生物工程設(shè)備期末復(fù)習(xí)題

生物工程設(shè)備期末復(fù)習(xí)題生物工程設(shè)備期末復(fù)習(xí)題一、名詞解釋1、菌體的率YX/S對(duì)基質(zhì)的細(xì)胞得率Yx/s2、半連續(xù)式操作又稱反復(fù)分批式培養(yǎng)或換液培養(yǎng)，是指在分批式操作的基礎(chǔ)上，不全部取出反應(yīng)系剩余部分重新補(bǔ)新的營(yíng)養(yǎng)成分，再按分批式操作的方式進(jìn)行培養(yǎng)，這是反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的總體積保持不變的操作方式。3、Ka酸平衡系數(shù)4、發(fā)酵稀釋比D5、過(guò)濾效率被捕捉的粉塵量與原空氣中粉塵量之比。6、裝料系數(shù)發(fā)酵罐存在持氣與起泡問(wèn)題，必須在充入培養(yǎng)液后留有一定的空間。式中V—發(fā)酵罐的代表容積（m3）；V0—進(jìn)入發(fā)酵罐的發(fā)酵液量（m3）ψ—裝液系數(shù)7、實(shí)罐滅菌將培養(yǎng)基置于發(fā)酵罐中用蒸汽加熱，達(dá)到預(yù)定滅菌溫度后，維持一定時(shí)間，再冷卻到發(fā)酵溫度，然后接種發(fā)酵，又稱分批滅菌。8、升膜式蒸發(fā)器真空蒸發(fā)設(shè)備，主要由加熱室和汽液分離器組成，在真空狀態(tài)下溶液在蒸發(fā)器的加熱表面形成液膜，很快受熱升溫、汽化、濃縮。液膜與蒸發(fā)的二次氣流方向相同稱為升膜式蒸發(fā)器。9、帶式輸運(yùn)機(jī)利用一根封閉的環(huán)形皮帶，繞在相距一定距離的2個(gè)鼓輪上，皮帶由主動(dòng)輪帶動(dòng)運(yùn)行，物料在帶上靠摩擦力隨帶前進(jìn)，到另一端卸料。由皮帶、托輥、鼓輪、傳動(dòng)裝置、張緊裝置、加料裝置和卸料裝置組成。適用于松散干濕物料、谷物顆粒及成件制品。10、比擬放大即生物反應(yīng)過(guò)程的放大，就是指以實(shí)驗(yàn)或中式反應(yīng)設(shè)備所取得的數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)制造大規(guī)模的反應(yīng)系統(tǒng)，確定相應(yīng)的工藝條件，以進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。二.填空1.某機(jī)械攪拌發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液中的溶氧濃度為0.025mol/m3,此罐壓下飽和溶氧濃度為0.275mol/m3,此罐的KLa值為1000(1/h),根據(jù)傳質(zhì)理論,計(jì)算此類發(fā)酵罐的供氧能力為250mol(O2)/(m3?h)2.某酒精工廠,每發(fā)酵罐的進(jìn)料量為24t/h,每4h裝滿一罐,糖化醪密度為1075Kg/m3,裝料系數(shù)為0.9,計(jì)算此發(fā)酵罐的全體積約為100m33.啤酒發(fā)酵罐中發(fā)酵液的對(duì)流主要是依靠其中CO2的作用,另外冷卻操作時(shí)啤酒溫度的變化也會(huì)引起罐的內(nèi)容物的對(duì)流循環(huán)4.CIP清洗系統(tǒng)是CleanInPlace的簡(jiǎn)稱,即內(nèi)部清洗系統(tǒng)（在位清洗）,進(jìn)行大罐清洗工作的關(guān)鍵設(shè)備是噴射洗滌裝置。5．懸浮培養(yǎng)適用于非貼壁依賴型細(xì)胞，貼壁培養(yǎng)適用于貼壁依賴型細(xì)胞。除此之外還有一種固定化（包埋）培養(yǎng)對(duì)兩類細(xì)胞都適用。6.酒精廠以玉米糧食為原料的生產(chǎn)中需要粗選機(jī)、除鐵器等設(shè)備對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理。7．錘式粉碎機(jī)的作用力主要為沖擊力。脹縮式糖蜜連續(xù)稀釋器的工作原理是糖液的流速隨器徑的幾次改變而流速多次改變，促進(jìn)了糖液的均勻混合。8.啤酒廠生產(chǎn)麥芽汁多采用四器組合，四器為糊化鍋、糖化鍋、麥汁過(guò)濾槽、和煮沸鍋糊化鍋的Sxx?-?=＝消耗基質(zhì)的質(zhì)量生成細(xì)胞的質(zhì)量/sY?0VV=作用是加熱煮沸輔助原料，使淀粉液化和糊化。9.管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓直徑小，轉(zhuǎn)速高,一般為15000r/min,分離因數(shù)大,可達(dá)50000,因此分離強(qiáng)度高,可用于液-液分離和微粒較小的懸浮液的澄清。10．