广州大学生物工程设备试题(问答题)

./问答题画出机械搅拌式生物反应器的结构简图,标出各部件的名称,并分别阐述其作用。主要部件：1.罐体,盛发酵液,发酵场所；2.搅拌器：混合液体和传质；3.挡板：防治液面中央形成漩涡流动,增强其湍动和溶氧传质；4.轴封：防止染菌和泄露；5.空气分布器：分布空气；6.消泡装置：防止发酵液随气泡外溢7.夹套：冷却图见p23根据气液传质理论,提出机械搅拌通风发酵罐增加氧传递速率的措施。★答：由OTR=Kla<C＊-C>可知增大Kla或增大<C＊-C>来增加氧传递速率增大<C＊-C>的方法：1.提高罐压2.富集氧气由Kla=K<Pg/VL>^0.4Vsn^0.5可知增大Kla的方法：1.提高转速或增大搅拌叶轮直径,从而提高搅拌功率Pg；2.提高通气量；3.提高发酵罐的高径比,对提高溶氧速率和降低单位溶解氧功耗均有利,所以在设计时,应尽可能选择较大的高径比。气升式发酵罐的工作原理。工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔射进发酵液中,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,而含气率小的发酵液则下沉,形成循环流动,实现混合与溶氧传质机械搅拌自吸式的工作原理。工作原理：自吸式机械搅拌发酵罐的主要构件是吸气搅拌叶轮与导轮,简称转子与定子,当转子转动时,其框内液体被甩出而形成真空而吸入空气。通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出,并使空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡,在湍流状态下混合、湍动和扩散判断下图为何种生物反应器并标明图中6的名称,以与请简述该生物反应器工作原理。文氏管自吸式发酵罐见p481-排管2-罐体3-换热夹套4-循环泵5-压力表6-文氏管工作原理：用泵使发酵液通过文氏管吸气装置,由于液体在文氏管的收缩段中流速增加,形成真空而将空气吸入,并使气泡分散,与液体均匀混合,实现溶氧传质6、下图为一啤酒发酵生产系统,请指出图中1、3、5各为何设备,并简述该生产工艺的特点。1-薄板换热器3-酵母离心机5-朝日罐特点：1.三种设备互相组合,解决了前、后发酵温度控制和酵母浓度的控制问题,加速了啤酒的成熟。2.使用酵母离心机分离发酵液的酵母,可以解决酵母沉淀慢的缺点3.利用凝聚性弱的酵母进行发酵,增加酵母与发酵液接触时间,促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原,减少其含量。试述啤酒塔式连续发酵流程。塔式连续发酵时,分批加入经处理过的无菌麦汁,麦汁在塔内边上升边发酵,直至满塔为止。培养并使其达到要求的酵母浓度梯度后,用泵连续加入麦汁。在发酵过程中,须经常丛塔底通入CO,以保持酵母柱的疏松度。流出的嫩啤酒,经过酵母分离器后,再经薄板换热器冷却至-1℃简述植物细胞培养的特点以与常用的培养器的类型与优缺点。1.植物细胞培养液的黏度随细胞浓度的增加而显著上升2.在kla值高的操作条件通入一定量的CO2对细胞量的增大时有效的优点缺点机械搅拌时反应器适用于许多细胞的培养中,而且也具有反应器内的温度、pH、溶氧与营养物浓度较其他反应器更易控制由于剪切力大。易对植物细胞造成较大损伤,对次级代谢产物的合成也会产生影响非机械搅拌时反应器由于没有活动的搅拌装置,剪切力小,对细胞损伤小,而且容易实现长期无菌培养操作弹性小,低气速时尤其在培养后期植物细胞密度较高时,混合效果较差。如果提高通气量,又会产生大量泡沫,严重影响植物细胞的生长。此外,对这类反应器缺乏足够的经验,放大过程也不如机械搅拌式反应器成熟填充床反应器可以消除或极大地减弱流质流动引起的切变力混合效率低,使必要的氧传递、pH值、温度的控制和产物的排泄很困难；填充床中颗粒或支持物的破碎会阻塞液体流动；用于固定的胶粒在高压下容易变形,会导致填充床阻塞。