广州大学生物工程设备试题(计算题)

5、某通风发酵罐内径为 3.1m，圆柱部分高度为 6.2m，采用标准椭圆封头，上、下封头体积 3 3 均为 2.1m ，装入发酵罐的发酵液为 11m ，求： （1）发酵罐公称容积； （2）装料系数。 2 D H 2.1 =（3.14/4）*3.12*6.2+2.1=48.87m3 解： （1）公称体积= （2）V0≈
2
3
N
F 60 45.7 2 A B 2 810 810 10 6
取板框数为 46 片。 所以滤箱体积
Vp N A B H 46 0.81 0.81 0.025 0.75m 3 n VF E 15 0.2 5 .3 K Vp 0.75 0.75
2h ，F=40m2，V=20m3， p 2kg/cm 2
pF ur 0 x 0 pF 2 ur0 x 0V
1 2 pF 2 pF 2 V 2 ur0 x 0 K
V F
2 2 1 V 2 pF 2 40 4 2 K 32
求得： V 20 2 m 3
L
A 25 =140.17 d 3.14 0.0565
(M)
根据生产实际情况取整 L=145M，如果分为 6 组，则每组为 24.17M，可将竖式冷却蛇管总 长度修正为 L=144M，则每组竖式冷却蛇管总长度为 24M。 答:发酵罐冷却面积 25M2，蛇管总长度 144M 和冷却水耗量 13300 kg/h。
3 2
8、现有一过滤面积为 40m 内框总容量为 0.5m 的板框压滤机，在操作压力为 4kg/cm ，当 操作 0.5 小时后，得滤液 0.4m ，1 小时后，得滤液 0.65m 。现欲过滤某一发酵液 2m ，已知 框内滤渣的填充系数为 80%，求最终滤渣体积、滤液体积、过滤时间及平均滤速。
3 3 3
4、 有一 20m 气升式内环流发酵罐，其装料系数为 75%，若该发酵罐 H/D=8,DE/D=0.8，下封 头体积约为 0.075D ，求该发酵罐主要尺寸（罐高、罐直径及导流筒直径）；若导流筒内发 酵液的平均线速度为 0.25m/s，求该反应器的平均循环时间。 解：由已知，H/D=8，De/D=0.8,Vm=0.25m/s 总体积 V0≈ D 2 H 0.15 D 3
-1
-1
N 0 50 10 6 2 10 7 1 10 15 (个 ) N S 0.001(个） k 0.0287 ( s 1 ) t 1 N0 ln 24 .1(min) k NS 1 N0 ln 2.76(min) k NS
3 2
131℃时，K=0.25 秒 ，t=
3.对数平均温度差
t m
4.K 值的计算
K
1
1
A

1
1
S
2


1

= 1.931×103 kJ/(M2 · h· ℃)

5.冷却面积
Q 5.02 105 23.85( M 2 ) 根据生产实际情况取整 A=25M2 K t m 1931 10.9
6.冷却蛇管总长度
（2）
2 2 1 V 2 pF 2 80 2 2 K 32
V 40 m 3
（3）
p s r0 4 0.5 2r0 r0 r0
2 2
所以 1 V 2 pF 4 40 2
2
2K
2 32
V 20 m 3
V0
36.31 48.41m 3 0.75 D3 50 3.09m 1 .7
取为 50 立方米，高径比为 2，则有
取 3.1m，则
H=2D=6.2m。又 Di/D=1/3，所以 Di=1.03
7、过滤面积为 40m2 的板框压滤机，操作压力为 2kg/cm2，2 小时后，得滤液 20m3（其滤饼为 不可压缩） ，若滤布阻力忽略不计，问： （1）其他条件不变，将过滤时间延长一倍，可得多少滤液量？ （2）其它条件不变，将过滤面积增加一倍，可得多少滤液量？ （3） 其他条件不变， 但滤饼是可压缩的， 其压缩系数 s＝0.5， 当将操作压力提高到 4kg/cm2， 2 小时后可得多少滤液量？ 基本过滤方程式：
2，
基本过滤方程式：
dq p 1 p d r0 x0 q R r0 x0 q R dV 1 pF d r 0 l R
9、现有发酵液 15m ，已知湿滤渣与发酵液比例为 20%，试选择 BMY60/810-25 板框压滤机台 数，并求过滤时间。假定框内填充系数为 0.75，平均滤速为 18L（发酵液）/m .hr。 解：板框数
3 3
t m
(t F t1 ) (t F t 2 ) (t 2 t1 ) (t t ) (t t ) =12.7℃ ln F 1 ln F 1 (t F t 2 ) = (t F t 2 )
Q=qm*c*（t2-t1 ）=[9.6*1000*4.18*（20-9）]/3600=122.6kw
压滤机台数
取压滤机台数为 6 台。

