生物工程设备期末复习题

生物工程设备期末复习题
一、填空题：
1．某机械搅拌发酵罐内发酵液中的溶氧浓度为0.035mol/m3，此罐压下饱和溶氧浓度为0.315 mol/m3，此罐的k L a值为1000h-1，根据传质理论，计算此类发酵罐的供氧能力为280mol (O2)/(m3∙h)。

2．某酒精工厂，每发酵罐的进料量为22t/h，每3h装满一罐，糖化醪密度为1100Kg/m3，装料系数为0.8，计算此发酵罐的全体积为75m3。

3．啤酒发酵罐中发酵液的对流主要是依靠其中CO2的作用，另外冷却操作时啤酒温度的变化也会引起罐的内容物的对流循环。

4．CIP清洗系统是Clean In Place的简称，即内部清洗系统（在位清洗），进行大罐清洗工作的关键设备是喷射洗涤装置。

5．悬浮培养适用于非贴壁依赖型细胞，贴壁培养适用于贴壁依赖型细胞。

除此之外还有一种固定化（包埋）培养对两类细胞都适用。

6．酒精厂以玉米粮食为原料的生产中需要粗选机、除铁器等设备对原料进行预处理。

7．啤酒厂生产麦芽汁多采用四器组合，四器为糊化锅、糖化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅。

糊化锅的作用是加热煮沸辅助原料和部分麦芽粉醪液，使淀粉液化和糊化。

8．管式离心机转鼓直径小，转速高，一般为15000r/min，分离因数大，可达50000，因此分离强度高，可用于液-液分离和微粒较小的悬浮液的澄清。

10．膜分离过程的实质是小分子物质透过膜，而大分子物质或固体粒子被阻挡。

11．液-液萃取设备应包括3个部分：混合设备、分离设备、溶剂回收设备。

12．蒸发器主要由热交换器、蒸发室两部分组成。

13．结晶设备应有搅拌装置，使结晶颗粒保持悬浮于溶液中，并同溶液有一个相对运动，以成薄晶体外部境界膜的厚度，提高溶质质点的扩散速度，加速晶体长大。

14．沸腾造粒干燥过程中，影响产品颗粒大小的因素有停留时间、摩擦作用、干燥温度。

15．在用蒸汽加热灭菌时，要保证管道彻底灭菌，管路配置应能彻底排除冷凝水，故管路应有一定的斜度和装设排污阀门。

在灭菌开始时，还必须注意把设备和管路中存留的空气充分排尽，否则造成假压而实际灭菌温度达不到要求。

16．工业上常用的反渗透膜组件形式主要有板式、管式、中空纤维式、螺旋卷式四种类型。

17．干燥是将物料的水分或有机溶剂除去的加工过程。

18．离子交换树脂的主要理化性能有：颗粒度、交换容量、机械强度、膨胀度、含水量、密度、孔结构等。

19．我们可以通过设计生物反应器来实现生物反应的三个目标：生产细胞、收集细胞的代谢产物、直接用酶催化得到所需产物。

20．大型发酵罐设计主要考虑因素：罐的耐压要求、罐的内部清洗、罐内的对流与热交换。

21．常见的通风发酵罐类型：机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐、伍式发酵罐、文氏管发酵罐。

