发酵工厂与工程设备详细复习提纲及答案.doc

发酵工厂设备与设计1 实罐灭菌 定义、操作过程、判断标准、灭菌热量计算例3-1P4：定义：将培养基配置在发酵罐里，用饱和蒸汽直接加热，已达到预定灭菌温度并保温维持一段时间，然后再冷却到发酵温度，这种灭菌过程成为培养基实罐灭菌。P5：操作过程：1、把配置好的培养基泵入发酵罐内，密闭发酵罐后，开动搅拌2、稍开阀门15和阀门9，引入蒸汽进夹套预热培养基至75-90度，保持夹套压强表的表压50-100kpa3、培养基预热到75-90度后，开阀门1和稍开阀门4，排尽蒸汽管道中的冷凝水后，再开阀门2，从空气管道引入蒸汽进发酵罐。关阀门15，并停止搅拌。4、开阀门5，稍开阀门7，排尽蒸汽管道里的冷凝水后，开阀门6，从取样管道引入蒸汽进发酵罐5、开阀门13，稍开阀门11，排尽蒸汽管道里冷凝水后，开阀门10，由出料管引入蒸汽进发酵罐。6、分别稍开阀门16、阀门17、阀门18，派出活蒸汽，调节进气阀门和排气阀门的开度使罐压保持在表压105kpa，温度恒定在121度，维持20-25min7、完成保温时间后，关一路排汽，再关一路进汽（次序不能颠倒），最后三路排汽与三路进汽全部关闭8、开阀门3和阀门2引入无菌空气。9、开阀门8，关阀门9，开阀门14，夹套引入冷却水，开搅拌，冷却降温到发酵工艺要求的温度。特别要注意，无菌空气未被引入发酵罐之前不能开夹套冷却水冷却培养基，不然易发生发酵罐的罐压跌零，罐体被吸瘪，这是不锈钢夹套发酵罐在实罐灭菌操作中常会发生的事故P5：判断标准：培养基灭菌后达到无菌要求；营养成分破坏少；灭菌后培养基体积与计料体积相符；泡沫要少。P7-9：灭菌过程热量计算： 间接加热所需时间：t=Gc/KA*ln(ts-t1)/(ts-t2) t为间接加热所需时间，h；G为培养基质量，kg；c为培养基的比热容，KJ/（kg）；K为加热过程中平均传热系数，kg/(cm2h) 间接加热蒸汽消耗量：S=Gc(t2-t1)(1+)/r 直接加热蒸汽消耗量：S=Gc(t2-t1)(1+)/(i-Cst2) 保温阶段蒸汽消耗量：S=1.19Ft(p/V)0.5 冷却阶段： 冷却时间t=GC1/WC2*A/(A-1)*ln(t1s-t2s)/(t1f-t2s) 冷却水用量A=eKF/WC2=(t1-t2s)/(t1-t2)2. 连续灭菌 优点，流程设备，喷热加热器工作原理，维持管操作特点，冷却设备类型P10：优点：采用高温，快速灭菌，物料受热时间短，营养成分破坏少，培养基连消后质量好，发酵单位高；发酵罐的利用率高；蒸汽负荷均衡，锅炉利用高；适宜采用自动控制；降低劳动强度。P10：流程设备： 配料罐送料泵预热罐连消泵加热器维持罐冷却器P12：喷射式加热器工作原理： 喷射式加热器的特点是蒸汽和物料密切混合，加热在瞬间完成，蒸汽由侧面进入，物料由喷嘴喷出，在加热器内呗均匀混合加热。P13：维持管操作特点：P16：冷却设备类型：真空冷却器；喷淋冷却器。3. 压缩空气预处理 目的，除水过程计算 例2-2,2-3,2-4，设备流程，总过滤器滤芯，分过滤器滤芯。P20：目的：为了保证总过滤器内的过滤介质的干燥，不让因压缩空气中夹带的水滴，油滴受潮引起介质的结团变形而失效。