流化床反应器混合程度高,传质传热效果好剪切力和颗粒碰撞会破坏固定化细胞；流体动力学复杂使其放大困难膜反应器可以维持较高的细胞浓度。同时又可以将细胞产物不断地从反应体系中分离出去<对于胞外产物>,降低了产物的反馈抑制,提高了生产效率。这种反应器的传质效率低,同样具有容易堵塞的问题,而且投资较大请简述通气搅拌式、气升式、中空纤维、微囊、大载体和微载体动物细胞培养反应器的原理和特点。原理特点通气搅拌式气液在由丝网制成的通气腔内实现；而在鼓泡通气过程中所产生的泡沫经管道进入液面上部的由丝网制成的消泡腔内,泡沫经钢丝网破碎分成气、液两部分,避免在向培养基通气时损伤细胞优点：流体混合好,剪切力小,能较好适合悬浮和微载体系统培养动物细胞的要求。缺点：溶氧系数小,不能满足高密度细胞的耗氧要求；气路系统不能就地灭菌气升式通过直接喷射空气供氧没有移动部件,细胞损伤率比较低；2完全密封；3便于无菌操作；4不易污染；5设计简单；6氧的转换率高中空纤维中空纤维是用聚矾或聚丙烯制成。管壁薄,是半透膜,一个培养筒内由数千根中空纤维组成纤维管内为"内室",可灌流无血清培养液供细胞生长,管间隙为"外室",接种细胞就贴附于"外室"的管壁上,并吸取从"内室"渗透来的营养,迅速生长繁殖。优点：培养器体积小,细胞高密度生长；浓缩产品；产物纯度高；自动化程度高,生长周期长缺点：成本高微囊把生物活性物质、完整的活细胞或组织包在薄的半透膜中优点：细胞密度大；产物单位体积浓度高；分离纯化操作经济方便；抗体活性、纯度高缺点：成功率低,培养液用量大,囊内的部分死亡细胞造成产物的污染大载体大载体是由海藻酸钠构成。海藻酸钠含有重复排列的葡糖醛酸和甘露糖醛酸,在钙溶液中形成适宜于附着的网络状凝胶珠。在收集细胞时,可用EDTA和柠檬酸钠使细胞从凝胶中分离出来优点：操作控制方便,可随机取样检测；附着细胞密度高；消耗用品价格低廉,产物收获量大,有明显的经济效益缺点：不具有细胞分泌产物的浓缩装置微载体细胞吸附于一种特殊的支撑材料一微载体的表面,从而在搅拌条件下得以在培养液中进行悬浮培养并最终长成单层的细胞培养系统优点：①兼有单层培养和悬浮培养的优势,且为均相培养；②细胞所处环境均一,放大容易；③环境条件<温度、pH、CO2、DO等>容易测量；比表面积大,单位体积培养液的细胞产率高；⑤培养操作可系统化、自动化,减少了污染机会⑥细胞和培养液易于分离。缺点：①搅拌浆与微珠间的碰撞易损伤细胞；②接种密度高；③微载体吸附力弱,不适合培养悬浮型细胞。④不能移种操作10、对于发酵生物反应系统中需控制的主要参变量有哪些？分别采取何种方法或仪器进行检测？这些需控制的参变量与生物反应效能有何相关对应？参变量检测方法或仪器对应关系温度温度计、热电偶、热敏电阻与金属电阻温度计影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质；温度的变化会影响发酵液的物理性质压力隔膜式压力计保持正压以防上外界空气中的杂菌侵入而造成污染；发酵罐操作压力的变化,会影响溶解氧浓度和溶解的二氧化碳浓度的变化,从而进—步影响菌体生长与代谢。黏度毛细管黏度计、回转式黏度汁、涡轮旋转式黏度计、振动式黏度传感仪,间歇取样罐外测量发酵液黏度黏度大小可以作为细胞生长或细胞形态的一项指标,同时也能反映发酵罐中菌丝降解过程的情况,了解黏度随培养时间而变化的规律,对发酵工艺调控是很有益的。另外,从发酵液黏度对发酵的影响看,随发酵液黏度的增加,不利于氧的传递,从而影响好氧发酵。浊度采样后用常规比色计<固定波长>或分光光度计<可变波长>测定能够与时反映单细胞的生长状况泡沫高度电导、电容传感器和压差传感器电容法、压差法泡沫过多时,发酵液上浮严重,造成大量逃液,发酵液从轴封或排气管路溢出而增加染菌机会等,严重时导致通气搅拌无法进行,菌体呼吸受阻,最终造成代谢异常或菌体自溶pHpH复合电极在线测定发酵液pH不同微生物有各自的最适生长pH和最适生产PH；pH还影响细胞的结构和菌体对基质的利用速度,从而影响菌体的生长和产物的合成；pH还影响细胞膜的电荷状况,引起膜透性发生改变,进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成等；pH还对发酵液或代谢产物产生物理化学的影响溶解氧覆膜溶氧电极溶解氧低,好氧微生物的生长就要受到抑制；溶解氧的大小对菌体生长和产物的性质与产量都会产生不同的影响呼吸代谢参数排气C02浓度的测量：电导式、热导式和红外线式排气O2浓度的测量：电化学式<原电池>02分析仪和顺磁02分析仪两大类。