22．按操作压强可将蒸发分为：常压蒸发、真空蒸发。

23.生物工业中常用的干燥方法有对流干燥、冷冻升华干燥、真空干燥等。

23．真空干燥设备一般由密闭干燥室、冷凝器、真空泵三个部分组成。

24．影响恒速干燥的主要因素：空气温度、湿度、流速等外部条件。

25．粉碎机械的工作原理主要有挤压、冲击、研磨、剪切、劈裂等。

26．糖蜜利用之前如何处理：稀释、酸化、灭菌、增加营养盐。

27．啤酒发酵设备发展方向：向大型、室外、联合的方向发展。

28．影响传质推动力的主要因素：温度、溶液的性质、氧分压、发酵罐内液柱的高度。

29．判断生物反应器好坏的唯一标准是该装置能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。

30．微生物嫌气发酵过程总的发酵热，一般由生物合成热、蒸发损失热、罐壁向周围热损失等三部分热量所组成。

31．生物合成热是由维持微生物生命活动的呼吸热、促进微生物增殖的繁殖热、微生物形成代谢产物的发酵热所组成。

32．常用板框压滤机有BMS、BAS、BMY和BAY系列。

B代表板框、M代表明流、A代表暗流、S代表手动压紧、Y代表液压压紧。

型号BAS20/635-25的板框压滤机的过滤面积为20m2，滤框厚度为25mm。

33．聚砜膜的开发是膜分离技术的重大突破，它具有耐热性能好、pH范围宽、耐氯能力强、孔径范围宽等特点。

34．生物工业下游加工过程一般可分为4个阶段：发酵液的预处理和固液分离、产物提取、产物精制、成品加工。

35．萃取分离的实质是利用欲分离组分在溶剂中与原料液中溶解度的差异来实现。

工业上萃取操作包括三个步骤：混合，分离，溶剂回收。

36．双水相萃取一步操作可达到固液分离和纯化的目的，常用生物分离的双水相体系是PEG －Dextran和PEG－无机盐系统，这是由于它们的多元醇或多糖结构能使生物高分子稳定。

37.升膜式蒸发器操作的关键是让液体物料在管壁上形成连续不断的液膜。

38.升膜式蒸发器产生爬膜的必要条件：足够的传热温差和传热强度。

39.降膜式蒸发器均匀成膜的关键是物料的分配，可采用不同的分配器实现。

40.多效蒸发与热泵蒸发是当前蒸发系统中节能的重要措施。

41.影响热量重复利用，增大损耗的重要原因是溶液蒸发时的沸点上升。

42.喷雾干燥的关键是料液的雾化。

43.离心喷雾设备中热风盘的作用是进塔后的热风分配均匀，否则会造成塔内局部贴壁。

44.啤酒厂糖化车间的主要任务是将原料加水糊化、糖化、糖化醪的过滤和麦汁的煮沸。

45.麦汁煮沸锅用于麦汁的煮沸和浓缩，并加入酒花，还有加热凝固蛋白质、灭菌、灭酶的作用。

46.真空糖化器兼具蒸发冷却器和糖化器的作用，简化了设备。

47.传统糖化多采用四器组合，四器为糊化锅、糖化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅。

48.现代糖化大都采用五器组合，即糊化锅、糖化锅、过滤槽、煮沸锅、回旋沉淀槽。

49.目前用于水的过滤装置有砂滤棒过滤器、活性炭过滤器、中空纤维超滤装置等。

50.能用做制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、氟利昂类、水、少数碳氢化合物等。

二、名词解释：
1.自吸式发酵罐：是一种不需要空气压缩机提供压缩空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。

2.联合罐：这是一种具有较浅锥底的大直径发酵罐，能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。

联合罐在发酵生产上的用途与锥形罐相同，既可用于前、后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。

3.搅拌器输入搅拌液体的功率：即轴功率，是指搅拌器以既定的转速旋转时用以克服介质的
阻力所需用的功率。

4.深层过滤的对数穿透定律：表示穿过过滤层的微粒数（N2）与进入滤层的微粒数（N1）之比，是滤层厚度（L）的函数，ln(N2/N1)=-KL,可进行过滤层厚度的设计计算。

5.搅拌雷诺准数：是惯性力与液体粘滞力之比，即Re m=ND2ρ/μ。

6.沸腾干燥：也称流化床干燥，是利用流态化技术，即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。

7.离心澄清机：根据离心沉降速度的不同将固液两相分开的离心机称作离心澄清机。

8.全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或者其他附件时，搅拌功率不再增加。

9.气体截留率：在通风液体中由于充气而导致的体积增加率。

10.流化床膨胀率：流化床的体积随着气体流速的增加而增大，流化床体积与固体床体积之比称为膨胀率。

11.热敏性物料：对热过程敏感，受热后会引起产物发生化学变化或物理变化而影响产品质量的物料。

12.轴封：是防止染菌和泄漏而设置的密封装置。

常用的轴封型式有填料密封、机械密封和动力封。

13.真空蒸发浓缩：溶液在真空状态下，较低温度下即沸腾，溶剂汽化。

蒸发温度的高低决定于真空度的大小。

14.升膜式蒸发器：是一种将加热室与蒸发室（分离室）分离的蒸发器。

在蒸发器中形成的液膜与蒸发的二次蒸汽气流方向相同，由下而上并流上升。

15.降膜式蒸发器：与升膜蒸发器结构基本相同，主要区别在于原料液是从加热室的顶部加入，在重力的作用下沿管内壁形成膜状下降，并进行蒸发，浓缩液从加热室的底部进入到分离器内并从底部排出，二次蒸汽由顶部溢出。

