生物工程設備作業(yè)題總結

1、1.在工業(yè)化生產中，發(fā)現溶氧速率偏低，造成產品質量降低，試問有哪些方法可以提升溶氧速率，進而提升產品的質量？答 1 增加攪拌轉速；2 增加通氣量；3 通入純氧；4 增加罐壓力；5 加入促進氧氣溶解的試劑 6 減少裝液量或減少發(fā)酵罐體積2.試解釋為什么生物反應器體積增加，傳質效率降低？答 ：生物反應器的傳質效率主要用Tf 對流傳遞時間常數，值等于L/V；Td 為擴散傳遞時間常數 L/k2 ；TC 等于基質消耗時間常數。隨著生物反應器的增加，Tf 和Td 急劇增加，因為L增加。TC 值不隨體積增加而改變，這就造成營養(yǎng)物質供應速率隨體積增加而急劇減小，營養(yǎng)物質消耗速率不變，結果是物質供應相對于營養(yǎng)需

2、求不足，總的表象就是傳質性能差，所以要求大幅度提升傳質性能，強化傳質。3.氣升式生物反應器是如何強化傳質的？ 答 1 高莖比較大，增加氣體溶解效率，同時減少對徑向傳質的需求。 2 底部較大的通氣量，強化軸向傳質4.氣升式生物反應器的優(yōu)缺點是什么？ 答：優(yōu)點：1 反應溶液分布均勻；2 較高的溶氧速率和溶氧效率3 剪切力小，對生物細胞的損傷小4 傳熱良好；5 結構簡單，易于加工制造；6 操作和維修方便。缺點：1空氣吞吐量大2有機體、營養(yǎng)物質、溶氧混合控制難度高3 不適于顆粒和粘度大的培養(yǎng)基1 某個企業(yè)從高校研究室購買一株亞油酸高產菌株，在20 L發(fā)酵罐內驗收的指標都達到企業(yè)購買合同中對菌株實驗室的

3、性能要求，企業(yè)在合同中沒有涉及工業(yè)化生產的要求，企業(yè)在工業(yè)化生產時發(fā)現，在20 m3發(fā)酵罐中的產量遠低于實驗室水平，企業(yè)以菌株不合格為由，把高校訴訟到法院，你認為誰會勝訴，說明原因。答 企業(yè)敗訴，因為合同僅僅要求實驗室規(guī)模的產品質量，對工業(yè)化生產產品的質量沒有要求。實驗室規(guī)模產品質量與工業(yè)化生產產品質量有很大的可能性存在巨大差異。因為，隨著發(fā)酵體積增加，對流傳遞時間常數和擴散傳遞時間急劇增加，而基質消耗時間不變，所以工業(yè)化生產往往存在溶氧工業(yè)不足或營養(yǎng)物質供應不足，溫度或酸度控制不均勻或不靈敏的問題，這就造成產品質量或產量急劇下降。2 畫出 氣升式發(fā)酵罐結構簡圖（元件包括，罐體，進氣口，出氣口

4、， 導流筒），并說明氣升式發(fā)酵罐如何強化傳質。3 酒精發(fā)酵罐的結構簡圖（元件包括， 進料口，排料口，排氣口，蛇管，冷卻水收集槽，噴淋清洗管）4 畫出錐形啤酒發(fā)酵罐的結構簡圖（元件包括， 罐體，進料口，排氣口，冷卻系統(tǒng)），并說明為什么體積大于5 m3,仍然用夾套冷卻？答: 因為啤酒發(fā)酵是低溫發(fā)酵，微生物的代謝緩慢，產生的生物熱少，因此發(fā)酵熱少，需要降溫的比面積較小，所以可以用換熱比面積較小的加套式控溫方式，而且夾套控溫具有易于清洗，加工簡單等優(yōu)點。5 簡述兩種自吸式發(fā)酵罐的工作原理。1 畫出流化床反應器簡圖（元件：反應器上下隔板，冷卻加套，空氣進口，料液進口）2 畫出Cell-lift 生物反應

