生物工程设备习题

1、对辊式粉碎机中两辊的转速为何要有5%~30%的速差？答：两辊速度若相同，则辊筒对物料只有挤压作用；若有速差，则可同时产生挤压与剪切作用，从而增加粉碎度。2、锤式粉碎机是如何粉碎物料的？使用时必须注意什么？答：锤式粉碎机是用途比较广泛的一种粉碎机械，主要构件为加料斗、转子、锤刀、筛板等。粉碎时，物料从上方料斗加入，在悬空状态下受到锤刀的冲击力而破碎，小于格栅网孔直径的物料被筛面筛分后落进出料口；而大于网孔直径的则被抛至冲击板上再次被高速旋转的下排锤刀冲击，直到撞碎成细小颗粒，从筛孔筛分落下进入出料口。使用时一般应注意：①为避免物料堵塞筛孔，物料给水量不应超过15%；②锤刀片应严格准确对称安装，保证主轴具有动平衡性能，避免产生附加惯性力损伤机器和出现其他意外。3、机械搅拌式发酵罐中挡板是否越多越好？在什么情况下需加挡板？什么叫全挡板条件？答：不是越多越好，一般只要4~6块。只要存在液相的搅拌，就要考虑加装挡板，只有在加挡板困难时才不设挡板。如①在制作搪玻璃反应罐时若加挡板则会给在金属上均匀涂瓷釉带来困难，故不加挡板，而把防腐作为主要目的；②当设置的换热装置为列管或排管，并且数量足够多时，发酵罐内不另设挡板；而冷却管为盘管时，则应设挡板。③液体黏度越大，挡板的作用就越小。因为黏度液体与罐壁所产生的阻力，就相当于挡板所起的作用。因此当液体黏度高于50pa.s时就没有必要再用挡板。④另外，挡板只适用于搅拌器直径比罐径小很多的场合，即旋转式、桨式和涡轮式。锚式、框式、螺带式等搅拌器的外缘直径接近罐内径，不能安装挡板，这几种搅拌器常用于高黏度液体的搅拌。所谓“全挡板条件”是指能达到消除液面旋涡的最低条件。即：在一定转速下再增加罐内挡板（或附件）数也不会改善搅拌效果。4、简述机械搅拌反应器中搅拌器的强化措施。为什么常采用圆盘涡轮式搅拌器？答：强化搅拌器的作用，提高发酵液的混合效果，对搅拌器常采用以下强化措施：（1）提高搅拌器转速；（2）抑制搅拌罐内的“打旋”现象，在搅拌罐内安装挡板；（3）加设导流筒等。因为涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液-液分散、液-固悬浮。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。所以常采用圆盘涡轮式搅拌器。5、怎样保证搅拌输入功率并防止“打漩”现象？影响搅拌功率的因素有哪些？答：（1）工业上要尽量防止“打漩”流动，常用的方法大致有2种：①在罐内加装挡板：在搅拌罐内壁安装挡板，可以大大增加液体作旋转流动的阻力，消除圆周向的旋转运动，是最常用的方法。装置挡板后，可使机械能明显增加。②改变搅拌器插入的位置：如将搅拌器偏心或偏心且倾斜安装，由于搅拌器的轴线与罐轴偏离一定的位置，可以避免圆周向流动，也不存在液面凹陷问题。（2）影响搅拌功率的因素可分为几何因素、物性因素和操作因素。其中①几何因素包括叶轮直径；叶片数目、形状及叶片长度和宽度；容器直径；容器中液体的高度；叶轮距容器底部的距离；挡板数目及宽度等等，②物性因素主要有液体的密度、黏度，此外当液体表面有下凹现象时，必有部分液体被举到平均液面以上，这部分液体必须克服重力做功，因此重力加速度也是印象搅拌功率的物理因素之一，③操作因素主要是叶轮的转速等。6、嫌气发酵设备与通风发酵设备在结构方面有何区别？答：嫌气发酵设备因不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多：比重较小的发酵液具有上浮的提升力；而且在发酵时上升的CO2气泡对周围的液体具有一种拖拽力。由于拖拽力和提升力结合后所造成的气体搅拌作用，使罐的内容物得到循环，所以无机械搅拌装置。