生化工程期末复习题.pdf

1 生化工程复习题生化工程复习题 名词解释名词解释 1.临界稀释率临界稀释率 Dc: 流出反应器的物料中基质浓度等于流入反应器的物料中的基质浓度，此时的 稀释率称为临界稀释率 Dc 。 2.Y*X/S：生成细胞的干重与完全消耗于细胞生长的基质的质量之比，表示在无维持细胞代谢时 的细胞得率，可称为最大细胞得率。 3.补料分批发酵：补料分批发酵：介于分批培养与连续培养之间，在发酵的过程中连续或间歇的补加一种或一 种以上特定限制性底物，直到反应结束后才排出培养液的操作方式。 4.Crabtree 效应：效应：在酵母培养中，当糖浓度过高，即使溶解氧很充足，酵母菌也会将糖分解成 乙醇，从而使菌体得率下降的现象。 5.连续发酵：连续发酵：连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培 养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。 6.限制性底物：限制性底物：是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该营养物相对贫乏时， 就可能成为限制微生物生长的因子，可以是 C 源、N 源、无机或有机因子。 7.分批灭菌分批灭菌：是将配好的培养基送入发酵罐，通入蒸汽将培养基和所用的发酵设备一起进行灭 菌的操作过程，也称为实罐灭菌。 8.培养基灭菌培养基灭菌：是指杀灭培养基中有生活能力的微生物营养体及其孢子的过程。 9.返混现象：返混现象：反应器中停留时间不同的物料之间的混合称为返混。 10.PFR 模型模型：活塞流反应器，指反应器中物料的流动状况满足活塞流假设，通过反应器的物料 沿同一方向以相同速度向前流动，在流动方向上没有物料返混，所有物料在反应器中的停留时 间都是相同的。 11.绝对过滤介质绝对过滤介质：绝对过滤介质的孔隙小于细菌和孢子，当空气通过时微生物被阻留在介质的 一侧。 12.“清洗出罐清洗出罐”现象：现象：连续培养过程中稀释率大于临界稀释率 Dc，细胞的生长速率跟不上稀释 速率，反应器中的细胞浓度不断降低，最后细胞从反应器中被洗出。 13.深层过滤介质：深层过滤介质：空隙大于被阻隔的微生物，为达到所需除菌效果，介质必须有一定的厚度。 14.呼吸强度：呼吸强度：又称比耗氧速率 QO2，单位质量的细胞在单位时间内消耗的氧量。 2 15.传氧效率指标：传氧效率指标：把每溶解 1kg 溶氧消耗的电能（Kw.h/kg(O2)）定义为传氧效率指标。 16 截体结合法固定化细胞截体结合法固定化细胞：通过共价键、离子键、物理吸附等键合力将细胞固定在水不溶性载 体上的固定化细胞的一种方法。 17、均衡生长均衡生长:在细胞的生长过程中，如果细胞内各种成分均以相同的比例增加，则称为均衡生 长。非均衡生长:细胞生长时胞内各组分增加的比例不同，称为非均衡生长。 18.两段培养两段培养：生物培养过程中两种不同的条件，属于培养方式创新组合在发酵过程中优化应用 方面的技术领域。 19.临界溶氧浓度：临界溶氧浓度：当氧浓度达到一定值时，比生长速率不再增加，该浓度即为临界溶氧浓度。 20.牛顿型流体牛顿型流体：粘度是只是温度的函数，与流体的流动状态无关，这样的流体为牛顿型流体。 21.轴功率轴功率：即搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定的转速旋转时用以克服介质的阻 力所需用的功率。 22.