11级生物工程设备复习资料.docx

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11级生物工程设备复习资料

1、有一发酵罐，内装40m3培养基，在121℃温度下进行实罐灭菌，原污染程度为每ml有2×105个耐热细菌芽孢，121℃时灭菌速度常数为1.8（/min），求灭菌失败机率为0.001时所需要的灭菌时间？

（假设不计升温阶段所杀灭的菌数，把培养基中所有的菌均看作是在保温阶段被杀灭）。

若对培养基采用连续灭菌，灭菌温度为131℃，此温度下灭菌速度常数为15（/min），求灭菌所需的维持时间？

解：

⑴   N0=40*106*2×105=8*1012

     Nt=0.001，k=1.8（/min）

灭菌时间为：

       2.303 N0  

    t=——lg—=20.34（min）

     k  Nt  

解：

⑵  2.303 C0

       t=————lg—            

          k  Ct

C0=2×105（个/ml）

Ct=1/40×109（个/ml）

t=2.44（min）

2、某酒精工厂，每发酵罐的进料量为28t/h，每4h装满一罐，糖化液密度为1082kg/m3发酵周期72h，试确定发酵罐的结构尺寸,罐数。

解：

发酵罐个数和结构尺寸的确定：

发酵罐个数：

N=（nt/24）+1

n=24/4=6N=6×72÷24+1=19（个）

取发酵罐装料系数φ=0.9

发酵罐体积V=Vo/φ=28×4×1000÷（1082×0.9）=115（m3）

发酵罐采用圆柱型，底、顶为锥型，结构比例如下

H=1.2Dh1=h2=0.1D

V=0.785D2（H+1/3×h1+1/3×h2）=0.785D2（1.2D+2/3×0.1D）

=115（m3）

则：

D=4.87（m）

H=1.2D=5.84mh1=h2=0.1D=0.487m

3、已知从汽液分离器排出的糊化醪量为1000kg/h，其比热为3.6kJ/kg·k，温度为100℃,要求冷却到65℃，试计算真空冷却器基本尺寸（直径D和高度H）。

注：

①二次蒸汽在65℃时汽化潜热r=2343.4KJ/Kg; 

　　②在65℃时蒸汽的密度为0.16kg/m3; 

　　③取器内二次蒸汽上升速度不超过1m/s; 

　　④取真空冷却器径高比D:

H=1:

1.5。

解：

① 糊化料液从100℃冷却到65℃放出热量：

Q=1000×3.6×（100-65）=126000（kJ/h） 

② 真空冷却器内产生的二次蒸汽量为：

/h

③ 二次蒸汽的体积流量为：

53.8/0.16=336.25m3/h

④ 因

故

又因：

D:

H=1:

1.5

　　故：

H=0.345x1.5=0.5175（m）

4、某味精厂需新建50M3种子罐,装料系数为60%,已计算出主发酵期生物合成热Q1=7.0×105kj/h，搅拌热Q2=8.5×104kj/h,查有关资料可知汽化热Q3=1×104kj/h，醪液的比重为ρ=1.04×103kg/M3，发酵温度为32℃，冷却水进口温度为15℃，出水温度为26℃，冷却水的平均比热Cp=4.186kj/（kg.℃），罐内采用不锈钢盘管冷却，其规格为53/60（mm）,壁厚3.5mm，其导热系数λ=188kj/（M•h•℃），根据生产经验数据可取传热系数α1和α2分别为2700kj/（M

•h•℃）和1.45×104kj/（M

•h•℃），另外管壁水垢层的热阻取1/16750M

•h•℃/kj，试求发酵罐冷却面积、盘管总长度和冷却水耗量。

参考公式：

　　　　　　　　；

；　　　　　　　　　　；　　　　

解:

⑴.总的热量

Q=Q1+Q2-Q3=7.0×105+8.5×104-1×104=7.75×105（kJ/h）

⑵.冷却水耗量

⑶.对数平均温度差

⑷.K值的计算

⑸.冷却面积

6

取整为38M2。

⑹.冷却蛇管总长度

5、某厂在100升发酵罐中进行发酵实验，然后放大至100m3发酵罐。

试验罐的参数为：

罐径D＝400mm，搅拌状态下Rem>104,涡轮式搅拌器转速350r/min，试按P0/V相等准则进行放大，计算放大罐直径和搅拌器的转速。

解：

V1=100L=0.1m3,V2=100m3,V2/V1=1000

体积扩大1000倍时，D2/D1=10，∴D2=10D1=4000mm

因P∝N3D5,VL∝D3，∴P/VL∝N3D2，

由于P/VL=常数，∴N2=N1（

）

=350х0.214=75r/min

6、青霉素在0℃和pH2.5时的分配系数（醋酸丁酯/水）为35，若用1/4体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取，计算其理论收率？

若改为二级错流萃取，第一级用1/4体积的醋酸丁酯，第二级用1/10体积的醋酸丁酯，计算其理论收率？

解：

①

n2，理论收率：

②

理论收率

：

7、设计一台通风量为50M3/min的棉花活性炭空气过滤器，空气压力为0.4MPa（绝对压力），已知棉花纤维直径d=16微米，填充系数α=8%，空气线速度为0.1M/sec，若进入空气过滤器的空气含菌量是5000个/M

，要求因空气原因引起的倒罐率为0.1%，发酵周期100hr。

工作温度为40℃，平均气温为20℃，计算空气过滤器的尺寸（过滤介质厚度和过滤器直径）。

表1纤维直径d=16微米，填充系数α=8%时棉花纤维的K'值

空气流速v

（M/sec）

0.05

0.10

0.50

1.0

2.0

3.0

k'（cm-1）

0.193

0.135

0.1

0.195

1.32

2.55

解：

查表：

当v0=0.1M/sec时,K'=0.135

N1=5000×50×60×100=1.5×10

N2=10

∴

P1=0.1MPaP2=0.4MPa

V1=50M

/min=0.83M

/sec

由气态方程得：

（M）

答:

该空气过滤器的过滤介质厚度为90.2cm,过滤器直径为1.67M.

1.某酒精工厂，每发酵罐的进料量为28t/h，每4h装满一罐，糖化液密度为1082kg/m3发酵周期72h，冷却水初、终温为20℃，25℃，若罐内采用蛇管冷却，发酵罐的总传热系数为2000kJ/m2.h.℃,试确定发酵罐的结构尺寸,罐数,冷却水耗量（假设发酵液热损包括蒸发热和向周围的散热为生物合成热的10%即Q2+Q3=10%Q1）。

解：

⑴发酵罐个数和结构尺寸的确定：

发酵罐个数：

N=（nt/24）+1

n=24/4=6N=6×72÷24+1=19（个）

取发酵罐装料系数φ=0.9

发酵罐体积V=Vo/φ=28×4×1000÷（1082×0.9）=115（m3）

发酵罐采用圆柱型，底、顶为锥型，结构比例如下

H=1.2Dh1=h2=0.1D

V=0.785D2（H+1/3×h1+1/3×h2）=0.785D2（1.2D+2/3×0.1D）

=115（m3）

则：

D=4.87（m）

H=1.2D=5.84mh1=h2=0.1D=0.487m

⑵发酵罐的总发酵热QQ=Q1-Q2-Q3

Q1=msq=28×4×1000×1%×418.6=4.69×105KJ/h

Q2+Q3=10%q=0.1×4.69×105=0.469×105KJ/h

Q=Q1-Q2-Q3=4.22×105KJ/h

⑶冷却水耗量：

W=Q/［c（T2-T1）］=4.22×105/［4.186（25-20）］

=20162Kg/h

答：

发酵罐的结构尺寸,罐数,冷却水耗量

11级生物工程设备期末复习

绪论

1、生物技术（Biotechnology）是应用自然科学及工程学的原理，依靠生物作用剂（biologicalagent）的作用将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术。

