生物工程设备重点总结
1、生物反应器（Bioreactor）——为适应生物反应的特点而设计的反应装置
2、生物反应器与化学反应器在使用中的主要不同点是：
书本上答案：
（1）生物（酶除外）反应都以“自催化”方式进行，即在目的产物生成的过程中生物自身生长繁育。
（2）生物反应速率较慢，生物反应器的体积反应速率不高，与其他相当生产规模的加工过程相比，所需反应器体积大。
PPT上答案：
①生物反应中存在活细胞，在反应中可将他们视为催化剂
②由于细胞是生长着的，它对营养有一定的要求，使参与反应的成分很多
③生物反应的途径通常不是单一的，反应过程往往也伴随着生成代谢产物的反应，它受许多环境因素的影响
3、生物反应器的作用：
为生物体代谢提供一个优化的物理及化学环境，是生物体能更好地生长，得到更多所需的生物量或代谢产物。
4、生物反应器的目的可归纳为：
①生产细胞
②收集细胞的代谢产物
③直接用酶催化得到所要的产物
5、生物反应器的种类
①厌气生物的反应器
②通气生物的反应器
③光照生物的反应器
④膜生物反应器
6、生物反应器设计的主要目的：
（1）最大限度地降低成本
（2）用最少的投资最大限度地增加单位体积产率
7、生物反应器的设计原理是基于：
（1）强化传质、传热等操作
（2）将生物体活性控制在最佳状态
（3）降低总的操作费用
（4）稳定生物反应器内部状态（原文是生物反应器内部状态也是不可忽视的影响因素）8、厌氧生物反应器中加入惰性气体的原因：
（1）保持罐内的正压
（2）防止染菌
（3）以及提高厌氧控制水平
9、一个优良的培养装置应具有：
PPT
（1）严密的结构
（2）良好的液体混合性能
（3）高的传质和传热速率
（4）灵敏的检测和控制仪表
书本
（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐蚀性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响
（2）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
（3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗
（4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度
（5）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
10、剪切力——是单位面积流体上的切向力，剪切力的单位为N/m2或Pa。
11、剪切作用的影响
（1）剪切力对微生物的影响
①细菌
通常认为剪切力对细菌的影响较小，因为它的大小比发酵罐中常见的漩涡要小，而且有坚硬的细胞壁。
②酵母
酵母比细菌大，但仍比常见的湍流漩涡小。酵母的细胞壁也较厚，具有一定抵抗剪切力的能力，但其细胞壁上的芽痕和蒂痕对剪切力的抗性较弱。
③丝状微生物（包括霉菌和放线菌）
a、自由丝状颗粒
自由丝状颗粒导致传质困难。为增强混合和传质，需要强烈的搅拌，但高速的搅拌产生的剪切力会打断菌丝，造成机械损伤。
b、球状颗粒
如果是球状颗粒，则发酵液中黏度较低，混合和传质比较容易，但菌球中心的菌可能因为供氧困难而缺氧死亡。
