設(shè)備管理_通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備概述

第十章 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備四十年代中期，青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)，或深層通風(fēng)培養(yǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志近代通風(fēng)發(fā)酵工業(yè)的開始。在深層通風(fēng)培養(yǎng)技術(shù)中，發(fā)酵罐是關(guān)鍵設(shè)備。在發(fā)酵罐中，微生物在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中進(jìn)行生長(zhǎng)、新陳代謝和形成發(fā)酵產(chǎn)物。第一節(jié) 通風(fēng)發(fā)酵罐及結(jié)構(gòu)通風(fēng)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。 常用通風(fēng)發(fā)酵罐有以下幾種類型：（1）機(jī)械攪拌發(fā)酵罐（2）氣升式發(fā)酵罐（3）自吸式發(fā)酵罐（4）伍式發(fā)酵罐（5）文氏管發(fā)酵罐一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠最常用類型。它是利用機(jī)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(zhǎng)繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。1，機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的基本要求 一個(gè)性能優(yōu)良的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐必須滿足以下基本要求：（1）發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比；發(fā)酵罐的高度與直徑之比一般為1.74倍左右，罐身越長(zhǎng)，氧的利用率較高（2）發(fā)酵罐能承受一定壓力；（3）發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧；（4）發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積；（5）發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌；（6）攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄漏。2，機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐是一種密封式受壓設(shè)備，其主要部件包括：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、換熱裝置和人孔以及管路等（1）罐體發(fā)酵罐的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(shè)有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝沒有快開入孔及清洗用的快開手孔。罐頂還裝有視鏡及燈鏡。在發(fā)酵罐的罐頂上的接管有：進(jìn)料管、補(bǔ)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(jìn)出管、進(jìn)空氣管、取樣管、溫度計(jì)管和測(cè)控儀表接口。圖10-1 攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖（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(duì)于大型發(fā)酵罐以及液體深度HL較高的，可安裝三組或三組以上的攪拌器。最下面一組攪拌器通常與風(fēng)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(huì)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10-2。圖10-2 常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸（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。軸向式攪拌器：槳葉式、螺旋槳式徑向式（渦輪式）攪拌器（Disc turbine）：平直葉、彎葉、箭葉圖10-3 徑向式（渦輪式）攪拌器的結(jié)構(gòu)示意圖（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(dòng)，增加溶解氧。通常，擋板寬度取(0.10.2)D，裝設(shè)64塊即可滿足全擋板條件。全擋板條件：是指在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求：（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(zhǎng)度約為罐徑的0.65倍。（6）聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，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(yīng)垂直，中心線對(duì)正。（7）軸承為了減少震動(dòng)，中型發(fā)酵罐般在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)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(gè)軸套。（8）變速裝置試驗(yàn)罐采用無級(jí)變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動(dòng)，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動(dòng)較為簡(jiǎn)便。