有效的反映微生物代谢活性的指标生物质、底物和产物浓度实验室：在线激光浊度计、高压液相分析仪、流动注射分析仪工业：采用离线分析根据发酵液的菌体量和单位时间的菌浓、溶氧浓度、糖浓度、氮浓度和产物浓度等的变化值,即可分别算出菌体的比生长速率、氧比消耗速率、糖比消耗速率、氮比消耗速率和产物比生产速率补料控制1.根据大量实验室的试验研究结果得出的补料轨迹来指导生产过程的补料〔需靠经验〕；2.基于CER来控制补料速率,用化学平衡的方法调整补料量。使微生物得以沿着优化的生长轨迹生长,进而获得高效的产物。菌丝形态与菌体浓度菌丝形态观察常采用涂片镜检的方法。菌体浓度：全细胞浓度测定：干重法〔DCW〕、湿重法〔WCW〕、浊度法〔OD〕、体积法〔PMV〕、血球板计数法、平板计数法〔CFU〕菌丝形态：其改变往往是生化代谢变化的反映。生产中,常以菌丝形态作为评判菌种质量、区分发酵阶段、控制发酵过程和决定发酵周期的依据之一11、请简述三种连续灭菌流程,并比较各流程优缺点。〔1〕连消塔加热的连续灭菌流程：待灭菌料液由连消泵送入连消塔底端,料液在此被加热蒸汽立即加热到灭菌温度128－132℃〔2〕喷射加热的连续灭菌流程：培养液在指定的灭菌温度下逗留的时间由维持段管子的长度来保证。灭过菌的培养基通过一膨胀阀进入真空冷却器而急速冷却。〔3〕薄板换热器的连续灭菌流程：培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维持与冷却的过程。优点缺点连消塔加热的连续灭菌能一次冷到发酵温度用水量大喷射加热的连续灭菌在更短时间内完成加热、冷却,且冷却水用量少冷却只能冷到一定温度,需要在发酵罐中继续冷却,同时还会造成料液体积散失减少薄板换热器的连续灭菌换热效率高,而且利用冷培养液作冷却剂,即冷却了热培养液,又预热了冷培养液,节约了用水和蒸汽流程时间稍长12、根据基本过滤方程,试述强化过滤速度的措施。★由上式可知强化过滤速度的方法降低滤饼比阻力r0,可以从增大毛细孔的直径或减少弯曲因子去降低1．添加电解质、絮凝剂、凝固剂。这些物质能使悬浮的固形物质的粒度变大,硬度变高2．添加助滤剂,改变了滤饼结构,滤饼可压缩性下降了3．调节pH。将pH调至滤液的等电点附近,使蛋白质积聚析出。或大幅度调节pH,使蛋白质变性凝固4.加热。使蛋白质变性凝固二、降低滤液的黏度1〕热处理能使蛋白质变性凝固,从而使过滤速度大提高。2、降低悬浮液中固形物的浓度三、提高过滤压力差ΔP13、请简述板框压滤机的结构和工作原理。结构：板框压滤机主要是由许多滤板和滤框间隔排列而成。板和框多做成正方形,角段均开有小孔,装合压紧后即构成供滤浆或洗涤水流通的孔道。框的两侧覆以滤布,滤板的两面制成沟槽,分别与洗水孔道和滤出口相通。工作原理：过滤时,悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打入框内,滤液穿过滤框两侧滤布,沿相邻滤板沟槽流至滤液出口,固体则被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止工作。14、请简述转筒真空过滤机的结构和工作原理。结构：由筛板组成的能转动的水平圆筒,表面为一层金属丝网,覆有滤布；圆筒内沿径向被筋板分隔成若干空间,每个空间都以单孔道通至筒轴颈端面的分配头,分配头内沿径向隔离成3室,分别与真空、压缩空气管路相通工作原理：圆筒内下部的空间与料液相接触,由于在这个区中的空间与真空管连通,于是滤液被吸入筒内并经导管和分配头排至滤液贮罐中,而固体粒子则被吸附在滤布的表面形成滤饼层。