生物工程设备考试复习

生物反应的目的：生产细胞；收集细胞代谢产物；直接用酶催化得到所需产物。生物反应器类型：厌气、通气、光照、膜生物反应器；好气发酵罐必须满足的条件：①适宜的径高比D:H=1：1.7~4；②能承受一定的压力，有一定的强度和刚度；③结构严谨，尽量减少泄露；⑤足够的冷却面积，死角少防止污垢积累及染菌；⑥罐内的搅拌能使液体有一定的翻腾，使空气中的氧尽可能多地溶解；搅拌器形式：①螺旋桨式：推动醪液向上或向下运动，形成轴向流动。混合效果好，解离不是很好，常用的为3叶片，为发酵罐直径的1／3；②圆盘平直叶涡轮式：有很大的循环输出量和功率输出，适用于各种流体混合；③圆盘弯叶涡轮式：混合要求特高，溶氧速率相对较高；④圆盘箭叶涡轮式：输出功率较低，解离较低；好气型发酵罐机械搅拌器的作用：①混合和传质，使通入空气打散成气泡与发酵液充分混合，增加气液接触面积，以获得所需的溶氧速率；②使生物细胞悬浮均匀，分散于发酵体系中，以维持适当的气液固三相混合系质量传递，同时强化传热过程。挡板：改变液流方向，增加湍流程度，使液体翻腾剧烈，安4到6个；消泡器：打碎泡沫，以防止发泡严重时引起发酵液随排气而外溢，造成跑料，且增加染菌的机会；自吸式发酵罐的特点和原理：①特点：优，不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；溶氧速率和效率高，耗能较低；用于酵母生产和醋酸发酵生产效率高，经济效益高；缺，负压吸入空气，故发酵系统不能保持一定正压，易产生杂菌污染；②原理；利用叶轮在一定转速下有离心力作用使罐内产生负压，净化后的空气就不断经由通道吸入，通过定子导向，叶轮使气液均匀分布甩出。由于转子的作用，气液在叶轮周围形成强烈的湍流，使刚进入叶轮的空气在循环的发酵液中形成细碎的气泡，并在湍流中混合扩散。通气发酵罐的工作原理：靠通入压缩空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合，溶氧传质，同时强化热量传递。通气发酵罐换热器：提高反应器的传热效能，强化热交换，实现灭菌的加热和冷却及发酵时温度的调控。气升式发酵罐的原理及特点：原理：吧无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射透过发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎。由于形成气液混合物的密度降低而向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，从而形成循环流动，实现混合和溶氧传质。特点：结构简单，易于加工制造，操作维修方便；耗能低不易染菌，溶氧效率高；以喷淋冷却代替蛇管等传热装置，减少钢材，反应器内无搅拌器，且有定向循环流动；反应溶液分布均匀，剪切力小对生物细胞损伤小，传热良好；发酵罐的换热装置：①换热夹套：用于小型发酵罐，结构简单，加工方便易清洗，夹套高度比液面稍高，无需计算换热面积，传热效果较差，相同情况下，用水量较大；②竖式蛇管：罐内水流速大，传热系数高，对称安装，水与管壁间几乎无滞留层，可达300~450kcai／m2.h.℃，适用于冷却水温较低，水量较少的换热器；③竖式列管：以列管式分组装设于罐内，对称安装，加工方便，适用于水温高水量大的地区。搅拌器输入液体的功率：搅拌器以既定的速度旋转时，用于克服介质阻力所需的功率；通气时搅拌器的功率比不通气时低是因为通气使液体重量降低，导致搅拌功率减小。提高体积溶氧系数K：途径：①增大搅拌速度，增大Pg，提高通气量和空载面气速②提高搅拌转速或增大搅拌叶轮的直径③放出部分发酵液，补充新鲜的培养基，降低发酵液粘度④通入纯氧，提高罐内操作压力，使C※增大，传质推动力增大，KLA增大⑤改善设备工艺参数，优化操作条件。因素：操作条件（搅拌、通气量）；发酵罐的结构及几何参数（体积、搅拌叶轮结构及尺寸）；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）发酵罐比拟放大：方法：以体积溶氧系数KLA相等为基准的

