生物工程通风搅拌反应器习题参考答案.docx
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生物工程通风搅拌反应器习题参考答案
第1,2章通风搅拌反应器
一、单项选择题
1、好气性发酵工厂，在无菌空气进入发酵罐之前—C_,以确保安全。
A.应该安装截止阀B.应该安装安全阀C.应该安装止回阀D.不应该安任何阀门
2、机械搅拌发酵罐中最下面一档搅拌器离罐底距离一般_A」应器直径的高
度，最上面一个搅拌器要在液层以下0.5米（大罐）。
A.小于一个或等于一个B.大于一个小于两个D.等于两个C.以上答案都不对
3、塔式啤酒发酵罐换热的蛇管在发酵罐外，蛇管内用—B_与罐内的啤酒发酵醪进行热交换。
A.蒸气B.酒精C.冷凝水D.热水
4、目前啤酒厂的圆筒锥底发酵罐内采用C。
A.圆盘平直叶涡轮搅拌器B.螺旋浆式搅拌器C.无搅拌器D.锚式搅拌器
5、气升式发酵罐的优点是无需B。
A.空气过滤系统B.搅拌器C.空气喷嘴D.罐外上升管
6•机械搅拌通风发酵罐在装液灭菌冷却后，搅拌器的输出功率应是：
（A）
A•通入无菌空气后比通入无菌空气前有所下降
B.通入无菌空气后比通入无菌空气前有所上升
C.与有无空气无关，输出功率在通风前后保持不变
D.通入无菌空气后与通入无菌空气前相比，有时上升，有时下降
7.对于大通风比发酵过程来说，发酵罐内发酵液中的空气气泡直径：
（C）
A.与通风量有关，与空气喷嘴直径有关
B.与通风量无关，与空气喷嘴直径有关
C.与通风量有关，与空气喷嘴直径无关
D.与通风量无关，与空气喷嘴直径无关
8.外循环空气带升式发酵罐的优点是无需。
A.空气过滤系统B.搅拌器C.空气喷嘴D.罐外上升管
二、多项选择题
1、由于大生产中所使用的好气性发酵罐是受压容器，因此封头选用_ABC
圭寸头。
A.锥形B.椭圆C.蝶形D.球形
2、通用式机械搅拌发酵罐中挡板的作用是ACD
A.提高醪液湍流程度，有利于传质B.增加发酵罐罐壁的机械强度C.改变液流方向，由径向流改变为轴向流D.防止醪液在罐内旋转而产生旋涡，提高罐的利用率
3、气升式发酵罐的特点有BD
A.高径比（H/D）比机械搅拌通风发酵罐的小B.无需机械搅拌
C.无需空气压缩机D.溶氧速率较高
4、圆筒锥底啤酒发酵罐的夹套内可用ABC与啤酒发酵醪进行热交换。
A.乙二醇B.乙醇C.氨D.冷凝水
5、生产中使用的酒精发酵罐是受压容器，因此上下封头一般选用__ACD_封头。
A.锥形B.球形C.蝶形D.平板
6、喷射自吸式发酵罐的优点是。
A.空气吸入量与液体循环量之比较高B.无需搅拌传动系统C.
气液固三相混合均匀D.适用好氧量较大的微生物发酵
三、填空题
1、目前，常用的通风发酵设备有
2、通风发酵罐的消泡装置有
等。
3、通风发酵罐的主要结构有
、
等。
和
4、
嫌气发酵设备包括
和
等，酒精发酵罐
的全体积公式为
等，其中应用最多的是
5、通用式发酵罐是典型机械搅拌通风发酵罐，其罐的传热装置有和等几种。
6•体外培养的动物细胞有两种类型，一种是,来源于血液、淋
巴组织的细胞，许多肿瘤细胞（包括杂交瘤细胞）和某些转化细胞属于这一类型，可采用类似微生物培养的方法进行悬浮培养。
另一种是，大多
数动物细胞，包括非淋巴组织的细胞和许多异倍体细胞属于这一类型，它们需要
附着于带适量正电荷的固体或半固体表面上生长。
7.植物细胞悬浮培养所用生物反应器主要有和。
8、植物细胞培养反应器的固定化细胞培养反应器有、
和等类型。
四、判断题
（X）1、100m通用式机械搅拌发酵罐一般搅拌转速在140-160rpm之间，所用变速装置为无极变速器，以调整搅拌转速。
（V）2、通用式机械搅拌发酵罐的高径比一般为1.7-2.5
（X）3、一个10吨左右的通用式机械搅拌发酵罐往往采用夹套作为传热装置。
（V）4、在发酵罐排气系统中安装的碟式消泡器的工作原理与离心分离机基本相同。
（X）5、用通用式机械搅拌发酵罐进行糖化酶（黑曲霉）发酵时，在维持搅拌功率不变的前提下，减少搅拌器直径D,增加其转速n,有利于提高溶氧系数，因此在糖化酶（黑曲霉）发酵罐设计时，采用小D高n,对发酵有利。
（X）6、通用式机械搅拌发酵罐中搅拌器的作用是打碎泡沫，促使二氧化碳从醪
液中排出。
（V）7、100m3通用式机械搅拌发酵罐一般搅拌转速在140-160rpm之间,所用变速装置多为三角皮带轮变速。
（X）&空气进罐的最后一个阀门往往采用安全阀，这是防止由于操作失误造成的发酵液倒流入空气过滤系统。
（X）9、比较涡轮式搅拌器的三种形式，以平叶式所消耗功率最小。
五、概念
1.搅拌器的轴功率
是指搅拌器以既定的速度转动时，用以克服介质的阻力所需要的功率。
2.全挡板条件
是指在一定转数下再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：
b（0.1~0.12）D
nn0.5
DD
D-发酵罐直径，b-挡板宽度，n-挡板数
3.气体截留率
在通风液体中由于充气而导致的体积增加率。
通风前液体体积为Vl,通风时体积的增加量为
Vg,则气体截留率
Vg
VlVg
六、问答题
1.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。
