《第一章 通风发酵设备.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 通风发酵设备.ppt（177页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 生物工程设备 第一篇 生物反应器第一篇 生物反应器第一章生物反应器设计基础第二章通风发酵设备第三章嫌气发酵设备第四章植物细胞和动物细胞培养反应器第五章生物反应器的检测及控制第六章生物反应器的比拟放大第二章 通风发酵设备四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。在发酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。通风发酵设备的特点1、传质和传热性能好2、结构密封、防杂菌污染3、设备简单、维修方便4、生产能力高5、能耗低6、检测控制系统完善7、易放大8、生产安全通风发酵设备的应用生产酵母、单细胞蛋
2、白、氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素、维生素等对对通风发酵设备的要求通风发酵设备的要求（1）结结构构严严密密，经经得得起起蒸蒸汽汽的的反反复复灭灭菌菌，内内壁壁光光滑滑，耐耐腐腐蚀蚀性性能能好好，内内部部附附件件尽尽量量减减少少，以以利利于于灭灭菌菌彻彻底底和和减减少少金金属属离离子子对对发发酵酵的的影影响。响。（2）有有良良好好的的气气液液接接触触和和液液固固混混合合性性能能，使使物质传递、气体交换能有效地进行。物质传递、气体交换能有效地进行。（3）在在保保证证发发酵酵要要求求的的前前提提下下，尽尽量量减减少少搅搅拌和通气时所消耗的动力，拌和通气时所消耗的动力，对通风发酵设备的要求对通风发酵设
3、备的要求（4）有有良良好好的的热热量量交交换换性性能能，以以适适应应灭灭菌菌操作和使发酵在最适温度下进行；操作和使发酵在最适温度下进行；（5）尽尽量量减减少少泡泡沫沫的的产产生生或或附附设设有有效效的的消消沫装置，以提高装料系数；沫装置，以提高装料系数；（6）附有必要的可靠检测及控制仪表。）附有必要的可靠检测及控制仪表。常用通风发酵罐类型常用通风发酵罐类型机械搅拌发酵罐气升环流发酵罐自吸式发酵罐通风固相发酵设备第一节 机械搅拌发酵罐（TRC）一、工作原理二、结构及几何尺寸 一、工作原理利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气
4、。基本要求 1.结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度与径高比一般为1.74，罐身越长，氧气的利用率越高。2.有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌过程和工作时，罐内有一定的压力和温度。因此需要一定的强度。基本要求3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保证发酵液一定的溶解氧。4.足够的冷却面积。5.尽量减少死角。6.轴封严密。7.维修操作检测方便二、结构及几何尺寸1轴封轴封 2、20人孔人孔3梯梯 4联轴联轴5中间轴承中间轴承 6温度计接温度计接口口7搅拌叶轮搅拌叶轮 8进风管进风管9放料口放料口 10底轴承底轴承11热电偶接口热电偶接口 12冷却管冷却管13搅拌轴搅拌轴 14取样管取样管15轴承座轴
5、承座 16传动皮带传动皮带17电机电机 18压力表压力表19取样口取样口 21进料口进料口22补料口补料口 23排气口排气口24回流口回流口 25视镜视镜23自动玻璃发酵罐玻璃搅拌发酵罐不锈钢搅拌发酵罐1.罐体结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用衬不锈钢或复合不锈钢制成。刚度和强度：受压容器，空消或实消，通常灭菌的压力为2.5Kg/m3。小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。顶部设有清洗用的手孔。接管罐顶：进料管，补料管，排气管，接种管和压力表管。罐身：冷却水进出管，进空气管，温度计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠近封头的轴封位置。2.搅拌装置目的：有利于液
6、体本身的混合及气液、气固之间的混合，质量和热量的传递，特别是对氧的溶解具有重要的意义，加强气液之间的湍动，增加气液接触面积及延长气液接触时间。补充内容：液体搅拌器液体搅拌目的带有搅拌器的设备（一）基本结构（二）搅拌器带有搅拌器的设备工业中典型的带搅拌器的设备有：发酵罐、酶解罐、冷热缸、溶糖锅、沉淀罐等。这些设备虽然名称不同，但基本构造均属于液体搅拌机。液体搅拌目的液体搅拌机主要用于以下方面：促进物料的传热，使物料温度均匀化；促进物料中各成分混合均匀；促进溶解、结晶、浸出、凝聚、吸附等过程进行；促进酶反应等生化反应和化学反应过程的进行。（一）基本结构 搅拌机械的种类较多，但其基本结构是一致的。其