混合时间混合时间 tM：把少许具有与搅拌罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两者达到分子水 平的混合所需要的时间。 23.全挡板条件：全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或者其他附件时，搅拌功率不再增加。 24.搅拌雷诺准数：搅拌雷诺准数：是惯性力与液体粘滞力之比即 Rem=ND2/。 25.深层过滤的对数穿透定律深层过滤的对数穿透定律：表示穿过过滤层的微粒数（N2）与进入滤层的微粒数（N1）之比， 是滤层厚度（L）的函数，ln(N2/N1)=-KL,可进行过滤层厚度的设计计算。 26.固定化酶：固定化酶：就是把游离的水溶性酶（细胞） ，设法限制或固定于某一局部的空间或固体载体 上。 27.VVM：以单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准状态）表示生物反应过程中的空 气流量。 简答题简答题 1. 什么是半连续培养？半连续培养主要有哪两种不同的方式？并说明细胞浓度和底物浓度什么是半连续培养？半连续培养主要有哪两种不同的方式？并说明细胞浓度和底物浓度 的变化特点。的变化特点。 分批培养过程中，于对数生长期的中后期，出现营养物质限制或代谢副产物之前，取出部分 营养液，再补充新鲜的培养液。这种反复将分批培养的培养液部分取出，重新又加入等量的新 鲜培养基，使反应器内培养液的总体积保持不变的培养方式，叫做半连续培养。半连续培养。 分为分为:主要有在取出部分培养液的同时取出部分细胞和不取出细胞取出部分细胞和不取出细胞两种方式。 3 特点：特点：取出细胞的培养方式，细胞浓度和底物浓度呈上下反复变化特点。不取出细胞的培 养方式，细胞浓度一直升高，底物浓度呈上下反复变化特点。 2. 说明动态法测量说明动态法测量 Kla 的原理和方法的原理和方法 P84 原理：原理：利用非稳态时，溶氧浓度的变化速率等于溶入的氧浓度和耗氧浓度之差，即： dC/dt=Kla（C*-C）-QO2X 重排列上式：C=-1/Kla（dC/dt+QO2X）+C* 将非稳态时溶氧浓度 C 对（dC/dt+QO2X）作图，可得一直线，此直线的斜率值即为-1/Kla 采用的方法采用的方法 A：停止通气，使发酵罐中的溶氧浓度下降。B：恢复通气（在溶氧浓度降到 临界溶氧浓度之前恢复通气） 。 3. 酶和细胞的固定化有哪些方法，分别说明这些方法？酶和细胞的固定化有哪些方法，分别说明这些方法？ 酶和细胞的固定化有载体结合法、 交联法和包埋法。 载体结合法载体结合法是指将酶或细胞通过共价键、 离子键、物理吸附等键合力固定到水不溶性载体上的方法。交联法交联法是使酶或细胞与具有两个以 上官能团的试剂（如戊二醛）进行反应，应用化学键把酶或细胞固定。包埋法包埋法是将酶包裹在凝 胶微小格子内，或是将酶包裹在半透性聚合物膜内的固定化方法。 4. 说明深层过滤除菌过程中主要的过滤机理。说明深层过滤除菌过程中主要的过滤机理。 1）惯性冲撞机制惯性冲撞机制气流中运动的颗粒，质量，速度，具有惯性，当微粒随气流以一定的速 度向着纤维垂直运动时，空气受阻改变方向，绕过纤维前进，微粒由于惯性的作用，不能及时 改变方向，便冲向纤维表面，并滞留在纤维表面。 2）阻截阻截（截留截留）机制机制阻截机制对阻截小颗粒比较有效。细菌的质量小，紧随空气流的流 线前进，当空气流线中所携带的颗粒和纤维接触时被捕集。截留微粒的捕集效率几乎完全取决 于微粒的直径，和气流速度关系不大。 3）布朗扩散机制布朗扩散机制微小的颗粒之间，颗粒与空气分子之间。碰撞布朗运动与纤维介质 相撞被捕集 5.