第8章 生化反應(yīng)器

1、第八章 生化反應(yīng)器 講授內(nèi)容 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 厭氧發(fā)酵設(shè)備 第三節(jié) 好氧發(fā)酵設(shè)備 第四節(jié) 發(fā)酵罐的放大【教學(xué)目的與要求教學(xué)目的與要求】了解發(fā)酵設(shè)備的種類，掌握常用發(fā)酵設(shè)備的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算。【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】常用發(fā)酵設(shè)備的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算。 思考題： 1.解釋概念： 公稱體積、平均循環(huán)時(shí)間、全擋板條件、 牛頓性流體 2.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)要求和必備條件？ 3.已知：某細(xì)菌發(fā)酵罐，直徑2.17m，葉輪直徑0.72m，采用兩只六平葉蝸輪，攪拌轉(zhuǎn)速109r/min，通風(fēng)量Vg=5.55m3/min（已換為罐內(nèi)狀態(tài)），醪液黏度為2.2510-3 Pa.s，密度1020kg/m3，

2、發(fā)酵液為牛頓型流體，求Pg。 生物反應(yīng)器應(yīng)提供適宜生物體生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的各種條件（如維持適當(dāng)?shù)臏囟?、溶氧、pH等），促進(jìn)微生物的代謝，達(dá)到低能耗、高產(chǎn)量目的。同時(shí)還應(yīng)滿足不同程度的無(wú)菌程度的要求，另外反應(yīng)器結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，便于清洗和滅菌。 第一節(jié) 概述n生化反應(yīng)的目的：三類：1.生產(chǎn)細(xì)胞： 菌體細(xì)胞，單細(xì)胞蛋白、活菌制劑等2.細(xì)胞的代謝產(chǎn)物：酒精、氨基酸、抗生素等3.直接用酶催化的產(chǎn)物： 淀粉糖（果葡糖漿、葡萄糖、飴糖等） 大豆蛋白低分子肽、n生化反應(yīng)器的分類根據(jù)細(xì)胞或組織生長(zhǎng)代謝的要求可分為： 1.厭氧生物反應(yīng)器： 2.通風(fēng)生物反應(yīng)器： 機(jī)械攪拌、氣升式、自吸式等不同結(jié)構(gòu) 3.光照生物反應(yīng)器

3、： 4.膜生物反應(yīng)器：n根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)可分為： 罐式；管式；塔式；池式生物反應(yīng)器n根據(jù)物料的混合方式可分為： 非循環(huán)式；內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式等 無(wú)論何種反應(yīng)器，掌握基本的設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)過(guò)程基本一樣。n生化反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)內(nèi)容： 細(xì)胞動(dòng)力學(xué)、質(zhì)量傳遞、能量傳遞、環(huán)境對(duì)發(fā)酵的影響、剪切力的影響等 總之，生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)是以生物體的代謝為核心，除考慮傳質(zhì)、傳熱的因素外，還需要考慮對(duì)環(huán)境條件的要求，確保這些條件的落實(shí)。同時(shí)為提高傳質(zhì)和傳熱的效率需配置攪拌裝置，同時(shí)需考慮剪切力對(duì)菌體生長(zhǎng)的影響。發(fā)酵過(guò)程純種培養(yǎng)，無(wú)菌條件的要求。發(fā)酵罐設(shè)計(jì)要求和必備條件：良好的傳熱傳質(zhì)性能，氣液混合良好，保證足夠的溶解氧；

4、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密（軸封、機(jī)械）罐內(nèi)減少死角滅菌徹底，防止雜菌污染；適當(dāng)?shù)母邚奖?；良好的檢測(cè)和控制；承受一定的溫度和壓力；設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，耗能低。判斷生物反應(yīng)器好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)能否適合工藝要求以取得最大的生產(chǎn)效率。 一、啤酒發(fā)酵罐： 傳統(tǒng)啤酒發(fā)酵設(shè)備 現(xiàn)代啤酒發(fā)酵設(shè)備 錐形罐、聯(lián)合罐、超日罐 二、酒精發(fā)酵罐第二節(jié) 厭氧發(fā)酵設(shè)備一、啤酒發(fā)酵罐 傳統(tǒng)設(shè)備：在室內(nèi)，產(chǎn)量較小。 分為： 前酵設(shè)備(主發(fā)酵)：敞口發(fā)酵槽 鋼筋水泥，內(nèi) 貼瓷磚，防滲處理。 后發(fā)酵設(shè)備： 密閉發(fā)酵罐 立式和臥式 碳鋼涂料 現(xiàn)代發(fā)酵設(shè)備： 不銹鋼 容量可達(dá)300t 如立式圓柱錐形罐(奈坦罐)、朝日罐、 聯(lián)合罐等.啤酒發(fā)酵設(shè)備大型