（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(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。填料函式軸封的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。主要缺點(diǎn)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(yán)重；填料壓緊后摩擦功率消耗大；壽命短，經(jīng)常維修，耗工時(shí)多。圖10-4 填料函式軸封的結(jié)構(gòu)示意圖端面式軸封又稱機(jī)械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。圖10-5 端面式軸封的結(jié)構(gòu)示意圖端面式軸封的優(yōu)點(diǎn)：清潔；密封可靠；無死角，可以防止雜菌污染；使用壽命長(zhǎng)；摩擦功率耗損小；軸或軸套不受磨損； 它對(duì)軸的精度和光潔度沒有填料密封要求那么嚴(yán)格，對(duì)軸的震動(dòng)敏感性小。端面式軸封的缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)比填料密封復(fù)雜，裝拆不便； 對(duì)動(dòng)環(huán)及靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。（9）發(fā)酵罐的換熱裝置夾套式換熱裝置 這種裝置多應(yīng)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(jìn)行冷卻面積的設(shè)計(jì)。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。其缺點(diǎn) 是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差， 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(nèi)，有四組、六組或八組不等，根據(jù)管的直徑大小而定，容積5 米3 以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是：冷卻水在管內(nèi)的流速大；傳熱系數(shù)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(shí)降溫困難，發(fā)酵溫度經(jīng)常超過40C， 影響發(fā)酵產(chǎn)率，因此應(yīng)采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設(shè)備投資及生產(chǎn)成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。 豎式列管(排管)換熱裝置 這種裝置是以列管形式分組對(duì)稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是：傳熱系數(shù)較蛇管低，用水量較大。二、氣升式發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐其通風(fēng)原理是罐內(nèi)通風(fēng)，靠機(jī)械攪拌作用使氣泡分割細(xì)碎，與培養(yǎng)基充分混合，密切接觸，以提高氧的吸收系數(shù)；設(shè)備構(gòu)造比較復(fù)雜，動(dòng)能消耗較太。采用氣升式發(fā)酵罐可以克服上述的缺點(diǎn)。1，氣升式發(fā)酵罐的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻面積?。唬?）無攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)省動(dòng)力約50%，節(jié)省鋼材；（3）操作時(shí)無噪音；（4）料液裝料系數(shù)達(dá)8090，而不須加消泡劑；（5）維修、操作及清洗簡(jiǎn)便，減少雜菌感染。但氣升式發(fā)酵罐還不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對(duì)于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。 2，氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及原理 分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。其主要結(jié)構(gòu)包括：罐體、上升管、空氣噴嘴。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖10-6 氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖3，氣升式發(fā)酵罐的性能指標(biāo)氣升式發(fā)酵罐是否符合工藝要求及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，應(yīng)從下面幾方面進(jìn)行考慮。（1）循環(huán)周期時(shí)間必須符合菌種發(fā)酵的需要。（2）選用適當(dāng)直徑的噴嘴。具有適當(dāng)直徑的噴嘴才能保證氣泡分割細(xì)碎，與發(fā)酵液均勻接觸，增加溶氧系數(shù)。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(jī)，而在攪拌過程中自動(dòng)吸入空氣的發(fā)酵罐。這種設(shè)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(xì)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(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復(fù)雷素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成績(jī)。1，自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)自吸式發(fā)酵罐的主體結(jié)構(gòu)包括：（1）罐體；（2）自吸攪拌器及導(dǎo)輪；（3）軸封；（4）換熱裝置；（5）消泡器。