生物工程设备知识点总结.docx

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=~: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: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:v≤、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:τ=F/A=μ(du/dy)=μγτ为剪应力,Pa或N/m2;F为切向力,A为流体面积;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(2)宾汉塑性流体τ=τ0+μsγτ0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=KγnK:均匀系数,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,η功热转化率,取η=;Q散发:Q蒸发、Q显、Q辐射,Q散发=;●冷却水带出的热量计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;●发酵液温升测量计算旺盛期,先使罐温恒定,关闭冷却水,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;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:400~600kJ/(m3·h·℃);适应:5m3发酵罐;●竖式蛇管4~6组换热系数高:1200~4000kJ/(m3·h·℃);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=~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/D=~(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=πD2hb/4+πD2ha/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=πD2[(H0+2(hb+D/6)]/4≈πD2/4+(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;料液可充满达80~90%,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;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,对某些产品生产容易造成染菌。●自吸式发酵罐的构件