5、化的優(yōu)點(diǎn):一啤酒質(zhì)量一致;罐數(shù)少,易管理,設(shè)備投資相應(yīng)減少。 前發(fā)酵設(shè)備前發(fā)酵設(shè)備 槽底部有坡度易排水；距槽底1015cm嫩啤酒排出管；可拆卸；罐內(nèi)設(shè)有冷卻蛇管， 一般每m3發(fā)酵液需0.2m2的冷卻面積。管內(nèi)通冰水制冷劑一般用液氨。前發(fā)酵罐體積的確定：一般和糖化能力匹配 考慮泡沫空間，計(jì)算糖化一次麥汁的量，即可確定發(fā)酵槽的總體積V： Vo糖化一次麥汁量 Z一個(gè)發(fā)酵槽容納一次麥汁的倍數(shù)。 裝液系數(shù)，取0.80.85 3OZVVm后發(fā)酵設(shè)備后發(fā)酵設(shè)備 材料:以前用A3鋼板,內(nèi)涂防腐層. 也有用鋁板 現(xiàn)多用復(fù)合鋼板 圓筒形金屬容器：臥式和立式A 1人孔人孔 2連通接頭連通接頭 3取樣旋塞取樣旋塞 4

6、啤酒放出閥啤酒放出閥 5壓力表壓力表 安全閥安全閥B 1壓力調(diào)節(jié)裝置壓力調(diào)節(jié)裝置 2取樣口取樣口 3人孔人孔 4啤酒放出口啤酒放出口后發(fā)酵槽的計(jì)算：貯酒罐 作用：完成嫩啤酒的繼續(xù)發(fā)酵，飽和二氧化碳，促進(jìn)啤酒的穩(wěn)定、澄清和成熟。 其容量應(yīng)和啤酒過(guò)濾設(shè)備能力匹配其容量應(yīng)和啤酒過(guò)濾設(shè)備能力匹配。 若選定每個(gè)后發(fā)酵槽的容量后，根據(jù)后發(fā)酵槽的總有效容積，可確定后發(fā)酵槽數(shù)N： N=V/Vs V后發(fā)酵槽總的有效體積,m3 Vs每個(gè)后發(fā)酵槽的有效體積,m3現(xiàn)代啤酒發(fā)酵設(shè)備現(xiàn)代啤酒發(fā)酵設(shè)備錐形罐：圓筒體錐底發(fā)酵罐 發(fā)酵罐最大容量達(dá)1500t。20世紀(jì)初瑞士Nathan發(fā)明，稱奈坦罐優(yōu)點(diǎn)：發(fā)酵速度快，易于沉淀收集

7、酵母發(fā)酵速度快，易于沉淀收集酵母( (下面酵下面酵母母) )，減少啤酒及其苦味物質(zhì)的損失，泡沫穩(wěn)，減少啤酒及其苦味物質(zhì)的損失，泡沫穩(wěn)定性得到改善，對(duì)啤酒工業(yè)的發(fā)展極為有利。定性得到改善，對(duì)啤酒工業(yè)的發(fā)展極為有利。錐底角度錐底角度60o130o最佳為最佳為70o，高經(jīng)比高經(jīng)比1.56:1常用常用3:1或或4:1容量與糖化能力匹配容量與糖化能力匹配, 以以1215h裝滿為好裝滿為好錐形罐的設(shè)計(jì)要點(diǎn)： 仔細(xì)考慮： 1.耐壓要求，設(shè)計(jì)壓力為最大工作壓力加10%，安全閥，打開(kāi)；清洗，真空閥。 2.罐內(nèi)的對(duì)流和熱交換。 3.內(nèi)部的清洗。一般采用CIP清洗。 聯(lián)合罐聯(lián)合罐 Universal,淺錐淺錐底底,

