生物工程設(shè)備作業(yè)題總結(jié)

1、1.在工業(yè)化生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)溶氧速率偏低，造成產(chǎn)品質(zhì)量降低，試問有哪些方法可以提升溶氧速率，進(jìn)而提升產(chǎn)品的質(zhì)量？答 1 增加攪拌轉(zhuǎn)速；2 增加通氣量；3 通入純氧；4 增加罐壓力；5 加入促進(jìn)氧氣溶解的試劑 6 減少裝液量或減少發(fā)酵罐體積2.試解釋為什么生物反應(yīng)器體積增加，傳質(zhì)效率降低？答 ：生物反應(yīng)器的傳質(zhì)效率主要用Tf 對(duì)流傳遞時(shí)間常數(shù)，值等于L/V；Td 為擴(kuò)散傳遞時(shí)間常數(shù) L/k2 ；TC 等于基質(zhì)消耗時(shí)間常數(shù)。隨著生物反應(yīng)器的增加，Tf 和Td 急劇增加，因?yàn)長(zhǎng)增加。TC 值不隨體積增加而改變，這就造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)速率隨體積增加而急劇減小，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗速率不變，結(jié)果是物質(zhì)供應(yīng)相對(duì)于營(yíng)養(yǎng)需

2、求不足，總的表象就是傳質(zhì)性能差，所以要求大幅度提升傳質(zhì)性能，強(qiáng)化傳質(zhì)。3.氣升式生物反應(yīng)器是如何強(qiáng)化傳質(zhì)的？ 答 1 高莖比較大，增加氣體溶解效率，同時(shí)減少對(duì)徑向傳質(zhì)的需求。 2 底部較大的通氣量，強(qiáng)化軸向傳質(zhì)4.氣升式生物反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？ 答：優(yōu)點(diǎn)：1 反應(yīng)溶液分布均勻；2 較高的溶氧速率和溶氧效率3 剪切力小，對(duì)生物細(xì)胞的損傷小4 傳熱良好；5 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造；6 操作和維修方便。缺點(diǎn)：1空氣吞吐量大2有機(jī)體、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溶氧混合控制難度高3 不適于顆粒和粘度大的培養(yǎng)基1 某個(gè)企業(yè)從高校研究室購(gòu)買一株亞油酸高產(chǎn)菌株，在20 L發(fā)酵罐內(nèi)驗(yàn)收的指標(biāo)都達(dá)到企業(yè)購(gòu)買合同中對(duì)菌株實(shí)驗(yàn)室的

3、性能要求，企業(yè)在合同中沒有涉及工業(yè)化生產(chǎn)的要求，企業(yè)在工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在20 m3發(fā)酵罐中的產(chǎn)量遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室水平，企業(yè)以菌株不合格為由，把高校訴訟到法院，你認(rèn)為誰會(huì)勝訴，說明原因。答 企業(yè)敗訴，因?yàn)楹贤瑑H僅要求實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量沒有要求。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模產(chǎn)品質(zhì)量與工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量有很大的可能性存在巨大差異。因?yàn)椋S著發(fā)酵體積增加，對(duì)流傳遞時(shí)間常數(shù)和擴(kuò)散傳遞時(shí)間急劇增加，而基質(zhì)消耗時(shí)間不變，所以工業(yè)化生產(chǎn)往往存在溶氧工業(yè)不足或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)不足，溫度或酸度控制不均勻或不靈敏的問題，這就造成產(chǎn)品質(zhì)量或產(chǎn)量急劇下降。2 畫出 氣升式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（元件包括，罐體，進(jìn)氣口，出氣口