7、结构如图所示，主要由搅拌装置、轴封和搅拌容器三大部分组成，即：搅拌设备 轴封 搅拌装置传动装置搅拌轴搅拌器搅拌容器罐体附件搅拌设备结构图搅拌器搅拌器（或称搅拌桨）及搅拌轴的主要作用是通过自身的运动使搅拌容器中的物料按某种特定的方式流动，从而达到某种工艺要求。所谓特定方式的流动（流型）是衡量搅拌装置性能最直观的重要指标。搅拌容器搅拌容器也称搅拌槽或搅拌罐。其作用是容纳搅拌器与物料在其内进行操作。对于食品搅拌容器，除保证具体的工艺条件外，还要满足无污染、易清洗等专业技术要求。罐体 罐体大多数设计成圆柱形，其顶部为开放式或密闭式，底部大多数成碟形或半球形，平底的很少见到，因为平底结构容易造成搅拌时液
8、流死角，影响搅拌效果，同时也不利于料液的完全排放。传动装置传动装置是赋予搅拌装置及其它附件运动的传动件组合体，在满足机器所必须的运动功率及几何参数的前提下，希望传动链短、传动件少、电动机功率小，以降低成本。轴封轴封是指搅拌轴及搅拌容器转轴处的密封装置。为避免食品污染，轴封的选择必须给予重视。附件典型搅拌设备通常还设有进出口管路、夹套、人孔、温度计插套以及挡板等附件。（二）搅拌器1搅拌器的类型2搅拌器的安装形式3搅拌器桨叶与流型4搅拌器的选择典型的搅拌器型式1搅拌器的类型两大类型：小面积叶片高转速运转的搅拌器，属于这种类型的搅拌器有涡轮式、旋桨式等，多用于低黏度的物料；大面积叶片低转速运转的搅拌
9、器，属于此类型的搅拌器有框式、垂直螺旋式等，多用于高黏度的物料。各种典型搅拌器型式2搅拌器的安装形式 搅拌器不同的安装形式会产生不同的流场，使搅拌的效果有明显的差别。常见的五种搅拌轴相对于容器的安装方式如图图6.3所示。（1）中心立式搅拌安装形式（2）偏心式搅拌安装形式（3）倾斜式搅拌安装形式（4）底部搅拌安装形式（5）旁入式搅拌安装形式（1）中心立式搅拌安装形式安装形式如图6.3（1）所示。这种安装形式的搅拌设备可以将桨叶组合成多种结构形式以适应多种用途。特点挡板挡板为了防止在搅拌器附近产生涡流回转区域，往往在立式容器的侧壁上装挡板。特点这种安装的特点是搅拌轴与搅拌器配置在搅拌罐的中心线上，
10、呈对称布局，驱动方式一般为带传动或齿轮传动，或者通过减速传动，也有用电动机直接驱动。（2 2）偏心式搅拌安装形式偏心式搅拌安装形式搅拌器安装在立式容器的偏心位置 如图 所示。能防止液体打漩，效果与装挡板相近。中心线偏离容器轴线的搅拌轴，会使液流在各点处压力分布不同，加强了液层间的相对运动，从而增强了液层间的湍动，使搅拌效果得到明显的改善。但偏心搅拌容易引起设备在工作过程中的振动，一般此类安装形式只用于小型设备上。（3）倾斜式搅拌安装形式是将搅拌器直接安装在罐体上部边缘处，搅拌轴斜插入容器内进行搅拌，如图6.3（3）所示。对搅拌容器比较简单的圆筒形或方形敞开立式搅拌设备，可用夹板或卡盘与筒体边缘
11、夹持固定。这种安装形式的搅拌设备比较机动灵活，使用维修方便，结构简单、轻便，一般用于小型设备上，可以防止打漩效应。（4）底部搅拌安装形式将搅拌器安装在容器的底部，如图 6.3（4）所示。它具有轴短而细的特点，无需用中间轴承，可用机械密封结构，有使用维修方便、寿命长等优点。此外，搅拌器安装在下封头处，有利于上部封头处附件的排列与安装，特别是上封头带夹套、冷却构件及接管等附件的情况下，更有利于整体合理布局。由于底部出料口能得到充分的搅动，使输料管路畅通无阻，有利于排出物料。此类搅拌设备的缺点是，桨叶叶轮下部至轴封处常有固体物料黏积，容易变成小团物料混入产品中影响产品质量。（5）旁入式搅拌安装形式搅
12、拌器安装在容器侧壁，如图 6.3（5）所示。在同等功率下，能得到最好的搅拌效果。转速一般在360450r/min之间。驱动方式有齿轮传动与带传动两种。主要缺点是轴封比较困难。不同角度的流动效果不同角度的流动效果旁入式搅拌装置在不同旋桨位置所产生的不同流动状态。(1)=712 (2)12 (3)=0 旁入式搅拌轴与径向的夹角及流形旁入式搅拌轴与径向的夹角及流形3搅拌器桨叶与流型流动状态与搅拌容器的结构及其附件有一定关系。搅拌器桨叶的结构形状与运转情况是决定容器内液体流动状态最重要的因素。搅拌器件周围流体的运动方向有三种，即径向流、轴向流和环流。普通搅拌器一般只有一种为主导流向。(1)轴向流型 或