圖10-7 自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖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(gòu)件是自吸攪拌器及導(dǎo)輪，簡(jiǎn)稱為轉(zhuǎn)子及定子。轉(zhuǎn)子由箱底向上升入的主軸帶動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)空氣則由導(dǎo)氣管吸入。轉(zhuǎn)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。圖10-8 自吸式發(fā)酵罐的導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)示意圖及充氣原理3，自吸式發(fā)酵罐的類型根據(jù)通氣的型式不同，自吸式發(fā)酵罐可分為三個(gè)類型：（1）回轉(zhuǎn)翼片式自吸式發(fā)酵罐； （2）具有轉(zhuǎn)子及定子的自吸式發(fā)酵罐； （3）噴射式自吸式發(fā)酵罐。 前兩者自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，比較廣泛采用。其傳動(dòng)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(gòu)造復(fù)雜。 4，自吸式發(fā)酵罐的優(yōu)點(diǎn)： （1）節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)、冷卻器、油水分離器、空氣貯聰、總過濾器等設(shè)備，減少?gòu)S房占地面積。（2）減少工廠發(fā)酵設(shè)備投資約30左右，例如應(yīng)用自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)酵母，容積酵母的產(chǎn)量可高達(dá)3050克。（3）設(shè)備便于自動(dòng)化、連續(xù)化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)力。（4）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。（5）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溶氧效果高，操作方便。 四、伍式發(fā)酵罐1，結(jié)構(gòu)伍式發(fā)酵罐的主要部件是套筒、攪拌器。圖10-9 伍式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖2，通氣原理攪拌時(shí)液體沿著套筒外向上升至液面，然后由套筒內(nèi)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?？諝庥煽招妮S導(dǎo)入經(jīng)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(cè)上升，由套筒內(nèi)部下降，形成循環(huán)。設(shè)備的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗套筒較困難，消耗功率較高。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(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：吸氧的效率高，氣、液、 固三相均勻混合，設(shè)備簡(jiǎn)單，無須空氣壓縮機(jī)及攪拌器，動(dòng)力消耗省。這種設(shè)備的缺點(diǎn)是氣體吸入量與液體循環(huán)量之比較低，對(duì)于好氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜。圖10-10 文氏管發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié) 通氣與攪拌一、攪拌器的型式及流型1，型式發(fā)酵罐中的機(jī)械攪拌器大致可分為軸向和徑向推進(jìn)兩種型式。前者如螺旋槳式，后者如渦輪式。（1） 螺旋槳式攪拌器螺旋槳式攪拌器在罐內(nèi)將液體向下或向上推進(jìn)(相應(yīng)于圖中的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向)。形成軸向的螺旋流動(dòng)，混合效果較好，但造成的剪率較低，對(duì)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(shù)Z=3，螺距等于攪拌器直徑，最大葉端線速度不超過25米/秒。圖10-11 螺旋槳式攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖（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。圖10-12 圓盤平直葉渦輪攪拌器結(jié)構(gòu)圖（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(dòng)較為強(qiáng)烈，因此在相同的攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)，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(zhuǎn)速時(shí)，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(duì)要求略低時(shí)，可選用圓盤彎葉渦輪。圖10-13圓盤彎葉渦輪攪拌器的結(jié)構(gòu)圖（4）圓盤箭葉渦輪攪拌器 圖10-14圓盤箭葉渦輪攪拌器結(jié)構(gòu)圖其攪拌流型與上述兩種渦輪相近，但它的軸向流動(dòng)較強(qiáng)烈，但在同樣轉(zhuǎn)速下，它造成的剪率低，輸出功率也較低。2，流型攪拌器在發(fā)酵罐中造成的流型，對(duì)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(guān)系。攪拌器造成的流體流動(dòng)型式不僅決定于攪拌器本身，還受罐內(nèi)的附件及其安裝位置的影響。（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(nèi)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(dòng)，使旋渦消失，圖10-15 罐中心裝垂直螺旋攪拌器的攪拌流型（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(cè)形成向上和向下的兩個(gè)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(dāng)?shù)陌才爬鋮s排管，也可基本消除軸中心凹陷的旋渦。