生物工程设备习题(1).docx

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1、生物工程设备习题生物工程设备习题 一.名词解释: (每题3分) 1. 蒸发过程的必要条件 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。保证溶剂蒸汽，即二次蒸汽的迅速排除。一定的热交换面积，以保证传热量。 2. 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。 3. 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。 4. 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。 Nln2N1=-KL5. 搅拌雷诺准数 雷诺准数是惯性力与液体粘滞力之比,即Re=Re

2、m=nDir2dur,而在搅拌容器中,液体的代表速度 u= n Di ,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mm6. 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。 7. 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 8. 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： b (0.10.12)DDn=Dn=0.5D-发酵罐直径，b-挡板宽度，n-挡板数 9 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

3、前液体体积为 VL,通风时体积的增加量为 Vg,则气体截留率 e=VgVL+Vg11 流化床的体积随着气体流速的增加而增大，流化床体积与固体床体积之比称为膨胀率。 K=VKVn12 热敏性物料一一一对热过程敏感，受热后会引起产物发生化学变化或物理变化而影响产品质量的物料。 二. 问答题: (每题7分) 1. 叙述喷射自吸式发酵罐的工作原理。 答: 喷射自吸式发酵罐的工作原理是用泵将发酵液送入文氏管中,由于文氏管的收缩段中流速增加,即动压力增加,静压力减小,形成负压,将无菌空气吸入,并被高速流动的液体打碎、分散,与液体均匀混合,提高发酵液中的溶解氧，这是溶氧阶段。当发酵液从上升管进入发酵罐后，微

4、生物耗氧，同时发酵液向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时，发酵液又从发酵罐底部被泵打入上升管，开始下一个循环。 2. 酒精发酵罐由于操作失误就可能造成罐内真空甚至被吸瘪，叙述造成上述事故的原因，以及预防和修复(被吸瘪)的方法。 答：酒精发酵罐出现真空主要是发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗时造成的。由于大型发酵罐在工作完毕后放料的速度很快，有可能造成一定的负压。另外，即便罐内留存一部分CO2气体，在进行清洗时，由于清洗溶液中含有碱性物质，与CO2进行中和反应，除去了CO2也可能使罐内形成真空。如果不即时进气，在外界压力作用下发酵罐就会被压瘪。所以大型发酵罐应设防止真空装置，在罐顶安

5、装一个真空安全阀。真空安全阀的作用是当罐内出现真空时，阀门开启，允许空气进入罐内，以建立罐内外压力的平衡。如果出现上述事故，可以用高压水涨法使其复圆。 3. 圆筒锥底啤酒发酵罐上为什么要安装真空安全阀?祥细解释它的作用。 答：筒锥底啤酒发酵罐出现真空主要是发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗时造成的。由于大型发酵罐在工作完毕后放料的速度很快，有可能造成一定的负压。另外，即便罐内留存一部分CO2气体,在进行清洗时,由于清洗溶液中含有碱性物质,与CO2进行中和反应,除去了CO2也可能使罐内形成真空。所以大型发酵罐应设防止真空装置。真空安全阀的作用是当罐内出现真空时，阀门开启，允许空气进入罐内，以建

6、立罐内外压力的平衡。 4. 叙述空气带升式(气升式)发酵罐的工作原理。 答：以外循环为例来说明空气带升式(气升式)发酵罐的工作原理。在罐外装设上升管，与发酵罐构成一个循环系统，在上升管的下部有空气喷嘴，空气以250300米/秒的高速度喷入上升管，借喷嘴的作用而使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复循环，在上升管提供微生物所需要的溶解氧，使发酵正常进行。 5. 叙述喷射液化器的工作原理，它适用于哪些地方(工序)。 答： 喷射液化器主要由喷嘴、吸入室、扩大管和调节手轮组成。当带有压力的物

7、料以高速进入喷射液化器经过其内部的喷嘴时，它的动能增大，静压能变小，造成吸入室内出现负压，将蒸汽吸入，并在吸入室内与物料接触，高速流向扩大管，物料与蒸汽在扩散管的喉部充分混合，物料被蒸汽加热，在瞬时将物料加热到所需的温度。在扩散段内由于管径逐渐增大，物料流速逐渐降低，动能又转化为静压能，压力随之升高，从出口排出。 喷射加热器适用于对物料进行连续液化，如在味精厂、制药厂等的糖化工段(工序)等。 6. 叙述喷射加热器的工作原理,它适用于哪些地方(工序)。 答： 喷射加热器主要由喷嘴、吸入室和扩大管组成。当物料以高速经过喷嘴时,它的动能增大，静压能变小，造成吸入室内出现负压，将蒸汽吸入室内，物料与蒸

