發(fā)酵設(shè)備設(shè)計與運行技術(shù)培訓(xùn)試題一、前言發(fā)酵設(shè)備是生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的核心裝備，其設(shè)計合理性直接影響發(fā)酵效率、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性，運行技術(shù)則決定了設(shè)備的使用壽命和故障發(fā)生率。為幫助行業(yè)技術(shù)人員系統(tǒng)掌握發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計原理、關(guān)鍵參數(shù)計算及運行維護技巧，特編制本套培訓(xùn)試題。試題覆蓋設(shè)備設(shè)計（結(jié)構(gòu)、材料、參數(shù)）、運行管理（啟動、監(jiān)控、故障處理）、維護保養(yǎng)（清洗、腐蝕防護）三大模塊，題型包括單項選擇、多項選擇、簡答及案例分析，兼顧基礎(chǔ)知識點與綜合應(yīng)用能力，具有較強的實用性和針對性。二、試題類型及設(shè)計思路本套試題遵循“基礎(chǔ)-理解-應(yīng)用”的梯度設(shè)計原則：單項選擇題：考查發(fā)酵設(shè)備的基礎(chǔ)概念（如部件名稱、材料類型）和關(guān)鍵知識點的記憶（如攪拌器類型、冷卻方式），難度較低，適合鞏固基礎(chǔ)知識。多項選擇題：考查對設(shè)計原則、運行參數(shù)的理解（如攪拌功率影響因素、染菌原因），需要學(xué)員辨析多個選項的正確性，難度中等。簡答題：考查對設(shè)計邏輯、運行流程的應(yīng)用（如通氣系統(tǒng)設(shè)計要點、啟動前檢查項目），要求學(xué)員梳理知識點并組織語言，難度中等偏上。案例分析題：結(jié)合實際生產(chǎn)場景（如溶解氧偏低、罐溫異常），考查問題診斷與解決能力，需要學(xué)員綜合運用設(shè)計、運行、維護知識，難度較高。三、培訓(xùn)試題及解析（一）單項選擇題（共10題，每題2分）1.以下哪種材料最適合用于食品級發(fā)酵罐的罐體制造？（）A.碳鋼襯橡膠B.316L不銹鋼C.玻璃鋼D.鑄鐵答案：B解析：316L不銹鋼含鉬（Mo），具有優(yōu)異的耐腐蝕性（耐酸堿、耐氯離子），且符合食品衛(wèi)生標準（GB4806.____），是食品、醫(yī)藥發(fā)酵罐的首選材料。碳鋼襯橡膠易出現(xiàn)襯里脫落問題，玻璃鋼耐溫性較差，鑄鐵易生銹，均不適合食品級應(yīng)用。2.發(fā)酵罐中，用于將空氣分散成細小氣泡的部件是（）A.攪拌器B.空氣分布器C.擋板D.消泡器答案：B解析：空氣分布器（如環(huán)形多孔管、燒結(jié)板）的作用是將無菌空氣均勻分散成細小氣泡，增大氣液接觸面積，提高溶解氧傳遞效率。攪拌器主要用于混合和剪切氣泡，擋板用于防止液面漩渦，消泡器用于消除泡沫。3.需氧發(fā)酵中，影響體積氧傳遞系數(shù)（KLa）的關(guān)鍵因素是（）A.發(fā)酵液粘度B.罐內(nèi)壓力C.攪拌轉(zhuǎn)速D.以上都是答案：D解析：KLa是衡量氧傳遞效率的核心指標，受多種因素影響：①發(fā)酵液粘度越高，氣泡上升速度越快，氣液接觸時間越短，KLa越低；②罐內(nèi)壓力越高，空氣溶解度越大，KLa越高；③攪拌轉(zhuǎn)速越高，氣泡被剪切得越細，混合越均勻，KLa越高。4.發(fā)酵罐啟動前，必須進行的關(guān)鍵檢查項目是（）A.罐體密封性能B.冷卻系統(tǒng)壓力C.空氣過濾系統(tǒng)完整性D.以上都是答案：D解析：啟動前檢查需覆蓋安全性和無菌性：①罐體密封（如法蘭、人孔）防止泄漏；②冷卻系統(tǒng)壓力確保冷卻介質(zhì)正常循環(huán)；③空氣過濾系統(tǒng)（如濾芯完整性）防止雜菌進入，三者均為關(guān)鍵項目。