生物制药设备

1 第一章 流体测量技术

1.绝对压强：容器内压强的真实值称为绝对压强，用P绝表示；

表压强：用压力计测出容器内的压强值称为表压强，用P表表示，P表是容器内的真实压强值扣除当地大气压强值后的读数，P绝=P0+P表；

真空度：如果当地大气压强大于容器内绝对压强，则两者之间的差值称为容器的真空度。P真=P0-P绝。

2.流体静力学基本方程式：对液体，∆P=P1-P2=（ρA-ρB）Rg；对气体：∆P=ρA*gh

3.不锈钢管型号的表示方法：Φ108mm×4mm表示：钢管外径108mm，壁厚4mm，内径100mm。

4.气动隔膜阀的优点：减少了药液被污染的机会，广泛应用于生物制药流体输送。

5.雷诺准数：Re=duρ/μ；层流Re≤2000；过渡流2000≤Re≤4000；湍流Re≥4000，药品生产过程中，流体的输送是湍流。

第二章 流体输送机械

1.气体输送设备：通风机、鼓风机、压缩机、真空泵。

2.离心泵工作原理：液体随叶轮旋转在离心力作用下沿叶片间通道向外缘运动，速度增加、机械能提高。液体离开叶轮进入蜗壳，蜗壳流道逐渐扩大、 流体速度减慢，液体动能转换为静压能，压强不断升高，最后沿切向流出蜗壳通过排出导管输入管路系统。离心泵由泵壳、叶轮、轴封三大部件组成。

2. 轴封：旋转的泵轴与固定的泵壳之间的密封。作用：防止高压液体沿轴漏出或外界空气漏入。 常见有填料密封和机械密封两种。

3.气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。

4.导轮的作用：减少能量损失。

5.设计点：效率曲线最高点称为（设计点），设计点对应的流量、压头和轴功率称为（额定流量、额定压头和额定轴功率），标注在泵的铭牌上。离心泵在（额定流量）下工作最经济。一般将最高效率值的（92%的范围称为泵的高效区，泵应尽量在该范围内操作。

6.离心泵并联：同一压头下，并联泵的流量为单泵流量的两倍，据此作出合成特性曲线。并联泵的流量大于一台单泵的流量，小于两台单泵的流量 。V单

7.离心泵串联：同一流量下，串联泵的压头为单泵压头的两倍，据此作出串联泵合成特性曲线。串联泵的流量大于一台单泵的流量，小于两台单泵的流量。V单

8.并串联的选择：高阻管路：串联泵。低阻管路：并联泵。

9.离心泵的选用：①根据被输送液体的理化性质和操作条件，确定类型；②根据管路系统对流量和养成提出的要求，从泵的样本产品目录或系列特征性曲线选出合适的型号。在选定型号时，要留有余地，即所选型号提供的扬程、流量、效率等参数要适当大一些。当有几种型号都能满足要求时选择效率最大的离心泵。③选好型号后，要列出泵的有关性能参数和转速。④若被输送液体的密度大于水的密度，则要核算泵的轴功率是否符合要求。

9.气蚀现象：当泵内某点的压强低至液体饱和蒸汽压时部分液体将汽化，产生的汽泡被液流带入叶轮内压力较高处再凝聚。由于凝聚点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击。瞬间压力可高达数十个MPa，众多的水击点上水击频率可高达数十kHz，且水击能量瞬时转化为热量，水击点局部瞬时温度可达230℃以上。

防止措施：把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点处的静压超过工作温度下被输送液体的饱和蒸汽压 pv。

10.隔膜泵：由于流体在泵缸内不与动力机械接触，因而（避免）了流体被动力机械的润滑油（污染）的情况，而隔膜具有（弹性），因而流体中有颗粒时（不会产生堵塞现象），所以隔膜泵能用于（多种性质的流体输送），如能输送强酸强碱、易燃易爆、有毒有害、强腐蚀性流体，也能用于（卫生输送过程），如发酵液、糖浆、糖蜜、花生酱、泡菜、土豆泥、小红肠、果酱、巧克力等的输送。

11.把常见的气体输送机械分为（通风机、鼓风机、压缩机、真空泵）等四种基础类型。

12.（往复泵、旋转泵、旋涡泵、齿轮泵）等都不同于离心泵，是（正位移泵）。所有的正位移泵在启动时不能关闭出口阀，以免泵内压力过大而损坏泵体，因此常在其出口处设计了出口旁路，以避免因出口阀抱死而发生事故。

