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1、13级生物工程设备期末总复习提纲2013级生物工程 游琳娜第二章1.空气除菌有几种方法？1) 热杀菌:可用蒸汽或电来加热空气，以达到杀菌的目的；利用空气被压缩时所产生的热量对空气进行加热保温杀菌，在生产上具有重要意义。2) 辐射杀菌：射线、X射线、射线、射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能起到杀菌作用。但紫外线杀菌效率低，时间长。一般要结合甲醛蒸汽或苯酚喷雾来保证无菌室的高度无菌。3) 静电杀菌：利用静电引力吸附带电粒子以达到除菌除尘目的。4) 介质过滤除菌法：采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过空气所含的微生物，从而获得无菌空气。 2. 请具体说明介质过滤除菌的机理（空气介质相对过滤除菌基本原理
2、）。微粒随空气流动通过过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流的前进，使气流无数次改变运动速度和运动方向而绕过纤维前进，这些改变引起微粒对过滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电吸附等作用把微粒滞留在纤维表面。1) 惯性冲击滞留作用机理：（气流速度较大时）由于微粒直冲到纤维表面，因摩擦粘附，微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用。2) 拦截滞留作用机理：（气流速度较小时）在滞流区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留。这就是拦截捕集作用。3) 布朗扩散作用机理在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会，从而被捕集。（直径很小的微粒在很慢的气
3、流中能产生一种不规则的运动，称为布朗运动）4) 重力沉降作用机理当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就发生沉降现象（大颗粒比小颗粒作用显著）。微粒的沉降作用提高了拦截捕集作用。5) 静电吸附作用机理干空气对某些非导体的物质如纤维和树脂处理过的纤维，作相对运动摩擦时，会产生静电现象。悬浮在空气中的微生物大多带有不同的电荷。这些带电荷的微粒会被带相反电荷的介质所吸附。 第三章1.自吸式发酵罐l 自吸式发酵罐概念：自吸式发酵罐是一种不需另行通入压缩空气，而依靠特殊的吸气装置自行吸入无菌空气并同时完成液体和气体的混合对流实现溶氧传质的发酵罐。l 自吸式发酵罐根据吸气装置不同分类：机械搅拌自吸式
4、、喷射自吸式、溢流喷射自吸式l 自吸式发酵罐特点：优点：节约设备（压缩机)投资，减少厂房面积。溶氧速率和溶氧效率高；能耗较低。生产效率高，经济效益好（酵母和醋酸的发酵）。缺点：(1)由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。(2)必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。l 自吸式发酵罐的主体结构包括：（1）罐体（2）自吸搅拌器及导轮；（3）轴封；（4）换热装置；（5）消泡器l 机械搅拌自吸式发酵罐(1)构造：自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。转子由箱底向上升入的主轴带动。当转子转动时，其框内的液体被甩出，形成局部真空而由导气管吸入空气。转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶
5、轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形。(2)原理：它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。l 文氏管吸气自吸式发酵罐原理：用泵使发酵液通过文氏管吸气装置，由于液体在文氏管的收缩段流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现溶氧传质。l 溢流喷射自吸式发酵罐原理：液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸作用。2气升式发酵罐 l 机械搅拌发酵罐不足：（采用气升式
6、发酵罐可以克服以下的缺点）(1)设备构造比较复杂(2)动能消耗较太(3)轴封易泄露和染菌l 工作原理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，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故向上运动，而气含量小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。 反应器内液体混合均匀，因不用机械搅拌器，减少了剪切作用对细胞的损伤。l 类型：常见：气升环流式反应器、气液双喷射气升环流反应器、设有双层板的塔式气升发酵罐根据结构特点：内循环式和外循环式l 特点（无需搅拌器，定向循环流动，故有许多优点）：1 反应溶液分布均匀；有较高的溶氧速率和溶氧效率；剪切力小，对生物细
7、胞损伤小；传热良好；结构简单，易于加工制造。操作和维修方便。l 主要结构及操作参数1)主要结构参数：（1）反应器的高径比 h/D=5-9（2）导流筒径与罐径比 DE/D=0.6-0.8（3）空气喷嘴直径与反应器直径比D1/D以及导流筒上下面到罐顶及罐底的距离均对发酵液的混合和流动、溶氧等有重要作用2) 操作特性(1)平均循环时间tm 发酵液必须维持一定的环流速度以不断补充氧，使发酵液保持一定的溶氧浓度，适应微生物生命活动的需要。循环周期：发酵液在环流管内循环一次所需要的时间。(循环周期时间必须符合菌种发酵的需要。)（2）液气比R定义：发酵液环流量Vc和通风量VG之比。(3) 气升式反应器的溶氧