4、， 導(dǎo)流筒），并說明氣升式發(fā)酵罐如何強(qiáng)化傳質(zhì)。3 酒精發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（元件包括， 進(jìn)料口，排料口，排氣口，蛇管，冷卻水收集槽，噴淋清洗管）4 畫出錐形啤酒發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（元件包括， 罐體，進(jìn)料口，排氣口，冷卻系統(tǒng)），并說明為什么體積大于5 m3,仍然用夾套冷卻？答: 因?yàn)槠【瓢l(fā)酵是低溫發(fā)酵，微生物的代謝緩慢，產(chǎn)生的生物熱少，因此發(fā)酵熱少，需要降溫的比面積較小，所以可以用換熱比面積較小的加套式控溫方式，而且夾套控溫具有易于清洗，加工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。5 簡(jiǎn)述兩種自吸式發(fā)酵罐的工作原理。1 畫出流化床反應(yīng)器簡(jiǎn)圖（元件：反應(yīng)器上下隔板，冷卻加套，空氣進(jìn)口，料液進(jìn)口）2 畫出Cell-lift 生物反應(yīng)

5、器的簡(jiǎn)圖（元件包括，進(jìn)氣口，排氣口，氣體環(huán)狀分布器，環(huán)狀氣腔），并說明其是如何強(qiáng)化傳質(zhì)和減少剪切力的？答：通過特俗設(shè)計(jì)的攪拌槳的攪拌強(qiáng)化液體流動(dòng)，強(qiáng)化傳質(zhì)；同時(shí)通過環(huán)狀空氣分布器，強(qiáng)化氣體溶解。 通過環(huán)狀氣腔把氣體出口與細(xì)胞隔離，降低氣體溶解時(shí)對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的剪切力。同時(shí)管狀的攪拌槳，降低攪拌剪切力。3 說明管式離心機(jī)和碟片式離心機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。答： 管式離心機(jī)通過轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生離心力，在離心力的作用下，密度大的液體或固體優(yōu)先向轉(zhuǎn)筒壁運(yùn)動(dòng)，密度小的液體被擠壓向中央。碟片式離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的碟片帶動(dòng)碟片夾層中的液體高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，密度大的液體或固體向碟

6、片夾層頂端運(yùn)動(dòng)，密度小的被擠壓向離心機(jī)的中心通道流出，由于碟片夾層上下碟片距離小，因而密度大的液體或固體到達(dá)碟片所需要的時(shí)間短，從而大大提高分離效率。4 畫出板框式過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（元件：過濾框，過濾板，洗滌板，濾布）1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的基本元件及其功能？ 圓柱形罐身，罐底和罐頂。三部分構(gòu)成一個(gè)密閉的空間。 電機(jī) 提供攪拌的動(dòng)力 軸 傳動(dòng)裝置軸承（小罐沒有 ）固定軸承攪拌葉輪 打碎氣泡，驅(qū)使發(fā)酵液徑向和軸向流動(dòng)擋板 增加液體的湍流程度夾套 蛇管 溫度控制軸封 密閉發(fā)酵罐，防止染菌加料口 出料口 添加和排放醪液 氣體進(jìn)口或空氣分布器 氣體進(jìn)入發(fā)酵罐 人孔 檢修和維護(hù)的進(jìn)出口 視鏡 觀察口 取樣

7、口 取樣檢驗(yàn) 保溫層 絕熱保溫 檢測(cè)元件 溫度計(jì) 壓力表 pH計(jì)2氣升式發(fā)酵罐的基本元件及其功能？ 圓柱形罐身，罐底和罐頂。三部分構(gòu)成一個(gè)密閉的空間。 進(jìn)氣管道 氣體進(jìn)入發(fā)酵罐的通道 空氣出口 氣體排放的出口 導(dǎo)流筒 導(dǎo)流筒與罐壁把液體分為兩部分，促進(jìn)液體的上下流動(dòng) 人孔 檢修和維護(hù)的進(jìn)出口 視鏡 觀察口 取樣口 取樣檢驗(yàn) 保溫層 絕熱保溫 檢測(cè)元件 溫度計(jì) 壓力表 pH計(jì)3自吸式發(fā)酵罐的基本元件及其功能？ 圓柱形罐身，罐底和罐頂。三部分構(gòu)成一個(gè)密閉的空間。 人孔 檢修和維護(hù)的進(jìn)出口 視鏡 觀察口 取樣口 取樣檢驗(yàn) 保溫層 絕熱保溫 檢測(cè)元件 溫度計(jì) 壓力表 pH計(jì)文氏管自吸式發(fā)酵罐1 泵 驅(qū)

