生物反应器设计复习资料.doc

判断：15*1=15 填空：25空*1=25 选择：10*2=20计算：2个=15 简答：4个=25第1章 生物反应器设计基础一、生物反应器的化学计量基础1.生化反应方程式CHmO1+aNH3+bO2 YbCHpOnNq(生物量)+YpCHrOsNt（产物）+cH2O+dCO2其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。平衡式：C:1=Yb+Yp+d N：a=qYb+tYpO：1+2b=nYb+sYp+c+2d H：m+3a=pYb+rYp+2c 2、维持定义1/YXS=1/YmaxXS+ms/式中: YXS生物量对基质的得率； YmaxXS得率最大值； ms维持系数； 比生长速率。若方程两项乘以，得到基质消耗的线性方程： =/ YmaxXS + ms 式中：合成单位生物量的基质消耗速率。当有产物产生时 =/ YmaxXS +/ YmaxXS +ms 式中：单位生物量的产物生成率。2、 生物反应器的生物学基础一 ）细胞数动力学1指数生长期比生长速率；X生长量浓度，以g/L表示；t生长时间。对方程求积分：并将t为零时的生物量浓度称为X0， 则： ln(XX0)=t 因此倍增时间(XX0=2时的时间t)是：td= ln2/2.减速期Monod方程：二 ）产物形成动力学（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：1主要产物是能量代谢的结果（Gaden（分类）型 ）；例：酵母厌氧生长过程中的酒精合成2主要产物是能量代谢的间接结果（Gaden（分类）型 ）；例：霉菌好气生长过程中柠檬酸的合成和细胞中PHB的胞内积累3产物是二次代谢物（Gaden（分类）型 ） ；例：霉菌好气发酵中青霉素的生产4产物是胞内或胞外蛋白。例：酶合成计算1. 假如通过实验测定，反应底物葡萄糖中2/3的碳转化为细胞的碳，（1）计算该反应的计量系数C6H12O6+aO2+bNH3 cC4.4H7.3O1.2N0.86 +dH2O+eCO2(2) 计算上述反应的得率系数YX/S（g干细胞/ g底物）和YX/O（g干细胞/ g氧）。解: (1)1mol葡萄糖含有的碳为6mol，转化为细胞的碳为 6*2/3=4mol 则有 4=4.4c, c=0.909 转化为CO2的碳量为2mol，则有 2=e, e=2 N平衡 b=0.86c ,b=0.782 H平衡 12+3b=7.3c+2d, d=3.854 O平衡 6+2a=1.2c+d+2e 所以a= 1.473(2)2. 一发酵罐基质浓度为225g/L，细胞浓度0.15g/L，dX/dt=1.5g/h,当基质浓度为175g/L，细胞浓度为0.1g/L，此时， dX/dt=0.875g/h,若细胞生长可用Monod方程描述，求动力学参数max、Ks？解：已知：S1=225g/L X1=0.15g/L dX/dt=1.5g/h, S2= 175g/L X2= 0.1g/L dX/dt=0.875g/h,由Monod方程：得：max=20h-1 Ks=225g/L3.已知发酵罐内细胞总浓度为400g/m3 ，此时细胞浓度随时间变化率为0.02g/Lh，则求（1）细胞比生长速率;（2）若此时细胞处于对数生长期，细胞数量倍增时间td 。解：已知：X=400g/m3， dX/dt=0.02g/Lh(1) 由 (2)td=ln2/0.693/0.05=13.86h4. 已知某发酵过程动力学可用下述公式描述 （1） （2） （3） 基质初始浓度为S0=100g/L，产物的初始浓度P0=0，细胞初始浓度X04g/L，基质饱和常数KS25 g/L，最大潜在比生长速率max0.25h-1，细胞对基质的得率系数YXS0.06，单位产物的细胞质量系数YXP0.16.试求:细胞质量倍增时间td及此时的基质浓度S和产物浓度P。解：由（2）式 得： 积分得： 有： （4）则细胞质量加倍后的基质浓度为（4） 代入（1）：令 则上式变为： 分离变量积分即 所以有即从而有 则细胞质量倍增时间第2章 通风发酵设备1、 常用通风发酵罐的类型机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐 、通风固相发酵设备第1节 机械搅拌通风发酵罐1、机械搅拌通风发酵罐原理：通入的压缩空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、溶氧传质，同时强化热量传递。结构：（1）罐体：罐体由罐身、罐顶、罐底组成， 罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。 注意：罐体上的管路越少越好，进料、补料和接种口可共同一个接口。 （2）搅拌器：作用：混合和传质 类型：轴向式（桨叶式、螺旋桨式）、径向式（涡轮式） （3）挡板：作用：防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质。 全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。 （4）消泡器：作用：将泡沫打破。 类型：锯齿式、梳状式及孔板式。 （5）空气分布装置：单管式分布装置、环形管的分布装置： （6）联轴器：作用：联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接 类型：联轴器有鼓形及夹壳形两种 （7）轴承：为了减少震动，中型发酵罐般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。（8）变速装置试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。（9） 轴封作用: 使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。类型：填料函轴封（易磨损和渗漏，已不用）、端面轴封2、 发酵罐的换热装置夹套式换热装置竖式蛇管换热装置竖式列管换热装置3、 气升式发酵罐（ALR）A、 工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过汽液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的汽液混合物密度降低故向上运动，而气含量小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧。B、 常见类型：气升环流式反应器、气液双喷射气升环流反应器、设有双层板的塔式气升发酵罐等4、气升环式反应器的特点： 1 反应溶液分布均匀； 2 较高的溶氧速率和溶氧效率； 3 剪切力小，对生物细胞的损伤小； 4 传热良好； 5 结构简单，易于加工制造； 6 操作和维修方便。5、计算（1）平均循环时间tm（2）液气比R定义：发酵液环流量和通风量之比。一气升环流式发酵罐中发酵液体积为10m3，导流筒半径为200mm，导流筒内发酵液的平均流速为1.5m/s，若通风量为1m3/min。计算发酵液的环流量VC（m3/min）、平均循环时间tm（s）及液气比R。解：已知：VL=10m3 vm=1.5m/s VG=1m3/min RE=200mm=0.2m DE=0.4m由公式： m3/min S 6、自吸式发酵罐A、工作原理：自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而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并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。B、应用：医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等。 C、常见类型：搅拌自吸式发酵罐、喷射自吸式发酵罐、溢流喷射自吸式发酵罐D、 特点：优点：不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积。 溶氧速率高，溶氧效率高、能耗低。 用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点。缺点：由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。 必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。第3章 嫌气发酵设备1、 高压水力喷射洗涤装置:一根直立的喷水管，安装于罐中央，在垂直喷水管上钻小孔，水平喷水管借活接头，上端和供水管，下端和垂直分配管连接。水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，并以极大的速度喷射到罐壁，而垂直喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体和罐底。2、发酵罐的冷却装置中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置。此外，也有采用罐外列管式喷淋效率高等优点。3、 酒精发酵罐的计算-必考A、发酵罐结构尺寸的确定 发酵罐全容积的计算：式中：V-发酵罐的全容积（m3） V0-发酵罐中的装液量（m3） -装液系数（一般取0.850.90）带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为：式中 D：罐的直径(m) H：罐的圆柱部分高度(m) h1：罐底高度(m) h2：盖高度(m)通常：H=1.11.5D, h1=0.10.14D, h2=0.050.1DB、发酵罐罐数的确定 对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：式中 N：发酵罐个数（个） n：每24h内进行加料的发酵罐数 t：发酵周期（h）C、发酵罐冷却面积的计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即： 式中 F：冷却面积(m2) Q：总的发酵热(J/h) K：传热总系数(J/m2.h.C) tm：对数平均温度差(C)C、（1）总发酵热的估算微生物在厌氧发酵过程中总的发酵热由三部分热量所组成：生物合成热Q1、蒸发热损失Q2 、罐壁向周围散失的热损失Q3即：Q= Q1 -（ Q2 + Q3 ）（2） 对数平均温度差tm的计算 tF：主发酵时的发酵温度（C） t1：冷却水进口温度（C）t2：冷却水出口温度（C）（3）传热总系数K值：1/K=1/K1+1/K2+R垢+b/(4) 冷却水耗量的计算QA=QB=WCp(T2-T1) W=QB/Cp(T2-T1 ) 式中：W:冷却水耗量，kg/h T2、T1:冷却水进出口温度，Cp:冷却水平均温度(T1+T2)/2时的比热，J/(kg.) 