搅拌会对菌球产生两种物理效果：一种是搅拌消去菌球外围的菌膜，减小粒径，另一种是使菌球破碎。这些效果主要是由于湍流漩涡剪切造成的。
c、自由菌丝体
由于剪切力会使菌丝断裂，所以需要控制搅拌强度。搅拌强度会对菌丝形态、生长和产物生成造成影响，还可能导致胞内物质的释放。
（2）剪切力对动物细胞的影响
动物细胞无细胞壁且尺寸较大，故对剪切力非常敏感。
动物细胞可分为两类：
①贴壁依赖性
剪切力对其的破坏机制是：由点到面的湍流漩涡作用及载体与载体间、载体与浆及反应器壁的碰撞造成的
②非贴壁依赖性的
剪切力对其的破坏机制是：主要是因为气泡的破碎造成的
（3）剪切力对植物细胞的影响
植物细胞因有细胞壁，所以其对剪切力的抗性比动物细胞大，但因其细胞个体相对较大，细胞壁较脆，柔韧性差，所以与微生物相比它对剪切力仍然很敏感，在高剪切力的作用下会受到损伤甚至死亡或解体。
植物细胞在培养的过程中一般会结团，结团会影响产物的释放，细胞结团的大小受到剪切力的影响。
剪切力的大小对细胞的生长也有影响，在同样的剪切力下，细胞在高浓度状态下具有较高的成活率，在细胞浓度较低时，如在反应器操作的起始阶段，剪切力应控制在低水平，以有利于培养。
剪切对次级代谢产物的生产也有影响，同时在高剪切应力下，细胞延迟期缩短，指数生长时间段也缩短。
（4）剪切对酶反应的影响
酶是一种活性蛋白，剪切力会在一定程度上破坏酶蛋白分子精巧的三维结构，影响酶的活性。
一般认为酶活性随剪切强度的增加和时间的延长而减小。在同样的搅拌时间下，酶活力的损失与叶轮尖速度呈线性关系。不同类型的叶轮对酶活性的影响有差异。
12、发酵过程中，始终保持氧从气相到液相的传递（连续）原因：
（1）发酵过程为好氧
（2）氧在水溶液中的溶解度很低
13、氧从气相到微生物细胞内部的传递可分为七个步骤：
（1）从气泡中的气相扩散通过气膜到气液界面
（2）通过气液界面
（3）从气液界面扩散通过气泡的液膜到液相主流
（4）液相溶解氧的传递
（5）从液相主流扩散通过包围细胞的液膜到达细胞表面
（6）氧通过细胞壁
（7）微生物细胞内氧的传递
14、氧传递的三种模型：
（1）双膜理论
①气液两相存在一个界面，界面两侧分别为呈层流状态的气膜和液膜
②在气膜界面上两相浓度相互平衡，界面上不存在传递阻力
③气液两相的主流中不存在氧的浓度差
④氧在两膜间的传递在定态下进行，氧在气膜和液膜间的传递速率是相等的
（2）渗透扩散理论
对双膜理论进行了修正，认为层流或静止液体中气体的吸收是非定态过程。
（3）表面更新理论
对渗透扩散理论进行修正，认为液相各微元中气液接触时间也是不等的，而液面上的各微元被其他微元置换的概率是相等的。
15、体积质量传质系数kLa
（1）定义：在单位浓度差下，单位时间、单位界面面积所吸收的气体。
kL：质量传递系数a：气液比表面积
它取决于系统的物理特性和流体力学，kLa越大，好氧生物反应器的传质性能越好。（2）影响kLa的因素：
①操作条件：通气量大，搅拌功率大，kLa大
并非通气量越大kLa就一定越大，通气量的影响有一定的限度，如果超过这一限度，搅拌器就不能有效地将空气泡分散到液体中，而在大量气泡中空转，发生“过载”现象。
搅拌功率也不是越大越好，因为过于激烈的搅拌产生很大的剪切作用，可能对所培养的细胞造成伤害。
搅拌器对物质传递的作用：
a、将通入培养液的空气分散成细小的气泡，防止小气泡的聚集，从而增大气液相的接
触面积
