生物工程設備 第二章 通風發(fā)酵設備

1、第二章通風發(fā)酵設備11 四十年代中期，青霉素的工業(yè)化生產，或深層通風培養(yǎng)技術的出現，標志近代通風發(fā)酵工業(yè)的開始。 在深層通風培養(yǎng)技術中，發(fā)酵罐是關鍵設備。在發(fā)酵罐中，微生物在適當的環(huán)境中進行生長、新陳代謝和形成發(fā)酵產物。223344本章講述的內容第一節(jié) 通風發(fā)酵罐及結構第二節(jié) 通氣與攪拌第三節(jié) 氧的傳遞第四節(jié) 機械攪拌通風發(fā)酵罐的設計55第一節(jié)通風發(fā)酵罐及結構 通風發(fā)酵罐又稱好氣性發(fā)酵罐，如谷氨酸、檸檬酸、酶制劑、抗生素、酵母等發(fā)酵用的發(fā)酵罐。 好氣性發(fā)酵需要將空氣不斷通入發(fā)酵液中，以供微生物所消耗的氧。66通風發(fā)酵罐的類型機械通風攪拌發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐伍式發(fā)酵罐文氏管發(fā)酵罐77一

2、、機械通風攪拌發(fā)酵罐 機械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。881，機械通風攪拌發(fā)酵罐的基本要求 發(fā)酵罐應具有適宜的徑高比。 發(fā)酵罐能承受一定壓力。 發(fā)酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧。 發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積。 發(fā)酵罐內應盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌。 攪拌器的軸封應嚴密，盡量減少泄漏。992，機械攪拌發(fā)酵罐的結構好氣性機械攪拌發(fā)酵罐是密封式受壓設備，主要部件包括：罐身軸封消泡器攪拌器聯(lián)軸器中間軸承擋板空氣分布管換熱裝置 人孔以

3、及管路等1010 大型發(fā)酵罐結構231軸封軸封 ； 2、20人孔；人孔； 3梯；梯； 4聯(lián)軸；聯(lián)軸；5中間軸承；中間軸承； 6溫度計接口；溫度計接口；7攪拌葉輪；攪拌葉輪； 8進風管；進風管；9放料口；放料口； 10底軸承；底軸承；11熱電偶接口；熱電偶接口；12冷卻管；冷卻管；13攪拌軸；攪拌軸； 14取樣管；取樣管；15軸承座；軸承座； 16傳動皮帶；傳動皮帶；17電機；電機； 18壓力表；壓力表；19取樣口；取樣口； 21進料口；進料口；22補料口；補料口； 23排氣口；排氣口；24回流口；回流口； 25視鏡；視鏡；圖2.1 大型發(fā)酵罐結構圖機械攪拌發(fā)酵罐的結構機械攪拌發(fā)酵罐的結構 小型

4、發(fā)酵罐結構圖2.2 小型發(fā)酵罐結構圖（1）罐體 罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接，材料一般為不銹鋼。 為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝沒有快開人孔及清洗用的快開手孔。 罐頂還裝有視鏡及燈鏡。 在罐頂上的接管有：進料管、補料管、排氣管、接種管和壓力表接管。 在罐身上的接管有冷卻水進出管、進空氣管、取樣管、溫度計管和測控儀表接口。1111（2）罐體的尺寸比例罐體各部分的尺寸有一定的比例，罐的高度與直徑之比一般為1.74左右。發(fā)酵罐通常裝有兩組攪拌器，兩組攪拌器的間距S約為攪拌器直徑的三倍。對于大型發(fā)酵罐以及液體深度HL較高的，可安

5、裝三組或三組以上的攪拌器。最下面一組攪拌器通常與風管出口較接近為好，與罐底的距離C一般等于攪拌器直徑Di，但也不宜小于0.8Di，否則會影響液體的循環(huán)。最常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖。1212（3）攪拌器 攪拌器的作用是打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)酵液中。 攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（渦輪式）兩種。1313軸向式攪拌器槳葉式螺旋槳式1414徑向式（渦輪式）攪拌器（Disc turbine）平直葉彎葉箭葉1515（4）擋板 擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動，增加溶解氧。 通常，擋板寬度取(0.10.2)D，裝設46塊即可滿足全擋

