生物工程设备作业题总结

1、1.在工业化生产中，发现溶氧速率偏低，造成产品质量降低，试问有哪些方法可以提升溶氧速率，进而提升产品的质量？答 1 增加搅拌转速；2 增加通气量；3 通入纯氧；4 增加罐压力；5 加入促进氧气溶解的试剂 6 减少装液量或减少发酵罐体积2.试解释为什么生物反应器体积增加，传质效率降低？答 ：生物反应器的传质效率主要用Tf 对流传递时间常数，值等于L/V；Td 为扩散传递时间常数 L/k2 ；TC 等于基质消耗时间常数。随着生物反应器的增加，Tf 和Td 急剧增加，因为L增加。TC 值不随体积增加而改变，这就造成营养物质供应速率随体积增加而急剧减小，营养物质消耗速率不变，结果是物质供应相对于营养需

2、求不足，总的表象就是传质性能差，所以要求大幅度提升传质性能，强化传质。3.气升式生物反应器是如何强化传质的？ 答 1 高茎比较大，增加气体溶解效率，同时减少对径向传质的需求。 2 底部较大的通气量，强化轴向传质4.气升式生物反应器的优缺点是什么？ 答：优点：1 反应溶液分布均匀；2 较高的溶氧速率和溶氧效率3 剪切力小，对生物细胞的损伤小4 传热良好；5 结构简单，易于加工制造；6 操作和维修方便。缺点：1空气吞吐量大2有机体、营养物质、溶氧混合控制难度高3 不适于颗粒和粘度大的培养基1 某个企业从高校研究室购买一株亚油酸高产菌株，在20 L发酵罐内验收的指标都达到企业购买合同中对菌株实验室的

3、性能要求，企业在合同中没有涉及工业化生产的要求，企业在工业化生产时发现，在20 m3发酵罐中的产量远低于实验室水平，企业以菌株不合格为由，把高校诉讼到法院，你认为谁会胜诉，说明原因。答 企业败诉，因为合同仅仅要求实验室规模的产品质量，对工业化生产产品的质量没有要求。实验室规模产品质量与工业化生产产品质量有很大的可能性存在巨大差异。因为，随着发酵体积增加，对流传递时间常数和扩散传递时间急剧增加，而基质消耗时间不变，所以工业化生产往往存在溶氧工业不足或营养物质供应不足，温度或酸度控制不均匀或不灵敏的问题，这就造成产品质量或产量急剧下降。2 画出 气升式发酵罐结构简图（元件包括，罐体，进气口，出气口

4、， 导流筒），并说明气升式发酵罐如何强化传质。3 酒精发酵罐的结构简图（元件包括， 进料口，排料口，排气口，蛇管，冷却水收集槽，喷淋清洗管）4 画出锥形啤酒发酵罐的结构简图（元件包括， 罐体，进料口，排气口，冷却系统），并说明为什么体积大于5 m3,仍然用夹套冷却？答: 因为啤酒发酵是低温发酵，微生物的代谢缓慢，产生的生物热少，因此发酵热少，需要降温的比面积较小，所以可以用换热比面积较小的加套式控温方式，而且夹套控温具有易于清洗，加工简单等优点。5 简述两种自吸式发酵罐的工作原理。1 画出流化床反应器简图（元件：反应器上下隔板，冷却加套，空气进口，料液进口）2 画出Cell-lift 生物反应

5、器的简图（元件包括，进气口，排气口，气体环状分布器，环状气腔），并说明其是如何强化传质和减少剪切力的？答：通过特俗设计的搅拌桨的搅拌强化液体流动，强化传质；同时通过环状空气分布器，强化气体溶解。 通过环状气腔把气体出口与细胞隔离，降低气体溶解时对动物细胞的剪切力。同时管状的搅拌桨，降低搅拌剪切力。3 说明管式离心机和碟片式离心机的基本结构和工作原理。答： 管式离心机通过转筒的旋转，带动转筒内液体高速旋转，从而产生离心力，在离心力的作用下，密度大的液体或固体优先向转筒壁运动，密度小的液体被挤压向中央。碟片式离心机高速旋转的碟片带动碟片夹层中的液体高速旋转，在离心力的作用下，密度大的液体或固体向碟

6、片夹层顶端运动，密度小的被挤压向离心机的中心通道流出，由于碟片夹层上下碟片距离小，因而密度大的液体或固体到达碟片所需要的时间短，从而大大提高分离效率。4 画出板框式过滤机的结构简图（元件：过滤框，过滤板，洗涤板，滤布）1机械搅拌通风发酵罐的基本元件及其功能？ 圆柱形罐身，罐底和罐顶。三部分构成一个密闭的空间。 电机 提供搅拌的动力 轴 传动装置轴承（小罐没有 ）固定轴承搅拌叶轮 打碎气泡，驱使发酵液径向和轴向流动挡板 增加液体的湍流程度夹套 蛇管 温度控制轴封 密闭发酵罐，防止染菌加料口 出料口 添加和排放醪液 气体进口或空气分布器 气体进入发酵罐 人孔 检修和维护的进出口 视镜 观察口 取样