微生物代谢产物的生成和菌体的生长之间通常有几种类型的关联，写出动力学方程并分别说微生物代谢产物的生成和菌体的生长之间通常有几种类型的关联，写出动力学方程并分别说 明。明。 4 6. 几种典型的非牛顿型流体有哪些？它们的流变学特性是怎样的？几种典型的非牛顿型流体有哪些？它们的流变学特性是怎样的？ 典型的非牛顿流体有：拟塑性流体、膨胀塑性流体和宾汉塑性流体。 1拟塑性流体的粘度随剪应速率的增加而下降。 2膨胀塑性流体的粘度随剪应速率的增加而升高。 宾汉塑性流体的主要特征是相临两层流体间的剪应力如果低于屈服剪应力，流体层间没 有相对流动，当两层流体间的剪应力大于屈服剪应力以后，与牛顿性流体有相同的流变学特性。 7. 酶经固定化后，活力大为降低，原因是什么？酶经固定化后，活力大为降低，原因是什么？ 1）酶和载体结合时，活性中心的氨基酸也或多或少地参与了结合 ，使得酶的结构发生部分 变化，酶活力有一部分丧失。 2）由于载体的存在，有空间位阻，影响底物和酶接触，酶的活性得不到全部表达。细胞固定 化后，一般酶活力不下降，细胞内酶受细胞膜、壁的保护。 8. 微生物间歇培养过程各阶段的比生长速率如何变化？微生物间歇培养过程各阶段的比生长速率如何变化？ 迟缓期：=0。加速生长期：增加，2大于1。对数生长期：达到最大值，为常数。 减速生长期：减小，2小于1。平衡期：=0。 9简述发酵过程中为何要调节简述发酵过程中为何要调节 KLa，提高，提高 KLa 的主要途径是什么？的主要途径是什么？ 当菌体生长的对数期到来时，培养液的耗氧速率大增，将导致原有供氧、耗氧平衡的破坏， 有可能使液内溶氧水平降低到临界值以下，此时必须采取措施提高 Kla。此外，当补料、加消 泡剂后，培养液的 Kla 也有相当程度的降低，也需要调节 Kla。 A：增加搅拌转数 N，以提高 Pg。增大通气量 Q，以提高空截面气速 Vs。B：N 和 Q 同时 增加。从提高传质推动力角度可采用：C：提高罐压和通入纯氧 10. 请简述为何增加搅拌转速请简述为何增加搅拌转速 N，可有效提高，可有效提高 kLa。 5 增加搅拌转数可以使通入的空气被充分破碎并被分散成细小的气泡，防止小气泡的 凝并，从而增加气液接触面积；增加搅拌转数还使液体湍动程度增加，减小气泡周 围液膜厚度，减小菌体细胞周围液膜厚度，从而减小气液传递阻力。由搅拌功率的 计算式以及 KLa 与设备参数和操作变数的关系式也可知，增加搅拌转数 N，可以提 高通气时的搅拌功率 Pg，从而可以有效提高 KLa 值。 11. 解释衰减时间解释衰减时间 D 值，并试证明值，并试证明 D=2.303/K，K 为杀菌常数。为杀菌常数。 衰减时间衰减时间 D 值值：微生物在受热过程中数目降低到原先数目的 1/10 （即 N/N。 =1/10） 所需要的时间。在相同温度下灭菌，D 值越大说明此微生物越耐热。 将对数残留公式中的 t 换成 D，可得到： D= N N KN N K 。 lg 303. 2 ln 1 = K 303. 2 lg10= K 303. 2 12. 常用的灭菌方法有哪些？发酵工业中为何应用最广的是湿热灭菌？常用的灭菌方法有哪些？发酵工业中为何应用最广的是湿热灭菌？ 常用的灭菌方法有：常用的灭菌方法有：化学灭菌、辐射灭菌、干热灭菌、湿热灭菌、过滤灭菌等。 湿热灭菌应用最广的原因：湿热灭菌应用最广的原因： 湿热灭菌法可在较低的温度下达到与干热法相同的灭菌效果，因为：湿热中蛋白 吸收水份，更易凝固变性；水分子的穿透力比空气大，更易均匀传递热能；蒸 汽有潜热存在，每 1 克水由气态变成液态可释放出 529 卡热能，可迅速提高物体的 温度。 