完整版生物工程设备有关概念

1.发酵：用于描述果汁或麦芽浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生二氧化碳所引起的“沸腾”现象。2.发酵工程：应用微生物学等相关的自然科学以及工程学原理，利用微生物等生物细胞进行酶促转化，将原料转化成产品或提供社会性服务的一门科学。3.无菌空气：是指通过除菌处理使空气中含菌量降低到零或极低，从而使污染的可能性降低至极小，一般按染菌的概率为10－3来计算，即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1次染菌。4.深层过滤的对数穿透定律：Lg（N2/N1）=-K’L，它表示进入滤层的空气微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之比的对数是滤层的函数。5.过滤效率：就是滤层所滤去的微粒数与原来微粒数的比值，它是衡量过滤器过滤能力的指标。6.溶氧传质系数：，即液膜传质系数与单位体积发酵液的气液界面面积的乘积，决定反应结构的最相关的参数。7.全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变，要达到全挡板条件必须满足下式要求：(b/D)n=[(0.1～0.12)D/D]n=0.5，其中，D表示发酵罐直径，b表示挡板宽度，n表示挡板数。8.自吸式发酵罐：是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混和搅拌与溶氧传质的发酵罐。9.细胞固定化：是指将游离的细胞包埋在多糖或多聚化合物制备成的网状支持物中、培养液呈流动状态进行无茵培养的一门技术。10.生物反应器过程的放大：就是指以实验室或中试反应设备所取得的试验数据为依据，设计制造大规模的反应系统，以进行工业规模生产。11.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。12.下游加工过程:发酵产品系通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得。从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程13.超临界流体：随着向超临界气体加压，气体密度增大达到液态性质，这种状态的流体称为超临界流体。其性质介于气体和液体之间。14.离心分离因素:是指离心力与重力的比值，或离心加速度与重力加速度的比值。15.蒸发过程的必要条件：①充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量。②保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。③一定的热交换面积，以保证传热量。16.结晶：是指溶质自动从过饱和溶液中析出形成新相的过程。17.重结晶：就是将晶体用合适的溶剂溶解再次结晶，能使纯度提高。18.冷冻干燥：也称升华干燥，是将湿物料置于较低的温度下（-10至-15℃）冻成固态，然后将其环境抽为高度真空（1～0.001mmHg），湿物料内的水分不经液态直接升华为气体被真空泵抽走，留下干燥的物体。19.气流干燥：气流干燥是指将颗粒状的湿物料加入到流动的热空气中进行迅速干燥的一种方法。20.蒸馏：主要是指将某些液相和固相、液相和液相的混合物分离开，或将某些组分再进行提纯的化工单元操作。21.相对挥发度： 将溶液中易挥发组分的挥发度对难挥发组分的挥发度之比，称为相对挥发度。第一章国外发酵工业的发展概况可分为五个阶段，19世纪以前是天然发酵阶段，1905～1940年纯培养技术的建立，1940年以后通气搅拌发酵技术的建立，1960年以后开拓发酵原料，1979年以后基因工程阶段。第二章空气净化除菌与空气调节1.一般干燥寒冷的北方空气中的含菌量较少，而潮湿温暖的南方则含菌量较多；人口稠密的城市比人口少的农村含菌量多；地面又比高空的空气含菌量多2.无菌空气的作用：给培养的微生物提供氧气；搅拌作用，促进菌体在培养基中不断混合，加快微生物生长繁殖速度；保持发酵过程中的正压操作；维持代谢产物的均匀扩散3.空气净化除菌的方法：辐射灭菌，加热灭菌，静电除菌，介质过滤4.介质过滤：利用有孔介质从气体中除去微生物。过滤机理：直接拦截，惯性撞击，扩散拦截（重力沉降，静电吸附）5.