生物工程设备知识点总结

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1、体积溶氧系数kLa：单位时间单位体积溶液所吸收的气体。 影响kLa的因素：物系的性质粘度，扩散系数，表面张力 操作条件温度，压力，通气量，搅拌转数 反应器的结构反应器的结构型式，搅拌器结构，搅拌方式剪切力的作用 1、增加质量与热量传递速率 2、对微生物，动植物细胞的培养造成影响机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性1、搅拌叶轮尺寸与类型叶轮尺寸与罐直径比 Di/D=0.330.45 选用较大的叶轮或Di/D： 多糖发酵， 动物细胞培养；叶轮类型的选择 功率准数、混合特性， 产生的液流作用力的大小2、搅拌叶尖速度与剪应力细胞与剪切作用 损害程度： 细胞特性、搅拌力的性质、强度、作用时间； 定性关系：

2、 球状和杆状细胞：耐受力强， 丝状、动物细胞：耐受力弱；关于搅拌剪切的反应器设计准则 以搅拌叶尖线速度v为基准： v7.5m/s3、发酵液的流变特性 液体流变特性的影响： 传质、传热、混合； 发酵罐设计与运转；发酵液流变特性的类型：（1）牛顿型流体 黏度不随搅拌剪切速率和剪应力而改变（粘性定律）； 剪应力与剪切速率的关系： =F/A=(du/dy)= 为剪应力，Pa或N/m2； F为切向力，A 为流体面积； 为流体黏度Pas，为剪切速率（速度梯度，s1 )；非牛顿型流体（2）宾汉塑性流体 =0+s0为屈服应力，Pa;s为表观黏度,Pas; 如黑曲霉发酵液；（3）拟塑性和涨塑性流体 =KnK：均

3、匀系数，稠度系数， Pasn；n：流体状态特性指数， 拟塑性： 0n1 涨塑性： n1 如丝状菌（青霉素）、液体曲、多糖；机械搅拌通风发酵罐的的热量传递1、发酵过程的热量计算生物反应热的计算 Q发酵=Q生物+Q搅拌Q散Q搅拌： 与搅拌功率Pg有关， 功热转化率，取=0.92；Q散发：Q蒸发、Q显、Q辐射， Q散发=0.2 Q生物；冷却水带出的热量计算 发酵过程的最大放热： Q发酵=Wc(T2T1)/ VL kJ/(m3)W:冷却水流量，kg/h；c：水的比热容， kJ/(kg)；T1、T2:冷却水进出口温度，；VL：发酵液体积，m3;发酵液温升测量计算 旺盛期，先使罐温恒定，关闭冷却水， 30

4、min后测定发酵液的温度： Q发酵= (w1c1+w2c2) T/VL kJ/(m3)w1、w2：发酵液和发酵罐的质量，kg；c1、c2：发酵液和发酵罐的比热容， kJ/(kg)；T： 30min内发酵液的温升，；2、发酵罐的换热装置换热夹套 换热系数低：400600 kJ/(m3h)； 适应：5m3发酵罐；竖式蛇管 46组 换热系数高：12004000 kJ/(m3h)； 要求水温较低；竖式列（排）管 传热推动力大，用水量大；机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.74 d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 B/D=0.81.0 (s/d)2=15 H0/

5、D=2公称体积 指罐的筒身（圆柱）体积与底封头体积之和。 椭圆形封头体积： V1=D2hb/4+D2ha/6ha：椭圆封头的直边高度，m；hb：椭圆短半轴长度，标准椭圆hb=D/4； 罐的全体积： V0=D2(H0+2(hb+D/6)/4 D2 /4+0.15D3 （m3）气升式发酵罐(ALR)工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔以250300m/s的速度喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用使气泡碎裂，同时形成的气液混合物由于密度较低向上运动，而气含率小的发酵液则向下运动，形成循环流动，实现混合与传质。优缺点：结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备，节约动了约50，节约钢材；操作无噪音；料液可

6、充满达8090，而不需加消泡剂；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低；类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式；气升环流式反应器的特点发酵液分布均匀：基质均匀分散；避免液面形成稳定的泡沫层；使淀粉类易沉降的物料悬浮分散；较高的溶氧速率和溶氧效率剪切力小，对细胞损伤小：适合植物细胞和组织培养；传热良好：液体综合循环速率高；便于在外循环管路上进行换热；结果简单，易于加工制造：无搅拌器，不需安装结构复杂的搅拌系统；容易保证密封；加工制造方便，设备投资较低；易于放大制造大型反应器；操作维修方便自吸式发酵罐 原理：不需要空气压缩机提供压缩空气，依靠特

7、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，同时实现混合搅拌与氧传质的发酵罐。 特点：节约空压机及其附属设备冷却器、油水分离器、空气贮罐、过滤器等，减少占地面积，减少设备投资约30左右；溶氧效率高，能耗低；设备便于自动化、连续化，用于酵母和醋酸生产具有生产效率高优点；缺点：由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。 自吸式发酵罐的构件主要是自吸搅拌器和导轮，又称转子及定子；喷射自吸式发酵罐原理：发酵液通过文氏管或液体喷射装置时，在收缩段流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现氧传质。类型：（1）文氏管自吸式发酵罐；（2）液体喷射自吸式发酵罐。主要用于酵母培养溢流喷