b、搅拌作用是培养液产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间
c、搅拌造成液体的团湍动，减小气泡外滞流液膜的厚度，从而减小传递过程的阻力
d、搅拌作用使培养液中的成分均匀分布，使细胞均匀的悬浮在液体培养液中，有利于营养物质的吸收和代谢物的分散
②液体性质的影响
液体的性质，如密度、粘度、表面张力、扩散系数等的变化，都会读kLa带来影响。
液体的粘度增大时，由于滞留液膜厚度增加，传质阻力增加，kLa减小。
③表面活性剂
培养液中，消沫用的油脂等是具有亲水端和疏水端的表面活性物质，它们分布在气液界面，增大传递阻力，使kLa下降。
④离子强度
⑤细胞
16、kLa的测量（3种，但是PPT上亚硫酸盐一种）
（1）亚硫酸盐法——冷态测定法
原理：利用亚硫酸钠在铜离子或钴离子的催化下与氧发生快速反应进行测定。
（2）动态法——热态测定
原理：氧的物料衡算
（3）定态法
原理：同上
17、混合机理
（1）总体流动：将两种不同的液体置于搅拌釜中，启动搅拌器，斧中形成一个循环流动。（2）大尺度混合机理：
在总体流动的作用下，其中一种流体被分散成一定尺寸的液团并由总体流动带至容器各处，造成大尺度上的均匀混合。
（3）小尺度混合机理
①互溶液体的混合机理
总体流动中高速旋转的漩涡与液体微团之间会产生很大的相对运动和剪切力，液团在这种剪切力的作用下被破碎得更小。
②不互溶液体的混合机理
两种不互溶液体搅拌时，其中必有一种液体被破碎成液滴，为分散相，另一种液体成为连续相。
当总体流动处于高度湍流状态时，存在着方向迅速变换的湍流脉动，液滴不能跟随这种脉动而产生相对速度很大的绕流运动。产生的不均匀压强分布和表面剪应力将液滴压扁并扯碎。
18、（1）宏观流体：
即流体中分子聚集成团块流体，这些流体粒子之间不发生任何物质交换，各个粒子都是孤立的、各不相干的，他们之间不产生混合。
特征：完全离析
（2）微观流体
即流体中的分子不与邻近的分子附着而独立运动，此时物料粒子之间所发生的混合是在分子尺度上进行的。
特征：部分离析
19、机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一原因：
历史悠久，资料齐全，在比例放大方面积累了丰富的成功的经验，成功率高
20、原理：
利用搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，以提供微生物繁殖、发酵所需的氧气。21、通气搅拌罐的优缺点：
优点：
（1）pH和温度容易控制
（2）尺寸放大的方法大致已确定
（3）适用于连续搅拌反应器系统CSTR等。
缺点：
（1）搅拌功率消耗大
（2）因罐内结构复杂，不易清洗干净，易被杂菌污染。此外，虽装有无菌密封装置，但在轴承处还会发生杂菌污染。
（3）培养丝状菌时，常因搅拌桨叶的剪切力致使菌丝易被切断，细胞易受损伤。
22、发酵罐的基本条件：
（1）发酵罐应具有适宜的径高比H/D为1.7~4 罐身越长，氧利用率较高
（2）发酵罐能承受一定的压力
（3）能使气液充分混合，保证必须的溶解氧
（4）应具备足够的冷却面积
（5）应尽量减少死伤
（6）搅拌器的轴封要严密，尽量减少泄漏
23、搅拌器和挡板
搅拌器作用：混合和传质
挡板作用：防止液面中央形成漩涡流动
24、发酵罐为什么要采用涡轮式搅拌器?