8、汽在扩散管的喉部充分混合,物料被加热，在扩散段内速度逐渐降低，压力随之升高，动能又转化为静压能，从出口排出。 喷射加热器适用于连续加热物料的地方(工序),如连续灭菌等。 7. 叙述自吸式发酵罐的工作原理。 答: 自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器(转子)和导轮(定子),空气管与定子相连接,在转子启动前,先用液体将转子浸没,然后启动马达使转子转动,由于转子高速旋转,液体或空气在离心力的作用下,被甩向叶轮外缘,在这个过程中,流体便获得能量,若转子的转速愈快,旋转的线速度也愈大,则流体的动能也愈大,流体离开转子时,由动能转变为压力能也愈大,排出的风量也越大。 当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时，在

9、转子中心处形成负压，转子的转速愈大，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过定子而使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流，使刚刚离开叶轮的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅拌和充气两个作用。 8. 叙述溢流喷射自吸式发酵罐的工作原理。 答: 溢流喷射自吸式发酵罐的工作原理是用泵将发酵液从发酵罐的底部提升到罐顶的溢流口，液体由于自重通过溢流管向发酵罐跌落，形成抛射流，由于液体表面层作用，使靠近流体表面的无菌空气气体边界层具有一定的速率，从

10、而形成气体的流动和自吸作用，并被高速流动的液体打碎、分散,与液体均匀混合,使氧溶解在发酵液中的，这是溶氧阶段。发酵液进入发酵罐后，微生物耗氧，同时将代谢产生的二氧化碳和其它气体不断地从发酵液中分离并排出，发酵液的比重变大向发酵罐底部循环，待发酵液中的溶解氧即将耗竭时，发酵液又从发酵罐底部被泵打入循环管，开始下一个循环。 9. 通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器为什么要安一个圆盘? 答： 通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快，走短

11、路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻挡，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。 什么是轴封？机械轴封与填料函轴封相比有什么优缺点？ 答：轴封是安装在旋转轴与设备之间的部件，它的作用是阻止工作介质沿转动轴伸出设备之处泄漏。 机械轴封与填料函轴封相比优点是: a. 密封可靠，在一个较长的使用期中不会泄漏或很少泄漏。清洁，无死角，可以防止杂菌污染。 b. 使用寿命长，正确选择摩擦副和比压的机械密封可使用年，最长有用到年。 c. 维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修。 d. 轴或轴套不受磨损。 e. 摩擦功率耗损少，一般约为填料函密封的105

12、0 f. 机械轴封对轴的精度和光洁度没有填料函要求那么严格，对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感，对轴的震动敏感性小。 g.适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各种转速以及各种腐蚀性、磨蚀性、易燃、易爆、有毒介质的密封。 其缺点是：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。 11. 发酵罐实罐灭菌为什么要“三路进汽”? 实罐灭菌的进汽和排气原则是什么? 答： 所谓发酵罐实罐灭菌的“三路进汽”就是在对培养基灭菌时，让蒸汽从空气进口、排料口、取样口进入罐内，使培养基均匀翻腾，达到培养基灭菌之目的。这是因为这三个管都是插入到发酵醪中，若不进蒸汽就会形成灭菌死角。实罐灭菌的进汽和排气原则是“非

13、进即出”，就是说所10. =2.3031klogN0Ns12. 13. 14. 15. 16. 有进入发酵罐的管道在灭菌过程中如果不进入蒸汽就一定要进行排气，使所有管道都被蒸汽通过，得以灭菌。不能有既不进汽也不排汽的管道存在。 在培养基的灭菌过程中是否能做到绝对无菌？为什么？发酵生产中对培养基的灭菌的无菌程度是多少？ 答: 若要求灭菌后绝对无菌，即Ns=0，从上面公式可以看得出灭菌时间将等于无穷大，这对生产来说是不可能，所以培养基灭菌后，在培养液中必然-3还产残留一定的活菌。工程上通常以Ns=10个/罐来进行计算，即杂菌污染降低到被处理的每1000罐中只残留一个活菌的程度，这就可以满足生产的要