6、板條件 全擋板條件：是指在一定轉數下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變。要達到全擋板條件必須滿足下式要求：1616（5）消泡器 消泡器的作用是將泡沫打破。 消泡器常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式?？装迨降目讖郊s1020毫米。 消泡器的長度約為罐徑的0.65倍。1717加入化學消泡劑碟片式消泡器刮板式消泡器（6）聯(lián)軸器 大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。 常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應垂直，中心線對正。1818法蘭（7）軸承 為了減少震動，中型發(fā)酵罐般在罐內裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間

7、軸承的水平位置應能適當調節(jié)。罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯等)，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.40.7。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個軸套。1919底軸承中間軸承（8）變速裝置 試驗罐采用無級變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動較為簡便。2020（9）軸封 軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。 常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。 填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。 端面式軸封又稱機械軸封。密封作

8、用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉動而達到密封。2121 填料函式軸封的優(yōu)點是結構簡單。 主要缺點是：死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；軸的磨損情況較嚴重；填料壓緊后摩擦功率消耗大；壽命短，經常維修，耗工時多。2222 端面式軸封的優(yōu)點： 清潔；密封可靠；無死角，可以防止雜菌污染；使用壽命長；摩擦功率耗損??；軸或軸套不受磨損；它對軸的精度和光潔度沒有填料密封要求那么嚴格，對軸的震動敏感性小。 端面式軸封的缺點： 結構比填料密封復雜，裝拆不便； 對動環(huán)及靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。2323（9）發(fā)酵罐的換熱裝置 夾套式換熱裝置

9、 這種裝置多應用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐； 夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進行冷卻面積的設計。 這種裝置的優(yōu)點是：結構簡單；加工容易，罐內無冷卻設備，死角少，容易進行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。 其缺點是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時降溫效果差，2424 豎式蛇管換熱裝置 這種裝置是豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內，有四組、六組或八組不等，根據管的直徑大小而定，容積5m3以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。 這種裝置的優(yōu)點是：冷卻水在管內的流速大；傳熱系數高。這種冷卻裝置適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。 但是氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)酵時降溫困難，發(fā)酵溫度經常超過40C

10、，影響發(fā)酵產率，因此應采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設備投資及生產成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。2525 豎式列管(排管)換熱裝置 這種裝置是以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內。 其優(yōu)點是：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。 這種裝置的缺點是：傳熱系數較蛇管低， 用水量較大。2626 冷卻裝置夾套冷卻夾套冷卻豎式蛇管冷卻豎式蛇管冷卻豎式列管冷卻豎式列管冷卻適用范圍5m3以下小發(fā)酵罐以下小發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐氣溫較高的地區(qū)氣溫較高的地區(qū)優(yōu)點結構簡單，加工容結構簡單，加工容易，罐內死角少，易，罐內死角少，容易清洗滅菌容易清洗滅菌流速大，傳熱系數大，流速大，

11、傳熱系數大，降溫效果較好。降溫效果較好。加工方便，提高加工方便，提高傳熱推動力的溫傳熱推動力的溫差。差。缺點傳熱壁較厚，冷卻傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效水流速低，降溫效果差。果差。冷卻水較高時，降溫冷卻水較高時，降溫困難，彎曲位置易腐困難，彎曲位置易腐蝕。蝕。用水量較大。用水量較大。 在罐外安裝板式或螺旋板式熱交換器，采用無菌空氣使發(fā)酵液在罐外安裝板式或螺旋板式熱交換器，采用無菌空氣使發(fā)酵液進行循環(huán)冷卻。進行循環(huán)冷卻。二、氣升式發(fā)酵罐 機械攪拌發(fā)酵罐其通風原理是罐內通風，靠機械攪拌作用使氣泡分割細碎，與培養(yǎng)基充分混合，密切接觸，以提高氧的吸收系數；設備構造比較復雜，動能消耗較太。采用氣升式