答：
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。
2.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。
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。
3•啤酒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：
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CO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。
4•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。
机械轴圭寸与填料函轴圭寸相比优点是：
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。
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。
•维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修。
轴或轴套不受磨损。
摩擦功率耗损少，一般约为填料函密封的10〜50%
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
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。
七、画图题
3
1.画出通用式机械搅拌发酵罐（50M以上）的示意图，并至少注明十个部件
的名称。
3
2.画出柠檬酸厂5M通用式机械搅拌种子发酵罐的示意图，并至少注明十个
部件的名称。
八、计算题（第1、2题可任选一题）
1•某味精厂需新建50M种子罐,装料系数为60%,已计算出主发酵期生物合成热Q=7.0x105kj/h，搅拌热Q=8.5x104kj/h,查有关资料可知汽化热Q=1X
104kj/h，醪液的比重为p=1.04x103kg/M3,发酵温度为32E，冷却水进口温度为15C，出水温度为26E，冷却水的平均比热Cp=4.186kj/（kg.C），罐内采用不锈钢盘管冷却，其规格为53/60（mm）,壁厚3.5mm,其导热系数入=188kj/（M?
2
h?
C）,根据生产经验数据可取传热系数a1和a2分别为2700kj/（M?
h?
C）和
422
1.45X10kj/（M?
h?
C），另外管壁水垢层的热阻取1/16750M?
h?
C/kj，试求发酵罐冷却面积、盘管总长度和冷却水耗量。
1.总的热量
Q=Q+Q-Q3=7.0X105+8.5X104-1X104=7.75X105（kJ/h）
2.
冷却水耗量
3.对数平均温度差
4.K值的计算
5.冷却面积
Q
7.75
105
2
37.86（M）
K
tm1932
10.6
A
38
214.1（m）
d
3.140.0565
A
取整为38M2。
6.冷却蛇管总长度
L
2某抗菌素厂需新建30M种子罐，装料系数为60%已计算出主发酵期生物合成
热Q=4.4X105kj/h,搅拌热Q=7.2X104kj/h,查有关资料可知汽化热Q=1X104kj/h，醪液的比重为p=1.04X103kg/M3,发酵温度为32C，冷却水进口温度为16C，出水温度为25C，冷却水的平均比热Cp=4.186kj/（kg•C）,罐内采用竖式蛇管冷却，蛇管为水煤管，其规格为53/60（mm），壁厚3.5mm其导
热系数入=188kj/（M•h•C），根据生产经验数据可取传热系数a1和a2
参考公式：
W
Q
Cp（t2切
tm
（tFt1）（tFt2）
2.303lg
tF1
tFt2
1“Q
a-；—
丄丄_S」’K-
12
分别为2.7X103kj/（M2•h•C）和1.45X103kj/（M2•h•C），另外管壁水垢层的热阻取1/16750M•h•C/kj,试求发酵罐冷却面积、竖式蛇管总长度和冷却水耗量。
解：
1.总的热量
Q=Q+Q-Q3
544
=4.4X10+7.2X10-1X10
=5.02x10（kJ/h）
2.冷却水耗量
wQ5.02105
Cp（t2ti）4.186（2516）
4
=1.33x10（kg/h）
3.对数平均温度差
tm
（tFt1）（tFt2）
2.303lg
t£
tF
10.9（oC）
4.K值的计算
1
K
丄丄S1
12
5
5.02105
193210.9
2
23.85（M）
根据生产实际情况取整A=25M
6.竖式冷却蛇管总长度
LA25
1-_d3.140.0565
=140.92（M）
3•有一50m3的发酵罐，装料系数为0.7罐的直径为3m,采用三层六弯叶涡轮搅拌器进行搅拌，搅拌桨直径为1m,搅拌器转速为130转/分，罐内装有4块档板，通气量为25m3/min,罐压为0.05Mpa（表压）,培养温度为28C,发酵液的粘度为1.96X
-33
10Pa-s,密度为1050kg/m3,封头直边高度为0.04m,封头凸出高度为（1/4）D
求：
液柱高度HL及H/D?