14、求了。 什么是离心分离机?叙述离心分离机分离两种不同重度液体的原理。 答: 藉离心沉降速度的不同将轻重不同或互不溶解的两种液体分开的离心机称作离心分离机。 离心分离机机的转鼓内有数十只(50-80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5-1.2mm)叠置起来组成碟片组，每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有几个对称分布的圆孔许多这样的碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。两种不同重度液体的混合液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转，由于两种不同重度液体的离心沉降速度的不同，重液的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，轻液的离心沉降速度小，则

15、向轴线流动。这样，两种不同重度液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。 在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用什么离心机?叙述该机分离酵母的原理。 答: 在饲料工厂从发酵醪中分离酵母应该选用离心澄清机。 离心澄清机的转鼓内有数十只(5080)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.51.2mm)叠置起来组成碟片组。含有酵母的发酵醪液进入离心澄清机后，从碟片组外缘进入各相邻碟片间的薄层隙道，这时发酵醪也被带着高速旋转，由于固体和液体的离心沉降速度的不同，在碟片间的隙道中被分开，固体(酵母)的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，液体的离心沉降速度小，则向轴线流动。这样，酵母和液体就在碟片间的隙道流

16、动的过程中被分开。 在工厂中要将奶油(酯)从新鲜牛奶中分离出来应该选用什么离心机?叙述该机分离奶油的原理。 答: 在工厂中要将奶油(酯)从新鲜牛奶中分离出来应该选用离心分离机，它能藉离心沉降速度的不同将互不溶解的两种液体分开。 离心澄清机的转鼓内有数十只(50-80)形状和尺寸相同的碟片,碟片按一定间距(0.5-1.2mm)叠置起来组成碟片组，每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有几个对称分布的圆孔许多这样的碟片叠置起来时，对应的圆孔就形成垂直的通道。两种互不溶解的混合液进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转，由于互不溶解的两种液体重度不同，离心沉降速

17、度也不同，重液的离心沉降速度大，就离开轴线向外运动，轻液的离心沉降速度小，则向轴线流动。这样，奶油(酯)和奶就在碟片间的隙道流动的过程中被分开。 以超滤或反渗透为例讲述膜分离原理。 答： 以反渗透为例讲述膜分离原理如下： 假设有一个仅能透过溶剂而不能透过溶质的半透膜，将纯溶剂和浓溶液分别置于膜两侧，因施加在溶液上方的压力不同，表现出三种情况如下图所示。 无外界压力作用时，由于纯溶剂的化学位 U1大于溶液中溶剂的化学位 U2，引起纯溶剂透过膜向溶液侧迁移，这就是渗透，如图A。 对溶液施加压力，提高其化学位，就降低了膜两侧溶剂的化学位差，从而降低了纯溶剂向溶液渗透的透过速率。当施加在溶液上的压力恰

18、好使溶剂的化学位与纯溶剂的化学位相等，于是系统达到渗透平衡，此时溶液承受的压力称为渗透压 ，如图B。 对溶液施加的压力超过渗透压 时，溶液中溶剂的化学位高于纯溶剂的化学位，于是溶液中溶剂以压力差为推动力，透过膜向纯溶剂侧迁移，实现了从溶液中分离出溶剂。由于此时溶剂的迁移方向与渗透方向相反，故称为反渗透，如图C。 17. 什么是超滤过程中的浓差极化现象，如何降低浓差极化现象。 答：待分离液从膜面一侧流过时，靠近膜面的液体处于层流状态；同时，当水及小分子溶质透过膜面时，大分子的溶质在靠近膜面处被阻留。被阻留分子从膜面返回液体主流的速度受其通过层流区的扩散速度所控制，当这一速度低于被阻留分子在膜面聚

19、集的速度，就必然会在膜面的一侧逐渐形成一高浓度的被阻留溶质层。这就是浓差极化。 随着浓缩倍数的提高，浓差极化现象越来越严重，膜的透过通量也越来越低。 提高液流的雷诺准数，可以减小层流区的厚度，增大被阻留分子返回液体主流的速度，这是削弱浓差极化的重要措施。但其些酶在高的剪切应力下，容易丧失其部分酶活力，因此不能无限提高液体流速。提高液温也是削弱浓差极化常用的方法，但也受被浓缩液及膜的耐热性的限制。 18. 用膜分离(超滤和反渗透)技术分离化工产品有什么特点? 答： 膜分离(超滤和反渗透)技术分离化工产品特点是： . 膜分离过程中不发生相变化,与有相变化的分离法和其他分离法相比,能耗要低。 . 膜

