生物工程設(shè)備 第二章 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備

1、第二章通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備11 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(kāi)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。223344本章講述的內(nèi)容第一節(jié) 通風(fēng)發(fā)酵罐及結(jié)構(gòu)第二節(jié) 通氣與攪拌第三節(jié) 氧的傳遞第四節(jié) 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)55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(chēng)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(fēng)發(fā)酵罐的類(lèi)型機(jī)械通風(fēng)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(jī)械通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類(lèi)型之一。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。881，機(jī)械通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐的基本要求 發(fā)酵罐應(yīng)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(fēng)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(yīng)具有足夠的冷卻面積。 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。 攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄漏。992，機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)好氣性機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是密封式受壓設(shè)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(jié)構(gòu)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(jì)接口；溫度計(jì)接口；7攪拌葉輪；攪拌葉輪； 8進(jìn)風(fēng)管；進(jìn)風(fēng)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(dòng)皮帶；傳動(dòng)皮帶；17電機(jī)；電機(jī)； 18壓力表；壓力表；19取樣口；取樣口； 21進(jìn)料口；進(jìn)料口；22補(bǔ)料口；補(bǔ)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(jié)構(gòu)圖機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 小型

4、發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖2.2 小型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)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(shè)有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝沒(méi)有快開(kāi)人孔及清洗用的快開(kāi)手孔。 罐頂還裝有視鏡及燈鏡。 在罐頂上的接管有：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。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(duì)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(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。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(dòng)，增加溶解氧。 通常，擋板寬度取(0.10.2)D，裝設(shè)46塊即可滿(mǎn)足全擋

6、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(mǎn)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(zhǎng)度約為罐徑的0.65倍。1717加入化學(xué)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(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。1818法蘭（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

7、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。1919底軸承中間軸承（8）變速裝置 試驗(yàn)罐采用無(wú)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。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(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。 端面式軸封又稱(chēng)機(jī)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(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。2121 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。2222 端面式軸封的優(yōu)點(diǎn)： 清潔；密封可靠；無(wú)死角，可以防止雜菌污染；使用壽命長(zhǎng)；摩擦功率耗損??；軸或軸套不受磨損；它對(duì)軸的精度和光潔度沒(méi)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。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(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(wú)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(wú)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，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(nèi)，有四組、六組或八組不等，根據(jù)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(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(guò)40C

10、，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。2525 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(chēng)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。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(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，罐內(nèi)死角少，易，罐內(nèi)死角少，容易清洗滅菌容易清洗滅菌流速大，傳熱系數(shù)大，流速大，

11、傳熱系數(shù)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(dòng)力的溫傳熱推動(dòng)力的溫差。差。缺點(diǎn)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(shí)，降溫冷卻水較高時(shí)，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(wú)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(wú)菌空氣使發(fā)酵液進(jìn)行循環(huán)冷卻。進(jìn)行循環(huán)冷卻。二、氣升式發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌發(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

12、發(fā)酵罐可以克服上述的缺點(diǎn)。27271，氣升式發(fā)酵罐的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻面積小； 無(wú)攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)省動(dòng)力約50%，節(jié)省鋼材； 操作時(shí)無(wú)噪音； 料液裝料系數(shù)達(dá)8090，而不須加消泡劑; 維修、操作及清洗簡(jiǎn)便，減少雜菌感染。 但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。28282，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 空氣噴嘴內(nèi)循環(huán)式外循環(huán)式2929氣升式發(fā)酵罐類(lèi)型氣升式發(fā)酵罐類(lèi)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(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴或把無(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴或噴孔噴射進(jìn)發(fā)酵液中，通過(guò)汽噴孔噴射進(jìn)發(fā)酵

13、液中，通過(guò)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(xì)碎，同時(shí)由于形成的泡分割細(xì)碎，同時(shí)由于形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液下沉，動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液下沉，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)氧傳質(zhì)特點(diǎn)：特點(diǎn)： 沒(méi)有攪拌器，且有定向循環(huán)沒(méi)有攪拌器，且有定向循環(huán)流動(dòng)流動(dòng)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(yīng)器氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器多層空氣分布板的氣升環(huán)流式反應(yīng)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(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。 循環(huán)周期時(shí)間必須符合菌種發(fā)酵的需要。 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)。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(jī)，而在攪拌過(guò)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)