13. 从比热死灭速率常数从比热死灭速率常数 K 与温度与温度 T 的关系说明高温短时灭菌原理。的关系说明高温短时灭菌原理。 2 ln RT E dT Kd 反应的E 越高，lnK 对 T 的变化率越大，即 T 得变化对 K 的影响越大。细菌孢子热死灭反应 的E 很高，而大部分营养物质热破坏反应的E 较低，故迅速提高到较高的灭菌温度，可以加 快细菌孢子的死灭速度，缩短在高温下的灭菌时间。由于灭菌时间的显著缩短，结果是营养成 分的破坏量在可接受范围内。高温短时灭菌是灭菌动力学的重要结论。 14. 功率准数功率准数 Vma VP P N / / 0 单位体积液体的惯性力 单位体积液体所受外力 ，试推导，试推导 NP= 5 3 0 DN P 。 （：涡轮线速度, a：加速度, V：液体体积, m：液体质量） 53 0 2 4 0 222 4 00 / 2 3 DN P DN NDP P V ma D DN rV m ND P V P N DN aa DVND ， ， 6 15. 证明：当雷诺准数的指数证明：当雷诺准数的指数 0.75 时，如果时，如果 P0/V 相等，以单位传质界面表示的传质系相等，以单位传质界面表示的传质系数数 kL相等，即相等，即(kL)1=(kL)2。 即是说，当0.75 时，不论 D2/D1 如何，单位体积等功率的放大方法都可以应用，能满 足 (kL)1=(kL)2 16. 简述以简述以 kLa（或（或 kd）为基准的比拟放大步骤。）为基准的比拟放大步骤。 放大步骤：放大步骤： （l）计算试验罐的 kd 值： 求搅拌雷诺准数判断发酵系统状态功率系数 NP求不通气时搅拌功率通气时搅拌 功率根据空截面气速算出试验罐的溶氧系数 kd （2）按几何相似原则确定试验罐的尺寸 （3）确定大罐的通气流速 vs，计算通风强度 （4）按 kd 相等原则计算放大罐的搅拌转速和搅拌轴功率 （5）将计算结果列成表 17. 简述以简述以 P0/V 相等为准则的比拟放大步骤。相等为准则的比拟放大步骤。 （1）按几何相似确定尺寸 （2）计算放大罐的转速； （3）选择适当的通气速率，计算放大罐的轴搅拌功率； （4）计算放大罐的溶氧系数 12 2 12 1 1 2 2 2 22 1 2 11 21 2 DD N N D DN D DN kk NDDk LL L 即： 假设 3 2 2 1 12 2 1 21 3 2 2 1 1 2 2 0 1 0 D D D D kk D D N N V P V P LL 时，同时 时，前面得出：在 75. 0 3 212 即 。是满足条件的唯一选择 7 18. 举例简述反应器比拟放大准则选择的原则。举例简述反应器比拟放大准则选择的原则。 首先要从大量的试验材料中把握和找出影响生产过程的主要矛盾，在着重解决主要矛盾的 同时，不要使次要矛盾激化。 （2 分）例如，单纯按照 kLa 相等为准则放大的生物反应器，液体 剪切力可能会上升到剪切敏感系统不可接受的程度，投入生产，就可使生产失败，必须注意不 使这类情况出现，为此往往或多或少地牺牲几何相似的原则（2 分） ；溶氧速率控制，以 P0/V 为 放大准则，若剪切力敏感，则以 Q/H 和DN 作为校核指标，保证剪切率不超过标准，混合时 间不过分延长等等。 （2 分） 19. YX/S，YATP和和 YC的表示什么，其定义是什么？的表示什么，其定义是什么？ 20. 简述补料分批培养适用的发酵过程特点。简述补料分批培养适用的发酵过程特点。 