13、 (2)径向流型 液体由轴向进入叶片，从轴向流出，称为轴向流型，如图（1）所示。（1）轴向流型流体由轴向进入叶轮，从径向流出。（2）径向流型径向流型 低速运转，主要为环向流，当转速增大时，液体的径向流动就逐渐增大，桨叶转速越高，由平直叶排出的径向流动越强烈，打漩效应也随之增强，严重时会造成液体外溢。4搅拌器的选择（1）根据介质黏度高低选型（2）根据搅拌过程和目的选型随着黏度增高，各种搅拌器选用的顺序为旋桨式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式等。对旋浆式指出了大容器量液体时用低转速，小容量液体时用高转速。各类型式使用有重叠性，例如桨式搅拌器由于其结构简单，用挡板后可以改善流型，所以，在低黏度时也是应用
14、得较普遍的。而涡轮式由于其对流循环能力、湍流扩散和剪切都较强，几乎是应用最广泛的一种桨型。（）根据介质黏度高低选型搅拌器选择曲线1.锚式、螺带式；2.浆式；3.涡轮式；4、5.涡轮式、旋浆式；R1=1750r/min;R2=1150r/min;R3=420 r/min（2）根据搅拌过程和目的选型l这种方法根据搅拌过程和目的，对照搅拌器的流动效果作出判断选择。低黏度均相液液混合分散操作悬浮液操作有气体吸收的搅拌结晶过程的搅拌操作这种混合，搅拌难度小，平桨式循环能力强，动力消耗少，最适用。平桨式结构简单，成本低，适宜小容量液相混合。涡轮式动力消耗大，会增加费用。低黏度均相液液混合分散操作涡轮式因具
15、有高剪切力和较大循环能力，所以最适用。其中平直叶涡轮剪切作用大于折叶和后弯叶的剪力作用，因此应优先选用。为了加强剪切效果，容器内可设置挡板。涡轮式：使用范围大，其中以弯叶开启涡轮式最好。它无中间圆盘，上下液体流动畅通，排出性能好，桨叶不易磨损。桨式：速度低，只用于固体粒度小，固液相对密度差小、固相浓度较高、沉降速度低的悬浮液。旋浆式：使用范围窄，只适用于固液相对密度差小或固液比在5%以下的悬浮液。对于有轴向流的搅拌器，可不加挡板。因固体颗粒会沉积在挡板死角内，所以只在固液比很低的情况下才使用挡板。悬浮液操作圆盘式涡轮：最合适。它剪切力强，圆盘下可存在一些气体，使气体的分散更平衡。开启式涡轮：不
16、适用。平桨式及旋桨式：只在少量易吸收的气体要求分散度不高的场合中使用。有气体吸收的搅拌结晶过程的搅拌操作小直径的快速搅拌器：如涡轮式，适用于微粒结晶。大直径的慢速搅拌器：如桨式，用于大晶体的结晶。发酵罐搅拌器结构搅拌器可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液流。发酵罐中以径向液流为主。用涡轮式搅拌器时为避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅拌器中央常带有圆盘。常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种。叶片数一般为六个，也有少至四个或多至八个的。发酵罐搅拌器结构为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。功率消耗：平板式最大，弯叶式次之，箭叶式最小。搅拌器宜用不锈钢制造
17、。挡板 阻止液面中央部分产生下凹的旋涡，64块挡板可满足全挡板条件,宽度为0.1-0.12D。全挡板条件：能达到消除液面旋涡的最低条件。在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数Z，与挡板宽度W与罐径D之比有关。挡板计算n(b/D)=n（0.1-0.12D）/D=0.5式中：D发酵罐直径，b挡板宽度n挡板数 无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型3、轴 封作用：作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。防止泄露和污染杂菌。端面式轴封又称机械轴封：端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元密封作用是靠弹性元件（
18、弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。动而达到密封。传动齿轮箱传动齿轮箱罐体罐体搅拌轴搅拌轴密封环密封环齿轮箱齿轮箱4、空气分布器空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。装置有单管式。最最简简单单的的通通气气装装置置：单单孔孔管管，单单孔孔管管的的出出口口位位于于最最下下面面的的搅搅拌拌器器的的正正下下方方，
19、开开口口往往下下，以以免免培培养养液液中中固固体体物质在开口处堆积和罐底固形物质沉淀。物质在开口处堆积和罐底固形物质沉淀。管口与罐底的距离约为管口与罐底的距离约为40mm。开口朝下的多孔环形管：开口朝下的多孔环形管：环的直径约为搅拌器直径的环的直径约为搅拌器直径的0.8倍。倍。小孔直径小孔直径5-8mm孔的总面积约等于通风管的截面积。孔的总面积约等于通风管的截面积。4、空气分布器通气量较小时，气泡的直径与空气喷口直径有关。喷口直径越小，气泡直径越小，氧的传质系数越大。发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气量有关而与分布器直径无关。强烈机械搅拌时，多孔分布器对氧的传递效果并不比单孔管为好，会造成