放大；以Pg／VL相等为准，以搅拌叶尖线速度相等为准则；以混合时间相等为准则；或准则：单位体积液体的功率消耗；体积溶氧系数；搅拌雷诺数；容器中特定点的液体平均流速；对酒精发酵罐的要求：满足微生物生长和代谢的必要工艺条件，及时散热；嫌气发酵设备要求：密闭，能承受一定的压力，有冷却设备，罐内尽量减少装置，避免死角，便于清洗灭菌；啤酒厂后发酵设备作用：用来做嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。连续发酵比间歇发酵周期短：因为间歇发酵时微生物在一个罐内完成4个阶段的培养过程（生长缓慢期、生长加速期、生长平衡期、生长衰落期），而微生物在其前后两个非旺盛的生长时间相当长，因此发酵周期长，而连续添加新的培养基同时又不断排出发酵液，使罐内微生物一直维持在生长加速期，降低了代谢产物积累，缩短了发酵周期。比生长速率μ=ln2/td=0.693/td h-1 td为时间，即为微生物细胞量变为原来的两倍所需的时间h；分析公式dx／dt=（μ—D）X:①d=μ时，dx=0说明发酵过程中菌体数量浓度不随时间环境变化，整个系统处于平衡；②d＜μ时dx／dt﹥0，发酵过程中微生物浓度随t而上升，处于生长加速期③d﹥μ时dx／dt﹤0，微生物浓度来不及增殖，被冲出，因此需要分别在几个罐中添加培养基。（D为稀释速率，单位体积发酵液的流加量）；镰刀质量对粉碎机有何影响？重量过小所产生的离心力小，镰刀撞击物料后可能导致自己和悬挂轴向后转，使物料减少撞击的机会，降低粉碎效果；重量过大，消耗功率过大，不经济，一般为3.5~15Kg；锤式粉碎机：原理：物料进入后，受高速旋转的锤力强大冲击而被击碎，大颗粒受到锤力冲击后，由于惯性作用散向各方，高速撞击而击碎，反复直到撞成小颗粒；特点：结构简单、紧凑，物料适应性强，粉碎强度大，生产能力高，运转可靠，机械磨损大；辊式粉碎机原理：由几个直径相同的钢辊相向转动，把放在钢辊之间的物料夹住挤入两辊之间，物料受到挤压力而被粉碎。辊间距可调节，控制粉碎粒度；培养基灭菌方法?工业上常用？：①干热、湿热、射线灭菌、化学药品、机械法灭菌；②工业上常用蒸汽加热灭菌，因工业生产中，处理量大，又有固形物，采用蒸汽加热灭菌可实现高效短时灭菌，培养基成分受破坏少，又便于自动化，增加生产率；τ=1／K㏑（No／Ns）=（2.303／K）lg（No／Ns）：①原始污染后No的确定：培养液中原由细菌数加芽孢数②灭菌后残留菌数Ns未给定情况下一般取10-3③反应速度常数K的取用：不能取最耐热或最不耐热细菌芽孢的K值，在工程上取一般耐热的，未给定情况下取枯草杆菌芽孢的K值；影响培养基灭菌的因素：①PH值：pH值越小，所需灭菌时间越短②培养基成分：若培养液本身是油脂糖类，一定的蛋白质类培养基会增加微生物的耐热性；高浓度盐类、色素类培养基会减弱微生物的耐热性，减小灭菌温度；③起泡性：在泡沫内空气形成隔热层，阻碍传热速度，需提高灭菌温度④颗粒大小：颗粒越大，传热越慢，所需时间越长⑤药物：抗菌性药物可改变细胞生理特性，使其变得不耐热，抗菌性药物对接种有抑制作用⑥灭菌与营养成分被破坏的矛盾的解决：高温短时灭菌；影响体积溶氧的因素：搅拌速度；通气量和空截面气速；发酵液粘度；操作压力；常用干燥方法：空气干燥，加热面干燥，冷冻升华干燥，内部微波加热，红外线干燥；目的：减少体积和重量，除掉一定量水分，便于产品贮存和长途运输，防止微生物繁殖。干燥设备选型依据：满足产品质量要求（保持生物活性，避免高温分解）；密闭无菌，保证产品纯度；物料的特性；产量和劳动强度；投资和操作费用；气流干燥：原理：利用热气流将物料在流态下进行干燥的过程，干燥操作中，湿物料在热空气中呈悬浮状态，每个物料颗粒都被空气包围，使物料在流动过程中最大限度地与空气充分接触，气