16.离心分离因数：是指离心力与重力的比值，或离心加速度与重力加速度的比值。

离心分离因数是反映离心机分离能力的重要指标。

17.沸点上升：挥发性溶剂溶入不挥发性溶质，则该溶液的沸点较纯溶剂的高。

沸点上升是由于溶质的存在导致分子运动阻力增加以及溶液粘滞和液柱高度阻碍溶剂汽化和蒸汽的排出。

18.沸腾造粒干燥：是将物料粉末粒子，在原料容器（流化床）中呈环形流化状态，受到经过净化后的加热空气预热和混合，将粘合剂溶液雾化喷入，使若干粒子聚集成含有粘合剂的团粒。

19.清洁生产：是指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管理、综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害。

20.发酵罐的公称体积：是指罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。

21.冷冻干燥：也称升华干燥，是将湿物料或溶液在较低温度下冻结成固态，然后在高真空度下，将其中固态水分直接升华为气态而除去的干燥过程。

三、简答题：
1．简述植物细胞培养的特点。

解：①细胞的大小比微生物细胞大；
②细胞块的形状；
③培养液的黏度随细胞浓度的增加而显著上升；
④需氧量低；
⑤K L a值比微生物培养的K L a值小得多；
⑥对剪切力敏感；
⑦需CO2和光照。

2．简述植物细胞培养常用的培养器类型及优缺点。

解：Ⅰ悬浮培养反应器：机械搅拌反应器、非机械搅拌反应器
Ⅱ固定化细胞反应器：填充床反应器、流化床、膜反应器
Ⅰ①机械搅拌式反应器:
优点：混合性能好，传氧效率高，操作弹性大，可用于细胞高密度培养；
缺点：剪切力大。

②非机械搅拌式反应器：
优点：剪切力较小，结构简单，没有搅拌轴更易保持无菌；
缺点:搅拌强度过低往往使培养物混合不均；过量的通气对细胞生长有阻碍作用；过量的溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利。

Ⅱ①填充床反应器：
优点：改善了细胞间的接触和互相作用，单位体积细胞较多；
缺点：由于混合效果不好,常使床内氧的传递、气体的排出、温度和pH的控制较困难；
支持物破碎还易使填充床堵塞。

②流化床：
优点：混合效果较好；
缺点：流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常使支持物颗粒破损；另外，流体力学复杂使其放大困难。

③膜反应器：
优点：与凝胶固定化相比，膜反应器的操作压力较低，流体力学易于控制，易于放大，而且能提供更均匀的环境条件，同时还可以进行产物分离以解除产物的反馈抑制；
缺点：成本较高。

3．简述提高过滤速度的方法。

解：(1)发酵液的预处理:增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去高价无机离子和杂蛋白质，降低液体黏度，实现有效分离。

方法：①加热；②凝聚和絮凝；③加入盐类；④调节pH；⑤加入助溶剂。

(2)选择适当的过滤介质和操作条件：①过滤介质除过滤作用外,还是滤饼的支撑物；
②尽量采用加压过滤,确定滤饼比阻与过滤压差的关系,再与过滤方程相关联,求得最佳
操作条件。

4．提高物料的干燥速度可以采取哪些措施？生物工业中常用的干燥设备有哪些类型？请举例说明。

解：（1）提高物料的干燥速度可以采取以下措施：
①干燥速率为表面汽化控制时：提高空气温度，降低空气湿度，改善空气与物料之间的
流动和接触状况，均有利于提高干燥速度。