过滤介质类型：表面过滤介质（编织网粉末烧结）；深度过滤介质（纤维材料结构：棉花，活性炭或玻璃纤维，有机合成纤维；浇铸膜结构）6.粗过滤器作用：是捕集较大的灰尘颗粒，防止压缩机受磨损，同时也可减轻总过滤器负荷。布袋过滤，填料过滤，油浴洗涤，水雾除尘7.空气贮罐作用：是消除压缩机排出空气量的脉动，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8.空气增湿的方法（1）往空气中通往直接蒸汽。（2）喷水。（3）空气混合增湿。第三章生物反应器设计基础1、发酵液培养基某些成分的加入不促进微生物的生长，只是有助于调节产物的形成，这些添加的物质包括前体物质、抑制剂和促进剂；2、发酵过程的代谢变化规律：代谢变化就是反映发酵过程中菌体的生长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。3、了解生产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通气搅拌等环境条件下对基质的利用、细胞的生长以及产物合成的代谢变化，有利于人们对生产的控制。4、发酵过程按进行过程有三种方式：分批发酵，补料分批发酵，连续发酵。图5、一个良好的生物反应器应满足哪几个基本要求；1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；2）有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；5 ）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。6、KLa：体积质量传递系数是决定反应结构的最相关的参数，它是质量传递的比速率，指在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收的气体。7、影响溶氧系数的因素有哪些？如何影响？答：1、操作条件的影响，对于带有机械搅拌的通气培养装置，搅拌器对物质传递有几个方面的作用：1）将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的凝并，从而增大气液相的接触面积；2）搅拌作用使培养液产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间；3）搅拌造成液体的湍动，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力；4）搅拌作用使培养液中的成分均匀分布，使细胞均匀地悬浮在培养液中，有利于营养物质的吸收和代谢物的分散。2、液体性质的影响，液体的性质，诸如密度、粘度、表面张力、扩散系数，在同样的发酵罐中和同样的操作条件下，液体的粘度影响也很大。液体的粘度增大时，由于滞流液膜厚度增加传质阻力就增大。同时粘度也影响扩散系数。3、其他因素的影响：A、表面活性剂：培养液中，消沫用的油脂等是具有亲水端和疏水端的表面活性物质，它们分布在气液界面，增大传递阻力，使下降。B、离子强度：在电解质溶液中生成的气泡比在水中小得多，因而有较大的比表面积。C、细胞：培养液中细胞浓度的增加，会使变小，细胞的形态对的影响也很显著D、在牛顿流体和非牛顿流体中，溶氧系数的变化规律也不同。E、消沫剂：消沫剂对溶氧系数的影响较大，有双重作用。一方面，消沫剂增加单位体积发酵液中的气液接触面积，增加溶氧系数；另一方面，消沫剂不但增加了液膜传质阻力，而且降低了气液界面的流动性，反而降低了溶氧系数。8、Kla的测定方法：测定常用的方法有三种：亚硫酸盐法、动态法和定态法。9、氧在气液间的传递符合双膜理论，基本要点有哪些：双膜理论认为，气液两相间存在一个界面，界面两侧分别为呈层流状态的气膜和液膜；在气液界面上两相浓度相互平衡，界面上不存在传递阻力；气液两相的主流中不存在氧的浓度差。氧在两膜间的传递在定态下进行，因此氧在气膜和液膜间的传递速率是相等的。第四章通风发酵设备1.机械搅拌通风发酵罐结构图：马达，轴封，消泡器，搅拌器（扁平叶轮），挡板，空气分布器 2.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；通用式机械搅拌发酵罐中的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；同时气泡大，上升速度快，走短路，传质效果差。