发酵罐中气体的分散是属小尺度的混合,在高速旋转的旋涡与气泡之间会产生很大的相对运动和剪切力，气泡正是在这种剪切力的作用下而被破碎得更加细小。但旋桨式搅拌器产生的总体流动只能将气泡破碎成较大的气泡但不能将气泡破碎到很小尺寸。
在涡轮式搅拌器中，液体作切向和径向运动，出口液体的径向分速度使液体流向壁面，然后分上下两路回流入搅拌器。它的出口的绝对速度很大，桨叶外缘附近造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力，可将通入气泡分散得更细，更利于提高溶氧传质系数。所以，在通气发酵罐中都采用涡轮式搅拌器。
26、在发酵罐中为什么要选用带圆盘的涡轮式搅拌器
带圆盘和未带圆盘的涡轮搅拌器在搅拌特性上差异甚微。但在通气发酵中，无菌空气往往采用单口朝下通至搅拌器下方，大的气泡因受到圆盘阻挡，避免了从轴部的叶片空隙逃逸，保证了气泡更好的分散而被利用。
26、如何选择涡轮搅拌器的叶型
在相同转速和桨叶直径等情况下比较，箭叶圆盘式涡轮搅拌器所产生的剪切应力小于弯叶、平叶，但混合效果大于后两种型式，输出功率也低于后两种；平叶涡轮搅拌器所产生的剪切应力大于箭叶和弯叶，但混合效果却小于箭叶和弯叶，输出功率为最大；弯叶涡轮搅拌器所产生剪切应力、混合效果及输出功率介乎两者之间。
27、为什么采用下伸搅拌轴比上悬轴为好？
下伸搅拌轴：重心低、噪音小、罐顶负荷小，轴的长度缩短，罐稳定性好。但对轴封要求更严格，一般采用双端面轴封，同时料液中的固含物易掉入轴封引起磨损渗漏。
27、挡板
（1）作用：防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻动，提高溶解氧。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。
（2）全挡板条件——在一定转速下，再在搅拌罐内增加挡板或其他附件，搅拌功率仍保持不变而漩涡基本消失。能达到消除液面漩涡的最低条件即全挡板条件。
（3）挡板为什么不能紧贴焊在壁面？
挡板不能紧贴焊在壁面，否则会造成发酵培养基的残渣堆积于挡板背侧形成死角，应留有空隙。
28、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）填料函式轴封缺点：
①死角多，很难彻底灭菌，容易泄漏及染菌
②轴的磨损情况较严重
③填料压紧的摩擦功率消耗大
④寿命短，经常维修，耗工时多
（2）端面式轴封优点：
①清洁
②密封可靠，在一个较长使用期中，不会泄漏或很少泄漏
③无死角
④寿命长
⑤磨擦功率耗损小，一般为填料轴封的10-50％
⑥轴或轴套不会磨损
⑦对轴的精度和光洁度没有填料函轴封严格，对轴的震动敏感性小
（3）对动静环材料的要求：
具耐磨性，磨擦系数小，导热性能好，结构紧密，孔隙率小，且动环硬度比静环大。动环用硬质合金制成，一般为高硅铸铁、不锈钢、青铜、金属碳化钨。静环用软质耐磨性材料制成，不透性石墨，聚四氟乙烯。
29、空气分布器的安装要注意些什么？
单孔管分布器：管口对正罐底，管口与罐底距离约为40--50mm。罐底要设有加强板，以防压缩空气长期吹射下穿孔。（但要注意加强板底下藏料）
多孔环形分布器：直径一般为搅拌桨叶直径的0.8倍，分布器中心应正对搅拌轴中心，并应水平设置。空气喷孔应在搅拌叶轮叶片内边之下，同时喷气孔应向下以尽可能减少培养液在环形分布管上滞留。环形管式喷孔直径一般取2－5mm，喷孔总面积等于空气分布管截面积。对机械搅拌通风发酵罐，分布管内空气流速为20m/s。
30、消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。
31、联轴器
大型发酵罐搅拌轴较长，为了加工和安装的方便，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。
33、影响溶氧的因素（PPT上的没法写，这个我不知道怎么弄）
（1）持气率（Gas Holdup）是气液传质的重要参数。
（2）通气速率
33、“溢流”（气泛）
（1）定义：当通气速率较高时，而搅拌叶轮直径较小且转速较低时，会出现搅拌器对流体
流动和气体分散均基本无影响的情况。
