生物工程设备作业题总结

1.在工业化生产中，发现溶氧速率偏低，造成产品质量降低，试问有哪些方法可以提升溶氧速率，进而提升产品的质量？

答1 增加搅拌转速；2 增加通气量；3 通入纯氧；4 增加罐压力；5 加入促进氧气溶解的试剂6 减少装液量或减少发酵罐体积

2.试解释为什么生物反应器体积增加，传质效率降低？

答：生物反应器的传质效率主要用T f对流传递时间常数，值等于L/V；T d 为扩散传递时间常数L/k2；T C 等于基质消耗时间常数。随着生物反应器的增加，T f 和T d急剧增加，因为L 增加。T C值不随体积增加而改变，这就造成营养物质供应速率随体积增加而急剧减小，营养物质消耗速率不变，结果是物质供应相对于营养需求不足，总的表象就是传质性能差，所以要求大幅度提升传质性能，强化传质。

3.气升式生物反应器是如何强化传质的？

答 1 高茎比较大，增加气体溶解效率，同时减少对径向传质的需求。2 底部较大的通气量，强化轴向传质

4.气升式生物反应器的优缺点是什么？

答：优点：1 反应溶液分布均匀；2 较高的溶氧速率和溶氧效率 3 剪切力小，对生物细胞的损伤小4 传热良好；5 结构简单，易于加工制造；6 操作和维修方便。

缺点：1空气吞吐量大2有机体、营养物质、溶氧混合控制难度高3 不适于颗粒和粘度大的培养基

1 某个企业从高校研究室购买一株亚油酸高产菌株，在20 L发酵罐内验收的指标都达到企业购买合同中对菌株实验室的性能要求，企业在合同中没有涉及工业化生产的要求，企业在工业化生产时发现，在20 m3发酵罐中的产量远低于实验室水平，企业以菌株不合格为由，把高校诉讼到法院，你认为谁会胜诉，说明原因。

答企业败诉，因为合同仅仅要求实验室规模的产品质量，对工业化生产产品的质量没有要求。实验室规模产品质量与工业化生产产品质量有很大的可能性存在巨大差异。因为，随着发酵体积增加，对流传递时间常数和扩散传递时间急剧增加，而基质消耗时间不变，所以工业化生产往往存在溶氧工业不足或营养物质供应不足，温度或酸度控制不均匀或不灵敏的问题，这就造成产品质量或产量急剧下降。

2 画出气升式发酵罐结构简图（元件包括，罐体，进气口，出气口，导流筒），并说明气升式发酵罐如何强化传质。

3 酒精发酵罐的结构简图（元件包括，进料口，排料口，排气口，蛇管，冷却水收集槽，喷淋清洗管）

4 画出锥形啤酒发酵罐的结构简图（元件包括，罐体，进料口，排气口，冷却系统），并说明为什么体积大于

5 m3,仍然用夹套冷却？

答: 因为啤酒发酵是低温发酵，微生物的代谢缓慢，产生的生物热少，因此发酵热少，需要降温的比面积较小，所以可以用换热比面积较小的加套式控温方式，而且夹套控温具有易于清洗，加工简单等优点。

5简述两种自吸式发酵罐的工作原理。

1 画出流化床反应器简图（元件：反应器上下隔板，冷却加套，空气进口，料液进口）

2画出Cell-lift 生物反应器的简图（元件包括，进气口，排气口，气体环状分布器，环状气腔），并说明其是如何强化传质和减少剪切力的？

答：通过特俗设计的搅拌桨的搅拌强化液体流动，强化传质；同时通过环状空气分布器，强化气体溶解。通过环状气腔把气体出口与细胞隔离，降低气体溶解时对动物细胞的剪切力。

同时管状的搅拌桨，降低搅拌剪切力。

3 说明管式离心机和碟片式离心机的基本结构和工作原理。

答：管式离心机通过转筒的旋转，带动转筒内液体高速旋转，从而产生离心力，在离心力的作用下，密度大的液体或固体优先向转筒壁运动，密度小的液体被挤压向中央。

碟片式离心机高速旋转的碟片带动碟片夹层中的液体高速旋转，在离心力的作用下，密度大的液体或固体向碟片夹层顶端运动，密度小的被挤压向离心机的中心通道流出，由于碟片夹层上下碟片距离小，因而密度大的液体或固体到达碟片所需要的时间短，从而大大提高分离效率。

4 画出板框式过滤机的结构简图（元件：过滤框，过滤板，洗涤板，滤布）

1机械搅拌通风发酵罐的基本元件及其功能？

①圆柱形罐身，罐底和罐顶。三部分构成一个密闭的空间。②电机提供搅拌的动力③轴传动装置④轴承（小罐没有）固定轴承⑤搅拌叶轮打碎气泡，驱使发酵液径向和轴向流动⑥挡板增加液体的湍流程度⑦夹套蛇管温度控制⑧轴封密闭发酵罐，防止染菌⑨加料口出料口添加和排放醪液⑩气体进口或空气分布器气体进入发酵罐○11人孔检修和维护的进出口○

1②视镜观察口○1③取样口取样检验○

1④保温层绝热保温○

1⑤检测元件温度计压力表 pH计

2气升式发酵罐的基本元件及其功能？

①圆柱形罐身，罐底和罐顶。三部分构成一个密闭的空间。②进气管道气体进入发酵罐的通道③空气出口气体排放的出口④导流筒导流筒与罐壁把液体分为两部分，促进液体的上下流动⑤人孔检修和维护的进出口⑥视镜观察口⑦取样口取样检验⑧保温层绝热保温⑨检测元件温度计压力表pH计