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。3.端面机械轴封与填料函轴封相比有什么优缺点？端面机械轴封的优点是：（1）清洁；（2）密封可靠，在一个较长的使用周期中，不会泄漏或很少泄漏；（3）无死角，可以防止杂菌感染；（4）使用寿命长，质量好的可用2～5年不需要维修；（5）摩擦功率耗损小；（6）轴或轴套不受磨损；（7）对轴的精度和光洁度要求不很严格，对轴的震动敏感性小。缺点是：结构比较复杂，装拆不便，对动环和静环的表面光洁度及平直度要求高。填料函式轴封的优点是结构简单。主要缺点是：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修，耗工时多。4.发酵生产中消泡的方法及设备：发酵生产中有两种消泡方法：一是加入化学消泡剂，二是使用机械消泡装置。常用机械消泡装置有：耙式消泡器、涡轮式消泡器和离心式消泡器等5.挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。6.发酵罐采用的搅拌器的种类：涡轮搅拌器和螺旋桨式7.通气生物反应器的类型：机械搅拌式、气升环流式和自吸式8.通风发酵设备培养产品的类型：需氧型9.什么是轴封:安装在旋转轴与设备之间的部件。第五章嫌气发酵设备1、嫌气发酵设备培养产品的类型：酒精发酵设备、啤酒发酵设备2、酒精发酵罐的洗涤，过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且二氧化碳气体一旦未彻底排除，工人入罐清洗就会发生中毒事故。近年来，酒精发酵罐已逐步采用水力喷射洗涤装置。3、圆筒锥底啤酒发酵罐上为什么要安装真空安全阀？答：罐内真空主要是由于系列的发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗造成的。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，CO2有被除去的可能，由于清洗溶液中含有碱性物质与CO2起反应而除去CO2气体，因而也会造成真空。因此，大型罐应设防止真空的装置，真空安全阀的作用是允许空气进入罐内，建立罐内外的压力平衡。4、圆筒体锥底发酵罐的优点。① 锥底罐是密闭罐，既可作发酵罐，又可作贮酒罐。也可用二氧化碳洗涤，除去生青气味，促进啤酒的成熟。②自身有冷却装置，可有效地控制发酵温度；尤其是锥底部有冷却夹套，便于回收酵母。③有自动清洗设备，卫生条件好，染菌机会少，有利于无菌操作，既节省生产费用，又降低了劳动强度。④由于是加压密闭发酵，减少了酒花苦味质的损失，可降低酒花使用量15％左右。⑤易于实现自动化。第六章植物细胞（组织）和动物细胞培养反应器1.动物细胞的体外培养有三种类型：悬浮培养，贴壁培养，固定化培养2.体外培养的动物细胞有两种类型：贴壁型和非贴壁型3.细胞破碎的方法，机械法（珠磨法，高压匀浆法，超声波破碎法，研磨法）生化法（碱处理法，酶溶法，化学渗透法）物理法（渗透压法，冻结融化法，干燥法）超声波破碎细胞是由于超声波的空穴作用，高压匀浆法等第七章生物反应器的检测、控制及比拟放大1、生物反应器检测参数类型：物理参数、化学参数、生物参数（设定参数。状态参数，间接参数），2、传感器性能指标：准确度、精确度、分辨率、响应时间3、生物工程传感器的具备要求：（1）传感器能经受高压蒸汽灭菌；（2）传感器及其二次仪表具有长期稳定性；（3）最好能在过程中随时校正；（4）探头材料不易老化，使用寿命长；（5）探头安装使用和维修方便；（6）解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题；（7）价格合理，便于推广使用。第八章物料处理与培养基制备1.机械输送设备种类繁多，目前用于输送固体原料的设备：气流输送包括：真空输送，压力输送，压力真空输送2.磁选设备：磁力除铁器，固定形磁钢装置，永磁滚筒3.粉碎设备：锤式粉粹机（冲击力）辊式粉粹机（挤压力）圆盘钢磨4.用糖蜜生产酒精前，需进行稀释、酸化、灭菌和增加营养盐等处理过程。供此用途的设备糖蜜连续稀释器5.高温瞬时灭菌，无菌程度6.淀粉液化和糊化的设备：糊化锅7.在培养基的灭菌过程中是否能做到绝对无菌？为什么？不能，理由：书本p6公式1-1可知，当Ns等于0时，灭菌时间趋向于无穷大，所以不可能。8.发酵生产中对培养基的灭菌的无菌程度是多少？染菌几率为10-3即1000次发酵周期所用的无菌空气只允许1次染菌。 