13.（循环水真空泵和悬片式真空泵)都是利用了空间的扩张和收缩而达到抽气的目的，(水力喷射泵)则是利用水高速流动产生真空达到抽气目的。

14.(傅元叶定律)是热传导的基本定律；（牛顿冷却定律）是对流传热的基本定律。

1 第三章 空气净化除菌与调节设备

1. 空气净化除菌方法：热杀菌、辐射杀菌（超声波杀菌、X射线杀菌、β射线杀菌、γ射线杀菌、紫外线杀菌）、静电除菌、过滤除菌。原理：1）惯性冲击滞留作用机理，当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时，空气受阻即改变运动方向，绕过纤维前进。而微粒由于它的运动惯性较大，未能及时改变运动方向，直冲到纤维表面，由于摩擦黏附，微粒就滞留在纤维表面；2）拦截滞留作用机理，当微生物等微粒随低速气流慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流受纤维所阻而改变流动方向，绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流区。滞留区的气流速度更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留；3）布朗扩散作用机理，布朗扩散的运动距离很短，在较大的气速或较大的纤维间隙中是不起作用的，但在很小的气流速度和较小的纤维间隙中却能使微粒靠近纤维而被黏附；4）重力沉降作用机理，重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就沉降；5）静电吸附作用机理，悬浮在空气中的微生物微粒或由于本身带有不同的电荷、或由于产生的诱导电荷，使它们随气流通过介质表面时，受带异性电荷的介质所吸引而沉降。当空气流过介质时，惯性撞击、拦截、布朗扩散、重力沉降和静电吸附这五种机理同时在起作用。

2.无菌空气：通过除菌处理使空气中含菌量降低到0或极低，从而使污染的可能降到最小。洁净区等级判断：级别↑，洁净度↓。

3.除菌原理：①布朗运动机理②重力沉降③静电荷吸附④惯性撞击⑤拦截机理。

4.空气净化原理：通过过滤出去尘埃即可取出空气中的微生物，水分/油滴是微生物的载体。

5.辐射杀菌最常用：紫外线杀菌）；过滤除菌是目前最常用最经济的手段之一。

6.高效过滤器的特点：效率高，阻力大，不能再生，一般2~3年更换一次，安装时正反方向不能倒装。

7.制药企业采用离心分离法净制空气的设备是：（旋风分离器）。

8.空气过滤除菌流程：中效空气净化流程：新风→初效→中效/亚高效→洁净室→排风，洁净室→回风→初效。高效：新风→初效→中效→高效→洁净室→排风，洁净室→回风→初效。送至洁净室的新风中，新风占总送风量25%，回风占25%。

第四章 换热设备

1.根据不同的使用目的可将换热器分为：（蒸发器、加热器、冷凝器、冷却器）。

2.傅立叶定律：在一质量均匀、理化性质稳定的固体内进行热传导时，传热速率与温度梯度以及垂直于热流方向的表面积成正比。

3.衡量换热器好坏的标准是（传热速率、热通量）。传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构合理，安全可靠，节省材料，成本低，制造、安装、检修方便。

4.换热设备的类型：按使用目的分类——冷却器 、冷凝器、加热器、换热器 、再沸器、蒸气发生器、废热(或余热)锅炉，按传热原理和实现热交换形式不同分类—— 直接接触式换热器、蓄热式换热器、 间壁式换热器 及液态载体的间接式换热器。换热器选型应考虑的因素：流体的性质，换热介质的流量、操作温度、压力。

5.平板式换热器由于金属薄板上有大量的凹凸波纹，不仅加强了金属薄板的机械强度，而且还提高了流体的湍流程度，增加了传热面积，强化了传热效果，因此，板式换热器被广泛地应用于快速升温或快速降温的换热过程中。

6.列管式换热器：①固定管板式换热器适合于壳程中输送较为清洁且不易结垢或腐蚀性小的流体。本设备结构简单、造价低廉、应用较广，但清洗和维修较困难。②U形管换热器：管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢，而管程介质清洁不易结垢以及高温、高压、腐蚀性强的场合。③浮头式换热器适用于壳体和管束温差较大或壳程介质易结垢的条件。