20、不必要的压力损失，且易使物料堵塞小孔。5、消泡装置消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。目的。两种消泡方法两种消泡方法:(1)加入化学消泡剂；加入化学消泡剂；(2)使用机使用机械消泡装置械消泡装置 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。物油脂，如猪油等；高分子化合物。机械消泡装置：最简单实
21、用为耙式消泡器。机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器。耙式消泡器6、联轴器及轴承大型发酵罐搅拌轴较长，常分大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。搅拌轴成牢固的刚性联接。小型的发酵罐可采用法兰将搅小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接拌轴连接联轴器法兰7、冷却装置夹套冷却夹套冷却竖式蛇管冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却竖式列管冷却适用范围5m3以下小发酵罐以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区气温较高的地区优点结构简单，加工容结构简单，加工容易，罐内死角少，易，罐内死角少，容易清洗灭菌容易清洗灭菌流速大，传热系数
22、大，流速大，传热系数大，降温效果较好。降温效果较好。加工方便，提高加工方便，提高传热推动力的温传热推动力的温差。差。缺点传热壁较厚，冷却传热壁较厚，冷却水流速低，降温效水流速低，降温效果差。果差。冷却水较高时，降温冷却水较高时，降温困难，弯曲位置易腐困难，弯曲位置易腐蚀。蚀。用水量较大。用水量较大。列管式换热器蛇管式换热器机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积尺寸体积椭圆形封头体积：发酵罐的总体积：近似为：机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸气升式发酵罐 (ALR)工作原理特点及应用主要结构及操作系数典型的气升式发酵罐工作原理l类型气升环流式、塔式、空气喷射式等。l工作原
23、理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。气液双喷射气升环流反应器特点及应用l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4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便 l应用酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理主要结构及操作系数l主要结构参数 1）反应器径高比H/D 2）导流筒径与罐径比DE/D 3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/Dl操作特征 1）平均循环时间tm 2
24、）气液比R 3）溶氧传质气升环流式反应器气液双喷射气升环流反应器多层空气分布板的气升环流式反应器注射入口ICI压力循环气升发酵罐ICIs air lift system for making single-cell protein in 1979具有外循环冷却的气升环流式发酵罐气升式玻璃发酵罐对偶脉冲气体环流发酵罐自吸式发酵罐l自吸式发酵罐：自吸式发酵罐：不需空气压缩机提供加不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。l应用：应
25、用：酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维生素等生产酵、维生素等生产气升式发酵罐l特点是结构简单，不需要搅拌l不易污染，l氧传质效率高，l能耗低，节省动力约50%；l装料系数达8090%；l安装维修方便，l冷却面积小l剪切力小l较适于单细胞蛋白等的生产发展l初期：空气通过底部的多孔板分散成小气泡与培养基混合，向上移动，最后与二氧化碳等释出，培养液处于湍流状态。l现在：上升管和下降管，含气率多的培养基比重小，向上升。含气率小的培养基比重较大，由于在管内外的液体比重不同，而产生压力差，推动培养液在罐内循环外循环与内循环气升式发酵罐l上升管和下降管的布置可以装在罐外，称为外循
