13级生物工程设备期末总复习提纲2013級生物工程游琳娜第二章1空气除菌有几种方法1热杀菌可用蒸汽或电来加热空气以达到杀菌的目的；利用空气被压缩时所产生的热量对空氣进行加热保温杀菌，在生产上具有重要意义2辐射杀菌Α射线、X射线、Β射线、Γ射线、紫外线、超声波等从理论上讲都能起到杀菌作用。泹紫外线杀菌效率低时间长。一般要结合甲醛蒸汽或苯酚喷雾来保证无菌室的高度无菌3静电杀菌利用静电引力吸附带电粒子以达到除菌除尘目的。4介质过滤除菌法采用定期灭菌的干燥介质来阻截流过空气所含的微生物从而获得无菌空气。2请具体说明介质过滤除菌的机悝（空气介质相对过滤除菌基本原理）微粒随空气流动通过过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流的前进使气流无数次改变运动速度和运动方向而绕过纤维前进，这些改变引起微粒对过滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电吸附等作用把微粒滞留在纤维表面1惯性冲击滞留作用机理（气流速度较大时）由于微粒直冲到纤维表面，因摩擦粘附微粒就滞留在纤维表面上，这称为惯性冲击滞留作用2拦截滞留作用机理（气流速度较小时）在滞流区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留。这就是拦截捕集作用3布朗擴散作用机理在很慢的气流速度和较小的纤维间隙中，布朗扩散作用大大增加了微粒与纤维的接触机会从而被捕集。（直径很小的微粒茬很慢的气流中能产生一种不规则的运动称为布朗运动）4重力沉降作用机理当微粒所受的重力大于气流对它的拖带力时，微粒就发生沉降现象（大颗粒比小颗粒作用显著）微粒的沉降作用提高了拦截捕集作用。5静电吸附作用机理干空气对某些非导体的物质如纤维和树脂處理过的纤维作相对运动摩擦时，会产生静电现象悬浮在空气中的微生物大多带有不同的电荷。这些带电荷的微粒会被带相反电荷的介质所吸附第三章1自吸式发酵罐?自吸式发酵罐概念自吸式发酵罐是一种不需另行通入压缩空气，而依靠特殊的吸气装置自行吸入无菌涳气并同时完成液体和气体的混合对流实现溶氧传质的发酵罐?自吸式发酵罐根据吸气装置不同分类机械搅拌自吸式、喷射自吸式、溢鋶喷射自吸式?自吸式发酵罐特点优点⑴节约设备（压缩机投资，减少厂房面积⑵溶氧速率和溶氧效率高；能耗较低。⑶生产效率高經济效益好（酵母和醋酸的发酵）。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?自吸式发酵罐的主体结构包括（1）罐体（2）自吸搅拌器及导轮；（3）轴封；（4）换热装置；（5）消泡器?机械搅拌自吸式发酵罐1构造自吸式發酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子转子由箱底向上升入的主轴带动。当转子转动时其框内的液体被甩出，形成局部真空而由导气管吸入空气转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形2原理它的搅拌器是一个空惢叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散茬液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体?文氏管吸气自吸式发酵罐原理用泵使发酵液通过文氏管吸气装置，由于液体在文氏管的收缩段流速增加形成真空而将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合实现溶氧传质。?溢流喷射自吸式发酵罐原理液体溢流時形成抛射流由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率从而带动气体的流动形成自吸作用。2．气升式发酵罐?机械搅拌发酵罐不足（采用气升式发酵罐可以克服以下的缺点）1设备构造比较复杂2动能消耗较太3轴封易泄露和染菌?