圖10-16 擋板渦輪攪拌槳的流型（3）裝有套筒時(shí)的攪拌器攪拌流型在罐內(nèi)與垂直的攪拌器同中心安裝套簡(jiǎn)，一可以大大加強(qiáng)循環(huán)輸送效果，并能將液面的泡沫從套簡(jiǎn)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(jī)械攪拌罐。圖10-17 裝有中心套筒的攪拌器流型二、攪拌器軸功率的計(jì)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(zhuǎn)時(shí)，用以克服介質(zhì)的阻力所需的功率，簡(jiǎn)稱軸功率。它不包括機(jī)械傳動(dòng)的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動(dòng)機(jī)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(qiáng)度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關(guān)系。1，單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計(jì)算（1）功率準(zhǔn)數(shù)一個(gè)具體的攪拌器所輸入攪拌液體的功率取決于下列因素： 葉輪和罐的相對(duì)尺寸；攪拌器的轉(zhuǎn)速；流體的性質(zhì)；擋板的尺寸和數(shù)目。通過因次分析，得：式中 P0：不通氣時(shí)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(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/秒） K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及流體的流態(tài)是一個(gè)無因次數(shù)，可定義為功率準(zhǔn)數(shù)NP。該準(zhǔn)數(shù)表征著機(jī)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。式中 ：渦輪線速度 a：加速度 V：液體體積 m：液體質(zhì)量（2）攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP的求解攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)。在一系列幾何相似的試驗(yàn)設(shè)備里，用不同型式的攪拌器，逐漸變化ReM，算出相應(yīng)的NP， 在雙對(duì)數(shù)座標(biāo)紙上標(biāo)繪，得到NPReM曲線簇，如圖所示。圖10-18 NPReM曲線試驗(yàn)攪拌器的型式及罐體比例尺寸，如ReM104，達(dá)到充分湍流之后，ReM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(shù)，此時(shí) 對(duì)圓盤六平直葉渦輪 NP6 對(duì)圓盤六彎葉渦輪 NP4.7 對(duì)圓盤六箭葉渦輪 NP3.7 （3）單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率 P0=NPD5N3 （10-4）2，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計(jì)算使用多個(gè)渦輪時(shí)，兩者間的距離S，對(duì)非牛頓型流體可取為2D，對(duì)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。S過小，不能輸出最大的功率；S過大，則中間區(qū)域攪拌效果不好。符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或?qū)崪y(cè)結(jié)果都表明，多個(gè)渦輪輸出的功率近似等于單個(gè)渦輪的功率乘以渦輪的個(gè)數(shù)。3，通氣液體機(jī)械攪拌功率的計(jì)算同一攪拌器在相等的轉(zhuǎn)速下輸入于通氣液體的攪拌功率比不通氣液體的低。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(guān)，而且主要取決于渦輪周圍氣液接觸的狀況。邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測(cè)量其輸出功率，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上將Pg標(biāo)繪成渦輪直徑D，轉(zhuǎn)速，空氣流量Q和P0的函數(shù)，得出以下關(guān)系式：福田秀雄在100升至42000升的系列設(shè)備里，對(duì)邁凱爾關(guān)系式進(jìn)行了校正，得將多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別標(biāo)出 ，與實(shí)測(cè)的對(duì)應(yīng)的Pg在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪。圖10-19 圖中的直線斜率為0.39，截距為2.410-3 由此得出邁凱爾的修正關(guān)系式4，計(jì)算舉例某細(xì)菌醪發(fā)酵罐罐直徑T1.8(米)圓盤六彎葉渦輪直徑D0.60米，一只渦輪罐內(nèi)裝四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板 攪拌器轉(zhuǎn)速N168轉(zhuǎn)分通氣量Q1.42米3分(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量)罐壓P1.5絕對(duì)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(jì)算Pg(1)計(jì)算ReMReM=5.25104(2)由NP ReM查NP ， NP =4.7(3)計(jì)算P0 P0=NPD5N3= 8.07（千瓦）(4)計(jì)算Pg3，非牛頓流體特性對(duì)攪拌功率計(jì)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(duì)發(fā)酵過程的影響極大，對(duì)攪拌功率的計(jì)算也帶來麻煩。