生物工程设备考点

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1、 第二章 通风发酵设备 1. 机械搅拌通风发酵罐的结构2.搅拌器的作用 搅拌器的作用是打碎气泡使氧溶解于醪液中、促使液体激烈翻动以增加溶解氧、使醪液产生径向流。 3.挡板的作用 挡板的作用是防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻动，增加溶解氧，改变液流的方向，由径 向流改为轴向流。4.为什么通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器要安一个圆盘 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

2、阻碍，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。5.全挡板名词解释及全挡板满足的条件所谓“全挡板条件”是指在一定转速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：式中 D罐的直径（mm） Z挡板数 hW挡板宽度（mm）6.轴封的作用 轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。常用的轴封有填料函轴封 和端面轴封两种7.机械轴封的密封原理机械轴封有三个密封点，是靠这三个密封点达到完全密封的 1 动环与静环之间的密封：是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）和密封液体压力在相对运动的动环和 静环的接触面（端面）上产生一适

3、当的压紧力（比压）使两个光洁、平直的端面紧密贴合；端面间维持 一层极薄的液体膜而达到密封的作用。这层膜具有液体动压力与静压力，它起着平衡压力和润滑端面的 作用。两端面之所以必须高度光洁平直是为了给端面创造完美贴合和使比压均匀的条件，这是相对旋转 密封。2 静环与压盖之间的密封：通常用各种形状有弹性的辅助密封圈来防止液体从静环与压盖之间泄漏。 这是一静密封。 3 动环与轴之间的密封：也是用各种形状有弹性的辅助密封圈来防止液体从动环与轴之间泄漏。这 是一个相对静止的密封。但当端面磨损时，允许其作补偿磨损的轴向移动。8.机械轴封与填料函轴封相比优点是:一. 密封可靠，在一个较长的使用期中不会泄漏或很

4、少泄漏。清洁，无死角，可以防止杂菌污染。 二. 使用寿命长，正确选择摩擦副和比压的机械密封可使用 25 年，最长有用到 9 年。 三. 维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修。 四. 轴或轴套不受磨损。5.0)12.01.0()(ZDDZDW五. 摩擦功率耗损少，一般约为填料函密封的 1050 六. 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。 七. 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。 八. 其缺点是：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。9.空气进

5、料的最后一个法门是单向阀也叫止回阀、单流阀、止逆阀。10.雷诺准数是惯性力与液体粘滞力之比，即 Re=du/ 而在搅拌容器中，液体的代表速度 u=nDi ，并 以搅拌直径 Di代替管径 d，此时的雷诺准数成为搅拌雷诺准数 Re=nDi2/，n 为搅拌器的转数。11.冷却面积计算举例某抗菌素厂需新建 30M3 种子罐，装料系数为 60%，已计算出主发酵期生物合成热 Q1=4.4105kj/h， 搅拌热 Q2=7.2104 kj/h，查有关资料可知汽化热 Q3 =1104 kj/h，醪液的比重为 =1.04103 kg/M3，发酵温度为 32，冷却水进口温度为 16，出水温度为 25，冷却水的平均

6、比热 Cp=4.186 kj/ (kg )， 罐内采用竖式蛇管冷却，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 2.7103 kj/(M2 h ) 和 1.45103kj/(M2 h )，另外管壁水垢层的热阻取 1/16750 M2 h /kj，试求发酵罐冷却面 积、竖式蛇管总长度和冷却水耗量。 做题时所用到的公式发酵热 Q=Q1+Q2-Q3 Q=WCp(t2-t1) Q=KAtm冷却面积 A=dL 传热总系数 K 值对数平均温度差解:1.总的热量Q=Q1+Q2-Q3 =4.410

7、5+7.2104-1104 =5.02105(kJ/h) 2.冷却水耗量=1.33104 (kg/h)3.对数平均温度差4.K 值的计算= 1.931103 kJ/(M2 h)dAL111121SK)(9 .10 lg303. 2)()(2121CtttttttttoFFFF m)(12ttCQWp)1625(186. 41002. 55)(9 .10 lg303. 2)()(2121CtttttttttoFFFF m111121SK167501 1880035. 014501 2700115.冷却面积根据生产实际情况取整 A=25M2 6.冷却蛇管总长度=140.17 (M)根据生产实际情况

8、取整 L=145M，如果分为 6 组，则每组为 24.17M，可将竖式冷却蛇管总长度修正 为 L=144M，则每组竖式冷却蛇管总长度为 24M。 答:发酵罐冷却面积 25M2，蛇管总长度 144M 和冷却水耗量 13300 kg/h。 12. 自吸式发酵罐的优缺点（1）节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器等设备，减少厂 房占地面积。减少工厂发酵设备投资约 30%左右。 （2）设备结构简单，溶氧效果高，能耗较低，操作方便。 （3）设备便于自动化，连续化，降低劳动强度，减少劳动力。 （4）酵母发酵罐周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵母后的废液量少。每升容积酵母的产