微生物在嫌气发酵过程中总的发酵热，一般由生物合成热Q1，蒸发热损失Q2，罐壁向用围散失的热损失Q3等三部分热量所组成，故温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相结合，排料管在罐的底部。而好气发酵设备中的发酵热，除Q1，Q2，Q3外，还有Q4（即机械搅拌放热），故其冷却装置多用列管（排管），因为列管的传热效果更好，且列管可起相应的挡板作用，从而可简化通风发酵设备的结构，减少染菌机会。7、为何酒精发酵罐的冷却装置多用蛇管,而机械搅拌通风发酵罐多用列管?答：微生物在嫌气发酵过程中总的发酵热，一般由生物合成热Q1，蒸发热损失Q2，罐壁向用围散失的热损失Q3等三部分热量所组成，故酒精发酵罐的温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相结合，排料管在罐的底部。因为蛇管换热器结构简单、便于制造、维修、造价较低，能耐高压，但发酵罐内应设相应的挡板，且挡板的长度自液面起到罐底为止；而好气发酵设备中的发酵热，除Q1，Q2，Q3外，还有Q4（即机械搅拌放热），故其冷却装置多用列管（排管），因为列管换热器结构紧凑、单位体积所具有的传热面积大、传热效果好，且列管换热器可起相应的挡板作用，从而可简化通风发酵设备的结构，减少染菌机会。8、圆筒锥底啤酒发酵罐上为什么要安装真空安全阀?详细解释它的作用。答：筒锥底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CO2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。所以大型发酵罐应设防止真空装置。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。9、微生物细胞、植物细胞、动物细胞的结构与功能有何区别？这些特点使得培养他们的反应器有何异同点？答：动物细胞没有细胞壁、非常脆弱、对剪切作用十分敏感以及对体外培养环境有严格的要求，传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。2、相比之下，植物细胞对营养要求较动物细胞简单。且由于植物细胞有细胞膜，故可以像微生物一样在液体中进行悬浮培养，但对流体的剪切力的耐受性比微生物要低。3、但由于动植物细胞培养一般要求在高密度下才能得到一定浓度的培养产物，培养所需时间比微生物要长，因此对无菌条件及反应器的设计具有特殊的要求。反应器的异同点：传统的微生物反应器不能用于动物细胞大规模培养，而具备低剪切效应、较好的传递效果和力学性质是动物细胞设计和改进必须遵循的原则，关键是改进搅拌桨和通气装置，即是将通用式发酵罐中对细胞剪切损伤较大的搅拌器和通气装置改为对细胞损伤较小的，通常可用螺旋桨搅拌器取代圆盘涡轮式搅拌器，以减少液体搅动时的剪切力；用扩散渗透通气装置取代传统的通气管，搅拌转速控制在10r/min，其溶氧系数能达到10l/h即可。在这样低的转速下，罐内挡板可去掉。植物细胞培养反应器最初大多采用微生物反应器，但由于植物细胞与微生物细胞形态结构不同，植物细胞比微生物细胞大，对氧需求小，对剪切力却很敏感，因此不能采用微生物反应器那样高的剪切搅拌，而是宜采用直径较大的罗氏搅拌器；大角度桨形板搅拌器；平叶形搅拌器(加挡板)；螺旋桨式搅拌器等。植物细胞培养应介于微生物和动物细胞培养之间：凡是能够用于动物细胞培养的设备，都可以进行植物细胞培养；不能用于动物细胞培养的设备也可能用于植物细胞培养。10、微生物、动植物细胞培养用的机械搅拌通风发酵罐的主要区别是什么？答：主要区别就是搅拌器及通气装置的改进。动植物细胞培养过程中要求搅拌器转动时产生的剪切力小，混合性能好，同时应在通气过程中尽量减少操作对细胞的损伤程度而又能达到充足供氧的目的，因此动植物细胞培养时搅拌速度较慢，而微生物细胞培养过程中搅拌速度快、范围广。