生物設備工程復習題

生物工程設備 復習

課堂問題：

1、  實罐滅菌如要縮短冷卻時間，采用何種方式比較經濟合理？

降低冷卻水溫度？增加冷卻面積？增加冷卻水流量？

2、  滅菌過程間接升溫后關攪拌再直接通蒸汽進罐是否正確？為什么？

（不正確。大罐混合不好，測PH，溫度的點均在攪拌槳附近）

3、  為什么滅菌后先開空氣再開冷卻？（負壓）

4、  從工程上分析影響培養基濕熱滅菌的因素有哪些？

（培養基成分、起泡程度、培養基顆粒大小、罐內空氣排除、攪拌混合均勻等。）

5、  生物發酵用凈化空氣的質量指標如何控制？

6、  空氣凈化過濾如何考慮節能？

7、  空氣分水，干燥設備如何選用？

8、無菌空氣相對濕度越大越好么？為什么？

（低的話，帶出去的水分太多，預處理耗能大；高的話，影響過濾效率，過濾器使用壽命短）

9、通用式機械攪拌微生物反應器的攪拌槳如何組合選用？（必考）

10、通用式機械攪拌反應器的結構，比例尺寸，基本部件。（PPT）

11、根據發酵熱計算冷卻水流量。

12、生物反應器換熱面積設計計算的依據。

（發酵熱，傳熱系數，冷卻面積……）

13、功率計算。（必考）

（公式，氣體條件，單位。PPT上書上都有例題）

14、如何提高生物反應器的供氧能力？

（提高Kla，提高傳值推動力（提高氧分壓，改變培養基性質），增加轉速和直徑）

14、離心分離因素：評價離心力的大小。定義是什么？（書P89）

15、列舉7個離心分離設備。（書P91）

（重力沉降槽，增稠器，管式離心機，板框壓濾機，真空鼓式過濾機，葉濾機，超濾器，反滲透器，碟片式離心機……）

16、那些工藝過程需要液固分離？（PPT）

17、碟片式離心機是利用沉降中的什么原理設計的？

18、真空干燥和冷凍干燥有什么區別？

  （都是使物料處于真空狀態下進行干燥。真空干燥是使物料中水分由液態變成氣態而除去。冷凍干燥是將濕物料冷到冰點以下，其中水分先變成固態冰，再置于較高真空下，將冰直接升華除去）

19、超濾膜的結構。（板式、框式、卷式、中空纖維 四種）

計算題：

1、  有一發酵罐裝料F為28m3，盤管傳熱面積30m2，實罐滅菌后要求在5小時內從120攝氏度冷卻到30攝氏度，若冷卻水進口溫度為10攝氏度，傳熱系數為1600（kJ/m2。C。h），水與料液比熱均為4.18（kJ/kg*C）求：（1）冷卻水流量（2）若冷卻水流量為20m3/h，冷卻水溫度為15攝氏度，冷卻所需時間為多少？

答：

（1）已知t1s=120C  t2s=10C  t1f=30C

K=1600   c1=c2=4.18

令培養基溫度t1=80C，冷卻水出口溫度t2=30C

A=exp[kF/Wc]=(t1-t2s)/(t1-t2)=(80-10)/(80-30)=1.4

So W=kF/ln(Ac2)=(1600*30)/(ln1.4*4.18)=34128.4(kg*h)

驗證：T=(Gc1/Wc2) * (A/(A-1)) *Ln[(t1s-t2s)/(t1f-t2s)]=4.895h  小于5h、

So 設定的t1 t2可以使用

W=34128.4(kg*h)

（2）已知W2=20m3/h=20000kg/h

A=exp[kF/Wc]=exp[(1600*30)/(20000*4.18)]=1.78

T=(Gc1/Wc2) * (A/(A-1)) *Ln[(t1s-t2s)/(t1f-t2s)]

=(28000/20000) * (1.78/1.78-1)*Ln[(120-15)/(30-15)]=6.22h

2、  從工程上分析影響培養基濕熱滅菌的因素有哪些？

答：培養基成分/起泡程度/培養及顆粒大小/罐內空氣排除/攪拌混合均勻

3、  若有一空氣凈化系統，其吸氣狀態溫度為30C，相對濕度n=80%，壓縮后，空氣壓力為0.2Mpa（表壓），然后將壓縮空氣經冷卻器冷卻到20C，經析水器、加熱器、空氣過濾器通入發酵罐。已知罐內裝夜為35m3通氣量為0.8VVM，發酵溫度為30C，培養時間168h，排氣壓力0.1Mpa，相對濕度100%，求一個罐批中發酵液因蒸發而減少的液量為多少？