12、發(fā)酵罐可以克服上述的缺點。27271，氣升式發(fā)酵罐的特點 結構簡單，冷卻面積??； 無攪拌傳動設備，節(jié)省動力約50%，節(jié)省鋼材； 操作時無噪音； 料液裝料系數達8090，而不須加消泡劑; 維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染。 但還不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數較低。28282，氣升式發(fā)酵罐的結構及原理分為內循環(huán)和外循環(huán)兩種。其主要結構包括： 罐體 上升管 空氣噴嘴內循環(huán)式外循環(huán)式2929氣升式發(fā)酵罐類型氣升式發(fā)酵罐類型： 氣升環(huán)流式氣升環(huán)流式 鼓泡式鼓泡式 空氣噴射式空氣噴射式原理：原理： 把無菌空氣通過噴嘴或把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發(fā)酵液中，通過汽噴孔噴射進發(fā)酵

13、液中，通過汽液混合物的湍流作用而使空氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，同時由于形成的泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液下沉，動，而氣含率小的發(fā)酵液下沉，形成循環(huán)流動，實現混合與溶形成循環(huán)流動，實現混合與溶氧傳質氧傳質特點：特點： 沒有攪拌器，且有定向循環(huán)沒有攪拌器，且有定向循環(huán)流動流動G泵LG 空氣噴射裝置漩渦式空氣噴射器G泵LGGFG氣升環(huán)流式反應器氣液雙噴射氣升環(huán)流反應器多層空氣分布板的氣升環(huán)流式反應器ICIs air lift system for making single-cell protein in 1979

14、冷卻水GG培養(yǎng)基AAB注射入口ICI壓力循環(huán)氣升發(fā)酵罐123456711891012氣升式玻璃發(fā)酵罐具有外循環(huán)冷卻的氣升環(huán)流式發(fā)酵罐3，氣升式發(fā)酵罐的性能指標氣升式發(fā)酵罐是否符合工藝要求及經濟指標，應從下面幾方面進行考慮。 循環(huán)周期時間必須符合菌種發(fā)酵的需要。 選用適當直徑的噴嘴。具有適當直徑的噴嘴才能保證氣泡分割細碎，與發(fā)酵液均勻接觸，增加溶氧系數。303031三、自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自動吸入空氣的發(fā)酵罐。這種設備的耗電量小，能保證發(fā)酵所需的空氣，并能使氣液分離細小，均勻地接觸，吸入空氣中7080%的氧被利用。采用了不同型式、容積的自吸式發(fā)酵罐生產

15、葡萄糖酸鈣、力復霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成績。311，自吸式發(fā)酵罐的結構罐體自吸攪拌器及導輪軸封換熱裝置消泡器3232機械攪拌自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐的結構自吸式發(fā)酵罐的結構2，自吸式發(fā)酵罐的充氣原理 自吸式發(fā)酵罐的主要的構件是自吸攪拌器及導輪，簡稱為轉子及定子。轉子由箱底向上升入的主軸帶動，當轉子轉動時空氣則由導氣管吸入。 轉子的形式有九葉輪、六葉輪、三葉輪、十字形葉輪等，葉輪均為空心形。33333，自吸式發(fā)酵罐的類型 根據通氣的型式不同，自吸式發(fā)酵罐可分為三個類型： 回轉翼片式自吸式發(fā)酵罐； 具有轉子及定子的自吸式發(fā)酵罐； 噴射式自吸式發(fā)酵罐。 前兩者自吸式發(fā)酵罐結