9、量可高达 3050 克。不足之处是负压吸入空气，所以发酵系统不能保持一定的正压，较易染菌。 13.自吸式发酵罐的工作原理一.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 转子 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 。 2. 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

10、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。 14.气升环流式反应器工作原理。气升环流式反应器构造如图 2 所示，在反应器内没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将发酵醪液分为 上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外） ，在上升区的下部安装了空气喷嘴，或环型空气分布管，空气 分布管的下方有许多喷孔。加压的无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，从空气喷嘴

11、喷入的气速可 达 250 300（米/秒） ，无菌空气高速喷入上升管，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，与 导流筒内的发酵液密切接触，供给发酵液溶解氧。由于导流筒内形成的气液混合物密度降低，加上压缩 空气的喷流动能，因此使导流筒内的液体向上运动；到达反应器上部液面后，一部分气泡破碎，二氧化 碳排出到反应器上部空间，而排出部分气体的发酵液从导流筒上边向导流筒外流动，导流筒外的发酵液 因气含率小，密度增大，发酵液则下降，再次进入上升管，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。 第三章 1.圆筒锥底啤酒发酵罐上要安装真空安全阀 （1）由于圆柱锥底罐 CO2 产生量很大，所以要考虑 CO2 的回收

12、。为了从罐中收集 CO2，就必须使罐 内的 CO2 维持一定的压力，以克服气体收集系统的磨擦压头。所以大型发酵罐就成为一个耐压罐，就必 须安装安全阀。安全阀的规格和调整的范围应根据罐的工作压力来确定。 （2）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。由于圆柱锥 底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mtKQA)(85.239 .1019311002. 525 MdAL0565. 014. 325 进行清洗时，由于清洗溶液中含有碱性质，与 CO2 进行中和反应，除去了 CO2 也可能使罐内形成真空 而当罐

13、内形成真空时，就有可能将发酵罐吸瘪。所以圆柱锥底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，以建立罐内外压力的平衡。发酵罐被吸瘪使用水 压法发对其进行修复。 第四章 蒸发与结晶 1.无论是哪种类型的蒸发器都必须满足以下基本要求： 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.管式薄膜蒸发器工作原理升膜式蒸发时膜的形成 溶液在加热的管子内由下而上运行时，在管壁的液体受热温度升高，密度下降，而管子中心的液体温度 变化较小，这就使管内液体产生的自然对流运行。温度升得越

14、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。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。气泡增大，气体上升 的速度则加快。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。液体下降较多时，大个柱状汽泡则被液层截断。这时混合流体处于一 种强烈的湍流状态，气柱向上升并带动其周围的部分液体一起运动。液体温度继续上升，溶液的蒸发速 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

15、浓缩液体也被高速气流拖带着上升，气泡断层不能形成，蒸气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，这时称为环形流。变成带有液体雾沫的喷雾环形流液体的上升是靠高 速蒸汽气流对液层的拖带而形成，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。如果加热管内外温度差进 一步增加，溶液蒸发很激烈，蒸汽流速太快，液体蒸发时蒸汽会把溶液以雾沫形成式夹带离开液膜，进 入管中部的高速蒸汽流线，变成带有液体雾沫的喷雾流进入管中部的高速蒸汽流线流，同时也使所形成 的“液膜”迅速减薄。如果汽速进一步增加，雾沫夹带进一步严

16、重，使液膜上升的速度赶不上溶液蒸发 速度，则加热管上的液膜将会出现局部被干燥、结疤、结垢、结焦等现象。可见管膜式蒸发的操作状况 最好是形成爬膜到出现喷雾流之间。 3.溶液在加热管中产生爬膜的必要条件要有足够的传热温差和传热强度，使蒸发的二 次蒸汽量和蒸汽速度达到足以带动溶液成膜上升的程 度。温度差过蒸发器的传热系数影响较大。 第 2 章 离心分离设备1. 碟式离心机的分离原理当悬浮液在动压头的作用下，经中心管流入高速旋转的碟片之间的间隙时，便产生了惯性离心力，其 中密度较大的固体颗粒在离心力作用下向上层碟片的下表面运动，而后沿碟片下表面向转子周围下滑， 液体则沿转子中心上升，从套管中排出，达到分离的目的。同理对于乳浊液的分离，轻液沿中心向上流 动，重液沿周围向下流动而得到分