膜分離過(guò)程的實(shí)質(zhì)是小分子物質(zhì)透過(guò)膜，而大分子或固體粒子被阻擋。11．液-液萃取設(shè)備應(yīng)包括3個(gè)部分：混合設(shè)備、分離設(shè)備、和溶劑回收設(shè)備。12．蒸發(fā)器主要由__熱交換器__和_____蒸發(fā)室___兩部分組成。13．結(jié)晶設(shè)備應(yīng)有攪拌裝置,使結(jié)晶顆粒保持懸浮于溶液中,并同溶液有一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng),以成薄晶體外部境界膜的厚度,提高溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散速度,加速晶體長(zhǎng)大。14．沸騰造粒干燥過(guò)程中，影響產(chǎn)品顆粒大小的因素有_停留時(shí)間、摩擦作用_______和________干燥溫度____。15在用蒸汽加熱滅菌時(shí)，要保證管道徹底滅菌,管路配置應(yīng)能徹底排除冷凝水，故管路應(yīng)有一定的斜度和裝設(shè)排污閥門(mén)。在滅菌開(kāi)始時(shí)，還必須注意把設(shè)備和管路中存留的空氣充分排盡，否則造成假壓而實(shí)際滅菌溫度達(dá)不到要求。16．標(biāo)出臥式空調(diào)室的部件的名稱:3噴嘴4擋水板:三．問(wèn)答題1.簡(jiǎn)述植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn)以及常用的培養(yǎng)器的類型及優(yōu)缺點(diǎn)。(1)植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn)：細(xì)胞的大小比微生物細(xì)胞大細(xì)胞塊的形狀臥式空調(diào)培養(yǎng)液的黏度隨細(xì)胞濃度的增加而顯著上升需氧量低Kla值比微生物培養(yǎng)的Kla值小得多對(duì)剪切力敏感需CO2和光照(2)光生物反應(yīng)器組合式反應(yīng)器非機(jī)械攪拌反應(yīng)器機(jī)械攪拌反應(yīng)器懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器?????膜反應(yīng)器流化床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器固定化細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器機(jī)械攪拌式反應(yīng)器:混合性能好，傳氧效率高，操作彈性大，可用于細(xì)胞高密度培養(yǎng)；缺點(diǎn)：剪切力大。非機(jī)械攪拌式反應(yīng)器：所產(chǎn)生的剪切力較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有攪拌軸更易保持無(wú)菌。缺點(diǎn):攪拌強(qiáng)度過(guò)低往往使培養(yǎng)物混合不均；過(guò)量的通氣對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)有阻礙作用；過(guò)量的溶氧對(duì)植物細(xì)胞合成次級(jí)代謝產(chǎn)物不利。其主要類型有鼓泡式反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器等氣體攪拌式反應(yīng)器填充床反應(yīng)器：?jiǎn)挝惑w積細(xì)胞較多,由于混合效果不好,常使床內(nèi)氧的傳遞、氣體的排出、溫度和pH的控制較困難；支持物破碎還易使填充床堵塞。流化床：混合效果較好，但流體的切變力和固定化顆粒的碰撞常使支持物顆粒破損，另外，流體力學(xué)復(fù)雜使其放大困難。室膜反應(yīng)器：與凝膠固定化相比，膜反應(yīng)器的操作壓力較低，流體力學(xué)易于控制，易于放大，而且能提供更均勻的環(huán)境條件，同時(shí)還可以進(jìn)行產(chǎn)物分離以解除產(chǎn)物的反饋抑制，但成本較高。2.提高過(guò)濾速度的方法都有那些?(1)發(fā)酵液的預(yù)處理:增大懸浮液中固體粒子的尺寸，除去高價(jià)無(wú)機(jī)離子和雜蛋白質(zhì)，降低液體黏度，實(shí)現(xiàn)有效分離。方法：A.加熱B.凝聚和絮凝C.加入鹽類D.調(diào)節(jié)pHE.加入助濾劑(2)選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾介質(zhì)和操作條件過(guò)濾介質(zhì)除過(guò)濾作用外,還是濾餅的支撐物。