16、構簡單，制作容易，比較廣泛采用。其傳動裝置有裝在罐底及罐頂兩種，如裝在罐底，則端面密封裝置的加工和安裝要求特別精密，否則容易漏液染菌。第三種噴射式自吸式發(fā)酵罐，電耗少，但是泵的構造復雜。3434噴射自吸式發(fā)酵罐 噴射自吸式發(fā)酵罐：噴射自吸式發(fā)酵罐： 利用文氏罐噴射吸氣裝置或溢流噴射吸氣裝置進行混利用文氏罐噴射吸氣裝置或溢流噴射吸氣裝置進行混合和溶氧傳質。合和溶氧傳質。 文氏管自吸式發(fā)酵罐 液體噴射自吸式發(fā)酵罐 溢流噴射自吸式發(fā)酵罐文氏吸氣管1234567液體噴射吸氣裝置噴射自吸式發(fā)酵罐12693547出水冷卻水8冷卻水排氣排水噴射自吸式發(fā)酵罐Vobu-JZ單層溢流噴射自吸式發(fā)酵罐Vobu-JZ

17、雙層溢流噴射自吸式發(fā)酵罐4，自吸式發(fā)酵罐的優(yōu)點： 節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機、冷卻器、油水分離器、空氣貯聰、總過濾器等設備，減少廠房占地面積。 減少工廠發(fā)酵設備投資約30左右，例如應用自吸式發(fā)酵罐生產酵母，容積酵母的產量可高達3050克。 設備便于自動化、連續(xù)化，降低勞動強度，減少勞動力。 酵母發(fā)酵周期短，發(fā)酵液中酵母濃度高，分離酵母后的廢液量少。 設備結構簡單，溶氧效果高，操作方便。3535四、伍式發(fā)酵罐1，結構 伍式發(fā)酵罐的主要部件是套筒、攪拌器。36362，原理 攪拌時液體沿著套筒外向上升至液面，然后由套筒內返回罐底，攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上，兼作空氣分配器。空氣由空心

18、軸導入經過攪拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相混合，發(fā)酵液在套筒外側上升，由套筒內部下降，形成循環(huán)。設備的缺點是結構復雜，清洗套筒較困難，消耗功率較高。3737五、文氏管發(fā)酵罐 其原理是用泵將發(fā)酵液壓入文氏管中，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合，增加發(fā)酵液中的溶解氧。這種設備的優(yōu)點是：吸氧的效率高，氣、液、 固三相均勻混合，設備簡單，無須空氣壓縮機及攪拌器，動力消耗省。 這種設備的缺點是氣體吸入量與液體循環(huán)量之比較低，對于好氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜。3838第二節(jié)通氣與攪拌（areation and agitation)3939一、攪拌器的

19、型式及流型1，型式 發(fā)酵罐中的機械攪拌器大致可分為軸向和徑向推進兩種型式。前者如螺旋槳式，后者如渦輪式。4040（1） 螺旋槳式攪拌器 螺旋槳式攪拌器在罐內將液體向下或向上推進(相應于圖中的順時針或逆時針旋轉方向)。形成軸向的螺旋流動，混合效果較好，但造成的剪率較低，對氣泡的分散效果不好。一般用在藉壓差循環(huán)的發(fā)酵罐中，以提高其循環(huán)速度。 常用的螺旋槳葉數Z=3，螺距等于攪拌器直徑，最大葉端線速度不超過25米秒。4141（2）圓盤平直葉渦輪攪拌器 圓盤平直葉渦輪與沒有圓盤的平直葉渦輪，其攪拌特性差別甚微。但在發(fā)酵罐中無菌空氣由單開口管通至攪拌器下方，大的氣泡受到圓盤的阻擋，避免從軸部的葉片空隙上

20、升，保證了氣泡的更好的分散。 圓盤平直葉渦輪攪拌器具有很大的循環(huán)輸送量和功率輸出，適用于各種流體，包括粘性流體、非牛頓流體的攪拌混合。4242（3）圓盤彎葉渦輪攪拌器 圓盤彎葉渦輪攪拌器的攪拌流型與平直葉渦輪的相似，但前者造成的液體徑向流動較為強烈，因此在相同的攪拌轉速時，前者的混合效果較好。但由于前者的流線葉型，在相同的攪拌轉速時，輸出的功率較后者的為小。因此，在混合要求特別高，而溶氧速率相對要求略低時，可選用圓盤彎葉渦輪。4343（4）圓盤箭葉渦輪攪拌器 其攪拌流型與上述兩種渦輪相近，但它的軸向流動較強烈，但在同樣轉速下，它造成的剪率低，輸出功率也較低。44442，流型 攪拌器在發(fā)酵罐中造