答：

(1)查表得  30C時候飽和蒸氣壓  Ps1=4242.24pa

            20C時候飽和蒸氣壓  Ps2=2338.43pa

濕度n2=n1(Ps1/Ps2)*(P2/P1)=80%*(4242.24/2338.43)*(0.2+0.1/0.1)=4.4大于100%

取n2=100%

X2=0.622*[(n2Ps2)/(P2-n2Ps2)]=0.622*[(2338.43)/((0.2+0.1)*10^6)-2338.43]=4.89*10^-3(kg水/kg干氣)

X3=0.622*[(n3Ps1)/(P2-n3Ps1)]=0.622*[(4242.24)/(0.1*10^6)-4242.24]=2.76*10^-3(kg水/kg干氣)

X1=0.622*[(n1Ps2)/(P1-n1Ps2)]=0.622*[(0.8*4242.24)/(0.1*10^6)-0.8*4242.24]=A (kg水/kg干氣)

比體積：VH=(2.83*10^-3+4.56*10^-3*x1)*(t1+273)

           =(2.83*10^-3+4.56*10^-3*A)*(30+273)=B(m3/kg干氣)

W=(x3-x2)*V*VVM*t/VH

  =[(0.0276-0.00489)*0.8*35*168*60]/B=

4、  已知裝料量為35m3發酵罐，通氣量0.8VVM，發酵溫度30C，空氣進入溫度45C，求每小時由于空氣溫度高于發酵液溫度而釋放出的熱量為多少？約占發酵熱的百分率為多少？已知發酵熱味21000(kJ/m3*h)

答：

查表得  干空氣該溫度下比熱  r=1.005(kJ/kg*K)

G=r(t1-t2)Lp(密度)

  =1.005*(45-30)*35*0.8*60*1.15

  =2.91*10^4 (kJ/h)

G/G0=2.91*10^4/35*21000=4%

5、  有一50m3的發酵罐，裝料系數0.7，罐直徑3m，采用三層六彎葉渦輪攪拌器攪拌，攪拌槳直徑1m，攪拌轉速130轉/分，罐內裝有四塊擋板，通氣量25m3/min（0.8VVM），罐壓為0.05MPa(表壓)，培養溫度28C，發酵液的粘度為1.96*10^-3(Pa*s)，重度為1050kg/m3，罐封頭直邊高度Hb為0.04m，封頭凸出高度為(1/4)D。求（1）液柱高度HL和H/D（2）不通氣時的攪拌功率（3）通氣時的攪拌功率（米氏）

答：

(1)    HL=Hc+1/4D=[(VL-0.13D^3)/0.785D^2]+1/4D

               =(50*0.7-0.13*3^3)/(0.785*3^2)+0.25*3=

   V0(50m3)=0.13D^3+(pi/4)*D^2*(H+hb)………….求出H，H/D

(2)    Rem=nd2p(密度)/u（粘度）=(130/60)*1^2*1050/1.96*10^-3=

P=Kn3d5p=4.8*(130/60)^3*1^5*1050=

校正：f=1/3根號下[(D/d)(HL/d)]

     P*=fP……………單層

     Pm=P*(0.4+0.6m)……..m為層數

(3)    通氣時

Qg=Q0*[(273+t)/273]*[0.0981/(0.0981+P(0.05MPa)+1/2*HL*p(密度)*10^-5)

Pg=C(P2nd3/Qg^0.56)^0.45

d/D=1/3時，C=0.157

d/D=2/5時，C=0.113

d/D=1/2時，C=0.101

公式：

1、  間接加熱所需時間T（tao）=(Gc/KA)*ln[(ts-t1)/(ts-t2)]

   G---培養基質量kg

   c---培養基比熱容kJ/kg*C

   K---加熱過程中平均傳熱系數kJ/m2*C*h

   A---傳熱面積m2

   ts---加熱蒸汽溫度

   t1---加熱時培養基溫度

   t2---加熱后培養基溫度

2、  直接加熱所需時間T（tao）=SV/Fw

       V---當時表壓下蒸汽比體積 m3/kg

       F---蒸汽管道的截面積m2

       w---蒸氣管道中流速 m/s

3、  直接/間接加熱蒸汽消耗量S=Gc(t2-t1)(1+n)/r

   r---蒸汽汽化熱kJ/kg   r=i-cst2   i—蒸汽熱焓kJ/kg  cs—冷凝水的蒸汽比熱容

   n(加熱過程中熱損失)---5%-10%

4、  空氣壓縮過程壓強和溫度關系式T2/T1=(p2/p1)^((K-1)/K)