这里的生物作用剂主要是指：

酶、生物细胞或生物体。

第一章生物质原料预处理设备

1、固体物料的粉碎有可能受那些力作用引起的？

挤压粉碎、冲击粉碎、磨碎、剪碎、劈碎

2、锤式粉碎机有哪些部件构成？

（1）锤片

（2）筛板

工作原理：

物料从上方料斗加入，在悬空状态下就被锤的冲击力所破碎。

然后物料被抛至冲击板上，再次被击碎。

此外物料在机内还受到挤压和研磨的作用。

3、辊式粉碎机是如何粉碎物料？

它有几类？

原理：

主要工作机构为两个相对旋转的平行装置的圆柱形辊筒，装在两辊之间的物料通过辊筒对其的摩擦作用而被拖入两辊的间隙中被粉碎。

两辊式、四辊式、五辊式、六辊式

4、固体粒子混合时会发生哪三种运动形式？

对流混合：

固体粒子的循环流。

剪切混合：

粒子间相互滑动和撞击产生。

扩散混合：

存在状态不同而产生的局部混合作用。

5、粉碎比：

物料粉碎前后平均粒径之比，x=D1/D2。

6、大麦精选机的工作原理是什么？

精选是利用杂粒与大麦长度不同的特点进行分离。

常用的精选机有碟片式和滚筒式2种，都是利用带有袋孔（窝眼）的工作面来分离杂粒。

袋孔中嵌入长度不同的颗粒，带升高度不同而分离；或者说主要是根据颗粒长度分级。

第二章生物细胞培养基制备设备

1、淀粉质原料蒸煮目的是什么？

1）糊化：

原料吸水后，借助于蒸煮时的高温高压作用，破坏原料中淀粉颗粒的外皮，使其内容物质流出，呈溶解状态变成可溶性淀粉，以便糖化剂作用，使淀粉变成可发酵性糖。

采用的方法是用蒸汽加热。

2）灭菌：

借助蒸汽的高温高压作用，把存在于原料中的大量微生物进行灭菌，以保证发酵过程中原料无杂菌污染，使酒精发酵能顺利进行。

2、四器组合的啤酒麦芽汁制备系统由哪些设备组成？

四器为：

糊化锅、糖化锅、过滤槽和麦汁蒸煮锅；

3、啤酒厂糊化锅、糖化锅、麦芽汁煮沸锅的作用？

糊化锅：

加热煮沸辅助原料和部分麦芽粉醪液，使淀粉液化和糊化

糖化锅：

使麦芽粉与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化

麦芽汁煮沸锅：

麦汁的浓缩和煮沸，加入酒花，浸出酒花中苦味物质和芳香物质，加热凝固蛋白质，灭菌、灭酶

4、为什么工业发酵培养基灭菌采用湿热灭菌法？

湿热灭菌是利用高温饱和蒸汽将物料的温度升高使微生物体内的蛋白质变性进行灭菌的一种方法。

工业发酵培养基灭菌的特点是数量多；含有很多固体物质；灭菌后要有利生产菌的生长。

湿热灭菌方便易行，由于蒸汽冷凝时会放出大量潜热，并具有很强的穿透力，灭菌效果好；蒸汽来源及控制操作条件方便，适用于工业发酵培养基的灭菌。

5、若对某培养液进行灭菌，试设计一板式换热器连续灭菌流程，其中要用到热集成方式。

画图并说明灭菌流程。

板式换热器可用方框图表示。

