生物工程設備期末復習題VIP

生物工程設備期末復習題生物工程設備期末復習題一、名詞解釋1、菌體的率YX/S對基質的細胞得率Yx/s2、半連續(xù)式操作又稱反復分批式培養(yǎng)或換液培養(yǎng)，是指在分批式操作的基礎上，不全部取出反應系剩余部分重新補新的營養(yǎng)成分，再按分批式操作的方式進行培養(yǎng)，這是反應器內培養(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—進入發(fā)酵罐的發(fā)酵液量（m3）ψ—裝液系數(shù)7、實罐滅菌將培養(yǎng)基置于發(fā)酵罐中用蒸汽加熱，達到預定滅菌溫度后，維持一定時間，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、帶式輸運機利用一根封閉的環(huán)形皮帶，繞在相距一定距離的2個鼓輪上，皮帶由主動輪帶動運行，物料在帶上靠摩擦力隨帶前進，到另一端卸料。由皮帶、托輥、鼓輪、傳動裝置、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過程的放大，就是指以實驗或中式反應設備所取得的數(shù)據(jù)為依據(jù)，設計制造大規(guī)模的反應系統(tǒng)，確定相應的工藝條件，以進行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。二.填空1.某機械攪拌發(fā)酵罐內發(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)傳質理論,計算此類發(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)酵液的對流主要是依靠其中CO2的作用,另外冷卻操作時啤酒溫度的變化也會引起罐的內容物的對流循環(huán)4.CIP清洗系統(tǒng)是CleanInPlace的簡稱,即內部清洗系統(tǒng)（在位清洗）,進行大罐清洗工作的關鍵設備是噴射洗滌裝置。5．懸浮培養(yǎng)適用于非貼壁依賴型細胞，貼壁培養(yǎng)適用于貼壁依賴型細胞。除此之外還有一種固定化（包埋）培養(yǎng)對兩類細胞都適用。6.酒精廠以玉米糧食為原料的生產(chǎn)中需要粗選機、除鐵器等設備對原料進行預處理。7．錘式粉碎機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、麥汁過濾槽、和煮沸鍋糊化鍋的Sxx?-?=＝消耗基質的質量生成細胞的質量/sY?0VV=作用是加熱煮沸輔助原料，使淀粉液化和糊化。9.管式離心機轉鼓直徑小，轉速高,一般為15000r/min,分離因數(shù)大,可達50000,因此分離強度高,可用于液-液分離和微粒較小的懸浮液的澄清。10．膜分離過程的實質是小分子物質透過膜，而大分子或固體粒子被阻擋。11．液-液萃取設備應包括3個部分：混合設備、分離設備、和溶劑回收設備。12．蒸發(fā)器主要由__熱交換器__和_____蒸發(fā)室___兩部分組成。13．結晶設備應有攪拌裝置,使結晶顆粒保持懸浮于溶液中,并同溶液有一個相對運動,以成薄晶體外部境界膜的厚度,提高溶質質點的擴散速度,加速晶體長大。14．沸騰造粒干燥過程中，影響產(chǎn)品顆粒大小的因素有_停留時間、摩擦作用_______和________干燥溫度____。15在用蒸汽加熱滅菌時，要保證管道徹底滅菌,管路配置應能徹底排除冷凝水，故管路應有一定的斜度和裝設排污閥門。在滅菌開始時，還必須注意把設備和管路中存留的空氣充分排盡，否則造成假壓而實際滅菌溫度達不到要求。16．標出臥式空調室的部件的名稱:3噴嘴4擋水板:三．問答題1.簡述植物細胞培養(yǎng)的特點以及常用的培養(yǎng)器的類型及優(yōu)缺點。(1)植物細胞培養(yǎng)的特點：細胞的大小比微生物細胞大細胞塊的形狀臥式空調培養(yǎng)液的黏度隨細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值小得多對剪切力敏感需CO2和光照(2)光生物反應器組合式反應器非機械攪拌反應器機械攪拌反應器懸浮培養(yǎng)反應器?????膜反應器流化床反應器填充床反應器固定化細胞培養(yǎng)反應器機械攪拌式反應器:混合性能好，傳氧效率高，操作彈性大，可用于細胞高密度培養(yǎng)；缺點：剪切力大。非機械攪拌式反應器：所產(chǎn)生的剪切力較小，結構簡單，沒有攪拌軸更易保持無菌。缺點:攪拌強度過低往往使培養(yǎng)物混合不均；過量的通氣對細胞生長有阻礙作用；過量的溶氧對植物細胞合成次級代謝產(chǎn)物不利。