生物工程设备.docx

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生物工程设备

第一章

1.为什么发酵培养基灭菌采用湿热灭菌法？

湿热灭菌是利用高温饱和蒸汽将物料的温度升高使微生物体内的蛋白质变性进行灭菌的一种方式。

工业发酵培养基灭菌的特点是数量多，含有很多固体物质；灭菌后要有利于生产菌的生长；方便易行及价格便宜。

由于蒸汽冷凝时会放出大量潜热，并具有很强的穿透力，灭菌效果好；蒸汽来源及控制操作条件方便，适用于工业发酵培养基的灭菌。

2.实罐消毒灭菌操作过程的要点

A发酵罐及附属阀门无泄漏，无死角，无堵塞；B灭菌时罐内蛇管和夹层冷却部位的冷水彻底排除干净；C控制培养基颗粒大小；D罐内空气排除；E搅拌混合均匀;F液面以下与培养基接触的管道都要进蒸汽；G液面以上不与培养基接触的管道都要排气；

3.为什么灭菌后先开空气再开冷却？

防止形成真空设备吸瘪，倒吸引起染菌费用

4.实罐灭菌如要缩短冷却时间，采用何种方式比较经济合理？

增加冷却面积，虽然设备投资费用增加，但降低了日常的操作费用

5.生物反应器换热面积设计计算的依据？

生物反应器换热冷却用水量计算依据？

生物反应器换热面积的确定一般按某个生产品种的发酵过程中某个时刻最大的发酵热作为设计计算的依据。

但对一些发酵热并不大的品种，应根据反应的发酵热及培养基灭菌时的冷却方法、要求来综合考虑确定。

生物反应器换热冷却用水量计算通常按发酵热来计算。

但对一些发酵热并不大的生产品种，对培养基灭菌采用实罐灭菌的应根据反应的发酵热及培养基灭菌时的冷却要求来综合考虑确定。

6.连续灭菌系统设计如何考虑节能？

系统设计根据配置培养基的工艺特性选择合理的灭菌流程及高效节能的设备，流程设计考虑冷热流体的交换。

7.连续消毒灭菌的特点是什么？

连续性强，快速灭菌消毒，培养基营养成分破坏少，灭菌质量稳定，发酵设备利用率高，适用于大容积发酵罐物料的连续灭菌消毒。

但由于附加设备多，操作环节多，因此染菌机会增加，不适合于含大量固体物料的灭菌，对蒸汽的要求高。

8.从工程上分析影响培养基湿热灭菌的因素有哪些？

培养基成分、起泡程度、培养基颗粒大小、罐内空气排除，搅拌混合均匀等。

第二章

1.生物发酵用的无菌空气的质量指标

压强、温度、流量、相对湿度和空气洁净度

2.压缩空气预处理的目的

提高压缩前空气的洁净度；去除压缩后空气中的油和水；保证通气发酵用无菌空气的质量指标。

3.生物发酵热净化空气的质量指标如何控制？

吸入空气的含尘量要低，选择合适空压机满足流量Vg、压力P的要求，通过冷却、分水、加热控制进发酵罐的空气温度T及进入过滤器空气的相对湿度（Ф<=60%），经三级过滤保证进罐无菌空气的洁净度（100级）

4.空气系统处理工艺流程

吸风塔→粗滤器→空压机→贮气罐→（延程冷却）→冷却器→分水器→加热器→总过滤器→预过滤器→（蒸汽过滤器）→除菌过滤器→发酵罐

5.空气净化系统流程设计中如何考虑节能？

延程冷却设置在动力车间；设计选用阻力较小的空气预处理及除菌设备；具有热交换的空气预处理流程；根据当地环境的不同选择合适的系统。

6.空气分水、干燥设备如何选用？

根据所制备空气的质量要求、产品的要求、投资、生产规模及应用场合。

实验室、中试规模建议采用空气冷冻干燥设备除水；生产规模则根据产品的附加值、产品的要求、投资及生产规模考虑；常规大发酵产品建议采用旋风分离器与丝网除沫器除水；基因工程菌、疫苗、动物细胞培养等建议采用空气冷冻干燥设备除水。