26、环l也可装在罐内，称为内循环。工作机理 l罐内外装设上升管，上升管两端与罐底上部相连接，构成一个循环系统。l在上升管的下部装设空气喷嘴口，空气以250300m/s的高速度喷入上升管，使空气分割细碎，使上升管的发酵液比重较小，加上压缩空气的动能，使液体上升，罐内液体下降，进入上升罐，形成反复的循环结构参数l高径比H/D=59l导流筒径与管径比DE/D=0.60.8循环周期时间的确定 ltm=VL/VC=VL/(/4)DE2vmlVL罐内培养液体积lVC培养液循环量lDE导流管（上升管）直径lvm导流管中液体平均流速气液比Rl空气喷出压力差p及循环速度vm之间的关系，l通气量对其混合和溶氧起决定作
27、用l通气压强（空气喷出压力差p）：发酵液流动与溶氧有相当影响l气液比R=VC/VGl环流速度取1.21.8m/s，多段导流管或有筛网时可降低。溶氧传质l气液传质速率取决于发酵液的湍动及气泡的剪切细碎状态，气液湍动与混合受反应器输入能量的影响l反应溶液气含率与空气截面速度vs关系：lh=KvsnlK,n为经验指数，鼓泡塔式发酵罐l低通气速率时，n=0.71.2，l高通气速率时，n=0.40.7体积溶氧系数l为空截面空气速度的函数lkLa=bvsml水和电解质，m=0.8lb实验数据，与空气分布器形式和溶液性质的函数l气升环流式发酵罐当通气输入功率为lPg/VL=1kW/m3，lOTR=23kg/
28、（m3h），l溶氧速率为2kg/（kWh）喷嘴直径的确定 l喷嘴的结构如图l喷嘴直径的确定自吸式发酵罐l特点与不足l种类自吸式发酵罐特点与不足l节约设备投资，减少厂房面积l溶氧速率高，溶氧效率高，能耗低l某些发酵则生产效率高，经济效益高。l缺点：易染菌，需高效过滤系统种类l机械搅拌自吸式发酵罐l喷射自吸式发酵罐l溢流喷射自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐l不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。l开始于1960s，l通风装置由转子和定子组成。机理l在转子启动前先用液体将转子浸湿，然后启动马达使转子转动。由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下被甩向叶轮外缘，而使流体获得能量，通风
29、机理l转子叶轮空腔内的流体从中心甩向外缘时，中心形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大。l由于转子的空腔用管子与大气相通，由于大气的空气不断的被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导轮而使气流均匀甩出。l转子搅拌使气液在转子的周围形成强烈的混合流，使刚离开叶轮的空气不断在发酵液分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中。l自吸式通风装置在搅拌的同时，完成了通风作用。l叶轮形式有：六叶轮、三叶轮、四弯叶轮等形式。常见的为三叶轮和四弯叶轮。叶轮却是空心体，叶轮直径为罐直径的1/3到1/15。l自吸的搅拌转速一般比通用式高，对于单个罐功率较高，也可削去空压机的功率，功率下降，减少30。设计
30、要点l高径比：利用负压吸空气，不宜取大。以液面与搅拌吸气转子的距离2-3m。l转子与定子的确定：l三棱叶转子特点：l直径大；l较低转速时吸气量大l吸气量稳定，吸程大l搅拌功率高l直径为罐直径的0.35倍l具体数据见书，46页四弯叶转子l剪切作用小l阻力小l消耗功率小l转速高l吸气量大l溶氧系数高l具体结构见书47页吸气量计算l满足单位体积功率消耗比时：l三棱叶自吸式搅拌器吸气量：lf(Na,Fr)=0lNa;吸气准数，=Vg/(nd3)lFr;弗鲁特准数，=n2d/gld:叶轮直径，mln：转速,1/slVg：吸气量，m3/sl g：重力加速度常数,9.81m/slFr增至一定值，Vg趋于稳定
31、，lNa=0.0628-0.0634，修正系数为0.5-0.8四弯叶自吸式搅拌器吸气量计算lVg=12.56nCLB(D-L)K(m3/min)ln,叶轮转速，r/min；lD,叶轮外径，lL，叶轮开口长度，m；lB，叶轮厚度，m；lC，流率比，C=K/（1+K）lK，充气系数喷射自吸式发酵罐l文式管吸气自吸式发酵罐l利用泵使发酵液通过文式管吸气装置，液体在收缩段加速，形成真空，吸入空气，气泡分散与液体混合，收缩段液体Re6104,吸气量及溶氧速率高液体喷射自吸式发酵罐l尺寸范围内，体积溶氧传质系数数学表达式为：lkLa=1.0（PL/VL）0.23vs0.91（De/D）-0.46lD和De