8、大直徑發(fā)酵罐大直徑發(fā)酵罐高徑比高徑比: 1:11.3罐體耐壓試驗(yàn)罐體耐壓試驗(yàn)0.0703MPa材料材料:普通鋼板普通鋼板+涂涂料料或不銹鋼或不銹鋼朝日罐朝日罐 罐材:46mm不銹鋼板高徑比12:12.酒精發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)冷卻裝置 中小形罐 罐頂噴水外壁冷卻大型罐 內(nèi)裝冷卻蛇管和外壁噴水結(jié)合 罐內(nèi)洗滌罐內(nèi)洗滌 人工人工 水利洗滌器水利洗滌器 水利噴射水利噴射 洗滌器：洗滌器： 120m3 363mm管管 開(kāi)開(kāi)30個(gè)個(gè)4mm 兩頭噴嘴兩頭噴嘴9mm 水利噴射：開(kāi)孔46mm 與水平呈20o夾角， 洗滌壓力0.60.8MPa， 4856r/min 5min可完成洗滌作業(yè)發(fā)酵罐的幾何尺寸推薦如下: H=1.1

9、1.5D h1=0.10.14D h2=0.050.1D根據(jù)發(fā)酵罐的高徑比 可確定發(fā)酵罐的尺寸發(fā)酵罐全體積: V=Vo/ 式中: V發(fā)酵罐的全體積 m3 Vo進(jìn)入發(fā)酵罐的醪液量, m3 裝液系數(shù), 0.850.90 帶錐底.蓋的圓柱型發(fā)酵罐全體積: V=(/4)D2 (Hh1/3h2/3) 式中: D罐經(jīng),m H罐的圓柱部分高度m h1. h2 分別為罐底,罐蓋的高度 m 第三節(jié)第三節(jié) 好氧發(fā)酵罐（通風(fēng)）好氧發(fā)酵罐（通風(fēng)） 好氧發(fā)酵的核心設(shè)備，反應(yīng)器已系列化生產(chǎn)。 實(shí)驗(yàn)室：150L 玻璃 不銹鋼，可自控 中試車(chē)間：50500L 碳鋼和內(nèi)襯不銹鋼 工廠：5000L以上 不銹鋼 630t、3000

10、t氣升 罐內(nèi)清洗大罐采用CIP清洗、 攪拌裝置大罐一般放在底部，小罐在頂部 密封 多采用端面軸封 用硅油、水做潤(rùn)滑劑、蒸汽常用的通風(fēng)發(fā)酵罐常用的通風(fēng)發(fā)酵罐： 機(jī)械攪拌式（通用發(fā)酵罐） 7080%，機(jī)械攪拌實(shí)現(xiàn)溶氧 氣升環(huán)流式 利用空氣動(dòng)力實(shí)現(xiàn)自吸式 不需要空壓機(jī)，靠自吸機(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)械攪拌發(fā)酵罐1.發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：密閉受壓容器 主要有：罐體、攪拌器、擋板、軸封、空氣分布器、傳動(dòng)裝置、冷卻管(夾套)、消泡器、人孔、視鏡等 通用式發(fā)酵罐1.罐體：罐體： 材質(zhì)：碳鋼或不銹鋼 工藝要求：耐受溫度130、壓力0.25MPa(絕對(duì)) 罐體壁厚：罐徑、材料和耐壓有關(guān)。封頭與罐體連接：小罐法蘭、大罐焊接小

11、罐封頭：開(kāi)手孔，方便清洗配料中、大型罐：頂裝視鏡和燈孔，進(jìn)料管、排氣管、 接種管（靠近罐中心）、壓力表等罐身：冷卻水進(jìn)出管、進(jìn)氣管和T、pH、溶氧的電極接口。取樣管可裝在罐頂和罐側(cè)。注意：盡量減少罐體管路盡量減少罐體管路。 2.攪拌器和擋板 攪拌器大多采用蝸輪式，有圓盤(pán)六彎葉、六箭葉、六直葉，另外還有l(wèi)ightin式和推進(jìn)式的攪拌器結(jié)構(gòu)如圖： 擋板作用：改變液流方向，由徑向流改為軸向流。高度：自液面到罐底，避免形成死角。 設(shè)46塊擋板可達(dá)到全全擋板條件擋板條件。定義：指在一定轉(zhuǎn)指在一定轉(zhuǎn)速下，再增加罐內(nèi)速下，再增加罐內(nèi)附件，軸功率保持附件，軸功率保持不變，旋渦基本消不變，旋渦基本消失的條件。失