其主要類型有鼓泡式反應器、氣升式反應器等氣體攪拌式反應器填充床反應器：單位體積細胞較多,由于混合效果不好,常使床內氧的傳遞、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，流體力學復雜使其放大困難。室膜反應器：與凝膠固定化相比，膜反應器的操作壓力較低，流體力學易于控制，易于放大，而且能提供更均勻的環(huán)境條件，同時還可以進行產(chǎn)物分離以解除產(chǎn)物的反饋抑制，但成本較高。2.提高過濾速度的方法都有那些?(1)發(fā)酵液的預處理:增大懸浮液中固體粒子的尺寸，除去高價無機離子和雜蛋白質，降低液體黏度，實現(xiàn)有效分離。方法：A.加熱B.凝聚和絮凝C.加入鹽類D.調節(jié)pHE.加入助濾劑(2)選擇適當?shù)倪^濾介質和操作條件過濾介質除過濾作用外,還是濾餅的支撐物。盡量采用加壓過濾,確定濾餅比阻與過濾壓差的關系,再與過濾方程相關聯(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)中常用的干燥設備有哪些類型？請舉例說明。（1）提高物料的干燥速度可以采取以下措施：當干燥速率為表面汽化控制時，提高空氣溫度，降低空氣濕度，改善空氣與物料之間的流動和接觸狀況，提高真空室的真空度。當干燥速率為內部汽化控制時，減小物料顆粒直徑，提高干燥溫度。（2）生物工業(yè)制品的干燥設備類型瞬時快速干燥設備：滾筒干燥設備、噴霧干燥設備、氣流干燥設備、沸騰干燥設備低溫干燥設備：真空干燥設備、冷凍干燥設備例如4.影響萃取操作的因素有哪些？（1）萃取劑的選擇萃取劑應對欲分離的產(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表征。萃取劑選擇除要求萃取能力強以外，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，化學穩(wěn)定性好且價廉易得。（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)物應在酸性萃取到萃取劑中，而堿性雜質則成鹽留在水相中，堿性產(chǎn)物因在堿性條件下萃取到萃取劑中。另外，PH還應選取咋產(chǎn)物穩(wěn)定的范圍內。（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，故萃取應維持在室溫或較低溫度下進行。但低溫下料液粘度高，傳質速率慢，故萃取速度低。因此工藝條件允許時，可適當提高萃取溫度，升高溫度有時對提高分配系數(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)物更多地轉入溶劑中，另外也能減少萃取劑在水中的溶解度。5.簡述連續(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？優(yōu)越性：連續(xù)發(fā)酵具有培養(yǎng)液濃度和代謝產(chǎn)物含量相對穩(wěn)定，從而保證產(chǎn)品質量和產(chǎn)量穩(wěn)定的優(yōu)點，同時又具有發(fā)酵周期短，設備利用率和產(chǎn)量高，節(jié)省人力和財力以及生產(chǎn)管理穩(wěn)定，便與自動化生產(chǎn)。原因：由于連續(xù)發(fā)酵試驗和生產(chǎn)中遇到了在長期連續(xù)發(fā)酵過程中，微生物的突變和雜菌污染問題。欲保持長期的無菌狀態(tài)，在技術上有一定的困難。此外，發(fā)酵液在連續(xù)流動過程的不均勻性和絲狀菌在管道中流動的困難以及對微生物動態(tài)方面的活動規(guī)律還缺乏足夠的認識。目前還不能根據(jù)連續(xù)發(fā)酵的理論完全來控制和指導生產(chǎn)。6氣升式生物反應器的特點。①反應溶液分布均勻氣、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器的普遍要求，因其流動，混合與停留時間分布均受影響。②較高的溶氧速率和溶氧效率氣升式反應器有較高的氣含率和比氣液接觸面積，因而有較高傳質速率和溶氧效率，體積溶氧效率通常比機械攪拌罐高，KLa可達20001h,且溶氧功耗相對低。③剪切力小，對生物細胞損傷小由于氣升式反應器沒有機械攪拌葉輪，故對細胞的剪切損傷可減至最低，尤其適合植物細胞及組織的培養(yǎng)。④傳熱量好通氣發(fā)酵均產(chǎn)生大量發(fā)酵熱,氣升式生物反應器可以迅速散出多余的熱，使反應器內溫度恒定。⑤結構簡單，易于加工制造氣升式反應器罐內無機械攪拌器，故不需安裝結構復雜的攪拌系統(tǒng)，密封也容易保證，故加工制造方面設備投入低。