发酵工程设备部分要点.doc

1.        培养基按用途的分类？
（1）孢子培养基：孢子培养基是供菌种繁殖孢子用，对这种培养基的要求是能够 使菌种发芽生长快，产生大量优质孢子，并且不会引起菌种变异。
（2）种子培养基：种子培养基是指用于摇瓶种子培养或工业生产用的种子罐种子培养的营养组成。
（3）发酵培养基：发酵培养基含有供菌丝体迅速生长繁殖和合成产物之需要的营养组分。
2.        培养基常用的灭菌方法？
化学灭菌 射线灭菌 干热灭菌（160℃保温1-2h） 湿热灭菌 过滤灭菌
3.        分批灭菌(实罐灭菌)的定义，灭菌前的准备，灭菌的操作过程和三个阶段？
定义：将培养基配制在发酵罐里，用饱和蒸汽直接加热，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（实消）。
灭菌前的准备：为了保证灭菌的成功，在实罐灭菌前，除培养基配制要注意溶解均一，不要含有结块、结团物或异物外，检查发酵罐的严密性尤为重要，特别要检查与发酵罐直接相连的阀门的严密性。在大型发酵企业里通常每一批发酵结束后都要更换与发酵直接相连的橡胶夹膜阀的橡胶密封垫和不锈钢壳或铜壳塑王芯截止阀上的聚四氟乙烯密封垫，以保证整个发酵周期中的发酵罐的严密性。
灭菌的操作过程：………………..
分批灭菌的三个阶段：升温、保温灭菌和冷却三个阶段。
4.        分批灭菌中关于时间的计算？
5.        连续灭菌的定义，优点，7个关键设备。加热器，维持设备和冷却器的结构特征？
定义：培养基连续灭菌工艺是把发酵罐预先灭菌好，将培养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。这种培养基灭菌方法称作连续灭菌，工厂里也称连消。
优点：（1）采用高温、快速灭菌，物料受热时间短、营养成分破坏少，培养基连消后质量好，发酵单位高。（2）由于灭菌时间短，发酵罐的利用率高。（3）蒸汽负荷均衡，锅炉利用高。（4）适宜采用自动控制。（5）减低劳动强度。
6.        无菌空气的质量标准？
（1）        压缩空气的压强:一般要求空气压缩机出口的空气压强控制在0.2～0.35MPa，不必强求压缩机出口的空气压强过高。
（2）        空气流量：根据发酵工厂或发酵车间的总体发酵罐容积，确定应提供的压缩空气的流量。
（3）        空气的温度：为了除低空气的相对湿度，往往采用适当加热压缩空气的办法。一般控制进发酵罐压缩空气的温度比发酵温度高出10℃左右。
（4）        相对湿度：由于目前发酵工厂的空气总过滤器的过滤介质采用的是纤维素纸、PP毡或者棉花等，这些过滤介质受潮后过滤效果会大大下降，因此将进入总过滤器的压缩空气的相对湿度控制在60%～70%。
（5）        洁净度：发酵工业中所指的“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。
7.        压缩空气预处理的目的，冷却计算和除水计算？
为了保证总过滤器内的过滤介质的干燥，不应因压缩空气中夹带的水滴、油滴受潮引起介质的结转变形而失效，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。水滴是由于空气经压缩机和冷却后，空气中的水气发生相变而析出；油滴是来自空气压缩机活塞环的润滑油被空气带出来的。若采用涡轮压缩机，其压缩机空气中就无油滴，供气质量会大大提高，但设备投资较大。若采用其他类型的空气压缩机，获得的压缩空气都含有少量油滴。因此压缩空气在进入空气总过滤之前一定要经过降温、除水、除油的预处理。
8.        压缩空气预处理系统的设备流程及各种设备的原理？
吸风塔→前置过滤器→空气压缩机→空气贮罐→第一次却器→旋风分离器→第二冷却器→旋风分离器→丝网除沫器→空气加热器→总过滤器→进入车间发酵罐上空气过滤器