15、葡萄糖酸鈣、力復(fù)霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成績(jī)。311，自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)罐體自吸攪拌器及導(dǎo)輪軸封換熱裝置消泡器3232機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)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(chēng)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。33333，自吸式發(fā)酵罐的類(lèi)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(lèi)型： 回轉(zhuǎn)翼片式自吸式發(fā)酵罐； 具有轉(zhuǎn)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(jié)

16、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。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(jìn)行混利用文氏罐噴射吸氣裝置或溢流噴射吸氣裝置進(jìn)行混合和溶氧傳質(zhì)。合和溶氧傳質(zhì)。 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(diǎn)： 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(guò)濾器等設(shè)備，減少?gòu)S房占地面積。 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。 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。 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(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，溶氧效果高，操作方便。3535四、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。36362，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(pán)上，兼作空氣分配器?？諝庥煽招?/p>

18、軸導(dǎo)入經(jīng)過(guò)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。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(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(wú)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。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(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。4040（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(guò)25米秒。4141（2）圓盤(pán)平直葉渦輪攪拌器 圓盤(pán)平直葉渦輪與沒(méi)有圓盤(pán)的平直葉渦輪，其攪拌特性差別甚微。但在發(fā)酵罐中無(wú)菌空氣由單開(kāi)口管通至攪拌器下方，大的氣泡受到圓盤(pán)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(pán)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(pán)彎葉渦輪攪拌器 圓盤(pán)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(pán)彎葉渦輪。4343（4）圓盤(pán)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(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。44442，流型 攪拌器在發(fā)酵罐中造

21、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。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(wú)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，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(cè)形成向上和向下的兩個(gè)翻騰。如不滿(mǎn)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。4747（3）裝有套筒時(shí)的攪拌

22、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。4848二、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(chēng)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。49491，單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計(jì)算 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

23、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5050通過(guò)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)5151 NP 03D5是一個(gè)無(wú)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。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(zhì)量53535454攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP的求解 攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP是攪

24、拌雷諾數(shù)Re的函數(shù)。5555 Re104，達(dá)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(shù)，此時(shí)56562，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。 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)。57573，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

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(guān)，而且主要取決于渦輪周?chē)鷼庖航佑|的狀況。5858 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：5959 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60600 . 083P 02 ND 將多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別標(biāo)出 ( Q)，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(guān)系式6262計(jì)算舉例 某細(xì)菌醪發(fā)酵罐罐直徑T1.8(

26、米)圓盤(pán)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Pg6363例題：例題：某酶制劑廠某酶制劑廠 10m3機(jī)械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑機(jī)械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑D=1.8m，一只圓盤(pán)六彎葉渦輪攪拌器直徑一只圓盤(pán)六彎葉渦輪攪拌器直徑D =0.6m ，罐內(nèi)裝有四塊標(biāo)準(zhǔn)擋，罐內(nèi)裝有四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板，裝液量板，裝液量VL為為6m3，攪拌轉(zhuǎn)速，攪拌轉(zhuǎn)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(dòng)軸承的效率是，滾動(dòng)軸承的效率是 0.99，滑動(dòng)軸承的效，滑動(dòng)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(jī)。（已知在充分湍流狀態(tài)時(shí)，圓盤(pán)彎葉渦輪攪拌器擇合適的電機(jī)。（已知在充分湍流狀態(tài)時(shí)，圓盤(pán)彎葉渦輪攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)的功率準(zhǔn)數(shù) 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(jì)算攪拌功率

28、的計(jì)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(shù)，所以發(fā)酵系統(tǒng)在充分湍流狀態(tài)，即有功率系數(shù)NP = 4.7 ，故葉輪的不通氣時(shí)攪拌功率，故葉輪的不通氣時(shí)攪拌功率P0為：為：）（kW07. 86 . 01020601687 . 4535i30 = =DNPLP 3.求通氣時(shí)攪拌功率求通氣時(shí)攪拌功率Pg：)kW(55. 6)14200006016807. 8(1025. 2)1025. 239. 008. 032339. 008. 03i23g0= = = = = = QDPP （4.所需電動(dòng)機(jī)功率為：所需電動(dòng)機(jī)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(duì)攪拌功率計(jì)算的影響 常見(jiàn)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(guò)程的影響極大，對(duì)攪拌功率的計(jì)算也帶來(lái)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(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。6565 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(lèi)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N(xiāo)PReM曲線。6666 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?？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(kuò)散方式透過(guò)雙膜，氣體和液體主流空間中任一點(diǎn)的氧分子濃度相同。（2）在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中的氧的濃度處于平衡