5.以下哪種攪拌器類型適合高粘度發(fā)酵液（如絲狀真菌發(fā)酵）？（）A.渦輪式B.推進式C.錨式D.槳式答案：C解析：錨式攪拌器的葉片與罐體壁面間隙小，能有效刮除罐壁上的粘性物料，防止沉淀，適合高粘度或易掛壁的發(fā)酵液（如青霉素發(fā)酵中的絲狀真菌）。渦輪式適合低粘度需氧發(fā)酵，推進式適合軸向混合，槳式適合中低粘度。6.發(fā)酵罐冷卻系統(tǒng)中，蛇管式冷卻器的優(yōu)點是（）A.冷卻面積大B.維護方便C.不易結(jié)垢D.適合高壓罐體答案：A解析：蛇管式冷卻器（盤管）的冷卻面積大，冷卻效果好，適合需大量移除發(fā)酵熱的場合（如抗生素發(fā)酵）。但其缺點是維護不便（需拆罐清洗），易結(jié)垢（尤其是水質(zhì)差時），不適合高壓罐體（易變形）。7.發(fā)酵過程中，罐壓通常維持在（）范圍內(nèi)，以提高空氣溶解度。A.0.01-0.02MPaB.0.03-0.05MPaC.0.1-0.2MPaD.0.5-1.0MPa答案：B解析：罐壓過高會增加罐體負擔，過低則無法提高空氣溶解度。通常維持在0.03-0.05MPa（表壓），既能提高溶解氧，又能防止雜菌從密封處侵入。8.以下哪種情況會導(dǎo)致發(fā)酵罐“染菌”？（）A.空氣過濾濾芯破損B.罐體焊縫有裂紋C.接種量不足D.培養(yǎng)基滅菌不徹底答案：ABD解析：染菌的主要原因包括：①空氣系統(tǒng)污染（濾芯破損）；②罐體密封失效（焊縫裂紋、法蘭泄漏）；③培養(yǎng)基滅菌不徹底（溫度或時間不夠）；④接種過程污染（接種針未滅菌）。接種量不足會影響發(fā)酵速度，但不會直接導(dǎo)致染菌。9.發(fā)酵罐攪拌功率的計算中，常用的準數(shù)是（）A.雷諾數(shù)（Re）B.努塞爾特數(shù)（Nu）C.普朗特數(shù)（Pr）D.功率準數(shù)（Np）答案：D解析：功率準數(shù)（Np=Nρ/μ3n?d?，其中N為攪拌功率，ρ為液體密度，μ為粘度，n為轉(zhuǎn)速，d為攪拌器直徑）是攪拌功率計算的核心準數(shù)，用于關(guān)聯(lián)雷諾數(shù)（Re）與功率消耗。10.發(fā)酵罐運行中，若溶解氧（DO）突然降至0，最可能的原因是（）A.通氣量不足B.攪拌停轉(zhuǎn)C.罐壓降低D.培養(yǎng)基粘度增加答案：B解析：攪拌停轉(zhuǎn)后，發(fā)酵液無法混合，空氣無法分散成氣泡，溶解氧無法傳遞，會導(dǎo)致DO迅速降至0。通氣量不足或罐壓降低會導(dǎo)致DO緩慢下降，培養(yǎng)基粘度增加會導(dǎo)致DO逐漸降低，均不會突然降至0。（二）多項選擇題（共5題，每題3分）1.發(fā)酵罐設(shè)計中，罐體形狀選擇的依據(jù)包括（）A.發(fā)酵液體積B.攪拌方式C.卸料方式D.滅菌要求答案：ABCD解析：罐體形狀（如圓柱形、錐形）需綜合考慮：①體積：圓柱形罐體容積利用率高；②攪拌方式：渦輪式攪拌器適合圓柱形罐體，錨式適合帶錐形底的罐體；③卸料方式：錐形底便于固體物料（如菌絲體）卸料；④滅菌要求：罐體需無死角，便于蒸汽穿透（如圓形封頭比方形封頭更易滅菌）。2.影響發(fā)酵罐攪拌功率的因素有（）A.攪拌器直徑B.攪拌轉(zhuǎn)速C.發(fā)酵液粘度D.罐內(nèi)壓力答案：ABC解析：攪拌功率主要與攪拌器參數(shù)（直徑、轉(zhuǎn)速、類型）和液體性質(zhì)（粘度、密度）有關(guān)。罐內(nèi)壓力主要影響空氣溶解度，對攪拌功率影響較?。ǔ菈毫^高導(dǎo)致液體密度變化）。3.發(fā)酵罐運行中，需監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)包括（）A.