盡量采用加壓過(guò)濾,確定濾餅比阻與過(guò)濾壓差的關(guān)系,再與過(guò)濾方程相關(guān)聯(lián),求得最佳操作條件.3.提高物料的干燥速度可以采取哪些措施？生物工業(yè)中常用的干燥設(shè)備有哪些類型？請(qǐng)舉例說(shuō)明。（1）提高物料的干燥速度可以采取以下措施：當(dāng)干燥速率為表面汽化控制時(shí)，提高空氣溫度，降低空氣濕度，改善空氣與物料之間的流動(dòng)和接觸狀況，提高真空室的真空度。當(dāng)干燥速率為內(nèi)部汽化控制時(shí)，減小物料顆粒直徑，提高干燥溫度。（2）生物工業(yè)制品的干燥設(shè)備類型瞬時(shí)快速干燥設(shè)備：滾筒干燥設(shè)備、噴霧干燥設(shè)備、氣流干燥設(shè)備、沸騰干燥設(shè)備低溫干燥設(shè)備：真空干燥設(shè)備、冷凍干燥設(shè)備例如4.影響萃取操作的因素有哪些？（1）萃取劑的選擇萃取劑應(yīng)對(duì)欲分離的產(chǎn)物有較大的溶解度，并有良好的選擇性，這些可用分利因素來(lái)表征。萃取劑選擇除要求萃取能力強(qiáng)以外，在操作方面還要求①萃取劑與萃余液的相互溶解度要小，粘度低，便于兩相分離；②萃取劑易回收，化學(xué)穩(wěn)定性好且價(jià)廉易得。（2）PH范圍PH一方面影響選擇性，另一方面又影響分配系數(shù)，因而影響產(chǎn)物的萃取收得率。通常情況下，酸性產(chǎn)物應(yīng)在酸性萃取到萃取劑中，而堿性雜質(zhì)則成鹽留在水相中，堿性產(chǎn)物因在堿性條件下萃取到萃取劑中。另外，PH還應(yīng)選取咋產(chǎn)物穩(wěn)定的范圍內(nèi)。（3）溫度的確定大多數(shù)生物工業(yè)產(chǎn)品在較高溫度下都不穩(wěn)定，故萃取應(yīng)維持在室溫或較低溫度下進(jìn)行。但低溫下料液粘度高，傳質(zhì)速率慢，故萃取速度低。因此工藝條件允許時(shí)，可適當(dāng)提高萃取溫度，升高溫度有時(shí)對(duì)提高分配系數(shù)有利。（4）鹽析、帶溶劑、去乳化的作用加入鹽析劑如硫酸銨，氯化鈉等可使產(chǎn)物在水中溶解度降低，從而使產(chǎn)物更多地轉(zhuǎn)入溶劑中，另外也能減少萃取劑在水中的溶解度。5.簡(jiǎn)述連續(xù)發(fā)酵有哪些優(yōu)越性，為什么不能用連續(xù)發(fā)酵完全代替間歇式發(fā)酵？?jī)?yōu)越性：連續(xù)發(fā)酵具有培養(yǎng)液濃度和代謝產(chǎn)物含量相對(duì)穩(wěn)定，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有發(fā)酵周期短，設(shè)備利用率和產(chǎn)量高，節(jié)省人力和財(cái)力以及生產(chǎn)管理穩(wěn)定，便與自動(dòng)化生產(chǎn)。原因：由于連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)和生產(chǎn)中遇到了在長(zhǎng)期連續(xù)發(fā)酵過(guò)程中，微生物的突變和雜菌污染問(wèn)題。欲保持長(zhǎng)期的無(wú)菌狀態(tài)，在技術(shù)上有一定的困難。此外，發(fā)酵液在連續(xù)流動(dòng)過(guò)程的不均勻性和絲狀菌在管道中流動(dòng)的困難以及對(duì)微生物動(dòng)態(tài)方面的活動(dòng)規(guī)律還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。目前還不能根據(jù)連續(xù)發(fā)酵的理論完全來(lái)控制和指導(dǎo)生產(chǎn)。6氣升式生物反應(yīng)器的特點(diǎn)。①反應(yīng)溶液分布均勻氣、液、固三相的均勻混合與溶液成分的混合分散良好是生物反應(yīng)器的普遍要求，因其流動(dòng)，混合與停留時(shí)間分布均受影響。②較高的溶氧速率和溶氧效率氣升式反應(yīng)器有較高的氣含率和比氣液接觸面積，因而有較高傳質(zhì)速率和溶氧效率，體積溶氧效率通常比機(jī)械攪拌罐高，KLa可達(dá)20001h,且溶氧功耗相對(duì)低。③剪切力小，對(duì)生物細(xì)胞損傷小由于氣升式反應(yīng)器沒(méi)有機(jī)械攪拌葉輪，故對(duì)細(xì)胞的剪切損傷可減至最低，尤其適合植物細(xì)胞及組織的培養(yǎng)。④傳熱量好通氣發(fā)酵均產(chǎn)生大量發(fā)酵熱,氣升式生物反應(yīng)器可以迅速散出多余的熱，使反應(yīng)器內(nèi)溫度恒定。⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造氣升式反應(yīng)器罐內(nèi)無(wú)機(jī)械攪拌器，故不需安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的攪拌系統(tǒng)，密封也容易保證，故加工制造方面設(shè)備投入低。⑥操作和維修方便因?yàn)闊o(wú)機(jī)械攪拌系統(tǒng)，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，操作方便，特別是不易發(fā)生機(jī)械攪拌軸封容易出現(xiàn)的滲漏染菌問(wèn)題，另外，因無(wú)機(jī)械攪拌熱產(chǎn)生，故發(fā)酵總熱量低，換熱冷卻和溫控有保證。7.簡(jiǎn)述過(guò)濾的除菌機(jī)制。①慣性沖擊滯留機(jī)理②攔截滯留作用機(jī)理③布朗擴(kuò)散作用機(jī)理④重力沉降作用機(jī)理⑤靜電吸附作用機(jī)理8.為什么說(shuō)“生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)對(duì)生物反應(yīng)器的產(chǎn)品質(zhì)量，收率和能耗起到關(guān)鍵作用？p1與化學(xué)反應(yīng)器不同點(diǎn)是生物反應(yīng)都以“自催化”方式進(jìn)行，即在目的產(chǎn)物生成過(guò)程中生物自身要生長(zhǎng)繁殖，要以生物體為中心，除了考慮反應(yīng)器的傳質(zhì)、傳熱等性能以外，還需要選擇適宜的生物催化劑，這包括了解產(chǎn)物在生物反應(yīng)的那一階段大量生成、適宜的PH和溫度，是否好養(yǎng)和易受雜菌等；生物體是活體，生長(zhǎng)過(guò)程可能受到剪切力影響，也可能發(fā)生凝聚成為顆粒，或因自身產(chǎn)期產(chǎn)氣或手痛其影響而漂浮于液面；材料的選擇能確保無(wú)菌操作的設(shè)計(jì)；檢測(cè)與控制配置的可能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等?？傊锓磻?yīng)器的設(shè)計(jì)原理是基于強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱等操作，將生物體活性控制在最佳條件，降低總的操作費(fèi)用。9.簡(jiǎn)述植物細(xì)胞培養(yǎng)的特點(diǎn)以及常用的培養(yǎng)器的類型及優(yōu)缺點(diǎn)。P101~105Ⅰ特點(diǎn)：⑴細(xì)胞比微生物細(xì)胞答⑵細(xì)胞聚集成細(xì)塊⑶隨著細(xì)胞濃度的增加黏度顯著上升解答一：Ⅱ類型⑴懸浮培養(yǎng)生物反應(yīng)器：①機(jī)械攪拌反應(yīng)器：優(yōu)點(diǎn)：能獲得較高的a；缺點(diǎn)：由于大多數(shù)植物細(xì)胞并不需要太高的溶氧系數(shù)，而在較低的a值時(shí)機(jī)械攪拌式反應(yīng)器單位體積消耗的功率比非機(jī)械攪拌反應(yīng)器高；②非機(jī)械攪拌式反應(yīng)器：Ⅰ優(yōu)點(diǎn)（簡(jiǎn)化）a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，b.傳氧效率高，c.切變力低Ⅱ優(yōu)點(diǎn)（精細(xì)）a.適應(yīng)植物細(xì)胞培養(yǎng)周期長(zhǎng)，培養(yǎng)液隨著進(jìn)程而蒸發(fā)減少的生物反應(yīng)過(guò)程；b.可抑制氣泡的聚合，減弱氣泡在液面破裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊力對(duì)細(xì)胞的損傷；c.可提高降液氣含率，消除降液缺氧現(xiàn)象，并強(qiáng)化混合與氧傳遞，大大降低反應(yīng)器高度，d.更易保持無(wú)菌；缺點(diǎn)：a.因攪拌強(qiáng)度較低而使培養(yǎng)物混合不均，b.過(guò)高的溶氧度對(duì)植物細(xì)胞合成次級(jí)代謝產(chǎn)物不利⑵固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器：①填充床反應(yīng)器：優(yōu)點(diǎn)a.支持顆粒堆疊成床b.改善了細(xì)胞間的接觸和互相作用；缺點(diǎn)由于混合效果不好常使床內(nèi)氧的傳遞、氣體的排出、溫度和pH的控制較困難②流化床反應(yīng)器：優(yōu)點(diǎn)支持物顆粒處于懸浮狀態(tài)，混合效果好；缺點(diǎn)a.流體的切變力和固定化顆粒的碰撞常使支持無(wú)顆粒破損b.放大困難；③膜反應(yīng)器：優(yōu)點(diǎn)a.易于控制，易于放大b.