32、发酵罐和导流管内径，mlPL液体喷射功率，lVL发酵罐溶液体积lvs空截面气速溢流喷射自吸式发酵罐l液体由溢流喷射器溢流形成抛射流，液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层气体具有一定速率，带动气体流动形成自吸气作用。通风固相发酵设备和其他类型的通风发酵反应器l见书50-53，自习2.搅拌器轴功率的计算搅拌器轴功率的计算l一、搅拌器轴功率的计算l轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定的速度运转时，用以克服介质的阻力所需的功率。它包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。（一）搅拌功率计算的基本方程式l单只涡轮在不通气条件下输送搅拌液体的功率计算，lP
33、0与下列因素有关：l搅拌罐的直径T、液柱高度HL、液体粘度、搅拌器直径D，搅拌型式、搅拌器转速N、液体密度、重力加速度g以及有无挡板。l搅拌罐直径T、液位高度HL与搅拌器直径D有一定的比例关系。可以作为独立参数 公式lP0=f（N，D，g）l用因次分析法对上述函数进行处理lP0=ANaDbcdgel根据因次和谐的原则，等号两侧因次应相等：lFL/T=(1/T)aLb(FT2/L4)c(FT/L2)d(L/T2)el 因次F:1=c+dl因次L:1=b-4c-2d+el因次T:-1-a+2c+d-2el共有变量数n6，基本因次m3，由上述方程组la3-d-2elb5-2d-elc1-dlP0=A
34、N 3-d-2eD 5-2d-e 1-d dgelP0=AN 3D 5 /(ND2)dg/(N2D)eP0/(N 3D 5)=K(ND2)/m(N 2D)/g nlNp=P0/(N 3D 5)功率准数功率准数lReM=(ND2)/搅拌情况下的雷诺系数搅拌情况下的雷诺系数lF FrM搅拌情况下的韦鲁特准数搅拌情况下的韦鲁特准数lP P0 0无通气时搅拌器输入液体的功率无通气时搅拌器输入液体的功率 (W)(W)l液体密度（液体密度（kg/mkg/m3 3）l液体粘度液体粘度 （N.s/mN.s/m2 2）lD D涡轮直径涡轮直径 （m m）lNN涡轮转速涡轮转速 （转（转/分）分）lk、m、n值为
35、与搅拌器型式、搅拌罐比例尺寸有关的常数，在具有挡板的情况下，液面不产生中心下降的漩涡，此时指数n0。具有挡板的情况下：lP0/(N 3D 5)=K(ND2)/mlNp=K ReM ml圆盘六平直叶涡轮Np0.6l圆盘六弯叶涡轮Np4.7l圆盘六剪叶涡轮Np3.7（二）多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算 l在相同的转速下，多只涡轮比单只涡轮输出更多的功率，其增加程度除叶轮的个数之外，还决定于涡轮间的距离。l距离有三个情况：l1、s0实际上变为一个涡轮；l2、ssconst互不干扰，两个涡轮所消耗的功率就是单个涡轮的两倍；l3、sscovnst相互干扰，输出功率小于单个涡轮的两倍。l当输
36、出功率为最大时，涡轮间的距离：lSm=HL-(0.9+)D/2l=(m-1)lgm-lg(m-1)!/lgmlHL液柱高度lD搅拌器直径lm同一轴上搅拌器个数l对非牛顿型流体可取S2Dl牛顿型流体S2.53.0Dl静液面至上涡轮的距离可取0.52Dl下涡轮至罐底的距离C0.51.0DlS过小，不能输出最大的功率；S过大，则中间区域搅拌效果不好。l符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数。lPnnP0（三）通气情况下的搅拌功率Pg的计算 l同一搅拌器在相等的转速下输入通气液体的功率比不通气流体的为低。l可能的原因是由于通气使液体
37、的重度降低导致搅拌功率的降低。l功率下降的程度与通气量及液体翻动量等因素有关，主要地决定于涡轮周围气流接触的状况。l通气准数：lNaQ/ND3来关联功率的下降程度lNa0.035Pg/P0112.6NalNa0.035Pg/P0112.6NalQ通气量m3/minlN转速1/minlD搅拌器的直径mlPg通气情况下的轴功率kwlP0不通气情况下的轴功率kwlMichel等人用六平叶涡轮将空气分散于液体之中，测量其输出功率，得到经验式：lPg=cP02ND 3/Q0.560.45l福田秀雄公式l Pg=f（P02ND 3/Q0.08）修正后的MichellPg=2.25P02ND 3/Q0.08