说明：

①生培养液先在板式换热器2内进行预热，此处用到热集成，即灭菌后的培养液作为加热介质，把热量传递给生培养基，同时使灭菌后的培养液得到初步冷却。

②在板式换热器3内预热后的培养液被加热到灭菌温度。

加热源为蒸汽。

③在维持段维持一段时间，完成灭菌。

④在板式换热器2处被预冷。

⑤在板式换热器1处，经过预冷的培养液继续被冷却水进一步冷却至设定温度。

6、试设计培养基连续灭菌流程，使用的设备为连消塔、维持罐和喷淋冷却设备。

（画简图并说明灭菌流程，并说明各设备的主要作用）。

说明：

连消塔的作用：

主要是使高温蒸汽与料液迅速接触混合，并使料液的温度很快升高到灭菌温度（126~132℃）；

维持罐的作用：

连消塔加热的时间很短，光靠这段时间的灭菌是不够的，用维持罐保温杀菌一段时间达到灭菌要求；

冷水喷淋冷却管：

从维持罐出来的料液要经过冷却管进行冷却，冷却到40~50℃后，输送到预先已经灭菌过的罐内。

7、有一发酵罐内装40立方米培养基，在摄氏121度温度下进行实罐灭菌，原污染程度为每ml有200000个耐热细菌芽孢，摄氏121度时灭菌速度常数为1.8（/min），求灭菌失败机率为0.001时所需要的灭菌时间？

（假设不计升温阶段所杀灭的菌数，把培养基中所有的菌均看作是在保温阶段被杀灭）。

若培养基采用连续灭菌，灭菌温度为摄氏131度，此温度下灭菌速度常数为15（/min），求灭菌所需的维持时间？

解①：

   N0=40*106*200000=8*1012

     Nt=0.001，k=1.8（/min）

灭菌时间为：

       2.303 N0  

    t=——lg—=20·34（min）

     k  Nt  

解②：

  2.303 C0

       t=————lg—            

          k  Ct

C0=200000（个/ml）

Ct=1/40000000000（个/ml）

t=2·37（min）

8、已知从汽液分离器排出的糊化醪量为1000kg/h，其比热为3.6kJ/kg·k，温度为100℃,要求冷却到65℃，试计算真空冷却器基本尺寸（直径D和高度H）。

注：

①二次蒸汽在65℃时汽化潜热r=2343.4KJ/Kg; 

　　②在65℃时蒸汽的密度为0.16kg/m3; 

　　③取器内二次蒸汽上升速度不超过1m/s; 

　　④取真空冷却器径高比D:

H=1:

1.5。

解：

① 糊化料液从100℃冷却到65℃放出热量：

W=1000×3.6×（100-65）=126000（kJ/h） 

② 真空冷却器内产生的二次蒸汽量为：

/h

③ 二次蒸汽的体积流量为：

53.8/0.16=336.25m3/h

④ 因

故

又因：

D:

H=1:

1.5

　　故：

H=0.345x1.5=0.5175（m）

9、现代生物技术工业涉及的生物培养往往是纯种培养，需对培养基等进行灭菌。

请说明一下染菌可能产生的危害？

答：

1）生产菌和杂菌同时生长，生产菌丧失生产能力；

2）在连续发酵过程中，杂菌的生长速度有时会比生产菌生长得更快，结果使发酵罐中以杂菌为主；

3）杂菌及其产生的物质，使提取精制发生困难

4）杂菌会降解目的产物；

5）杂菌会污染最终产品；

6）发酵时如污染噬菌体，可使生产菌发生溶菌现象。

10、生物工程工业上防止杂菌污染的措施有哪些？

答：

1）使用的培养基和设备须经灭菌，发酵罐无死角、无渗漏且灭菌彻底；

2）好氧培养中使用的空气应经除菌处理，无菌空气制备应达到工程要求；

3）设备应严密，生物反应器维持正压环境；

4）培养过程中加入的物料应经过灭菌，补料系统无死角、无渗漏且灭菌彻底；

5）使用无污染的纯粹种子，种子制备严格按无菌要求操作，确保生产种子没有杂菌；

6）生产区域保持清洁卫生；

7）灭菌、接种、取样应严格按规范进行操作。

第三章生物反应器设计基础

1、溶氧系数的影响因素有哪些？

如何提高溶氧系数？

影响因素：

（a）操作条件（搅拌、通气量）；

（b）发酵罐的结构及几何参数（体积、通气方式、搅拌叶轮结构及尺寸）；

（c）物料的物化性能（扩散系数、表面张力、密度、粘度、培养基成分及特性）

提高方法：

加强搅拌，适当的空气流量，降低发酵液粘度，提高氧分压。

3、简述良好的生物反应器应满足的条件。

1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；

2）具有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；

3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；

4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；

5）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。

第四章生物反应器

1、轴封的作用是什么？

常见的轴封有哪两种？

作用：

使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。

常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。

2、机械搅拌发酵罐搅拌器的作用是什么？

从搅拌程度来说，以哪种最为激烈，功率消耗也最大，哪种最小？

其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。

3、叙述气升式发酵罐的工作原理及其优点

工作原理:

把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。

特点:

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4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便

4、通用式机械搅拌发酵罐中挡板的作用是什么？

改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。

5、体外培养的动物细胞的两种类型是什么？

贴附型细胞培养：

在培养时能贴附在支技物表面生长。

悬浮型细胞培养：

在培养中悬浮生长。

6、通气发酵罐必须满足的要求？

（a）发酵罐应具有适宜的径高比（罐身越长，氧的利用率越高）；

（b）要能承受一定压力；

（c）发酵液混合与流动良好，保证发酵必需的溶解氧；

（d）具有足够的冷却面积；

（e）罐内应尽量减少死角，避免染菌；

（f）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。

7、啤酒后发酵设备（后发酵槽，即贮酒槽）的作用？

主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和CO2，促进啤酒的稳定、澄清和成熟

8、全挡板条件：

是指达到消除液面旋涡的最低条件，在一定转数下增加罐内附件而轴功率仍保持不变。

要达到全挡板条件必须满足下式要求：

D-发酵罐直径，b-挡板宽度，n-挡板数

9、膜生物反应器的优点？

①增大反应速率。

在生物学中有许多反应是产物抑制型，即随着反应的进行，产物浓度提高，反应速率下降。

采用膜生物反应器可在反应过程中移去产物，使产物浓度保持恒定，反应速率因此会提高。

②提高反应转化率。

膜生物反应器通常在常温和常压下进行生化反应，可使产物或副产物从反应区连续地分离出来，打破反应的平衡，从而可大大地提高反应转化率，增加产率或处理能力，过程能耗低、效率高。

③简化生产步骤。

膜生物反应器使反应和分离在同一个步骤里完成，简化了生产步骤，减少劳动量，提高了劳动效率。

④截留生物催化剂，使细胞或酶在高浓度下进行。

⑤减少了能耗，节约了成本。

10、.判断下图为何种生物反应器？

请简述其操作原理。

此图为具有外循环冷却的气升环流式发酵罐。

工作原理：

① 无菌空气从5处进入，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低而在导流筒内向上运动，而导流筒外壁与发酵罐外壁之间的的环流间隙中的发酵液由于气含量少而下沉。

② 为了使罐内液体保持恒温，通过泵6使发酵液循环（从7到9），在热交换器8处加热或冷却。

11、某味精厂需新建50M3种子罐,装料系数为60%,已计算出主发酵期生物合成热Q1=7.0×105kj/h，搅拌热Q2=8.5×104kj/h,查有关资料可知汽化热Q3=1×104kj/h，醪液的比重为ρ=1.04×103kg/M3，发酵温度为32℃，冷却水进口温度为15℃，出水温度为26℃，冷却水的平均比热Cp=4.186kj/（kg.℃），罐内采用不锈钢盘管冷却，其规格为53/60（mm）,壁厚3.5mm，其导热系数λ=188kj/（M•h•℃），根据生产经验数据可取传热系数α1和α2分别为2700kj/（M