3自吸式发酵罐的基本元件及其功能？

①圆柱形罐身，罐底和罐顶。三部分构成一个密闭的空间。②人孔检修和维护的进出口③视镜观察口④取样口取样检验⑤保温层绝热保温⑥检测元件温度计压力表pH计

文氏管自吸式发酵罐1 泵驱动液体高速流动②文氏管进气通道和气液混合装置

溢流自吸式发酵罐1 泵驱动液体从管道中自下而上流动②溢流口吸入气体

喷射自吸式发酵罐1 电机驱动元件②轴传动装置

③叶轮高速旋转产生负压，增加湍流程度促进气体溶解④导气管空气进入通道

④比较动物细胞生物反应器、机械搅拌式、气升式、自吸式发酵罐的结构差异？

①温度控制元件差异动物细胞反应器要求温度控制更加精确，为精确控温，体积比其它类型的发酵罐小，单位体积的换热面积大。其它类型的发酵罐通过加装蛇管或外置的换热装置进行有效的温度控制。

②通气方式差异动物细胞培养的生物反应器通气有三种方式：硅胶管扩散的方式通气；通过丝网阻隔，形成气腔空间，空气首先通入气腔内，避免对动物细胞造成较大剪切力；丝状纤维管通气，气体以扩散的方式进入罐内

机械搅拌通风发酵罐气体直接通过进气口或空气分布器进入到发酵罐内

喷射自吸式发酵罐气体通过高速旋转的叶轮产生负压吸入罐内；文氏管发酵罐通过文氏管吸入空气，流体高速流动需要泵的输送；溢流自吸式发酵罐空气通过溢流口吸入发酵罐。

气升发酵罐气体通过泵的输送，通过进气管进入发酵罐内部。

③溶氧方式控制的差异动物细胞培养生物反应器所需要的氧气浓度相对较低，通过

控制硅胶管的氧气压控制氧气浓度；为促进溶氧；带有丝网隔开的生物反应器在气腔内搅拌。机械搅拌通风发酵罐通过控制通气量、罐压、搅拌转速、改变叶轮的形状等控制溶氧浓度自吸式发酵罐控制溶氧的主要方式是增加空气的吸入量，一般通过提高喷塑式发酵罐的叶轮转速，增加文氏管液体流速，增加溢流口的流速和改变溢流口的式样等控制溶氧浓度

④搅拌元件差异机械搅拌通风发酵罐的涡流叶轮和旋浆式，其中涡流叶轮有直叶式、弯叶式、箭叶式等。动物细胞培养反应器搅拌叶轮有螺旋式、锚式搅拌器等。带有涡流搅拌器的叶轮在气腔内部搅拌。

⑤pH控制差异机械搅拌通风发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐的pH控制可以在中途通过流加设备流加酸或碱。动物细胞培养一般通过通入二氧化碳来控制Ph.

4过滤、离心与膜分离设备：（1）上游工程：菌种的构建和产物的生成(发酵)（2）下游工程：产物的提取和精制(过滤、分离、蒸发和结晶等)。（3）发酵产物的存在形式:胞外产物：透出菌体细胞之外存在于悬浮液中；胞内产物：存在于细胞之内；细胞本身；（4）液固分离方法：为了提取和精制发酵产物，往住必须首先将悬浮液进行液固分离。方法主要是过滤(最常用)和离心分离。

5过滤：是传统的化工单元操作，其原理是使物料通过固态过滤介质时，固态悬浮物与溶液分离。如液相中谷氨酸钠、柠檬酸晶体的分离。过滤的形式：常压、加压、真空及离心过滤。

6离心分离：是基于分离体系中固液和液液两相密度存在差异，在离心场中使不同密度的两相相分离的过程。静置混合液时，密度较大的固体颗粒或重液在重力的作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。

7常用膜分离法包括：渗透、透析、微滤（MF）、超滤（UF）、反渗透（RO）与气体透过都是以压力差为推动力的膜分离过程；电渗析、隔膜电解以电位差为推动力的分离技术。

8超滤和微滤都是以压力差为推动力的膜分离过程。超滤：在一定的压力作用下，含有大分子和较小分子的混合液流经分离膜时，溶剂和小分子（如无机盐）透过膜，而大分子（分子量大于1000）被膜截留下来从而将溶液加以分离或浓缩的单元操作。

9浓差极化现象：当溶液从膜面一侧流过时，溶剂及小分子溶质透过膜，大分子的溶质则在靠近膜面处被截留，并不断返回溶液主流中。当这一返回液体主流的速度低于大分子溶质在膜面聚集的速度时，就逐渐在膜面上，行成一高浓度的被阻留的溶质分子层。这就是浓差极化随着浓差极化愈来愈严重，膜的滤出速度也愈来愈低。

10纳米膜过滤技术定义：纳米过滤(简称纳滤)是介于反渗透与超滤之间的一种以压力为驱动力的新型膜分离过程。能截留有机小分子而使大部分无机盐透过，操作压力低，在食品工业、生物化工及水处理等许多方面有很好的应用前景。

11大多数的纳米滤膜是由多层聚合物薄膜组成。活性层通常荷负电化学基团。

12蒸发设备一般由热交换器（汽鼓）、蒸发室、冷凝器和抽气泵等组成。

13降膜式蒸发器工作原理：物料从加热管上部进入，经分配器导流管进入加热管，沿管壁成膜状向下流。