当圆筒从从料浆槽中转出后,由喷嘴将洗涤水喷向圆筒面上的滤饼层进行洗涤,因此区也与真空道相通,于是洗涤水穿过滤饼层而被吸入筒内,并经分配头引至洗水贮罐中。经洗涤和脱水的滤饼层继续转进卸渣与再生区,这区与压缩空气管路连通,压缩空气从圆筒内向外穿过滤布而将滤饼层吹松,随后由刮刀将其刮除。刮掉滤饼后的滤布继续吹压缩空气,以吹净残余滤渣,使滤布再生15、什么是离心机的离心分离因数,根据离心分离因数的大小不同,离心机可分为几类?离心分离因数：离心力与重力的比值。或是离心加速度与重力加速度之比。普通离心机：f<3000；高速离心机：f＝3000－50000；超速离心机：f>5000016、试简述管式离心机和碟式离心机的工作原理。蝶式离心机的工作原理：当悬浮液在动压头的作用下,经中心管流入高速旋转的碟片之间的间隙时,便产生了惯性离心力,其中密度较大的固体颗粒在离心力作用下向上层碟片的下表面运动,而后沿碟片下表面向转子周围下滑,液体则沿转子中心上升,从套管中排出,达到分离的目的。同理对于乳浊液的分离,轻液沿中心向上流动,重液沿周围向下流动而得到分离。管式离心机的工作原理：当待处理的物料在一定压力下由进料管经底部空心轴进入鼓底,靠圆形折转挡板分布开鼓的四周。为使液体不脱离鼓壁,在鼓内设有十字形挡板,液体在鼓内由挡板被加速到转鼓速度,在离心力场下,浮浊液〔或悬浮液〕沿轴向上流动的过程中被分层成轻液相和重液相〔或液相和固相〕,并通过上方环流溢流口排出。处理悬浮液时,可将管式离心机的重液口关闭,只留有中央轻液溢流口,固体在离心力场下沉积于鼓壁上。17、膜分离设备有哪几种形式？试比较它们的优缺点。优点缺点板式膜过滤器保留体积小,操作费用低的压力降,液流稳定,比较成熟。死体积较大,易漏,高固含量会堵塞进料液通道,拆卸比清洁管道更费时间管式膜过滤器易清洗,单根管子容易调换,无机组件可在高温下可用有机溶剂进行操作并可用化学试剂来消毒。适合黏度大、固含物高的料液。保留体积大,压力降大,单位体积中所含过滤面积较小。中空纤维式膜分离器保留体积小,单位体积中所含过滤面积大,可以逆流操作,压力较低,设备投资低。料液需要预处理,单根纤维损坏时,需调换整个组件。螺旋卷式膜分器设备投资很低,操作费用也低,单位体积中所含过滤面积大,换新膜容易。料液需经预处理,流体阻力大、易污染、难清洗、液流不易控制。18、叙述升膜式真空蒸发浓缩设备的原理和特点,并说明升膜式真空蒸发浓缩设备正常操作的关键是什么？★原理：物料从加热器下部的进料管进入,在加热管内被加热蒸发拉成液膜,浓缩液在二次蒸汽带动下一起上升,从加热器上端沿气液分离器筒体的切线方向进入分离器,浓缩液从分离器底部排出,二次蒸汽进入冷凝器。特点：传质效率高；升膜式蒸发器浓缩时间短,特别适用于发泡性强、黏度较小的热敏性物料,但不适于黏度较大、受热后易积垢、浓缩后有结晶析出的物料。关键：让液体物料在管壁上形成连续不断的液膜。19、叙述降膜式真空蒸发浓缩设备的原理和特点,并说明降膜式真空蒸发浓缩设备正常操作的关键是什么？原理：物料从加热上部进入,经分配器导流管进入加热管,沿管壁成膜状向下流动。特点：物料主要是靠物料自身重力下降,二次蒸汽气速可以较小,对黏度大的也易成膜关键问题是：液料的分配。20、叙述升降膜式真空蒸发浓缩设备的原理和特点。原理：升降膜式蒸发器是在一个加热器内安装两组加热管,一组作升膜式另一组作奖膜式。物料溶液先进入升膜加热管,沸腾蒸发后,气液混合物上升至顶部,然后转入另一半加热管,再进行降膜蒸发,浓缩液从下部进入气液分离器,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。特点：⑴符合物料的要求。初进入蒸发器时,物料浓度较低,物料蒸发内阻较小,蒸发速度较快,容易达到升膜的要求。物料经初步浓缩,浓度较大,但溶液在降膜式蒸发中受重力作用沿管壁均匀分布形成膜状。⑵升膜蒸发后的汽液混合有助于降膜的进料分配,有利于液体的均匀分布。⑶利用升膜来控制降膜的进料,有利于操作的控制。⑷将两个浓缩过程串联,可以提高产品的浓缩比,减低设备的高度。21、叙述刮板式蒸发器的工作原理。