38、0.3910-3lPg、P0通气与未通气的轴功率kwlN搅拌器转速1/minlD搅拌器直径cmlQ通气量ml/min二、非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响l常见的某些发酵醪具有明显的非牛顿流体特性。这一特性对发酵过程的影响极大，对搅拌功率的计算也带来麻烦。l牛顿型流体：粘度只是温度的函数，与流动状态无关。服从牛顿粘性定律。l非牛顿流体：粘度不仅是温度的函数，随流动状态而变化。（一）非牛顿型发酵醪的流变等特性l牛顿型流体的流态式为直线，服从牛顿特性定律：l=dwdw/drdrl所有气体以及大多数低分子量的液体都属于牛顿型流体，如空气、水、有机溶剂及多数的水溶液。l而胶体溶液、高分子溶液属于非牛顿
39、型。l剪应力 dw/dr剪切率（速度梯度）非牛顿型流体的分类l我们接触的非牛顿型流体基本上为稳定的而此类流体可按剪应力与剪切率之间的关系，分为三类：l（1）拟塑性流体（分段型性流体）l=k k(dwdw/drdr)nlk均匀性系数ln流动性指数n1l大多数发酵液均属于此类。l特点：粘度随着剪切率下而降低。l（2）彬汉塑型性流体l特点是其剪应力与剪切率的关系是不通过原点的直线。l-y=pdwdw/drdrly屈服剪应力lp刚性系数l（3）拟塑性流体：l=k k(dwdw/drdr)nln1：流动性指数l据有关资料报道，大多数发酵液均属于非牛顿型流体。lk均匀性指数，也称作稠度指数，与牛顿型流体的
40、粘度具有相类似的概念，所以也可以称作液体的粘度指标。l凡牛顿型性流体，服从l =/(/(dwdw/drdr)l而对于非牛顿型流体l p=/(/(dwdw/drdr)l某些发酵液随着发酵时间的变化，其流变状态发生变化。l例：青霉素发酵液中：在整个发酵周期内都是呈现非牛顿型流体。l链霉素发酵中：在24hr以前为彬汉塑性流体；l在48及96hr时呈牛顿型流体；l在120hr时呈拟塑性流体（三）非牛顿型流体的搅拌功率计算 l可用NpReMm的关系式进行计算l粘度是随搅拌速度而变化的，因而必须事先知道粘度与搅拌速度的关系，然后才能计算不同搅拌转速下的ReM。l牛顿型流体与非牛顿型流体的NpReM曲线基本
41、吻合，差别仅在ReM10300区间之内三、发酵罐搅拌功率的确定l应按不通气时所需搅拌功率来确定，这是因为灭菌及发酵前期不进行通气或通气量很少，l若按照正常情况下的功率消耗配备搅拌器的旋动电机，势必使电机长期处在超负载情况下，甚至根本无法启动电机或使电机损坏。l在搅拌器刚启动时，往往需要比运动功率大得多的启动功率，但因发酵罐所选用的电机一般属于三相电动机，此种电动机允许在短时间内有较大的超负荷，加上合理采用启动装置，故不必考虑启动时的功率消耗。l考虑到电动机系列中的额定功率的规格间隔很大，如比40kw再大一些的规格就是55、75、100kw，因此在实际选用电动机时可考虑采用介于通气与不通气之间的
42、功率。l过去发酵罐所配备电动机的功率约为11.5kw/m3培养液，而目前发酵罐所配备电动机容量，特别是如青霉素等由霉菌发酵的发酵罐，其电动机容量可达至34kw/m3培养液，同时将 通 气 量 压 缩 在 较 低 水 平 上（如 0.40.5m3/m3/min），即采用高功率消耗，低通气量的方法来加强搅拌过程中的剪应力和翻动量三、非牛顿型流体特性对搅拌功率计算的影响l用水解糖液、糖蜜等原料作为培养液的细菌醪、酵母醪均属于非牛顿型流体；l直接用淀粉、豆饼粉原料的低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体；l至于霉菌醪、放线菌醪，不管用什么原料作为培养液，均属于非牛顿型流体。l提高氧的传递速度和液固的混合
43、程度对高粘度的发酵液来说是十分必要的。l同时可避免高通气量引起的搅拌功率下降过多、泡沫严重、装料量少、液体蒸发量大等缺点。l适当选用较大容量的电动机，可在设备改装和工艺条件改变时具有一定的灵活性。当然也要避免盲目采用大功率电机而导致电机运转时功率因数过低。第三章 通气发酵罐中溶氧速率与通气搅拌的关系 l溶氧传递溶氧传递一、双膜理论l通风发酵罐的通风是供给好气性发酵微生物呼吸和代谢活动所需的氧。l微生物只能利用溶氧。l供氧与好氧不断地进行。若能设法提高溶氧速率和氧的利用率，则能提高发酵生产率。氧的溶解性l氧是难溶于水的气体，在23时，每升水中只能溶解5.44ml，而氧的溶解所能达到的限度，决定于
44、气液平衡关系和传质速率。l为了加速氧的溶解，必须尽可能加大气液两相间的接触面和流体动力学条件。l因此在工业生产中把除菌中的空气通入培养液中，使之分散成细小的气泡，尽可能增大气液两相的接触面积和接触时间。以促进氧的溶解。l在设计通气发酵罐如何提高溶氧速率和氧的利用率，是值得研究的问题。（一）氧的传递途径l在需氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的氧溶解在培养液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上面被利用。l这是一系列的传递过程。可分为供氧和好氧两个方面。l供氧是指空气中的氧从空气通过气膜、气膜界和液膜扩散到液体中。l好氧是指氧分子自液体主流通过液膜、菌体丝、细胞膜扩散到细胞内。氧的传递途径l