补料分批培养主要适用于代谢产物得率或生成速率受底物影响、细胞的生长状况和培养环境需 要调节的过程： 细胞的高密度培养过程，所用底物在高浓度时对菌体生长有抑制作用，存在 Crabtree 效应，营 养缺陷型菌株的培养，受异化代谢阻遏的系统，高粘度的培养系统。 补料操作可以有效地控制发酵过程，提高发酵过程的生产水平，在生产中得到广泛应用。 21. 简述连续培养的优缺点。简述连续培养的优缺点。 连续培养的优缺点：连续培养的优缺点： 优点优点：细胞生长速度、代谢活动处于恒定状态，能够高速稳定的大量生产，生产效率高，劳 动成本低，产品质量稳定; 缺点缺点:(1) 开放式操作导致容易染菌；(2) 有些细胞得不到更新，容易退化变异。 22. Monod 方程是典型的均衡生长模型，简述其假设基础。方程是典型的均衡生长模型，简述其假设基础。 菌体生长为均衡型非结构式生长。培养基中只有一种底物是生长限制性底物，其他营养成 分不影响微生物生长。将微生物生长视为简单反应，菌体得率为常数。 23. 简述简述连续发酵有哪些优越性，为什么不能用连续发酵完全代替间歇式发酵？连续发酵有哪些优越性，为什么不能用连续发酵完全代替间歇式发酵？ 连续发酵中，微生物的生长代谢活动保持旺盛的稳定状态，而 pH、营养成分、溶解氧等 都保持恒定，并从系统外部予以调控。这样就大大提高了设备利用率。 8 与分批发酵相比较，连续发酵具有单位产量的反应器容积小，人工费用低，产品质量稳定及 发应速率容易控制的优点。 在连续发酵试验和生产中，遇到了在长期连续发酵过程中，微生物的突变和杂菌污染的问 题，欲保持长期的无菌状态，在技术上尚有一定的困难；发酵液在连续流动过程中的不均匀 性和丝状菌在管道中流动的困难，以及对微生物动态方面的活动规律还缺乏足够的认识。目前 还不能根据连续发酵的理论完全来控制和指导生产。 24. 简述圆盘平直叶涡轮搅拌器中圆盘的作用。简述圆盘平直叶涡轮搅拌器中圆盘的作用。 圆盘平直叶涡轮与没有圆盘的平直叶涡轮相比，其搅拌特性差别甚微。但在发酵罐中无菌空气 由单开口管通至搅拌器下方，大的气泡受到圆盘的阻挡，避免从轴部的叶片空隙上升，保证了 气泡的更好的分散。 25. 解释为什么培养基的灭菌过程中不能做到绝对无菌？发酵生产中对培养基的灭菌的无菌程解释为什么培养基的灭菌过程中不能做到绝对无菌？发酵生产中对培养基的灭菌的无菌程 度一般是如何要求的？度一般是如何要求的？ 若要求灭菌后绝对无菌，即 N=0，根据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 N=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。 26. 简述生物反应与化学反应的区别。简述生物反应与化学反应的区别。 生物反应过程与化学反应过程本质的区别是有生物催化剂参与反应。特点： 1）反应在温和 的条件下进行； 2）反应速率比化学反应过程慢很多； 3）反应的复杂性有时难于预计。 27. 双膜理论的基本论点。双膜理论的基本论点。 （1）气泡和液体之间存在界面，两边分别有气膜和液膜，均处于层流状态，氧分子只能借浓度 差以扩散方式透过双膜，气体和液体主流空间中任一点的氧分子浓度相同。（2）在双膜之间的 界面上，氧分压强与溶于液体中的氧浓度处于平衡关系。（3）传质过程处于稳定状态，传质途 径上各点的氧浓度不随时间而变。 28. 酶经固定化后稳定性增加主要表现在哪些方面并简述稳定性增加的原因。酶经固定化后稳定性增加主要表现在哪些方面并简述稳定性增加的原因。 在多数情况下，酶或细胞被固定化后，一方面，由于载体的存在，酶分子的结构被约束， 防止了酶分子的变形；另一方面，载体的存在使其对外部恶劣环境的敏感性下降，稳定性有所 增加，而且有时稳定性增加的幅度比较大。