发酵工程设备题库及答案

发酵工程设备题库及答案一、单项选择题（本大题共20小题，每小题1分，共20分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）1.在发酵工厂设计中，为了满足工艺要求，发酵罐的高径比（H/D）通常取值范围是（）。A.1:1~1.5:1B.2:1~3:1C.4:1~5:1D.0.5:1~1:12.机械搅拌发酵罐中，安装挡板的主要作用是（）。A.增加发酵罐的机械强度B.防止液面中央形成漩涡，改善搅拌效果C.固定搅拌轴D.增加换热面积3.工业生产中，最常用的空气除菌方法是（）。A.热灭菌B.辐射灭菌C.化学药剂灭菌D.介质过滤除菌4.在发酵罐搅拌功率计算中，搅拌雷诺数（ReA.B.C.D.5.下列哪种换热器通常用于大型发酵罐的冷却或保温，具有传热系数高、结构紧凑的特点？（）A.夹套换热器B.蛇管换热器C.板式换热器D.列管式换热器6.气升式发酵罐的主要特点是（）。A.能耗高，剪切力大B.无机械搅拌装置，依靠气流带动循环C.结构复杂，清洗困难D.仅适用于厌氧发酵7.在连续灭菌系统中，维持罐的主要作用是（）。A.加热培养基B.冷却培养基C.保温灭菌，维持培养基在灭菌温度下停留一定时间D.过滤培养基8.发酵工业中，常用的粗过滤器（如棉花、活性炭过滤器）属于（）。A.绝对过滤B.深层过滤C.表面过滤D.微孔膜过滤9.对于牛顿型流体，在湍流状态下，搅拌功率准数（）与搅拌雷诺数（Re）的关系是（）。A.随Re增大而增大B.随Re增大而减小C.保持不变D.与Re成反比10.发酵罐的轴封装置中，目前应用最广泛、密封性能较好且适用于无菌发酵的是（）。A.填料密封B.机械密封C.迷宫密封D.O型圈密封11.在发酵过程中，溶解氧浓度（DO）电极通常采用的是（）。A.玻璃电极B.铂电极（原膜电极）C.银-氯化银电极D.热电偶12.为了保证发酵罐的强度和耐腐蚀性，大型工业发酵罐通常选用的材料是（）。A.普通碳钢B.不锈钢（如316L）C.铝合金D.铜合金13.下列哪种阀门在发酵管道中常用于需要调节流量的场合，且不易沉积固体？（）A.闸阀B.球阀C.蝶阀D.截止阀14.压缩空气在进入发酵罐前，通常需要经过冷却和除水，其主要目的是（）。A.节省能源B.防止过滤器受潮失效，避免对发酵液造成稀释C.降低空气压力D.增加空气中的氧分压15.在发酵罐放大设计中，若以a（氧体积传递系数）为基准进行放大，通常适用于（）。A.黏度较高的发酵体系B.对氧传递要求严格的发酵体系C.剪切力敏感的发酵体系D.以上均不是16.种子罐采用实罐灭菌时，通常的灭菌条件是（）。A.C,30分钟B.C,20分钟C.C,20~30分钟D.C,5分钟17.发酵液液面控制中，常用的检测元件是（）。A.压力变送器B.差压变送器或射频导纳液位计C.热电阻D.流量计18.机械搅拌发酵罐的搅拌器组中，最常用的底层搅拌器类型是（）。A.平桨式B.推进式C.涡轮式（如Rushton桨）D.螺旋桨式19.下列关于发酵罐放大的说法，错误的是（）。A.放大过程中单位体积功率输入（P/B.几何相似是放大设计的基础C.放大后混合时间通常会延长D.放大后氧传递效率一定会提高20.固液分离设备中，对于发酵液固形物含量较高且颗粒较大的情况，首选（）。A.板框压滤机B.管式离心机C.碟片式离心机D.深层过滤器二、多项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题给出的四个选项中，有二至四项是符合题目要求的。多选、少选、错选均不得分）21.影响机械搅拌发酵罐氧传递系数（a）的主要因素包括（）。A.搅拌转速B.通气量C.发酵液的物理性质（黏度、表面张力等）D.搅拌器的类型22.发酵罐管路设计应遵循的原则包括（）。