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9.        空气总过滤器和分过滤器的设计？
10.        常用的好氧发酵罐按照能量输入的方式不同的分类及各类发酵罐的原理？
（1）机械搅拌式（占主导地位）：通过搅拌器对罐内的液体进行搅拌，以提供动力，并达到传质、传热和液体混合的目的要求。
（2）气升式：气升式发酵罐是同压缩空气由喷嘴喷出，推动培养液沿导流筒上升（另因富气区，液体密度小），由内向外或由外向内循环流动，实现混合与传质。
（3）外部液体循环式： 分为塔式和罐式两种。它依靠外部循环泵作动力来搅动并混合发酵液，有的则通过动力输将培养液经过设在顶部或底部的喷嘴，有的发酵罐在液体入口处装有文丘里管，在高速液流下与无菌压缩空气或自行吸入的无菌空气进行混合，达到通气和混合的目的。
11.        通用式发酵罐的主要部件？
罐体 搅拌装置 消泡器 轴封 传动装置 传热装置 挡板 人孔 视镜 通气装置 进出料管 取栏管
12.        挡板的作用，全挡板的条件？
挡板的作用是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。
所谓全档板条件是指罐内加了挡板使旋涡基本消失，或者说是指达到消除液面旋涡的最低挡板条件。满足全挡板条件的挡板数及宽度可由W*mb/D＝0.4计算，其中W为档板宽度，D为罐直径，单位为m ,mb为挡板块数。
13.        搅拌的作用，常用的搅拌器形式，涡轮式和轴流式搅拌器的特点？
一是产生强大的总体流动，将流体均匀分面于容器各处，以达到宏观均匀；二是产生强烈的湍动，使液体、气体、固体微团尺寸减小。两种作用将有利于混合、传热和传质，特别对氧的溶解更具有决定作性意义。
常用搅拌器形式有旋桨式、桨式涡轮式、框式和锚式，发酵罐常用的搅拌器形式有涡轮式搅拌器和旋桨式搅拌器。
涡轮式搅拌器的特点：涡轮式搅拌器液体在搅拌器内作径向和切线运动，称为径向型，它具有流量较小、压头较高的特点。为了避免气泡沿轴上升，在搅拌器中央设有圆盘。在涡轮搅拌器中液体离开搅拌器时的速度很大，桨叶外缘附近造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力，可将进入的气泡分散得更细，并可提高溶氧传质系数。
轴流式搅拌器的特点：流量大、气、固、液三相混合均匀程度高，为发酵提供了良好的环境；功率消耗低，节能；流动剪切力小，有利于微生物生长；气体控制能力强，有利于氧的溶解，使发酵水平提高。

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14.        简单了解其他形式发酵罐的原理。
机械搅拌自吸式发酵罐
空气提升环流式发酵罐
15.        什么是过滤和沉降？三种过滤机制？
过滤：是在推动力（重力、压强、离心力）作用下，利用液-固微粒的重度或颗粒尺度的差异使悬浮液通过某种多孔性过滤介质，固体颗粒被截留，滤液则穿过过滤介质流出，从而实现液-固两相的分离过程。有无过滤介质，成为过滤区别于沉降分离最明显的特征。
三种过滤机制：
（1）滤饼过滤：过滤介质常用多孔织物，其网孔尺寸未必一定是小于被截留的颗粒直径，而是在过滤操作开始阶段会有部分颗粒进入过滤介质的网孔而发生架桥现象，也有少量颗粒在开始阶段穿过介质而混于滤液中，但随着滤渣的逐步堆积，在过滤介质上形成一个滤渣层，称为滤饼。不断增厚的滤饼才是真正有效的过滤介质，而穿过滤饼的液体则变为澄清的滤液。通常，在操作开始阶段得到的滤液是浑浊的，须返回重滤。
