广州大学生物工程设备(问答题)

问答题1、画出机械搅拌式生物反应器的结构简图,标出各部件的名称,并分别阐述其作用。2、根据气液传质理论，提出机械搅拌通风发酵罐增加氧传递速率的措施。★)(OTR*CCaKl欲使OTR提高，可提高Kla，C*增大C*-C方法：提高罐压、富集氧气由5.04.0*)/(KnVVPKaslgl增大KLa方法：提高转速或增大搅拌叶轮直径，从而提升Pg；提高通气量；提高高径比。3、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?在通气发酵中，无菌空气往往采用单口朝下通至搅拌器下方，大的气泡因受到圆盘阻挡，避免了从轴部的叶片空隙逃逸，保证了气泡更好的分散而被利用。4、气升式发酵罐的工作原理。是把无菌空气通过喷嘴或喷孔射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低，故向上运动，而含气率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。5、机械搅拌自吸式的工作原理。工作原理:自吸式机械揽拌发酵键的主要构件是吸气搅拌叶轮及导轮，简称转子及定子，当转子转动时，其框内液体被甩出而成真空而吸入空气通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出并使空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在满流状态下合、湍动和扩散。6、判断下图为何种生物反应器并标明图中6的名称，以及请简述该生物反应器工作原理。原理:用泵使发酵液通过文氏管吸气装置，由于液体在文氏管的收缩段流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现溶氧传质7、酒精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。酒精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。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8、下图为一啤酒发酵生产系统，请指出图中1、3、5各为何设备，并简述该生产工艺的特点。其原理是用泵将发酵液压入文氏管，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空而将无菌空气吸入，并被高速流动的液体打碎，与液体均匀混合，提高发酵液中的溶解氧，同时由于上升管中发酵液与气体混合后，比重较罐内发酵液轻，再加上泵的提升作用，使发酵液在上升管内上升。当发酵液从上升管进入发酵罐后，微生物耗氧，同时将代谢产生的二氧化碳和其它气体不断地从发酵液中分离并排出，发酵液的比重变大向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时，发酵液又从发酵罐底部被泵打入上升管，开始下一个循环。9、试述啤酒塔式连续发酵流程。塔式连续发酵开始时，先分批加人经处理的无菌麦汁。无菌麦汁从塔底进人，经塔内多孔板折流，使麦汁均匀地分布到塔内各截面。麦汁在塔内一边上升，一边发酵，直至满塔为止。培养并使其达到要求的酵母浓度梯度后，用泵连续泵人麦汁。必须控制好麦汁在塔内的流速，流速低，发酵度高，但产量少;流速过高，溢流的啤酒发酵度不足，并会将酵母带出(冲出)。使发酵受阻。麦汁开始流速较慢，一周后，可达全速操作。连续发酵过程中，须经常从塔底通人CO2，以保持酵母柱的疏松度。流出的嫩啤酒，经过酵母分离器后，再经薄板换热器冷却至-1℃，送入储酒罐，充CO2后贮存4d，过滤包装10、圆筒锥底啤酒发酵罐上为什么要安装真空安全阀?祥细解释它的作用。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合有碱性物质与CO2进行中和反应，除去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。11、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。1)植物细胞培养的特点：1细胞的大小比微生物细胞大；2细胞块的形状；3培养液的黏度随细胞浓度的增加而显著上升；4需氧量低；5Kla值比微生物培养的Kla值小得多；6对剪切力敏感；7需CO2和光照(2)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。其主要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器填充床反应器：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：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。12、请简述通气搅拌式、气升式、中空纤维、微囊、大载体和微载体动物细胞培养反应器的原理和特点。通气搅拌式：反应器运转时，由于离心力的作用，搅拌器中心管内产生负压，使搅拌器外培养基流入中心管，沿管螺旋上升，再从导流筒口排出，从搅拌器外沿下降，形成循环流动。在气腔内气体由分布管鼓泡，气体溶于液体中，依靠气腔丝网外液体的循环流动及扩散作用，使溶于液体中的气体成分均匀地分布到反应器内。优点：流体混合好，剪切力小，能较好适合悬浮和微载体系统培养动物细胞的要求。缺点：溶氧系数小，不能满足高密度细胞的耗氧要求；气路系统不能就地灭菌。13、对于发酵生物反应系统中需控制的主要参变量有哪些？分别采取何种方法或仪器进行检测？这些需控制的参变量与生物反应效能有何相关对应？14、画出连续蒸煮糖化的流程图，并注明各个设备的名称。15、看图说明真空冷却器的工作原理。真空冷却器的器身为圆筒锥底，料液以切线进入，由于器内为真空、醪液产生自蒸发，产生大量的二次蒸汽，醪液在器内旋转被离心甩向周边沿壁下流，以锥底排醪液口排出。