A.尽量减少死角，防止染菌B.管道长度应尽可能长，以增加缓冲C.保持有一定的坡度，便于排尽料液D.阀门和管件应尽量少，且便于清洗和灭菌23.下列关于机械密封的描述，正确的有（）。A.密封性能好，泄漏量极小B.使用寿命较长C.结构复杂，制造精度要求高D.适用于高压、高温、高速的旋转轴封24.发酵工业常用的空气压缩机类型有（）。A.往复式压缩机B.离心式压缩机C.螺杆式压缩机D.涡旋式压缩机25.发酵罐的冷却方式主要有（）。A.夹套冷却B.蛇管冷却C.外部循环冷却D.喷淋冷却26.在发酵过程中，引起泡沫产生的原因包括（）。A.培养基中蛋白质等表面活性物质的存在B.通气搅拌的机械作用C.细菌本身的代谢活动D.发酵液温度过高27.消泡的方法主要包括（）。A.机械消泡（如消泡桨）B.化学消泡（加入消泡剂）C.物理消泡（如声波、超声波）D.生物消泡28.下列属于发酵过程主要参数检测对象的有（）。A.温度B.pH值C.溶解氧（DO）D.搅拌转速和功率29.发酵罐搅拌器的振动可能导致（）。A.轴封损坏，造成染菌B.轴承磨损加剧C.罐体连接处疲劳开裂D.溶解氧浓度增加30.连续灭菌与间歇灭菌相比，具有的优点是（）。A.灭菌温度高，时间短，对培养基营养成分破坏小B.蒸汽负荷均衡C.便于自动化控制D.设备投资少，操作简单三、填空题（本大题共20空，每每空1分，共20分）31.发酵罐的几何尺寸中，通常搅拌器直径（D）与罐径（T）之比（D/32.在通气发酵中，气液接触面积越大，氧传递速率越\_\_\_\_\_\_。33.发酵罐的搅拌功率准数的定义公式为\_\_\_\_\_\_。34.工业发酵中，空气过滤除菌的介质通常分为\_\_\_\_\_\_和\_\_\_\_\_\_两大类。35.为了消除发酵罐内的死角，管道连接和焊缝应保证\_\_\_\_\_\_，且所有阀门应能\_\_\_\_\_\_。36.发酵过程中的热量称为发酵热，主要包括生物合成热、搅拌热和\_\_\_\_\_\_。37.发酵罐的放大准则主要有单位体积功率相等（P/38.在测定发酵罐搅拌功率时，通常采用\_\_\_\_\_\_法进行测量。39.发酵液黏度的增加会导致a值\_\_\_\_\_\_。40.种子制备设备的主要任务是提供\_\_\_\_\_\_和\_\_\_\_\_\_适宜的种子液。41.发酵罐的搅拌轴通常分为\_\_\_\_\_\_和\_\_\_\_\_\_两种安装方式。42.机械密封主要由动环、静环、\_\_\_\_\_\_和\_\_\_\_\_\_等元件组成。43.发酵工业中，最常用的pH电极是\_\_\_\_\_\_电极。44.发酵罐的夹套除了用于换热外，有时也用于\_\_\_\_\_\_。45.发酵结束后，常用的固液分离设备有板框压滤机和\_\_\_\_\_\_。46.在发酵罐设计中，安全阀的开启压力通常应略\_\_\_\_\_\_于发酵罐的设计压力。47.气升式发酵罐的导流筒结构主要影响罐内液体的\_\_\_\_\_\_。四、判断题（本大题共10小题，每小题1分，共10分。正确的打“√”，错误的打“×”）48.发酵罐的搅拌转速越高，溶氧效果一定越好，对菌体生长也越有利。（）49.棉花活性炭过滤器在灭菌时，蒸汽流向应与空气过滤时的流向相反。（）50.发酵罐内的挡板通常设置为4块，且宽度为罐径的1/10~1/12。（）51.所有的发酵过程都必须严格控制无菌条件，包括种子培养和发酵培养。（）52.螺杆式压缩机具有排气连续、无脉冲、运转平稳等特点，适合大型发酵工厂供气。（）53.发酵罐的放大只是体积的简单放大，不需要考虑流体力学和传质特性的变化。（）54.在发酵过程中，补料的位置应尽量靠近搅拌桨的高速射流区，以实现快速混合。（）55.发酵液黏度仅取决于培养基的物理性质，与菌体生长和代谢产物无关。