21、成的流型，對氣固液相的混合效果及氧氣的溶解、熱量的傳遞具有密切關系。 攪拌器造成的流體流動型式不僅決定于攪拌器本身，還受罐內的附件及其安裝位置的影響。4545（1）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪拌流型 罐中心垂直安裝的螺旋槳，在無擋板的情況下，在軸中心形成凹陷的旋渦。如在同一罐內安裝46塊擋板，液體的螺旋狀流受擋板折流，被迫向軸心方向流動，使旋渦消失，4646（2）渦輪式攪拌器的流型 上述三種渦輪攪拌器的攪拌流型基本上相同，各在渦輪平面的上下兩側形成向上和向下的兩個翻騰。如不滿足全擋板條件，軸中心位置也有凹陷的旋渦。適當的安排冷卻排管，也可基本消除軸中心凹陷的旋渦。4747（3）裝有套筒時的攪拌

22、器攪拌流型 在罐內與垂直的攪拌器同中心安裝套簡，一可以大大加強循環(huán)輸送效果，并能將液面的泡沫從套簡的上部入口，抽吸到液體之中，具有自消泡能力。伍氏發(fā)酵罐就是具有這種中心套筒的機械攪拌罐。4848二、攪拌器軸功率的計算 攪拌器輸入攪拌液體的功率：是指攪拌器以既定的速度旋轉時，用以克服介質的阻力所需的功率，簡稱軸功率。它不包括機械傳動的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動機的軸功率或耗用功率。 發(fā)酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關系。49491，單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計算 一個具體的攪拌器所輸入攪拌液體的功率取決于下列因素：葉輪和罐的相

23、對尺寸攪拌器的轉速流體的性質擋板的尺寸和數目5050通過因次分析，得：式中 P0：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（瓦）：液體的密度（公斤/米3）：液體的粘度（牛.秒/米2）D：渦輪直徑（米）N：渦輪轉數（轉/秒）K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及流體的流態(tài)5151 NP 03D5是一個無因次數，可定義為功率準數NP。該準數表征著機械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。5252N P =單位體積液體所受外力單位體積液體的慣性力=P0 / Vma / V式中 ：渦輪線速度a：加速度V：液體體積m：液體質量53535454攪拌功率準數NP的求解 攪拌功率準數NP是攪

24、拌雷諾數Re的函數。5555 Re104，達到充分湍流之后，Re增加，攪拌功率P0雖然將隨之增大，但NP保持不變，即施加于單位體積液體的外力與其慣性力之比為常數，此時56562，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算 使用多個渦輪時，兩者間的距離S，對非牛頓型流體可取為2D，對牛頓型流體可取2.53.0D；靜液面至上渦輪的距離可取0.52D，下渦輪至罐底的距離C可取0.51.0D。 符合上述條件的發(fā)酵罐，用經驗公式計算或實測結果都表明，多個渦輪輸出的功率近似等于單個渦輪的功率乘以渦輪的個數。57573，通氣液體機械攪拌功率的計算 同一攪拌器在相等的轉速下輸入于通氣液體的攪拌功率比不通氣液

25、體的低。這可以解釋為：通氣使液體的重度降低。 功率的降低，不僅與液體平均重度的降低有關，而且主要取決于渦輪周圍氣液接觸的狀況。5858 邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測量其輸出功率，在雙對數坐標上將Pg標繪成渦輪直徑D，轉速，空氣流量Q和P0的函數，得出以下關系式：5959 福田秀雄在100升至42000升的系列設備里，對邁凱爾關系式進行了校正，得60600 . 083P 02 ND 將多組實驗數據分別標出 ( Q)，與實測的對應的Pg在雙對數坐標上標繪。圖中的直線斜率為0.39，截距為2.4 10-36161 由此得出邁凱爾的修正關系式6262計算舉例 某細菌醪發(fā)酵罐罐直徑T1.8(