溫度B.pHC.溶解氧（DO）D.罐壓答案：ABCD解析：溫度影響微生物代謝速率（如青霉素發(fā)酵最適溫度30℃）；pH影響酶活性（如谷氨酸發(fā)酵最適pH7.0-7.5）；DO影響需氧微生物生長（如酵母菌發(fā)酵DO需≥20%）；罐壓影響空氣溶解度和無菌性（需維持正壓）。4.發(fā)酵罐清洗的常用方法有（）A.手工清洗B.原位清洗（CIP）C.原位滅菌（SIP）D.化學(xué)清洗答案：ABD解析：CIP（CleaninPlace）是發(fā)酵罐常用的清洗方法，通過循環(huán)噴射清洗劑（如NaOH、HNO?）實現(xiàn)無拆罐清洗；手工清洗用于CIP無法到達的部位（如人孔）；化學(xué)清洗用于去除頑固污垢（如結(jié)焦）。SIP（SterilizeinPlace）是滅菌方法，不是清洗方法。5.發(fā)酵罐染菌的主要來源有（）A.空氣系統(tǒng)B.培養(yǎng)基C.接種物D.罐體密封答案：ABCD解析：染菌的來源包括：①空氣系統(tǒng)（過濾失效）；②培養(yǎng)基（滅菌不徹底）；③接種物（帶雜菌）；④罐體密封（法蘭、閥門泄漏）；⑤環(huán)境（如車間空氣未凈化）。（三）簡答題（共8題，每題5分）1.簡述發(fā)酵罐攪拌系統(tǒng)的設(shè)計原則。答案要點：（1）混合均勻性：選擇合適的攪拌器類型（如渦輪式用于需氧發(fā)酵），確保發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和代謝產(chǎn)物均勻分布；（2）氧傳遞效率：攪拌器應(yīng)能將空氣分散成細小氣泡（直徑0.1-1mm），提高氣液接觸面積，通常攪拌器直徑為罐體直徑的1/3-1/2；（3）避免死角：攪拌器葉片與罐體壁面間隙應(yīng)≤50mm，防止物料堆積（如絲狀真菌發(fā)酵）；（4）功率匹配：根據(jù)發(fā)酵液粘度（如對數(shù)期粘度低，穩(wěn)定期粘度高）選擇合適的電機功率，確保攪拌轉(zhuǎn)速可調(diào)；（5）維護方便：攪拌軸應(yīng)采用可拆卸設(shè)計，便于更換攪拌器或維修軸承。2.發(fā)酵罐通氣系統(tǒng)的無菌設(shè)計要點有哪些？答案要點：（1）多級過濾：采用“粗濾（布袋/旋風(fēng)分離器）+中濾（紙質(zhì)濾芯）+精濾（微孔膜濾芯，孔徑≤0.22μm）”的三級過濾系統(tǒng)，確?？諝鉄o菌；（2）濾芯完整性檢測：使用完整性測試儀（如泡點試驗）定期檢查濾芯是否破損，防止雜菌穿透；（3）空氣預(yù)熱：將壓縮空氣預(yù)熱至30-50℃，防止冷凝水進入濾芯（冷凝水會降低過濾效率）；（4）排水裝置：在過濾系統(tǒng)最低點設(shè)置排水閥，定期排放冷凝水；（5）蒸汽滅菌：過濾系統(tǒng)應(yīng)能承受蒸汽滅菌（121℃，30min），確保濾芯及管道無菌。3.發(fā)酵罐運行中，溫度控制的重要性及調(diào)節(jié)方法？答案要點：（1）重要性：溫度影響微生物的生長速率（如乳酸菌最適溫度37℃）、酶活性（如淀粉酶最適溫度60℃）和代謝產(chǎn)物合成（如青霉素在25-30℃合成量最高）；溫度過高會導(dǎo)致微生物死亡，溫度過低會延長發(fā)酵周期。（2）調(diào)節(jié)方法：①冷卻系統(tǒng)：通過夾套或蛇管通入冷凍水/冷卻水，移除發(fā)酵熱（如抗生素發(fā)酵的發(fā)酵熱可達____kcal/m3·h）；②加熱系統(tǒng)：通過夾套通入蒸汽，提高罐溫（如啟動前預(yù)熱罐體）；③轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：提高攪拌轉(zhuǎn)速會增加機械熱，可適當降低轉(zhuǎn)速減少熱量產(chǎn)生；④進料調(diào)節(jié)：通過添加冷的培養(yǎng)基或補料液，降低發(fā)酵液溫度。