20、分离过程是在常温下进行的,因而特别适用于对热敏性物质的分离、分级、浓缩和富集。例如用于果汁、酶、药品生产中。 膜分离技术不仅适用于有机物和无机物、病毒、细菌的分离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如将溶液中大分子与无机盐的分离，一些共沸物或近沸物系的分离等。 由于只是用压力作为超滤和反渗透的推动力，因此分离装置简单，操作方便，易于自动控制，易于维修。 19. 什么是真空蒸发浓缩？祥细叙述升膜式蒸发器的工作原理。 2 答：溶液在真空状态，较低的温度下即沸腾、溶剂汽化，这称之为真空蒸发浓缩。 升膜式蒸发器的工作原理。溶液在加热的管子里由下而上运动时，在管壁的液体受热温度上升，密度下降，而管子中

21、心的液体温度变化较小，这就使管内液体产生如图a所示的自然对流运动。温度升得越高对流越激烈，当温度升到相应沸腾温度时，溶液便开始沸腾，产生蒸汽气泡分散于连续的液相中。由于蒸汽气泡的密度小故气泡通过液体而上升，如图b所示。液相因混有蒸汽气泡，使液体静压头下降，液体继续受热，温度不断上升，气泡大量增加。蒸汽气泡相互碰撞，小气泡就聚合成大气泡于管子中部上升，气泡增大，气体上升的速度则加快，如图c所示。当气泡继续增大形成柱状，占据管子中部的大部分空间时，气体以很大的速度上升，而液体受重力作用沿气泡边缘下滑，如图d所示。 液体下降较多时，大个柱状气泡则被液层截断，如图e所示。若液体温度继续上升，溶液的蒸发

22、速度继续增加，气泡的上升速度激增，蒸汽的密度也增大，由于重力作用，滑流下来的液体很快受热蒸发，未蒸发的浓缩液体也被高速气流带着上升，气泡断层不能形成，蒸汽占据了整个管子中部空间，液体只能分布于管壁，开始形成液膜，如图f所示，这时称为环形流。环形流液体的上升是靠高速蒸汽气流对流层的拖带而形成，称之为“爬膜”现象。这时液膜沿管壁上升不断受热蒸发，浓度不断增大，最后与蒸汽一齐离开，管子越高则上升蒸发时间越长,溶液浓缩越大。 20. 在味精生产过程中使用了哪些结晶设备？采用真空煮晶锅进行味精的精制,其优点是什么？ 答：在味精生产过程中使用了三种结晶设备，立式结晶箱，卧式结晶箱，真空煮晶锅。 采用真空煮

23、晶锅进行味精的精制,其优点是可以控制溶液的蒸发速度和进料速度，以维持溶液一定的过饱和度进行育晶，同时采用连续通入未饱和液来补充溶质的量，使晶体长大。 真空煮晶锅内的真空度可用蒸汽喷射泵、水力喷射泵或真空泵来产生。 21. 什么是沸腾干燥，叙述沸腾干燥的原理。 答: 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，当气流速度与颗粒沉降速度相等，压力降与流动层单位面积的重量达到平衡时，粒子就在热气体中呈悬浮状态，粒子中的水分迅速汽化，达到干燥目的。 24气流干燥的特点 w 干燥强度大。由于气体在干燥管内流速大，一般为1020m/s，气一固间存在一定的相对速度，因而固体

24、物料与空气之间产生剧烈的相对运动，使物料表面的气膜不断更新，大大降低了传热和传质的气膜阻力。一般干燥器全管平均体积传热系数为42001300kj/(m3h)。 干燥时间短。物料在干燥管内仅停留15s即可达到干燥要求。因此对于热敏性物料仍可采用较高的介质温度。如用140的热空气干燥赤霉素，130热空气干燥四环素均能获得优质产品。 适用性广。可使用于各种粉粒状、碎块状物料的干燥，粒径范围约为O.l10mm。湿含量可大至3O4O。 设备结构简单。占地面积小，生产能力大，能连续操作，可实现自动控制。 气流干燥对物料有一定的磨损，因此不适合于对晶形有一定要求的物料，且热能利用程度较低，一般热利用率仅为3