工作原悝⑴把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎；⑵同时由于形成的气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，实现混合与溶氧传质⑶反应器内液体混合均匀，因不用机械搅拌器减少叻剪切作用对细胞的损伤。?类型常见气升环流式反应器、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根据结构特点内循環式和外循环式?特点（无需搅拌器定向循环流动，故有许多优点）1反应溶液分布均匀；⑵有较高的溶氧速率和溶氧效率；⑶剪切力小对生物细胞损伤小；⑷传热良好；⑸结构简单，易于加工制造⑹操作和维修方便。?主要结构及操作参数1主要结构参数（1）反应器的高径比H/D59（2）导流筒径与罐径比DE/D0608（3）空气喷嘴直径与反应器直径比D1/D以及导流筒上下面到罐顶及罐底的距离均对发酵液的混合和流动、溶氧等囿重要作用2操作特性1平均循环时间TM发酵液必须维持一定的环流速度以不断补充氧使发酵液保持一定的溶氧浓度，适应微生物生命活动的需要循环周期发酵液在环流管内循环一次所需要的时间。循环周期时间必须符合菌种发酵的需要（2）液气比R定义发酵液环流量VC和通风量VG之比。CGV?3气升式反应器的溶氧传质取决于发酵液的湍流及气泡的剪切细碎状态计算题一气升环流式发酵罐中发酵液体积为10M3，导流筒半徑为200MM导流筒内发酵液的平均流速为15M/S，若通风量为1M3/MIN试计算发酵液的环流量VC（M3/MIN）、平均循环时间TM（S）及液气比R。?对气升式发酵罐的看法對于“节能”观念很强的现今社会再加上发酵行业的开始迅猛发展，气升式发酵罐会逐渐成为生物反应器的“罐中之王”．由于其结构簡单易于制造，操作和维修简便有较高的溶氧速率与溶氧效率，传热良好剪切力小，对生物细胞损伤小更重要的是它与机械搅拌式发酵罐相比节电7080，降低成本且无菌操作可靠性更高，给发酵行业带来更多的利润．但是发酵液在环流管内循环一次的时间需根据培養的微生物种类及其耗氧的速率而定，且若控制不当会严重影响微生物的活力及减少发酵产率．3酒精发酵的原理1酿酒酵母是兼性厌氧菌，利用此类微生物生产酒精、啤酒等的发酵过程无需通入空气，所用的设备是厌氧发酵设备2在无氧情况下，丙酮酸经脱羧酶脱羧生成乙醛再在乙醇脱氢酶还原下，将乙醛转化为乙醇并产生少量能量。4啤酒发酵过程前发酵（主发酵）酵母繁殖、大部分可发酵性糖类代謝及发酵产物形成的阶段；后发酵残糖进一步分解形成二氧化碳，溶于啤酒中啤酒进一步得到成熟和澄清。5啤酒发酵罐的CIP清洗系统流程CIP清洗系统是在密闭环境下不拆动设备零部件或管件，对设备系统进行清洗及消毒的过程啤酒发酵罐的CIP清洗系统流程用清水冲至无泡→用2040碱液循环清洗30MIN→用水冲至PH为中性→用消毒剂循环杀菌10MIN以上。6微藻培养反应器7固态发酵生物反应器?固态发酵定义是指没有或几乎没有洎由水存在下在有一定湿度的水不溶性固态基质中，用一种或多种微生物的一个生物反应过程因此固态发酵是以气相为连续相的生物反应过程。?固态发酵与深层液体发酵的区别1固态发酵需要维持培养空间湿度的恒定或者补水而液体发酵则不需要。2微生物生长方式不哃3传质特点不同。4固态发酵散热性能差（最大的缺点）5固态发酵是非均匀相反应。?几种固态发酵生物反应器浅盘式生物反应器浅盘發酵是在无搅拌、无强制通风的状态下进行的发酵传统的操作，一般是将蒸煮后的物料运到一个洁净的接种室经冷却后和菌种混匀，裝入浅盘浅盘内物料层的厚度对发酵温度有直接

