生物制药设备习题及考试重点

定义

生物技术生物反应器理想反应器非理想反应器对数死亡规律非对数死亡规律

澄清过滤萃取离心机分离因数全挡板条件间歇操作连续操作滤饼过滤

搅拌雷诺准数深层过滤的对数穿透定律酶反应器搅拌器轴功率

知识重点

生物反应器的分类动物细胞生物反应器的分类非牛顿流体分类生物反应器放大的方法连续灭菌流程常用的空气预处理典型的生物反应过程比较涡轮式搅拌器的三种形式的耗能离心分离常用的空气预处理空气除菌方法常见的固液分离方法。。。

简答题（带答案）及论述题（自己找）

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250~300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

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（湍流），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。

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。

常见连续灭菌流程：

①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

②喷射加热-真空冷却连续灭菌流程：培养基（培养液）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（维持管），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、维持管、膨胀阀、真空急骤蒸发室。P21图2-5

③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。

管式离心机的结构和工作原理：结构，转鼓、分离盘、机壳、机架、传动装置；工作原理，操作时，将待处理的料液在一定的压力下由进料管经底部中心轴进入鼓底，靠圆形挡板分散到四周，并因为受到高速离心力作用而旋转向上，轻液则位于转筒中央，呈螺旋形运转，向上移动。重液相则靠近筒壁，至分离盘时轻液相则沿轻液孔道进入集液槽后排出收集。固体则在离心力场的作用下沉积于鼓壁上，达到一定数量后，停机人工除渣。

碟片式离心机的结构和工作原理：结构，圆锥形盖、倒锥形转鼓、锥形碟片、喷嘴；工作原理，发酵醪由转鼓中心进入高速旋转的转鼓内，因固-液密度不同，在碟片空隙内受到离心力的作用下，将发酵醪分成固液两厢。比重轻的清夜有规律地沿碟片的

上表面的碟片轴心方向移动，在轻液出口处排出。而密度大的浓缩物或菌体，则有规律地沿着上一碟片的底表面下滑到碟片外边缘，经转鼓壁上的喷嘴喷出，从而达到离心分离的目的。

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。

一个良好的生物反应器应满足的要求：①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；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。

板框过滤机的主要结构和工作过程：主要结构，滤布、滤框、滤板、滤饼推出板；工作原理，悬浮液从板框上部的两条通道流入滤框，然后，滤液在压力的作用下，穿过在滤框前后两侧的滤布，沿滤板表面流入下部通道，最后流出机外。清洗滤饼也按此路线进行。洗饼完毕后，油压机按照既定距离拉开板框，再把滤框升降架带着全部滤框同时下降一个框的距离。然后推动滤饼推板，将框内的滤饼向水平方向推出落下。滤布由牵动装置牵引循环行进，并由防止滤布歪行的装置自动定位，同时洗刷滤布。最后，滤布复位，重新夹紧，进入下一操作周期。

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（液体、气体）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２～５年，最长有用到９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10～50％

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。

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，在培养液中必然还产残留一定的活菌。工程上通常以Ns=10-3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求了。

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“非进即出”，就是说所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（或二次蒸汽）通过，得以灭菌。不能有既不进汽也不排汽的管道（死角）存在。

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。

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