12、的條件。豎立的蛇管、列管和排管。3.軸封： 作用：將罐底或罐頂與軸之間的縫隙密封，防止泄露和污染雜菌。常用： 端面軸封（機(jī)械）端面軸封（機(jī)械） 單、雙單、雙 優(yōu)點(diǎn)：清潔、密封可靠、無(wú)死角、使用時(shí)間長(zhǎng)。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拆裝不便、對(duì)動(dòng)靜環(huán)要求高4.空氣分布器作用是吹入無(wú)菌空氣使空氣分布均勻。形式有二種：?jiǎn)喂苁?環(huán)型管5.消泡裝置：打散氣泡，避免產(chǎn)生的氣泡隨空氣溢出增加污染機(jī)會(huì)。 一般發(fā)酵：機(jī)械消泡和化學(xué)消泡結(jié)合 最簡(jiǎn)單實(shí)用：耙式消泡器：鋸齒 和梳狀 直接固定在軸。長(zhǎng)度為0.65D另外還有蝸輪、旋風(fēng)分離式等裝在罐外，易染菌，少使用機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸H罐高 D罐徑 Ho罐

13、身高 HL液位高 h封頭高 hb封頭直邊高度Di攪拌葉輪直徑B擋板寬度 S相鄰葉輪間距C下攪拌葉輪與罐底的距離 H/D=1.73.5 Di/D=1/21/3 B/D=0.10.12(1/81/12) S/Di=25 Ho/D=2 C/Di=0.81.0 ha=0.785D發(fā)酵罐的體積：用公稱體積公稱體積： 發(fā)酵罐圓柱部分體積和底封頭體積的和發(fā)酵罐圓柱部分體積和底封頭體積的和。 底封頭體積：封頭的形狀、直徑、壁厚 查化工手冊(cè)，橢圓封頭體積V1：222114646babVD hD hDhD2221244612(46OObObVD HDhDDHhD230.154OOVD HD近似計(jì)算: 發(fā)酵罐總體積

14、VO：二、發(fā)酵罐的熱量傳遞 1.發(fā)酵過(guò)程的熱量計(jì)算：計(jì)算方法有四種燃燒熱的計(jì)算燃燒熱的計(jì)算生物合成熱的計(jì)算生物合成熱的計(jì)算： 發(fā)酵過(guò)程的總熱量Qt ：Qt=Q1+Q2-Q3 式中： Q1生物合成熱 細(xì)胞呼吸放熱和發(fā)酵熱 葡糖 呼吸熱15651kJ/kg 發(fā)酵4953kJ/kg Q2 機(jī)械攪拌熱 Q2=3600Pg. Pg 攪拌功率 kW 功熱轉(zhuǎn)化率 經(jīng)驗(yàn)值0.92 Q3 發(fā)酵過(guò)程通氣帶出水蒸氣所需汽化熱和溫升帶 出的熱量及輻射熱，近似計(jì)算Q3 =20%Q1冷卻水帶出的熱量的計(jì)算方法： 采用相同類型的發(fā)酵罐，在氣溫最熱季節(jié)，發(fā)酵最旺盛的放熱高峰時(shí)期，使溫度恒定，測(cè)定冷卻水的進(jìn)出溫度和用量。21t