P21:除水过程的计算： =Pw/Ps x=0.622*Ps/(P-Ps) =P/Ps*x/(0.622+x) Pw=Px/(0.622+x) 2=1(Ps1/Ps2)(P2/P1)P22:设备流程： 吸风塔前置过滤器空气压缩机空气驻罐（管道沿程冷却，写在箭头上）第一冷却器旋风分离器第二冷却器旋风分离器丝网除沫器空气加热器总过滤器进入车间发酵罐上空气过滤器P27：总过滤器滤芯：采用涂层式过滤材料组装的滤芯，常用的是DMF，DGFP28：分过滤器滤芯：耐高温高分子膜材，金属烧结膜材。4. 发酵罐： 公称容积/总体积、标准发酵罐结构、全挡板条件、搅拌轴功率、机械密封、发酵热计算（平均温差计算）、自吸发酵罐工作原理 P36：公称容积/总体积：公称容积V0，指筒身容积Vc加上底封头Vb之和 V0=Vc+Vb=/4*D2H+Vb P36:结构：罐体，搅拌装置，消泡器，轴封，传动装置，挡板，人孔，视镜，通气装置，进出料管，取样管等。 P40：全挡板条件：W/D*mb=0.4 P39：搅拌的轴功率： P=F=（F/A）（A） P39：机械密封：一般上伸轴可用机械单端面轴封，而下伸轴采用双端面轴封。* P41：发酵热计算： Q发酵=Q生物 +Q搅拌-Q空气-Q辐射Q发酵=Wc（t2-t1）/V K=Q发酵V/Ftm P44：自吸发酵罐工作原理： 机械搅拌自吸式发酵罐是一种不需要压缩空气，而是利用改进搅拌器结构，在搅拌过程中自行吸入空气的发酵罐。当叶轮旋转时，叶片与三棱形平板内空间的液体被甩出而形成局部真空，于是罐外空气通过搅拌中心的吸入管吸入罐内，并与高度流动的液体密切接触，形成细小的气泡后分散在液体之中。5. 搅拌功率计算 搅拌雷诺数，牛顿条件通气搅拌功率计算 例3-1,3-2、表现粘度，生物反应器检测参数与传感器 P5556：搅拌功率： P/（n3d5）=K(nd2/)x(n2d/g)y 式中：P/（n3d5）=Np 为功率准数 nd2/=Rem 为雷诺准数 n2d/g=Frm 为弗鲁特准数 当Rem10，x=-1，液体处于滞流状态，Np与Rem成直线关系：P=Kn2d3 当Rem10k，x=0，液体处于湍流状态，Np不随Rem变化，为一条水平线：P=Kn3d5修正 P*=fP f=1/3(D/d)*(HL/d)*0.5 P57:牛顿条件下通气搅拌功率计算： Na=Qg/nd3 以Pg表示通气搅拌功率， Na0.035时，Pg/P=1-12.6Na Na0.035时，Pg/P=0.62-1.85Na Qg=Q0 (273+t)/273*0.1013/(0.1013+Pt)+0.5g*10-6*HlP59:表观粘度：a=t/rP69: VVM： Q0/VL=VVM m3/( m3min) 空气流量P73 表3-11类别参变量影响的状态类别参变量影响的状态物理参数温度反应速率及稳定性化学参数pH值反应速率及无菌度压力溶氧速率、无菌操作溶氧浓度反应速率液面操作稳定性性、生产率溶解CO2浓度反应速率泡沫高度操作稳定性氧化还原电位反应速率培养基流加速度生物反应效率排气的氧分压氧利用速率及反应速率通气量溶氧与搅拌功率排气的CO2分压氧利用速率及反应速率发酵液黏度细胞生长及无菌状态培养基质浓度反应速率及转化率搅拌功率溶氧速率及混合状态产物浓度生物反应速率搅拌转速溶氧速率及混合状态生物量前体浓度反应速率及效率冷却介质流量与温度细胞生长及反应速率细胞浓度反应速率和生产率加热蒸汽压强灭菌速度与时间酶活性反应速率酸、碱及消泡剂用量反应速率及无菌度细胞生长速率反应速率P73 传感器：传感器是将非电量转换为电量的器件，经传感器变换输出的电信号由放大器进行放大、存储，对过程进行调节或输入计算机进行数据处理和控制。