25、O左右。 25喷雾干燥的特点 23w 干燥速度快、时间短，一般为33Os，由于料液雾化成2060m的雾滴，其表面积相应高达2005O00mm，物料水分极易汽化而干燥。 w 干燥温度较低。虽然采用较高温度的热空气，但由于雾滴中含有大量水分，其表面温度不会超过加热空气的湿球温度，一般为5O60，加之物料在干燥器内停留时间短，因此物料最终温度不会太高，非常适合于热敏性物料的干燥。 w 3）制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。但喷雾干燥的容积干燥强度小，放干燥室体积大，热量消耗多，一般蒸发1kg水分约需6000kJ热量，相当于消耗2.53.5kg的蒸汽。 26流化床干燥原理 流化床干燥是利用流态

26、化技术，即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。流化床干燥中，热空气的流速与颗粒的自由沉降速度相等，当压力降近似等于流动层单位面积的质量时，床层便由固定态变化流化态，床层开始膨胀，颗粒悬浮于气流中，并在气流中呈沸腾状翻动，但仍保持一个明确的床界面，颗粒不会被气流带走。干燥过程处在稳定的流态化阶段。 27流化床干燥的特点 1传热传质速率大。由于颗粒在气流中自由翻动，颗粒周围的滞流层几乎消除，气一固间的传热效果优于其他干燥过程。体积传热系数一般都在34200OkJ以上，是所有干燥器中体积干燥强度最大的一种。 2干燥温度均匀，易于控制。由于物料在干燥器中的停留时间可以控制，可使

27、物料的最终含水量降到很低水平，且不易发生过热现象。 3连续化、自动化操作。干燥与冷却可连续进行，干燥与分级可同时完成，有利于连续化、自动化操作，且设备结构简单，生产能力高，动力消耗小。 28. 流化床干燥操作过程中可能出现的几种不正常现象及原因： (1)沟流和死床 气速虽然已超过临界流速umf，但床层仍不流化，某些部分被气流吹成一条“沟道”，气体由此穿过床层，这种现象称为“沟流”，未流化部分称为“死床”。也有可能出现局部沟流和局部死床，见图 (a)(b)。产生沟流时，床层压力降低于p，其差值正好表明沟流的严重程度。 气固接触不良，使传热传质过程不能很好进行，降低产品质量和设备的生产效能；而死床

28、部分容易产生产品的“烧结”现象。 研究表明，颗粒性质、床层高度、设备结构、气体流速等因素，都会导致沟流的产生，例如，床层很薄；颗粒很细、太湿、易粘合成团块、物料颗粒带静电，易产生“抱团”；气速过低或气流分布不均匀；分布板结构不合理，如开孔率大小不合适，床内构件阻碍气体流动等。 消除沟流与死床的办法有：加大气速；若物料太湿，可进行预先干燥；分布板开孔率大小不合适时，可应用小型试验进行检验确定。 (2)腾涌 流化床内的气泡汇合长大，当其直径接近床层直径时，把以上的颗粒物料像活塞一样向上托起，达到一定高度以后崩裂，颗粒被抛出很高，然后纷纷落下。这种现象称为“腾涌”，又称活塞流等，见图 (c)所示。

29、产生腾涌时，床层压降剧烈波动。此时床层极不均匀，传质传热很难进行，固体颗粒严重磨损和带出，设备零件被冲击而损坏。 颗粒性质、床层高度和气速等，都会引发腾涌产生，例如，床高H0与床径D之比值H0/D较大时，大颗粒比小颗粒更易产生腾涌；H0/D较大而气速又较高，也易产生此现象，一般当H0/D1m)以及床层内加设内部构件等，均可防止腾涌。 (3)层析现象 在气固系统中，往往因为固体颗粒大小相差较大或密度不同，在操作过程中会产生层析现象。如卧式沸腾干燥箱的操作过程中，细颗粒或粉末状的物料被气体带出，一般中等颗粒的物料能逐渐向卸料口接近而卸出，而大颗粒的物料由于层析现象沉降于床层底部，造成无法流化或结疤

30、现象。在生产中经常有此现象，最后用人工取出。装有往复推料器时能全部自动出料，避免了此现象的发生 29. 流化床干燥中的返料 在流化床干燥中料液一边雾化，一边加入晶核，在操作上称为返料，开始操作时必须预先在干燥器内加入一定量的晶核才能喷入料液，以防止喷入的料液黏壁。加入晶核颗粒大小与产品粒度有关，晶核大者，产品颗粒大，返料量小时，则产品颗粒大，因此，可用调节返料量来控制床层的粒度分布。 30. 试述超临界流体萃取的工作原理 超临界流体的密度接近于液体，密度越大，溶解能力越高。而其粘度接近于气体，自扩散系数比液体大约100倍。这说明超临界流体具有接近液体的密度和类似液体的溶解能力，具有接近气体的粘

