江西农业大学：生物工程设备试题

《生物工程设备》试卷1

一.名词解释 1.菌体得率YX/S 2. 装料系数 3. 实罐灭菌 4.升膜式蒸发器 5．带式输送机 二.填空

1.某机械搅拌发酵罐内发酵液中的溶氧浓度为0.025mol/m3,此罐压下饱和溶氧浓度为0.275 mol/m3,此罐的KLa值为1000(1/h),根据传质理论,计算此类发酵罐的供氧能力为 mol (O2)/(m3?h)

2.某酒精工厂,每发酵罐的进料量为24t/h,每4h装满一罐,糖化醪密度为1075 Kg/m3,装料系数为0.9, 计算此发酵罐的全体积约为 m3

3.啤酒发酵罐中发酵液的对流主要是依靠其中 的作用,另外冷却操作时

啤酒 的变化也会引起罐的内容物的对流循环

4.CIP清洗系统是Clean In Place的简称,即 ,进行大罐清洗工作的关键设备是

5．悬浮培养适用于非贴壁依赖型细胞，贴壁培养适用于贴壁依赖型细胞。除此之外还有一种 培养对两类细胞都适用。 6.酒精厂以玉米粮食为原料的生产中需要 、 等设备对原料进行预处理

7．锤式粉碎机的作用力主要为 。

胀缩式糖蜜连续稀释器的工作原理是 8.啤酒厂生产麦芽汁多采用四器组合，四器为糊化锅 、 锅 、 、和 糊化锅的作用是 。 9.

管式离心机转鼓直径小，转速高,一般为15000r/min,分离

因数大,可达50000,因此分离强度高,可用于液-液分离和微粒

较小的悬浮液的澄清。

10．膜分离过程的实质是 。 11．液-液萃取设备应包括3个部分：混合设备、分离设备、和溶剂回收设备。 12．蒸发器主要由_______________和__________________两部分组成。 13．结晶设备应有搅拌 装置,使结晶颗粒保持悬浮于溶液中,并同溶液有一个相对运动,以成薄晶体外部境界膜的厚度,提高溶质质点的扩散速度,加速晶体长大。

14．沸腾造粒干燥过程中，影响产品颗粒大小的因素有_____________________、 _______________________________和___________________________________。 15在用蒸汽加热灭菌时，要保证管道彻底灭菌,管路配置应能彻底排除冷凝水，故管路应有一定的斜度和装设排污阀门。在灭菌开始时，还必须注意把设备和管路中存留的空气充分排尽，否则造成假压而实际灭菌温度达不到要求。 16．标出卧式空调室的部件的名称:3 4 :

三．问答题

卧式空调室

1.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。 2.提高过滤速度的方法都有那些?

3.提高物料的干燥速度可以采取哪些措施？生物工业中常用的干燥设备有哪些类型？请举例说明。

4.图为机械搅拌式生物反应器的结构简图,标出1-4各部件的名称,并分别阐述其作用.

5.对于酒精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？ 四.计算题

某厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一只圆盘六箭叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装有四块标准挡板，装液量VL为6m3，搅拌转速 ω=150rpm，通气强度为1.0VVm，醪液粘度μ=2.25×10-3 N·s/ m2，醪液密度 ρ=1020 kg/ m3 ,求轴功率Pg和Kd。（已知在充分湍流状态时，圆盘箭叶涡轮搅拌器

?Di2?L的功率准数 NP = 3.7，Re?，Pg≈0.577P0，

?Kd??2.36?3.3n??Pg/VL?0.56。 vs?0.7?10?97）

2.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

试题答案

一.名词解释 1.菌体得率YX/S

对基质的细胞得率Yx/s 2. 装料系数

Yx/s?生成细胞的质量?x＝消耗基质的质量??S发酵罐存在持气与起泡问题，必须在充入培养液后留有一定的空间。V ?V0?式中 V—发酵罐的代表容积（m3）；V0—进入发酵罐的发酵液量（m3） ψ —装液系数 3.实罐灭菌