•h•℃）和1.45×10

kj/（M

•h•℃），另外管壁水垢层的热阻取1/16750M

•h•℃/kj，试求发酵罐冷却面积、盘管总长度和冷却水耗量。

参考公式：

　　　　　　　　；

；　　　　　　　　　　；　　　　

解:

⑴.总的热量

Q=Q1+Q2-Q3=7.0×105+8.5×104-1×104=7.75×105（kJ/h）

⑵.冷却水耗量

⑶.对数平均温度差

⑷.K值的计算

⑸.冷却面积

6

取整为38M2。

⑹.冷却蛇管总长度

12、某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24t/h，每4h装满一罐，发酵周期为72h，试确定发酵罐的罐数和发酵罐体积（装液系数为0.9）。

（糖化醪密度为1076kg/m3）

解：

（1）确定发酵罐个数

（2）

发酵罐体积

13、一年产5万吨柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为14%，提取总收率90%，年生产日期为300天，发酵周期为96小时。

问需要多少个发酵罐？

解：

每日的产量：

m0＝50000/300=166.7（吨）

每日所需发酵液的量：

VL＝166.7/（0.14×0.9）=1322.8（m3）

假定发酵罐的装液系数为85%，则每日所需发酵罐容积：

V总＝1322.8/0.85=1556（m3）

取发酵罐的公称容积为250m3，则每日需要6个发酵罐，发酵周期为4天，考虑放罐洗罐等辅助时间，整个周期为5天。

则所需发酵罐的总数：

n=5×6+1=31个（其中一个备用）

第五章生物反应器的放大与控制

1、某厂在100升发酵罐中进行发酵实验，然后放大至100m3发酵罐。

试验罐的参数为：

罐径D＝400mm，搅拌状态下Rem>104,涡轮式搅拌器转速350r/min，试按P0/V相等准则进行放大，计算放大罐直径和搅拌器的转速。

（已知：

P∝N3D5,VL∝D3）

解：

V1=100L=0.1m3,V2=100m3,V2/V1=1000

体积扩大1000倍时，D2/D1=10，∴D2=10D1=4000mm

因P∝N3D5,VL∝D3，∴P/VL∝N3D2，

由于P/VL=常数，∴N2=N1（

）

=350х0.214=75r/min

2、某通风发酵罐体积100L，拟放大到10m3生产罐，发酵液为牛顿型流体，黏度μ=2.25×10－3Pa.s，密度ρ=1020kg/m3，实验罐尺寸为直径375mm，搅拌叶轮直径125mm，高径比H/D=2.4，液深HL=1.5D，装液量60L，通风量1.0VVm，使用两挡六弯叶蜗轮搅拌器，转速350r/min，请按Po/V相等的准则放大，（放大罐空气流量为3.00m3/min）求放大罐的几何尺寸和Pg。

解：

⑴按几何相似原则确定10m3生产罐的尺寸

根据题意几何比例相同有H/D=2.4，D/Di=3HL/D=1.5

装料系数仍取60%

则：

VL=10×60%=6=π/4×D2×1.5D

D3=5.10

D=1.72mH=2.4D=4.13m

Di2=D/3=0.57mHL=1.5D=2.58m

⑵按Po/V相等原则

则：

n2/n1=（Di1/Di2）2/3

n2=n1（Di1/Di2）2/3=350×（0.125/0.57）2/3=127.28（r/min）

Re=n2Di22ρ/μ=127.28/60×0.572×1020÷（2.25×10－3）

=3.12×105＞104

仍采用两挡六弯叶蜗轮搅拌器Np=4.7

放大罐的不通气的搅拌功率

Po=2Npn3ρDi25=2×4.7×（127.28/60）3×1020×0.575

=5507.18（W）=5.51kW

通气的搅拌功率：

Pg=2.25×10－3（Po2n2Di23÷Vg0.08）0.39

=2.25×10－3（5.512×127.28×573÷30000000.08）0.39

=4.01kW

答：

放大