31、度和扩散速度。这就意味着超临界流体有很高的传质速率和很快达到萃取平衡的能力，这就是超临界流体萃取比溶液萃取分离效果好的主要原因。 在超临界状态下，将超临界流体与待分离的物质接触，使其有选择性地依次把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分萃取出来。并且超临界流体的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加,极性增大,利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。当然，对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的，但可以通过控制条件得到最佳比例的混合成分，然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体，被萃取物质则自动完全或基本析出，从而达到分离提纯的目的，并将萃取分离两过程合为一体，这就是超临界流体

32、萃取分离的基本原理。 3 31试述分子蒸馏的基本原理 从分子运动平均自由程的公式可以看出，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，其平均自由程也不相同。 分子蒸馏技术是利用不同种类分子逸出液面后平均自由程不同的性质实现的。在一个高真空的设备中，放置一个加热面和一个冷凝面，加热面冷凝面之间的距离小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程。混合液从加热面上过并被加热获得能量，轻分子的平均自由程大，可以不与其他分子碰撞，直接到达冷凝面而被捕集、冷凝，从而破坏了轻分子的动态平衡，混合液中的轻分子不断逸出，并在冷凝面上被捕集、冷凝，而重分子的平均自由程小，因达不到冷凝面而很快趋于动态平衡，不再从混合液

33、中逸出，而在原来液面并被收集，这样，便达到了混合物分离的目的。 三.计算题 3351 一台连续灭菌设备，培养基流量 Q = 18 Mh，发酵罐装料容积 72 M ，培养基的原始污染程度为 10 个ml，发酵工艺要求因培养基灭菌原-3-1因引起的倒罐率为0.1%，即 N= 10个批，灭菌温度 T = 398 K，查图得此时的反应速度常数为 k=11 分，维持段采用无缝钢管公称直径 Dg s= 150 mm 。试求培养基连续灭菌过程中维持时间以及维持管的长度 L 约需多少。 2某丙酮丁醇厂需新建 100 M43丙酮丁醇发酵罐,已计算出主发酵期生物合成热 Q1 =410335kj/h,蒸发热损失Q2

34、 为Q1 的 5%,查有关资料可知罐向周围环境散失的热损失 Q3 =1.210kj/h,醪液的比重为=1.08210 kg/M，发酵温度为 30 ，冷却水进口温度为 20 ，出水温度为 25 ，冷却水的平均比热 Cp=4.186 kj/(kg.),罐内采用蛇管冷却,冷却蛇管为水煤管,其规格为 53/60 (mm),壁厚3.5mm，其导热系数=188 kj/(M.h.),根据生产经验数据可取传热系数1和2分别为2700 kj/(M却水耗量。 解:1. 总的热量Q=410 2. 冷却水耗量 W =C52.h.)和 1.451054kj/(M2 .h.),另外管壁水垢层的热阻取 1/16750 M5

35、2 .h./kj,试求发酵罐冷却面积、蛇管总长度和冷-5%410Q-1.21054 =3.6810 (kJ/h) 3.6810p(t2-t1)=4.186(25-20)= 17600 (kg/h) (tF-t1)-(tF-t2)2.303lgtF-t1tF-t2 3. 对数平均温度差 t11m= 7.2 () +1167501S+116750 4. K =+112+1= 2700+114500+0.0035188 = 1931 kJ/(M2Q h) 3.6810m5 5. 冷却面积 F =KDt=19317.2 = 26.5 M答:._ 3 设计一台通风量为50M32/min的棉花活性炭空气过

36、滤器， 空气压力为 0.4 MPa(绝对压力)，已知棉花纤维直径 d=16 微米，填充系数= 8%，空气线速度为 30.1 M/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 100 hr。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= 8% 时棉花纤维的K值 0.05 0.10 0.50 空气流速 v0 (M/sec) k (1/cm) 0.193 0.135 0.1 解： 查表： 当v0= 0.1 M/sec 时,K=0.135 Nlg21.0

