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生物工程设备习题集

一、选择题

单选题

1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

A

2好气性发酵工厂，在无菌空气进入发酵罐之前______，以确保安全。

A.应该安装截止阀B.应该安装安全阀C.应该安装止回阀D.不应该安任何阀门

C

3溶液在升膜式蒸发器加热管中出现爬膜的最重要条件是__________。

A.物料进口处或出口处采用浮头管板B.蒸发器壳体应有膨胀圈C.物料在加热管内有足够的浓缩倍数，一般为七倍D.加热的蒸气与物料之间有足够的温度差，一般为20-35℃

D

4空气过滤系统中空气加热器的作用是______________。

A.对空气加热灭菌B.升高空气温度，以降低空气的相对湿度C.对空气加热，蒸发除去空气中的部分水份D.升高空气温度，杀灭不耐热的杂菌

B

5机械搅拌发酵罐中最下面一档搅拌器离罐底距离一般__________搅拌器直径的高度，最上面一个搅拌器要在液层以下0.5米（大罐）。

A.小于一个B.大于一个小于两个C.等于一个D.等于两个

A

6安装在空气压缩机前的过滤器主要作用是______________。

A.将空气过滤为无菌空气B.过滤分离空气中的油雾C.过滤分离空气中的水滴D.减轻总空气过滤器的过滤负荷

D

7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

B

8培养基连续灭菌流程中选用管道维持器，应该使培养基在管道的流速达到______，才能保证先进先出。

A.过渡流B.层流C.活塞流D.湍流

D

9冷冻升华干燥主要是升华___________。

A.游离水B.结构水C.冷凝水D.气态水。

A

多选题

10 好气性发酵需要无菌空气，概括起来无菌空气在发酵生产中的作用是______。

A.给培养微生物提供氧气B.也能起一定的搅拌作用，促进菌体在培养基中不断混合，加快生长繁殖速度C.打碎泡沫，防止逃液D.保持发酵过程的正压操作

A、B、C

11 圆筒锥底啤酒发酵罐的夹套内可用___________与啤酒发酵醪进行热交换。

A.乙二醇B.乙醇C.氨D.冷凝水

ABC

12由于大生产中所使用的好气性发酵罐是受压容器，因此封头选用_______封头。

A.锥形B.椭圆C.蝶形D.球形

BCD

13 空气过滤系统中丝网分离器的作用是分离______________。

A.油污B.全部杂菌C.水滴D.部分杂菌

AC

14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

ABCD

15 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。

C

16空气过滤系统中旋风分离器的作用是______________。

A.分离油雾。

B.分离泡沫和水汽。

C.分离水滴。

D.分离部分杂菌。

AC

二、填空题

1.微生物培养基的五大成分是

氮源、碳源、生长因子、无机盐和水

2.常用的灭菌方法有

化学灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌、过滤灭菌

3.无菌空气在制备时涉及到的指标有

压缩空气的压强、空气的流量、空气的温度、湿度、结晶度

4.过滤分为三种机制

滤饼过滤、深层过滤、绝对过滤

5.常用灭菌方法有、、、和。

化学灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌和过滤灭菌。

6.带式输送机构由、、、、加料斗和张紧设备组成。

输送带、主动轮、从动轮、托辊。

7.指出过滤机型号BAY4/450-30U中各字母和数字所代表的意义：

BAY4过滤面积/450框内尺寸或板外尺寸-30U。

B板框压滤机、A暗流、Y液压压紧、30滤室厚度、U塑料材料。

8.层析设备主要由、、、和组合来完成层析操作。

泵、阀门、层析柱、检测器、收集器。

9.影响溶氧系数的因素有、、培养液的净体积、发酵罐的、以及消沫剂。

搅拌、通气速率、发酵罐的内部结构、发酵液性质。

9.液液萃取设备包括、和。

混合设备、分离设备和溶剂回收设备。