不通气时的搅拌功率为多少？
通气时搅拌功率为多少？
解：
1）求液柱高度HL及H/D
从安全的角度，把50m3的发酵罐认为是公称容积计算是很安全的，但罐的使
用效率不高，从准确和有效利用的角度，将50m3认定为全容积也是可行的，这
里由于装料系数只有0.7,可以看作是全容积.
3
实际装料V=50X0.7=35m
22221
VDhb-Dha30.04—3—3
下封头的体积为:
46464
33
3（0.04）3.815m
46
筒体实际装料为:
V2=V-V1=35-3.815=31.185m3
筒体装料高度
V231.185
H1224.414m
_D20.78532
4
则液柱高度HL=4.414+0.04+0.75=5.2m
2
V总2V1-DH
4
uV总2V15023.815「
H26m
_D20.7853
4
故高径比H/D=6/3=2
2）求不通气时的搅拌功率
由于具有4块档板，假定满足全档板条件，则
P=Kn3d5pK=Np
对六弯叶涡轮，查表2=5
P=Kn3d5p=5X（130/60）3X15x1050=53.4KW由于H/D=2工3
（Hl“）
；3
0.816
需进行校正
P*=0.816X53.4=43.57KW
对多层搅拌器
Pm=P*（0.4+0.6m）=43.57X（0.4+3X0.6）=95.85KW
3）求通气时的搅拌功率
发酵液黏度及密度符合范围，采用Michel法求解:
d/D=1/3时，C=0.157
采用通气准数法计算:
gQ0（27^^）?
0.1013厂
3273（0.1013Pt）0.5g106Hl
25（27328）0.1013
通气准数Na
Qg
nd3
0.2615
60
0.12>0.035时,
60（273）（0.10130.05）0.510509.81065.20.2615
Pg/P=0.62-1.85Na
Pg=（0.62-1.85Na）P=（0.62-1.85X0.12）X95.85=38.15KW
第一章培养原料预处理
1.一般说来，容器回转式混合器多为间歇式操作。
“
2.锥形混合机是一种悬臂螺旋混合器。
“
3.双锥形混合机是一种容器固定型。
X
4.植物性原料一般采用筛分原理分级机械设备。
X
5.滚筒式分级机的进料端的筛孔最小。
“
6.利用空气做工作介质的气流式粉碎机可以产生抵消粉碎发热的效应。
V
7.球磨机由电动机通过固定在筒体上的大齿圈带动转动。
V
8.球磨机是指借助于运动状态、具有形状和尺寸的研磨介质所产生的』
击、摩擦、剪切、研磨等作用力使物料颗粒破碎的研磨粉碎机。
其粉
碎效果受磨介的研磨介质的形状、尺寸、配比运动形式、物料充满系数
10.容器固定式粉体物料混合器采用_A—结构作混合件。
A.螺旋B.涡轮C.锚式D.框
11•容器回转式粉体物料混合器D。
A.混合均匀度易控制B.只能间歇操作C.可用真空进料D.A、B、和C
第二章培养基制备与灭菌设备
一、选择题
1、连消工艺流程中，物料中的杂菌主要在哪个设备中被灭活（D）
A连消塔B喷射加热器C喷淋冷却器D维持管
2无论是种子罐或发酵罐，当培养基尚未进罐前对罐进行预先灭菌，称为空罐灭菌，对空罐灭菌的温度和时间的要求是（C）
A高温瞬时（133°C，15s）B同实罐一样（115C，8〜15min）
C高温长时（127C，45min）D间歇灭菌（100C，30min，连灭三次）
3、在连续蒸煮糖化流程中，真空系统的作用是（AC）
A除去蒸煮醪多余的水分；B进一步加热杀菌；C冷却蒸煮醪D维持整个系统真空度
二、判断：
（）
1、高温瞬时灭菌对营养成分保存有利（V）
2、连消塔中蒸汽对培养基加热是直接加热。
（X）
3、蒸煮设备中后熟器不再通入加热蒸汽。
（V）
三、问答题
1、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，所以培养基火菌后，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。
2、分批灭菌为什么要“三路进气”，分别是那三路进气，实罐灭菌的进气和排气的原则是什么？
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。
3、试画出连消塔加热灭菌流程图，并简述其结构特点及培养基连续灭菌的优点。
四、计算题
1.一台连续灭菌设备，培养基流量Q=18M3/h,发酵罐装料容积75M3，培养基的原始污
染程度为10个/ml，发酵工艺要求因培养基灭菌原因引起的倒罐率为0.1%，即Ns=10-个/
批，灭菌温度T=398K，查图得此时的反应速度常数为k=11分-1，维持段采用无缝钢管公称
直径Dg=150mm。