提供更均勻的環(huán)境條件c.可進(jìn)行產(chǎn)物分離和反饋抑制；缺點(diǎn)成本較高10.為什么通氣機(jī)械攪拌罐一直是工發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用最普遍的反應(yīng)器形式？通氣機(jī)械攪拌罐主要有哪些主要缺點(diǎn)因?yàn)橥鈾C(jī)械攪拌罐具有良好的傳質(zhì)和傳熱性能，結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，防雜菌污染，培養(yǎng)基流動(dòng)與混合良好，配套的檢測(cè)與控制，設(shè)備簡(jiǎn)單，方便維護(hù)和檢修以及能耗低等特點(diǎn)從而顯示出高生產(chǎn)效率，高經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：軸向混合差、其攪拌強(qiáng)度隨著與攪拌軸距離增大而減弱、發(fā)酵液粘稠時(shí)、攪拌與混合的效果大大下降。11.固定化細(xì)胞反應(yīng)器具有生產(chǎn)能力高，細(xì)胞可反復(fù)利用等顯著特點(diǎn)，但至今生物加工生產(chǎn)上實(shí)際應(yīng)用卻不多，試說(shuō)明原因。四．計(jì)算題：1、某廠10m3機(jī)械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑D=1.8m，一只圓盤(pán)六箭葉渦輪攪拌器直徑D=0.6m，罐內(nèi)裝有四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板，裝液量VL為6m3，攪拌轉(zhuǎn)速ω=150rpm，通氣強(qiáng)度為1.0VVm，醪液粘度μ=2.25×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3,求軸功率Pg和Kd。（已知在充分湍流狀態(tài)時(shí)，圓盤(pán)箭葉渦輪攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)NP=3.7，μρωLieDR2=，Pg≈0.577P0，()()7.056.0/3.336.2ωsLgdvVPnK+=910-?）。解：先求攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)：()108.401025.21020)6.0(60/150322?=??==-μρωLieDR4故發(fā)酵系統(tǒng)屬充分湍流，功率系數(shù)NP=3.7。故兩組葉輪的不通氣時(shí)攪拌功率為：KW)(4.586W)(45866.010********.353530==????????==iLPDNpρω通氣攪拌功率為:Pg≈0.577P0=2.647KW空截面氣速為:(cm/min)9.235min/359.28.14162==???????=mvsπ從而可算出溶氧系數(shù)：()()()()67.07.056.097.07.056.01047.51509.2356/647.23.336.210/3.336.2--?=+=?+=ωsLgdvVPnK2．某丙酮丁醇廠需新建100M3丙酮丁醇發(fā)酵罐,已計(jì)算出主發(fā)酵期生物合成熱Q1=4×105kj/h,蒸發(fā)熱損失Q2為Q1的5%,查有關(guān)資料可知罐向周圍環(huán)境散失的熱損失Q3=1.2×104kj/h,醪液的比重為ρ=1.082×103kg/M3，發(fā)酵溫度為30℃，冷卻水進(jìn)口溫度為20℃，出水溫度為25℃，冷卻水的平均比熱Cp=4.186kj/(kg.℃),罐內(nèi)采用蛇管冷卻,冷卻蛇管為水煤管,其規(guī)格為53/60(mm),壁厚3.5mm，其導(dǎo)熱系數(shù)λ=188kj/(M.h.℃),根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可取傳熱系數(shù)α1和α2分別為2700kj/(M2.h.℃)和1.45×104kj/(M2.h.℃),另外管壁水垢層的熱阻取1/16750M2.h.℃/kj,試求發(fā)酵罐冷卻面積、蛇管總長(zhǎng)度和冷卻水耗量。解:總的熱量Q=4×105-5%×4×105-1.2×104=3.68×105(kJ/h)冷卻水耗量W=QCttp()21-=36810418625205..()??-=17600(kg/h)對(duì)數(shù)平均溫度差Δtm=()().lgttttttttFFFF-----12122303=7.2(℃)K=11111675012ααλ+++S=11270011450000035188116750+++.=1931kJ