34、關(guān)系。（3）傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧濃度不隨時(shí)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(shù)Kla的因素根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

38、攪拌空氣流速空氣分布管發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度發(fā)酵液的性質(zhì)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(yùn)動(dòng)，增加氣液接觸時(shí)間料液湍流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)傳質(zhì)使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)7676（2）空氣線速度 空氣線速度較小時(shí)， 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(huì)降低攪拌功率，使KLa降低，甚至發(fā)生“過(guò)載”現(xiàn)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(nèi)液柱高度 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 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(zhì) 粘度：影響液體湍動(dòng)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(shí)間延長(zhǎng)且導(dǎo)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(zhì)推動(dòng)力(c*-cL)的因素溫度溶液的性質(zhì)氧分壓發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度8282（1）溫度 根據(jù)亨利定律：C*=P O 2H O2 亨利常數(shù)取決于：溶質(zhì)濃度、溫度Temperature(oC )2535Henrys constant (atm.mg-1.l)0.02580.02998383（2）溶液的性質(zhì) 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(nèi)液柱的高度 提高氧分壓的一個(gè)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(dá)2.1atm。 直接提高罐壓，會(huì)存在工程上的問(wèn)題。因此可通過(guò)提高液柱高度來(lái)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(shù)KLa的測(cè)定亞硫酸鹽氧化法排氣法取樣極譜法復(fù)膜電極和氧分析儀法(動(dòng)態(tài)法）8787五、溶氧濃度的測(cè)量和控制1，測(cè)量：用耐高溫的復(fù)膜電

41、極在線測(cè)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(jié)果。調(diào)節(jié)發(fā)酵液中溶氧含量不外從供、需兩個(gè)方面去考慮。8989*（1）供氧方程O(píng)TR =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(jī)械攪拌發(fā)酵罐的設(shè)計(jì) 機(jī)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(gè)組成部分各起如下的作用: 攪拌裝置：由傳動(dòng)裝置、攪拌軸、攪拌器組成 ,由電動(dòng)機(jī)和皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)攪拌軸使攪拌器按照一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,以實(shí)現(xiàn)攪拌的目的。 軸封：為攪拌罐和攪拌

42、軸之間的動(dòng)密封 ,以封住罐內(nèi)的流體不致泄漏。 罐體：罐體、加熱裝置及附件。它是盛放反應(yīng)物料和提供傳熱量的部件。939394一、設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟：設(shè)備本體的設(shè)計(jì)： 罐體的設(shè)計(jì)筒體的設(shè)計(jì)、計(jì)算封頭的設(shè)計(jì)、計(jì)算罐體壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核及容積驗(yàn)算 附件的設(shè)計(jì)選取接管尺寸的選擇法蘭的選取開(kāi)孔及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)人孔及其它傳熱部件的計(jì)算擋板、中間支承、扶梯的選取94攪拌裝置的設(shè)計(jì)：傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)、攪拌軸的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)、攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速。9595設(shè)備的強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢驗(yàn)設(shè)備承受各種載荷的計(jì)算 設(shè)備重量載荷的計(jì)算 設(shè)備地震彎矩的計(jì)算 偏心載荷的計(jì)算塔體強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢驗(yàn)裙座的強(qiáng)度計(jì)算及校核 裙座計(jì)算 基礎(chǔ)環(huán)的計(jì)算 地腳螺栓計(jì)算裙座與筒體對(duì)接焊縫驗(yàn)算9696二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)計(jì)算1，罐容積的計(jì)算 根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和發(fā)酵水平計(jì)算每日所需發(fā)酵液的量，再根據(jù)這一數(shù)據(jù)確定發(fā)酵罐的容積。9797 例如，一年產(chǎn)5萬(wàn)檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產(chǎn)酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產(chǎn)日期為300天，發(fā)酵周期為96小時(shí)。 每日的產(chǎn)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(shù)為85% 則每日所需發(fā)酵罐容積=1322.8/0.