（）56.板式换热器传热效率高，但耐压能力较低，通常用于培养基的连续灭菌冷却环节。（）57.发酵罐的搅拌功率在通气情况下通常比未通气时大。（）五、名词解释（本大题共5小题，每小题4分，共20分）58.发酵工程设备59.氧体积传递系数（a）60.机械密封61.空气净化系统62.发酵罐放大六、简答题（本大题共6小题，每小题6分，共36分）63.简述机械搅拌发酵罐的基本结构及其各部分的主要功能。64.试比较连续灭菌与间歇灭菌的优缺点。65.影响发酵罐搅拌功率的因素有哪些？请简要分析。66.简述发酵工业中对空气除菌的要求及常用的除菌流程。67.在发酵罐设计中，为什么要安装挡板？挡板的宽度与数量通常如何确定？68.简述发酵过程中泡沫产生的原因及其危害，并说明机械消泡的原理。七、计算与分析题（本大题共4小题，共44分）69.（10分）某机械搅拌发酵罐，罐径T=2

m，搅拌桨直径D=0.8

m，搅拌转速N=（1）计算搅拌雷诺数Re（2）计算该搅拌器的搅拌功率P。70.（10分）某发酵罐采用夹套换热，发酵过程中产生的最大发酵热为Q=5×

kJ/h，冷却水进口温度为C，出口温度为C，夹套的总传热系数（1）计算所需的冷却水质量流量（冷却水比热容=4.18（2）计算所需的夹套换热面积。71.（12分）在进行发酵罐放大设计时，若采用单位体积功率输入（P/（1）试推导放大模型罐与生产罐之间的搅拌转速N与搅拌桨直径D之间的关系（假设两罐几何相似，且均处于湍流区）。（2）若模型罐直径=0.5

m，转速=200r/min，现放大至罐体积增大100倍的生产罐，求生产罐的搅拌转速72.（12分）某发酵厂采用连消塔-维持罐-冷却器流程对培养基进行连续灭菌。已知培养基流量为F=20/h，连消塔将培养基从C加热至C，维持罐温度维持在C，灭菌后要求细菌的芽孢数从

个/mL降至

个/mL。该芽孢在（1）计算所需的维持时间t；（2）计算维持罐的有效容积（取安全系数为1.2）。参考答案及解析一、单项选择题1.B【解析】发酵罐的高径比通常在2:1到3:1之间，这有利于增加气液接触时间，提高溶氧效率，同时也便于搅拌混合。2.B【解析】挡板的作用是改变流体流动方向，将圆周运动变为轴向运动，防止液面中央形成大漩涡，改善搅拌混合效果和溶氧效果。3.D【解析】介质过滤除菌是目前工业生产中空气除菌最常用的方法，经济且效果好。4.A【解析】搅拌雷诺数Re5.B【解析】蛇管换热器安装在罐内，传热系数较高，且能承受较高的压力，常用于大型发酵罐。6.B【解析】气升式发酵罐利用压缩空气带动的环流来实现混合和传质，无机械搅拌，剪切力小，能耗相对较低。7.C【解析】维持罐用于在灭菌温度下保持培养基一定时间，以达到彻底灭菌的目的。8.B【解析】棉花、活性炭过滤器属于深层过滤，尘粒被过滤介质内部曲折的孔隙吸附或截留。9.C【解析】在湍流区（全湍流区），与Re无关，保持为常数。10.B【解析】机械密封泄漏量少，密封可靠，寿命长，适合无菌发酵的单端面或双端面密封。11.B【解析】溶解氧电极通常使用原电池原理（如银-铅）或极谱法（如铂-银），其核心是透氧膜和阴极（铂）。12.B【解析】316L不锈钢具有良好的耐腐蚀性（特别是耐酸碱）和机械强度，是生物发酵设备的标配材料。13.C【解析】蝶阀结构简单，流阻小，调节性能好，且不易积料，适合发酵管道。14.B【解析】冷却除水可以防止空气中的水分进入过滤器，使过滤介质受潮失效，同时也避免空气带水进入发酵罐稀释培养基。15.B【解析】a直接反映了氧传递能力，对于耗氧较快的发酵过程，以此为基准放大较为合适。16.C【解析】实罐灭菌通常采用C维持20~30分钟，以达到巴氏杀菌标准。17.B【解析】差压变送器通过测量液柱压差来计算液位，射频导纳液位计也能有效解决泡沫干扰下的液位测量。