4.發(fā)酵罐常見的故障類型及處理措施（列舉3種）？答案要點：（1）攪拌電機過載：原因可能是攪拌軸卡?。ㄈ缥锪铣恋恚?、電機軸承損壞。處理措施：立即停機，檢查攪拌軸是否被物料卡住，清理沉淀；檢查電機軸承，若損壞則更換。（2）冷卻水管堵塞：原因可能是水中雜質(zhì)過多（如水垢）。處理措施：關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，用鹽酸或檸檬酸溶液清洗冷卻水管（濃度1-2%），疏通后用清水沖洗干凈。（3）空氣分布器堵塞：原因可能是發(fā)酵液中的菌絲體或雜質(zhì)堵塞小孔。處理措施：停機后，拆下空氣分布器，用高壓水沖洗或用毛刷清理小孔，必要時用NaOH溶液浸泡（濃度5%）去除頑固污垢。5.發(fā)酵罐材料選擇的依據(jù)是什么？答案要點：（1）介質(zhì)腐蝕性：根據(jù)發(fā)酵液的pH（如酸性發(fā)酵液用不銹鋼，堿性用碳鋼襯膠）、是否含氯離子（如海水養(yǎng)殖用316L不銹鋼）選擇耐腐蝕材料；（2）衛(wèi)生要求：食品、醫(yī)藥發(fā)酵用不銹鋼（304、316L），避免材料析出有害物質(zhì)；（3）溫度壓力：高溫高壓發(fā)酵罐（如滅菌罐）用高強度鋼（如Q345R）；（4）成本：碳鋼襯里成本低于不銹鋼，適合化工發(fā)酵（如酒精發(fā)酵）；（5）加工性能：不銹鋼易焊接、拋光，適合制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如攪拌器、擋板）。（四）案例分析題（共2題，每題10分）案例1：某啤酒廠的發(fā)酵罐在發(fā)酵后期（第5天）出現(xiàn)以下異常：DO從30%降至5%，罐壓從0.04MPa降至0.01MPa，泡沫大量產(chǎn)生，酒液粘度增加。請分析可能的原因，并提出解決措施。答案要點：（1）可能原因：①空氣過濾系統(tǒng)失效：精濾濾芯破損，導(dǎo)致雜菌進入，雜菌大量繁殖消耗氧氣，產(chǎn)生泡沫；②罐頂密封泄漏：如人孔法蘭墊片老化，導(dǎo)致罐壓下降，空氣溶解度降低，DO下降；③發(fā)酵液污染：酵母菌自溶（后期酵母死亡），釋放intracellular酶，導(dǎo)致粘度增加，泡沫增多；④通氣量不足：風(fēng)機故障或管道堵塞，導(dǎo)致進入罐內(nèi)的空氣量減少。（2）解決措施：①立即取樣檢測：通過涂片鏡檢或平板培養(yǎng)確認是否染菌，若染菌則終止發(fā)酵，對罐體進行徹底滅菌（121℃，30min）；②檢查空氣過濾系統(tǒng)：更換破損的精濾濾芯，進行完整性測試（泡點試驗）；③檢查罐頂密封：更換老化的墊片，重新緊固法蘭，確保罐體密封；④檢查通氣系統(tǒng)：確認風(fēng)機是否正常運行，清理管道堵塞（如灰塵、雜物），增加通氣量（提高風(fēng)機頻率）；⑤處理泡沫：添加食品級消泡劑（如硅酮消泡劑），控制泡沫高度≤罐體高度的1/3。案例2：某生物肥料廠的固態(tài)發(fā)酵罐（采用翻拋式攪拌）運行中，出現(xiàn)物料溫度不均勻（上層35℃，下層50℃），發(fā)酵效率低下（有機物降解率從80%降至50%）。請分析可能的原因，并提出解決措施。答案要點：（1）可能原因：①攪拌頻率不足：翻拋式攪拌器轉(zhuǎn)速過低，導(dǎo)致物料混合不均，下層物料無法與空氣接觸，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生熱量；②通風(fēng)量不足：固態(tài)發(fā)酵需要充足的空氣（如好氧菌分解有機物需氧），通風(fēng)量不足導(dǎo)致下層物料厭氧，溫度升高；③物料濕度不均：上層物料干燥（水分15%），下層物料潮濕（水分40%），潮濕物料導(dǎo)熱性好，溫