②在真空干燥条件下：提高干燥室的真空度，可降低水分的汽化温度，从而可有效地提
高干燥速度。

③干燥为内部扩散控制时：减小物料颗粒直径，提高干燥温度，均有利于提高干燥速度。

（2）生物工业制品的干燥设备类型：
①瞬时快速干燥设备：滚筒干燥设备、喷雾干燥设备、气流干燥设备、沸腾干燥设备。

②低温干燥设备：真空干燥设备、冷冻干燥设备。

例如：真空干燥设备、冷冻干燥设备可用于空气中易氧化的生物制品的干燥。

5．影响萃取操作的因素有哪些？
解：（1）萃取剂的选择：萃取剂应对欲分离的产物有较大的溶解度，并有良好的选择性，这些可用分离因素来表征。

萃取剂选择除要求萃取能力强，分离程度高以外，在操作方面还要求：
①萃取剂与萃余液的相互溶解度要小，黏度低，便于两相分离；②萃取剂易回收，化学
稳定性好且价廉易得。

（2）pH范围：pH一方面影响选择性，另一方面又影响分配系数，因而影响产物的萃取收得率。

通常情况下，酸性产物应在酸性条件下萃取到萃取剂中，而碱性杂质则成盐留在水相中，碱性产物因在碱性条件下萃取到萃取剂中。

另外，pH还应选取在产物稳定的范围内。

（3）温度的确定：大多数生物工业产品在较高温度下都不稳定，故萃取应维持在室温或较低温度下进行。

但低温下料液黏度高，传质速率慢，故萃取速度低。

因此工艺条件允许时，可适当提高萃取温度，升高温度有时对提高分配系数有利。

（4）盐析、带溶剂、去乳化的作用：加入盐析剂如硫酸铵，氯化钠等可使产物在水中溶解度降低，从而使产物更多地转入溶剂中，另外也能减少萃取剂在水中的溶解度。

6．简述连续发酵有哪些优越性，为什么不能用连续发酵完全代替间歇式发酵？
解：优越性：连续发酵具有培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，从而保证产品质量和产量稳定的优点，同时又具有发酵周期短，设备利用率和产量高，节省人力和财力以及生产管理稳定，便于自动化生产等优点。

原因：由于连续发酵试验和生产中遇到了在长期连续发酵过程中，微生物的突变和杂菌污染问题，欲保持长期的无菌状态，在技术上有一定的困难。

此外，发酵液在连续流动过程中的不均匀性和丝状菌在管道中流动的困难，以及对微生物动态方面的活动规律还缺乏足够的认识，目前还不能根据连续发酵的理论完全控制和指导生产。

7．气升式生物反应器的特点。

解：①反应溶液分布均匀：气、液、固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好。

②较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器有较高的气含率和比气液接触面积，因而
有较高传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高，K L a可达2000h-1,且溶氧功耗相对低。

③剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪
切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞及组织的培养。

④传热良好：通气发酵均产生大量的发酵热,气升式生物反应器可以迅速散出多余的热，
使反应器内温度恒定。

⑤结构简单，易于加工制造：气升式反应器罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的
搅拌系统，密封也容易保证，故加工制造方便，设备投资低。

⑥操作和维修方便：因为无机械搅拌系统，故结构简单，能耗低，操作方便，特别是不
易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏染菌问题；另外，因无机械搅拌热产生，故发酵总热量低，换热冷却和温控有保证。

8．如何理解“生物反应器的结构对生物反应器的产品质量，收率和能耗起到关键作用”。

解：与化学反应器的主要不同点是，生物（酶除外）反应都以“自催化”方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自身要生长繁殖。

因此，生物反应器的设计必须以生物体为中心，这就要求设计者既要有化学工程的知识，又要有生物学的基础。

设计工程师除了考虑反应器的传质、传热等性能以外，还需要选择适宜的生物催化剂，这包括了解产物在生物反应的哪一阶段大量生成、适宜的pH和温度，是否好氧和易受杂菌污染等；
生物体是活体，生长过程可能受到剪切力影响，也可能发生凝聚成为颗粒，或因自身产气或受通气影响而漂浮于液面；材料的选择能确保无菌操作的设计；检验与控制装置的
可靠性、安全性、经济性等。

总之，生物反应器的设计原理是基于强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳条件，降低总的操作费用。

9．论述填料函式轴封和端面式轴封的优缺点？
解：（1）填料函式轴封：优点：结构简单。

缺点：①死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；
②轴的磨损情况较严重；
③填料压紧后摩擦功率消耗大；
④寿命短，经常维修，耗工时多。