7.板式换热器：①螺旋板式换热器适用于混悬液和粘稠流体的热交换过程。②板翅式换热器适合于低温或超低温条件下的换热过程。③夹套式换热器适用于反应釜、提取罐、发酵罐、蒸馏器等设备中。④平板式换热器应用于快速升温或快速降温的换热过程中。

8.增大传热平均温度差：在工艺规定的条件范围内，可改变冷、热流体的相对运动来增大传热平均温度差。通常采用逆流流动可增大其数值。

9.提高换热器传热效率：①增大传热平均温度差②提高总传热系数（a净化循环水b增强湍流c清洗设备）

第五章 生物反应器

1.分批培养中的cell的生长过程可分为6个阶段：停滞期、加速生长期、指数生长期、减速生长期、平衡生长期、负生长期。接种后，细胞需要适应环境后才开始加速生长，随后增长速度不断加快，以指数的数量关系扩大繁殖。但随着时间的延长，容器内新生细胞增多，细胞的增长速度逐渐降低。并且部分细胞死亡，扩大繁殖速度

1 减小，死亡速度增大，死亡与生长速度达到平衡。随后死亡速度不断加快，打破平衡后成为负增长，直至培养过程结束。

2.影响生物反应的因素：环境温度、酸碱度、营养物质浓度、氧气浓度、二氧化碳浓度、机械尺寸、流体湍流程度、细胞的生长浓度、产物的生成速度等 。

3.双膜理论 ：气液界面上的传质阻力主要集中在气膜和液膜的滞流底层，滞流底层越厚阻力越大，液体的黏度越大，滞流底层越厚，传质阻力也越大 。

4.生物反应器分类：按反应器内有机体种类分：微生物、植物细胞、动物细胞、酶反应器等；按结垢特征划分：罐式、管式、塔式、膜式反应器；按是否通氧划分：通风发酵设备、嫌气发酵设备。（作用）：是连接上有生物加工过程和下游生物加工过程的桥梁，是上有生物工程产品最终转化成末端产品的中心枢纽，是实现产品工业化生产的关键设备。

5.提高氧气传递速度的途有效径：（破坏滞流底层，降低液体粘度）。具体措施有：（1）增强搅拌 ，机械搅拌可以增加反应液的湍流程度，促使分散的气泡变得更小、分布更均匀，减少液膜厚度、降低传质阻力；增强搅拌还可增加气液接触面积，延长气泡在反应液中的停留时间。（2）提高通气速率，通气量越大，反应液中的气泡就越多，溶解氧的浓度就越高。通气能起到一定的搅拌效果。（3）控制反应液体积 ，在同样搅拌强度下，反应液体积增大，会降低搅拌的效果 。（4）改善反应液的性质 ，反应液的黏度影响液膜的表面张力，进而影响液体中气泡合并的难易度。

5.蒸汽灭菌原理

：蒸汽能深入到液体内部，并迅速穿透细胞壁，使细胞整体升温，致使细胞内蛋白质凝固失去生物活性，从而终止了细胞的新陈代谢过程。

6.高压蒸汽灭菌锅注意事项及维护：1） 在设备使用过程中，应对安全阀加以维修和检查，当设备闲置较长时间重新使用时应扳动安全阀上的小扳手，检查阀心是否灵活，防止弹簧因生锈影响安全阀跳起。同时设备工作时，当压力超过0.165Mpa时，安全阀不开启，应立即关闭电源，打开放气阀旋钮，当压力回到0时，稍等1-2min，在打开容器盖并及时更换安全阀。2）压力表应定期检查，保证安全使用，若压力表指示不稳或不能恢复到0时，应及时检修或更换。3）橡胶密封圈易老化变形，如有发现应及时更换。发现螺丝，螺母松动应及时加固。4 ）堆放灭菌物品时，严禁堵塞安全阀的出气孔，必须留有空间保证其畅通放气。5） 每次使用前必须检查外桶内水量是否保持在灭菌桶搁脚处。6) 当灭菌持续时，在进行新的灭菌时，应留有5min的时间，并打开上盖让设备有时间冷却。7) 灭菌液体时，以不超过3/4体积为好，瓶口切勿使用未开孔的橡胶或软木塞。灭菌液体结束时不准立即释放蒸汽，必须待压力回到0时方可排放余汽。8) 平时应将设备保持清洁和干燥，方可延长使用年限。