7.发酵用的无菌空气的制备对空气的相对湿度有一定的要求，相对湿度是否越低越好？

为什么？

不是,相对湿度控制在<=60%是保证空气过滤器的过滤效率及过滤器的使用寿命，相对湿度过低空气预处理能耗大，并且在发酵培养过程中蒸发带出的水分越多。

8.采用旋风丝网除沫分水器，设备平衡如何考虑？

与空压机一一对应配置。

旋风丝网除沫分水器分水效率与流速有关，进气管道确定后流量增加或减少会影响设备的分离效率。

9.空气除菌采用热灭菌是否可行？

对设备有何要求？

可行；要求设备耐更高的温度、压力，冷却量增加

第三章

1.通用式机械搅拌微生物反应器有哪些主要结构部件组成？

罐体结构比例尺寸？

罐体；搅拌装置；挡板；通气设备；传热装置；机械消泡装置；尾气处理设备。

H/D=1.7-3；B/d=0.8-1.0；d/D=0.5-1/3；S/D=1.5-2.5；W/D=1/8-1/12；S1/d=1-2

2.搅拌在生物反应过程中的作用？

气体分散、气泡分散、传质、传热、混合

3.通用式机械搅拌微生物反应器的搅拌桨如何组合选用？

根据发酵液的生理特性、理化特性及搅拌在生物反应器中的作用，采用径向轴向桨的组合应用，通常底层采用径向桨分散气体，提高溶氧，上层采用轴向桨满足混合的要求。

4.工业上通气式发酵罐为何通常使用圆盘涡轮式搅拌器？

避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升

5.用于发酵罐的搅拌器有哪几种类型？

径向流搅拌器：

半圆管桨、抛物叶桨、六平叶桨、六弯叶桨、六箭叶桨；

轴向流搅拌器：

四宽叶螺旋式桨、机翼螺旋桨、四斜叶、扇形圆弧叶桨、螺旋桨。

6.通用式机械搅拌发酵罐采用变速搅拌有何优点？

变速搅拌更能适应发酵过程中不同生长期对搅拌转速的不同要求，这样不仅可以节约搅拌所消耗的电能，并使一个发酵罐能够适应多种产品的生产。

同时在培养基采用实罐灭菌工艺时，采用低转速搅拌，可避免电机因无通气下，搅拌电流超标，导致电机烧掉。

7.如何提高生物反应器的供氧能力？

提高空气流量；改变搅拌桨形式；提高搅拌转速和桨径；提高氧分压；改造培养基性质

第四章

1.*固液分离设备根据其原理分为哪些类型？

举例说明各有哪些设备？

分批式与连续式操作，得到的物料有什么主要区别？

A沉降设备重力沉降：

重力沉降槽，增稠器

离心沉降：

管式离心机，碟片式离心机，卧式螺旋离心机、三足式离心机

过滤设备常压过滤机

加压过滤机：

板框压滤机、板滤机

真空过滤机：

真空鼓式过滤机、叶滤机

离心过滤机：

三足式离心机

膜分离设备微滤器、超滤器、反渗透器

B分批操作指每次操作向设备中投入一批物料，经过处理后排出全部物料后再重新投料；连续操作是指进料与出料同时进行。

故分批操作后的物料出料流率、含固量可能有变化，连续操作得到的物料出料流率、含固量变化可能不大，同时两者滤渣的含水率和紧实度有区别，分批式操作滤渣含水率低，滤饼紧密度高，处理后料液含固量低。

2.*某热敏性物料中固体颗粒较细，需要采用离心设备进行液固分离。

工艺改进后黏度增加，原来离心机已不再合适，需要改用其他形式离心机，配套设备应做如何调整?

考虑到物料黏度的增加，为保证分离效率，应采用分离因素更大的设备，如转速更高的离心机；考虑到物料的热敏性，则需要在一定范围内对物料进行预冷，增加配套的制冷设备。

第五章

1.萃取设备由哪几部分组成？

各有哪些设备类型？

针对离心机的生产能力的计算公式，从料液特性、设备操作参数、设备结构参数三分面，分析对其生产能力的影响。

当料液黏度略有增大，如何调节操作参数以保证分离质量指标?