将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热，达到预定灭菌温度后，维持一定时间，再冷却到发酵温度，然后接种发酵，又称分批灭菌。 4.升膜式蒸发器

真空蒸发设备，主要由加热室和汽液分离器组成，在真空状态下溶液在蒸发器的加热表面形成液膜，很快受热升温、汽化、浓缩。液膜与蒸发的二次气流方向相同称为升膜式蒸发器。 5．带式输送机

利用一根封闭的环形皮带，绕在相距一定距离的2个鼓轮上，皮带由主动轮带动运行，物料在带上靠摩擦力随带前进，到另一端卸料。由皮带、托辊、鼓轮、传动装置、张紧装置、加料装置和卸料装置组成。适用于松散干湿物料、谷物颗粒及成件制品。 二.填空

1.某机械搅拌发酵罐内发酵液中的溶氧浓度为0.025mol/m3,此罐压下饱和溶氧浓度为0.275 mol/m3,此罐的KLa值为1000(1/h),根据传质理论,计算此类发酵罐的供氧能力为 250 mol (O2)/(m3?h)

2.某酒精工厂,每发酵罐的进料量为24t/h,每4h装满一罐,糖化醪密度为1075 Kg/m3,装料系数为0.9, 计算此发酵罐的全体积约为 100 m3

3.啤酒发酵罐中发酵液的对流主要是依靠其中 CO2 的作用,另外冷却操作

时啤酒 温度 的变化也会引起罐的内容物的对流循环

4.CIP清洗系统是Clean In Place的简称,即 内部清洗系统 （在位清洗 ） ,进行大罐清洗工作的关键设备是 喷射洗涤装置 。

5．悬浮培养适用于非贴壁依赖型细胞，贴壁培养适用于贴壁依赖型细胞。除此之外还有一种 固定化（包埋） 培养对两类细胞都适用。 6.酒精厂以玉米粮食为原料的生产中需要 粗选机 、除铁 器 等设备对原料进行预处理。

7．锤式粉碎机的作用力主要为 冲击力 。

胀缩式糖蜜连续稀释器的工作原理是 糖液的流速随器径的几次 改变而流速多次改变，促进了糖液的均匀混合 。 8.啤酒厂生产麦芽汁多采用四器组合，四器为糊化锅 、 糖化锅 、 麦汁过滤槽 、和 煮沸锅 糊化锅的作用是 加热煮沸辅助原料，使淀粉液化和糊化 。 9.

管式离心机转鼓直径小，转速高,一般为15000r/min,分离

因数大,可达50000,因此分离强度高,可用于液-液分离和微粒 较小的悬浮液的澄清。

10．膜分离过程的实质是 小分子物质透过膜，而大分子或固体粒子被阻挡 。

11．液-液萃取设备应包括3个部分：混合设备、分离设备、和溶剂回收设备。 12．蒸发器主要由__热交换器__和_____蒸发室___两部分组成。

13．结晶设备应有搅拌 装置,使结晶颗粒保持悬浮于溶液中,并同溶液有一个相对运动,以成薄晶体外部境界膜的厚度,提高溶质质点的扩散速度,加速晶体长大。

14．沸腾造粒干燥过程中，影响产品颗粒大小的因素有_停留时间、摩擦作用 _______和________干燥温度____。

15在用蒸汽加热灭菌时，要保证管道彻底灭菌,管路配置应能彻底排除冷凝水，故管路应有一定的斜度和装设排污阀门。在灭菌开始时，还必须注意把设备和管路中存留的空气充分排尽，否则造成假压而实际灭菌温度达不到要求。

16．标出卧式空调室的部件的名称:3 喷嘴 4 挡水板:

三．问答题

1. 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：

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)

卧式空调室

?机械搅拌反应器??非机械搅拌反应器 悬浮培养反应器??组合式反应器?光生物反应器??填充床反应器?固定化细胞培养反应器?流化床反应器

?膜反应器?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。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。 2.提高过滤速度的方法都有那些?