牛頓型流體：用水解糖液、糖蜜等原料做培養(yǎng)液的細(xì)菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度細(xì)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。 非牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算與牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)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(guān)系，然后才能計(jì)算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據(jù)實(shí)驗(yàn)繪出其NPReM曲線。根據(jù)米茲納大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(nèi)。 如果為了近似的計(jì)算，不要求較高的準(zhǔn)確度，那么的非牛頓型液體的NPReM曲線也可以不要實(shí)際標(biāo)繪。可以用牛頓型流體的NPReM曲線代替非牛頓型液體的NPReM曲線。第三節(jié) 氧的傳遞（Oxygen Transfer ）In this section we will look more deeply into factors that affect oxygen transfer and how fermentation systems can be designed to maximize dissolved oxygen concentration in bioreactors.The supply of oxygen is often the rate limiting step in an aerobic fermentation and satisfying oxygen demands can often constitute a large proportion of the operating and capital of a industrial scale fermentation system.一、IntroductionSupplying oxygen to aerobic cells has always represented a significant challenge to fermentation technologists. The problem derives from the fact that oxygen is poorly soluble in water.The solubility of Sucrose is 600 g.l-1 .oxygen at 4 in pure water is only 8 mg.l-1.Satisfying oxygen demands can often constitute a large proportion of the operating and capital of a industrial scale fermentation system.二、The oxygen transfer process 1，The oxygen transfer processIf only suspended cells are involved and if the level of mixing in the bulk liquid is sufficiently high, then the rate limiting step in the oxygen transfer process is the movement of the oxygen molecules through the bubble boundary layer.圖10-20 氧的傳遞過程（1）Diffusion through the bubble to the gas-liquid interface 圖10-21 Diffusion through the bubble to the gas-liquid interfaceThis in fact is not a step at all. Gas molecules move so quickly that they are evenly distributed throughout the bubble. （2）Diffusion across the gas-liquid interface 圖10-22 Diffusion across the gas-liquid interfaceThis step will also be very rapid if the concentration of oxygen in the bubble high.On the other hand if the bubble is rich in CO2 and the contains a low concentration of oxygen, then the rate of oxygen transfer out of the bubble will be slow or even zero.（3）Diffusion through the bubble boundary layerThe movement of solutes through the boundary layer is slow because solutes must move through the liquid by diffusion.圖10-23 Diffusion through the bubble boundary layerMany factors will affect the rate of diffusion of oxygen through the boundary layer, including the: temperature, concentration of oxygen in the bulk liquid, saturation concentration of oxygen in the liquid, concentration of oxygen in the bubble, size of the molecule, viscosity of the medium.