广州大学生物工程设备试题（计算题）

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

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，

-1

-1

3

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N0?50?106?2?107?1?1015(个)NS?0.001(个）k?0.0287(s?1)1Nt?ln0?24.1(min)kNS-1

131℃时，K=0.25秒，t=

1N0ln?2.76(min) kNS3

2

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℃

3

3

(tF?t1)?(tF?t2)(t2?t1)?t??m =12.7℃ (t?t)(t?t)lnF1lnF1(tF?t2)(tF?t2) =

Q=qm*c*（t2-t1 ）=[9.6*1000*4.18*（20-9）]/3600=122.6kw

Q

K= A*△tm

=122.6*1000/（30*12.7）=321.8w/ m. ℃

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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

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Q1=4.4×10kJ/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，

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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，

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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.℃)，

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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

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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) Q=KAΔtm 冷却面积 A=πdL L?A?d

1K?传热总系数K值 11S1??? ?1?2??

对数平均温度差 (t?t)?(tF?t2)?tm?F1?10.9(oC) t?t2.303lgF1 tF?t2解:1.总的热量

Q=Q1+Q2-Q3 =4.4×105+7.2×104-1×104 =5.02×105(kJ/h) 2.冷却水耗量

5Q5.02?10 W ? ? =1.33×104 (kg/h)

Cp(t2?t1)4.186?(25?16)

3.对数平均温度差

(t?t)?(tF?t2) ?tm?F1?10.9(oC)t?t 2.303lgF1tF?t2

4.K值的计算

11 ? = 1.931×103 kJ/(M2 ·h·℃) K ?11S1110.00351 ???????1?2??2700145018816750

5.冷却面积 5 . 02 ? 10 5Q2A???23.85(M K ? ? t ? .9 ) 根据生产实际情况取整A=25M2 193110m

6.冷却蛇管总长度

A25 L ? ? =140.17 (M) ?d3.14?0.0565 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。

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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≈ ?D2H?0.15D3 =

3

3

4?4D28D?0.15D3=20

所以，D=1.46m

所以，H=11.68m，De=1.17m 又VL/V0=0.75，故VL=15m

3

VLVL2

t?? =15/[(3.14/4)*1.17*0.25]=55.84s=0.93min mVC?D2VEm 4

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

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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。

?2DH?2.1（3.14/4）*3.12*6.2+2.1=48.87m3 解：（1）公称体积= =4

?2DH?0.15D3（2）V0≈ 4

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=（3.14/4）*3.1*6.2 + 0.15*3.1

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=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

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头体积约为0.075D）

解：每年产的链霉素总单位数为200×109×740u

200?109?740?10?63m 每年所需的发酵液体积为 22000?0.95?0.65

则每个生产日所需的发酵液体积为

200?109?740?10?6?36.31m322000?0.95?0.65?300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

V0?36.31?48.41m30.75D?350?3.09m1.7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40m的板框压滤机，操作压力为2kg/cm，2小时后，得滤液20m（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？

2

（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/cm， 2小时后可得多少滤液量？ 基本过滤方程式：

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2

3

dq?p1?p??d??r0x0q??R?r0x0q?RdV1?pF?d??r0l?R? ?2h解：滤布阻力忽略不计， ，F=40m2，V=20m3， ?p?2kg/cm2

? = ?

dVd?1?pF?r0l?R?pF?r0l?pF2VdV?d? ur0x0

由题意得，K=32 （1）所以

?pF2?Vur0x0Vur0x0F212?pF?pF2V????2ur0x0K?pF1?pF22?4022?V??????42K32求得： V??202 m3

1?pF22?8022???2（2） ?V???2K32 （3）

所以 1?V??2??pF??4?40?2

22V??40 m3??ps?r0??40.5?2r0?r0?r022K2?32V??20 m33

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。

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3

3

2，

基本过滤方程式：

dq?p1?p??d??r0x0q??R?r0x0q?RdV1?pF?d??r0l?R9、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

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N?F60??45.72?A?B2?810?810?10?6取板框数为46片。

所以滤箱体积 V?N?A?B?H?46?0.81?0.81?0.025?0.75m3p

压滤机台数 n?VF?E?15?0.2

K?Vp0.75?0.75?5.3取压滤机台数为6台。 ??

15?2.31h?360?18?10?63

10、一台通风量为50 m/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)

解：选用直径d=16μm的棉花纤维，填充系数α= 8%，空气线速度为 0.1 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

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0.05 0.10 0.50 1.0 2.0 3.0 0.193 0.135 0.1 0.195 1.32 2.55 L?lg?N2/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：

lg10?3/1.5?109L??0.（9m）-13.5??（2） 计算过滤器直径D： 进口空气压强 p1=98080Pa 过滤工作压强 p2=400000Pa 通气量 V1=50m3/min=0.83m3/s

过滤器空气流量为：

qV2?p1V1T298070?0.83（273?40）????0.2174m3/sT1p2（273?20）400000故过滤层直径为：

D?4V??vs4?0.2174?1.66m0.1?

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