生物工程设备最终版.docx

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生物工程设备最终版

1.湿热灭菌？

为什么工业发酵培养基灭菌采用湿热灭菌法？

湿热灭菌：

湿热灭菌是直接用蒸汽灭菌。

为什么工业发酵培养基灭菌采用湿热灭菌法：

蒸汽冷凝时释放大量潜热，并具有强大的穿透力，在高温和水存在时，微生物细胞中的蛋白质极易发生不可逆的凝固性变性，致使微生物在短时间内死亡。

由于湿热灭菌有经济和快速等特点，因此被广泛用于工业生产。

2.空罐灭菌？

实罐灭菌？

实罐灭菌的优缺点？

实罐灭菌的四个阶段？

实罐灭菌操作过程的关键？

实罐灭菌的质量评判标准？

空罐灭菌：

当培养基（或物料）尚未进罐前对罐进行预先灭菌，我们称为空罐灭菌

实罐灭菌：

将培养基配制在发酵罐中，用饱和蒸汽将培养基加热，以达到预定灭菌温度并保温维持一段时间，然后再冷却到发酵温度，这种灭菌过程称作培养基实罐灭菌或称培养基分批灭菌（工厂里称实消）。

实罐灭菌的优缺点：

优点：

1设备投资少（利用发酵罐将罐和培养基一同进行加

热灭菌，无需另备灭菌设备）；

2灭菌后再次染菌的危险性较小；

3适宜易发泡、黏度大和含固形物较多的培养基。

缺点：

1间歇操作，加热和冷却时间长，发酵周期长，发酵

2罐的周转率低，不能适应大规模连续生产的要求；

3无法采用高温短时间灭菌，培养基营养成分被破坏。

实罐灭菌的四个阶段：

Ⅰ—间接加热阶段，培养基由室温加热至80-

90℃；

Ⅱ—直接加热阶段，培养基由80-90℃

121℃；

Ⅲ—保温阶段，121℃

Ⅳ—冷却阶段，121℃培养温度

理论灭菌时间（指在特定温度下的灭菌时间）：

实罐灭菌操作过程的关键：

●发酵罐及附属阀门无泄漏、无死角、无堵塞

●灭菌时罐内蛇管和夹层冷却部位的冷却水彻底排除干净

●液面以下与培养基接触的管道都要进蒸汽

●液面以上不与培养基接触的管道都要排汽

实罐灭菌的质量评判标准：

a.达到无菌要求；

b.营养成分破坏少；

c.灭菌后培养体积与计料体积相符；

d.泡沫要少。

3.在实罐灭菌结束时，为何应立即向罐内通入无菌空气，然后开启冷却系统进行冷却？

维持管内压力稳定，防止被破坏

4.连续灭菌？

连续灭菌的优缺点？

连续灭菌特点是什么？

连续灭菌：

又称连消，是把发酵罐预先灭好菌，将培养基在发酵罐外采用高效设备连续不断地进行加热，保温灭菌和冷却，然后连续进入已灭菌好的发酵罐里。

连续灭菌的优缺点：

优点：

提高产量（发酵周期短）；设备利用率高；培养基受热时间短，培养基中营养成分破坏较少；产品质量易控制；适于自动控制，便于操作，降低了劳动强度；蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高。