（4）Movement through the bulk liquid by forced convection and diffusion 圖10-25 Movement through the bulk liquid by forced convection and diffusionThe rate of movement of an oxygen molecule through the bulk liquid is dependent on: the degree of mixing (relative to the volume of the reactor), viscosity of the medium （5）Movement through the floc 圖10-26 Movement through the flocThe following steps, complete the journey of the oxygen molecule：Step 5 - movement through the boundary layer surrounding the microbial slime. Step 6 - entry into the slime Step 7 - movement through the slime Step 8 - movement across the cell membrane Step 9 - reaction Steps 5 and 7 are slow processes.2，The oxygen transfer modelWhen bulk mixing levels are high and suspended cell cultures are involved, the rate limiting step in above process will generally be the diffusion of oxygen through the bubble boundary layer (Step 3). Therefore, it is possible to use the interphase oxygen transfer equation to describe the oxygen transfer rate (OTR):3，Oxygen transfer coefficient (kL) and interfacial area (a)Because it not possible to accurately measure the total interfacial area of the gas bubbles (a), kL and a are combined into single term, referred to KLa. The KLa represents the oxygen transfer rate per unit volume.4，The balance between OXYGEN DEMAND and SUPPLYUptake rate： = Qo2X （10-9）Supply rate：When OTR=, KLa = Qo2X /(C*-CL)When OTR , CL When OTR , cL If is a constant, KLa , CL 三、影響氧傳遞速率的主要因素根據(jù)氧傳遞速率方程 OTR=KLa（C*-CL） （10-10）凡是影響氧傳遞推動(dòng)力（C*-CL）、氣液比表面積a和氧傳遞常數(shù)的因素都會(huì)影響氧傳遞速率。1，溶液的性質(zhì)對(duì)氧溶解度的影響氧是一種難溶氣體，在25和1.01lO5Pa時(shí)，純水中氧的溶解度是1.26mol/m3，由于空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)是0.21，因此與空氣平衡的水相中氧濃度為0.265mol/m3。氧在水中的溶解度隨溫度的升高而降低(表5-1)，在1.01105Pa和溫度在433的范圍內(nèi)，與空氣平衡的純水中，氧的濃度也可由以下經(jīng)驗(yàn)式來計(jì)算：表10-1 純氧在不同溫度水中的溶解度（1.01lO5Pa）溫度（）溶解度（mol/m3）溫度（）溶解度（mol/m3）01015202.181.701.541.38253035401.261.161.091.03 （10-11）式中 ：與空氣平衡的水中氧濃度（mol/m3） t：溫度（）氧在酸溶液中的溶解度和酸的種類及濃度有關(guān)，見表5-2所示。表10-2 25和1.01lO5Pa下純氧在不同酸溶液中的溶解度溶液濃度（kmol/m3）溶解度（mol/m3）鹽酸硫酸0.00.501.01.51.261.211.161.121.261.211.121.02在電解質(zhì)溶液中，由于發(fā)生鹽析作用，使氧的溶解度降低。氧在電解質(zhì)溶液中可由Sechenov公式計(jì)算： （10-12）式中 ：氧在電解質(zhì)溶液中的溶解度mol/m3；：電解質(zhì)溶液的濃度（kmol/m3）；K：Sechenov常數(shù)。該常數(shù)隨氣體種類、電解質(zhì)種類和溫度的變化而變化。圖10-27示出了氧在幾種鹽溶液中的溶解度與鹽濃度的關(guān)系。如果是幾種電解質(zhì)的混合溶液，此時(shí)氧的溶解度則可根據(jù)溶液的離子強(qiáng)度計(jì)算： （10-13）式中 hi：第I種離子的常數(shù)（m3/kmol） Ii：第I種離子的離子強(qiáng)度（kmol/m3）在非電解質(zhì)溶液中，氧的溶解度一般隨溶質(zhì)濃度的增加而下降，其規(guī)律和電解質(zhì)溶液相似： （10-14）式中： ：氧在在非電解質(zhì)溶液中的溶解度（mol/m3）； ：非電解質(zhì)或有機(jī)物濃度（kg/m3）。若培養(yǎng)基中同時(shí)含有電解質(zhì)和非電解質(zhì)，氧的溶解度則可用下式計(jì)算： （10-15）式中 ：氧在混合溶液中的溶解度（mol/m3）。圖10-27 氧的溶解度與鹽濃度的關(guān)系要提高氧在溶液中的溶解度的方法有多種，其中最簡(jiǎn)單的方法是增加罐壓。但是要注意的是增加罐壓雖然提高了氧的分壓，從而增加了氧的溶解度，但其他氣體成分(如CO2)的分壓也相應(yīng)增加，且由于CO2的溶解度比氧大得多，因此不利于液相中CO2的排出，而影響了細(xì)胞的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的代謝，所以增加罐壓是有一定限度的。另一種方法是增加空氣中氧的含量，進(jìn)行富氧通氣操作。即通過深冷分離法、吸附分離法及膜分離法制得富氧空氣，然后通入發(fā)酵液。