15 2.31h 60 18 10 3 6
10、一台通风量为 50 m3/min 的棉花活性炭空气过滤器， 空气压力为 0.4 MPa(绝对压力)，
已知棉花纤维直径 d=16 μm，填充系数α= 8%，空气线速度为 0.1 m/sec，若进入空气过 滤器的空气含菌量是 5000 个/ m ， 要求因空气原因引起的倒罐率为 0.1%，发酵周期 100 hr。工作温度为 40℃，平均气温为 20℃，计算空气过滤器的尺寸(过滤介质厚度和过滤器 直径)。（大气压为 0.098MPa） 表 1 纤维直径 d=16μm，填充系数α= 8% 时棉花纤维的 K'值 空气流速 v (m/sec) k' (1/cm) 0.193 0.135 0.1 0.195 1.32 2.55 0.05 0.10 0.50 1.0 2.0 3.0
-1
2、 一发酵罐，装料体积为 28m ，蛇管传热面积 30m ，发酵温度为 28℃，采用低温水作冷却 介质，其进口温度为 9℃，出口温度为 20℃，冷却水用量为 9.6 m /hr。试计算其发酵热 及传热系数 K（已知发酵液比重ρ=1000kg/m ，冷却水比热 c＝4.18kJ/kg. ℃） 解：有题可知，tF=28℃，t1=9℃，t2=20℃
1.45×103kJ/m .h.℃，另外管壁水垢层的热阻取 1/16750 m .h.℃/KJ，试求发酵罐冷 却面积、竖式蛇管总长度和冷却水耗量。 解：做题时所用到的公式 发酵热 Q=Q1+Q2-Q3 Q=WCp(t2-t1) A 冷却面积 A=πdL L 传热总系数 K 值
2
2
Q=KAΔtm
2 D H 0.15 D 3 4
2 3
4
=（3.14/4）*3.1 *6.2 + 0.15*3.1 3 =51.2m VL/V=11/51.2=0.21 即装料系数为 21% 6、现设计一年产量为 200 吨的链霉素车间，成品效价要求为 740 单位/mg，平均发酵水平为 22000 单位/ml，包括辅助时间在内的发酵周期为 8 天，若发酵液，收率为 95%，提炼总收率 为 65%，发酵罐总台数为 8 台（既每天放一罐） ，装料系数为 75%，年工作日以 300 天计。求 发酵罐的公称容积及主要尺寸（罐高、罐直径、搅拌叶直径） 。 （取 H/D=2,Di/D=1/3，下封 3 头体积约为 0.075D ） 解：每年产的链霉素总单位数为 200×109×740u 每年所需的发酵液体积为
dq p 1 p d r0 x0 q R r0 x0 q R dV 1 pF d r 0 l R
解：滤布阻力忽略不计，
dV 1 pF pF = d r0 l R r0 l pF 2 VdV d ur0 x 0
由题意得，K=32 （1）所以
3
解：选用直径 d=16μm 的棉花纤维，填充系数α= 8%，空气线速度为 0Biblioteka Baidu1 m/sec，据表 1 查得过滤常数 K=13.5/m。 （1） 根据公式计算过滤层厚度
L
lg N 2 / N1 - K
每批发酵通风过滤前含菌总数为：N1=5000×50×60×100=1.5×109 个
过滤后含菌数为 N2=10-3 个
代入求得过滤层厚度：
L
lg 10 3 / 1.5 10 9 0.（ 9 m） - 13.5


（2） 计算过滤器直径 D： 进口空气压强 过滤工作压强 通气量
过滤器空气流量为：
p1=98080Pa p2=400000Pa V1=50m3/min=0.83m3/s
q V2
p1V1 T2 98070 0.83 （273 40） 0.2174 m 3 / s T1 p 2 （273 20） 400000 4V v s 4 0.2174 1.66m 0.1
3
3
4
=
2 D 8 D 0.15 D 3 =20 4
所以，D=1.46m 所以，H=11.68m，De=1.17m 又 VL/V0=0.75，故 VL=15m
3
tm
VL VL 2 =15/[(3.14/4)*1.17 *0.25]=55.84s=0.93min VC D 2V E m 4
计算题
1、 有一发酵罐，内装培养基 50m ，每毫升培养基含有耐热菌的芽孢 2×10 个。在 121℃的
3 7
温度下进行实消， 该温度下的灭菌速度常数为 0.0287 秒 。 试求灭菌失败的机率为 0.001 （即考虑灭菌后残余芽孢数为 0.001 个）所需时间。若在 131℃的温度下进行连消，在 131℃时的灭菌速度常数为 0.25 秒 ， 试求灭菌失败的机率为 0.001 （即考虑灭菌后残余 芽孢数为 0.001 个）所需时间。 解：由题可知，
200 10 9 740 10 6 3 m 22000 0.95 0.65 200 10 9 740 10 6 36.31m 3 22000 0.95 0.65 300
则每个生产日所需的发酵液体积为
共 8 个罐，8 天一个发酵周期，则每天发酵完成 8/8=1 罐 则，每罐的公称体积为
=5.02×105(kJ/h)
W
Q C p (t 2 t1 )

5.02 105 =1.33×104 (kg/h) 4.186 (25 16) (t F t1 ) (t F t 2 ) 10.9( oC ) t F t1 2.303 lg t F t2 1 1 1 0.0035 1 2700 1450 188 16750
d 1 K 1 1 S 1
1
2


对数平均温度差
t m
解:1.总的热量 Q=Q1+Q2-Q3 =4.4×105+7.2×104-1×104 2.冷却水耗量
(t F t1 ) (t F t 2 ) 10.9( oC ) t F t1 2.303 lg t F t2
K=
Q A*△tm
m2. ℃
=122.6*1000/（30*12.7）=321.8w/
3
3、 某抗菌素厂需新建 30m 子罐，装料系数为 60%，已计算出主发酵期生物合成热 5 4 4 Q1=4.4×10 kJ/h，搅拌热 Q2=7.2×10 kJ/h，查有关资料可知汽化热 Q3 =1×10 kJ/h， 3 3 醪液的比重为ρ=1.04×10 kg/ m ，发酵温度为 32℃，冷却水进口温度为 16℃，出水 温度为 25℃，冷却水的平均比热 Cp=4.186 kJ /kg · ℃)， 罐内采用竖式蛇管冷却， 2 蛇管为水煤管，其规格为 53/60 (mm)，壁厚 3.5mm，其导热系数λ=188 Kj/m .h.℃)， 3 2 根据生产经验数据可取传热系数α1 和α2 分别为 2.7×10 kJ/m .h.℃和