缺点：

设备较复杂，投资较高；染菌机会多

5.连续灭菌系统设备流程简图（标示出设备名称）？

塔式加热器（连消塔）、维持设备的作用及结构特征（工作原理）？

管式维持器和维持罐有何不同？

连续灭菌系统设备流程简图

塔式加热器（又称连消塔）：

a.结构：

由内外两根管子套合组成，内管是蒸汽导入管，其管壁上开有

45︒向下倾斜的小孔，小孔在导入管上的分布是上稀下密。

主要设计参数：

培养基在管间的停留时间为20～30s；培养基在管间流动线速度小于0.1m/s；内管开孔直径5～8mm，且45︒向下倾斜；蒸汽导入管道内的流速为20～25m/s。

有效高度为2～3m

管式维持器和维持罐有何不同：

管式维持器

维持罐的结构

a-进料口；b-出料口；c-排污口

维持罐

主要设计参数：

高为直径的2.0～2.5倍，即H/D=2.0～2.5物料的停留时间τ=理论灭菌时间×（3～5）；充填系数为0.85~0.9。

6.连续灭菌系统中培养基冷却设备主要有哪几种？

真空冷却器喷淋冷却器螺旋板换热器

7.发酵用的无菌空气的质量指标是什么？

发酵工业所指的“无菌空气”是指通过除菌处理后压缩空气中含菌量降低到零或达到洁净度100级的洁净空气，它已能满足发酵工业的要求

8.发酵车间的无菌空气为什么要经过三级除滤？

保护滤芯，延长使用寿命

9.发酵用的无菌空气的制备对空气的相对湿度有一定的要求，相对湿度是否是越低越好？

为什么？

不是；相对湿度越低，空气分压越小会导致空气流量不足，

10.压缩空气预处理目的

为了保证总过滤器内过滤介质的干燥，不应因压缩空气中夹带的水滴、油滴受潮引起过滤介质的结团变形而失效，因此在进入总过滤器之前要把压缩空气中夹带的水滴、油滴除去。

也就是说为了保证通气发酵用无菌空气的质量指标

11．压缩空气除水原理？

11.空气压缩冷却过滤的除菌流程，两级冷却、分离、加热的空气除菌流程（标示出设备名称），前置高效过滤空气除菌流程，这3种流程的特点，流程中的关键设备[粗过滤器、空气贮罐、气液分离器（旋风分离器、丝网除沫器）、空气冷却器、空气过滤器]的作用、工作原理。

1-粗过滤器2-压缩机3-贮罐4-冷却器5-总过滤器

流程特点：

设备较简单，由压缩机、贮罐、空气、冷却器和过滤器组成；

只适用于气候寒冷、相对湿度很低的地区；采用普通空气压缩机时，可能会引起油雾污染过滤器。

1-粗过滤器2-空压机3-贮罐4、6-冷却器5-旋风分离器7-丝网分离器8-加热器9-过滤器

两级冷却、分离、加热的空气除菌流程（标示出设备名称）

流程特点：

两次冷却、两次分离、适当加热。

空气第一次冷却到30～35℃，第二级冷却至20～25℃，经分离后加热到30～35℃，因为温度升高，相对湿度下降。

两次冷却、两次分离——油和水雾分离得比较完全；

适当加热——降低相对湿度，提高过滤除菌效率。

流程适用条件：

适应各种气候条件。

1-高效过滤器2-空压机3-贮罐4-冷却器5-丝网分离器6-加热器7-过滤器

前置高效过滤空气除菌流程

流程特点：

无菌程度高。

空气进压缩机之前设置高效过滤器；经前置高效过滤器后，空气的无菌已达99.99%。

流程适用条件：

适应各种气候条件。

粗过滤层亚高效过滤层

（采用聚氨酯泡沫塑料）前置过滤器

结构：

内部设计有两道过滤介质层粗过滤层；

设计参数：

粗过滤层空气流速≤0.5m/s亚高效过滤层空气流速0.2~0.5m/s

空气贮罐1-安全阀2-压力表3-进气管4-排污口5-人孔6-排气管

作用：

①消除压缩机排出空气量的脉动，维持稳定的空气压力；②可以利用重力沉降作用分离部分油雾；③让高温的空气在贮罐中停留一定的时间，起到空气的部分杀菌作用（贮罐外需加保温）

空气冷却器

空气冷却用的热交换器种类很多，常用的类型有：

列管式热交换器、喷淋式热交换器、沉浸式热交换器、板翘式热交换器等。

由于空气的给热系数很低，设计时应采取恰当的措施来提高它的给热系数，否则将会大大增加传热面积。

旋风分离器的工作原理：

夹带水滴或油滴的空气由进气管高速进入，在离心力作用下，水滴或油滴被抛向器壁，然后沿着器壁流下。

气液分离器

工作原理：

当夹带水滴或油滴的气体穿过金属丝网层时，水滴或油滴被拦截在金属丝网层上，液滴慢慢变大，其重力大于水滴或油滴在金属丝网表面的吸附力和浮力时，水滴或油滴就会自然滴下来。