某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24吨小时，每4小时盛满一罐，发酵周期为72小时，冷却水的初、终温分别为20C和25C，若罐内采用蛇管冷却，K=1932 kJ/(m2.h.C )。试确定：(1) 发酵罐的结构尺寸， (2)罐数，(3)冷却水耗量， (4)冷却面积。(糖化醪密度为1076kgm3)。(1) 冷却水耗量的计算例题：某酒厂发酵液的处理量为25t/h，发酵周期100h，每个酒精发酵罐的装填时间为5h，填料系数0.85，冷却水进出口温度分别为18、25 。主发酵温度为32 ，发酵罐热损失为1.5104kJ/h，蒸发热损失约为生物合成热的5%。采用小型罐进行试验时，若试验罐内的发酵液体积为0.5m3，冷却水进出口温度为18 、19 ，流量为0.47m3/h。罐内采用蛇管冷却，生产发酵罐内采用1086mm钢制蛇管进行冷却，已知发酵液密度为1080kg/m3 ，水的比热为4.182 J/(kg.) 。试计算所需发酵罐的个数，冷却水耗量及所需冷却蛇管的总长度（蛇管换热按外壁计） 。4、 啤酒发酵设备1、 圆筒体锥底发酵罐 二、联合罐 三、朝日罐5、 发酵罐锥底角，取排出角为60130(考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，一定体积沉降酵母在锥底中占有最小比表面积时摩接力最小)。一般取70 冷媒采用乙二醇、酒精溶液或氨（直接蒸发）。发酵罐冷却夹套一般为24段，视罐的高度而定。锥底：缩短发酵时间，具有生产上的灵活性6、 所谓CIP系统，是clean in place的简称，意即内部清洗系统。第3章 物料处理与输送设备1、 固体物料的筛选除杂设备-谷物原料粗选设备A、 大麦粗选机：结构：由筛选与风选组成 筛体内一般由三层筛面组成。B、磁力除铁器：平板式和旋转式2、大麦的精选及分级设备 精选目的：主要是去除圆形杂粒，特别是断裂的半粒大麦和草籽。分级目的：把腹径大小不同的麦粒分开，以便在浸渍和发芽过程中保持均匀一致，提高麦芽质量和精选大麦的出芽率。3、大麦精选机 常用的精选机有碟片式精选机和滚筒精选机。4、 粉碎类型湿式粉碎：将水和原料一起加入粉碎机中，从粉碎机出来的是粉浆。干式粉碎：将干物料送入粉碎机中。5、 固体物料的粉碎设备A、 锤式粉碎机工作原理：物料从上方料斗加入，在悬空状态下就被锤刀的冲击力所破碎。然后物料被抛至冲击板上再次被击碎。此外物料在机内还受到挤压和研磨的作用。被粉碎的物料通过机壳上的筛网孔排出。 适用范围：原料（如：瓜干、高粱、玉米等）的中碎和细碎工作；各种中等硬度的物料和脆性物料。B、辊式粉碎机工作原理：由2个直径相同的钢辊相向转动，把放在钢辊间的物料夹住进入两辊之间，物料受挤压而破碎。适用范围：广泛用于粒状物料的中碎和细碎。例：啤酒厂中麦芽和大米等。C、圆盘钢磨适用范围：用于粉碎小麦、玉米、大豆、大米等。类型：单转盘磨盘机、双转盘磨盘机第4章 培养基的制备及灭菌设备1、淀粉质原料蒸煮糖化目的：1 将不溶性淀粉变成可溶性淀粉 2 灭菌2、 蒸煮设备 ：主要有罐式和柱式连续蒸煮设备。3、 注意：加热罐和后熟器的直径不宜太大，以保证醪液先进先出。4、啤酒厂糖化设备的组合方式 四器组合：糊化锅、糖化锅、过滤槽（或压滤机）和麦汁煮沸锅。A、糊化锅 作用：用来加热煮沸辅助原料和部分麦芽醪液，使其淀粉液化和糊化。B、糖化锅 作用：使麦芽粉与水混合，保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。C、麦汁煮沸锅 作用：用于麦汁的煮沸和浓缩，使麦汁达到要求的浓度； 浸出酒花的苦味及芳香物质； 凝固蛋白质、灭菌、灭酶。D、糖化醪过滤槽 ：作用：澄清麦汁 5、 糊化锅的锅底设计成弧形原因原因在弧形锅底对流体传热循环的影响上，节省搅拌动力消耗，促进液体循环，还便于清洗和液体排尽。第5章 过滤、离心与膜分离设备1、 发酵液的预处理方法：加热、凝聚和絮凝、加入盐类、调节pH、加入助滤剂2、 硅藻土过滤介质通常有三种用法： 作为深层过滤介质 作为预涂层 作为助滤剂3、 过滤设备类型按过滤推动力，过滤可分为：常压过滤-糖化醪过滤槽加压过滤-板框过滤机、气压式过滤机和加压叶片过滤机真空过滤-真空叶片过滤机4、 加压过滤设备:板框式压滤机、板式压滤机、自动板框压滤机常用的板框压滤机有BMS,BAS,BMY和BAY等形式，B板框压滤机，M明流，A暗流，S手动压紧，Y液压压紧；代号下面的数字表示过滤面积、内框尺寸及框的厚度。如BMY60/810-25表示明流液压压紧的板框压滤机，过滤面积60m2,内框尺寸810810mm,内框尺寸25mm。 5、 转筒真空过滤机的结构与操作工作原理 ：真空过滤设备采用大气与真空之间的压强差作为过滤操作的推动力。3区：过滤区：转鼓中下面的一些过滤室与料液相接触。过滤室与真空系统相通，于是料液中的固体粒子被吸附在滤布的表面而形成滤渣层，滤液被吸入鼓内经导管和分配头排至滤液贮罐中。 