26、米)圓盤六彎葉渦輪直徑D0.60米，一只渦輪罐內裝四塊標準擋板攪拌器轉速N168轉分通氣量Q1.42米3分(已換算為罐內狀態(tài)的流量)罐壓P1.5絕對大氣壓醪液粘度1.9610-3牛秒米2醪液密度1020公斤米3 要求計算Pg6363例題：例題：某酶制劑廠某酶制劑廠 10m3機械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑機械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑D=1.8m，一只圓盤六彎葉渦輪攪拌器直徑一只圓盤六彎葉渦輪攪拌器直徑D =0.6m ，罐內裝有四塊標準擋，罐內裝有四塊標準擋板，裝液量板，裝液量VL為為6m3，攪拌轉速，攪拌轉速 =168rpm，通氣量，通氣量Q=1.42 m3 /min，醪液粘度，醪液粘度=1.9610

27、-3 Ns/ m2，醪液密度，醪液密度 =1020 kg/ m3 ，三角皮帶的效率是三角皮帶的效率是 0.92，滾動軸承的效率是，滾動軸承的效率是 0.99，滑動軸承的效，滑動軸承的效率是率是0.98，端面軸封增加的功率為，端面軸封增加的功率為 1%，求軸功率，求軸功率Pg和和kL，并選，并選擇合適的電機。（已知在充分湍流狀態(tài)時，圓盤彎葉渦輪攪拌器擇合適的電機。（已知在充分湍流狀態(tài)時，圓盤彎葉渦輪攪拌器的功率準數的功率準數 NP = 4.7 ）解：解：1.先求出先求出Re：4321025. 51096. 110206 . 0)60/168(Re = = = = = LiD攪拌功率的計算攪拌功率

28、的計算2.因因Re104，所以發(fā)酵系統(tǒng)在充分湍流狀態(tài)，即有功率系數，所以發(fā)酵系統(tǒng)在充分湍流狀態(tài)，即有功率系數NP = 4.7 ，故葉輪的不通氣時攪拌功率，故葉輪的不通氣時攪拌功率P0為：為：）（kW07. 86 . 01020601687 . 4535i30 = =DNPLP 3.求通氣時攪拌功率求通氣時攪拌功率Pg：)kW(55. 6)14200006016807. 8(1025. 2)1025. 239. 008. 032339. 008. 03i23g0= = = = = = QDPP （4.所需電動機功率為：所需電動機功率為：）（）（kW4 . 7%1198. 099. 092. 05

29、5. 6= = 4. 求求kL ：先求空截面氣速先求空截面氣速vS：求求kL ：min)/cm(8 .5518014200004422= = = = = DQvSSvDQ = =24 )atm)(min/(mLOmol10911. 1101688 .556.55/63.3)2.3610 /P3.3n)2.36k2O2697 . 07 . 056. 097 . 07 . 00.56gLpvVSL = = = = = = （ 3，非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響 常見的某些發(fā)酵液具有明顯的非牛頓流體特性。這一特性對發(fā)酵過程的影響極大，對攪拌功率的計算也帶來麻煩。 牛頓型流體：用水解糖液、糖蜜等原

30、料做培養(yǎng)液的細菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度細菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體。 非牛頓型流體：霉菌醪、放線菌醪。6565 非牛頓型流體攪拌軸功率的計算與牛頓型流體攪拌軸功率的計算方法一樣，但這類液體的粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須先知道粘度與攪拌速度的關系，然后才能計算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據實驗繪出其NPReM曲線。6666 根據米茲納大量實驗數據的證明，牛頓型流體與非牛頓型液體的NPReM曲線的差別僅存在于ReM 10300區(qū)間之內。 如果為了近似的計算，不要求較高的準確度，那么的非牛頓型液體的NPReM曲線也可以不要實際標繪?？梢杂门ｎD型流體的NPReM曲線代