T1/T2---壓縮前后空氣絕對溫度 K

p1/p2---壓縮前后空氣絕對壓強 pa

K –絕熱1.4，多變1.3（發酵凈化系統設計時取1.3）

5、  含濕量u2=u1(ps1/ps2)(p2/p1)

u1/u2---壓縮前后空氣相對濕度

ps1/ps2---壓縮前后空氣飽和蒸汽壓

p1/p2---壓縮前后空氣絕對壓強

6、  V0=Vc+Vb=(pi/4)D^2*H+pi*D^2*hb/4+pi*D^2*ha/6

  =(pi/4)D2(H+hb)+0.13D3

7、  Rem小于10 滯流 P=K(4.8)n2d3u(粘度)

8、  Rem大于10^4 湍流 P=K(4.8)n3d5p(密度)

9、  不通氣條件下 功率校正式 P*=fP        f=1/3根號下[(D/d)*(HL/d)]

Pm=P(0.4+0.6m)----m為層數

10、              通氣條件下 通氣準數法 Na=Qg or Vg/nd3 

Qg---工況通氣量m3/min 

n---攪拌器轉速r/min

d---攪拌器直徑

Na<0.035   Pg/P=1-12.6Na

Na>=0.035   Pg/P=0.62-1.85Na

Qg=Q0*[(273+t)/273]*[0.1013/[(0.1013+Pt)+1/2pg*10^-6*HL]]

Q0---標準狀況通氣量 m3/s

Pt---發酵罐表壓 MPa

HL—發酵液液柱高度 m

11、              米氏公式  見例題

12、              準數方程式

ln(Pg/P)=-192(d/D)^4.38*(d2np/u)^0.115(dn2/g)^(1.96d/D)*(Qg/nd3)

精品課程網站：

1、為什么工業發酵培養基滅菌采用濕熱滅菌法？

答：濕熱滅菌是利用高溫飽和蒸汽將物料的溫度升高使微生物體內的蛋白質變性進行滅菌的一種方法。工業發酵培養基滅菌的特點是數量多；含有很多固體物質；滅菌后要有利生產菌的生長；方便易行及價格便宜。由于蒸汽冷凝時會放出大量潛熱，并具有很強的穿透力，滅菌效果好；蒸汽來源及控制操作條件方便，適用于工業發酵培養基的滅菌。

2、 從工程上分析影響培養基濕熱滅菌的因素有哪些？

答：培養基成分、起泡程度、培養基顆粒大小、罐內空氣排除、攪拌混合均勻等。

3. 實罐消毒滅菌過程中的溫度與壓力不對應，產生的原因是什么？

答：在實罐消毒過程中，熱傳遞的對流進行的不迅速，不充分，即升溫的時間很短，物料沒有達到均勻的滅菌溫度；罐內及物料內的低溫氣體又沒有充分排出，并且還在繼續產生。

4. 實罐消毒滅菌操作過程的要點？

答：（1）發酵罐及附屬閥門無泄漏，無死角，無堵塞；
    （2）滅菌時罐內蛇管和夾層冷卻部位的冷水徹底排除干凈；
    （3）液面以下與培養基接觸的管道都要進蒸汽；
    （4）液面以上不與培養基接觸的管道都要排汽。

5. 在連續滅菌系統流程設計中，加熱塔的蒸汽進口壓力，料泵的輸送壓力為何不能相差太大？

答：保證加熱塔處于穩定工作狀態，確保連續滅菌可靠性

6. 連續消毒滅菌操作的關鍵是什么？

答：（1） 連消設備無泄漏，無堵塞，無死角，保證在管路消毒過程中總管，支管滅菌徹底；
    （2）打料過程中嚴格控制打料流速及打料溫度，嚴格控制開冷卻水時間；
    （3）打料結束后避免物料長時間在管路中滯留，要及時壓出或及時接種。

7. 連續消毒滅菌特點是什么？

答：連續性強，快速滅菌消毒，培養基營養成分破壞少，適用于大容積發酵罐物料的連續滅菌消毒。但由于附加設備多，操作環節多，因此染菌機會增加，染菌涉及面廣。

8. 連消塔的工作原理是什么？如何保證連消過程中溫度平穩？流速均勻？
答：連消塔只起到給物料加熱升溫的作用；總蒸汽壓力要穩定在0.4Mpa，并減少波動；打料泵無泄漏，泵的出口壓力應穩定在0.5-0.6Mpa；打料泵前的篩板過濾器無堵塞；連消塔，維持罐應定期清理焦化物，防止堵塞。