7、口 取样检验 保温层 绝热保温 检测元件 温度计 压力表 pH计2气升式发酵罐的基本元件及其功能？ 圆柱形罐身，罐底和罐顶。三部分构成一个密闭的空间。 进气管道 气体进入发酵罐的通道 空气出口 气体排放的出口 导流筒 导流筒与罐壁把液体分为两部分，促进液体的上下流动 人孔 检修和维护的进出口 视镜 观察口 取样口 取样检验 保温层 绝热保温 检测元件 温度计 压力表 pH计3自吸式发酵罐的基本元件及其功能？ 圆柱形罐身，罐底和罐顶。三部分构成一个密闭的空间。 人孔 检修和维护的进出口 视镜 观察口 取样口 取样检验 保温层 绝热保温 检测元件 温度计 压力表 pH计文氏管自吸式发酵罐1 泵 驱

8、动液体高速流动 文氏管 进气通道和气液混合装置溢流自吸式发酵罐1 泵 驱动液体从管道中自下而上流动 溢流口 吸入气体喷射自吸式发酵罐1 电机 驱动元件 轴 传动装置 叶轮 高速旋转产生负压，增加湍流程度促进气体溶解 导气管 空气进入通道比较动物细胞生物反应器、机械搅拌式、气升式、自吸式发酵罐的结构差异？ 温度控制元件差异 动物细胞反应器要求温度控制更加精确， 为精确控温， 体积比其它类型的发酵罐小，单位体积的换热面积大。其它类型的发酵罐通过加装蛇管或外置的换热装置进行有效的温度控制。通气方式差异 动物细胞培养的生物反应器通气有三种方式：硅胶管扩散的方式通气；通过丝网阻隔，形成气腔空间，空气首先

9、通入气腔内，避免对动物细胞造成较大剪切力；丝状纤维管通气，气体以扩散的方式进入罐内机械搅拌通风发酵罐 气体直接通过进气口或空气分布器进入到发酵罐内喷射自吸式发酵罐 气体通过高速旋转的叶轮产生负压吸入罐内；文氏管发酵罐通过文氏管吸入空气，流体高速流动需要泵的输送；溢流自吸式发酵罐空气通过溢流口吸入发酵罐。气升发酵罐 气体通过泵的输送，通过进气管进入发酵罐内部。溶氧方式控制的差异 动物细胞培养生物反应器所需要的氧气浓度相对较低，通过控制硅胶管的氧气压控制氧气浓度；为促进溶氧；带有丝网隔开的生物反应器在气腔内搅拌。机械搅拌通风发酵罐 通过控制通气量、罐压、搅拌转速、改变叶轮的形状等控制溶氧浓度自吸式

10、发酵罐 控制溶氧的主要方式是增加空气的吸入量，一般通过 提高喷塑式发酵罐的叶轮转速，增加文氏管液体流速，增加溢流口的流速和改变溢流口的式样等控制溶氧浓度 搅拌元件差异 机械搅拌通风发酵罐的涡流叶轮和旋浆式，其中涡流叶轮有直叶式、弯叶式、箭叶式等。动物细胞培养反应器搅拌叶轮有螺旋式、锚式搅拌器 等 。 带有涡流搅拌器的叶轮在气腔内部搅拌。 pH控制差异 机械搅拌通风发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐的pH控制可以在中途通过流加设备流加酸或碱。动物细胞培养一般通过通入二氧化碳来控制Ph.4过滤、离心与膜分离设备：（1）上游工程：菌种的构建和产物的生成(发酵)（2）下游工程：产物的提取和精制(过滤、

11、分离、蒸发和结晶等)。（3）发酵产物的存在形式:胞外产物：透出菌体细胞之外存在于悬浮液中；胞内产物：存在于细胞之内；细胞本身；（4）液固分离方法：为了提取和精制发酵产物，往住必须首先将悬浮液进行液固分离。 方法主要是过滤(最常用)和离心分离。5过滤：是传统的化工单元操作，其原理是使物料通过固态过滤介质时，固态悬浮物与溶液分离。如液相中谷氨酸钠、柠檬酸晶体的分离。过滤的形式：常压、加压、真空及离心过滤。6离心分离：是基于分离体系中固液和液液两相密度存在差异，在离心场中使不同密度的两相相分离的过程。静置混合液时，密度较大的固体颗粒或重液在重力的作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。7常用膜分离法包括：