8、動(dòng)液體高速流動(dòng) 文氏管 進(jìn)氣通道和氣液混合裝置溢流自吸式發(fā)酵罐1 泵 驅(qū)動(dòng)液體從管道中自下而上流動(dòng) 溢流口 吸入氣體噴射自吸式發(fā)酵罐1 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)元件 軸 傳動(dòng)裝置 葉輪 高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，增加湍流程度促進(jìn)氣體溶解 導(dǎo)氣管 空氣進(jìn)入通道比較動(dòng)物細(xì)胞生物反應(yīng)器、機(jī)械攪拌式、氣升式、自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)差異？ 溫度控制元件差異 動(dòng)物細(xì)胞反應(yīng)器要求溫度控制更加精確， 為精確控溫， 體積比其它類型的發(fā)酵罐小，單位體積的換熱面積大。其它類型的發(fā)酵罐通過加裝蛇管或外置的換熱裝置進(jìn)行有效的溫度控制。通氣方式差異 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的生物反應(yīng)器通氣有三種方式：硅膠管擴(kuò)散的方式通氣；通過絲網(wǎng)阻隔，形成氣腔空間，空氣首先

9、通入氣腔內(nèi)，避免對(duì)動(dòng)物細(xì)胞造成較大剪切力；絲狀纖維管通氣，氣體以擴(kuò)散的方式進(jìn)入罐內(nèi)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 氣體直接通過進(jìn)氣口或空氣分布器進(jìn)入到發(fā)酵罐內(nèi)噴射自吸式發(fā)酵罐 氣體通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生負(fù)壓吸入罐內(nèi)；文氏管發(fā)酵罐通過文氏管吸入空氣，流體高速流動(dòng)需要泵的輸送；溢流自吸式發(fā)酵罐空氣通過溢流口吸入發(fā)酵罐。氣升發(fā)酵罐 氣體通過泵的輸送，通過進(jìn)氣管進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)部。溶氧方式控制的差異 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器所需要的氧氣濃度相對(duì)較低，通過控制硅膠管的氧氣壓控制氧氣濃度；為促進(jìn)溶氧；帶有絲網(wǎng)隔開的生物反應(yīng)器在氣腔內(nèi)攪拌。機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 通過控制通氣量、罐壓、攪拌轉(zhuǎn)速、改變?nèi)~輪的形狀等控制溶氧濃度自吸式

10、發(fā)酵罐 控制溶氧的主要方式是增加空氣的吸入量，一般通過 提高噴塑式發(fā)酵罐的葉輪轉(zhuǎn)速，增加文氏管液體流速，增加溢流口的流速和改變溢流口的式樣等控制溶氧濃度 攪拌元件差異 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的渦流葉輪和旋漿式，其中渦流葉輪有直葉式、彎葉式、箭葉式等。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器攪拌葉輪有螺旋式、錨式攪拌器 等 。 帶有渦流攪拌器的葉輪在氣腔內(nèi)部攪拌。 pH控制差異 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐的pH控制可以在中途通過流加設(shè)備流加酸或堿。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)一般通過通入二氧化碳來控制Ph.4過濾、離心與膜分離設(shè)備：（1）上游工程：菌種的構(gòu)建和產(chǎn)物的生成(發(fā)酵)（2）下游工程：產(chǎn)物的提取和精制(過濾、