第九章过滤、离心与膜分离设备1、发酵下游加工过程的特点；（1）、培养液(或发酵液)是复杂的多相系统（2）、欲提取的生物物质浓度很低，但杂质含量却很高（3）、欲提取的生物物质通常很不稳定、遇热、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解（4）、发酵或培养都是分批操作、生物变异性大，各批发酵液不尽相同，要求下游加工有一定的弹性2、一般工艺过程：a、培养液(发酵液)的预处理和固液分离、b、初步纯化(提取)、c、高度纯化(精制)、d、成品加工。3、旋风分离器是借助离心力来分离捕集粉粒体的装置；第十章萃取与色谱分离设备1.萃取的原理：利用物质在两种成相的溶剂中溶解度的不同，使所需的目的物质从一种溶剂中转移到另一种溶剂中，从而达到分离纯化的目的2.浸取的本质：固液萃取3.萃取的设备包括：混合、分离、溶剂回收设备；4.混合设备：混合罐，混合管，喷射式混合器5.混合罐结构：混合罐的结构类似于带机械搅拌的密闭式反应罐，如图10-3所示。搅拌器采用螺旋桨式，转速为400～1000r/min，为防止中心液面下凹，在罐壁设置挡板。罐顶上有萃取剂、料液、调节pH的酸（碱）液及去乳化剂的进口管，底部有排料管。由于搅拌器的作用，罐内几乎处于全混流状态，使罐内两液相的平均浓度与出口浓度近似相等。为了加大罐内两相间的传质推动力，可用带有中心孔的圆形水平隔板将混合罐分隔成上下连通的几个混合室，每个室中都设有搅拌器。6.超临界萃取的典型过程分为三类：等温法（改变压力）等压法（利用温度的改变）吸附吸收法（可吸附溶质而不吸附溶剂的吸附剂）7.阳离子交换剂：-SO3H,-PO3H2，--COOH，--OH8.阴离子交换剂：-NH2，-NHCH3，N-(CH3),-N(CH3)3第十一章蒸发与结晶设备1、蒸发过程必须满足以下基本要求：①充足的加热热源，以维持溶液的沸腾和补充溶剂汽化所带走的热量。②保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。③一定的热交换面积，以保证传热量。2、工业中常用的间接加热蒸发器分为膜式（单程式）和非膜式（循环式）；3、溶液的结晶过程一般分为三个阶段：即过饱和溶液的形成、晶核的形成、晶体的成长阶段； 4、真空煮晶锅的结晶；连续真空煮晶锅的适用范围宽，结晶晶粒大，规格一致。5、影响晶体质量的三个因素：大小、形状、纯度第十二章干燥设备1.固体结合的四种水分：化学结合水分（不属于干燥范围）、毛细管水分、溶胀、吸附（最易去除）2.干燥装置中最常用的气－固分离器是旋风分离器，3.干燥设备选型的原则：1）．被干燥物料的性质及形态，如粉状、颗粒状、溶液状、浆状、膏糊状、块状、片状、纤维状等。　　2）．能量消耗，要求设备热效率和干燥效率高，同时与之配套的输送机械动力消耗低。　　3）．干燥速度快，效率高，这样可以减少设备尺寸，缩短干燥时间。4）．操作控制方便，劳动条件好。5）．产品产量，干燥器的处理能力需要满足生产要求。6）．产品质量，对产品质量方面的要求包括四个方面：①产品的含湿量②产品的晶形要求③产品的热敏性；④对产品干净程度的要求4.干燥由两个基本过程构成：传热过程，传质过程5.喷雾干燥的典型流程，具体名称：1.液料槽2.液料泵3.压缩空气4.气流喷嘴5.干燥塔6.旋风分离器7.布袋除尘器8.加热器6.冷冻干燥设备大致由四部分组成：冷冻部分，真空部分，水汽去除部分，加热部分7.沸腾造粒干燥器的形状：单层圆筒式沸腾床干燥器 在圆筒体底部有一个气体分布板，分布板以上构成了沸腾室。物料从侧面上部加料口加入，空气由风机鼓入，通过加热器进入干燥器，再通过气体分布板向上托起物料颗粒形成沸腾床，最后，气体从顶部经过旋风分离器排出。详见ppt第十三章蒸馏设备1、蒸馏的概念。是分离液体混合物的典型单元操作，这种操作是将液体混合物部分气化，利用其中各组分挥发度不同的特性以实现分离的目的；2、分子蒸馏技术是在很高的真空条件下，对物料在极短的时间里加热、气化、分离，以达到提纯的目的，分离原理是在0.133－1.33Pa的高真空进行的非平衡蒸馏，分离的对象是沸点高、不耐高温和受热易分解的物质。3、酒精蒸馏塔：三塔式蒸馏流程（粗馏塔、排醛塔、精馏塔）是在两塔式蒸馏流程（粗馏塔、精馏塔）上加上排醛塔。第十四章设备与管道的清洗与杀菌1.CIP：CleanInPlace时时在位洗涤系统2.目前的清洗剂都是由碱或酸、表面活性剂、磷酸盐和鳌合剂混合而成的