18.C【解析】Rushton涡轮桨（圆盘六叶涡轮）是典型的径向流搅拌器，剪切力大，分散气泡效果好，常作为底层搅拌器。19.D【解析】放大后，单位体积表面积减小，且混合时间延长，往往导致氧传递效率下降，而非提高。20.A【解析】板框压滤机过滤面积大，耐高压，适合处理固形物含量高、颗粒较大的发酵液。二、多项选择题21.ABCD【解析】a受操作条件（转速、通气量）、设备结构（搅拌器类型）和物性参数（黏度、表面张力）共同影响。22.ACD【解析】管道设计应短、直、少死角，有坡度利于排净，阀门管件少以减少染菌点。管道长会增加染菌风险和流动阻力。23.ABCD【解析】机械密封具有泄漏量小、寿命长、适用范围广（高压、高速、高温）等优点，但结构复杂、造价高。24.ABC【解析】往复式、离心式、螺杆式是发酵厂常用的空压机类型。25.ABCD【解析】夹套、蛇管、外部循环换热器、喷淋冷却都是常用的冷却方式。26.ABC【解析】泡沫主要由培养基成分（蛋白质）、通气搅拌以及菌体代谢产生。27.AB【解析】工业上常用机械消泡和化学消泡（加入消泡剂）。28.ABCD【解析】温度、pH、DO、转速、功率、补料流量等都是关键控制参数。29.ABC【解析】振动会导致密封失效、部件磨损、结构开裂，不会增加溶氧。30.ABC【解析】连续灭菌由于高温短时，营养破坏少，蒸汽负荷均衡，易自控；但设备投资大，操作复杂。三、填空题31.1/3~1/232.快（或大）33.P34.深层过滤；绝对过滤（或表面过滤）35.光滑（或无死角）；彻底灭菌（或耐灭菌）36.蒸发热（或汽化热/散热损失）37.a（氧体积传递系数）38.扭矩（或应变片）39.降低（或减小）40.数量；质量41.上搅拌；下搅拌（或中心插入；侧插入）42.弹性元件（或弹簧）；辅助密封圈（或O型圈）43.玻璃pH（或复合pH）44.保温45.离心机46.低47.循环速度（或循环流量）四、判断题48.×【解析】搅拌转速过高不仅能耗增加，还可能产生过大的剪切力，破坏菌丝体（特别是丝状菌），且超过一定转速后溶氧增加不明显。49.√【解析】为了吹松过滤介质并吹出冷凝水，灭菌蒸汽流向应与过滤空气流向相反。50.√【解析】这是标准挡板设置，宽度通常为T/51.√【解析】无菌是发酵工程的核心要求，任何环节的染菌都会导致失败。52.√【解析】螺杆压缩机具有这些特点，适合大规模供气。53.×【解析】放大涉及流体力学、传质、剪切力等多种因素的变化，不能简单体积放大。54.√【解析】高速射流区混合最快，可防止补料局部浓度过高或积累。55.×【解析】发酵液黏度是动态变化的，受菌体形态、浓度和代谢产物（如多糖）影响很大。56.√【解析】板式换热器高效但耐压低，常用于连消系统的冷却段。57.×【解析】通气后，形成的气泡群降低了液体的表观密度，导致搅拌功率通常比未通气时低。五、名词解释58.发酵工程设备：指用于生物发酵生产过程中的各种机械设备和装置的总称，主要包括原料处理设备、培养基制备与灭菌设备、发酵罐（核心设备）、通风与除菌设备、搅拌与传热设备、以及产物分离与提取设备等。59.氧体积传递系数（a）：是评价发酵罐氧传递能力的重要参数，单位为或。它反映了单位时间内，单位体积发酵液中氧的传递速率，其值越大，说明发酵设备的供氧能力越强。60.机械密封：亦称端面密封，是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置。它依靠至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力的作用下，保持贴合并相对滑动，从而防止流体泄漏。61.空气净化系统：指为发酵过程提供洁净无菌空气的整套设备流程，通常包括空气压缩机、冷却罐、油水分离器、储气罐、空气过滤器（粗过滤、精过滤）等，旨在去除空气中的灰尘、油、水和微生物。