生物工程设备总复习Word下载.docx
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使液体湍流,增加传质
挡板:
防止液面中央形成漩涡流动,增强湍动和溶氧传质
轴封:
防止染菌和泄漏。
5、气流干燥的原理及特点
原理:
利用热气流将物料在流态下进行干燥过程。
干燥操作中,湿物料在热空气中呈悬浮状态,每个物料颗粒都被了空气包围,使物料在流动过程中最大限度地与空气充分接触,气体与固体之间进行传热和传质,达到干燥目的。
适合于潮湿分散状态颗粒物料的干燥。
特点:
干燥强度大,干燥时间短,适用性广,设备结构简单。
6、喷雾干燥的原理及特点
利用喷雾器,将液体喷成雾状,与热空气之间发生热量和质量传递而进行干燥过程。
干燥速度快,时间短,温度低,成品具有良好的分散性和溶解性。
7、在酒精发酵生产中,何谓粗馏、精馏粗馏塔、精馏塔的作用
粗馏:
将酒精与其它挥发性杂质从发酵醪中分离的过程
粗馏塔作用:
从发酵成熟醪液中将乙醇成分提取出来
精馏:
除去粗酒精中杂质,进一步提高酒精浓度
精馏塔作用:
把粗酒精提浓到产品要求浓度,并分离净化
8、空气过滤除菌机理除菌方法
机理:
惯性碰撞,拦截滞留,布朗运动,重力沉降,静电吸附
方法:
介质过滤,辐射,化学药品,加热,静电吸附
9、请说一说啤酒生产中麦芽汁各制备设备的作用。
糊化锅:
用于煮沸大米粉和部分麦芽粉醪液,使淀粉糊化和液化。
糖化锅:
是使麦芽粉与水混合,并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化
过滤槽:
用于过滤糖化后的麦醪,使麦汁与麦槽分开而得到清亮的麦芽汁。
糖化醪过滤槽:
是啤酒厂获得澄清麦汁的一个关键设备,主要用于醪液的糖化和麦汁的过滤。
10、为什么工业发酵培养基灭菌采用湿热灭菌法
湿热灭菌是利用高温饱和蒸汽将物料的温度升高使微生物体内的蛋白质变性进行灭菌的一种方法。
工业发酵培养基灭菌的特点是数量多;
含有很多固体物质;
灭菌后要有利生产菌的生长;
方便易行及价格便宜。
由于蒸汽冷凝时会放出大量潜热,并具有很强的穿透力,灭菌效果好;
蒸汽来源及控制操作条件方便,适用于工业发酵培养基的灭菌。
11、凝胶层析的应用主要有哪些并说明其原理。
当具有一定分子量分布的高聚物溶液从柱中通过时,较小的分子在柱中停留时间比大分子停留的时间要长,于是样品各组分即按分子大小顺序而分开,最先淋出的是最大的分子。
应用:
脱盐、分子量测定、分离纯化
12、发酵用的无菌空气的质量指标是什么
温度、压力、流量、空气相对湿度、空气无菌度
13、强化簿膜蒸发浓缩操作的要点是什么
(1)料液接近于沸点温度进料;
(2)蒸发器中的温差不能太大;
(3)汽液分离效果好;
(4)足够的冷凝能力;
(5)足够和合适的真空度。
14、生物产品蒸发浓缩为何采用膜式蒸发器
生物产品大多是热敏性物质,要求蒸发浓缩操作低温快速,要快速达到较高浓缩比,必须使料液在操作中有较大的比表面积,膜式蒸发器符合。
15、生物工程行业常用的干燥设备有哪些
冷冻干燥器、真空干燥器、喷雾干燥器、气流干燥器、沸腾干燥器
填空题:
1、搅拌器的设计应使发酵液有足够的流动和适度的流动。
2、发酵罐内为防止液面中央形成旋涡流动,增强其湍动和溶氧传质,应在罐内装设。
3、为了提高对物料的剪切力,有许多辊式粉碎机,常将两个辊子的转速设计成有一定的。
4、在碟式离心机工作时,固体颗粒向沉降,澄清液向被排出。
5、薄壁圆筒承受内压时,其周向应力是轴向应力的 倍。
因此在设计圆筒形容器时必须注意:
如果需要在圆筒上开设椭圆孔时,应使椭圆孔之短轴平行于筒体轴线,以尽量减少纵截面的削弱程度。
6、喷雾干燥雾化器有压力式雾化器,离心式雾化器,气流式雾化器。
7、斗式提升机的卸料方式可分为离心式、重力式和离心重力式三种形式,其中重力卸料方式适用于提升大块状、密度大、磨损性大和易碎的物料。