9. 維持罐的工作原理是什么？

答：由連消塔打入維持罐的高溫物料，在維持罐內自下而上的層流，排出后進入冷卻器。這個層流的過程就是物料保溫滅菌的維持過程。

10. 如何操作避免維持罐存在的死角？

答：由于物料流速和設備容積決定了維持時間，所以維持罐在打料過程中要嚴格控制打料速度，以防止維持時間短而染菌。另外，在消毒塔打料的開始，維持罐內是空罐，所以要嚴格控制開泵后五分鐘內的打料速度，避免低溫物料進入維持罐而造成染菌。

11. 影響配后培養基質量的操作因素有那些？
答：（1）原材料質量不合格；（2）稱料重量不準確；（3）加水量不準確。（4）配料時沒有按照工藝順序投料，造成物料自身化學反應；（5）配料時沒有充分攪均勻；（6）配后取樣放置時間過長。

12. 發酵用的無菌空氣的質量指標是什么？
答：溫度、壓力、流量、空氣相對濕度、空氣無菌度

13. 發酵車間的無菌空氣為什么要經過三級除濾？

答：空氣除菌過濾器為高效膜過濾器，通常采用三級過濾，即總過濾、預過濾、精過濾，其目的就是保護高效膜過濾濾芯，延長各級濾芯的使用壽命。

14. 空氣除菌采用熱滅菌是否可行？對設備有何要求？答：可行；要求設備耐更高的溫度、壓力，冷卻量增加

15. 在空氣凈化系統流程設計時，應如何考慮節省能量？
答：根據不同地區的氣候特點設計不同的流程（舉例省）；沿程冷卻；冷熱空氣熱交換。

16. 發酵用的無菌空氣的制備對空氣的相對濕度有一定的要求，相對濕度是否是越低越好？為什么？

答：不是；相對濕度控制在≤60%是保證空氣過濾器的過濾效率及過濾器的使用壽命，相對濕度過低空氣預處理能耗大，并且在發酵培養過程中蒸發帶出的水分也越多。

17. 壓縮空氣分水設備選用的依據？
答：根據所制備無菌空氣的質量要求、產品的要求、投資、生產規模及應用場合

18. 高效空氣膜過濾器消毒滅菌時應注意什么？怎樣操作？

答：空氣膜過濾器濾芯材質為聚四氟乙烯膜，它的耐熱能力差，在消毒滅菌時應注意以下操作：（1）進蒸汽前，需排放蒸汽管道內的凝水；（2）滅菌用工業蒸汽要經過蒸汽過濾器過濾后才能通入；（3）進蒸汽要緩慢，切忌迅速升壓；（4）消毒時控制滅菌蒸汽壓力（滅菌溫度）、滅菌時間。滅菌溫度、滅菌時間與過濾介質及過濾器結構材質有關；（5）滅菌結束時，要緩慢通入空氣，防止膜變形。

19. 通用式機械攪拌發酵罐采用變速攪拌有何優點？

答：變速攪拌更能適應發酵過程中不同生長期對攪拌轉速的不同要求，這樣不僅可節約攪拌所消耗的電能，并使一個發酵罐能適用于多種產品的生產。同時在培養基采用實罐滅菌工藝時，低轉速攪拌，可避免電機因無通氣下，攪拌電流超標，導致電機燒掉。

20. 生物反應器換熱面積設計計算設計的依據是什么？為什么？
答：發酵罐傳熱面積的確定一般按某個生產品種的發酵過程中某個時刻的最大發酵熱作為設計計算的依據。但對一些發酵熱并不大的生產品種，應根據反應的發酵熱及培養基滅菌時的冷卻方法、冷卻條件要求來綜合考慮確定。

21. 從工程水平考慮，怎樣提高供氧速率？
答：提高空氣流量；改變攪拌槳形式；提高攪拌轉速和槳徑；提高氧分壓；改造培養基性質

22. 工業上通氣式發酵罐為何通常使用園盤渦輪式攪拌器？
答：避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿著攪拌軸上升

23. 從工程角度考慮，怎樣防止染菌？

答：培養基滅菌要徹底；發酵罐無死角、無滲漏且滅菌徹底；無菌空氣制備應達到要求；補料系統無死角、無滲漏且滅菌徹底；種子制備嚴格按無菌要求操作，確保生產種子沒有雜菌；生產區域保持清潔衛生；嚴格按規范進行操作：滅菌、接種、取樣；

