广州大学生物工程设备试题(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。

a)主要部件：1.罐体，盛发酵液，发酵场所；2.搅拌器：混合液体和传质；3.挡板：

防治液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质；4.轴封：防止染菌和泄露；

5.空气分布器：分布空气；

6.消泡装置：防止发酵液随气泡外溢

7.夹套：冷却

图见p23

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。★

答：由OTR=K l a(C＊-C)可知增大K l a或增大(C＊-C)来增加氧传递速率

增大(C＊-C)的方法：1.提高罐压2.富集氧气

由K l a=K(Pg/V L)^0.4Vs n^0.5可知增大K l a的方法：1.提高转速或增大搅拌叶轮直径，从而提高搅拌功率Pg；2.提高通气量；3.提高发酵罐的高径比，对提高溶氧速率和降低单位溶解氧功耗均有利，所以在设计时，应尽可能选择较大的高径比。

3、气升式发酵罐的工作原理。

工作原理：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

4、机械搅拌自吸式的工作原理。

工作原理：自吸式机械搅拌发酵罐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形成真空而吸入空气。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，在湍流状态下混合、湍动和扩散

5、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。

文氏管自吸式发酵罐见p48

1-排管2-罐体3-换热夹套4-循环泵5-压力表6-文氏管

工作原理：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中流速增加，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

6、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。

1-薄板换热器3-酵母离心机5-朝日罐

特点：1.三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵母浓度的控制问题，加速了啤酒的成熟。

2.使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点

3.利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵液接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其含量。

7、试述啤酒塔式连续发酵流程。

塔式连续发酵时，分批加入经处理过的无菌麦汁，麦汁在塔内边上升边发酵，直至满塔为止。培养并使其达到要求的酵母浓度梯度后，用泵连续加入麦汁。在发酵过程中，须经常丛塔底通入CO，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℃，然后送入贮酒罐内，经过充CO2后，贮存4d，即可过滤包装出厂

8、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.植物细胞培养液的黏度随细胞浓度的增加而显著上升

2.在k l a值高的操作条件通入一定量的CO2对细胞量的增大时有效的

9、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。

10、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？

11、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：待灭菌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

128－132℃,由顶部流出，进入维持罐，维持8-25min ，后经喷淋冷却器冷却到生产温度进入发酵罐。

（2）喷射加热的连续灭菌流程：培养液在指定的灭菌温度下逗留的时间由维持段管子的长度来保证。灭过菌的培养基通过一膨胀阀进入真空冷却器而急速冷却。

（3）薄板换热器的连续灭菌流程：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。

12、根据基本过滤方程，试述强化过滤速度的措施。★

R

l r pF

d dV +?=

01μτ

由上式可知强化过滤速度的方法

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，硬度变高 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pH,使蛋白质变性凝固

4.加热。使蛋白质变性凝固 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、降低悬浮液中固形物的浓度 三、提高过滤压力差ΔP

13、请简述板框压滤机的结构和工作原理。

结构：板框压滤机主要是由许多滤板和滤框间隔排列而成。板和框多做成正方形，角段均开有小孔，装合压紧后即构成供滤浆或洗涤水流通的孔道。框的两侧覆以滤布，滤板的两

面制成沟槽，分别与洗水孔道和滤出口相通。

工作原理：过滤时，悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打入框内，滤液穿过滤框两侧滤布，沿相邻滤板沟槽流至滤液出口，固体则被截留于框内形成滤饼。滤饼充满滤框后停止工作。

14、请简述转筒真空过滤机的结构和工作原理。

结构：由筛板组成的能转动的水平圆筒，表面为一层金属丝网，覆有滤布；圆筒内沿径向被筋板分隔成若干空间，每个空间都以单孔道通至筒轴颈端面的分配头，分配头内沿径向隔离成3室，分别与真空、压缩空气管路相通

工作原理：圆筒内下部的空间与料液相接触，由于在这个区中的空间与真空管连通，于是滤液被吸入筒内并经导管和分配头排至滤液贮罐中，而固体粒子则被吸附在滤布的表面形成滤饼层。当圆筒从从料浆槽中转出后，由喷嘴将洗涤水喷向圆筒面上的滤饼层进行洗涤，因此区也与真空道相通，于是洗涤水穿过滤饼层而被吸入筒内，并经分配头引至洗水贮罐中。经洗涤和脱水的滤饼层继续转进卸渣及再生区，这区与压缩空气管路连通，压缩空气从圆筒内向外穿过滤布而将滤饼层吹松，随后由刮刀将其刮除。刮掉滤饼后的滤布继续吹压缩空气，以吹净残余滤渣，使滤布再生

15、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?