⑥操作和維修方便因為無機械攪拌系統(tǒng)，故結構簡單，能耗低，操作方便，特別是不易發(fā)生機械攪拌軸封容易出現(xiàn)的滲漏染菌問題，另外，因無機械攪拌熱產(chǎn)生，故發(fā)酵總熱量低，換熱冷卻和溫控有保證。7.簡述過濾的除菌機制。①慣性沖擊滯留機理②攔截滯留作用機理③布朗擴散作用機理④重力沉降作用機理⑤靜電吸附作用機理8.為什么說“生物反應器的結構對生物反應器的產(chǎn)品質量，收率和能耗起到關鍵作用？p1與化學反應器不同點是生物反應都以“自催化”方式進行，即在目的產(chǎn)物生成過程中生物自身要生長繁殖，要以生物體為中心，除了考慮反應器的傳質、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，生長過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菌操作的設計；檢測與控制配置的可能性、安全性、經(jīng)濟性等。總之，生物反應器的設計原理是基于強化傳質、傳熱等操作，將生物體活性控制在最佳條件，降低總的操作費用。9.簡述植物細胞培養(yǎng)的特點以及常用的培養(yǎng)器的類型及優(yōu)缺點。P101~105Ⅰ特點：⑴細胞比微生物細胞答⑵細胞聚集成細塊⑶隨著細胞濃度的增加黏度顯著上升解答一：Ⅱ類型⑴懸浮培養(yǎng)生物反應器：①機械攪拌反應器：優(yōu)點：能獲得較高的a；缺點：由于大多數(shù)植物細胞并不需要太高的溶氧系數(shù)，而在較低的a值時機械攪拌式反應器單位體積消耗的功率比非機械攪拌反應器高；②非機械攪拌式反應器：Ⅰ優(yōu)點（簡化）a.結構簡單，b.傳氧效率高，c.切變力低Ⅱ優(yōu)點（精細）a.適應植物細胞培養(yǎng)周期長，培養(yǎng)液隨著進程而蒸發(fā)減少的生物反應過程；b.可抑制氣泡的聚合，減弱氣泡在液面破裂時產(chǎn)生的沖擊力對細胞的損傷；c.可提高降液氣含率，消除降液缺氧現(xiàn)象，并強化混合與氧傳遞，大大降低反應器高度，d.更易保持無菌；缺點：a.因攪拌強度較低而使培養(yǎng)物混合不均，b.過高的溶氧度對植物細胞合成次級代謝產(chǎn)物不利⑵固定化細胞生物反應器：①填充床反應器：優(yōu)點a.支持顆粒堆疊成床b.改善了細胞間的接觸和互相作用；缺點由于混合效果不好常使床內氧的傳遞、氣體的排出、溫度和pH的控制較困難②流化床反應器：優(yōu)點支持物顆粒處于懸浮狀態(tài)，混合效果好；缺點a.流體的切變力和固定化顆粒的碰撞常使支持無顆粒破損b.放大困難；③膜反應器：優(yōu)點a.易于控制，易于放大b.提供更均勻的環(huán)境條件c.可進行產(chǎn)物分離和反饋抑制；缺點成本較高10.為什么通氣機械攪拌罐一直是工發(fā)酵工業(yè)應用最普遍的反應器形式？通氣機械攪拌罐主要有哪些主要缺點因為通氣機械攪拌罐具有良好的傳質和傳熱性能，結構嚴密，防雜菌污染，培養(yǎng)基流動與混合良好，配套的檢測與控制，設備簡單，方便維護和檢修以及能耗低等特點從而顯示出高生產(chǎn)效率，高經(jīng)濟效益的優(yōu)點。缺點：軸向混合差、其攪拌強度隨著與攪拌軸距離增大而減弱、發(fā)酵液粘稠時、攪拌與混合的效果大大下降。11.固定化細胞反應器具有生產(chǎn)能力高，細胞可反復利用等顯著特點，但至今生物加工生產(chǎn)上實際應用卻不多，試說明原因。四．計算題：1、某廠10m3機械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑D=1.8m，一只圓盤六箭葉渦輪攪拌器直徑D=0.6m，罐內裝有四塊標準擋板，裝液量VL為6m3，攪拌轉速ω=150rpm，通氣強度為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，圓盤箭葉渦輪攪拌器的功率準數(shù)NP=3.7，μρωLieDR2=，Pg≈0.577P0，()()7.056.0/3.336.2ωsLgdvVPnK+=910-?）。解：先求攪拌雷諾準數(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，其導熱系數(shù)λ=188kj/(M.h.℃),根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗數(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)對數(shù)平均溫度差Δtm=()().lgttttttttFFFF-----12122303=7.2(℃)K=11111675012ααλ+++S=11270011450000035188116750+++.=1931kJ