固定化酶的稳定性增加主要表现在热稳定性的提高， 9 其次还表现在 PH 稳定性，对蛋白质的稳定性，操作稳定性和贮藏稳定性等方面。 29. 如何理解如何理解“内扩散比外扩散对酶反应动力学的影响更突出内扩散比外扩散对酶反应动力学的影响更突出”。 外扩散限制可以通过增加反应体系搅拌速率基本消除（1 分） ，而内扩散限制则与固定化酶 颗粒内部的物理结构和反应物系性质等因素有关，无法消除（2 分） 。但采用小颗粒的固定化酶 可以有助于减少内扩散限制效应（2 分） 。 30. 固定化酶的优缺点。固定化酶的优缺点。 与游离酶（细胞）相比，固定化酶（细胞）具有如下的优点优点： （1）容易将固定化酶（细胞）与底物，产物分开，产物溶液中没有酶（细胞）的残留，简化了 提纯工艺； （2）可以在较长时间内反复使用，有利于工艺的连续化； （3）反应过程可控性提高，有利于工艺自动化计算机； （4）在绝大多数情况下提高了酶（细胞）的稳定性； （5）较能适应于多酶反应； （6）酶的使用效率，产物得率提高，产品质量有保障。 但固定化酶（细胞）也存在一些缺点缺点，如酶（细胞）固定化时酶的活力有所损失，比较适应水 溶性底物和小分子底物。 31. 对数穿透定律的四点假设。对数穿透定律的四点假设。 （1）过滤介质每一纤维的空气流态并不因其它邻近纤维的存在而受影响 （2）空气中的微粒与纤维表面接触即被吸附，不再被气流卷起带走 （3）过滤效率与空气中微粒的浓度无关 （4）空气中微粒在滤层中递减均匀，即每一纤维薄层除去同样百分率的菌体 32. 提高空气过滤除菌效率的措施。提高空气过滤除菌效率的措施。 （1）减少进口空气的含菌数减少进口空气的含菌数 加强生产环境的卫生管理，减少空气中的含菌量 正确选择进气口，空气站应在生产车间的上风向 提高空气进口位置，加强压缩前的空气预过滤 （2）设计合理的空气预处理设备，除油、水和杂质设计合理的空气预处理设备，除油、水和杂质 采用无油润滑空气压缩机 10 加强空气的冷却、分离除去油、水 提高进入总过滤器的空气温度，降低其相对湿度 （3）设计和安装合理的空气过滤器，选设计和安装合理的空气过滤器，选 用除菌效率高的过滤介质用除菌效率高的过滤介质 33. 发酵过程中所使用的搅拌器必须满足哪些条件，并简述理由。发酵过程中所使用的搅拌器必须满足哪些条件，并简述理由。 能产生足够的剪切速率，足以将气流击碎成气泡，增大气液接触面积，提升氧溶入水的传质 速率，但防止速率过大击碎丝状菌。 能提供足够的液体循环量，使得罐内发酵液混合时间尽可能短，避免发酵速率区域变化造成 不良后果。 计算题计算题 1. 在一连续操作的搅拌槽式反应器中，用乳糖培养大肠杆菌，反应器的体积为 2 L，加入乳糖 的初始浓度为 160mg/L，如果用不同的加料速度时，结果如下： 流加速率 F(L/h)底物浓度 S(mg/L)细胞浓度 X(mg/L) 0.2415.6 0.41015 0.84012 1.01006 求大肠杆菌最大比生长速率求大肠杆菌最大比生长速率m和和 Ks。 解：解：由由=D=F/V，求得一定稀释率下的，求得一定稀释率下的，代入莫诺方程，列出两组方程即可，代入莫诺方程，列出两组方程即可 SK V F D s m S ) 1 (2 . 0 2 4 . 0 ) 1 ( 1 . 0 2 2 . 0 V F 2 2 1 1 hV F h 10 10 2 . 0 4 4 1 . 0 s m s m K K )/(20 ) 1 (6 . 0 LmgK h s m 2. 