12、渗透、透析、微滤（MF）、超滤（UF）、反渗透（RO）与气体透过都是以压力差为推动力的膜分离过程；电渗析、隔膜电解以电位差为推动力的分离技术。8超滤和微滤都是以压力差为推动力的膜分离过程。超滤：在一定的压力作用下，含有大分子和较小分子的混合液流经分离膜时，溶剂和小分子（如无机盐）透过膜，而大分子（分子量大于1000）被膜截留下来从而将溶液加以分离或浓缩的单元操作。9浓差极化现象：当溶液从膜面一侧流过时，溶剂及小分子溶质透过膜，大分子的溶质则在靠近膜面处被截留，并不断返回溶液主流中。当这一返回液体主流的速度低于大分子溶质在膜面聚集的速度时，就逐渐在膜面上，行成一高浓度的被阻留的溶质分子层。这就是

13、浓差极化随着浓差极化愈来愈严重，膜的滤出速度也愈来愈低 。10纳米膜过滤技术定义：纳米过滤(简称纳滤)是介于反渗透与超滤之间的一种以压力为驱动力的新型膜分离过程。能截留有机小分子而使大部分无机盐透过，操作压力低，在食品工业、生物化工及水处理等许多方面有很好的应用前景。11大多数的纳米滤膜是由多层聚合物薄膜组成。活性层通常荷负电化学基团。12蒸发设备一般由热交换器（汽鼓）、蒸发室、冷凝器和抽气泵等组成。13降膜式蒸发器 工作原理：物料从加热管上部进入，经分配器导流管进入加热管，沿管壁成膜状向下流。14升降膜式蒸发器 工作原理：物料先进入升膜加热管，沸腾蒸发后，汽液混合物上升至顶部，然后转入另一半

14、加热管，再进行降膜蒸发，浓缩液从下部进入汽液分离器，分离后，二次蒸汽从分离器上部排入冷凝器，浓缩液从分离器下部出料。离心式蒸发器是利用旋转的离心盘所产生的离心力对溶液的周边分布作用而形成薄膜。16结晶原理：溶液中的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主要作用，溶质间彼此靠近、碰撞、聚集放出能量，并按一定规律排列而析出。17按照生产作业方式，结晶器分成间歇和连续两大类； 按照形成过饱和溶液途径的不同，可将结晶设备分为冷却结晶器、蒸发结晶器、真空结晶器、盐析结晶器18溶剂萃取操作是将一种溶剂加入料液中，使溶剂和料液充分混合，则欲分离的物质能较多的溶解在溶剂中，并与剩余料液分层，从

15、而达到分离的目的19萃取分离的实质是利用欲分离组分在溶剂中与原料液中溶解度的差异来实现萃取： 两互不相溶的溶剂构成的非均相体系中，组分从一相转移到另一相的过程。萃取剂：转移组分的溶剂。萃取液：萃取剂萃取组分后所得溶液。萃余液：被萃取剂萃取后的溶液。20萃取原理 萃取推动力：遵守相似相溶原理，组分在两溶剂中溶解度之差即为推动力，推动力越大萃取大越容易进行。21常用于生化萃取的有机溶剂有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等。22绝大多数亲水聚合物的水溶液，在与另一种亲水性聚合物混合并达到一定浓度时，就会形成两相，两种聚合物分别以不同的比例溶于互不相溶的两相中，从而可用来进行萃取操作。这种萃取

16、叫双水相萃取。23工业上常采用离心沉降法分离溶剂萃取体系。24三相倾析离心机可同时分离重液、轻液和固体，主要应用于生物技术中 。25超临界流体既具有液体溶解度大的性质 ，又具有气体易扩散、传质速度高的优点。26 吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯化的过程。液相(气相)固相 吸附剂、吸附物27干燥是将湿物料的湿分（水分或其他溶剂）除去的加工过程，往往是整个生物加工过程中在包装之前的最后一道工序。干燥目的： (1)减少体积，便于贮藏和运输 (2)降低水分，避免失活28带式真空干燥器：由封闭的不锈钢料带、加热滚筒、冷却

17、滚筒、加热装置及抽真空系统组成。用于液状和浆状物料。29微波干燥原理：当待干燥的湿物料置于高频电场时，由于湿物料中水分子具有极性，则分子沿着外电场方向取向排列，随着外电场高频率变换方向，则水分子会迅速转动或快速摆动。又由于分子原有的热运动和相邻分子间的相互作用，使分子随着外电场变化而摆动的规则运动受到干扰和阻碍，从而引起分子间的摩擦而产生热量，使其温度升高。30旋桨式搅拌器：液体做轴向和切向运动轴向流（循环量大、压头低）31常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。31影响溶氧系数kLa主要因素：（1）操作条件，如搅拌转速、通气量等。（2）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。（3）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。 32提高KLa的途径：1）增加搅拌器转速N，以提高搅拌功率Pg，可以有效地提高KLa； 2）加大通气量VG，以提高空截面速率vs； 3）为了提高OTR，提高罐内操作压力或通入纯氧，提高C*。33自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体