8、传质 取决于发酵液的湍流及气泡的剪切细碎状态。计算题：一气升环流式发酵罐中发酵液体积为10m3，导流筒半径为200mm，导流筒内发酵液的平均流速为1.5m/s，若通风量为1m3/min。试计算发酵液的环流量VC（m3/min）、平均循环时间tm（s）及液气比R。l 对气升式发酵罐的看法：对于“节能”观念很强的现今社会，再加上发酵行业的开始迅猛发展，气升式发酵罐会逐渐成为生物反应器的“罐中之王”由于其结构简单，易于制造，操作和维修简便，有较高的溶氧速率与溶氧效率，传热良好，剪切力小，对生物细胞损伤小，更重要的是它与机械搅拌式发酵罐相比节电70%-80%，降低成本，且无菌操作可靠性更高，给发酵行业
9、带来更多的利润但是发酵液在环流管内循环一次的时间，需根据培养的微生物种类及其耗氧的速率而定，且若控制不当，会严重影响微生物的活力及减少发酵产率3. 酒精发酵的原理： (1)酿酒酵母是兼性厌氧菌，利用此类微生物生产酒精、啤酒等的发酵过程，无需通入空气，所用的设备是厌氧发酵设备。(2)在无氧情况下，丙酮酸经脱羧酶脱羧生成乙醛，再在乙醇脱氢酶还原下，将乙醛转化为乙醇，并产生少量能量。4.啤酒发酵过程：前发酵（主发酵）：酵母繁殖、大部分可发酵性糖类代谢及发酵产物形成的阶段；后发酵：残糖进一步分解，形成二氧化碳，溶于啤酒中，啤酒进一步得到成熟和澄清。5. 啤酒发酵罐的CIP清洗系统流程CIP清洗系统是在
10、密闭环境下，不拆动设备零部件或管件，对设备系统进行清洗及消毒的过程。啤酒发酵罐的CIP清洗系统流程：用清水冲至无泡用2.0%4.0%碱液循环清洗30min用水冲至pH为中性用消毒剂循环杀菌10min以上。6. 微藻培养反应器7.固态发酵生物反应器l 固态发酵定义：是指没有或几乎没有自由水存在下，在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程，因此固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程。l 固态发酵与深层液体发酵的区别：(1) 固态发酵需要维持培养空间湿度的恒定或者补水，而液体发酵则不需要。(2) 微生物生长方式不同。(3) 传质特点不同。(4) 固态发酵散热性能差。（最
11、大的缺点）(5) 固态发酵是非均匀相反应。l 几种固态发酵生物反应器浅盘式生物反应器：浅盘发酵是在无搅拌、无强制通风的状态下进行的发酵。传统的操作，一般是将蒸煮后的物料运到一个洁净的接种室，经冷却后和菌种混匀，装入浅盘。浅盘内物料层的厚度对发酵温度有直接影响，物料层厚度越大，微生物的浓度越低。浅盘内物料层的厚度不宜超过5cm填料床式生物反应器：采取强制通风方式，具有一定压力、温度和湿度的空气从底部通入，通过物料层，再从顶空排出。通风的目的不仅是供氧，更重要的功能是去除代谢热。由于强制通风，故发酵热的去除主要靠对流热和蒸发水分散热。主要操作参数：通风量、进口空气的温度、环境温度。底部通风、顶部排
12、气的填充床反应器，空气入口处温度最低，随物料层高度的升高，物料温度渐增，顶部出口空气温度最高。流化床式生物反应器；是通过向上流动的气流使颗粒或粉粒物料维持在悬浮状态形成流化床而培养微生物的装置。可用于絮凝微生物、固定化酶、固定化细胞反应过程以及固体基质的发酵。（优点、缺点P89）转鼓式生物反应器：把固体培养基质装在一转鼓式容器内，可通风并维持恒温，随着转鼓的旋转，物料依靠自身的重力下落，从而实现翻料的装置。由于经典的转鼓式反应器装料系数较低，且耗能较大，在此基础上开发了内筒体旋转的转鼓式反应器和弯叶式挡板倾斜式转鼓反应器。搅拌式生物反应器；搅拌式生物反应器的最高温度比填料床的低。典型代表是圆盘
13、制曲机。圆盘制曲机或多层圆盘制曲机是在箱式发酵装置上发展起来的。圆盘制曲机也可以设计成集杀菌（或蒸料）与制曲培养与一体，在发酵容器内设置蒸汽加热系统对物料进行灭菌或汽蒸。压力脉动固态发酵生物反应器；利用无菌空气对密闭恒温的低压容器的气相压力施以周期性脉动，强制实现气体扩散，然后通过瞬时排气泄压，松动培养基固体颗粒，从而实现供氧和搅拌的装置。l 反应器(1) 反应器的搅拌翻料方式：完全静止发酵、间歇搅拌发酵、连续搅拌发酵(2) 反应器通风换气方式：自然对流通风、强制通风8.植物细胞培养特性及培养方式l 植物细胞培养特性：植物细胞培养具有周期长、细胞抗剪切能力弱、易团聚等特点。植物细胞培养反应器的
14、设计不仅要考虑有利于细胞生长，还要考虑有利于产物的积累和分离。总体上，适合植物细胞培养的反应器应具有适宜的氧传递、良好的流动性和较低的剪切力。l 植物细胞培养方式：悬浮培养和固定化细胞培养第四章1.生物反应过程的状态参数物理、工程参数生物、化学参数2.生化过程检测仪器分类：在线检测和离线检测3.液位和泡沫高度的检测：1）液位检测的主要方法：电容法、压差法和称重法2）泡沫高度的检测常用方法：电极探针测定法l 培养基和液体流量测定1） 科里奥利斯质量流量计（CMF）：利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利斯力原理制成的一种直接式质量流量仪表。它在原理上消除了温度、压
15、力、流体状态、密度等参数的变化对测量精度的影响，可以适应多种流体和糊状介质的测量。2） 涡街流量计：当非流线型阻流体垂直插入流体中，随着流体流动，阻流体就产生旋涡分离，此旋涡形成了有规则的排列，称此排列为涡街。在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出涡街频率就可以推算出流体的流量。但不适用于低雷诺数测量（Re2104适用）在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。3） 椭圆流量计：在测试室内有一对椭圆齿轮，在进口与出口两端液体压差作用下，一对椭圆齿轮在转轴上不停地转动，把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，测出其转数即可知道充满和排放该体积部分流体的次数，从而计量出流经仪表的液体的体积总量。其流量测定范围为1.510-3100m3/h。l 气体流量的测定1） 分类：体积流量型和质量流量型。2） 体积流量型：根据流体动能的转换以及流体流动类型的改变而设计的测量装置。主要类型有同心孔板压差流量计和转子流量计。3）