固之间进行传热传质，打到干燥目的。适合于潮湿分散状态颗粒物料的干燥；特点：干燥强度大、时间短，适用性广，设备结构简单，占地小，生产能力大，能连续操作，可实现自动控制，对物料有一定的磨损，热能利用低。喷雾干燥特点：①干燥速度快，时间短，物料水分极易汽化而干燥②干燥温度低，适合于热敏性物料的干燥③制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高；沸腾干燥：原理：也称流化床干燥，利用流化态技术，即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状物料呈沸腾状态的干燥过程。流化床干燥中，热空气流速与颗粒的自由沉降速度相等，当压力降近似等于流动层单位面积的质量时，床层便由固定态变为流化态，床层开始膨胀，颗粒悬浮于气流中并呈沸腾状翻动，但保持一个明确的床界面，颗粒不会被气流带走，干燥过程处于稳定的流化态阶段；特点：传热传质速率大；干燥温度均匀，易于控制；干燥与冷却可连续进行，且设备结构简单，生产能力高，动力消耗小；绿麦芽为什么要进行干燥？除去多余的水分，防止绿麦芽的腐败变质；停止绿麦芽的生长和酶的作用，但要保持酶的活性；使麦根干燥，便于除去；除去麦芽的生腥味；发芽对空气的调节：温度，湿度，阳光，氧气；空气除菌：方法：介质过滤，辐射，化学药品，加热，静电吸附；原理：采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过的空气所含的微生物，从而获得无菌空气；空气过滤介质除菌：机理：惯性冲击滞留，拦截滞留，布朗扩散，重力沉降，静电吸附；对过滤介质的要求：吸附性强，阻力小，空气流量大，耐干热；粗馏：酒精生产中，将酒精与其他挥发性杂质从发酵成熟醪中分离出来的过程；作用：从发酵成熟醪中将酒精成分提取出，要求在正常操作下，保证酒精中酒精含量低于0.01％或0.004％；精馏：从粗馏酒精中除去杂质，进一步提高酒精浓度的过程。作用：把粗馏塔过来的粗馏酒精气体或液体提浓到产品要求的浓度，分离净化其杂质，使产品质量达到所要求的标准。选塔原则：塔板效率高，生产能力大，压降小，操作范围广，机构简单，操作方便，加工容易；酒精蒸馏过程选塔原则：处理能力大，效率高，压降低，操作弹性大，成本低，满足工艺特点要求。塔板距选取取决于：空塔蒸汽速度，液料的起泡性，塔板类型；影响塔板传质主要因素：①塔板间距，板上液层深度，水力梯度②塔板安装不水平或塔板凹凸不平，或升气孔分布不均匀，也会使塔板效率降低；③塔板上溢流装置的形式④被蒸馏的液体为易起泡物料，会使塔板效率降低⑤如能使板上液体不断更新，气液充分接触，可使塔板效率提高⑥回流比对精馏塔理论板数的影响；限制蒸馏塔操作范围的主要因素：雾沫夹带线，泄漏线，降液管超负荷线，液体负荷下限线，淹塔线，此五条线范围之内的区域，视为塔板的正常操作范围。雾沫夹带：指塔板上气流夹带雾沫液滴上升。若雾沫夹带量大，就会使塔内馏分浓度梯度降低，影响塔板效率。影响雾沫夹带主要因素是气体空塔速度和塔板间距。糖化锅：使麦芽和水混合，并保持一定的温度进行蛋白质的分解和淀粉糖化。