37、0.195 2.0 1.32 3.0 2.55 N1=-kLN1= 50005060100 = 1.510N2= 10lgNL=9-32-12.18-0.135N1=90.2(cm)-k=P1 = 0.1 MPa P2= 0.4 MPa V1= 50 M/min = 0.83 M由气态方程得： PTV2=V112=0.22(MP2T1333/sec /sec)D=4V2pVS=40.223.140.1=1.67答: 该空气过滤器的过滤介质厚度为 90.2 cm ,过滤器直径为 1.67 M. 生物工程设备复习资料 1、磁力除铁器的作用：利用磁性除去原料中的含铁杂质。 2、振动筛的结构、工作原理

38、：P5图1-3。 3、常见精选机的类型及工作原理： 碟片式精选机：在金属碟片的平面上制出许多袋形的凹孔，碟片在粮堆中运动时，短小的颗粒嵌入袋孔被带到较高的位置才会落下，把收集短粒的斜槽放在适当的位置上，就能将短粒分出来。 4 滚筒式精选机：袋孔开在筛转圆管的内表面，长粒大麦依靠进料位差和利用滚筒本身的倾斜度，沿滚筒长度方向流动由另一端流出，而短粒大麦嵌入袋孔的位置较深，被带到较高位置而落入中央槽之中有螺旋输送机送出。 4、机械粉碎的工作原理组要有以下几种：挤压粉碎、冲击粉碎、磨碎、劈碎、剪碎 5、锤式粉碎机的主要结构和工作原理： 主要结构：轴、转？、锤刀、栅栏、抽风机 主要原理：轴转动带动安装

39、在轴上的锤刀作圆周运动，从而锤碎筛面上的原料，筛面控制粉碎程度。进料筛板控制进料的粒度。 辊式粉碎机的主要结构和工作原理： 主要结构：辊筒、传动装置、机架、滚动轴承等等 主要原理：工作时，两个平行的辊筒相对旋转，物料由于辊筒对物料的摩擦作用而被托入两辊筒间的间隙中被粉碎。两辊式、四辊式、五辊式、六辊式粉碎机的原理类似。 球磨机的主要结构和工作原理： 主要结构：筒体、端盖、轴承、齿圈 主要原理：球磨机筒体内装有研磨体。筒体回转时，其中的物料与研磨体在摩擦力作用下，贴在筒体壁上与筒体一起回转。当提升到一定高度后，由于重力作用，研磨体发生自由卸落或抛落现象，从而对筒内物料造成冲击、研磨和挤压，物料逐

40、渐被粉碎。达到研磨要求后，将物料由筒内排出。 6、生物质原料混合设备的种类：回旋型混合机；固定型混合机 7、常见连续灭菌流程： 连消塔-喷淋冷却流程：配好的培养基用泵打入连消塔与蒸汽直接混合，达到灭菌温度后进入维持罐，维持一定时间后经喷淋冷却器冷却至一定温度后进入发酵罐。主要设备：配料预热罐、连消塔、维持罐。P20图2-4 喷射加热-真空冷却连续灭菌流程：培养基用泵打入喷射加热器，以较高的速度至喷嘴喷出，借高速流体的抽吸作用与蒸汽混合后进入管道维持器，经一定时间后通过一膨胀阀进入真空急骤蒸发室，因真空作用使水分急骤蒸发而冷却至70-80左右，再进入发酵罐冷却至接种温度。主要设备：喷射加热器、维

41、持管、膨胀阀、真空急骤蒸发室。P21图2-5 板式换热器灭菌流程：采用了板式换热器作为培养液的加热和冷却器，培养液在设备中同时完成预热、灭菌及冷却过程。加热段使培养液的温度升高，经维持段保温一段时间，然后在板式换热器的水冷却段冷却，从而是培养液的预热、加热、灭菌及冷却过程可在同一设备内完成。P21图2-6 8、连续蒸煮糖化的工艺流程：P25图2-12 9、连续蒸煮糖化设备有罐式、管式和柱式三中形式。 10、糖蜜稀释器的主要结构形式：水平式、立式、错板式、胀缩式、变管径式、间歇式。 11、糖蜜原料的澄清方法：加酸通用处理法、加热加酸沉淀法、絮凝剂澄清处理法。 12、麦芽汁的制备流程？主要设备的结

42、构及工作原理： 糊化锅、糖化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅、糖化醪过滤槽 详见P37-41 13、固体培养基制备的主要设备有：粉碎设备、润水设备、混合设备、蒸煮灭菌设备、冷却设备等。 14一个良好的生物反应器应满足的要求：结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；有良好的气、液、固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。 15、生物反应器的分类： 按几何形状或结构特征来划分：釜式、管式、塔式、膜式