11、分離、蒸發(fā)和結(jié)晶等)。（3）發(fā)酵產(chǎn)物的存在形式:胞外產(chǎn)物：透出菌體細(xì)胞之外存在于懸浮液中；胞內(nèi)產(chǎn)物：存在于細(xì)胞之內(nèi)；細(xì)胞本身；（4）液固分離方法：為了提取和精制發(fā)酵產(chǎn)物，往住必須首先將懸浮液進(jìn)行液固分離。 方法主要是過濾(最常用)和離心分離。5過濾：是傳統(tǒng)的化工單元操作，其原理是使物料通過固態(tài)過濾介質(zhì)時(shí)，固態(tài)懸浮物與溶液分離。如液相中谷氨酸鈉、檸檬酸晶體的分離。過濾的形式：常壓、加壓、真空及離心過濾。6離心分離：是基于分離體系中固液和液液兩相密度存在差異，在離心場(chǎng)中使不同密度的兩相相分離的過程。靜置混合液時(shí)，密度較大的固體顆?；蛑匾涸谥亓Φ淖饔孟轮饾u下沉，這一過程稱為沉降。7常用膜分離法包括：

12、滲透、透析、微濾（MF）、超濾（UF）、反滲透（RO）與氣體透過都是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過程；電滲析、隔膜電解以電位差為推動(dòng)力的分離技術(shù)。8超濾和微濾都是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過程。超濾：在一定的壓力作用下，含有大分子和較小分子的混合液流經(jīng)分離膜時(shí)，溶劑和小分子（如無機(jī)鹽）透過膜，而大分子（分子量大于1000）被膜截留下來從而將溶液加以分離或濃縮的單元操作。9濃差極化現(xiàn)象：當(dāng)溶液從膜面一側(cè)流過時(shí)，溶劑及小分子溶質(zhì)透過膜，大分子的溶質(zhì)則在靠近膜面處被截留，并不斷返回溶液主流中。當(dāng)這一返回液體主流的速度低于大分子溶質(zhì)在膜面聚集的速度時(shí)，就逐漸在膜面上，行成一高濃度的被阻留的溶質(zhì)分子層。這就是

13、濃差極化隨著濃差極化愈來愈嚴(yán)重，膜的濾出速度也愈來愈低 。10納米膜過濾技術(shù)定義：納米過濾(簡(jiǎn)稱納濾)是介于反滲透與超濾之間的一種以壓力為驅(qū)動(dòng)力的新型膜分離過程。能截留有機(jī)小分子而使大部分無機(jī)鹽透過，操作壓力低，在食品工業(yè)、生物化工及水處理等許多方面有很好的應(yīng)用前景。11大多數(shù)的納米濾膜是由多層聚合物薄膜組成?；钚詫油ǔ：韶?fù)電化學(xué)基團(tuán)。12蒸發(fā)設(shè)備一般由熱交換器（汽鼓）、蒸發(fā)室、冷凝器和抽氣泵等組成。13降膜式蒸發(fā)器 工作原理：物料從加熱管上部進(jìn)入，經(jīng)分配器導(dǎo)流管進(jìn)入加熱管，沿管壁成膜狀向下流。14升降膜式蒸發(fā)器 工作原理：物料先進(jìn)入升膜加熱管，沸騰蒸發(fā)后，汽液混合物上升至頂部，然后轉(zhuǎn)入另一半

14、加熱管，再進(jìn)行降膜蒸發(fā)，濃縮液從下部進(jìn)入汽液分離器，分離后，二次蒸汽從分離器上部排入冷凝器，濃縮液從分離器下部出料。離心式蒸發(fā)器是利用旋轉(zhuǎn)的離心盤所產(chǎn)生的離心力對(duì)溶液的周邊分布作用而形成薄膜。16結(jié)晶原理：溶液中的溶質(zhì)含量超過它飽和溶液中溶質(zhì)含量時(shí)，溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的引力起主要作用，溶質(zhì)間彼此靠近、碰撞、聚集放出能量，并按一定規(guī)律排列而析出。17按照生產(chǎn)作業(yè)方式，結(jié)晶器分成間歇和連續(xù)兩大類； 按照形成過飽和溶液途徑的不同，可將結(jié)晶設(shè)備分為冷卻結(jié)晶器、蒸發(fā)結(jié)晶器、真空結(jié)晶器、鹽析結(jié)晶器18溶劑萃取操作是將一種溶劑加入料液中，使溶劑和料液充分混合，則欲分離的物質(zhì)能較多的溶解在溶劑中，并與剩余料液分層，從