10.培养液的氧化还原电位是度量培养液中的活性，

pH是度量培养液中的活性。

电子，氢离子。

11.离子交换设备分为和离子交换设备。

阳离子和阴离子

12.沸腾造粒干燥时，影响干燥产品颗粒大小的因素有_____________、_____和______

晶种大小、热空气流速、停留时间。

13.蒸发器主要由___________和__________两部分组成

加热器和分离器

14.机械搅拌式生物反应器中挡板的作用是、、、、。

所谓全挡板条件是指，

改变发酵液流向、由径向流变为轴向流、增加液体混合度、消除漩涡、防止搅拌器架空。

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。

15.离心分离因数表示，是和之比

离心机分离特性，离心机离心加速度和重力加速度的比值。

16.空气过滤除菌机理包括、、、和和

惯性冲击滞留机理、拦截滞留机理、布朗扩散机理、重力沉降滞留机理和静电吸附机理。

17.生化厂常见物料有蒸汽、空气、氮气、冷却水、以及注剂和排污，一般蒸汽用红色，空气用______，氮气用______、冷却水用______、注剂用______，排污用______

淡蓝色，黑色，绿色，黄色，黑色

18.微生物细胞在培养中需要的营养主要有______、______、______、______、______，这些成分主要通过培养基来提供

氮源、碳源、无机盐、营养因子、水。

19.一般来讲，萃取是根据物质在不同溶剂中的______不同而进行分离的手段

溶解度

三、名词解释

培养基：

是指供特定的微生物、动物细胞、植物细胞、细胞组织、微藻生物等进行生长、繁殖、代谢和合成产物需要的，按一定比例配制而成的营养物质。

搅拌器轴功率：

是指搅拌器以既定的速度转动时,用以克服介质的阻力所需要的功率。

搅拌器输入搅拌液体的功率：

是指搅拌器以既定的速度转动时,用以克服介质的阻力所需要的功率。

也称搅拌器的轴功率。

深层过滤的对数穿透定律：

进入滤层的微粒数与穿透滤层的微粒数之比的对数是滤层厚度的函数。

搅拌雷诺准数：

雷诺准数是惯性力与液体粘滞力之比,即,而在搅拌容器中,液体的代表速度u=nDi,并以搅拌器直径Di代替管径d,此时的雷诺准数称为搅拌雷诺准数

沸腾干燥:

沸腾干燥是利用流态化技术,即利用热的空气流体使孔板上的粒状物料呈流化沸腾状态，使粒子中的水分迅速汽化，达到干燥目的。

离心澄清机:

藉离心沉降速度的不同将固液两相分开的离心机称作离心澄清机

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：

D-发酵罐直径，b-挡板宽度，n-挡板数

气体截留率:

在通风液体中由于充气而导致的体积增加率。

通风前液体体积为VL,通风时体积的增加量为Vg,则气体截留率

冷冻干燥:

冷冻干燥是将湿物料（或溶液）在较低温度下（-10—-50℃）冻结成固态，然后在高度真空（130～0.1Pa）下，将其中固态水分直接升华为气态而除去的干燥过程，也称升华干燥。

冷冻干燥也是真空干燥的一种特例。

反混：

指连续过程中与主流方向相反的运动所造成的物料混合。

牛顿流体：

流体的剪切应力和速度梯度间的关系不随受剪切的时间而变化的流体。

溶氧速率：

是指单位体积的发酵液在单位时间内所溶解的氧的量。

沉降:

是利用液固间的密度差异在重力场或者离心力场中的速度差而实现液固分离的过程。

分辨率：

是指传感器区分非常相近的参数变化值的能力。

CIP系统:

即原位清洗，在发酵设备清洗中，各设备保持其在工艺流程中的位置而进行的自动清洗系统。

对数穿透定律：

ln（N2/N1）=-KL，表示进入滤层的微粒浓度与穿透滤层的微粒浓度之值的对数是滤层厚度的函数。

即为深层介质过滤除菌的对数穿透定律。

四、简答题

1.简述微生物培养基的种类和灭菌操作？

答、分为孢子培养基、种子培养基和发酵培养基；分别按照以下操作进行灭菌：

孢子培养基是将培养基装在茄子瓶或者扁瓶、三角瓶、大口瓶中在高压灭菌锅121℃灭菌20~30min；种子培养基分为在摇瓶以高压灭菌锅121℃灭菌20min或者在种子罐以高压蒸汽直接灭菌，温度121℃15~20min；发酵培养基灭菌为在发酵罐配好培养基用高压蒸汽直接灭菌，温度121℃时间15~20min。