设计要点：

空塔气速的确定、金属丝网的填充密度、设备的结构比例尺寸。

12.发酵车间的无菌空气为什么要经过总过滤、预过滤、精过滤？

空气总过滤器和分过滤器的作用有何不同？

设计以上两种过滤器时空气用量有何不同的考虑？

保证了过滤后的空气的达到发酵所用的标准，可以有效避免其在发酵过程中对设备以及产品的污染

空气总过滤器的设计：

空气总过滤器的选型是根据发酵车间的空气用量（按标准状况计算）。

滤芯选择聚四氟乙烯复合膜为佳。

设计空气总过滤器时，要求空气从切向进入总过滤器。

*分过滤器设计：

根据发酵罐的空气用量（按标准状况计算），进行过滤器选型或根据发酵工艺自行设计。

13.无菌空气制备流程中，气液分离设备（分水器）主要有哪几种？

工作原理及选用的依据？

作用：

除去空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子。

旋风分离器：

旋风分离器的工作原理：

夹带水滴或油滴的空气由进气管高速进入，在离心力作用下，水滴或油滴被抛向器壁，然后沿着器壁流下。

旋风分离器的压降很小，大约在120~250mmH2O

设计要求：

气体的停留时间大于水滴或油滴运动到器壁的时间

填料式分离器：

工作原理：

当夹带水滴或油滴的气体穿过金属丝网层时，水滴或油滴被拦截在金属丝网层上，液滴慢慢变大，其重力大于水滴或油滴在金属丝网表面的吸附力和浮力时，水滴或油滴就会自然滴下来。

设计要点：

空塔气速的确定、金属丝网的填充密度、设备的结构比例尺寸。

15．高效生物反应器的特点?

生物反应器设计主要考虑哪几方面因素？

高效生物反应器的特点：

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

2.良好的气-液-固混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；

3.良好的热交换性能，以维持反应最适温度；

4.能耗低，易于放大，具有配套而又可靠的检测及控制仪表等

安全因素：

防污染性能好，结构严密，罐内机械尽可能的少，易清洗和消毒

操作因素：

能量消耗少，便于操作和维护。

16．掌握机械搅拌式反应器的结构、组成、主要部件的作用

通用的机械搅拌式反应器的主要部件有：

罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡器、人孔、视镜等。

设置排气、取样、放料、接种、酸、碱以及安装温度、压力、pH等测量装置管道接口。

17．搅拌器的叶轮可以分为几种类型？

涡轮式搅拌器、旋桨式搅拌器的作用、适用场合有何不同？

各自有何优缺点？

搅拌器的叶轮可以分为两大类型：

①轴向流式：

产生的流体流动基本轨迹是平行于搅拌轴的。

最典型的是螺旋桨，其特点是：

混合效果好，但对气泡的分散效果差。

②径向流式：

使流体沿叶轮半径方向排出。

可分为开式和闭式叶轮两种。

最典型的是涡轮式搅拌器。

涡轮式搅拌器、旋桨式搅拌器的作用、适用场合有何不同？

各自有何优缺点？

常用的涡轮式搅拌器：

优点：

对气体的分散能力比较强。

缺点：

作用范围小,功耗大，轴向混合较差，当培养

液较黏稠时则混合效果大大下降。

气体的分散属于小尺度合，为了更好地溶解氧气，因此使用涡轮式搅拌器

常用的轴向流—旋桨式搅拌器：

旋桨式搅拌器使液体做轴向和切向运动，液

体离开旋桨后做螺旋线运动，轴向分速度使

液体沿轴向下流动，流至罐底再沿壁折回，

返入旋桨入口，形成循环总体流动。

优点：

轴向混合性能好,功耗小,作用范围大;

缺点：

对气体的分散能力弱。

18．工业上通气式发酵罐为何通常使用圆盘涡轮式搅拌器？

为了避免气体沿轴上升

19.大型发酵罐设计采用组合式搅拌器的原因？

如何组合选用？

可以更好地溶解氧气，在搅拌过程中最大限度的减少对发酵细胞的剪切伤害。

采用涡轮式与轴流式共用的搅拌系统。

20.挡板的作用以及全挡板条件

作用：

改变被搅拌液体的流动方向，使之产生纵向运动，从而消除液面中央部分产生的下凹漩涡。

全挡板条件：

是指在一定的转速下，在搅拌反应器中增加挡板，使漩涡基本消失。

或者说是指达到消除液面漩涡的最低档板条件。

21.端面机械轴封的作用？

机械单端面密封和机械双端面密封应用条件

作用：

防止泄漏和染菌。

生物反应器常用端面机械轴封。

优点：

密封可靠、无死角、寿命长、摩擦功率损耗小、对轴的震动敏感性小。

机理：

端面轴封是由静环、动环、弹簧、辅助密封圈等元件组成。

端面密封的作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴线的动环和静环光环表面紧密地相互贴合，并作相对运动而达到密封。

搅拌轴从罐顶伸入罐内（上伸轴）：

采用机械单端面密封；

搅拌轴从罐底伸入罐内（下伸