大学知识点讲义生物工程设备.docx

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大学知识点讲义生物工程设备

生物工程设备

实际应用的生物反应器可归纳为以下几种：

厌气生物反应器、通气生物反应器、光照生物反应器和膜生物反应器。

目前，常用的通风发酵设备有机械通风搅拌式、气升环流式、鼓泡式和自吸式等，其中应用最多的是机械通风搅拌。

通风发酵罐的消泡装置有耙式、蜗轮式、碟片式和刮板式、旋风离心和叶轮离心等。

嫌气发酵设备包括酒精和啤酒等，酒精发酵罐的冷却面积为A=Q/KΔTm，全体积为V=V0/φ。

植物细胞悬浮培养所用生物反应器主要有机械搅拌反应器和非机械反应器。

植物细胞悬浮培养非机械搅拌反应器主要有鼓泡式和气升式。

植物固定化细胞培养反应器有以下类型：

填充床反应器、流化床反应器和膜反应器。

动物细胞培养的操作方式可分为分批式、流加式、半连续式、连续式和灌注培养5种方式。

动物细胞的培养方法有三种：

贴壁培养、悬浮培养和固定化培养。

动物细胞大规模培养反应器有通气搅拌式细胞培养反应器，气升式细胞培养反应器，中空纤维细胞培养反应器，微囊培养系统。

微藻大规模培养反应器有两类，分别是敞开式和封闭式。

微藻大规模封闭式光培养反应器有以下几种类型管道式、圆筒式、扁平箱式、浅层槽式、浅层溢流和光纤光培养反应器。

生物反应器设计基础可归纳为以下几方面：

生物反应器的化学计量基础、生物学基础、质量传递、热量传递和生物反应器的剪切力问题。

在离心分离设备中膜分离设备有板式、管式、中空纤维式和螺旋卷式4种形式。

生物反应器被广泛用于：

动植物细胞培养、组织培养和酶反应等场合。

气力输送系统可分为吸引式、压送式和混合式三种流程。

通用式发酵罐是典型机械搅拌通风发酵罐，其罐的传热装置有夹套和蛇管或列管等两种。

啤酒连续发酵流程主要有塔式连续发酵和多罐式连续发酵系统。

固体物料的输送机械有斗式提升机、皮带运输机、螺旋运输机和气力输送系统。

两级冷却、分离、再加热的空气过滤除菌流程中，空气贮罐的作用是消除压缩机排出空气量的脉冲、维持稳定的空气压力和利用重力沉降分离油雾。

生物反应器的设计须以：

生物体为中心，设计者要有化学工程的知识又要有生物工程的基础。

大麦的分级设备有两种类型，分别是大麦粗送机和磁力除铁器。

离心分离因数：

离心力与重力的比值。

蒸发：

将稀溶液中的部分溶剂汽化并不断排除，使溶液浓度增加。

结晶：

通过将过饱和溶液冷却，蒸发或投入晶种使溶质结晶析出的过程。

喷雾干燥：

利用不同的喷雾器，将悬浮液或粘滞的液体喷成雾状，与热空气之间发生热量和质量传递而进行干燥的过程。

粉碎比：

物料粉碎前后平均粒径之比。

渗透：

扩散过程，在膜两旁，渗透压差的作用下溶剂产生流动。

搅拌器：

通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合的装置。

助滤剂：

一种不可压缩的多孔微粒，使滤饼疏松，过滤阻力下降，滤速加快。

气流干燥：

利用热气流将物料在流态下进行干燥的过程。

CIP系统：

用机械使清洗剂在设备中循环，清洗过程可自动化或半自动化。

蒸馏：

将某些液相和固相，液相和液相的混合物分离开，或将其组分再进行提纯的化工单元操作。

沸腾干燥：

将物料加热至沸腾以除去湿分的单元操作。

画出通用式发酵罐的结构简图，并简述其主要部件的作用。

主要部分有罐体，搅拌器，挡板，轴封，空气分布器，传动装置，冷却管，消泡器，人孔，视镜等。

搅拌器和挡板主要作用是混合和传质。

（即使通入的空气成分泡并与发酵液充分混合，使气泡细碎以增大气-液界面，以获得所需要的溶氧速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气液固三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。