试求培养基连续灭菌过程中维持时间t以及维持管的长度L约需多少。
解：
No=75X103X103X105=7.5X1012
代入对数残留定律：
2.303-logkNs
12
I
3.32（min）根据实际情况取6分钟。
7.510
2.303log3—
II
3103
第三章分离设备
一、选择
1.降低超滤过程中的浓差极化现象的手段可有ABD
A.采用错流操作B.提高液体的湍流程度
C.降低过滤液体流速D.升高液体温度
2.超滤、反渗透两种膜分离技术的优点是ACD—
A.分离过程中不发生相变化，与有相变化的分离法和其他分离法相比，能耗要低。
B.膜使用方便，不需洗涤与后处理操作，节约时间。
C.由于只是用压力作为超滤和反渗透的推动力，因此分离装置简单，操作方便。
D.分离过程是在常温下进行的，因而特别适用于对热敏性物质的分离、浓缩。
、判断
1（X）板框式过滤机中，由滤布与滤板围成的空腔是容纳滤饼的空间。
2（X）反渗透中的浓差极化增加了溶质透过膜的阻力。
3（V）连续逆流离心萃取机中，重液由转鼓中心进入，逐层向外流动，而轻液是由转鼓外缘进入，逐层向内流动，在鼓中心排出。
4（X）板框式过滤机的过滤与洗涤液在设备内通过的路径一样。
5（X）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，它与转速成正比。
三、填空
1.在离心分离设备中膜分离设备有板式膜分离设备、管式膜分离设备、中空
维管膜分离设备和螺旋卷式等几种形式。
2.离心分离因数表示离心机分离特性，是离心机离心加速度和重力加速度的比值。
四、问答题
1.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，碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。
（2分）
两种不同重度液体的混合液进入离心分离机后，通过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。
2.什么是超滤过程中的浓差极化现象，如何降低浓差极化现象？
答：
待分离液从膜面一侧流过时，靠近膜面的液体处于层流状态；同时，当
水及小分子溶质透过膜面时，大分子的溶质在靠近膜面处被阻留。
被阻留分子从膜面返回液体主体的速度受其通过层流区的扩散速度所控制，当这一速度低于被阻留分子在膜面聚集的速度，就必然会在膜面的一侧逐渐形成一高浓度的被阻留溶质层。
这就是浓差极化。
随着浓缩倍数的提高，浓差极化现象越来越严重，膜的透过通量也越来越低。
错流操作，和提高被滤液体的雷诺准数，都可以减小层流区的厚度，增大被阻
留分子返回液体主体的速度，这是削弱浓差极化的重要措施。
其中后者在操作上常通过提高流速和提高液温来实现。
3•离心机的分离因素其含义是什么？
为什么高速离心机往往采用小直径高转
速？
n2d
900
f值越大，即离心力越大，越有利于分离，提高转速
n比增大d对f有利得多
22nr
1800g
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。
2
nr
1800
4.叙述转筒真空过滤机的主要结构及工作过程。
见教材或课件
5.提高过滤速度的措施有那些？
（不要求）
6.简述碟片离心澄清机、碟片离心分离机的概念，两者结构有何差异？
藉离心沉降速度的不同将悬浮液中的液、固相分开的离心机称作离心澄清机。
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。
在碟片固定位置开孔并形成垂直方向的分离通道结构的离心分离设备，碟片不开
孔为离心澄清机。
萃取与离子交换设备
一、填空
1.超临界流体萃取的工艺流程有ABD
A.变压法萃取B.变温法萃取C.逆流萃取D.吸附萃取
2.纯水的制备工艺中要用到下列哪些设备类型ACD
A.膜分离设备B.连消设备C.离子交换设备D过滤设备
3•离子交换设备中的反吸附离子交换罐，溶液流向是：
（C）
A•上下相向流动B•自上而下C•自下而上D.不在所选之列
二、名称解释：
萃取：
分为液液萃取；固-液萃取以及超临界萃取，液-液萃取利用待萃取物（目标产物）在两个互不相溶的液相中溶解度的不同，从而达到分离的目的。
三、简述：
1•固体物料间歇式CO2超临界萃取的工作原理及主要设备构成；
超临界萃取：
以介质温度和压力略超过或靠近临界温度和临界压力，介于气体和液体之间的流体作为萃取剂，从固体或液体中萃取出某种高沸点或热敏性成分，再通过变温变压操作，萃取剂从超临界状态到气态，分离出目标产物。
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