由于微生物纯种培养和培养周期长等特殊要求，用于生化反应过程的传感器还应具有良好的可靠性、准确性、精确性、分辨率、灵敏度、特异性和较短的响应时间，还应该满足能够进行高温灭菌、无泄漏表面、不易堆积等要求。要求：1、用于罐内的传感器必须能耐热，经受高温灭菌 2、使用的传感器能抵抗菌体对其性能的影响3、抗罐内气泡干扰4、传感器的结构必须严密、无泄漏，并要避免灭菌死角6. 固液分离原理:过滤原理，沉降原理及两者区别,离心分离因素，离心机分类P86：过滤原理：过滤是在推动力（重力、压强、离心力）作用下，利用液-固微粒的重度或颗粒尺度的差异使悬浮液通过某种多孔性过滤介质，固体颗粒被截留，滤液则穿过过滤介质流出，从而实现液-固两相的分离过程。P87：沉降原理：沉降是利用液-固间的密度差异，在重力场或离心场中的速度差而实现液-固分离的过程。P89：离心分离因素：定义是对象所受离心力与重力的比值或在心里场中的离心加速与重力加速度的比值,以f=w2rg=w2d1800 f值越大,越有利于固体的离心沉降P91: 离心机的分类:按被处理料液的进入方式可分为连续流离心机和分批流离心机；按分离因素大小可分为常速离心机、高速离心机和超高速离心机；按处理目的不同可分为液-固分离和液-液分离离心机；按被分离对象可分为（动物） 细胞离心机和菌体（微生物）离心机等7.板框压滤机结构及各部件功能,管式离心机,碟片式离心机应用特点 P91 板框压滤机结构与功能:有机架,压紧机构和过滤机构三部分组成1) 机架是压滤机的基础部件,两段是止推板和压紧头,两侧的大梁将两者连接起来,大量用以支撑滤板,滤框和压紧板2) 压紧机构:板框的压紧方式有手动压紧,机械压紧和液体压紧三种3) 过滤机构:有板框,滤框,滤布,压榨隔膜组成特点：1、结构简单、操作容易、故障少、保养方便，机器使用寿命长，所需辅助设备少 2、对物料的适应性强，既能分离难以过滤的低浓度悬浮液和胶体悬浮液，又能分离料液黏度高和接近饱和状态的悬浮液。 3、过滤面积选择范围广，可在3-1250m2间选用 4、滤饼含湿量较低 5、固相回收率高、滤液澄清度好 6、滤布的检查、洗涤、更换较方便 7、过滤操作压力大，可达1Mpa，过滤操作稳定 8、造价低、投资小 9、间歇操作，辅助时间长，劳动强度大板框压滤机适用于微生物发酵行业中菌丝体的分离、培养基的预处理、活性炭脱色后的分离、成品分离等场合 P99 管式离心机 属于高速运转的沉降式离心机,转速10000r/min以上，在沉降离心机中分离因数最高，分离效果最好，是用于处理固体颗粒直径0.1-100m，固液两相密度差大于10kg/m3，固液浓度小于5%的难分离的悬浮液和液液两相密度差很小的乳浊液的分离，每小时处理量为200-1200L特点：常用在大肠杆菌工程菌菌体收集等过程。 P102 碟片式离心机 分离因素高，但结构复杂，价格昂贵，可以间歇或连续的方式运行，常用于高度分散（非均相）的液固，液液或液固分离，转速为4000-12000r/min，转鼓直径150-1000mm，分离因素为3000-13000，生产能力100m3/h特点：在生物工程行业有液液萃取中轻重液的分离、培养液中细胞的分离、成品半成品液的澄清、病毒颗粒的回收等用途8膜的分离定义 表征膜性能参数 膜分离的特点 超滤流程 P108 定义：膜分离技术是借助于膜的孔径，在推动力作用下，把大于标示膜孔径的物质分子加以截留，以实现物质的分离 P108 性能参数：通量（单位时间通过单位膜面积的物料体积流量，L/（m2*h）和截留率（一定截留孔径下透过膜的溶质占原液中的溶质的百分数，%）*P108，特点:干净（比萃取）,效率高（比薄膜蒸发浓缩）,投资少（比大型离心机）,易验证（比有机溶剂沉淀）,连续操作,易于放大，而且膜分离过程一般是在常温下操作，整个过程完全是物理过程、无相变化，这对处理热敏性物质如基因工程菌所表达的蛋白质药物等热敏产品尤其具有优势Bp=4Kcos/d 式中，K为常数因子；为表面张力；为接触角；d为孔径P112 超滤流程图9.