糊化锅：用来煮沸辅助原料（大米粉或玉米粉）和部分麦芽粉醪液，使淀粉糖化和糊化。连续发酵特点：①培养基浓度和代谢产物含量稳定，保证产品质量与产量稳定②发酵周期短，设备利用率高，利于自动化③长期连续发酵中，微生物利用率高。酒精厂对连续糖化的要求：使糊化醪与曲液充分混合，在一定温度下维持一定时间，并保持流动状态，以便于酶的作用。什么是蒸发？设计蒸发设备应考虑溶液哪些特性？蒸发器操作要求？①将稀溶液中部分溶剂汽化并不断排出，使溶液浓度增加②特性：耐热性，结垢性，发泡性，结晶性，腐蚀性，粘滞性③要求：充分的加热热源，保证溶剂蒸汽，一定的热交换面积，以保证传热。升、降膜式蒸发器各有何特点？升：传热效率高，物料受热时间短，蒸发速度快；降：传热系数大，蒸发速度快，物料与加热蒸汽

之间温差小，物料可浓缩到较高浓度。加热管内高速流动的蒸汽适用于发泡性料液，占地小费用低投资少。结晶：溶液中结晶速度大于溶解速度，溶液中溶质含量超过其饱和溶液中溶质含量，溶质质点间引力起主导作用，它们彼此靠拢碰撞聚集，放出热量，并按一定规律排列而析出。结晶生产中应注意：①尽量避免自发成核，以防止晶核泛滥，无法长大，可在介稳区加入质量晶种②尽可能防止机械冲击③尽可能使过饱和溶液接触部分做到光滑无粗糙无焊接④加料溶液中悬浮的杂质在预处理使去除，以防止外界微粒过多。煮晶时出现白色浑浊怎么办？可加入蒸汽冷凝水，使溶液降到不饱和浓度而把新晶体核溶解，这样产品均匀一致。溶剂萃取：通过利用欲分离组分在溶剂中与在原料液中溶解度的差异来实现物质分离的一种技术。影响因素：萃取剂，pH，温度，乳化，盐析，带溶剂。分离：过滤分离，离心分离，膜分离；表面过滤：物质在过滤介质表面被截流的过滤方法。深层过滤：物质进入过滤介质内部被截流过滤。固液过滤时对过滤介质的要求：多孔，阻力小，耐腐蚀，耐热，足够机械强度，滤液透过性高。选择过滤设备依据：被过滤液体的过滤特征，生产规模：大用连续，小用间歇；操作条件，操作要求。怎样提高过滤速度？①降低滤饼比阻力ro，不计滤布阻力条件下，dq／dτ∝1／ro 即只要ro 减小，dq／dτ↓。在过滤液中添加过滤剂 絮凝剂 硅藻土等均可降低ro②降低滤液粘度μ：不计滤布阻力条件下，dq／dτ∝1／μ，μ↓dq／dτ↑③降低悬浮液中悬浮固体含量xo：不计下，dq／dτ∝1／xo，xo↓dq／dτ↑固性物少，过滤速度快，原料上用精料代替粗料④热处理：使悬浮液中蛋白质等胶体粒子变性凝固，使过滤速度加快⑤增大过滤推动力Δp：在一定限度内，增加滤饼和介质压力差，对提高过滤速度是有效的，不计下，dq／dτ∝Δp／ro，对可压缩性滤饼中ro=f（Δp）；：半透膜，机械强度好，耐热，化学性能稳定，不被细菌污染，过滤速度快；离心机分类：①普通离心机f＜3000，一般是600~1200,；高速离心机3000＜f＜50000；超速离心机f＞50000；②按操作性质：过滤式 沉降式③按操作方法：间歇式 连续式 ；空气增湿减湿方法：增湿：直接加入蒸汽；喷水，水以雾状喷入不饱和空气；待增湿空气与高湿含量空气混合；空气与大量水接触；减湿：喷淋低于该空气露点温度的冷水；使用热交换器把空气冷却至其露点以下，空气压缩后冷却至初温度使部分水凝集析出；用吸收或吸附除掉水分；通入一定干燥空气混合；气流输送：借助空气在密闭管道内的高速流动，物料在气流中被悬浮输送到目的地；输送速度：气流速度大于粒子悬浮速度；特点：①设备简单，占地面积小，输送可长达2000m左右②能灵活布置，便于管理，易实现自动化③在加热同时可对物料进行干燥等④不适宜输送粘性质物料；带式输送机：水平或带有一定倾角地输送物料，适用于颗粒或成件产品；斗式输送机：垂直提升物料，适用于松散式型小颗粒物料；螺旋式输送机：短距离水平运输，适用于粉状物料。