31、替非牛頓型液體的NPReM曲線。6767第三節(jié) 氧的傳遞（Oxygen Transfer ）一、Introduction Supplying oxygen to aerobic cells has alwaysrepresented a significant challenge to fermentationtechnologists. The problem derives from the fact thatoxygen is poorly soluble in water. The solubility of Sucrose is 600 g.l-1 . oxygen at 4C in

32、 pure water is only 8 mg.l-1. Satisfying oxygen demands can often constitute a largeproportion of the operating and capital of a industrialscale fermentation system.686869二、The oxygen transfer process1，The oxygen transfer process413579268If only suspended cells are involved and if the level of mixin

33、g inthe bulk liquid is sufficiently high, then the rate limiting step inthe oxygen transfer process is the movement of the oxygenmolecules through the bubble boundary layer.692,雙膜理論雙膜理論的基本前提：（1）氣泡和液體之間存在界面，兩邊分別有氣膜和液膜，均處于層流狀態(tài)，氧分子只能借濃度差以擴散方式透過雙膜，氣體和液體主流空間中任一點的氧分子濃度相同。（2）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強與溶于液體中的氧的濃度處于平衡

34、關系。（3）傳質過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質途徑上各點的氧濃度不隨時間而變。7070*3，The oxygen transfer model When bulk mixing levels are high and suspended cell culturesare involved, the rate limiting step in above process willgenerally be the diffusion of oxygen through the bubbleboundary layer (Step 3). Therefore, it is possible to use t

35、he interphase oxygen transferequation to describe the oxygen transfer rate (OTR):OTR =dCdt= k L a (C C L )CL is the concentration of oxygen dissolved in the bulk liquidkL is the mass transfer coefficient for the bubble boundary layera is the interfacial area per unit volumeC* is the concentration of

36、 oxygen in the bubble boundary layer.71713，Oxygen transfer coefficient(kL) and interfacial area (a) Because it not possible to accurately measurethe total interfacial area of the gas bubbles (a),kL and a are combined into single term, referredto KLa. The KLa represents the oxygen transfer rate perun

37、it volume.7272*4，The balance between OXYGENDEMAND and SUPPLYUptake rate： = Qo2Xsupply rate：OTR =dCdt= k L a ( C C L )When OTR= , KLa = Qo2X /(c*-cL)When OTR , cL When OTR , cL If is a constant, KLa , cL 7373OTR =*dCdt三、影響氧傳遞速率的因素 供氧：= k L a ( C C L ) KLa (c*-cL) 耗氧： = Qo2X74741，影響體積氧傳遞系數Kla的因素根據經驗公式

38、攪拌空氣流速空氣分布管發(fā)酵罐內液柱的高度發(fā)酵液的性質泡沫和消泡劑7575（1）攪拌 作用形成小氣泡，增大比表面積液體渦流運動，增加氣液接觸時間料液湍流運動，促進傳質使菌體分散，避免結團7676（2）空氣線速度 空氣線速度較小時， KLa隨線速度的增加而增加； 空氣線速度增加至一定程度后，如不改變攪拌速度，則會降低攪拌功率，使KLa降低，甚至發(fā)生“過載”現象。7777（3）空氣分布管 改變氣泡的大小，從而改變氣泡的比表面積。7878（4）發(fā)酵罐內液柱高度 根據經驗數據： H/D從1增加到2， KLa增加40% H/D從2增加到3， KLa增加20%7979（5）發(fā)酵液性質 粘度：影響液體湍動性及