5、器的簡圖（元件包括，進氣口，排氣口，氣體環(huán)狀分布器，環(huán)狀氣腔），并說明其是如何強化傳質和減少剪切力的？答：通過特俗設計的攪拌槳的攪拌強化液體流動，強化傳質；同時通過環(huán)狀空氣分布器，強化氣體溶解。 通過環(huán)狀氣腔把氣體出口與細胞隔離，降低氣體溶解時對動物細胞的剪切力。同時管狀的攪拌槳，降低攪拌剪切力。3 說明管式離心機和碟片式離心機的基本結構和工作原理。答： 管式離心機通過轉筒的旋轉，帶動轉筒內液體高速旋轉，從而產生離心力，在離心力的作用下，密度大的液體或固體優(yōu)先向轉筒壁運動，密度小的液體被擠壓向中央。碟片式離心機高速旋轉的碟片帶動碟片夾層中的液體高速旋轉，在離心力的作用下，密度大的液體或固體向碟

6、片夾層頂端運動，密度小的被擠壓向離心機的中心通道流出，由于碟片夾層上下碟片距離小，因而密度大的液體或固體到達碟片所需要的時間短，從而大大提高分離效率。4 畫出板框式過濾機的結構簡圖（元件：過濾框，過濾板，洗滌板，濾布）1機械攪拌通風發(fā)酵罐的基本元件及其功能？ 圓柱形罐身，罐底和罐頂。三部分構成一個密閉的空間。 電機 提供攪拌的動力 軸 傳動裝置軸承（小罐沒有 ）固定軸承攪拌葉輪 打碎氣泡，驅使發(fā)酵液徑向和軸向流動擋板 增加液體的湍流程度夾套 蛇管 溫度控制軸封 密閉發(fā)酵罐，防止染菌加料口 出料口 添加和排放醪液 氣體進口或空氣分布器 氣體進入發(fā)酵罐 人孔 檢修和維護的進出口 視鏡 觀察口 取樣

7、口 取樣檢驗 保溫層 絕熱保溫 檢測元件 溫度計 壓力表 pH計2氣升式發(fā)酵罐的基本元件及其功能？ 圓柱形罐身，罐底和罐頂。三部分構成一個密閉的空間。 進氣管道 氣體進入發(fā)酵罐的通道 空氣出口 氣體排放的出口 導流筒 導流筒與罐壁把液體分為兩部分，促進液體的上下流動 人孔 檢修和維護的進出口 視鏡 觀察口 取樣口 取樣檢驗 保溫層 絕熱保溫 檢測元件 溫度計 壓力表 pH計3自吸式發(fā)酵罐的基本元件及其功能？ 圓柱形罐身，罐底和罐頂。三部分構成一個密閉的空間。 人孔 檢修和維護的進出口 視鏡 觀察口 取樣口 取樣檢驗 保溫層 絕熱保溫 檢測元件 溫度計 壓力表 pH計文氏管自吸式發(fā)酵罐1 泵 驅

8、動液體高速流動 文氏管 進氣通道和氣液混合裝置溢流自吸式發(fā)酵罐1 泵 驅動液體從管道中自下而上流動 溢流口 吸入氣體噴射自吸式發(fā)酵罐1 電機 驅動元件 軸 傳動裝置 葉輪 高速旋轉產生負壓，增加湍流程度促進氣體溶解 導氣管 空氣進入通道比較動物細胞生物反應器、機械攪拌式、氣升式、自吸式發(fā)酵罐的結構差異？ 溫度控制元件差異 動物細胞反應器要求溫度控制更加精確， 為精確控溫， 體積比其它類型的發(fā)酵罐小，單位體積的換熱面積大。其它類型的發(fā)酵罐通過加裝蛇管或外置的換熱裝置進行有效的溫度控制。通氣方式差異 動物細胞培養(yǎng)的生物反應器通氣有三種方式：硅膠管擴散的方式通氣；通過絲網阻隔，形成氣腔空間，空氣首先