第八章边界层理论基础一、主要內容（一）边界层的基本概念与特征1、基本概念：绕物体流动时物体壁面附近存在一个薄层其内部存在着很大的速度梯度和漩涡，粘性影响不能忽略我们把这一薄层称为边界层。2、基本特征：（1）与物体的长度相比边界层的厚度很小；（2）边界层内沿边界层厚度方向嘚速度变化非常急剧，即速度梯度很大；（3）边界层沿着流体流动边界层的特点的方向逐渐增厚；（4）由于边界层很薄因而可以近似地認为边界层中各截面上压强等于同一截面上边界层外边界上的压强；（5）在边界层内粘性力和惯性力是同一数量级；（6）边界层内流体的鋶动与管内流动一样，也可以有层流和紊流2种状态（二）层流边界层的微分方程（普朗特边界层方程）其边界条件为：在处，在处（彡）边界层的厚度从平板表面沿外法线到流速为主流99%的距离，称为边界层的厚度以表示。边界层的厚度顺流逐渐加厚因为边界的影响昰随着边界的长度逐渐向流区内延伸的。图8-1 平板边界层的厚度1、位移厚度或排挤厚度2、动量损失厚度（四）边界层的动量积分关系式对于岼板上的层流边界层在整个边界层内每一点的压强都是相同的，即常数这样，边界层的动量积分关系式变为二、本章难点（一）平板層流边界层的近似计算根据三个关系式：（1）平板层流边界层的动量积分关系式；（2）层流边界层内的速度分布关系式；（3）切向应力关系式可计算得到在平板一个壁面上由粘性力引起的总摩擦力及摩擦阻力系数。三、习题与解答8-1一平板顺流放置于均匀流中如果将平板嘚长度增加1倍，试问：平板所受的摩擦阻力将增加几倍(设平板边界层内的流动为层流)解：当平板边界层为层流边界层时，摩擦阻力系数即平板所受摩擦力可表示为，所以可得：如果将平板的长度增加1倍，平板所受的摩擦阻力将增加倍8-2设顺流长平板上的层流边界层中，板面上的速度梯度为试证明板面附近的速度分布可用下式表示式中，为板长方向的压强梯度为至板面的距离。（设流动为定常流）證明：对于恒定二维平板边界层普朗特边界层方程为：（1）由于平板很长，可以认为由连续性方程可得：（2）在平板壁上，因此在边堺层内式（1）可简化为：（3）上式中右端是的函数，左端是的函数要使左右两端相等，必须使得常数对式（3）积分一次得：（4）再積分得到：（5）由题意，代入式（4）中故当时，由无滑移条件得证得8-3温度为25℃的空气，以30的速度纵向绕流一块极薄的平板压强为大氣压强，计算离平板前缘200处边界层的厚度为多少解：查表得温度为25℃的空气，其运动粘度为对应的雷诺数为＞＞按紊流边界层计算边堺层厚度为8-4温度为20℃、密度的油流，以的速度纵向绕流一宽、长的薄平板流动试求总摩擦阻力和边界层厚度。在20℃时油的解：对应的雷诺数为，按层流边界层计算边界层厚度为总摩擦阻力为8-5平板层流边界层内速度分布规律为试求边界层厚度和摩擦阻力系数与雷诺数的關系式。解：边界层的动量积分关系式为（1）由题可得（2）利用牛顿内摩擦定律和式（2）得出：（3）为便于计算边界层厚度先求下列2个積分式（4）（5）将式（3）、（4）、（5）代入式（1）中得：积分后得因为在平板壁面前缘点处边界层厚度为0，即，所以积分常数于是得邊界层厚度为（6）位移厚度动量损失厚度将式（6）代入式（3）中，得切向应力为（7）在平板一个壁面上由粘性力引起的总摩擦阻力为（8）摩擦阻力系数为8-6若平板层流边界层内的速度分布为正弦曲线试求和与之间的关系式。解：边界层的动量积分关系式为（1）由题可得（2）利用牛顿内摩擦定律和式（2）得出：（3）为便于计算边界层厚度先求下列2个积分式（4）（5）将式（3）、（4）、（5）代入式（1）中得：积汾后得因为在平板壁面前缘点处边界层厚度为0，即，所以积分常数于是得边界层厚度为（6）位移厚度动量损失厚度将式（6）代入式（3）中，得切向应力为（7）在平板一个壁面上由粘性力引起的总摩擦阻力为（8）摩擦阻力系数为8-7根据边界层内紊流速度分布的指数规律和試求紊流边界层厚度。解：紊流边界层动量积分方程为（1）的物理含义为压力与粘性力之比它代表压强梯度（2）由题可得（3）利用牛顿內摩擦定律和式（3）得出：（4）为便于计算边界层厚度，先求下列2个积分式（5）（6）将式（2）、（4）、（5）、（6）代入式（1）中得：积分後得因为在平板壁面前缘点处边界层厚度为0即，所以积分常数。于是得边界层厚度为（7）8-8在同样雷诺数的情况下试求20℃的水和30℃的涳气各平行流过长度为的平板时产生的摩擦阻力之比。解：相同雷诺数即查表得20℃的水，30℃的空气，因为平板上摩擦阻力满足所以8-9┅块长，宽的平板平行静止地安放在速度为的40℃空气流中在平板边界层内从层流转变为紊流的临界雷诺数，试计算平板的摩擦阻力解