(生物科技行业类)河南工业大学生物工程设备习题集

问答题: (每题7分)1.叙述喷射自吸式发酵罐的工作原理。

答: 喷射自吸式发酵罐的工作原理是用泵将发酵液送入文氏管中,由于文氏管的收缩段中流速增加,即动压力增加,静压力减小,形成负压,将无菌空气吸入,并被高速流动的液体打碎、分散,与液体均匀混合,提高发酵液中的溶解氧，这是溶氧阶段。

当发酵液从上升管进入发酵罐后，微生物耗氧，同时发酵液向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时，发酵液又从发酵罐底部被泵打入上升管，开始下一个循环。

2.酒精发酵罐由于操作失误就可能造成罐内真空甚至被吸瘪，叙述造成上述事故的原因，以及预防和修复(被吸瘪)的方法。

答：酒精发酵罐出现真空主要是发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗时造成的。

由于大型发酵罐在工作完毕后放料的速度很快，有可能造成一定的负压。

另外，即便罐内留存一部分CO2气体，在进行清洗时，由于清洗溶液中含有碱性物质，与CO2进行中和反应，除去了CO2也可能使罐内形成真空。

如果不即时进气，在外界压力作用下发酵罐就会被压瘪。

所以大型发酵罐应设防止真空装置，在罐顶安装一个真空安全阀。

真空安全阀的作用是当罐内出现真空时，阀门开启，允许空气进入罐内，以建立罐内外压力的平衡。

如果出现上述事故（发酵罐被吸瘪），可以用高压水涨法使其复圆。

3.圆筒锥底啤酒发酵罐上为什么要安装真空安全阀?祥细解释它的作用。

答：筒锥底啤酒发酵罐出现真空主要是发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗时造成的。

由于大型发酵罐在工作完毕后放料的速度很快，有可能造成一定的负压。

另外，即便罐内留存一部分CO2气体,在进行清洗时,由于清洗溶液中含有碱性物质,与CO2进行中和反应,除去了CO2也可能使罐内形成真空。

所以大型发酵罐应设防止真空装置。

真空安全阀的作用是当罐内出现真空时，阀门开启，允许空气进入罐内，以建立罐内外压力的平衡。

4.叙述空气带升式(气升式)发酵罐的工作原理。

答：以外循环为例来说明空气带升式(气升式)发酵罐的工作原理。

在罐外装设上升管，与发酵罐构成一个循环系统，在上升管的下部有空气喷嘴，空气以250~300米/秒的高速度喷入上升管，借喷嘴的作用而使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。

由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复循环，在上升管提供微生物所需要的溶解氧，使发酵正常进行。

5.叙述喷射液化器的工作原理，它适用于哪些地方(工序)。

答：喷射液化器主要由喷嘴、吸入室、扩大管和调节手轮组成。

当带有压力的物料以高速进入喷射液化器经过其内部的喷嘴时，它的动能增大，静压能变小，造成吸入室内出现负压，将蒸汽吸入，并在吸入室内与物料接触，高速流向扩大管，物料与蒸汽在扩散管的喉部充分混合，物料被蒸汽加热，在瞬时将物料加热到所需的温度（80～105℃）。

在扩散段内由于管径逐渐增大，物料流速逐渐降低，动能又转化为静压能，压力随之升高，从出口排出。

喷射加热器适用于对物料进行连续液化，如在味精厂、制药厂等的糖化工段(工序)等。

6.叙述喷射加热器的工作原理,它适用于哪些地方(工序)。

答：喷射加热器主要由喷嘴、吸入室和扩大管组成。

当物料以高速经过喷嘴时,它的动能增大，静压能变小，造成吸入室内出现负压，将蒸汽吸入室内，物料与蒸汽在扩散管的喉部充分混合,物料被加热，在扩散段内速度逐渐降低，压力随之升高，动能又转化为静压能，从出口排出。

喷射加热器适用于连续加热物料的地方(工序),如连续灭菌等。

7.叙述自吸式发酵罐的工作原理。

答: 自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器(转子)和导轮(定子),空气管与定子相连接,在转子启动前,先用液体将转子浸没,然后启动马达使转子转动,由于转子高速旋转,液体或空气在离心力的作用下,被甩向叶轮外缘,在这个过程中,流体便获得能量,若转子的转速愈快,旋转的线速度也愈大,则流体的动能也愈大,流体离开转子时,由动能转变为压力能也愈大,排出的风量也越大。

当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子的转速愈大，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过定子而使气液均匀分布甩出。

由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流（湍流），使刚刚离开叶轮的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅拌和充气两个作用。

8.叙述溢流喷射自吸式发酵罐的工作原理。

答: 溢流喷射自吸式发酵罐的工作原理是用泵将发酵液从发酵罐的底部提升到罐顶的溢流口，液体由于自重通过溢流管向发酵罐跌落，形成抛射流，由于液体表面层作用，使靠近流体表面的无菌空气气体边界层具有一定的速率，从而形成气体的流动和自吸作用，并被高速流动的液体打碎、分散,与液体均匀混合,使氧溶解在发酵液中的，这是溶氧阶段。