有一发酵罐，内装有 60m3的培养基，在 121下进行实罐灭菌。设每毫升培养基中含有耐热 菌的芽孢 1106个，121时的灭菌速度常数为 0.0225(1/秒)。若不考虑加热升温和冷却降温段 对灭菌的贡献，计算所需灭菌时间。 解：解：N。=601106106=61013 N=10-3,k=0.0225 s-1=1.35 min-1 t= N N。 ln k 1 = 35. 1 1 ln(61016)=28.62 min 11 3. 某厂 10m3机械搅拌发酵罐， 发酵罐直径 D=1.8m， 一只圆盘六箭叶涡轮搅拌器直径 D =0.6m， 罐内装有四块标准挡板，装液量 VL为 6m3，搅拌转速 N=150rpm，通气强度为 1.0VVm，醪液 粘度=2.2510-3Ns/ m2，醪液密度 =1020 kg/ m3，求轴功率 Pg和 Kd。 已知条件：在充分湍流状态时，圆盘箭叶涡轮搅拌器的功率准数 NP= 3.7，Pg0.577P0， L i e ND R 2 ， 97 . 0 56. 0 10/3 . 336. 2 NvVPNK sLgid 。 解：先求搅拌雷诺准数：解：先求搅拌雷诺准数： 4 3 2 2 108 .40 1025. 2 1020)6 . 0(60/150 L i e ND R 故发酵系统属充分湍流，功率系数故发酵系统属充分湍流，功率系数 NP=3.7。故叶轮的不通气时搅拌功率为：。故叶轮的不通气时搅拌功率为： KW)(4.586W)(45866 . 01020 60 150 7 . 3 5 3 53 0 iLP DNNp 通气搅拌功率为：通气搅拌功率为：Pg0.577 P0=2.647KW 空截面气速为空截面气速为: (cm/min)9 .235min/359. 28 . 1 4 16 2 mvs 从而可算出溶氧系数：从而可算出溶氧系数： 69-7 . 07 . 0 56. 0 97 . 0 7 . 056. 0 1047. 5101509 .2356/647. 23 . 336. 210/3 . 336. 2 NvVPNK sLgid 4. 设计一台通风量为 50m3/min 的棉花活性炭空气过滤器，空气压力为 0.4 MPa(绝对压力)，已 知进口空气压强为 0.1MPa，棉花纤维直径 d=16m，填充系数= 8%，空气线速度为 0.1 m/s， 若进入空气过滤器的空气含菌量是 5000 个/m3，要求因空气原因引起的倒罐率为 0.1%，发酵周 期 100h。工作温度为 40，平均气温为 20，计算过滤介质厚度和过滤器直径。 纤维直径 d=16m，填充系数= 8% 时棉花纤维的 K值： 空气流速 v0(m/s)0.050.100.501.02.03.0 K (1/cm)0.1930.1350.10.1951.322.55 解：解：查表当查表当 v0= 0.1 m/s 时，时，K=0.135/cm。 N1= 50005060100 = 1.5109，N2= 10-3，则过滤介质厚度：，则过滤介质厚度： cm K N N L2 .90 135. 0 18.12 lg 1 2 P1= 0.1 MPa，P2= 0.4 MPa，V1= 50 m3/min = 0.83 m3/s，由气态方程得：，由气态方程得： sm T T P P VV 3 1 2 2 1 12 22. 0 20273 40273 4 . 0 1 . 0 83. 0 m v V D s 67. 1 1 . 014. 3 22. 044 2 5. 一连续灭菌反应器管长 L 为 50m，管径 d 为 0.12m，物料在管内流量 15m3/h。