15、LW cTTQVW 冷卻水用量 kg/h c 水的比熱容 kJ/kg. T1 T2 冷卻水的進(jìn)出口溫度 VL 發(fā)酵液的體積 m3 經(jīng)驗(yàn)測(cè)得每m3發(fā)酵液每小時(shí)傳給冷卻器熱量 青霉素 為4.1866000kJ/(m3.h)、鏈霉素4500 谷氨酸發(fā)酵7500 肌苷 4200 四環(huán)素5000 發(fā)酵液溫升計(jì)算法： 氣溫最熱季節(jié)，選擇主發(fā)酵產(chǎn)熱量最大時(shí)刻，通過(guò)發(fā)酵罐溫控使溫度恒定，然后關(guān)閉冷卻水，發(fā)酵液在30min的溫度的上升值。 m1 m2分別為發(fā)酵液和發(fā)酵罐的質(zhì)量 kg c1 c2分別為發(fā)酵液和發(fā)酵罐的比熱容 kJ/kg. T 30min內(nèi)發(fā)酵液的溫升 發(fā)酵過(guò)程中，菌種、培養(yǎng)基、培養(yǎng)條件和發(fā)酵時(shí)間不

16、同，溫升不同，谷氨酸發(fā)酵，25m3發(fā)酵罐 ，夏季不開(kāi)冷卻水，每h的最大溫升約為12 。 5m3罐 ，溫升約為5.7 。50m3罐 ，溫升約為13 。1 1222tLm cm cTQV2.換熱裝置夾套式換熱：適合小型發(fā)酵罐，適合于5m3以下的發(fā)酵罐。傳熱系數(shù)在400600kJ/(m2.h. )優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，易清洗；缺點(diǎn)：傳熱壁厚，冷卻水流速低，發(fā)酵液降溫慢。豎式蛇管：分46組對(duì)稱分裝罐內(nèi) 5m3以上罐。 優(yōu)點(diǎn)：管內(nèi)流速大，傳熱系數(shù)高，12002000，若強(qiáng)制循環(huán)，可達(dá)32004000，適合冷卻水溫低，地區(qū)，水用量小，氣溫高時(shí)降溫困難，可采用冷卻排管，冷卻蛇管變曲位置容易腐蝕穿。 豎式

17、列管 和蛇管一樣分組裝優(yōu)點(diǎn)：加工方便,有利于提高傳熱推動(dòng)力的溫差大,適合于水源充足,氣溫較高地區(qū)。缺點(diǎn)：傳熱系數(shù)較蛇管低（流速低，靠溫差大。）3.換熱裝置傳熱溫差和面積溫差的計(jì)算: 采用對(duì)數(shù)平均值.1212lnmTTTTTTTTTT1、T2冷卻水進(jìn),出口溫 T 發(fā)酵液溫度傳熱面積： k 換熱裝置的傳熱系數(shù)kJ/(m2.h. ) 一般氣溫高，一般氣溫高，1m3發(fā)酵液需發(fā)酵液需2m2冷卻面積；冷卻面積；氣溫較低，用地下水冷卻。氣溫較低，用地下水冷卻。1m3發(fā)酵液需發(fā)酵液需1m2冷卻面積。冷卻面積。 發(fā)酵產(chǎn)品不同，冷卻面積也有差異。發(fā)酵產(chǎn)品不同，冷卻面積也有差異。 .tmQAkT 三、機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐

18、的通風(fēng)量: 與發(fā)酵液的溶氧系數(shù)和空截面氣速及通氣強(qiáng)度VVm有關(guān). 通氣強(qiáng)度：指每立方米發(fā)酵液每分鐘通入的空氣通氣強(qiáng)度：指每立方米發(fā)酵液每分鐘通入的空氣的立方米數(shù)的立方米數(shù)(通風(fēng)比)。 持氣率持氣率 : 通氣后發(fā)酵液體積的增加量與不通氣時(shí)通氣后發(fā)酵液體積的增加量與不通氣時(shí)發(fā)酵液體積的比值發(fā)酵液體積的比值. h=(VLG-VL)/VL 對(duì)大多數(shù)牛頓性流體經(jīng)驗(yàn)公式 h=1.8(Pg/VL)0.14 vs0.75 通風(fēng)發(fā)酵存在起泡和持氣問(wèn)題,設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)酵罐考慮裝液系數(shù).一般在0.60.8，根據(jù)具體情況確定。四、機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐的通氣功耗： 攪拌軸功率計(jì)算 “溢流”現(xiàn)象：當(dāng)發(fā)酵液通氣速率較高，攪拌葉輪直徑小