（2）产生的原因：空气气泡包围了搅拌桨叶，大量的大气泡不能被搅拌叶粉碎并与发酵液混合，大气泡迅速走短路，逸出发酵液。
34、在发酵上采用低搅拌功率消耗、高通气量还是高搅拌功率消耗、低通气量更为合理？
高搅拌功率消耗、低通气量法是加强搅拌过程中的剪切应力和翻动量，来提高氧的传递和料液混合。同时避免了高通气量引起搅拌功率下降、泡沫大，装料系数小，培养基蒸发量大等缺点。另外，每得到1m3空气/min的电力消耗为5KW，所以采用高搅拌功率消耗、低通气量法总功率并没增加，反而略有下降。因而更合理。
35、发酵罐采用夹套传热时，应如何接管？
冷却水：下进上出
蒸汽：上进下出（接反，则造成冷凝水积留在夹套中，降低热源温度，而且蒸汽冲入冷凝水形成很大冲击噪声）
36、立式蛇管在使用上有什么优点？
大于5m3发酵罐一般采用蛇管传热，它的形式有盘式和立式两种。盘式蛇管的安装和更换不便，要割开传热管才能从人孔中进出，如整体安装和更换，就要割开发酵罐发酵罐。而立式蛇管可以用灌顶的人孔口将其吊进和吊出，便于维修和更换。并在发酵罐内能起一定的挡板作用（但立式蛇管的管间空隙较大，难以完全消除液体的圆周运动和液面下凹现象）37、为什么发酵罐中各组立式蛇管要采用罐外围管并联连接？
由于发酵罐的立式蛇管根据罐的体积大小，传热面积量，一般分设4-8组，为了便于操作，减少接管和阀门，采用各组立式蛇管的进口与出口分别并联接于罐外围管。进口管接于下围管，出口接于上围管。
38、立式蛇管在发酵罐内如何安装？
在安装立式蛇管时，它的底部与发酵罐的下封头线平，顶部必须浸没于发酵液中，每组蛇管一般由4-5圈冷却管组成，蛇管离罐璧约10mm，用夹板把各圈管子夹紧，固定放在罐璧的托架上。
为防止蛇管的腐蚀穿孔造成染菌（需经常检漏），并延长蛇管使用寿命，立式蛇管可采用不锈钢管，管径通常为Dg25—80。
气升式发酵罐
1.气升式发酵罐：利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和传递氧。
2.气升式发酵罐工作原理：把无菌空气通过喷嘴式喷孔射进发酵罐中，通过气液混和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和物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
5.气升环式反应器特点： 反应溶液分布均匀；
○
2较高的溶氧速率和溶氧效率； ○
3剪切力小； ○
4传热良好，还可在外循环管路上加换热器； ○
5结构简单，易于加工制造； ○
6操作和维修方便。 6.反应器高径比H/D5—9，放大设计以溶氧为主。
7.
气含率：气含率太低，氧传递不够，反之，太高则反应器的利用率太低。
8.
9.体积氧传递速率系数：K L a
10.通常液体在循环管内的流速可取1.2-1.4m/s;
流速太大：溶氧剧烈，但操作成本增大；流速过小：溶氧微元无法保证。
11.空气自通气管(2)进入发酵罐(1)底部后，经导向筒导向，推动发酵液沿上升管上升，由于发酵罐上部升管的空间不足以为完全气液分离提供条件(停留时间短)，因此高流速的循环发酵液凭借自身的重度沿降管下降，当到达拉力筒(3)底部时，又受到来自罐底部压缩空气的推动，重新沿升管上升，开始下一个气液混合循环过程。在循环过程中，气液达到必要的混合、搅拌并取得充分溶氧。夹套冷却器的作用是在不同发酵阶段对发酵液的温度实施合乎工艺要求的调节与控制，多孔板使布气均匀一致。
图6-5 内循环气升式发酵罐结构布置示意图1-发酵罐罐体 2-通气管 3-拉力筒 4-导向筒 5-夹套冷却器 6-多孔板 7-检测器接口
5
12.一般来说相同条件下，通气功率越大，供氧速率越大，供氧功率因数越小。
自吸式发酵罐
1.自吸式发酵罐：不需空压机提供加压空气，而靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现搅拌与溶氧传质的发酵罐。
2.自吸式发酵罐的特点：
○
1不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积。 L G G
V V V +=
ε平均体积气含率：