8、射自吸式发酵罐原理：液体溢流通过溢流喷射器形成抛射流，液体表面层与相邻的气体进行动量传递，使边界层的气体具有一定的速率，从而带动气体进入发酵罐；溢流喷射自吸式发酵罐类型：单层、双层。主要用于酵母培养其他类型的通风发酵设备：固定床生物反应器，卧式转盘反应器，中空纤维生物反应器，机械搅拌光照发酵罐 嫌气发酵设备传统酒精发酵罐采用圆柱形筒体，蝶形或锥形封头温度控制：中小型罐采用罐外喷淋冷却；大型罐采用罐内蛇管或与罐外喷淋相结合的冷却方式清洗方式：人工清洗、机械清洗水力清洗装置：喷水管两头弯成一定的弧度并装有喷嘴，管上开有小孔，当喷嘴以一定的速度喷出水时，反作用力使喷水管旋转，从而达到对罐内各个部位水

9、力洗涤的目的。缺点是水压不大时，水力喷射强度和均匀度都不理想。可在原有水力喷射装置的基础上，安装一根直立的喷水管，管上钻有小孔洗涤效果可大大提高。新型大容量酒精发酵罐采用斜底或锥底，顶部为锥顶，夹套冷却由于罐太大，中心部位降温和底部循环困难。可采用两种不同的措施：1、采用中心降温水柱对罐中心醪液进行降温，或采用罐外螺旋板换热器循环来降温； 2、侧搅拌或连通器加泵循环来改善混合和滞留问题； 酒精发酵罐的计算（一）发酵罐结构尺寸的确定 容积：V=V0/ V0进入发酵罐的发酵液量（m3） 若采用锥形封头，则： V= D2（H+h1/3+h2/3）/4 （m3） H圆柱部分高度（m） D罐的直径（m）

10、 h1 封底高度（m） h2 封顶高度（m）(二) 罐数的确定 N=nt/24+1 (个) n 每24小时内进行加料的发酵罐个数 t 一次发酵周期所需时间（h）(三) 发酵罐冷却面积计算 F=Q / K tm (m2)1、总的发酵热Q = Q1 -（ Q2 + Q3 ） Q1：生物合成热、 Q2：蒸发热损失、 Q3：罐壁向周围的散热。 （1） Q1计算有两种计算方法 a、按发酵旺盛期糖度下降的百分值计算： Q1=GSq q=418600J/kgb、根据冷却水来计算： Q1= WCp（t2-t1） （2） 蒸发热Q2 Q2=5%-6% Q1 （3）罐壁向周围散热Q3 Q3 =Fc(tW-tB)

11、tW罐壁最高温度 tB所在地区夏季平均温度2、对数平均温度差tm 的计算 tm= t1、t2分别为冷却水进出口温度 tF 主发酵时的发酵温度（四）、冷却水耗量的计算 W= QB / Cp (t2-t1) (kg/h) Cp 冷却水的比热J/(kg ) t2、t1分别为冷却水进出口温度 QB冷却水带走的热量(J/h)代谢终产物抑制消除方法：真空发酵、萃取发酵、吸附法发酵、二氧化碳气提发酵等1、真空发酵： 原理：发酵过程中保持一定的真空度，发酵液处于沸腾状态，酒精被蒸馏出来。 主要设备有发酵罐、发酵蒸发器、总凝器、分凝器、收集器、真空泵。 优点：糖浓 度提高3倍，发酵时间缩短1/3；酒糟、水、蒸汽

12、都有减少；生产能力、设备利用率提高；酒精浓度可达33%。 缺点：能耗大、费用高、真空操作负荷大、容易引起杂菌污染。2、萃取发酵： 具有能耗低、操作简便易行的优点。 发酵和萃取在同 一反应器中进行：采用固定化细胞技术，选择合适的萃取剂。 发酵和萃取分开进行： （1）膜萃取：将发酵液取出，三聚磷酸丁酯为萃取相，在中空纤维膜反应器中萃取。 （2）二氧化碳超临界萃取：发酵液逆向通过超临界二氧化碳萃取柱，富含酒精的超临界流体通过活性炭柱吸附分离酒精。3、吸附法 将吸附剂直接加到发酵液中或让发酵液循环通过一个疏水性的分子筛吸附柱来吸附酒精。 一般可采用疏水性硅沸石作为吸附剂，采用这种方法发酵时间可缩短30%。4、透析膜法 采用对酒精有选择性透过的多孔性膜，分离发酵液中的酒精来降低发酵液中的酒精浓度。 5、二氧化碳气提法 利用发酵过程中产生的二氧化碳，通过循环压缩机加压后，送回发酵罐气提发酵产生的酒精，在0冷却饱和了酒精和水蒸气的二氧化碳，再由活性炭填充柱吸附酒精，纤维素填充柱吸附水。生产能力提高27%。