19、，轉(zhuǎn)速低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)攪拌器對(duì)液體的流動(dòng)和氣體的分散基本上沒(méi)有影響，此現(xiàn)象稱為“溢流”現(xiàn)象。 據(jù)試驗(yàn),通風(fēng)帶入的混合能占總量的10%，90%為機(jī)械攪拌器輸入。不通氣體系的攪拌功率的計(jì)算牛頓流體攪拌功率的計(jì)算牛頓流體攪拌功率的計(jì)算 牛頓流體攪拌功率大小與攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌器大小、液體的密度黏度有關(guān)，實(shí)驗(yàn)得出無(wú)因次數(shù)群： 35piPNn D2ienDRirnDFgpN 外力慣性力eR 慣性力粘性力rF 慣性力重力1.單只蝸輪不通氣條件下的攪拌軸功率Po 攪拌軸功率指攪拌器輸入攪拌液體的功率攪拌軸功率指攪拌器輸入攪拌液體的功率, ,是克服液是克服液體阻力所消耗的功率體阻力所消耗的功率. .不包括機(jī)械傳動(dòng)摩擦

20、所消耗的功率不包括機(jī)械傳動(dòng)摩擦所消耗的功率. .不是電機(jī)功率或耗用功率不是電機(jī)功率或耗用功率. . Rushiton.J.H等人采用因次分析法研究,試驗(yàn)證實(shí): Re 雷諾數(shù) 功率準(zhǔn)數(shù)功率準(zhǔn)數(shù) Np Np 是是ReRe的函數(shù)的函數(shù) Po 不通氣的攪拌功率W 黏度Pa.s L 發(fā)酵液密度kg/m3， Di 蝸輪直徑m n 蝸輪的轉(zhuǎn)速r/s。 功率準(zhǔn)數(shù)功率準(zhǔn)數(shù)：表征著機(jī)械攪拌所施于單位體積被攪拌液表征著機(jī)械攪拌所施于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力的比體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性力的比 235mOiLLiPD nkn D 在一系列幾何相似的在一系列幾何相似的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，不同

21、攪拌實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，不同攪拌漿葉漿葉 NpReNpRe的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 圖中看出圖中看出 在湍流區(qū)在湍流區(qū)ReRe大于大于10104 4時(shí)時(shí) 曲線曲線1.2.3.4.1.2.3.4.趨于平趨于平直直 螺旋槳螺旋槳 Np=0.4Np=0.4 圓盤(pán)六直葉圓盤(pán)六直葉 Np =6.0 Np =6.0 圓盤(pán)六彎葉圓盤(pán)六彎葉 Np=4.7Np=4.7 圓盤(pán)六箭葉圓盤(pán)六箭葉 Np=3.7Np=3.7 湍流區(qū)湍流區(qū)：m=0 Np不隨Re變化，是一條直線式中：Po不通氣的攪拌功率 W 黏度 Pa.s L發(fā)酵液密度 kg/m3， Di蝸輪直徑 m n蝸輪的轉(zhuǎn)速 r/s。一定要注意經(jīng)驗(yàn)公式的單位。一定要注意經(jīng)驗(yàn)公式

22、的單位。35OpLiPNn D235mOiLLiPD nNpkn D層流區(qū)層流區(qū)：Re10，Np與Re在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中成直線，斜率為-1，此時(shí)功率與黏度成正比，與密度無(wú)關(guān)，則：過(guò)渡區(qū)過(guò)渡區(qū)： 10 Re104，K與m均隨Re變化，攪拌功率計(jì)算較為復(fù)雜，目前未有較好的關(guān)聯(lián)式。23iPKn D2.多只蝸輪不通氣的攪拌軸功率的計(jì)算， n相同，多只蝸輪不通氣的攪拌軸功率和蝸輪個(gè)數(shù)m和蝸輪間距S有關(guān)。 S 對(duì)非牛頓流體:S取2Di， 牛頓性流體取2.53Di， 上葉輪到靜液面的距離取0.52Di， 下葉輪到罐底的距離取0.51Di， S值過(guò)大，效果不好，過(guò)小不能輸出最大功率。 滿足上述條件，經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測(cè)結(jié)