（2）深层过滤：在深层过滤中，固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的过滤介质的内部。此时，颗粒的尺寸小于介质孔隙，可立刻进入长而曲折的通首。在惯性和扩散作用下，进入通道的固体颗粒趋向通道壁面而借静电与表面力附着其上。深层过滤常用于净化含固量很少的悬浮液。如用颗粒活性炭对水进行预处理就是利用这个原理。
（3）绝对过滤：过滤介质的标示孔径小于被截留的固体颗粒。膜分离设备中的超滤是典型的绝对过滤的例子。
沉降：是利用液-固间的密度差异，在重力场或离心场中的速度差而实现液-固分离的过程。因此密度差越大越有利于分离；重力场或离心力场越大越有利于分离。据推动力不同，可将沉降分为重力沉降和离心沉降。
16.        板框压滤机，真空转鼓过滤机和三足式离心机的结构和特点？
板框压滤机由机架、压紧结构、和过滤机构等三个部分组成。
板框压滤机的特点是（1）结构简单，操作容易故障少保养方便机器使用寿命长所需设备少。（2）对物料的适应性强。（3）过滤面积选择范围广（4）滤饼含湿量较低。（5）固相回收率高，滤液澄清度好。（6）滤布的检测洗涤更换方便（7）过滤操作压力大（8）造价低 投资少。（9）间歇操作，辅助时间长，劳作强度大。
真空转鼓过滤机结构：鼓式过滤机、洗涤液储罐、滤液储罐、混合冷凝器、水池
真空转鼓过滤机的优点是吸滤 、洗涤 、卸渣、 再生等作业可实现连续操作 必要时还可以进行自动控制。缺点是辅助设备较多耗电量大 对较细或较粘稠的料物不太适合。
三足式离心机的优点：1.对物料的适应性强2.人工卸料结构简单 制造安装、 维修方便、 成本低、 操作方便。 3.弹性悬挂支撑结构 能减少由于不均匀负载引起的震动 机器运转平稳。4.整个高速回转结构集中在一个封闭的壳体中，易于实现密封防爆
17.        管式离心机的结构原理，简单了解其他形式的离心机。
由于分离机的转鼓直径较小而长度较长，形如管状故称管式离心机。管式离心机的结构：（1）转鼓部分 ； （2）机架部分 ；（3）机头部分 ；（4）压带轮部分 ；（5）滑动轴承组部分 ；（6）驱动体部分 ；（7）接液盘部分 。其他的有：螺旋卸料离心机 生物体分离离心机 碟片离心机。
18.        分段式萃取设备的混合设备和分离设备？
混合设备有混合罐、混合管、喷射萃取器及泵 。
混合罐：一般混合罐实际即为一带有搅拌浆的反应罐一般采用螺旋桨式搅拌器，转速为400～1000r/min；若用涡轮式搅拌器，转速约为300～600r/min。为避免旋涡，应在罐壁安装挡板。混合罐一般为封闭式，以减少溶剂的挥发。一般液体在罐内平均混合停留时间约为1～2min。
混合管：一种体积小，效率高的混合装置，特别适合于两液相的黏度和界面张力都很小即容易公散的情况。
泵：在两液相较易混合的情况下，可直接利用离心泵来混合料液和溶剂。
分离设备一般采用管式离心机或碟片式离心机。
19.        离子交换的三种操作方式，四种离子交换设备的结构原理？
离子交换指以离子交换剂上的可交换离子与液相中离子间发生交换为基础的分离方法，操作方法有三种:
(1)分批法(静态吸附法):将树脂投入盛有料液的容器中，轻微地搅拌，使其交换达到平衡。
(2)固定床法：将树脂放在离子交换柱或交换罐中，使料液自上而下（正吸附）或自下而上（反吸附）地流经树脂床，其交换是动态进行的。
(3)流动床法：料液和树脂都处于流动状态，一般作对向流动（逆向方式），整个操作完全连续。
四种离子交换设备的结构原理1.一般离子交换罐2.反吸附离子交换罐3.混合交换罐4.连续逆流离子交换设备
20.        什么是蒸发和结晶，蒸发设备的组成，结晶的三个过程，结晶设备的分类？
蒸发指用加热的方法使溶液中的部分水分或溶剂汽化并除去一提高溶液中溶质的浓度或使溶液浓缩到饱和而析出溶质的单元操作。
蒸发设备主要由蒸发器 冷凝设备 真空系统 气-液分离器组成。
结晶指从均一的溶液中析出固相晶体的一个重要的操作单元。包括三个过程：1.形成饱和溶液；2. 晶核形成；3晶体.生长.