62.发酵罐放大：指根据小型试验罐（模型罐）的试验数据和最佳工艺参数，设计大型生产罐的过程。放大目的是在大型生产罐中复现模型罐的最佳反应环境和结果，通常依据几何相似、流体力学相似或传质相似等准则进行。六、简答题63.简述机械搅拌发酵罐的基本结构及其各部分的主要功能。答：机械搅拌发酵罐主要由罐体、搅拌系统、换热系统、通风系统、消泡系统、轴封及传感器接口等组成。（1）罐体：提供发酵反应的空间，通常为圆柱形，配有封头，耐压、耐腐蚀。（2）搅拌系统：包括电机、搅拌轴、搅拌桨。功能是打破气泡，混合液相，固相，促进传质和传热。（3）换热系统：包括夹套或蛇管。用于输入热量（升温、灭菌）或移出热量（冷却发酵），维持恒温。（4）通风系统：包括空气进口、分布器。提供微生物所需的氧气，并起一定的搅拌作用。（5）消泡系统：包括消泡桨或消泡剂加入口。用于打破发酵液产生的泡沫，防止逃液和染菌。（6）轴封：位于搅拌轴伸出罐体处，防止泄漏和外界杂菌侵入。（7）传感器接口：用于安装pH、DO、温度等电极，监测发酵参数。64.试比较连续灭菌与间歇灭菌的优缺点。答：连续灭菌（连消）的优点：（1）由于采用高温（130~（2）蒸汽负荷均衡，避免用汽高峰。（3）便于实现自动化控制，操作参数稳定。（4）发酵罐利用率高，不需在罐内长时间加热冷却。缺点：（1）设备投资大，需要连消塔、维持罐、冷却换热器等配套设备。（2）操作控制要求较高，若管道设计不当易出现染菌。间歇灭菌（实消）的优点：（1）设备简单，仅需在发酵罐内通入蒸汽即可。（2）操作容易，染菌风险相对较低（管路少）。缺点：（1）灭菌温度较低（C），时间长，对营养成分（如维生素、糖分）破坏较大。（2）发酵罐占用周期长（升温和降温耗时）。（3）蒸汽负荷波动大。65.影响发酵罐搅拌功率的因素有哪些？请简要分析。答：搅拌功率P受多种因素影响，可用公式P=（1）搅拌桨特性：桨叶直径D、形状、数量。功率与成正比，影响极大；不同桨叶的功率准数不同。（2）操作参数：搅拌转速N。功率与成正比，转速增加功率急剧上升。（3）流体物性：流体密度ρ、黏度μ。功率与ρ成正比；黏度主要影响流型（雷诺数），在层流区黏度影响大，湍流区影响小。（4）罐体结构：挡板、附件。无挡板时形成漩涡，功率降低；安装挡板后功率显著增加（全挡板条件）。（5）通气情况：通气后液体密度下降，且气泡阻碍桨叶运动，导致搅拌功率下降（通气功率通常为未通气功率的40%66.简述发酵工业中对空气除菌的要求及常用的除菌流程。答：除菌要求：提供无菌空气，即空气中不含噬菌体、杂菌等微生物；同时要具备一定的压力（克服罐压和阻力）、温度（接近发酵温度）和湿度（去除油水，防止过滤器失效）。常用流程：（1）粗过滤：空气吸入后经预过滤器去除较大颗粒和灰尘。（2）压缩：通过空压机提高空气压力。（3）冷却与除水除油：压缩后的空气温度很高，需经冷却器降温，再经油水分离器或旋风分离器除去冷凝水和油雾。（4）储气：进入储气罐缓冲，稳定压力。（5）加热（可选）：若空气温度过低，可能需加热至相对湿度<60（6）精过滤：空气通过总过滤器和分过滤器（通常用超细玻璃纤维纸或聚四氟乙烯膜滤芯），截留微生物，获得无菌空气进入发酵罐。67.在发酵罐设计中，为什么要安装挡板？挡板的宽度与数量通常如何确定？答：原因：如果不安装挡板，搅拌轴中心处的液面会形成很深的漩涡，导致部分液体只是随轴空转，混合效果差，气液接触不良。安装挡板可以将圆周流动转变为轴向和径向流动的复杂混合流，消除漩涡，强化湍流，从而极大地改善混合效果和溶氧传质效率。确定方法：（1）数量：通常安装4块或6块，均匀分布在罐壁圆周上。（2）宽度：通常取罐径T的1/10到（3）安装位置：通常紧贴罐壁安装，下边缘离罐底有一定距离。对于高黏度流体，挡板与