8、空气过滤除菌机理主要有惯性碰撞,拦截滞留,布朗运动,重力沉降和静电吸附。
除菌方法主要有:
介质过滤,辐射,化学药品,加热,静电吸附。
9、离心机分离因数是物料所受离心力与重力的比值,是反映离心机分离(离心)能力的主要指标
10、通气发酵罐中空气分布管上,喷孔的设计原则是喷孔的总截面积等于空气分布管截面积。
11、实现真空冷冻干燥的必要条件是干燥过程的压力应低于操作温度下冰的饱和蒸汽压。
12、发酵厂用于原料除杂的方法有筛选、风选和磁力除铁。
13、在长管气流干燥系统中,为了充分利用气流干燥中颗粒加速段较强的传热传质作用,可把该长管设计成脉冲式气流干燥管。
14、蒸发器主要由加热器、分离器两部分组成。
15、所谓全挡板条件是指:
在一定转速下增加罐内附件而轴功率不改变,消除漩涡的最低条件。
16、发酵罐中使用最普遍的动密封有两种:
填料函密封和机械密封(或称端面密封)。
17、固液分离的方法很多,其中最常用的是过滤和离心分离。
18、在饼层过滤中,真正发挥拦截颗粒作用的主要是滤饼层而不是过滤介质。
19、离子交换剂由惰性的不溶性载体、功能基团和平衡离子组成。
平衡离子带正电荷为阳离子交换树脂,平衡离子带负电荷称阴离子交换树脂。
20、根据物质吸附性质的不同,可用吸附法进行分离;
根据分子电离(电负性)的差异,可用离子交换法、电泳法和等电聚焦法等进行分离;
根据分子形状和大小的不同,可用凝胶过滤层析、膜分离、超滤法等分离;
根据配体特异性的不同,可用亲和层析法进行分离。
21、单程型蒸发器的特点是溶液通过加热室一次,_不作__循环流动,且溶液沿加热管呈_膜状流动,故又称为_液膜式_蒸发器。
22、降膜式蒸发器为了使液体在进入加热管后能有效的成膜,在每根管的顶部装有_液体分布器_。
23、自然循环蒸发器内溶液的循环是由于溶液的_受热程度不同,而引起的_密度差异所致。
24、气相混合物被冷却到有第一滴液滴析出时的温度称为露点温度。
25、在一定空气状态下干燥某物料,能用干燥方法除去的水分为自由水分__;
首先除去的水分为非结合水分;
不能用干燥方法除的水分为平衡水分_。
26、固体物料的干燥,一般分为恒速和降速两个阶段。
27、精选机对大麦进行精选和分级,其主要原理是按颗粒长度进行分级。
28、啤酒厂粉碎麦芽和大米常用辊式粉碎机。
29、酒精的三塔式蒸馏流程是由粗馏塔(醪塔)、排醛塔和精馏塔3个塔组成。
30、将植物性芳香原料中所含精油提取出来可以采用水蒸汽蒸馏。
31、在两相互不相溶液体混合物蒸馏时,蒸汽混合物中该组分含量取决于该组分的分压,而不是取决于液相中组分的比例。
32、输送流体物料可采用各种形式的泵和空气压缩机。
33、离心泵的主要性能参数有:
压头、流量、效率等。
34、压力容器的基本要求是安全性与经济性的统一。
此外,还应满足强度、刚度、耐久性、密封性及操作和维修方便的要求。
35、我国《压力容器安全技术监察规程》采用既考虑容器的压力与容积大小,又考虑介质危害程度的综合分类方法,以便于容器的安全技术监督与管理。
36、与普通结构钢相比,压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素的含量控制更严。
37、材料的力学性能主要是指强度、塑性与韧性。
38、钢材的可焊性主要取决于它的化学成分,其中影响最大的是含碳量。
选择题(单选或多选):
1、气升式发酵罐的优点是无需()。
A、空气过滤系统B、搅拌器
C、空气喷嘴D、罐外上升管
2、自吸式发酵罐的搅拌轴是从罐下方进罐的,因此应该用()轴封。
A、填料函B、单端面机械
C、双端面机械D、无需
3、机械搅拌通风发酵罐在装液灭菌冷却后,搅拌器的输出功率应是:
()。
A、通入无菌空气后比通入无菌空气前有所下降
B、通入无菌空气后比通入无菌空气前有所上升
C、与有无空气无关,输出功率在通风前后保持不变
D、通入无菌空气后与通入无菌空气前相比,有时上升,有时下降
4、通用式机械搅拌发酵罐中挡板的作用是:
A、提高醪液湍流程度,有利于传质
B、增加发酵罐罐壁的机械强度
C、改变液流方向,由径向流改变为轴向流
D、防止醪液在罐内旋转而产生旋涡,提高罐的利用率
5、空气过滤系统中旋风分离器的作用是()。
A、分离油雾和水滴B、分离全部杂菌
C、分离二氧化碳D、分离部分杂菌
6、气升式发酵罐的特点有()。
A、高径比(H/D)比机械搅拌通风发酵罐的小B、无需机械搅拌
C、无需空气压缩机D、溶氧速率较高
7、离子交换设备中的反吸附离子交换罐,溶液流向是:
A、自下而上B、自上而下
C、上下相向流动D、不在所选之列
8、把干玉米原料从多处集中送到一处,原则上应选择:
A、带式输送机
B、斗式提升机
C、压送式气力输送装置 D、吸送式气力输送装置
9、采用喷水室进行空气调节,空气调节过程是:
A、等温减湿B、升温减湿
C、升温增湿D、降温增湿
10、垂直管中颗粒物料气流输送的流体力学条件是:
A、气流速度大于悬浮速度B、气流速度小于悬浮速度
C、气流速度等于悬浮速度D、不能确定
11、表面冷却器进行空气调节时,湿空气的变化过程将是:
A、降温、等湿B、降温、减湿
C、降温、增湿或减湿D、降温、等湿或减湿
12、压送式气力输送装置的闭鼓风器应装在:
A、加料口处
B、卸料口处
C、中间部位D、无论哪里
13、热敏性的生物材料干燥最不适合的干燥设备是:
A、真空干燥设备B、冷冻干燥设备
C、微波干燥设备D、喷雾干燥设备
14、对于大通风比发酵过程来说,发酵罐内发酵液中的空气气泡直径:
A、与通风量有关,与空气喷嘴直径有关
B、与通风量无关,与空气喷嘴直径有关
C、与通风量有关,与空气喷嘴直径无关
D、与通风量无关,与空气喷嘴直径无关
15、为了减轻空气过滤系统的负荷空气压缩机最好选用()空气压缩机。
A、往复式B、离心式
C、高压D、无油润滑
16、贮气罐的作用是()。
A.、利用重力沉降作用分离部分油雾
B、降低罐内空气温度
C、防止由于往复式空压机所产生的脉冲而引起的压力波动D、升高罐内空气温度,使相对湿度下降
17、属于流化干燥技术的是()。
A、真空干燥 B、冷冻干燥
C、沸腾干燥D、微波干燥
20、利用水的升华原理的干燥方法为()。
A、冷冻干燥B、红外干燥
C、流化干燥D、喷雾干燥
21、固体物料的粉碎按其受力情况可有以下哪些形式。
A、挤压粉碎B、冲击粉碎
C、磨碎D、劈碎、剪碎
22、
膜生物反应器具有的优点有()。
A、增大反应速率B、提高反应转化率
C、简化生产步骤D、减少能耗,节约成本
23、表征树脂交换能力的主要参数是()。
A、外观B、膨胀度
C、交联度D、交换容量
24、超临界萃取的分离方法有()。
A、依靠压力变化萃取分离法B、依靠温度变化萃取分离法
C、用吸附剂进行萃取分离法D、添加惰性气体的等压分离法
25、影响
的因素有()。
A、搅拌和通气B、液体性质
C、离子强度D、培养液中细胞的浓度
26、适用于粉状物料短距离水平输送的输送设备是:
()。
A、带式输送机B、斗式提升机
C、螺旋输送机D、离心泵
27、蒸馏是利用各组分()不同的特性实现分离的目的。
A、溶解度B、等规度
C、挥发度D、调和度
28、在精馏塔中,原料液进入的那层板称为()。
A、浮阀板B、喷射板
C、加料板D、分离板
29、干燥是()过程。
A、只有传质B、只有传热
C、传热和传质D、直接加热
30、作为干燥介质的热空气,一般应是()的空气。
A、饱和B、不饱和
C、过饱和D、水蒸汽
31、为避免发生气蚀现象,应使离心泵内的最低压力()输送温度下液体的饱和蒸汽压。
A、大于B、等于
C、小于D、大于或小于都可以
32、在萃取液用量相同的条件下,下列哪种萃取方式的理论收率最高(C)。
A、单级萃取B、三级错流萃取
C、三级逆流萃取D、二级逆流萃取
33、蒸发黏度较大或浓度较高的溶液,比较适合的蒸发器是:
A、中央循环管式蒸发器B、外加热式蒸发器
C、升膜式蒸发器D、降膜式蒸发器