）

轴封的作用是防止染菌和泄漏。

空气分布器，

气升式发酵罐（ALR）也是应用最广泛的生物反应设备。

特点：

结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低等。

气升环流式反应器的特点：

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、操作和维修方便。

新型啤酒发酵设备中高位塔式发酵罐的结构特点和优点是什么？

新型啤酒发酵设备，圆筒体锥底立式发酵罐，可单独用于前发酵或后发酵，也可将前、后发酵合并在该罐进行。

操作清洗方便，无菌条件高，又利于二氧化碳气体的回收和酵母的收集，所以，已广泛用于啤酒生产。

试画薄板换热器连续灭菌流程图，并论述其结构特点和培养基连续灭菌的优点。

薄板换热器连续灭菌流程的特点：

在生培养液管道与灭菌后的培养液管道间安装薄板换热器，用待冷却的热培养液来为生培养液预热，可以节省能耗，提高效率。

叙述转筒真空过滤机的结构和工作过程。

转筒真空过滤机是一种连续操作的过滤设备，设备主体是一个由筛板组成的你能转动的水平圆筒，表面有一层金属丝网，网上覆盖滤布圆筒内沿径向被筛板分隔成若干个空间，每个空间都以单独孔道通至筒轴颈端面的分配头上，分配头内沿径向隔离成3个室，它们分别与真空和压缩空气管路相通。

整个圆筒分为过滤区，洗涤和脱水区，卸渣和再生区。

过滤区，圆筒内下部与料浆接触，由于此区空间与真空管联通，于是滤液被吸入筒内并经导管和分配头排至滤液贮罐中，而固体粒子则被吸附在滤布的表面形成滤饼层。

洗涤脱水区，圆筒从料浆槽转出来后，喷嘴将洗涤水喷向圆筒面上洗涤滤饼层，洗涤水因为真空吸附而穿透到筒内，经分配头引至洗水贮罐中。

卸渣和再生区，经洗涤和脱水的滤饼层被圆筒内释放的压缩空气吹松，随后被刮刀刮除，滤布继续被吹至吹净残余滤渣，得到再生。

画图并叙述淀粉质原料罐式连续蒸煮糖化流程的工作原理。

该流程中，蒸煮罐3，后熟器4和最后一个后熟器5内的温度都较高，是受热的3个不同阶段，3是在加热，4不再进入蒸气，是保持温度，维持一定时间的真正起到后熟作用，5是起汽液分离作用，使经加热，后熟的蒸煮醪分离出一部分二次蒸汽并使之降温。

1.试画酒精发酵罐结构图，并标注各部件的名称和说明其作用。

2.叙述自吸式发酵罐的工作原理和应用范围。

3.升膜式真空蒸发器的流程图和工作原理是什么？

4.试画酒精发酵罐结构草图，并标注各部件的名称。

5.试画气流喷雾干燥流程图，并论述其工作原理和特点。

画图叙述新型啤酒发酵设备中锥型罐的结构特点和优点是什么？

新型啤酒发酵设备，圆筒体锥底立式发酵罐，可单独用于前发酵或后发酵，也可将前、后发酵合并在该罐进行。

操作清洗方便，无菌条件高，又利于二氧化碳气体的回收和酵母的收集，所以，已广泛用于啤酒生产。

试画连消塔加热的连续灭菌流程图，并论述其结构特点和培养基连续灭菌的优点。

请写出下图标注序号的名称和流程，并说明其操作原理

湿法粉碎设备：

主要包括输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。

粉碎可采用一级或二级粉碎（两部份粉碎串联使用），从粉碎机出来的粉碎机进入加热器，利用蒸煮工段放出的二次蒸汽预热至一定温度后备用。

这种湿法粉碎流程的主要优点是：

消除了粉碎危害,改变了劳动环境,降低了原料消耗；粉碎过程中,淀粉已经开始吸水膨胀,提高了蒸煮效果；粉碎后经预热,提高了蒸汽的利用率；由于粉碎在有水的情况下运转，使得机器零件（特别是刀片）的磨损减少，节省了设备维修费用。