离心分离因数：离心力与重力的比值。或是离心加速度与重力加速度之比。

普通离心机：f <3000；高速离心机：f ＝3000－50000；超速离心机： f > 50000

16、试简述管式离心机和碟式离心机的工作原理。

蝶式离心机的工作原理：当悬浮液在动压头的作用下，经中心管流入高速旋转的碟片之间的间隙时，便产生了惯性离心力，其中密度较大的固体颗粒在离心力作用下向上层碟片的下表面运动，而后沿碟片下表面向转子周围下滑，液体则沿转子中心上升，从套管中排出，达到分离的目的。同理对于乳浊液的分离，轻液沿中心向上流动，重液沿周围向下流动而得到分离。

管式离心机的工作原理：当待处理的物料在一定压力下由进料管经底部空心轴进入鼓底，靠圆形折转挡板分布开鼓的四周。为使液体不脱离鼓壁，在鼓内设有十字形挡板，液体在鼓内由挡板被加速到转鼓速度，在离心力场下，浮浊液（或悬浮液）沿轴向上流动的过程中被分层成轻液相和重液相（或液相和固相），并通过上方环流溢流口排出。处理悬浮液时，可将管式离心机的重液口关闭，只留有中央轻液溢流口，固体在离心力场下沉积于鼓壁上。

17、膜分离设备有哪几种形式？试比较它们的优缺点。

18、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筒体的切线方向进入分离器，浓缩液从分离器底部排出，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，特别适用于发泡性强、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：让液体物料在管壁上形成连续不断的液膜。

19、叙述降膜式真空蒸发浓缩设备的原理和特点，并说明降膜式真空蒸发浓缩设备正常操作的关键是什么？

原理：物料从加热上部进入，经分配器导流管进入加热管，沿管壁成膜状向下流动。

特点：物料主要是靠物料自身重力下降，二次蒸汽气速可以较小，对黏度大的也易成膜

关键问题是：液料的分配。

20、叙述升降膜式真空蒸发浓缩设备的原理和特点。

原理：升降膜式蒸发器是在一个加热器内安装两组加热管，一组作升膜式另一组作奖膜式。物料溶液先进入升膜加热管，沸腾蒸发后，气液混合物上升至顶部，然后转入另一半加热管，再进行降膜蒸发，浓缩液从下部进入气液分离器，分离后，二次蒸汽从分离器上部排入冷凝器，浓缩液从分离器下部出料。

特点：⑴符合物料的要求。初进入蒸发器时，物料浓度较低，物料蒸发内阻较小，蒸发速度较快，容易达到升膜的要求。物料经初步浓缩，浓度较大，但溶液在降膜式蒸发中受重力作用沿管壁均匀分布形成膜状。

⑵升膜蒸发后的汽液混合有助于降膜的进料分配，有利于液体的均匀分布。

⑶利用升膜来控制降膜的进料，有利于操作的控制。

⑷将两个浓缩过程串联，可以提高产品的浓缩比，减低设备的高度。

21、叙述刮板式蒸发器的工作原理。

工作原理：液料从进料管以稳定的流量进入随轴旋转的分配盘中，在离心力的作用下，通过盘壁小孔被抛向器壁，受重力作用沿器壁下流，同时被旋转的刮板刮成薄膜，薄液在加热区受热，蒸发浓缩，同时受重力作用下流，瞬间另一块刮板将浓缩液料翻动下推，并更新薄膜，这样物料不断形成新液膜蒸发浓缩，直至液料离开加热室流到蒸发器底部，完成浓缩过程。

22、冬季室温低，管道凉，从结晶罐突然放料到卧式结晶箱可能发生什么现象？造成什么后果？采取什么方法防范？

23、干燥机理是什么？生物工业产品干燥的有哪些特点？试述干燥设备的选型原则。

干燥机理：湿物料的干燥操作中，有2个基本过程同时进行，一是热量由气体传递给湿物料，使其温度升高，二是物料内部的水分向表面扩散，并在表面汽化被气流带走，因此，干

燥操作属传热传质同时进行的过程，且二者的传递方向相反。

生物工业产品干燥的特点：快速高效、温度不宜太高、时间不宜太长，且干燥产品需保持一定纯度。

选型原则：1）产品质量要求；2）产品的纯度；3）物料的特性；4）产量及劳动条件

24、试述喷雾干燥原理及其特点，常用的喷雾干燥设备有哪些？

原理：利用不同的喷雾器，将悬浮液或黏滞的液体喷成雾状，与热空气之间发生热量和质量传递而进行干燥的过程。

特点：1）干燥速度快，时间短。3－30S。

2）干燥温度较低。

3）制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。

常用的喷雾干燥设备：压力式喷雾器、气流式喷雾器和离心式喷雾器

25、喷雾干燥设备中，实现料液雾化的雾化器有哪几种形式？任选其中一种，简述其原理。实现料液雾化的喷雾器：压力式喷雾器、气流式喷雾器、离心式喷雾器

气流喷雾是依靠压力为O.25～O.6MPa的压缩空气高速通过喷嘴时，将料液吸入并破雾化离心喷雾干燥是利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予料液以离心力，使其高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用形成细雾而干燥的过程。