(1)发酵液的预处理:增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去高价无机离子和杂蛋白质，降低液体黏度，实现有效分离。 方法： A. 加热 B. 凝聚和絮凝 C. 加入盐类 D. 调节pH E. 加入助滤剂

(2) 选择适当的过滤介质和操作条件

过滤介质除过滤作用外,还是滤饼的支撑物。尽量采用加压过滤,确定滤饼比阻与过滤压差的关系,再与过滤方程相关联,求得最佳操作条件.

2. 提高物料的干燥速度可以采取哪些措施？生物工业中常用的干燥设备有哪些类型？哪些设备可用于在空气中易氧化的生物制品的干燥？

（1）提高物料的干燥速度可以采取以下措施：当干燥速率为表面汽化控制时，提高空气温度，降低空气湿度，改善空气与物料之间的流动和接触状况，提高真空室的真空度。当干燥速率为内部汽化控制时，减小物料颗粒直径，提高干燥温度。

（2）生物工业制品的干燥设备类型

瞬时快速干燥设备：滚筒干燥设备、喷雾干燥设备、气流干燥设备、沸腾干燥设备

低温干燥设备：真空干燥设备、冷冻干燥设备

（3）真空干燥设备、冷冻干燥设备可用于在空气中易氧化的生物制品的干燥。 4.图为机械搅拌式生物反应器的结构简图,标出1-4各部件的名称,并分别阐述其作用.

1) 消泡装置：安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可

将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。

2) 搅拌器：打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，混合传质。 3) 挡板：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶

解氧。通常挡板宽度取(0.1～0.12)D，装设4~6块即可满足全挡板条件。 4) 空气分布器：吹入无菌空气，并使空气均匀分布

5.对于酒精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？ 参数名称 温度 罐压 空气流量 液面 泡沫 细胞浓度 溶解氧浓度 酸碱度 产物浓度 基质浓度 测试方法 传感器 热电阻 压力表 气体流量计 液面计 传感器 电极探针 浊度计 溶氧仪 复合pH电极 取样HPLC 意义、主要作用 维持生长、合成 维持正压、增加DO 供氧、排泄废气、提高KLa 反映操作稳定性、生产率 反映发酵代谢、操作稳定性 了解生长情况 反映供氧情况 反映细胞的代谢途径 了解基质的利用情况 取样（传感器）HPLC 产物合成情况 四．计算题：

某厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一只圆盘六箭叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装有四块标准挡板，装液量VL为6m3，搅拌转速 ω=150rpm，通气强度为1.0VVm，醪液粘度μ=2.25×10-3 N·s/ m2，醪液密度 ρ=1020 kg/ m3 ,求轴功率Pg和Kd。（已知在充分湍流状态时，圆盘箭叶涡轮搅拌器

?Di2?L的功率准数 NP = 3.7，Re?，Pg≈0.577P0，

?Kd??2.36?3.3n??Pg/VL?解：

先求搅拌雷诺准数：

0.56。 vs?0.7?10?9）

?Di2?L?150/60?(0.6)?10204 Re???40.8?10?3?2.25?102故发酵系统属充分湍流，功率系数NP=3.7。故两组叶轮的不通气时搅拌功率为：

?150?5p0?NP?3?LDi5?3.7????1020?0.6?4586(W)?4.586(KW)

?60?通气搅拌功率为 :

3Pg≈0.577 P0=2.647KW 空截面气速为:

???vs?6?1??1.82??2.359m/min?235.9(cm/min)

?4?从而可算出溶氧系数：

Kd??2.36?3.3n??Pg/VL?0.56vs?0.7?10?9??2.36?3.3??2.647/6?0.70.56235.90.71500.7?5.47?10?6五.画图题