23、果都表明多蝸輪的輸出功率近似等于單只蝸輪的功率乘多蝸輪的輸出功率近似等于單只蝸輪的功率乘以蝸輪個(gè)數(shù)以蝸輪個(gè)數(shù)。Pnm.Po 或Pn=(0.4+0.6m)Po 3.通氣攪拌功率的計(jì)算： n相同的情況下，通氣的攪拌功率降低，原因，除密度降低外，葉輪周?chē)臍庖航佑|狀態(tài)有關(guān)，通氣量的大小與攪拌功率的消耗有明顯關(guān)系。定量研究，常用通氣準(zhǔn)數(shù)來(lái)描述： 3gAiQNnD發(fā)酵罐截面上表觀氣速攪拌器葉尖速度 Michiel.B.J 等人用六平葉蝸輪進(jìn)行攪拌試驗(yàn)，測(cè)定Pg、蝸輪直徑Di、轉(zhuǎn)速n，空氣流量Vg，和Po的關(guān)系，整理得到經(jīng)驗(yàn)公式： 福田修雄等在100L42立方米的系列設(shè)備對(duì)上式進(jìn)行修正、并經(jīng)單位換算得到修

24、正的邁凱爾公式：0.45230.56oiggP nDPCV式中：Po、Pg分別為通氣、不通氣的 攪拌軸功率kW n攪拌轉(zhuǎn)速r/min Di攪拌葉輪直徑cm Vg通風(fēng)量mL/min。 上式適合較大的發(fā)酵罐，如上式適合較大的發(fā)酵罐，如40立方，比例立方，比例尺寸在正常的范圍內(nèi)，誤差較小。尺寸在正常的范圍內(nèi)，誤差較小。0.392330.082.25 10oiggP nDPV非牛頓流體攪拌功率計(jì)算：非牛頓流體攪拌功率計(jì)算： 方法和牛頓流體一樣，也可按此式 但流體黏度隨攪拌器轉(zhuǎn)速變化，繪制Np與Re關(guān)系曲線，再求攪拌功率。Re10， Np與Re成斜率為-1 的直線；Re500，液體處于湍流， Np恒定；

25、10Re500，為過(guò)渡流狀態(tài)，Np與Re關(guān)系比較復(fù)雜。0.45230.56oiggP nDPCV例：某細(xì)菌發(fā)酵罐罐徑為1.8m，采用單只圓盤(pán)六彎葉蝸輪，蝸輪直徑0.6m，罐內(nèi)裝有四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板，攪拌器轉(zhuǎn)速168r/min，通風(fēng)量為1.42m3/min(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量)，料液黏度 1.96103Pa.s，料液密度為1020kg/m3，已知此細(xì)菌醪為牛頓型流體要求計(jì)算Pg. 解：先計(jì)算Re，查出Np、求出Po，然后計(jì)算出Pg Re=Di2n/ =0.62168 60 1020（1.96103 ） =5.25105 Re104所以 Np=4.7Po=NpDi5n3 =4.70.65(168/6

26、0)31020 =8183(W)=8.18kWPg=2.2510-3(Po2n Di3/Vg0.08)0.39 =2.2510-3(8.182168603/14200000.08)0.39 =6.61 （kW）答：通氣的攪拌軸功率為6.61kW氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐 ALR類型：氣升環(huán)流式、 鼓泡塔、 空氣噴射式 目前，世界最大 通風(fēng)發(fā)酵罐是 氣升式環(huán)流發(fā)酵罐 ，體積達(dá)3000立方米。工作原理：無(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴或噴孔射進(jìn)發(fā)酵液，通過(guò)氣液混合物的湍流作用使氣泡分割細(xì)碎，通氣后液體密度下降，向上運(yùn)動(dòng)，含氣量小的液體向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)溶氧傳質(zhì)。氣升環(huán)流式反應(yīng)器的特點(diǎn)：1.發(fā)酵液混合均勻發(fā)酵液混合均勻，發(fā)