外加热器能使 培养基迅速升温至灭菌温度，外冷却器能迅速将培养基降温至接种温度。培养基初始杂菌浓度 12 51012个/m3，需要把培养基的中的杂菌浓度降低到连续灭菌操作两个月只存留一个杂菌（每个 月按 20 个工作日计算） ，计算灭菌温度。 条件： 600KPa(表压） 的蒸汽将培养基加热到 125， 此时培养基的比热容为 4.187kJ/ （kg K） 、 密度 1000kg/m3，粘度为 4kg/（mh） ，摩尔气体常数为 1.9874.187 J/（molK） ，频率因子 5.71039h-1，菌体死亡活化能 2.834105J/mol，Re 为 106时 De/ud=0.2，为 104时 De/ud=0.3。当 Npe为 8001100 时，N/N0为 10-15，K=36；N/N0为 10-16，K=38；N/N0为 10-17，K=43。 解：无菌程度：解：无菌程度： 。N N = 244015105 1 12 =1.410-17 平均流速：平均流速：u= 2 12.0 4 15 =1327 (m/h) 雷诺数：雷诺数：Re= ud = 4 132712. 01000 =3.98104 当当 Re=3.98104时，时， ud De =0.3 轴向扩散系数：轴向扩散系数：De=0.3ud=0.313270.12=47.8 (m2/h) 则则 NPe= De Lu = 8 .47 501327 =1388.1 当当 NPe=1388.1， 。N N =1.410-17时，时，k=43 即即 k u L =43 k=43 L u =43 50 1327 =1141 (h-1) 根据阿伦尼乌斯公式有：根据阿伦尼乌斯公式有：k=Ae- E/RT T= ) k (ln E A R = ) 1141 107 .5 (ln187.4987.1 10834.2 39 5 =403.1 K=130.1 6. 某细菌缪发酵罐，罐直径 T=2.0m，圆盘六平叶涡轮直径 D=0.4m，安装一只涡轮，罐内安装 四块标准挡板，罐压 P=1.5105Pa（绝压） ，搅拌器转数 N=150r/min，通气量 Q=1.50m3/min（罐 内状态流量） ，缪液密度=1010kg/m3，缪液粘度=1.9010-3Ns/m2，求算通风状态下的搅拌功 率 Pg。 解：解：Rem=ND2/= 3 2 1090.1 10104 .0 60 150 =2.13105104 流体处于充分湍流流体处于充分湍流 NP=6.1 P。=NPN3D5=6.1(150/60)30.451010=0.986 kW Pg=2.25(P。2ND3/Q0.08)0.3910-3 13 =2.25(0.9862150403/15000000.08)0.3910-3 =0.75 kW 7. 将一圆柱形发酵罐从 5L 放大到 5000L。已知小发酵罐的高径比 H/T 为 3.5，搅拌器直径 D 是 罐径 T 的 40。搅拌器转速为 450r/min。分别利用 P0/V 恒定，搅拌器尖端线速度恒定和雷诺 数恒定为放大原则确定大发酵罐的直径和搅拌转速 解：解：V1=5L,V2=5000L,H1/T1=3.5,D1=0.4T1,N1=450r/min V1= 4 T12H1= 4 T123.5T1= 4 5 . 3 T13=510-3m3 T1=0.122 m 小罐的几何尺寸为：小罐的几何尺寸为：T1=0.122 m，H1=0.427 m,D1=0.049 m 放大倍数：放大倍数：m=5000/5=1000 根据几何相似原则，得出大罐的几何尺寸为：根据几何相似原则，得出大罐的几何