43、；按催化剂类型或培养对象分：酶促反应器、微生物培养发酵罐、植物细胞反应器、动物反应器； 按供氧分，有好氧和厌氧之别；根据反应器所需的混合与能量输入方式分：搅拌式、气升式发酵罐、喷射环流式发酵罐；根据反应器的操作方式可分为：间歇式生物反应器、连续式生物反应器和半连续式生物反应器；根据生物催化剂在反应器中的分布方式可分为：生物团块反应器和膜生物反应器；根据反应物系在反应器内的流动和混合状态进行分类：全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。 16、机械搅拌通风发酵罐结构：P59图4-1 17、机械搅拌式生物反应器的搅拌器和挡板的主要作用；搅拌器作用，混合和传质；挡板的作用，防止液面中央形成漩涡流动，

44、增强湍动和溶氧传质。 18、轴封的类型：填料函密封和机械密封；消泡装置的类型：罐内消泡装置、罐外消泡装置；通气装置类型:单孔管、多孔环形管。 19、带升式生物反应器的结构和特点：结构P67图4-8；特点：结构简单，冷却面积较小；不需要搅拌设备，节省动力约50%；装料系数达80%-90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌污染。 20、酒精发酵罐的结构，P109图4-50 、罐体、换热装置 对于中小型发酵罐，多采用灌顶喷淋水于罐外壁面进行膜状冷却；对于大型发酵罐罐内装有装有冷却蛇管和罐外壁喷洒；联合冷却装置；为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有积水槽。、洗涤装置 水力喷射洗涤装置

45、，由水平喷水管和垂直喷射管组成，采用高压强的水力，并以较大速度喷射至罐壁各处。 21、啤酒发酵设备中前后发酵设备的目的有何不同？前后发酵设备的工作原理各是什么？ 22、啤酒大容量发酵罐 圆筒体锥底罐的主要结构和设备特点：罐的上部设有入孔、视镜、安全阀、压力表、二氧化碳排出口，如果采用二氧化碳为背压，为了避免用碱液清洗时形成负压，可以设置真空阀，锥体上部中央设不锈钢可旋转洗涤喷射器；特点：采用的管径小，生产费用低。 大直径露天储酒罐的主要结构和设备特点：自动洗涤装置、浮球、冷却夹套、可移动滤酒管、入孔、Co2喷射环、酒液排出阀、酵母排出阀；特点：冷却系统的冷却面积小，安全基础较简单，表面积与容积

46、之比较小，罐的造价较低。 朝日罐的主要结构和设备特点：朝日罐为一罐底倾斜的平底柱形罐，两段冷却夹套可转动的不锈钢出酒管；特点：利用离心机回收酵母，利用薄板换热器控制发酵温度，利用循环泵把发酵液抽出又送回去。 23、固态发酵的特点：固态发酵又称固体发酵，是指微生物在湿的固体培养基上生长、繁殖、代谢的发酵过程。在固态发酵中，细菌或酵母菌附着于固体培养基颗粒的表面生长，而丝状菌可以穿透固体颗粒基质，进入颗粒深层生长。在固态培养中，微生是在接近自然条件的状况下生长的，有可能产生一些通常在液体培养中不产生的酶和其他代谢物；固态发酵常涉及气、固、液三相，使情况变得非常复杂，固态发酵的气体传递速率比液体发酵

47、高得多；固态发酵是非均相反应，测定和控制都非常困难。 24、固态发酵的生物反应器可归类为六种形式：填充床生物反应器、流化床生物反应器、转鼓式生物反应器、浅盘式生物反应器、搅拌和压力脉冲固态发酵生物反应器。 25、浅盘式生物反应器的结构：P118图4-58；转鼓式生物反应器的结构：P122图4-62 26、什么是生物反应器的放大？生物反应器的放大是指将研究设备中的优化的培养结果转移到高一级设备中加以重演的技术，实际上也兼具有生物反应过程放大的含义。 27、常见的放大方法：经验放大法和其他放大方法。 28、高速珠磨机的结构和工作原理：结构，珠液分离器、搅拌电动机、搅拌桨、玻璃珠、冷却液进出口；原理，将进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃珠一起搅拌，由于研磨作用，使细胞破碎，释放内含物。 5 高压匀浆器的结构和工作原理：结构，正向排代泵、排出阀；原理，细胞浆液通过止逆阀进入泵内，利用高压使其