洗涤及脱水区：当转鼓从料液槽中转出后，洗涤水喷嘴将洗涤水喷向鼓上的滤渣层进行洗涤。同时处在真空情况下，于是洗涤水和滤渣的残余水分不断地被抽入鼓内，并通过分配头将其引入另一贮罐中。 卸渣及再生区：此区内通入压缩空气或蒸汽使滤渣松散与滤布脱离，随后由刮刀将刮下。 6、 离心分离设备的分类按转速分类 （） 常速离心机（）高速离心机（）超高速离心机按操作方法分类 （）间歇式离心机-加料、分离、洗涤、卸渣等操作均系间歇进行。如三足式离心机，上悬式离心机。 （）连续式离心机-加料、分离、洗涤、甩干、卸渣、过滤介质再生等操作是自动间歇进行地或自动连续地进行。如螺旋卸料离心机，刮刀卸料离心机等。工业上根据离心分离因数（f）大小将离心机分为三类：普通离心机 高速空心机 超速离心机7、 常用离心机：（一）管式离心机（二）碟式离心机第6章 蒸发与结晶设备1、 蒸发的分类常压蒸发、真空蒸发（减压蒸发）2、真空蒸发的优点：（）降低物料的沸腾温度；（）提高热源与物料间的温度差，加速蒸发过程；（）为二次蒸汽的利用创造条件，可采用双效、多效真空蒸发；（）蒸发器损失减少。真空操作的缺点：（）溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降（）动力消耗大。因需要有造成减压的装置3、薄膜蒸发器的分类：（）管式薄膜蒸发器升膜式蒸发器：形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同，由下而上的并流上升。降膜式蒸发器：形成的液膜与蒸发的汽流的方向相同，由上而下并流下降。升降膜式蒸发器：将同一蒸发器的加热管分成两程，溶液先以升膜式进行蒸发，再以降膜式进行蒸发。4、 液膜形成过程1） 溶液在加热的管子内由下而上运动时，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，管内液体产生图a所示的自然对流运动。2） 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。由于蒸汽的密度小，故气泡通过液体而上升（图b)。3）当温度不断上升，气泡大量增加，蒸汽气泡互相碰撞，小气泡聚合成较大的气泡于管子中部上升，气泡增大，气体上升的速度则加快，最后形成柱状（图c,d,e）。4 ）当蒸汽所产生的气泡很多，流速很快，蒸汽占据了整个管子中部空间，液体只能分布于管壁，形成环形液膜，液膜上升是靠高速蒸汽对流层的拖带而形成，称为“爬膜”现象（图f)。5、薄膜蒸发器适用物料升膜式蒸发器适用范围：适于处理蒸发量较大的稀溶液，热敏性和易生泡沫的溶液； 不适于浓度高、粘度大、有晶体析出溶液的蒸发。降膜式蒸发器适用范围：适于处理浓度、粘度较大的溶液 不适于处理易结晶、结垢的溶液。升降膜式蒸发器：适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。 6、结晶的步骤过饱和溶液的形成晶核的形成晶体生长其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。7、 常用的工业起晶方法自然起晶法：溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核、当产生一定量的晶种后，加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区，新的晶种不再产生，溶质在晶种表面生长。刺激起晶法：将溶液蒸发至亚稳定区后，冷却，进入不稳定区，形成一定量的晶核，此时溶液的浓度会有所降低，进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长。晶种起晶法：将溶液蒸发后冷却至亚稳定区的较低浓度，加入一定量和一定大小的晶种，使溶质在晶种表面生长。该方法容易控制、所得晶体形状大小均较理想，是一种常用的工业起晶方法。8、 立式搅拌结晶箱-较小的柠檬酸结晶 等电点结晶罐-谷氨酸结晶 卧式搅拌结晶箱-谷氨酸钠的助晶和葡萄糖的结晶 真空煮晶锅-谷氨酸钠（味精）的结晶9、 物料输送设备流体物料输送：泵固体物料输送：机械输送设备、气力输送装置作业1、 简述机械搅拌通风发酵罐的结构和各主要部件的作用-3种2、 试介绍几种常用的通风发酵罐的工作原理及特点，并举例说明其应用情况。A、机械搅拌通风发酵罐原理：通入的压缩空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、溶氧传质，同时强化热量传递。优点：高生产效率、高经济效益不足：设备构造比较复杂,动能消耗较太,轴封易泄露和染菌.应用：谷氨酸发酵B、气升式发酵罐（ALR）工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过汽液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的汽液混合物密度降低故向上运动，而气含量小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧。特点：1 反应溶液分布均匀； 2 较高的溶氧速率和溶氧效率； 3 剪切力小，对生物细胞的损伤小； 4 传热良好； 5 结构简单，易于加工制造； 6 操作和维修方便。应用：发酵及污水处理C、自吸式发酵