2.动物培养基、植物培养基以及微藻培养基灭菌的注意事项？

答、对于动物培养基由于其中含有许多热敏性物质，不能采用高温灭菌，通常采用微孔过滤灭菌；植物培养基中也会含有一定的热敏性物质，灭菌时采用分别灭菌，非热敏性成分以去离子水或者蒸馏水配制，调整好pH值采用高压蒸汽灭菌温度115~120℃时间15~20min，热敏性物质用微孔滤膜过滤除菌，最后进行混合；微藻培养基用自然海水或人工海水配制，实验室微藻细胞和原生质体培养采用高温蒸汽灭菌120℃，15min，大规模工业化生产12%~25%的氯化钠溶液即可抑制其他微生物的生长不需要特别的灭菌。

3.压缩空气预处理的目的是什么？

答、保证总过滤器内的过滤介质的干燥，去除压缩空气中夹带的水滴、油滴使介质受潮而结团变形失效。

4.旋风分离器的工作原理是什么？

答、其原理是将夹带的水滴或油滴的空气由进气管高速进入，并在环隙中高速旋转，在离心力的作用下，水滴或油滴被抛向器壁，然后沿着器壁流下。

当满足气体在旋风分离器里的停留时间大于水滴或油滴沿圆周切线方向运动到器壁的时间，水滴或油滴即可沉降。

5.结晶过程包括哪几个过程？

结晶的推动力是什么？

答：

包括三个过程：

形成过饱和溶液、晶核形成、晶体生长。

（1’）（1’）洁净的推动力是溶液的过饱和度。

（1’）

6.什么叫临界流化速度?

什么是吹出速度？

答、临界流化速度即床层的压降等于单位截面床层的重力，全部颗粒刚好浮起时流体的表观流速。

为流化操作时的最小速度。

（1’）

吹出速度：

气流将物料从顶部吹出的速度叫吹出速度，也就是流化操作时的最大速度。

（1’）（1’）

7.写出机械搅拌式生物反应器结构简图中各主要部件的名称,及其作用.

答、a.搅拌器和挡板：

混合、传质和传热，使空气形成小气泡与溶液均匀接触，满足醪液对溶氧速率的要求，并使醪液与生物细胞均匀分散；b.消泡器：

消除泡沫；（1’）c.联轴器及轴承：

用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固的刚性联接，为了减少震动；d.变速装置：

便于调节搅拌速度；（1’）e.空气分布装置作用：

吹入无菌空气，使空气分布均匀；f.换热装置，带走发酵过程产生的热量；g.轴封，作用：

使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。

（1’）

8.提高过滤速度的方法都有那些?

