低，所以沿溶液流动方向 器黏度逐渐增高，致使传热系数依次下降，后二效尤为严重。 逆流优点：随着各效溶液浓度的不断提高，温度也相应提高，因此各效溶液的 黏度接近，使各效的传热系数也大致相同。缺点：效间溶液需要泵输送，能量消耗较大，且各效进料温

22、度均低于沸点，与 并流相比较，产生的二次蒸汽量较少。平流:5、升膜式蒸发器特点：传热效率高，物料受热时间短，对于发泡性粘度较小的 热敏性物料比较适用。降膜比升膜具有更多的优点：a.可以浓缩高粘度的液体 b.停留时间短，可以处 理热敏性物料 c. 一次通过的浓缩比不大于 7，最适宜的蒸发量不大于进料量的 80% d.加热管内高速流动的蒸汽使产生的泡沫极易被破坏消失，适用于容易发 泡的料液 e. 制造费用不高，投资少，占地面积小。6升降膜蒸发器特点：符合物料的要求，初进入蒸发器，经升膜蒸发后的 气液混合物有利于降膜的液体均匀分布，用升膜来控制降膜的进料分配，有 利于操作控制，将两个浓缩过程串联，可

23、以提高产品的浓缩比，降低设备高 度。7、刮板式蒸发器原理：料液从进料管以稳定的流量进入随轴旋转的分配盘中， 在离心力的作用下，通过盘壁小孔被抛向器壁，受重力作用沿器壁下流，同时 被旋转的刮板刮成薄膜，薄液在加热区受热，蒸发浓缩，同时受重力作用下流。8、结晶设备可改变溶液浓度的方法分为真空结晶器冷却结晶器蒸发结晶 器盐析结晶器其他结晶器。9、连续结晶设备在设计时要满足的要求：在设备内不要因长时间运转而形成 结垢，设备内的各部位的溶液浓度应均匀，要避免促使晶核形成的刺激，连续结晶过程中，设备内同时具有各种大小粒子的晶体，及时清除影响结 晶的杂质，设备内溶液的循环速度要恰当。10、结晶操作：溶液中的

24、溶质含量超过它饱和溶液中溶质含量时，溶质质点间 的引力起着主导作用，他们彼此靠拢、碰撞、聚集放出能量，并按一定规律排 列而析出，这就是结晶过程。11、以三效为例的操作方式：并流不用泵，因为前一效比后一效压力大， 闪蒸溶液；逆流，处理粘度随温度和浓度变化大的溶液；平流，伴有结晶析出 的溶液。12、单效蒸发：蒸发进行时，二次蒸汽必须不断地从蒸发室中移除，二次蒸汽 移除后不再利用。称为单效蒸发。13、二效蒸发：二次蒸汽被引入另一个蒸发器作为热源在另一蒸发器中利用。14、多效蒸发：第三篇第一章空气净化除菌与空气调节1、 紫外线杀菌原理：产生的臭氧杀菌，利用自身波长诱导 DNA变异。波长为254265n

25、m2、静电除尘原理：利用静电引力吸附带电粒子而达到除菌除尘目的。悬浮于空气中的微生物，其抱子大多带有不同的电荷，没有带电荷的微粒在进入高压静电 场时被电离变成带电微粒，但对于一些直径很小的微粒，它所带的电荷很小，当 产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗扩散运动的动量时，则微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率很低。3、介质过滤除菌机理：惯性冲击滞留作用机理，拦截滞留作用机理，布 朗扩散作用机理，重力沉降作用机理，静电吸附作用机理。4、空气除菌中要除去水雾油烟的原因：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，

26、增大空气压力损失，粘附在纤维表面，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。对数穿透定律：表示进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数；公式为：lg （ N2/N1） =-KL5、 空气过滤器的功能：从气体中去除污染物（微生物），以使达到所需的气体的 无菌程度。&过滤除菌效率：就是滤层所滤去的微粒数与原空气所含微粒数的比值，它是 衡量过滤设备的过滤效能的指标。（这个要看书）7、减少进口空气含菌数的方法：加强生产环境的卫生管理，提高空气进口 位置（高空采风），加强压缩前的空气预过滤。8、降低空气相对湿度的方法：采用无油润滑空压

27、机，加强空气的冷却，去 油水，提高进入总过滤器的空气湿度，降低其温度。9、除菌过滤器的优点：过滤精度高，大的通过量，耐反复的消毒操作，强的亲水性或疏水性，足够的使用强度。10、深度过滤介质特点：颗粒可以在表面被捕集，也可以在介质深度被捕 集。11、 洁净级别：即每立方英尺空气中大于或等于0.5um 的尘埃粒子应小于的数量。12、空气的增湿方法：往空气中通入直接蒸汽，喷水，空气混合增湿。13、空气的减湿方法：喷淋低于该空气露点温度的冷水，使用热交换器以 把空气冷却至其露点以下，空气经压缩后冷却至初温，用吸收或吸附方法 除掉水气，通入干燥空气。14、空气增减湿原理：见第一版书 396 页倒数第二段及图像。15、无菌空气：指通过除菌处理使空气中含菌量降低到零或极低，从而使污染 的可能性降至极小。16、湿度、相对湿度概念： 湿度：湿空气中所含的水蒸气质量与所含的绝干空气质量之比。 相对湿度：湿空气里水蒸气分压与筒温度下水的饱和蒸汽压之比。表示湿空气 饱和程度的一个量17、为什么通常要求压缩空气的相对湿度在 50%-60%时通过过滤器为好？ 由于摄入空气温度低，经压缩后它的温度也不会升高多少，特别是空气的相对 湿度低，空气中水分含量很小，虽然空气经压缩并冷却到