结晶设备的分类：1.冷却结晶器2.蒸发结晶器3.真空结晶器
21.        什么是干燥？气流干燥，沸腾干燥，喷雾干燥和冷冻干燥的原理和特点？
干燥常指借热能使物料中水分(或溶剂)气化，并由惰性气体带走所生成的蒸气的过程，气流干燥是指利用高速热气流将物料在流态化输送过程中进行干燥的操作。特点是1.传热效果好，2.增大了气-固间的平均温度差△tm 3.设备结构简单，制造方便，占地面积小，能连续操作，适合采用自动控制，4适用广可适用各种粉粒状碎块状以致泥状物料的干燥。
沸腾干燥指利用热空气流是置于筛板上的湿物料颗粒状或粉状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。
沸腾干燥的特点：沸腾干燥器中温度均匀，易于控制，不易发生物料过热现象。由于物料在沸腾干燥器中的停留时间可以控制，因此可以使物料的终水分降低到很低的水平。此外，沸腾干燥器密封性好，产品纯洁度易于保证，加上结构简单，因此应用很广。
喷雾干燥指接热空气将高度分散的溶液或悬浮液进行干燥的过程，它特别适合于不能用结晶方法得到固体成品的生物工程产品。
喷雾干燥的优点：（1）干燥过程进行得快（2）干燥过程中物料的温度较低（3）可以由液料直接获得粉末，省去蒸发结晶、分离、粉碎等工序，而且可在半无菌状况下操作。（4）成品质量可以进行控制
喷雾干燥的缺点：（1）喷雾干燥的容积干燥强度小，故其干燥室体积很大（2）喷雾干燥能量消耗大，干燥介质用量多，热量利用不经济（3）会发生产品粘壁情况。
冷冻干燥又称升华干燥，是将湿物料或溶液在较低温度下（-10～-50℃）冻结成固态，然后在高度真空下将其中水分不经液态直接升华成气态而脱水的干燥过程。其主要优点是：（1）操作温度低，干燥后的物料保持原来的化学组成和物理性质（如多孔结构、胶体性质等）；（2）热量消耗比其他干燥方法少。缺点是费用较高，不能广泛采用。用于干燥抗生素、蔬菜和水果等。
22.        气升式发酵罐工作原理
气升式发酵罐是同压缩空气由喷嘴喷出，推动培养液沿导流筒上升（另因富气区，液体密度小），由内向外或由外向内循环流动，实现混合与传质。

补充部分：
曳力：是颗粒相对于流体运动时受到的阻力，它与流体的流速、流体的密度、固体颗粒的直径（颗粒均假设近似为球形）有关。
培养基实罐灭菌过程：凡是与培养基接触的管道都要进蒸汽（若罐上装有冲视镜管道，此管道也要进蒸汽），凡是不与培养基接触的管道都要排汽。
培养基实罐灭菌的质量优劣判别标准有四点：培养基灭菌后达到无菌要求；营养成分破坏少；灭菌后培养基体积与计料体积相符；泡沫要少。
生物反应器：指大规模培养微生物、动物细胞、植物细胞获得其代谢产物或生物体的设备。
发酵罐：通常将进行大规模悬浮培养微生物的反应器统称发酵罐。
生物工程的下游加工过程:从发酵液、反应液或细胞培养液中分离纯化有关产品的过程 统称为生物工程的下游加工过程。这一过程既包含传
统的化工单元操作（如液－固分离、萃取、离子交换、蒸发浓缩、结晶、干燥），也包括发展中的生物分离技术（如层析、膜分离、超临界萃取等）。
课本31页计算题答案：
解（1）空气总过滤器的计算及设计：该发酵车间需要最大压缩空气的用量：V=100*16*0.6+20*10*1+2*10*1=1180(m3/min)
据表2-2,查YUD-Z型空气总过滤器规格型号及台数。选择YUD-Z-5型空气总过滤器，1400mm×3100mm,5台（其中一台备用）并联使用，配滤芯DMF（聚四氟乙烯），每个总过滤器内有DMF滤芯350mm×1000mm，5个。
（2）100m3发酵罐的空气分过滤系统设备的计算及设计：根据发酵工艺每个100m3发酵罐最大空气用量为：Vf＝100×0.6＝60（m3/min）
1）查表2-3,JPF型空气膜过滤器的规格及型号：选用JPF-60型空气膜过滤器，350mm×1303,1台。过滤器配滤芯JPF-A或JPF-C，滤芯长20in，12支。2）空气预过滤器选型：根据已选JPF-60型空气膜过滤器，空气通量60 m3/min,查表2-5JLS-YUD空气预过滤器规格型号。查得JLS-YUD-50空气预过滤器，450mm×1618mm,1台。并配置DGF350mm*830mm的滤芯。3）蒸汽过滤器选型：根据已选JPF-60型空气膜过滤器，查表2-6JLS-F蒸汽过滤器的规格型号。可选JLS-F-1型蒸汽过滤器，164mm×591mm,1台。配置JLS-F滤芯22mm×260mm,13支。