答：

有两方面的措施：

1）改变发酵液的性质，如通过增加发酵液的温度、调节pH、加入絮凝集剂、加入某些盐类。

（1’）2）改变过滤条件，如增加过滤压力，加入助滤剂，改变液体流向等。

（1’）（1’）

9.液液萃取过程可分为哪几类，其优劣性如何？

答：

液液萃取分为单级萃取和多级萃取，（1’）多级萃取又分为错流萃取和逆流萃取（1’）。

从萃取效率上来讲，逆流多级萃取的效率高于多级错流萃取高于单级萃取。

（1’）

10.蒸发过程的必要条件

答、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。

（1’）②保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。

（1’）③一定的热交换面积，以保证传热量。

（1’）

11.什么是全挡板条件，挡板的作用？

答、是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变（1’）。

要达到全挡板条件必须满足下式要求（D-发酵罐直径，b-挡板宽度，n-挡板数）：

（1’）

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。

（1’）

12.分批培养中的细胞生长的阶段分为哪几个？

各阶段微生物反映的是什么生长状况？

答：

A，迟滞期，生物种子接入培养基后对环境有一个适应阶段，此阶段细胞的总量和浓度保持不变，即细胞不生长也不合成产品。

B，加速生长期，细胞适应新环境开始生长和繁殖，细胞的个体差异造成细胞量的逐步增加。

（1’）

C．指数生长期，又称对数期，细胞的数量每隔一段固定的时期就会翻一翻。

D．减数生长期，细胞的生长繁殖造成营养物质的稀少，代谢产物对其生长造成影响并受到限制，因袭增长速度减缓。

（1’）

E．平衡生长期，细胞的增长和死亡速率相等，达到平衡，此时设备的你哦孤独达到最大并保持恒定，为产品大量合成的阶段。

F．负生长期，在营养和代谢产物的共同作用下，细胞的死亡速率大于生长速率，细胞数量成降低趋势。

（1’）

13.溶解氧的影响因素如何起作用？

答：

影响因素包括机械搅拌、培养液的净体积、气体表面速率、搅拌罐内结构、发酵液性质、消沫剂等，气泡小、气液接触面积增大、气泡在液体内停留时间延长、降低液膜厚度，器内成分均一；（1’）体积小搅拌均匀（搅拌的有效性）；增加通气速率或者通气量可以提高溶氧系数，但不可过载；（1’）挡板的作用；电解质的作用，小气泡，大接触面积，溶氧系数高；不同的消沫剂对溶氧系数的影响有差别。

（1’）

14.膜分离中渗析和电渗析的传递机理以及推动力分别是什么？

答、渗析：

利用膜对溶质的选择行透过性，实现不同性质溶质的分离，（1’）以浓度差为推动力；电渗析，利用离子交换膜的选择透过性从溶液中脱除电解质，以电位差为推动力（1’）（1’）。

五、解答题

1.根据对数残留公式确定灭菌时间，灭菌温度确定的原则？

解：

①因为杂菌在一定温度下，受热死亡遵循一级反应方程的规律：

（1’）（1’）

活菌的减少率（－dN/dτ）与活菌个数的关系：

－dN/dτ＝kN，（1’）（1’）

τ受热时间，k反应速率常速，大小与微生物的种类和加热温度有关。

对上式积分有：

∫N0Ns（dN/N）＝－k∫τ0dτ（N0灭菌初期培养基中杂菌数；Ns灭菌τ时间后，残存活菌数，个/mL。

ln（N0/Ns）＝kτ

2.303lg（N0/Ns）＝kτ

τ＝〔ln（N0/Ns）〕/k＝2.303〔lg（N0/Ns）〕/k（1’）

由于灭菌初期的培养基活菌数已知，灭菌后活菌的残存数已知，据此可以确定灭菌时间。

（1’）

②由于微生物的热死属于蛋分子反应，灭菌温度与菌死亡的反应速率常数的关系可用一级反应公式阿累尼乌斯公式表示：

（dlnk/dT）＝E/（RT2），其中E为细菌孢子的活化能。

（1’）（1’）

因此有τ＝〔ln（N0/Ns）〕/k＝（1/A）eE/（RT*T）〔ln（N0/Ns）〕

即为加热灭菌时间的和温度之间的理论关系，但是灭菌温度和时间还会受培养基的质量、杂菌浓度、杂菌种类以及培养基的pH的影响。

又由于其二者和活化能有一定的关系，即活化能大的反应反应速率随温度的变化越大，而细菌死灭的活化能比培养基中营养成分破坏的活化能大，因此在灭菌时采用高温短时灭菌的方法，以大道灭菌效果并使营养成分不受破坏。

（1’）（1’）

2.某发酵罐内装培养基35m3，采用实罐灭菌，灭菌温度121℃，确定灭菌时间？

解：

微生物发酵行业一般常设灭菌前每毫升培养基中含有耐热菌的芽孢为2*107个，灭菌失败的概率通常定为0.001（灭菌后残留芽孢的数量为0.001个）

N0=35×106×2×107=7×1014（个）

Ns=0.001（个）

lgK=-14845/T+36.72=-14845/（273+121）+36.72=-1.55

K=0.0281（s-1）

τ=2.303lg（N0/NS）/K=2.303lg（7×1014/0.001）/0.0281=1154（s）=20min

3.有一40方的发酵罐内装培养基28方，不锈钢蛇管传热面积为30方，采用实罐灭菌。

培养基原始温度为25℃，用196KPa（表压）蒸汽（蒸汽温度为132.9℃）通过蛇管间接加热培养基至90℃。

培养基的密度与水的密度接近。

297kPa绝对压力下的蒸汽的汽化热为r=2169kj/kg，加热热损失η为5%。

求加热时间和蒸汽用量各位多少？

若直接用蒸汽把培养基由25℃加热到90℃需要蒸汽用量时间各为多少？

若用10℃冷却水冷却灭菌后的培养基，将其从120℃冷却到30℃，求冷却水用量及冷却时间各为多少？

（实测当培养基温度t1为80℃，此时冷却水出口温度为30℃）已知K=1674kj/m2·h·℃，c=4.18kj/（kg·℃）196kPa（表压）蒸汽比体积V=0.613m3/kg