（2）端面式轴封：优点：①清洁；②密封可靠；③无死角，可以防止杂菌污染；④使用寿命长；⑤摩擦功率耗损小；⑥轴或轴套不受磨损；⑦它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那么严格，对轴的震动敏感性小。

缺点：①结构比填料密封复杂，装拆不便；
②对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。

10．简述酒精发酵罐罐内出现真空的原因及预防措施。

解：原因：酒精发酵罐出现真空主要是发酵罐在密封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，即便罐内存留一部分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，如果不及时进气，在外界压力作用下发酵罐就会被压瘪。

预防措施：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。

如果发酵罐被吸瘪，可以用高压水涨法使其复原。

11．圆筒锥底啤酒发酵罐为什么要安装真空安全阀，并解释其作用。

解：原因：圆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，即便罐内存留一部分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。

作用：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。

12．以外循环为例说明气升式发酵罐的工作原理。

解：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，与上升管的发酵液密切接触，使上升管内的发酵液密度较低，加上压缩空气的喷流动能，因此上升管的液体上升入罐。

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。

13．简述自吸式发酵罐的特点与不足。

解：特点：①不必配备空气压缩机及相应的附属设备，节约设备投资，减少厂房面积。

②溶氧速率高，溶氧效率较高，能耗较低。

③用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点。

不足：①发酵系统不能保持一定的正压，较易产生杂菌污染。

②必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。

14．简述圆盘平直叶涡轮搅拌器中圆盘的作用。

解：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。

而安装一
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。

15．
解释为什么培养基的灭菌过程中不能做到绝对无菌？发酵生产中对培养基的灭菌的无菌程度一般是如何要求的？
解：若要求灭菌后绝对无菌，即N=0，根据公式t=N
N 。

ln 1可以看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N=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。

16．
简述膜分离过程中的浓差极化现象及其措施。

解:浓差极化现象：当溶液从膜一侧流过时，溶剂及小分子溶质透过膜，大分子的溶质在靠近膜面处被截留。

并不断返回于溶液主流中，当这一返回速度低于大分子溶质在膜面聚集的速度时，则会在膜的一侧形成高浓度的溶质层，这就是浓差极化。

减弱措施：错流操作、加大流速、提高液温等。

17．
简述用膜分离技术分离产品过程的特点?解：①具有设备简单、节约能源、分离效率高、容易控制等优点；
②膜分离通常在常温下操作，不涉及相变化；
③膜分离技术一般可除去1μm 以下的固体粒子及大分子物质。

18．膜分离过程的核心是膜，简述工业应用的膜应具备的条件。

解：①膜面切向速度快，以减少浓差极化；
②单位体积中所含膜面积比较大；
③容易拆洗和更换膜；
④保留体积小，且无死角；
⑤具有可靠的膜支撑装置。

19．简述流化床干燥的原理。

解：①流化床干燥中，热空气的流速与颗粒的自由沉降速度相等；
②当压力降近似等于流动层单位面积的质量时，床层便由固定态变成流化态；
③床层开始膨胀，颗粒悬浮于气流中，并在气流中呈沸腾状翻动，但仍保持一个明确的床界面，颗粒不会被气流带走。

20．
流化床干燥的特点解：①传热传质速率大；
②干燥温度均匀，易于控制；
③干燥与冷却可连续进行，干燥与分级可同时完成，有利于连续化、自动化操作，且设备结构简单，生产能力高，动力消耗小；
④当连续操作时，物料在干燥室内停留时间不一，干燥度不够均匀，对结晶物料有磨损作用；
⑤用来进行流化床干燥的物料不能结块，否则干燥效果很差；粘性很大的物料一般不适用于流化床干燥。

21．简述气流干燥的特点
解：①干燥强度大；
②干燥时间短；
③适用性广；
④设备结构简单，占地面积小，生产能力大，能连续操作，可实现自动控制；
⑤气流干燥对物料有一定的磨损，因此不适用于对晶形有一定要求的物料；
⑥热能利用程度较低。

22．简述喷雾干燥的特点
解：①干燥速度快、时间短；
②干燥温度较低；
③制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高；。