工作原理：液料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,瞬间另一块刮板将浓缩液料翻动下推,并更新薄膜,这样物料不断形成新液膜蒸发浓缩,直至液料离开加热室流到蒸发器底部,完成浓缩过程。22、冬季室温低,管道凉,从结晶罐突然放料到卧式结晶箱可能发生什么现象？造成什么后果？采取什么方法防X？23、干燥机理是什么？生物工业产品干燥的有哪些特点？试述干燥设备的选型原则。干燥机理：湿物料的干燥操作中,有2个基本过程同时进行,一是热量由气体传递给湿物料,使其温度升高,二是物料内部的水分向表面扩散,并在表面汽化被气流带走,因此,干燥操作属传热传质同时进行的过程,且二者的传递方向相反。生物工业产品干燥的特点：快速高效、温度不宜太高、时间不宜太长,且干燥产品需保持一定纯度。选型原则：1〕产品质量要求；2〕产品的纯度；3〕物料的特性；4〕产量与劳动条件24、试述喷雾干燥原理与其特点,常用的喷雾干燥设备有哪些？原理：利用不同的喷雾器,将悬浮液或黏滞的液体喷成雾状,与热空气之间发生热量和质量传递而进行干燥的过程。特点：1〕干燥速度快,时间短。3－30S。2〕干燥温度较低。3〕制品具有良好的分散性和溶解性,成品纯度高。常用的喷雾干燥设备：压力式喷雾器、气流式喷雾器和离心式喷雾器25、喷雾干燥设备中,实现料液雾化的雾化器有哪几种形式？任选其中一种,简述其原理。实现料液雾化的喷雾器：压力式喷雾器、气流式喷雾器、离心式喷雾器气流喷雾是依靠压力为O.25～O.6MPa的压缩空气高速通过喷嘴时,将料液吸入并破雾化离心喷雾干燥是利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予料液以离心力,使其高速甩出,形成薄膜、细丝或液滴,同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用形成细雾而干燥的过程。26、试述气流干燥原理与其特点。原理：气流干燥是利用热空气流将物料在流态下进行干燥的过程特点优点：1〕干燥强度大2〕干燥时间短3〕适应性广4〕设备结构简单,占地面积小,生产能力大,能连续操作,可自动控制。缺点：对物料有一定磨损,不适用于晶体的干燥,热能利用率低,只有30%。26、试述流化床干燥原理与其特点。原理：利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈现沸腾状态的干燥过程。特点：优点：1〕传热传质速率大。2〕干燥温度均匀,易于控制。3〕干燥与冷却可连续进行,干燥与分级可同时完成,有利于连续化,自动化操作缺点：适用于颗粒直径为30um-6mm间物料干燥,颗粒过小时易于产生局部沟流,颗粒过大则要求较高的气流速度,引起流动阻力增大,动力消耗加大27、试述冷冻干燥的原理与特点,冷冻干燥系统由哪几部分组成,试以流程图加以说明。原理：将湿物料〔溶液〕在较低温度下〔—10~－50℃〔130－0.1Pa〕下,将其中固态水直接升华为气态而除去的干燥过程。特点优点：1〕干燥温度低,特别适合于高热敏性物料的干燥；2〕能保持原物料的外观形状,无干缩现象；3〕冻干制品具有多孔结构,因而有理想的速溶性和快速复水性；4〕冷冻干燥脱水彻底,质量轻,易于长期保存。缺点：需要昂贵的专用设备干燥周期长,能耗大,产量小,加工成本高。冷冻干燥系统：冷冻装置、真空装置、水气去除装置、加热部分28、下图是何系统图,简述其原理和使用条件。双级压缩制冷循环系统。原理：压缩式制冷循环实质上是一种逆向卡诺循环,制冷过程包括压缩、冷暖、膨胀和蒸发4个阶段。系统中的制冷剂饱和蒸汽被压缩机吸入压缩,再进入冷凝器内被冷凝为液体而放出热量。液体制冷剂经膨胀阀后,压力降低,这时将有小部分液体吸热汽化,使制冷剂温度降低,低温液体进入蒸发器吸收周围介质〔制冷剂〕热量汽化为气体,气体再进入压缩机被压缩,完成一个循环过程。当制冷温度较低时,则压缩机应在高压缩比〔压缩机出口压力与进口压力的比值〕条件下工作。此时若采用单级压缩制冷,则压