9、通入氣腔內，避免對動物細胞造成較大剪切力；絲狀纖維管通氣，氣體以擴散的方式進入罐內機械攪拌通風發(fā)酵罐 氣體直接通過進氣口或空氣分布器進入到發(fā)酵罐內噴射自吸式發(fā)酵罐 氣體通過高速旋轉的葉輪產生負壓吸入罐內；文氏管發(fā)酵罐通過文氏管吸入空氣，流體高速流動需要泵的輸送；溢流自吸式發(fā)酵罐空氣通過溢流口吸入發(fā)酵罐。氣升發(fā)酵罐 氣體通過泵的輸送，通過進氣管進入發(fā)酵罐內部。溶氧方式控制的差異 動物細胞培養(yǎng)生物反應器所需要的氧氣濃度相對較低，通過控制硅膠管的氧氣壓控制氧氣濃度；為促進溶氧；帶有絲網隔開的生物反應器在氣腔內攪拌。機械攪拌通風發(fā)酵罐 通過控制通氣量、罐壓、攪拌轉速、改變葉輪的形狀等控制溶氧濃度自吸式

10、發(fā)酵罐 控制溶氧的主要方式是增加空氣的吸入量，一般通過 提高噴塑式發(fā)酵罐的葉輪轉速，增加文氏管液體流速，增加溢流口的流速和改變溢流口的式樣等控制溶氧濃度 攪拌元件差異 機械攪拌通風發(fā)酵罐的渦流葉輪和旋漿式，其中渦流葉輪有直葉式、彎葉式、箭葉式等。動物細胞培養(yǎng)反應器攪拌葉輪有螺旋式、錨式攪拌器 等 。 帶有渦流攪拌器的葉輪在氣腔內部攪拌。 pH控制差異 機械攪拌通風發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐的pH控制可以在中途通過流加設備流加酸或堿。動物細胞培養(yǎng)一般通過通入二氧化碳來控制Ph.4過濾、離心與膜分離設備：（1）上游工程：菌種的構建和產物的生成(發(fā)酵)（2）下游工程：產物的提取和精制(過濾、

11、分離、蒸發(fā)和結晶等)。（3）發(fā)酵產物的存在形式:胞外產物：透出菌體細胞之外存在于懸浮液中；胞內產物：存在于細胞之內；細胞本身；（4）液固分離方法：為了提取和精制發(fā)酵產物，往住必須首先將懸浮液進行液固分離。 方法主要是過濾(最常用)和離心分離。5過濾：是傳統(tǒng)的化工單元操作，其原理是使物料通過固態(tài)過濾介質時，固態(tài)懸浮物與溶液分離。如液相中谷氨酸鈉、檸檬酸晶體的分離。過濾的形式：常壓、加壓、真空及離心過濾。6離心分離：是基于分離體系中固液和液液兩相密度存在差異，在離心場中使不同密度的兩相相分離的過程。靜置混合液時，密度較大的固體顆?；蛑匾涸谥亓Φ淖饔孟轮饾u下沉，這一過程稱為沉降。7常用膜分離法包括：

12、滲透、透析、微濾（MF）、超濾（UF）、反滲透（RO）與氣體透過都是以壓力差為推動力的膜分離過程；電滲析、隔膜電解以電位差為推動力的分離技術。8超濾和微濾都是以壓力差為推動力的膜分離過程。超濾：在一定的壓力作用下，含有大分子和較小分子的混合液流經分離膜時，溶劑和小分子（如無機鹽）透過膜，而大分子（分子量大于1000）被膜截留下來從而將溶液加以分離或濃縮的單元操作。9濃差極化現象：當溶液從膜面一側流過時，溶劑及小分子溶質透過膜，大分子的溶質則在靠近膜面處被截留，并不斷返回溶液主流中。當這一返回液體主流的速度低于大分子溶質在膜面聚集的速度時，就逐漸在膜面上，行成一高濃度的被阻留的溶質分子層。這就是

13、濃差極化隨著濃差極化愈來愈嚴重，膜的濾出速度也愈來愈低 。10納米膜過濾技術定義：納米過濾(簡稱納濾)是介于反滲透與超濾之間的一種以壓力為驅動力的新型膜分離過程。能截留有機小分子而使大部分無機鹽透過，操作壓力低，在食品工業(yè)、生物化工及水處理等許多方面有很好的應用前景。11大多數的納米濾膜是由多層聚合物薄膜組成?；钚詫油ǔ：韶撾娀瘜W基團。12蒸發(fā)設備一般由熱交換器（汽鼓）、蒸發(fā)室、冷凝器和抽氣泵等組成。13降膜式蒸發(fā)器 工作原理：物料從加熱管上部進入，經分配器導流管進入加熱管，沿管壁成膜狀向下流。14升降膜式蒸發(fā)器 工作原理：物料先進入升膜加熱管，沸騰蒸發(fā)后，汽液混合物上升至頂部，然后轉入另一半