萃取设备 萃取设备组成 P114 1）混合设备：混合罐，混合管，喷射萃取剂，泵 2）分离设备：管式离心机，碟片时离心分离机10离子交换 交换罐结构 离交罐放大 P136 定义：离子交换操作是基于由一种高分子合成材料作为吸着剂（称为离子交换剂）来吸附某些有价值的离子P137 结构如图：视镜，进料口，手孔，液体分布器，树脂层，多孔板，尼龙布，出液口 P143 离交罐放大：固定床放大：通常是根据单位树脂床体积中所通过溶液的体积流量或单位树脂床截面积上所通过溶液的体积流量相同的原则进行1、 根据单位树脂床体积中所通过溶液的体积流量相同的原则进行放大2、 根据单位树脂床截面积上所通过溶液的体积流量相同的原则进行放大11蒸发设备 蒸发设备组成 升膜式蒸发器定义及工作过程 传热计算公式 P144 组成：蒸发器，冷凝设备，气液分离器，真空系统等组成 *P145-146定义：升膜式蒸发器又称爬升膜蒸发器，它一句虹吸泵原理操作，根据在沸腾过程中产生的蒸汽气泡的升力，液体和蒸汽并流向上流动，同时，产生的蒸汽量增加，从而，在管壁上产生流动的膜，即液体向上“爬”。并流向上运动有助于在液体中产生高度的湍流。工作过程：1、料液在低于沸点温度进入加热管内，管外通蒸汽，加热料液，使其温度上升，传热方式为自然对流，不发生相变；2、料液温度继续升高到沸腾时，大量气泡产生，并分散在连续的液相中3、此时开始两相流动，当气泡生成更多时，气泡碰撞汇合增大，而形成块状流4、气泡进一步增大形成柱栓5、柱栓被冲破而形成环状流动体系6、此时在管子中央形成蒸汽柱，上升的蒸汽将料液在管壁四周拉曳成一层液膜，沿管迅速上升7、若上升气速进一步增大，冲刷管壁上的液膜，而形成了雾沫夹带，在蒸汽膜内形成带有液体雾沫的喷雾流8、随着热流量和蒸汽上升速度继续增加，环状液膜被进一步蒸发而变薄，甚至部分消失，会导致产生局部干壁现象。 *P152 传热计算 换热面积：F=Q/(K*t) 式中，F为换热面积，;Q为蒸发器热负荷，kJ/h, t为传热温度差，t=Ts-Tf;K为总传热系数，是传热热阻的倒数，Kw/(*)1/K=1/f + / + Rf + 1/s12.结晶设备 起晶方法 结晶过程 常用结晶设备结构 起晶方法：自然起晶法，刺激起晶法，晶种起晶法P155 结晶过程：1、形成过饱和溶液，2、晶核形成，3、晶体生长。溶液达到过饱和是结晶的前提，过饱和度则是结晶的推动力。制备过饱和溶液的方法有：a将热得饱和溶液进行冷却，b将部分溶剂蒸发，c化学反应结晶，d盐析结晶 P155 常用的结晶设备是带有搅拌的结晶罐，罐体上附有夹套P156结构如图13.干燥设备 干燥设备分类 影响干燥速度的因素 沸腾干燥定义 喷雾干燥流程 气流干燥/真空干燥/冷冻干燥特点 P158 设备分类：气流干燥器，沸腾干燥器，喷雾干燥器，沸腾造粒干燥器 真空干燥器 冷冻干燥器 P162 影响因素：干燥条件即热空气温度，湿含量，流量，流速等有关外，还与物料本身含水量及所含水分的性质有关 P177 沸腾干燥器（流化床干燥器）是利用热空气流使至于筛板上的颗