生物工程设备知识点总结.docx

名师归纳总结 精品word资料 - - - - - - - - - - - - - - -体积溶氧系数 kLa： 单位时间单位体积溶液所吸取的气体；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，动植物细胞的培育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=0.33~0.45选用较大的叶轮或 Di/D ：多糖发酵，动物细胞培育；●叶轮类型的挑选功率准数、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：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就 以搅拌叶尖线速度 v 为基准：v≤ 7.5m/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转变（粘性定律）；剪应力与剪切速率的关系： τ =F/A=μ 〔du/dy〕= μ γτ 为剪应力， Pa 或 N/m2 ；F 为切向力， A 为流风光积；μ 为流体黏度 Pa·s，γ 为剪切速率 （速度梯度， s－ 1 〕；非牛顿型流体 第 1 页，共 20 页 - - - - - - - - -名师归纳总结 精品word资料 - - - - - - - - - - - - - - -（2）宾汉塑性流体τ =τ0+μ sγτ0 为屈服应力， Pa;μs 为表观黏度 ,Pa·s;如黑曲霉发酵液；（3）拟塑性和涨塑性流体τ =Kγ n K：匀称系数，稠度系数， Pa· sn； n：流体状态特性指数，拟塑性： 0﹤ n﹤ 1涨塑性： n﹥ 1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、发酵过程的热量运算●生物反应热的运算Q 发酵 =Q 生物 +Q 搅拌－ Q 散30min 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；Q 搅拌：与搅拌功率 Pg 有关， η 功热转化率，取 η =0.92；Q 散发：Q 蒸发、Q 显、Q 辐射， Q 散发 =0.2 Q 生物；●冷却水带出的热量运算发酵过程的最大放热：Q 发 酵 =[Wc〔T2 － T1〕]/ 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;●发酵液温升测量运算旺盛期，先使罐温恒定，关闭冷却水，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： 400~600 kJ/〔m3 · h·℃ 〕； 适应： 5m3 发酵罐；●竖式蛇管4~6 组换热系数高： 1200~4000 kJ/〔m3 ·h ·℃ 〕； 要求水温较低；●竖式列（排）管传热推动力大，用水量大； 第 2 页，共 20 页 - - - - - - - - -名师归纳总结 精品word资料 - - - - - - - - - - - - - - -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=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/D=0.8~1.0〔s/d〕2=1~5H0/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=π D2hb/4+ πD2ha/6 ha：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=π D2[〔H0+2〔hb+D/6〕]/4≈ π 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 250～ 300m/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 第 3 页，共 20 页 - - - - - - - - -名师归纳总结 精品word资料 - - - - - - - - - - - - - - -含率小的发酵液就向下运动，形成循环流淌，实现混合与传质；●优缺点：结构简洁，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；料液可布满达 80～90％，而不需加消泡剂；修理、操作及清洗简便，削减杂菌感染；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● 发酵液分布匀称： 基质匀称分散； 防止液面形成稳固的泡沫层； 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，对细胞损耗小：适合植物细胞和组织培育；●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；●结果简洁，易于加工制造：无搅拌器，不需安装结构复杂的搅拌系统；简洁保证密封；加工制造便利，设备投资较低；易于放大制造大型反应器；●操作修理便利自吸式发酵罐●原理： 不需要空气压缩机供应压缩空气， 依靠特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：①节约空压机及其附属设备冷却器、油水分别器、空气贮罐、过滤器等，削减 占地面积，削减设备投资约 30％左右；② 溶氧效率高，能耗低；③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， 对某些产品生产简洁造成染菌；●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匀称混合，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；主要用于酵母培育溢流喷射自吸式发酵罐● 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 第 4 页，共 20 页 - - - - - - - - -名师归纳总结 精品word资料 - - - - - - - - - - - - - - -边界层的气体具有肯定的速率，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；主要用于酵母培育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●采纳圆柱形筒体，蝶形或锥形封头●温度掌握： 中小型罐采纳罐外喷淋冷却； 大型罐采纳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： 喷水管两头弯成肯定的弧度并装有喷嘴， 管上开有小孔， 当喷嘴以肯定的速度喷出水时， 反作用力使喷水管旋转， 从而达到对罐内各个部位水力洗涤的目的； 缺点是水压不大时， 水力喷射强度和匀称度都不抱负； 可在原有水力喷射装置的基础上， 安装一根直立的喷水管，管上钻有小孔洗涤成效可大大提高；新型大容量酒精发酵罐●采纳斜底或锥底，顶部为锥顶，夹套冷却●由于罐太大，中心部位降温顺底部循环困难；可采纳两种不同的措施：1、采纳中心降温水柱对罐中心醪液进行降温，或采纳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； 酒精发酵罐的运算（一）发酵罐结构尺寸的确定容积： V=V0/ φV0—进入发酵罐的发酵液量（ m3 ） φ —装液系数，取 0.85-0.9如采纳锥形封头，就：V=π D2（H+h1/3+h2/3 ） /4 （ m3） H—圆柱部分高度（ m ）D—罐的直径（ m ）h1 — 封底高度（ m ） h2 — 封顶高度（ m ）尺寸关系： H =1.1-1.5D h1 =0.1-0.14D h2 =0.05-0.1D〔二 〕 罐数的确定N=nt/24+1 〔 个〕 第 5 页，共 20 页 - - - - - - - - -名师归纳总结 精品word资料 - - - - - - - - - - - - - - -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〕 发酵罐冷却面积运算F=Q / K Δtm 〔m2〕 1、总的发酵热 Q = Q1 -（ Q2 + Q3 ）Q1：生物合成热、 Q2：蒸发热缺失、 Q3：罐壁向四周的散热；（ 1） Q1 运算有两种运算方法a 、按发酵旺盛期糖度下降的百分值运算：Q1=GSq q=418600J/kgb、依据冷却水来运算：Q1= WCp（ t2-t1 ）（ 2） 蒸发热 Q2Q2=5%-6% Q1（ 3）罐壁向四周散热 Q3 Q3 =Fα c〔tW-tB〕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 Δ tm 的运算 Δ 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）、冷却水耗量的运算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〕代谢终产物抑制排除方法： 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：发酵过程中保持肯定的真空度，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、蒸汽都有削减；生产才能、设备利用率提高；酒精浓度可达 33%。