34、可直接处理菌体发酵液或细胞匀浆液的吸附操作是:
A、固定床吸附B、扩张床吸附
C、移动床吸附D、流化床吸附
35、对热敏性及易生泡沫的稀溶液的蒸发,宜采用()蒸发器。
A.中央循环管式;
B.列文式;
C.升膜式D、外加热式
36、蒸发操作中,从溶液中汽化出来的蒸汽,常称为()。
A.生蒸汽;
B.二次蒸汽;
C.额外蒸汽D、废气
37、助滤剂应具有以下性质:
()
A.颗粒均匀、柔软、可压缩;
B.颗粒均匀、坚硬、不可压缩;
C.粒度分布广、坚硬、不可压缩;
D.颗粒均匀、可压缩、易变形
38、欲送润滑油到高压压缩机的气缸中,应采用()。
A.离心泵;
B.往复泵;
C.齿轮泵D、旋涡泵
原理及设计题:
1、若对某培养液进行灭菌,试设计一板式换热器连续灭菌流程,其中要用到热集成方式。
画图并说明灭菌流程。
板式换热器可用方框图表示。
说明:
①生培养液先在板式换热器2内进行预热,此处用到热集成,即灭菌后的培养液作为加热介质,把热量传递给生培养基,同时使灭菌后的培养液得到初步冷却。
②在板式换热器3内预热后的培养液被加热到灭菌温度。
加热源为蒸汽。
③在维持段维持一段时间,完成灭菌。
④在板式换热器2处被预冷。
⑤在板式换热器1处,经过预冷的培养液继续被冷却水进一步冷却至设定温度。
2、试设计培养基连续灭菌流程,使用的设备为连消塔、维持罐和喷淋冷却设备。
(画简图并说明灭菌流程,并说明各设备的主要作用)。
连消塔的作用:
主要是使高温蒸汽与料液迅速接触混合,并使料液的温度很快升高到灭菌温度(126~132℃);
维持罐的作用:
连消塔加热的时间很短,光靠这段时间的灭菌是不够的,用维持罐保温杀菌一段时间达到灭菌要求;
冷水喷淋冷却管:
从维持罐出来的料液要经过冷却管进行冷却,冷却到40~50℃后,输送到预先已经灭菌过的罐内。
3、.判断下图为何种生物反应器请简述其操作原理。
此图为具有外循环冷却的气升环流式发酵罐。
工作原理:
①
无菌空气从5处进入,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而在导流筒内向上运动,而导流筒外壁与发酵罐外壁之间的的环流间隙中的发酵液由于气含量少而下沉。
②
为了使罐内液体保持恒温,通过泵6使发酵液循环(从7到9),在热交换器8处加热或冷却。
4、请简述中央循环管式蒸发器的结构及循环流动原理。
其加热室由垂直管束组成,中间有一根直径很大的管子,称为中央循环管。
当加热蒸气通入管间加热时,由于中央循环管较大,其中单位体积溶液占有的传热面比其他加热管内单位溶液占有的要小,即中央循环管和其他加热管内溶液受热程度各不相同,后者受热较好,溶液汽化较多,因而加热管内形成的汽液混合物的密度就比中央循环管中溶液的密度小,从而使蒸发器中的溶液形成中央循环管下降、而由其他加热管上升的循环流动。
这种循环,主要是由于溶液的密度差引起的。
5、两级冷却、加热除菌流程图如下,该流程适用潮湿的地区吗请简单说明理由。
两级冷却、加热除菌流程尤其适用潮湿的地区。
这是一个比较完善的空气除菌流程,可适应各种气候条件,能充分地分离油水,使空气达到低的相对湿度下进入过滤器,以提高过滤效率。
该流程的特点是两次冷却、两次分离、适当加热。
两次冷却、两次分离油水的好处是能提高传热系数,节约冷却水,油水分离得比较完全。
除水后,空气的相对湿度仍较高,须用加热器加热空气,使其相对湿度降低至50~60%,以保证过滤器的正常运行。
计算题:
1、有一发酵罐,内装40m3培养基,在121℃温度下进行实罐灭菌,原污染程度为每ml有2×
105个耐热细菌芽孢,121℃时灭菌速度常数为(/min),求灭菌失败机率为时所需要的灭菌时间(假设不计升温阶段所杀灭的菌数,把培养基中所有的菌均看作是在保温阶段被杀灭)。
若对培养基采用连续灭菌,灭菌温度为131℃,此温度下灭菌速度常数为15(/min),求灭菌所需的维持时间
解:
⑴
N0=40*106*2×
105=8*1012