解：

根据题意，已知G=28000kg，F=30m2

间接加热过程的时间和蒸汽量，ts=132.9℃（查表196kPa表压蒸汽温度）

t1=25℃，t2=90℃，K=1674kj/m2·h·℃，c=4.18kj/（kg·℃），F=30m2

由

蒸汽消耗量

直接加热过程的时间与蒸汽用量

设定25℃加热到90℃需时间为τ，查得196kPa（表压）蒸汽比体积V=0.613m3/kg

F为进蒸汽管道的截面积（m2）；ω为蒸汽管道中的流速（m/s），取其值为25%。

40m3发酵罐的出料管与空气进管φ108mm×4mm，同时向两管引入蒸汽

F=πd2×2/4=0.785×0.12×2=0.0157（m2）

冷却水阶段的时间与冷却水用量，已知：

t1S=120℃，t2S=10℃，t1f=30℃，K=1647kj/m2·h·℃，c1=c2=4.18kj/（kg·℃），

所以冷却水的用量

W=KF/（lnAc2）=1674×30/（ln1.4×4.184）=35672.7（kg/h）=35.67（t/h）

冷却时间

4.℃的大气经空气压缩机压缩，空压机空气出口压强为表压0.2Mpa，问此时压缩空气的温度是多少？

解：

T1=273+20=293K 2‘

p1=0.101Mpa，p2=0.2Mpa，K取1.32‘

4‘

t2=377.5-273=104.5（℃），即压缩空气的温度为104.5℃。

2‘

5.空压机吸入温度为20℃，相对湿度为80%的空气，当压缩到0.2Mpa（表压）时，温度为120℃。

问：

此时压缩空气的相对湿度为多少？

若将上述空气冷却到水析出时，问需冷却到多少度（即露点）（空气20℃时ps1=2340Pa,120℃时ps2=198653Pa，t2=34.5℃时，ps2为5562.28pa）

解：

此时的压缩空气相对湿度，查空气20℃时ps1=2340Pa,120℃时ps2=198653Pa--1’

4’

此时的压缩空气的相对湿度为2.8%

当空气冷却到露点，即φ2=100%， 2’

ps1=198653Pa，φ2=100%，φ1=2.8%，p2=p1=0.2Mpa 1’

ps2=198653（0.028/1）=5562.28（pa） 1’

查表知t2=34.5℃时，ps2为5562.28pa，即冷却到34.5℃时开始有水析出。

1’

6.已知发酵产生的总热量：

Q总为7.78*104KJ/h，夹套传热系数：

K=4.18*（150~250）kJ/（m2·h·℃），发酵温度32℃；水初温20~23℃。

计算该发酵罐所需换热器的冷却面积。

解：

冷却面积的计算采用夹套冷却

已知发酵产生的总热量：

Q总为7.78*104KJ/h

夹套传热系数：

K=4.18*（150~250）kJ/（m2·h·℃）

现取K=4.18×220kJ/（m2·h·℃）（1’）（1’）

平均温差：

发酵温度32℃；水初温20~23℃，取23℃；（1’）（1’）水终温27℃，则

平均温差：

（1’）（1’）（1’）

需冷却面积F：

（1’）（1’）（1’）

7.设计一台通风量为50M/min的棉花活性炭空气过滤器，空气压力为0.4MPa（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0.1%，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）

0.05

0.10

0.50

1.0

2.0

3.0

k'（1/cm）

0.193

0.135

0.1

0.195

1.32

2.55

解：

查表：

当v0=0.1M/sec时,K'=0.135（1’）

（1’）（1’）

N1=5000×50×60×100=1.5×10

N2=10（1’）（1’）

∴（1’）

P1=0.1MPaP2=0.4MPa

V1=50M/min=0.83M/sec（1’）

由气态方程得：