目前由于這三種分離方法的成本都較高，富氧通氣還處于研究階段。2，氣液比表面積對(duì)氧溶解度的影響根據(jù)氧傳遞速率方程（式10-10），氧的傳遞速率與氣液比表面積成正比。因此凡是能影響氣液比表面積的因素均能影響氧在溶液中的溶解度。氣液比表面面積的大小取決于截留在發(fā)酵液中的氣體體積及氣泡的大小。截留在發(fā)酵液中的氣體越多，氣泡的直徑越小，那么氣泡的比表面積就越大，即氣液比表面積與氣體的截留率成正比，而與氣泡平均直徑成反比。對(duì)于帶有機(jī)械攪拌的發(fā)酵罐，氣泡的平均直徑與單位體積液體消耗的通氣攪拌功率、流體的物理性質(zhì)有關(guān)。攪拌對(duì)比表面積的影響較大，因?yàn)閿嚢璺矫婵墒箽馀菰谝后w中產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)停留時(shí)間，增大氣體的截留率；另一方面攪拌的剪切作用又使氣泡粉碎，減少氣泡的直徑。而表面張力的作用則阻止氣泡的變化和粉碎，具有使表面積下降的作用。增大通氣量可增加空氣的截留率，使比表面積增大。但通氣量增大到一定程度，如不改變攪拌速度，則會(huì)降低攪拌功率，甚至發(fā)生空氣“過載”現(xiàn)象，導(dǎo)致氣泡的凝聚形成大氣泡。3，影響氧傳遞系數(shù)的因素（1）攪拌攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)KLa值具有很大的影響，對(duì)于帶有機(jī)械攪拌的通風(fēng)發(fā)酵罐，攪拌是以下述方式促進(jìn)氧的傳遞：攪拌能把大的空氣泡分散成細(xì)小的氣泡，防止小氣泡的凝聚，增加了氧與液體的接觸面積；攪拌使發(fā)酵液作渦流運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了氣泡在發(fā)酵液中的停留時(shí)間；攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中的接觸面積的增加，使推動(dòng)力均一，同時(shí)也減少了菌體表面液膜的厚度，有利于氧的傳遞。攪拌使發(fā)酵液產(chǎn)生湍流而降低氣/液接觸界面的液膜厚度，減小氧傳遞過程的阻力，因而增大了KLa值。帶有機(jī)械攪拌的通風(fēng)發(fā)酵罐其攪拌器與氧傳遞速率常數(shù)KLa的關(guān)系可用式5-17來表示： （10-16）式中 Pg：通氣時(shí)攪拌器的軸功率(W)； V：發(fā)酵罐中發(fā)酵液的體積(m3)； Vs：空氣的線速度(m/s)； k：常數(shù)從式10-16可知，KLa幾乎與單位體積中的攪拌軸功率成正比。但這種關(guān)系取決于發(fā)酵罐的大小，Pg/V的指數(shù)隨發(fā)酵設(shè)備大小而變化(如下表)。表10-3 Pg/V指數(shù)發(fā)酵設(shè)備規(guī)模的關(guān)系規(guī) 模Pg/V的指數(shù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模中試規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模0.950.670.50（2）空氣線速度空氣線速度較小時(shí)，氧傳遞系數(shù)KLa是隨通風(fēng)量的增加而增大的，當(dāng)增加通風(fēng)量時(shí)，空氣的線速度也就相應(yīng)地增大，從而增加了溶氧，氧傳遞系數(shù)KLa相應(yīng)地也增大。空氣線速度增大到一定程度，如不改變攪拌速度，則會(huì)降低攪拌功率，甚至發(fā)生“過載”現(xiàn)象，會(huì)使攪拌槳葉不能打散空氣，氣流形成大氣泡在軸的周圍逸出，使攪拌效率和溶氧速率都大大降低，使KLa降低。圖10-28是表觀空氣速度與氧傳遞系數(shù)KLa的關(guān)系。lgVs圖10-28 表觀空氣速度與氧傳遞系數(shù)KLa的關(guān)系（3）空氣分布管在通風(fēng)發(fā)酵中，除了用攪拌將空氣分散成小氣泡外，還可用空氣分布管來分散空氣?？諝夥植脊艿男褪?、噴口直徑及管口與罐底距離的相對(duì)位置對(duì)氧溶解速率有較大的影響。當(dāng)通風(fēng)量較小時(shí)，噴口的直徑越小，氣泡的直徑也就越小，相應(yīng)地溶氧系數(shù)也就越大。而當(dāng)通風(fēng)量超過一定值后，氣泡的直徑與通風(fēng)量有關(guān)，與噴口的直徑無關(guān)。（4）發(fā)酵液性質(zhì)在發(fā)酵過程中，由于微生物的生命活動(dòng)，分解并利用培養(yǎng)液中的基質(zhì)，大量繁殖菌體，積累代謝產(chǎn)物等都引起培養(yǎng)液的性質(zhì)的改變，特別是粘度、表面張力、離子濃度、密度、擴(kuò)散系數(shù)等，從而影響到氣泡的大小、氣泡的穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)氧傳遞系數(shù)K出帶來很大的影響。此外，發(fā)酵液粘度的改變還會(huì)影響到液體的湍流性以及界面或液膜阻力，從而影響到氧傳遞系數(shù)KLa。當(dāng)發(fā)酵液濃度增大時(shí)，粘度也增大，氧傳遞系數(shù)KLa就降低。發(fā)酵液中泡沫的大量形成會(huì)使菌體與泡沫形成穩(wěn)定的乳濁液，影響到氧傳遞系數(shù)。（5）表面活性劑培養(yǎng)液中消泡用的油脂等具有親水端和疏水端的表面活性物質(zhì)分布在氣液界面，增大了傳遞的阻力，使氧傳遞系數(shù)KLa等發(fā)生變化，圖10-29為表面活性劑月桂基磺酸鈉濃度對(duì)氧傳遞系數(shù)KLa、KL和dB的影響。圖10-29 表面活性劑濃度對(duì)氧傳遞系數(shù)KLa、KL和dB的影響（6）離子強(qiáng)度 發(fā)酵液中含有多種鹽類，離子強(qiáng)度約為0.20.5mol/L。KLa隨著離子強(qiáng)度的增大而增大。攪拌和通氣消耗的功率越大，則KLa隨離子強(qiáng)度增大的幅度越大，有時(shí)KLa可高達(dá)純水中的56倍。在鹽溶液中，氣泡細(xì)小且難以聚合成大氣泡。而且氣體滯留量有增大的趨勢(shì)。圖10-30表示電解質(zhì)溶液的濃度對(duì)KLa的影響。（7）菌體濃度許多研究表明，菌體的存在對(duì)氧傳遞是不利的。圖10-31描繪了Deindoerfer和Gaden研究的產(chǎn)黃青霉菌對(duì)KLa的影響。發(fā)酵液中菌體濃度的增加，會(huì)使KLa變小。