使用管式离心机进行液液分离时，如果产品在溶媒相，则操作时应注意什么？

A．有分段式的混合设备与分离设备，与连续式的混合分离一体设备。

混合设备有：

混合罐、混合管、混合泵和喷射混合器；分离设备有管式离心机、碟片式离心机和螺旋式离心机；混合分离一体机设备有：

萃取塔、萃取离心机。

B．公式中前半部分为重力沉降速度，与物料特性相关；后半式为当量沉降面积，即分离因数与设备重力沉降面积之积的量纲，分离因素为设备操作参数，沉降面积为设备的结构参数。

当料液黏度增大，为保证同样质量指标可采用提高转速或调小进料流量来保证分离质量指标。

C．可适当选用大内径堤圈，提高产品收得率，但同时会夹带略多水相

2.什么是超临界萃取？

与常规萃取相比，CO2超临界萃取有什么特点？

对设备有什么特殊要求？

A．以超过临界温度、临界压力状态下的超临界流体，将物料中的组分萃取出来的过程。

B．室温及CO2气体笼罩，防止热敏性物质的氧化的逸散；

不含溶剂，过程干净无残留；

CO2气体无味、无臭、无毒、安全；

CO2气体成本低，纯度高，容易制取，重复循环使用；

萃取和分离合二为一。

调节压力和温度，是CO2与萃取物分离迅速，效率高，能耗较少，工艺简单，速度快。

C．压力高，对设备制造，参数控制要求高。

第六章

1.层析系统由哪些设备组成？

各有哪些设备类型？

层析系统由：

泵、阀门、层析柱、检测器、收集器组成。

泵：

蠕动泵、隔膜泵、注射泵、柱塞泵；

阀门：

上样阀、缓冲液选择泵、分流/旁通泵；

层析柱：

玻璃层析柱、护套层析柱、径向柱、高分辨率层析柱；

检测器：

紫外/可见光检测器、示差检测器、电导检测器、pH检测器；

组分收集器：

圆盘式组分收集器、方型组分收集器

2.离子交换设备有哪些操作方式？

固定床法有哪些吸附形式？

放大的核心依据与放大原则是什么？

两者相比有什么相同与不同？

A．按操作方式：

分批法（静态吸附）、固定床法（动态吸附和柱吸附）、流动床法（连续吸附）。

B．正吸附，反吸附，混合床

C．核心依据是单位体积树脂的交换溶液体积相等，原则是交换器符合相等或线速度相等。

D．按前者原则放大，设备高径比不变，料液流动阻力相对较大。

3.反吸附交换罐中液体的流速是如何考虑的？

设备结构上如何配套？

A．控制自上而下的交流液流速，使树脂颗粒在交换罐内呈沸腾状态而不溢出罐外为宜。

B.可采用扩大段以降低交换液流速，防止树脂颗粒被带出。

第七章

1．蒸发设备有哪些类型？

强化薄膜蒸发设备的操作关键是什么？

蒸发的节能措施？

如何理解冷凝效果对保证真空度的影响？

A．非膜式（真空夹套，标准式），膜式（升膜式、降膜式、循环式、刮板式、离心薄膜式）

B．操作关键：

物料接近沸点温度进料；适当的温差（20-35摄氏度）；足够和合适的真空度；足够的冷凝量；良好的气液分离装置效果

C．良好的冷凝效果，一方面可以把蒸汽冷凝为水，降低真空系统的吸气体积负荷量，另一方面降低对真空泵中水温的升温负荷、接近气化，进而降低吸气量与真空度的影响。

冷凝器设置真空泵。

D．良好保温（蒸发、气液分离器及之间管道）；工作蒸汽排凝的控制和回收；冷热物料间接换热；多效；采用水冲泵。

2.蒸发浓缩设备的蒸发面积计算公式中各F=Q/K△tm中各参数如何获取？

F：

可根据料液特性，选择合适的蒸发器类型，得到其蒸发强度，结合上述蒸发量Q，计算获得蒸发面积；也可根据所选蒸发器类型，得其传热系数，并结合蒸发器平均温度差，计算获得蒸发面积。

可将两者计算结果进行校核。

K：

根据物料特性，选择合适的蒸发器，得到其传热系数。

△tm：

可在20-35℃范围内选择合适的数值。

3.如何理解蒸发与结晶的相互关系？

根据不同溶解度的温度特性，结晶设备分为哪几类？

要控制晶体的质量，前提条件是什么？

A．蒸发：

当其溶质可以结晶时，蒸发是浓缩至过饱和状态的实现结晶的方法之一，当其溶质无法结晶时，浓缩后可通过干燥方法获取产品；结晶：

蒸发是结晶的浓缩方式之一，还可以通过降温，或通过真空降温与蒸发浓缩来实现，或通过萃取等其他方法来实现浓缩。

B．溶解度对温度敏感，可选用带降温装置的结晶设备（自然冷却、搅拌冷却、连续冷却）；对温度不敏感的，可选用带蒸发浓缩功能的结晶设备（搅拌蒸发结晶器，循环蒸发结晶器）；介于二者之中的，可选用带真空蒸发浓缩的设备，在真空蒸发的同时降低溶液温度。

（搅拌真空结晶器，循环连续真空结晶器）

C．前提条件是处于亚稳态或介稳态区域，不能处于不稳态，以免出现无法控制的过快结晶，影响晶形与纯度。

第八章

1.干燥设备有几种主要类型?