15、而達(dá)到分離的目的19萃取分離的實(shí)質(zhì)是利用欲分離組分在溶劑中與原料液中溶解度的差異來實(shí)現(xiàn)萃取： 兩互不相溶的溶劑構(gòu)成的非均相體系中，組分從一相轉(zhuǎn)移到另一相的過程。萃取劑：轉(zhuǎn)移組分的溶劑。萃取液：萃取劑萃取組分后所得溶液。萃余液：被萃取劑萃取后的溶液。20萃取原理 萃取推動(dòng)力：遵守相似相溶原理，組分在兩溶劑中溶解度之差即為推動(dòng)力，推動(dòng)力越大萃取大越容易進(jìn)行。21常用于生化萃取的有機(jī)溶劑有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等。22絕大多數(shù)親水聚合物的水溶液，在與另一種親水性聚合物混合并達(dá)到一定濃度時(shí)，就會(huì)形成兩相，兩種聚合物分別以不同的比例溶于互不相溶的兩相中，從而可用來進(jìn)行萃取操作。這種萃取

16、叫雙水相萃取。23工業(yè)上常采用離心沉降法分離溶劑萃取體系。24三相傾析離心機(jī)可同時(shí)分離重液、輕液和固體，主要應(yīng)用于生物技術(shù)中 。25超臨界流體既具有液體溶解度大的性質(zhì) ，又具有氣體易擴(kuò)散、傳質(zhì)速度高的優(yōu)點(diǎn)。26 吸附是利用吸附劑對(duì)液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面，再用適當(dāng)?shù)南疵搫⑵浣馕_(dá)到分離純化的過程。液相(氣相)固相 吸附劑、吸附物27干燥是將濕物料的濕分（水分或其他溶劑）除去的加工過程，往往是整個(gè)生物加工過程中在包裝之前的最后一道工序。干燥目的： (1)減少體積，便于貯藏和運(yùn)輸 (2)降低水分，避免失活28帶式真空干燥器：由封閉的不銹鋼料帶、加熱滾筒、冷卻

17、滾筒、加熱裝置及抽真空系統(tǒng)組成。用于液狀和漿狀物料。29微波干燥原理：當(dāng)待干燥的濕物料置于高頻電場(chǎng)時(shí)，由于濕物料中水分子具有極性，則分子沿著外電場(chǎng)方向取向排列，隨著外電場(chǎng)高頻率變換方向，則水分子會(huì)迅速轉(zhuǎn)動(dòng)或快速擺動(dòng)。又由于分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和相鄰分子間的相互作用，使分子隨著外電場(chǎng)變化而擺動(dòng)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)受到干擾和阻礙，從而引起分子間的摩擦而產(chǎn)生熱量，使其溫度升高。30旋槳式攪拌器：液體做軸向和切向運(yùn)動(dòng)軸向流（循環(huán)量大、壓頭低）31常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。31影響溶氧系數(shù)kLa主要因素：（1）操作條件，如攪拌轉(zhuǎn)速、通氣量等。（2）發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)，如體積、通氣方法、攪拌葉輪結(jié)構(gòu)和尺寸等。（3）物料的物化性能，如擴(kuò)散系數(shù)、表面張力、密度、黏度、培養(yǎng)基成分及特性等。 32提高KLa的途徑：1）增加攪拌器轉(zhuǎn)速N，以提高攪拌功率Pg，可以有效地提高KLa； 2）加大通氣量VG，以提高空截面速率vs； 3）為了提高OTR，提高罐內(nèi)操作壓力或通入純氧，提高C*。33自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機(jī)提供加壓空氣，而依靠特設(shè)的機(jī)械攪拌吸氣裝置或液體