发酵液进入发酵罐后，微生物耗氧，同时将代谢产生的二氧化碳和其它气体不断地从发酵液中分离并排出，发酵液的比重变大向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时，发酵液又从发酵罐底部被泵打入循环管，开始下一个循环。

9.通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器为什么要安一个圆盘?答：通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快，走短路，传质效果差。

而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻挡，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。

10.什么是轴封？机械轴封与填料函轴封相比有什么优缺点？答：轴封是安装在旋转轴与设备之间的部件，它的作用是阻止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏。

机械轴封与填料函轴封相比优点是:a. 密封可靠，在一个较长的使用期中不会泄漏或很少泄漏。

清洁，无死角，可以防止杂菌污染。

b. 使用寿命长，正确选择摩擦副和比压的机械密封可使用２～５年，最长有用到９年。

c. 维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修。

d. 轴或轴套不受磨损。

e. 摩擦功率耗损少，一般约为填料函密封的10～50％f. 机械轴封对轴的精度和光洁度没有填料函要求那么严格，对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感，对轴的震动敏感性小。

g.适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各种转速以及各种腐蚀性、磨蚀性、易燃、易爆、有毒介质的密封。

其缺点是：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。

11. 发酵罐实罐灭菌为什么要“三路进汽”? 实罐灭菌的进汽和排气原则是什么?答： 所谓发酵罐实罐灭菌的“三路进汽”就是在对培养基灭菌时，让蒸汽从空气进口、排料口、取样口进入罐内，使培养基均匀翻腾，达到培养基灭菌之目的。

这是因为这三个管都是插入到发酵醪中，若不进蒸汽就会形成灭菌死角。

实罐灭菌的进汽和排气原则是“非进即出”，就是说所有进入发酵罐的管道在灭菌过程中如果不进入蒸汽就一定要进行排气，使所有管道都被蒸汽（或二次蒸汽）通过，得以灭菌。

不能有既不进汽也不排汽的管道（死角）存在。

12. 在培养基的灭菌过程中是否能做到绝对无菌？为什么？发酵生产中对培养基的灭菌的无菌程度是多少？答:若要求灭菌后绝对无菌，即Ns=0，从上面公式可以看得出灭菌时间将等于无穷大，这对生产来说是不可能，所以培养基灭菌后，在培养液中必然还产残留一定的活菌。

工程上通常以Ns=10-3个/罐来进行计算，即杂菌污染降低到被处理的每1000罐中只残留一个活菌的程度，这就可以满足生产的要求了。

13. 什么是离心分离机?叙述离心分离机分离两种不同重度液体的原理。

答: 藉离心沉降速度的不同将轻重不同或互不溶解的两种液体分开的离心机称作离心分离机。

离心分离机机的转鼓内有数十只(50-80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5-1.2mm)叠置起来组成碟片组，每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有几个对称分布的圆孔许多这样的碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。

两种不同重度液体的混合液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转，由于两种不同重度液体的离心沉降速度的不同，重液的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，轻液的离心沉降速度小，则向轴线流动。

这样，两种不同重度液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。

14. 在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用什么离心机?叙述该机分离酵母的原理。

sN N log k 12.303τ答: 在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用离心澄清机。

离心澄清机的转鼓内有数十只(50~80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5~1.2mm)叠置起来组成碟片组。

含有酵母的发酵醪液进入离心澄清机后，从碟片组外缘进入各相邻碟片间的薄层隙道，这时发酵醪也被带着高速旋转，由于固体和液体的离心沉降速度的不同，在碟片间的隙道中被分开，固体(酵母)的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，液体的离心沉降速度小，则向轴线流动。

这样，酵母和液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。

15.在工厂中要将奶油(酯)从新鲜牛奶中分离出来应该选用什么离心机?叙述该机分离奶油的原理。

答: 在工厂中要将奶油(酯)从新鲜牛奶中分离出来应该选用离心分离机，它能藉离心沉降速度的不同将互不溶解的两种液体分开。

离心澄清机的转鼓内有数十只(50-80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5-1.2mm)叠置起来组成碟片组，每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有几个对称分布的圆孔许多这样的碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。

两种互不溶解的混合液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转，由于互不溶解的两种液体重度不同，离心沉降速度也不同，重液（奶）的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，轻液（酯）的离心沉降速度小，则向轴线流动。

这样，奶油(酯)和奶就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。

16.以超滤或反渗透为例讲述膜分离原理。

答：以反渗透为例讲述膜分离原理如下：假设有一个仅能透过溶剂而不能透过溶质的半透膜，将纯溶剂（比如纯水）和浓溶液分别置于膜两侧，因施加在溶液上方的压力不同，表现出三种情况如下图所示。

无外界压力作用时，由于纯溶剂（水）的化学位 U1大于溶液中溶剂的化学位U2，引起纯溶剂（水）透过膜向溶液侧迁移，这就是渗透，如图A。

对溶液施加压力，提高其化学位，就降低了膜两侧溶剂的化学位差，从而降低了纯溶剂向溶液渗透的透过速率。

当施加在溶液上的压力恰好使溶剂的化学位与纯溶剂（纯水）的化学位相等，于是系统达到渗透平衡，此时溶液承受的压力称为渗透压Δπ，如图B。