生物工程设备知识点总结

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=0.33~0.45

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：

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≤7.5m/s

3、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)=μγ

τ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+μsγ

τ0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=Kγn

K：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=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(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；

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=1.7~4

d/D=1/2~1/3

W/D=1/8~1/12

B/D=0.8~1.0

(s/d)2=1~5

H0/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/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=πD2[(H0+2(hb+D/6)]/4

≈πD2 /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

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