39、液膜的阻力。8080（6）泡沫和消泡劑 泡沫：泡沫的存在使氣泡滯留時間延長且導致氣泡中的充分交換；由于泡沫存在于攪拌槳區(qū)域而使不能充分地混合發(fā)酵液。 消泡劑：降低氧的傳遞速率。81812，影響傳質推動力(c*-cL)的因素溫度溶液的性質氧分壓發(fā)酵罐內液柱的高度8282（1）溫度 根據亨利定律：C*=P O 2H O2 亨利常數取決于：溶質濃度、溫度Temperature(oC )2535Henrys constant (atm.mg-1.l)0.02580.02998383（2）溶液的性質 鹽和糖的存在降低了氧的溶解度。NaCl (M)00.51.02.0C* using pure oxyge

40、n at 25oC40.3234.2428.4822.728484（3）氧分壓C*=P O 2H O28585（4）發(fā)酵罐內液柱的高度 提高氧分壓的一個方法就是提高氣泡總壓力。如：將氣泡的壓力提高到10atm，則氧的分壓可達2.1atm。 直接提高罐壓，會存在工程上的問題。因此可通過提高液柱高度來解決。Pbase = g h + 1 atmospherePbase ：罐底部壓力（pa）g：重力加速度（9.8 m.s-2 ）h：液柱高度（m）8686四、體積氧傳遞系數KLa的測定亞硫酸鹽氧化法排氣法取樣極譜法復膜電極和氧分析儀法(動態(tài)法）8787五、溶氧濃度的測量和控制1，測量：用耐高溫的復膜電

41、極在線測量88882，溶氧的控制 培養(yǎng)液中氧濃度的任何變化都是供需平衡的結果。調節(jié)發(fā)酵液中溶氧含量不外從供、需兩個方面去考慮。8989*（1）供氧方程OTR =dCdt= k L a (C C L ) 提高KLa (c*-cL)9090（2）需氧方程 = Qo2X影響此方程的因素：養(yǎng)料的豐富程度溫度的影響9191（3）溶氧控制方法的比較9292第三節(jié) 機械攪拌發(fā)酵罐的設計 機械攪拌發(fā)酵罐主要由攪拌裝置、軸封和罐體三部分組成。三個組成部分各起如下的作用: 攪拌裝置：由傳動裝置、攪拌軸、攪拌器組成 ,由電動機和皮帶傳動驅動攪拌軸使攪拌器按照一定的轉速旋轉 ,以實現攪拌的目的。 軸封：為攪拌罐和攪拌

42、軸之間的動密封 ,以封住罐內的流體不致泄漏。 罐體：罐體、加熱裝置及附件。它是盛放反應物料和提供傳熱量的部件。939394一、設計內容和步驟：設備本體的設計： 罐體的設計筒體的設計、計算封頭的設計、計算罐體壓力試驗時應力校核及容積驗算 附件的設計選取接管尺寸的選擇法蘭的選取開孔及開孔補強人孔及其它傳熱部件的計算擋板、中間支承、扶梯的選取94攪拌裝置的設計：傳動裝置的設計、攪拌軸的設計、聯(lián)軸器的選取、軸承的選取及其軸承壽命的核算、密封裝置的選取、攪拌器的設計、攪拌軸的臨界轉速。9595設備的強度及穩(wěn)定性檢驗設備承受各種載荷的計算 設備重量載荷的計算 設備地震彎矩的計算 偏心載荷的計算塔體強度及穩(wěn)定性檢驗裙座的強度計算及校核 裙座計算 基礎環(huán)的計算 地腳螺栓計算裙座與筒體對接焊縫驗算9696二、發(fā)酵罐的結構計算1，罐容積的計算 根據生產規(guī)模和發(fā)酵水平計算每日所需發(fā)酵液的量，再根據這一數據確定發(fā)酵罐的容積。9797 例如，一年產5萬檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產日期為300天，發(fā)酵周期為96小時。 每日的產量=50000/300=166.7 噸 每日所需發(fā)酵液的量=166.7/（0.140.9）=1322.8 米3 假定發(fā)酵罐的裝液系數為85% 則每日所需發(fā)酵罐容積=1322.8/0.