Nt=,k=(/min)
灭菌时间为:
N0
t=——lg—=(min)
k
Nt
⑵
C0
t=————lg—
k
Ct
C0=2×
105(个/ml)
Ct=1/40×
1010(个/ml)
t=(min)
2、某酒精工厂,每发酵罐的进料量为28t/h,每4h装满一罐,糖化液密度为1082kg/m3发酵周期72h,冷却水初、终温为20℃,25℃,若罐内采用蛇管冷却,发酵罐的总传热系数为2000kJ/.℃,试确定发酵罐的结构尺寸,罐数,冷却水耗量(发酵液热损包括蒸发热和向周围的散热为生物合成热的10%即Q2+Q3=10%Q1)。
⑴发酵罐个数和结构尺寸的确定:
发酵罐个数:
N=(nt/24)+1
n=24/4=6N=6×
72÷
24+1=19(个)
取发酵罐装料系数φ=
发酵罐体积V=Vo/φ=28×
4×
1000÷
(1082×
)=115(m3)
发酵罐采用圆柱型,底、顶为锥型,结构比例如下
H=h1=h2=
V=(H+1/3×
h1+1/3×
h2)=D2(+2/3×
)
=115(m3)
则:
D=(m)
H==5.84mh1=h2==0.487m
⑵发酵罐的总发酵热QQ=Q1-Q2-Q3
Q1=msq=28×
1000×
1%×
=×
105KJ/h
Q2+Q3=10%q=×
×
105=×
105KJ/h
Q=Q1-Q2-Q3=×
105KJ/h
⑶冷却水耗量:
W=Q/[c(T2-T1)]=×
105/[(25-20)]
=20162Kg/h
3、已知从汽液分离器排出的糊化醪量为1000kg/h,其比热为kg·
k,温度为100℃,要求冷却到65℃,试计算真空冷却器基本尺寸(直径D和高度H)。
注:
①二次蒸汽在65℃时汽化潜热r=Kg;
②在65℃时蒸汽的密度为0.16kg/m3;
③取器内二次蒸汽上升速度不超过1m/s;
④取真空冷却器径高比D:
H=1:
。
糊化料液从100℃冷却到65℃放出热量:
Q=1000×
(100-65)=126000(kJ/h)
②
真空冷却器内产生的二次蒸汽量为:
/h
③
二次蒸汽的体积流量为:
=336.25m3/h
④
因
故
又因:
D:
故:
H=(m)
4、某厂在100升发酵罐中进行发酵实验,然后放大至100m3发酵罐。
试验罐的参数为:
罐径D=400mm,搅拌状态下Rem>
104,涡轮式搅拌器转速350r/min,试按P0/V相等准则进行放大,计算放大罐直径和搅拌器的转速。
V1=100L=0.1m3,V2=100m3,V2/V1=1000
体积扩大1000倍时,D2/D1=10,∴D2=10D1=4000mm
因P∝N3D5,VL∝D3,∴P/VL∝N3D2,
由于P/VL=常数,∴N2=N1(
=350х=75r/min
5、青霉素在0℃和时的分配系数(醋酸丁酯/水)为35,若用1/4体积的醋酸丁酯进行二级逆流萃取,计算其理论收率若改为二级错流萃取,第一级用1/4体积的醋酸丁酯,第二级用1/10体积的醋酸丁酯,计算其理论收率
①
n2,理论收率:
②
理论收率:
6、设计一台通风量为50M3/min的棉花活性炭空气过滤器,空气压力为MPa(绝对压力),已知棉花纤维直径d=16微米,填充系数α=8%,空气线速度为0.1M/sec,若进入空气过滤器的空气含菌量是5000个/M
,要求因空气原因引起的倒罐率为%,发酵周期100hr。
工作温度为40℃,平均气温为20℃,计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器直径)。
表1纤维直径d=16微米,填充系数α=8%时棉花纤维的K'
值
空气流速v
(M/sec)
k'
(cm-1)
查表:
当v0=0.1M/sec时,K'
=
N1=5000×
50×
60×
100=×
10
N2=10
∴
P1=MPaP2
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