二次蒸汽从器顶进入冷凝器，在冷凝器内与水直接接触而被冷凝，不凝性气体则由真空泵或蒸汽喷射器抽走，造成器内真空。真空度保持在70～80kPa，醪液的温度很快可降至60～650C。真空冷却：物料在一定真空度下蒸发部分水，需要汽化潜热，取自料液本身，因而料液很快被冷却到真空相应的温度。16、请简述三种连续灭菌流程，并比较各流程优缺点。(1)连消塔加热的连续灭菌流程:待灭蕾料液由连消泵送入连消塔底端，料液在此被加热蒸汽立即加热到灭菌温度128-132C,由顶部流出，进入維持撵，维持8-25min,后经喷淋冷却器冷却到生产温度进入发酵罐。优点：能一次冷却到发酵温度。缺点：用水量大。(2)喷射加热的连续灭菌流程:培养液在指定的菌温度下逗留的时间由维持段管子的长度来保证。灭过苗的培养基通过一膨胀阀进入真空令却器而急速冷却。优点：在更短时间内完成加热冷却，且用水量小。缺点：冷却只能冷到一定温度，造成料液液体体积减少。(3)薄板换热器的连续灭苗流程:培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维持及冷却的过程。优点：换热效率高。缺点：流程时间较长。17、根据基本过滤方程，试述强化过滤速度的措施。★RlrpFdV01d一、降低滤饼比阻力r0，可以从增大毛细孔的直径或减少弯曲因子去降低1.添加电解质、絮凝剂、凝固剂。这些物质能使悬浮的固形物质的粒度变大，2.添加助滤剂，改变了滤饼结构，滤饼可压缩性下降了3.调节PH将PH调至滤液的等电点附近，使蛋白质积聚析出。或大幅度调节变性凝固4.加热。使蛋白质变性疑固二、降低滤液的黏度1)热处理能使蛋白质变性凝固，从而使过滤速度大提高。2、降低悬浮夜中固形物的浓度全三、提高过滤压力差ΔP18、请简述板框压滤机的结构和工作原理。19、请简述转筒真空过滤机的结构和工作原理。20、什么是离心机的离心分离因数,根据离心分离因数的大小不同，离心机可分为几类?离心机额定转数下转鼓内壁最小半径处1g物体所受离心力与重力之比。按分离因数值F分型，可分为普通离心机F≤3500（一般为300—1200），高速离心机5000＞F＞3500，超高速离心机F＞5000。21、试简述管式离心机的工作原理。物料由底部进液口射入高速旋转的转鼓，转鼓带动物料调整旋转后形成强大的离心力场，使料液沿转鼓内壁向上流动，且料液在离心力场的作用下因其密度差的存在而分离。22、在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用什么离心机?叙述该机分离酵母的原理。离心澄清机。离心澄清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。含有酵母的发酵醪液进入离心澄清机后，从碟片组外缘进入各相邻碟片间的薄层隙道，这时发酵醪也被带着高速旋转，由于固体和液体的离心沉降速度的不同，在碟片间的隙道中被分开，固体(酵母)的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，液体的离心沉降速度小，则向轴线流动。这样，酵母和液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。23、在工厂中要将奶油(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。离心分离机离心澄清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许多这样的碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。两种互不溶解的混合液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔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。24、膜分离设备有哪几种形式？试比较它们的优缺点。管式优点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。缺点:管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少,一般仅为33～330，保留体积大，压力降大，除特殊场合外，一般不被使用。中空纤维式优点:设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大(高达16000～30000)缺点:中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，膜污染难除去，因此对料液处理要求高。板式优点:组装方便，膜的清洗更换容易，料液流通截面较大，不易堵塞，同一设备可视生产需要组装不同数量的膜。缺点:需密封的边界线长螺旋卷式优点:目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍流状况好，适用于反渗透；缺点:清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。25、试述超临界流体萃取的工作原理利用超临界条件下的流体作为萃取剂，从液体或固体中萃取出特定成分，以达到某种分离目的。SCF的密度对温度和压力的变化很敏感，而其溶解能力在一定压力范围内与其密度成比例，因此可以通过控制温度和压力来改变物质在SCF中的溶解度，特别是在临界点附近，温度和压力的微小变化可导致溶质溶解度发生几个数量级的突变，这就是SFE的依据。26、叙述升膜式真空蒸发浓缩设备的原理和特点，并说明升膜式真空蒸发浓缩设备正常操作的关键是什么？原理，物料从加热器下部的进料管进入，在加热管内被加热蒸发拉成液膜，浓缩液在二次蒸汽带动下一起上升，从加热器上端沿气液分离器简体的切线方向进入分离器，浓缩液从分离器底都排出，二次蒸汽进入冷凝器。特点：传质效率高，升膜式蒸发器浓缩时间短，特别道用于发泡性强黏度较小的热敏性物料，但不适于黏度较大、受热后易积垢、浓缩后有结晶析出的物料。关键