圖10-30 溶液中電解質(zhì)濃度對(duì)KLa的影響 圖10-31 菌體濃度對(duì)KLa的影響四、溶氧傳遞系數(shù)的測(cè)定方法測(cè)定發(fā)酵設(shè)備的溶氧傳遞系數(shù)KLa值對(duì)于確定其通氣效率和確定操作變數(shù)對(duì)溶氧的影響是十分必要的。測(cè)量KLa的方法有亞硫酸鹽氧化法、取樣極譜法、物料衡算法、動(dòng)態(tài)法、排氣法和電極法。本節(jié)將論述有關(guān)KLa測(cè)定方法以及各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。1，亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法不需測(cè)定溶氧濃度，而是測(cè)定在銅催化下亞硫酸鈉轉(zhuǎn)化為硫酸鈉的反應(yīng)速率： （10-17）在該反應(yīng)中一旦氧進(jìn)入溶液，溶解在水中的氧能立即氧化其中的亞硫酸根離子，使之成為硫酸根離子，其氧化反應(yīng)的速度在較大的范圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度無關(guān)。實(shí)際上是氧分子一旦溶入液相，立即就被還原掉。因此，亞硫酸鹽的氧化反應(yīng)速率與氧傳速率年是等價(jià)的。實(shí)際上，在任何時(shí)候的溶氧濃度均為零，因此，KLa可由下式計(jì)算獲得：OTRKLaC* （10-18）式中：OTR為氧傳遞速率；C*為溶液中氧的飽和濃度。其測(cè)定過程為：在發(fā)酵罐中加入含0.5M的亞硫酸鈉，10-3M的CuSO4溶液，并以固定的速率進(jìn)行通氣和攪拌，然后在一定的時(shí)間間隔內(nèi)取樣(間隔時(shí)間根據(jù)通氣和攪拌速率而決定)，在樣品中，加入過量的碘溶液與已被氧化的亞硫酸鈉反應(yīng)，再用標(biāo)定的硫代硫酸鈉反滴定，以測(cè)定殘余的碘量。從中推算出未被空氣氧化的亞硫酸鈉。以滴定消耗的硫代硫酸鈉體積與取樣時(shí)間作圖，則其斜率即為氧傳遞速率。亞硫酸鹽氧化法具有操作簡(jiǎn)便之優(yōu)點(diǎn)，且在相當(dāng)清潔的條件下能得到非常精確的結(jié)果；另外，由于取樣時(shí)包括了整個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)的液體而避免了取樣不勻的問題。但是，這種方法非常耗時(shí)(一次測(cè)定就需2小時(shí)，這主要決定于通氣和攪拌速率)，且發(fā)酵罐內(nèi)只要有極少量的表面活性劑污染時(shí)，則其測(cè)定值就不精確。此外，亞硫酸鈉溶液的流變學(xué)特性與實(shí)際發(fā)酵液有較大差別，對(duì)實(shí)際的發(fā)酵過程，用此測(cè)定方法測(cè)得的KLa與實(shí)際值有較大差異，而使工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用受到限制。而且大型發(fā)酵罐中使用此法，將消耗大量的亞硫酸鈉，廢水中高濃度的SO32-將大量消耗受水體中的溶氧。2，取樣極譜法取樣極譜法測(cè)定氧傳遞系數(shù)的原理是當(dāng)在發(fā)酵液中加入電解電壓為0.61.0V時(shí)，擴(kuò)散電流的大小與發(fā)酵液中溶解氧的濃度成正比，通過測(cè)定擴(kuò)散電流的大小就可測(cè)定氧的傳遞系數(shù)。由于氧的分解電壓最低，發(fā)酵液中的其他物質(zhì)對(duì)測(cè)定的影響甚微，所以此法可直接用于發(fā)酵狀態(tài)的氧傳遞系數(shù)的測(cè)定。將從發(fā)酵設(shè)備中取出的發(fā)酵液放入極譜儀中的電解池中，記下隨時(shí)間而下降的發(fā)酵液中氧的濃度CL的數(shù)值，以時(shí)間為橫座標(biāo)，溶解氧濃度為縱座標(biāo)進(jìn)行作圖，如圖10-32。圖中曲線的斜率的負(fù)數(shù)即為微生物的攝氧率r，同時(shí)用外推的方法求出發(fā)酵液中氧的飽和濃度C*，就可按下式計(jì)算氧傳遞系數(shù)KLa： （10-19）極譜法可以通過測(cè)定真實(shí)培養(yǎng)狀態(tài)下培養(yǎng)液中的溶解氧濃度，進(jìn)而可計(jì)算出氧傳遞系數(shù)，但是當(dāng)從培養(yǎng)設(shè)備中取出樣品后，樣品所受的壓力從罐壓降至大氣壓，此時(shí)測(cè)定得到的氧濃度已不準(zhǔn)確，且在靜止條件下所測(cè)得的攝氧率與在培養(yǎng)設(shè)備中的實(shí)際情況不完全一致，因而誤差較大。圖10-32 極譜法工作曲線3，物料衡算法對(duì)培養(yǎng)液中的氧進(jìn)行物料衡算，當(dāng)培養(yǎng)液中的溶氧供需不平衡時(shí)，溶氧濃度的變化速率為： （10-20）處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，于是 （10-21）攝氧率r可由進(jìn)氣和排氣氧分壓變化求出。對(duì)于理想混和的反應(yīng)器，C*為與排氣中氧分壓平衡的氧濃度。如果已知發(fā)酵液中氧的溶解特性，測(cè)定了排氣氧分壓和液相氧濃度，即可求出KLa。在大型發(fā)酵罐中一般不能獲得理想混和，這時(shí)可用平均推動(dòng)力(C*-CL)m代替C*-CL： （10-22）其中和分別代表與進(jìn)氣及排氣氧分壓平衡的液相氧濃度。4，動(dòng)態(tài)法將式（5-8）重新排列，可得 （10-23）由式（5-11）可見，將非穩(wěn)態(tài)時(shí)溶氧濃度CL對(duì)作圖可得一直線，此直線的斜率即為。在發(fā)酵過程中，此種非穩(wěn)態(tài)可以人為造成而又不影響正常的發(fā)酵。先提高發(fā)酵液中的溶氧濃度，使之在遠(yuǎn)高于臨界溶氧濃度Cc的C0處達(dá)到平衡，然后停止通氣而繼續(xù)攪拌，此時(shí)溶氧濃度開始直線下降；待溶氧濃度尚未降低到Cc之前，恢復(fù)供氣，液中溶氧濃度隨即上升。在這種條件下作業(yè)，微生物的比攝氧率不受影響為常量，由于時(shí)間較短，微生物的增量不計(jì)，所以攝氧率r為常量。把關(guān)氣到恢復(fù)通氣時(shí)的CL對(duì)時(shí)間t作圖，可得圖10-33。在停止供氣階段，CL的降低與t成線性關(guān)系，直線的斜率為攝氧率r。恢復(fù)通氣后，CL逐漸回升，直至建立供需平衡。在恢復(fù)平衡之前的過渡階段內(nèi)，按式（5-11），將CL對(duì)作圖，即求出KLa。如圖10-34所示。 關(guān)氣 C* CL 斜率=-1/KLaCL O2 r dCL/dt 開氣 t r+ dCL/dt 圖10-