24. 離心分離操作強度的特性指標是什么？

答：離心分離因素。與轉速平方成正比。

25. 為什么高速離心機往往都采用小直徑高轉速？
答：f值越大，即離心力越大，越有利于分離，提高轉速n比增大D對f有利得多

26. 離心機的用途有哪些？其分離原理是什么？

答：萃取液液分離、液固分離，或工程菌收集、結晶與母液分離等。

液液或液固間密度的不同。

27. 生物產品生產中，哪些設備常用于收集菌體（細胞）？有何特點？答：管式離心機，臺式離心機，立式離心機或生物體分離離心機。
菌體個體微小，沉降速度低，這些設備離心分離因素高，有的還有冷凍裝置，能保持生物活性。

28. 膜分離技術有哪些優點？
答：干凈、效率高、投資小、易驗證、連續操作、易于放大；膜分離一般在常溫下操作，整個過程完全是物理變化，這對處理熱敏物質，特別如基因工程所表達的蛋白質藥物等熱敏產品尤其具有優勢

29. 生物制藥工業，溶媒萃取單元操作，對設備有哪些要求？

答：混合充分、混合分離要迅速

30. 生物制藥工業中分段式萃取設備有哪兩部分組成？各有哪些設備？
答：混合設備及分離設備；
混合設備：混合罐、混合管、混合泵、 噴射器
分離設備：管式離心機、碟片式離心機、螺旋式離心機

31. 使用管式離心機進行液-液分離操作，如果要求的產品在有機溶媒相，則操作時應注意什么？
答：增加輕液厚度，用大內徑提圈

32. 層析設備由哪幾個部分組成？答：閥系統（上樣閥、緩沖液選擇閥和分流/旁通閥）、層析柱、泵、收集器、檢測儀器

33. 層析柱的作用是什么？常見有哪些層析柱？
答：充填層析介質（填料），實現分離過程。
　　玻璃柱、護套柱、徑向柱等、不銹鋼柱。

34. 層析設備的功能作用是什么？
答：泵：   推動溶液，它是層析系統的心臟。
閥系統：控制溶液的流向，提供自動控制層析過程的可能性。
層析柱：填裝不同的層析介質，使混合物在通過它時，因不同蛋白分子與層析介質作用強度不同，因而遷移速度不同，從而分開混合物。
檢測器：確定混合物中各物質的位置和濃度，以及緩沖液的各種參數。
收集器：用來收集樣品。

35. 離子交換罐的設計主要確定哪些參數？答：一是離子交換罐的結構尺寸，二是離子交換樹脂的裝量。

36. 離子交換罐的設計放大的原則是什么？
答：離子交換罐放大設計應在實驗數據上進行，固定床設計放大方法，通常是根據單位樹脂床體積中所通過溶液的體積流量即體積流量法（交換負荷相同放大法）；單位樹脂床截面積上所通過溶液的體積流量相同的原則進行即線速度相同放大法。

37. 反吸附離子交換罐中液體的流速是如何考慮的？
答：液體的流速應使樹脂沸騰但不能被帶出。

38. 強化簿膜蒸發濃縮操作的要點是什么？
答：（1） 料液接近于沸點溫度進料；（2） 蒸發器中的溫差不能太大；（3） 汽液分離效果好；（4） 足夠的冷凝能力；（5）足夠和合適的真空度。

39. 生物產品蒸發濃縮為何采用膜式蒸發器？答：生物產品大多是熱敏性物質，要求蒸發濃縮操作低溫快速，要快速達到較高濃縮比，必須使料液在操作中有較大的比表面積，膜式蒸發器符合。

40. 蒸發設備節能的手段有哪些？
答：多效蒸發；二次蒸汽利用；提高設備傳熱效果；選擇合適的操作條件。

41. 蛋白質藥物的制劑過程常采用冷凍干燥，為什么？
答：蛋白質高熱敏性不能用高溫干燥，而冷凍干燥的溫度很低，能保持其生物活性；蛋白質藥物的制劑含量很低，分裝不易，體積小，凍干可以解決這一問題，外觀好，復水性好。

42. 生物制藥行業常用的干燥設備有哪些？
答：冷凍干燥器、真空干燥器、噴霧干燥器、氣流干燥器、沸騰干燥器

43. 生物產品干燥的目的是什么？與其他化工產品比較，有什么特殊性？ 
答：減少體積，便于貯存和運輸；降低水分，保持生物產品的生物活性。
　　要求干燥溫度低，干燥時間短，以保持其生物活性。