27、酵液處于循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)，氣液固三相混合均勻，不易形成穩(wěn)定的泡沫和沉淀。2.較高的溶氧速率和效率較高的溶氧速率和效率：氣液接觸面積大，體積溶氧系數(shù)高2000 1/h，功耗相對(duì)低。3.剪切力小、對(duì)生物細(xì)胞損傷小剪切力小、對(duì)生物細(xì)胞損傷小。4.傳熱良好傳熱良好。發(fā)酵液循環(huán)速率高，方便在外循環(huán)管加換熱器，有效控溫。5.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易。沒(méi)有軸封密封性好不滲漏，制造方便，設(shè)備投資低，放大容易實(shí)現(xiàn)。6.操作維修方便，沒(méi)有攪拌熱，總產(chǎn)熱量低操作維修方便，沒(méi)有攪拌熱，總產(chǎn)熱量低。結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)：高徑比：H/D=59導(dǎo)流筒直徑與罐徑DE/D=0.60.8 操作特性 a.平均循環(huán)時(shí)間平均

28、循環(huán)時(shí)間tm 由下式確定： 平均循環(huán)時(shí)間是發(fā)酵罐內(nèi)整個(gè)發(fā)酵液平平均循環(huán)時(shí)間是發(fā)酵罐內(nèi)整個(gè)發(fā)酵液平均循環(huán)一周一次所需要的時(shí)間。均循環(huán)一周一次所需要的時(shí)間。 tm值過(guò)大，溶氧不足， tm過(guò)小，空氣耗量增加，能耗增加。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)證明：黑曲霉糖化酶，發(fā)酵培養(yǎng)液基質(zhì)濃度在7%時(shí)， tm大于4min，糖化力急劇下降。一般采用2.53min。24LLmCEmVVtVDVL 發(fā)酵液量m3Vc 發(fā)酵液循環(huán)流量m3 DE 導(dǎo)流筒直徑m m 導(dǎo)流筒內(nèi)液體平均流速m/sb.液氣比液氣比R： 發(fā)酵液循環(huán)流量和通風(fēng)量的比值發(fā)酵液循環(huán)流量和通風(fēng)量的比值。 R=VL/Vg 通風(fēng)量對(duì)發(fā)酵液的混合和溶氧起主要作用，通氣壓強(qiáng)對(duì)發(fā)酵液

29、的流動(dòng)和混合也有影響。一般導(dǎo)流筒內(nèi)液體流速vs取12.1.8m/s，通氣壓強(qiáng)不會(huì)太大，有利于節(jié)能，也能滿足溶氧傳質(zhì)要求。如果采用多段導(dǎo)流筒或內(nèi)設(shè)塔板，vs可降低。體積體積3000m3，塔徑，塔徑7m，總高總高60m，裝液量，裝液量70%，塔頂設(shè)有氣液分離部分：高塔頂設(shè)有氣液分離部分：高10m，直徑為塔徑直徑為塔徑1.5倍倍10.5m，上升區(qū)面積大，上升速度上升區(qū)面積大，上升速度0.5m/s，下降區(qū)面積小，下降速度下降區(qū)面積小，下降速度34m/s，形成循環(huán)。平均循環(huán)時(shí)間形成循環(huán)。平均循環(huán)時(shí)間13min設(shè)有設(shè)有19塊帶下降區(qū)的篩板，防止氣塊帶下降區(qū)的篩板，防止氣泡合并為大氣泡。泡合并為大氣泡。由于塔內(nèi)裝液量高，相應(yīng)操作壓力由于塔內(nèi)裝液量高，相應(yīng)操作壓力大，飽和溶氧濃度大，飽和溶氧濃度c*高，溶氧系數(shù)高，溶氧系數(shù)高，溶氧速率達(dá)高，溶氧速率達(dá)10kg氧氧/m3.h相應(yīng)通氣功率相應(yīng)通氣功率6.6kW/m3溶氧效率在溶氧效率在1.5kg氧氧/kW.h典型的氣升循環(huán)發(fā)酵罐英國(guó)伯明翰ICI公司生產(chǎn)的壓力循環(huán)發(fā)酵罐機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)如圖 主要構(gòu)件： 吸氣攪拌葉輪(轉(zhuǎn)子) 導(dǎo)輪(定子)組成 轉(zhuǎn)子： 三葉輪(三棱葉) 、 四葉輪 六葉輪 n轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：特點(diǎn)：剪切力較小，阻力小，相應(yīng)功耗小，直徑小，轉(zhuǎn)速高，吸氣量大，溶氧系數(shù)大。 三棱葉轉(zhuǎn)子三棱葉轉(zhuǎn)子的