1.画出酒精发酵罐的结构图和水力喷射洗涤装置图。

2.请叙述升膜式蒸发器中加热管内液膜形成的过程。

3.用简图叙述五棍式粉碎机的操作原理。

为了缩小体积和简化，五棍粉碎机采用前3棍交联成两组磨损单元的形式，后2个轧辊联成一组磨损单元，前3个辊子是光棍，后2个棍子是丝辊，在前3辊之前和之后均配又筛选装置。

4.请叙述大麦粗选机SZ型的主要结构和工作原理。

5.用图叙述新疆紫草细胞培养流程。

第一章

1基质消耗速率与比生长速率的关系怎样？

P12

比生长速率μ：

生物量增长速率与培养基中生物量浓度之比，在指数期是一个常数。

2.Monod方程的内容和其假设是什么？

Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设为：

（1）细胞的生长为均衡式生长；

（2）培养基中只有一种基质是生长限制性基质，而其他组分为过量，不影响细胞的生长；

（3）细胞的生长视为简单的单一反应，细胞得率为一常数。

3.根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，可将代谢产物生成动力学分为哪几种类型，各有何特点？

类型Ⅰ（相关型）：

产物的生成与细胞的生长直接相关，产物是细胞能量代谢的结果。

类型Ⅱ（部分相关型）：

产物的生成与细胞生长有间接关系，产物是能量代谢的间接结果。

如柠檬酸和氨基酸的生成。

类型Ⅲ（非相关型）：

产物的生成与细胞的生长无直接联系，产物是二次代谢物。

如抗生素、微生物毒素等的生成。

4.kLA值的含义是什么？

P14

第二章生物反应器的类型

1.机械搅拌通风发酵罐主要有哪些结构部件？

各有何作用？

P22-P

2.机械搅拌通风发酵罐的Pg和kLa是如何计算的？

P28P27

3.提高kLa的途径有哪些?

1）增加搅拌器转速，以提高Pg，可以有效地提高KLa；2）加大通气量VG，以提高vs；3）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高C*？

4.气升式发酵罐和自吸式发酵罐的工作原理分别是什么？

气升式发酵罐:

把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用使气泡分割细碎，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。

自吸式发酵罐:

不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。

第三章嫌气发酵设备

1.酒精发酵罐的罐数和冷却面积是如何计算的？

P56

2.CIP清洗系统的主要组成和清洗步骤是什么？

P71-P72

3.试述啤酒塔式连续发酵的工艺流程。

P77

第四章植物细胞（组织）培养反应器

1.植物细胞培养反应器有哪些类型，其工作原理和优缺点分别是什么？

植物细胞培养反应器

（1）悬浮培养反应器机械搅拌式反应器2.气体搅拌式反应器3、光生物反应器4、组合式反应器

（2）固定化培养反应器填充床反应器2、流化床反应器3、膜反应器

2.微藻浅层溢流光培养反应器的工作原理和优点是什么？

P88

开发密闭式微藻光培养反应器依据的原则：

（1）高光照比表面积；

（2）较高的气体交换效率；（3）适合的循环方式；（4）改善光的传播途径、分配和质量；5）防止有害次生代谢物的积累；（6）较易实现培养条件的优化；（7）尽量降低生产成本。

多层交叉分布的隔板，使藻液形成多个浅液层，并靠溢流作用逐层向下流动。

优点：

受光均匀，光能利用率高；气液混和均匀；占地面积小

第五章动物细胞培养反应器

1.动物细胞培养的操作方式有哪些？

P91

2.动物细胞培养反应器有哪些类型，其工作原理和优缺点分别是什么？

3.通气搅拌式细胞培养反应器优点：

①避免通气时气泡直接损伤细胞；②流体混和效果好缺点：

P93

4.气升式细胞培养反应器P94-P95

5.中空纤维细胞培养反应器P95

6.微囊培养系统P97

7.微载体培养系统利用固体小颗粒作为载体，细胞在载体的表面附着，通过连续搅拌悬浮于培养液中，形成单层生长、繁殖。

P97

8.大载体培养系统优点：

①操作控制简单，可随机取样检测②附着细胞密度高③消耗品价格低廉④产物收率高

第六章生物反应器的检测和控制

生物传感器有哪些类型？

其工作原理分别是什么？

A.根据输出信号的方式分类

①生物亲合型传感器原理:

底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地结合，并引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化,如电荷、温度、光学性质等的变化。

反应式可表示为：

S（底物）+R（受体）=SR

②代谢型或催化型传感器原理:

底物与分子识别元件上的敏感物质作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型传感器：

S（底物）＋R（受体）=SR→P（生成物）

B.根据分子识别元件上的敏感物质分类

酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞器传感器

第七章生物反应器的比拟放大

目前对机械搅拌通风发酵罐进行放大设计的主要过程是什么？

P158

第八章物料处理设备

1.固体物料的筛选设备是如何满足筛选的工艺要求的？

？

？

一、除杂:

（a）纤维性较长的物质粗选机（b）颗粒状物质粗选机、精选机

（c）铁磁性物质磁力除铁器二、分级精选精选机

固体物料为什么需要进行粉碎?

固体物料经粉碎后，颗粒变小，表面积显著增大，可加速蒸煮时的溶解过程，减少能耗，提高淀粉利用率，并减少输送管道的阻塞现象，便于连续化生产。

2.固体物料的粉碎有可能受那些力作用？

P167（a）挤压破碎、（b）冲击破碎、（c）研磨粉碎、（d）剪切破碎、（e）劈裂粉碎。

3.试述罐式连续蒸煮糖化流程各个结构单元设备的结构特点与功能

加热器由三层直径不同的套管组成，内层和中层管壁钻有小孔，各层套管用法兰连接。

粉浆流经中层管，高压加热蒸气从内外两层进入，穿过小孔向粉浆液流喷射。

真空冷却器100℃左右→60℃左右真空冷却原理：

料液沿切线方向进入，旋转并沿器壁流下，在一定真空度下蒸发部分水份，需要汽化潜热，取自料液本身，因而料液很快被冷却到需要的温度。

P183

第九章过滤、离心与膜分离设备

1.板框式压滤机由哪些部件构成？

其工作过程如何？

P207

2.碟式离心机的工作原理是什么？

料液由上部中心进料管流至转鼓底部，经碟片座下面的分流孔流向转鼓壁。

在离心力作用下，比重大的固相物沉向转鼓内壁形成沉渣，待积满后排出。

轻液相沿锥形碟片上锥面向轴心流动至上部由轻液出口排出。

重液相沿碟片下锥面流向鼓壁，然后向上经重液出口排出。

从而完成沉渣，重液与轻液的分离。

膜分离方法有哪些？

膜分离设备有几种类型？

各自的特点是什么？

P230

方法;渗透、透析、电渗析、微过滤、超滤、反渗透、气体透过等。

1.板式膜过滤器、管式膜过滤器、中空纤维式膜分离器、螺旋卷绕式膜分离器

缺点：

板式优点：

保留体积小，能量消耗介于管式和螺旋卷绕式之间缺点：

死体积大

管式优点：

易清洗、无死角，适于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换缺点：

保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压降大

中空纤维式优点：

保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低缺点：

料液需预处理，单根纤维损坏时，需调换整个模件

螺旋卷绕式优点：

单位体积中所含有过滤面积大，换新膜容易缺点：

料液需预处理，流体阻力大，清洗困难

第十一章蒸发与结晶设备

升膜式蒸发器和降膜式蒸发器各适什么特点的物料？

P272

第十二章干燥设备

可用于抗生素干燥的设备有哪些类型？

你认为哪种适合高粘度抗生素的干燥？

为什么？

气流干燥

第十三章空气净化除菌

.过滤除菌过程中存在的过滤机理有哪些？

P371指出影响介质过滤效率的主要因素。

3.试比较常用空气除菌流程的优缺点和适用场合。