生物反应器设计复习资料

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'第一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CH m O1+aNH3+bO2 Y b CH p O n N q(生物量)+Y p CH r O s N t（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=Y b+Y p+d N：a=qY b+tY pO：1+2b=nY b+sY p+c+2d H：m+3a=pY b+rY p+2c2、维持定义1/Y XS=1/Y max XS+m s/μ式中: Y XS——生物量对基质的得率；Y max XS——得率最大值；m s——维持系数；μ——比生长速率。

若方程两项乘以μ，得到基质消耗的线性方程：σ=μ/ Y max XS + m s式中：σ——合成单位生物量的基质消耗速率。

当有产物产生时σ=μ/ Y max XS +π/ Y max XS +m s式中：π——单位生物量的产物生成率。

二、生物反应器的生物学基础一）细胞数动力学1．指数生长期μ——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(X\X0)=μt因此倍增时间(X\X0=2时的时间t)是：t d= ln2/μ2.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）Ⅰ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）Ⅱ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）Ⅲ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C 6H 12O 6+aO 2+bNH 3cC 4.4H 7.3O 1.2N 0.86 +dH 2O+eCO 2(2)计算上述反应的得率系数Y X/S （g 干细胞/ g 底物）和Y X/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CO 2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X/S X/O 0.909 4.412+7.3+1.216+0.8614Y ==0.461g /g 1800.909(4.412+7.3+1.216+0.8614)Y ==1.76g /g 32 1.473⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯（）干细胞底物干细胞氧程描述，求动力学参数μmax 、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：μmax =20h -1Ks=225g/L3.已知发酵罐内细胞总浓度为400g/m 3 ，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μ;（2）若此时细胞处于对数生长期，细胞数量倍增时间t d 。

解：已知：X=400g/m 3， dX/dt=0.02g/Lh(1)由 (2)t d =ln2/μ＝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S 0=100g/L ，产物的初始浓度P 0=0，细胞初始浓度X 0＝4g/L ，基质饱和常数K S ＝25 g/L ，最大潜在比生长速率μmax ＝0.25h-1，细胞对基质的得率系数Y XS ＝0.06，单位产物的细胞质量系数Y XP ＝0.16.试求:细胞质量倍增时间t d 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）：dX Xdt ==S S S μμmaxK +SSμmax K +S 1.50.150.8750.1==S S 225μmax K +225225μmax K +22530.02100.05400dXXdt=⨯==μμX S K S t X S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=max d d μt X Y t S XS d d 1d d =-d 1d d d XP P X tY t =tXY t S XS d d 1d d =-dX Y dS XS 1=-)(100X X Y S S XS -=-XS XS Y XY X S S -+=0010033.3306.0806.04100-⋅=-+=-+=L g Y X Y X S S XS XS X XX S Y Y K X X S Y t XXS XS S XS -++-+=0000maxd d μ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 第二章 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 第一节 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XS S XS Y K a b X S Y a +=+=,00Xb XX a t X --=)(d d max μtdt X d XX a Xb t XX m ax 0m ax 0)(μμ==--⎰⎰t dX X a a b X a b XX max 0111μ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎰t X a X a a b X X a b max 00ln 1ln μ=--⎪⎭⎫ ⎝⎛-+tX a X a X S Y Y K X X X S Y Y K XS XS S XS XS S max 000000ln ln 1μ=--++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++t X X X =-+106ln 6.0ln 6.40ht d85.38106ln 6.02ln 6.4=-+=（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t m（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10m 3，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1m 3/min 。

计算发酵液的环流量VC （m 3/min ）、平均循环时间t m （s ）及液气比R 。

解：已知：V L =10m 3 v m =1.5m/s V G =1m3/min R E =200mm=0.2m D E =0.4m由公式： m 3/minS 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：①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。

②溶氧速率高，溶氧效率高、能耗低。

③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：①由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。

②必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。

第三章 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。

C GV R V =24C E m VD v π=2600.4 1.54π=⨯⨯⨯11.31=L m C V t V =106011.31=⨯53=C G V R V =11.311=11.31=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。