因此不能采用微生物反应器那样高的剪切搅拌，而应对搅拌罐进行改进，即将培养微生物所用的机械搅拌通风发酵罐中对细胞剪切损伤较大的搅拌器和通气装置改为对细胞损伤较小的，通常可用螺旋桨搅拌器取代圆盘涡轮式搅拌器，以减少液体搅动时的剪切力；用扩散渗透通气装置取代传统的通气管，气液交换在通气腔中进行。11、中空纤维细胞培养反应器、微载体培养系统应用方面已取得哪些进展？答：中空纤维细胞培养反应器应用方面已取得的进展是：既可培养悬浮生长的细胞，又可培养贴壁依赖性细胞，且细胞密度可高达109/mL数量级，如果能控制系统不受污染，则能长期运转，具有很高的工业应用价值。微载体培养系统应用方面已取得的进展是：为细胞生物学研究和病毒及其他生物制品的生产提供了大量的细胞，且可以为某些不能在悬浮培养情况下生产的细胞转向悬浮培养及大量繁殖提供了有效的手段。12、简述植物细胞培养的特点以及常用的培养器的类型及优缺点。答：(1)植物细胞培养的特点：细胞的大小比微生物细胞大细胞块的形状培养液的黏度随细胞浓度的增加而显著上升需氧量低Kla值比微生物培养的Kla值小得多对剪切力敏感需CO2和光照(2)光生物反应器组合式反应器非机械搅拌反应器机械搅拌反应器悬浮培养反应器膜反应器流化床反应器填充床反应器固定化细胞培养反应器机械搅拌式反应器：混合性能好，传氧效率高，操作弹性大，可用于细胞高密度培养；缺点：剪切力大。非机械搅拌式反应器：所产生的剪切力较小，结构简单，没有搅拌轴更易保持无菌。缺点：搅拌强度过低往往使培养物混合不均；过量的通气对细胞生长有阻碍作用；过量的溶氧对植物细胞合成次级代谢产物不利。填充床反应器：单位体积细胞较多，由于混合效果不好，常使床内氧的传递、气体的排出、温度和pH的控制较困难；支持物破碎还易使填充床堵塞。流化床反应器：混合效果较好，但流体的切变力和固定化颗粒的碰撞常使支持物颗粒破损，另外，流体力学复杂使其放大困难。膜反应器：与凝胶固定化相比，膜反应器的操作压力较低，流体力学易于控制，易于放大，而且能提供更均匀的环境条件，同时还可以进行产物分离以解除产物的反馈抑制，但成本较高。13、你认为最适合于植物细胞、动物细胞培养的生物反应器、培养方法及操作方式，并说明其理由。答：最适合于动物细胞培养的生物反应器是：中空纤维细胞培养反应器，理由是：1)无气泡损伤作用；2)避免了代谢废物对细胞的毒害作用；3)无剪切作用；4)传质速率高；5)可用于高密度细胞培养。是一种既可用于悬浮培养，又可用于贴壁依赖性细胞的培养反应器。最适合于动物细胞培养的培养方法是：包埋培养，因为这种培养方法既适用于贴壁依赖性细胞，又适用于非贴壁依赖性细胞，可获得较高的细胞密度。最适合于动物细胞培养的操作方式：灌注式，因为可使培养过程保持在稳定的，废代谢物低于抑制水平的状态下，可大大提高细胞生长密度，且有助于产物的表达和纯化。最适合于植物细胞培养的生物反应器是：在植物细胞培养过程中，抑制细胞生长和损伤细胞的主要是剪切力，而不是氧供应不足，相反，过高的氧浓度往往抑制细胞生长和产物合成。提高混合程度，减低剪切力，是目前设计适于植物细胞培养反应器的主要原则，相对于传统搅拌式反应器，非搅拌式反应器所产生的剪切力较小，对细胞的损伤小，结构简单，氧传递效率高，容易实现长期无菌培养，因此被认为适合植物细胞培养。最适合于植物细胞培养的培养方法是：固定化培养法。可使细胞位置固定，易于获得高密度细胞群体及建立细胞间物理学和化学联系，维持细胞间屋里化学梯度，易于控制培养条件及获得次生产物。最适合于植物细胞培养的操作方式：由于培养过程中培养液的黏度随细胞浓度增加而显著上升，故从实验室到工厂一般适合的操作方式为分批式。结构简单，细胞产量高。14、与微生物相比，植物细胞培养液具有什么样的性质？是什么原因造成的？答：植物细胞培养液具有流变特性，常用黏度来描述。即培养过程中培养液的黏度变化是由于细胞密度和细胞分泌物以及细胞状态而引起的。