26、试述气流干燥原理及其特点。

原理：气流干燥是利用热空气流将物料在流态下进行干燥的过程

特点优点：1）干燥强度大2）干燥时间短3）适应性广

4）设备结构简单，占地面积小，生产能力大，能连续操作，可自动控制。

缺点：对物料有一定磨损，不适用于晶体的干燥，热能利用率低，只有30%。

26、试述流化床干燥原理及其特点。

原理：利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈现沸腾状态的干燥过程。

特点：优点：1）传热传质速率大。2）干燥温度均匀，易于控制。

3）干燥与冷却可连续进行，干燥与分级可同时完成，有利于连续化，自动化操作缺点：适用于颗粒直径为30um-6mm间物料干燥，颗粒过小时易于产生局部沟流，颗粒过大则要求较高的气流速度，引起流动阻力增大，动力消耗加大

27、试述冷冻干燥的原理及特点，冷冻干燥系统由哪几部分组成，试以流程图加以说明。

原理：将湿物料（溶液）在较低温度下（—10 ~ －50℃）冻结成固态，然后在高真空度（130－0.1Pa）下，将其中固态水直接升华为气态而除去的干燥过程。

特点

优点：1）干燥温度低，特别适合于高热敏性物料的干燥；2）能保持原物料的外观形状，无干缩现象；3）冻干制品具有多孔结构，因而有理想的速溶性和快速复水性；4）冷冻干燥脱水彻底，质量轻，易于长期保存。

缺点：需要昂贵的专用设备干燥周期长，能耗大，产量小，加工成本高。

冷冻干燥系统：冷冻装置、真空装置、水气去除装置、加热部分

28、下图是何系统图，简述其原理和使用条件。

双级压缩制冷循环系统。原理：压缩式制冷循环实质上是一种逆向卡诺循环，制冷过程包括压缩、冷暖、膨胀和蒸发4个阶段。系统中的制冷剂饱和蒸汽被压缩机吸入压缩，再进入冷凝器内被冷凝为液体而放出热量。液体制冷剂经膨胀阀后，压力降低，这时将有小部分液体吸热汽化，使制冷剂温度降低，低温液体进

入蒸发器吸收周围介质（制冷剂）热量汽化为气体，气体再进入压缩机被压缩，完成一个循环过程。

当制冷温度较低时，则压缩机应在高压缩比（压缩机出口压力与进口压力的比值）条件下工作。此时若采用单级压缩制冷，则压缩终了时气体的温度很高，会引起运行上的困难，这种情况下，可采用双级压缩制冷。一般当压缩比大于8时，采用双级压缩较为经济合理。对于氨压缩机，当蒸发温度在-25℃以下或冷凝压力大于12*105Pa时，宜采用双级压缩制冷。

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29、简述空气除菌机理。并试解释用八层纱布可过滤空气中的细菌，但不能用于过滤水中的细菌。★

空气除菌机理：常用的空气除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。其中辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌等都是将有机体蛋白质变性而破坏其活力，从而杀灭空气的微生物。而介质过滤和静电吸附则是利用分离的方法将微生物粒子出除去。

解释：八层纱布过滤属于介质过滤中的深层过滤法，微粒所空气流通过过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前进，使气流无数次改变运动方向和运动速度而绕过纤维前进，这些改变引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电吸入等作用而把微粒滞留在纤维表面。

而水比空气重的多，滤层纤维所形成的网格不能阻碍水流的前进，从而不能改变其运动方向和运动速度，也就不会引起微粒对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电吸入等作用

30、下列是沿海潮湿地区一家味精厂空气处理的简易流程图，判断该流程是否合理，试简述原理。如不合理，试提出修改意见，并画出合理的流程图。

粗过滤器→空压机→丝网分离器→旋风分离器→分过滤器→总过滤器→发酵罐

在温暖潮湿的南方，要加强除水措施，以确保过滤器的最大除菌效率和使用寿命。保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰，满足工业生产的需要。2次冷却、2次分离、适当加热。2次冷却、2次分离油水是可节约冷却用水、油和水雾分离除去比较完全，保证干过滤。经过第一级冷却后，大部分的水、油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，故适宜用旋风分离器分离。第二级冷却器使空气进一步冷却后析出较小的雾粒，宜采用丝网分离器分离，这类分离器课分离较小直径雾粒且分离效果高。经2次分离后，空气带的雾沫就较小，两级冷却可以减少油膜污染对传热的影响。

合理的流程图：

粗过滤器→空压机→贮罐→冷却器→旋风分离器→冷却器→丝网分离器→

→加热器→总过滤器→分过滤器→发酵罐

31、指出下图布管有何不合理的地方，并画出正确的布管图。