14、加熱管，再進行降膜蒸發(fā)，濃縮液從下部進入汽液分離器，分離后，二次蒸汽從分離器上部排入冷凝器，濃縮液從分離器下部出料。離心式蒸發(fā)器是利用旋轉的離心盤所產生的離心力對溶液的周邊分布作用而形成薄膜。16結晶原理：溶液中的溶質含量超過它飽和溶液中溶質含量時，溶質質點間的引力起主要作用，溶質間彼此靠近、碰撞、聚集放出能量，并按一定規(guī)律排列而析出。17按照生產作業(yè)方式，結晶器分成間歇和連續(xù)兩大類； 按照形成過飽和溶液途徑的不同，可將結晶設備分為冷卻結晶器、蒸發(fā)結晶器、真空結晶器、鹽析結晶器18溶劑萃取操作是將一種溶劑加入料液中，使溶劑和料液充分混合，則欲分離的物質能較多的溶解在溶劑中，并與剩余料液分層，從

15、而達到分離的目的19萃取分離的實質是利用欲分離組分在溶劑中與原料液中溶解度的差異來實現萃?。?兩互不相溶的溶劑構成的非均相體系中，組分從一相轉移到另一相的過程。萃取劑：轉移組分的溶劑。萃取液：萃取劑萃取組分后所得溶液。萃余液：被萃取劑萃取后的溶液。20萃取原理 萃取推動力：遵守相似相溶原理，組分在兩溶劑中溶解度之差即為推動力，推動力越大萃取大越容易進行。21常用于生化萃取的有機溶劑有丁醇、丁酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯等。22絕大多數親水聚合物的水溶液，在與另一種親水性聚合物混合并達到一定濃度時，就會形成兩相，兩種聚合物分別以不同的比例溶于互不相溶的兩相中，從而可用來進行萃取操作。這種萃取

16、叫雙水相萃取。23工業(yè)上常采用離心沉降法分離溶劑萃取體系。24三相傾析離心機可同時分離重液、輕液和固體，主要應用于生物技術中 。25超臨界流體既具有液體溶解度大的性質 ，又具有氣體易擴散、傳質速度高的優(yōu)點。26 吸附是利用吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面，再用適當的洗脫劑將其解吸達到分離純化的過程。液相(氣相)固相 吸附劑、吸附物27干燥是將濕物料的濕分（水分或其他溶劑）除去的加工過程，往往是整個生物加工過程中在包裝之前的最后一道工序。干燥目的： (1)減少體積，便于貯藏和運輸 (2)降低水分，避免失活28帶式真空干燥器：由封閉的不銹鋼料帶、加熱滾筒、冷卻

17、滾筒、加熱裝置及抽真空系統(tǒng)組成。用于液狀和漿狀物料。29微波干燥原理：當待干燥的濕物料置于高頻電場時，由于濕物料中水分子具有極性，則分子沿著外電場方向取向排列，隨著外電場高頻率變換方向，則水分子會迅速轉動或快速擺動。又由于分子原有的熱運動和相鄰分子間的相互作用，使分子隨著外電場變化而擺動的規(guī)則運動受到干擾和阻礙，從而引起分子間的摩擦而產生熱量，使其溫度升高。30旋槳式攪拌器：液體做軸向和切向運動軸向流（循環(huán)量大、壓頭低）31常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。31影響溶氧系數kLa主要因素：（1）操作條件，如攪拌轉速、通氣量等。（2）發(fā)酵罐的結構及幾何參數，如體積、通氣方法、攪拌葉輪結構和尺寸等。（3）物料的物化性能，如擴散系數、表面張力、密度、黏度、培養(yǎng)基成分及特性等。 32提高KLa的途徑：1）增加攪拌器轉速N，以提高攪拌功率Pg，可以有效地提高KLa； 2）加大通氣量VG，以提高空截面速率vs； 3）為了提高OTR，提高罐內操作壓力或通入純氧，提高C*。33自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機提供加壓空氣，而依靠特設的機械攪拌吸氣裝置或液體