45、可分三步：l1.气泡中的氧分子经过气膜、气液界面、液膜进入液体主流；l2.氧分子从液体主流向细胞周围界面的液膜扩散到液体细胞界面；l3.氧分子从液体细胞界面属细胞内部扩散。（二）氧气溶解过程的双膜理论l1）在气液与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气流一侧存在一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。l气膜内的气体分子和液膜中的液体分子都处于层流状态分子间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即浓度差而透过双膜。双膜理论l（2）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中氧的浓度存在平衡关系；l（3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度不随时间而变。双膜理论l氧的空气扩散到气液
46、界面这一段的推动力是空气中氧的分压与界面处氧的分压之差，即P-Pi。l氧穿过界面溶于液体继续扩散到液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧浓度之差，即C-Ci。l两个推动力相对应的阻力是气膜阻力的1/kg,和液膜阻力1/kl,单位接触界面氧的传递速率：NA-单位接触界面的氧传递速率 kmol/m2hrKg-气膜传质系数 kmol/m2hr&atm kl-液膜传质系数kmol/m2hr,m3/kmol m2hrP,Pi-气相中和气液界面出氧分压atmCi,C-气液界面和液相中的氧浓度kmol/m3总传质系数和总推动力l不可能测定界面处的氧分压和氧浓度，或者不能直接
47、用于实际。l为了计算方便，并不单独计算Kg和kl，而改用总传质系数和总推动力：lNAkG(P-P*)=Kl(C*-C)总传质系数和总推动力lkG-以氧分压差为总推动力的总传质系数kmol/m2hr&atmlKl-以氧浓度为总推动力的总传质系数m/hrlP*-与液相中溶氧浓度C达到平衡时的氧分压atmlC*-与气相中氧分压P平衡时氧的溶解度kmol/m3亨利定律l亨利定律：与溶解度达到平衡的气体分压与该气体被溶解的浓度成正比。lP=HC*lP*=HClPi=HCiH亨利常数l对于易溶于水的气体，H很小。（1）式中的H/Kl可忽略，KG=Kgl对难溶气体，好氧溶于水，H很大。1/HKg趋向零，KL
48、=kll此溶解过程液膜阻力是主要因素。所以对于氧溶解：lNA=Kl(C*-C)lC*-C是可以测量的，但其中NA是单位面积的传氧量由于界面积不能测量，NA也不能计算。l在上式两边各乘单位体积培养液中气液两相界面的总面积。lNAa=Kla(C*-C)Nr=Kla(C*-C)lNr-单 位 体 积 液 体 氧 的 溶 解 速 率 kmol/m2hrlKla以浓度差为推动力的体积溶氧系数1/hrl溶氧速度小于微生物而好氧速度,则培养液中氧逐渐耗尽，当溶液中氧浓度低于临界氧浓度时，就要影响微生物的生长发育和代谢产物的生物。因此，供氧和好氧至少必须平衡，此时可用下式：lNA=Kla(C*-C)=Qo2M
49、lQo2-菌体呼吸强度kmol/KghrlM培养液中菌体浓度m3/kg二、体积溶氧系数Kla的测定l溶氧系数的测定方法很多：l亚硫酸钠氧化法，l取样法l排气法。l使用了各种试验仪器和方法，如滴汞电极以及极谱仪，还要用静止、颤动铂电极，具有转筛的银汞齐电极等，l亚硫酸盐氧化法及溶氧电极法的原理。（一）亚硫酸盐氧化法l1.原理及计算l原理：亚硫酸根离子在铜离子催化作用下，被空气中的氧分子氧化成硫酸根离子。由于亚硫酸盐氧化速度很快，所以氧一溶解于液体中就被耗尽。从而使溶液中氧浓度为零值。一般当亚硫酸盐浓度为0.0350.9当量，温度2045时，氧化反应速度不变。反应式+O2 2NaSO4未被氧化的N
50、a2SO3与碘液反应被氧化；Na2SO3+I2+H2Ol再用稳定的Na2S2O3滴定剩余的碘：l操作l将 配 好 的 1NNa2SO4溶 液 加 入CuSO4(0.01mol/l),一起放入发酵罐中，进行通风搅拌。lNa2SO3被氧分子氧化成Na2SO4每隔一定时间（如10min）取样。放入装有碘液的三角瓶中，用1淀粉液作指示剂，用0.1N硫代硫酸钠溶液滴定过量的碘。然后计算溶氧速率。l步骤：1.在试验缸加入Na2SO3晶体，使NaSO3浓度为1N左右，再加化学纯的CuSO4,使Cu2浓度103M.l2.进行通风搅拌。l3.每隔一定时间放样，样液放入装有定容和浓度为0.1N的碘液中。l4.用