各自原理与特点？

气流干燥器原理：

利用高速热气流将物料在流态化输送过程进行干燥的操作；

沸腾干燥器原理：

利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料或粉状湿物料呈沸腾状态。

即流态化技术使水分迅速气化干燥。

喷雾干燥器原理：

借热空气将高度分散的溶液或悬浮液进行干燥

真空干燥器原理：

使物料处于真空状态下，物料中水分由液态变成气态而除去。

冷冻干燥器原理：

将湿物料或溶液在较低温度下冻结成固态，然后在高度真空下将其中水分不经液态直接升华成气态而脱水。

特点：

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2.干球温度、湿球温度、露点温度的定义与关系？

湿含量、相对湿度的定义与关系？

干球温度：

温度计在普通空气中所测出的温度

湿球温度：

少量的水与大量流动的湿空气长时期接触后的温度

露点温度：

空气中的水汽含量和气压都不变的条件下，冷却到饱和时的温度。

湿空气达到饱和：

t=tw=td；对于不饱和湿空气：

t>tw>td.

湿含量：

1kg干空气中含水汽的质量

相对湿度：

空气中水汽含量与同温度同压强下空气的饱和水汽含量之比

X=0.622*（φpw/（p-φpw））

3.干燥与蒸发设备相比，二者在计算时物料温度有何区别？

干燥设备进行计算时采用的为湿球温度，蒸发设备计算时采用的是沸点温度。

4.冷冻干燥系统由哪几部分组成？

其中两处制冷装置各有什么用途？

真空冷冻过程中关键操作点是哪些？

物料搁板温度与物料温度是怎样的关系？

A由冷冻部分、真空部分、水分除去部分和加热部分四部分组成

B第一处冷冻装置用于预冻，第二处用于水汽的冷凝。

C关键操作点:

a预冻阶段保证物料温度低于共晶点；b保证真空装置达到系统所需真空度；c升华过程中加热量需不高于水分升华所带走的热量，以确保物料温度始终低于共熔点；d后期随着水分升华减少，系统内压力降低，可相应缓慢升高物料加热温度，进一步将平衡水分转化为自由水分而除去

D搁板温度略高于物料温度（提供升华热），达到干燥终点时相等，维持合适的加热量，达到合适的干燥速率。

1-1.有一40m3的发酵罐装料为28m3，发酵罐盘管传热面积为30m3，实罐灭菌后要求在5小时内从120冷却到30。

若冷却水进口温度为10，传热系数为1600（kg／m2h），水与料液比热均为4.18（kJ／kg）。

求：

（1）冷却水流量为多少？

（2）若冷却水温度为15，冷却所需时间为5小时，冷却水流量为多少？

解：

;

;

;

1-2.有一40m3的发酵罐装料为28m3，发酵罐盘管传热面积为60m3，实罐灭菌后要求在5小时内从120冷却到30。

若冷却水进口温度为15，传热系数为1600（kg／m2h），水与料液比热均为4.187（kJ／kg）。

求：

（1）冷却水用量为多少？

（2）若冷却水流量为30m3／h，冷却所需时间为多少？

（3）若按照发酵热计算冷却水量为多少（发酵热为10000kcal/m3.h，冷却水温差为5摄氏度）？

冷却时间？

解：

2-1．若有一空气净化系统，其吸气状态温度为

，相对湿度80%，经压缩后，空气压力为0.2MPa（表压），然后将压缩空气经冷却器冷却到

，经析水器、加热器、空气过滤器通入发酵罐。

已知发酵罐内装液为35m3通气量为0.8VVM，发酵温度为

，培养时间为168h，排气压力0.1MPa，相对湿度100%，求一个罐批中发酵液因蒸发而减少的液体量为多少？

2-2．已知发酵罐内装液为35m3通气量为0.8VVM，发酵温度为

，空气进口温度为

，求每小时由于空气温度高于发酵液温度而释放出的热量为多少？

约占发酵热的百分率为多少？

已知发酵热为21000kj／m3.h。