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

答：不合理。由于空气湿度大应对压缩后的空气进行冷却，以形成油雾、水雾；旋风分离器应放在丝网分离器之前；总过滤器应放在分过滤器之前；应适当加热以降低空气湿度。

1. 粗过滤器：捕捉较大的灰尘颗粒，防止压缩机受损，减轻总过滤器的负荷。 2. 空压机：提供给空气压力一定的压力

3. 空气贮罐：消除压缩机排出空气量的脉冲，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。

4. 6.冷却器：对空气进行冷却,以形成水雾和油雾。

5. 旋风分离器：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。 7．丝网分离器：将空气中被冷凝成雾状的水雾和油雾粒子除去的设备。 8．加热器：对空气适当加热，以降低空气湿度。 9．总过滤器：对空气过滤除菌。 10．分过滤器：对空气过滤除菌。 11．发酵罐

《生物工程设备》试卷2

一、填空题

1.Monod方程μ=μmaxS/(KS + S)中,KS代表的物理意义

μ随S增加而增加,当基质浓度 KS时, μ=μmax/2

2．机械搅拌式生物反应器中的挡板的作用是

________________________________________________________全挡板条件是 ___________________________________________________________________。 3．固体物料的粉碎按其受力情况可分为_______________、________________、__________________、________________和__________________五种力的作用。 4．空气过滤除菌机理包括________________ 、_______________________、________________、___________________和___________________。

5．悬浮液中的颗粒在管式离心机中能够被分离并沉降至转鼓壁上的条件是____ ______________________________________________________________________。悬浮液中的颗粒在碟式离心机中能被分离的条件是_____________________。 6．生物工业中常用的干燥方法有_________________、____________________、 __________________和_____________________________ 。其中低温干燥有________________和_____________________。

7．为了保证蒸发过程的顺利进行，必须做到_____________________________、 ___________________________、______________________________________。 8．在空气过滤除菌过程中，过滤效率与空气流速有关。当空气流速比较低时，过滤效率随空气流速_________________，此时，_____________________起主要作用；当空气流速比较高时，过滤效率随空气流速_________________________，

此时，__________________起主要作用。

9．结晶操作时，起晶方法有________________、____________________、__________________________，其中_________________________________法，由于蒸发时间__________________________，已很少采用。

10．在供氧耗氧平衡时，根据公式的分析，提高发酵罐的操作压力相应提高了_______________________，即是说对传氧是有利的。但在生产实践中，人们发现对于产生CO2的发酵系统，适当降低罐压，产物得率有明显提高，这是因为当降低罐压时，更易溶于醪液的_________________________在醪液中浓度降低，发酵过程受到抑制减轻的结果。 二、问答题

1. 离心和过滤操作的分离原理差别在哪里? 2. 喷雾干燥中,喷嘴和分配盘的作用是什么?

3. 什么是离心机的离心分离因数,离心机以分离因数分类可分为几类? 4代谢产物和蛋白质释放到生长培养基中或在细胞内积累.产物的生成可分为哪几种形式?分别用公式和图表怎么表示. 5．下图是何种设备？请标出各部分的名称。

此时，__________________起主要作用。

9．结晶操作时，起晶方法有________________、____________________、__________________________，其中_________________________________法，由于蒸发时间__________________________，已很少采用。

10．在供氧耗氧平衡时，根据公式的分析，提高发酵罐的操作压力相应提高了_______________________，即是说对传氧是有利的。但在生产实践中，人们发现对于产生CO2的发酵系统，适当降低罐压，产物得率有明显提高，这是因为当降低罐压时，更易溶于醪液的_________________________在醪液中浓度降低，发酵过程受到抑制减轻的结果。 二、问答题

1. 离心和过滤操作的分离原理差别在哪里? 2. 喷雾干燥中,喷嘴和分配盘的作用是什么?

3. 什么是离心机的离心分离因数,离心机以分离因数分类可分为几类? 4代谢产物和蛋白质释放到生长培养基中或在细胞内积累.产物的生成可分为哪几种形式?分别用公式和图表怎么表示. 5．下图是何种设备？请标出各部分的名称。

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