通氣與攪拌技術(shù)應(yīng)用

1、通氣與攪拌技術(shù)應(yīng)用溶氧(DO)溶氧(DO)是需氧微生物生長(zhǎng)所必需。在發(fā)酵過(guò)程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成為控制因素。 28氧在發(fā)酵液中的100的空氣飽和濃度只有0.25 mmol/L左右，比糖的溶解度小7000倍。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期即使發(fā)酵液中的溶氧能達(dá)到100空氣飽和度，若此時(shí)中止供氧，發(fā)酵液中溶氧可在幾秒（分）鐘之內(nèi)便耗竭，使溶氧成為限制因素。溶氧(DO)為了提高溶氧速率，需要向發(fā)酵液輸入攪拌和混合所必需的功率，包括機(jī)械的、氣體的及液體的。這部分能量消耗常常構(gòu)成產(chǎn)品成本的重大部分。另外，不同類(lèi)型的機(jī)械攪拌器在可比條件下產(chǎn)生剪切速率和混合時(shí)間有顯著的差異，過(guò)大的剪切速率對(duì)絲狀菌有致死的

2、危險(xiǎn)，當(dāng)混合不均，局部區(qū)域的混合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵罐內(nèi)生化過(guò)程反應(yīng)速率分布不均。本章要討論的問(wèn)題有關(guān)溶氧與攪拌供求的相關(guān)問(wèn)題，以求做到既能滿(mǎn)足溶氧速率要求，又降低能量消耗。Contents第一節(jié) 攪拌器的形式和軸功率的計(jì)算LOGO發(fā)酵罐中的常用機(jī)械攪拌槳1.ONE2.TWO徑向流軸向流（一）徑向流攪拌器 圓盤(pán)彎葉渦輪攪拌器圓盤(pán)平直葉渦輪攪拌器圓盤(pán)箭葉渦輪攪拌器新型凹葉圓盤(pán)渦輪槳1、圓盤(pán)平直葉渦輪攪拌器其圓盤(pán)可以使上升的氣泡受阻，避免大的氣泡從軸部葉片空隙中上升。其很大的剪切速率保證了氣泡更好地分散，有利于氣液間的傳質(zhì)。還具有很大的循環(huán)輸送量和功率輸出。適用于液-固-氣三相液體的攪拌混合，包括黏

3、性流體及非牛頓流體。1、圓盤(pán)平直葉渦輪攪拌器2、圓盤(pán)彎葉渦輪攪拌器平直葉渦輪較彎葉渦輪造成的液體徑向流動(dòng)較為強(qiáng)烈，在相同的攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)平直葉渦輪的混合效果較好，但彎葉渦輪輸出的功率和剪切速率均較低。3、圓盤(pán)箭葉渦輪攪拌器它可造成一定程度的軸向流動(dòng)，在同比條件下輸出的功率和剪切速率較上述兩種渦輪為低，但其混合效果更好。4、新型凹葉圓盤(pán)渦輪槳具有在液氣體系中很高的氣體分散能力，而相應(yīng)的攪拌耗能比其原型有較大的降低。（二）軸向流攪拌器它能提供大的軸向流體循環(huán)量，在固液混合罐中被廣泛采用。Lightnin A315型軸流式攪拌器在眾多大型抗生素發(fā)酵廠被廣泛采用，它以很大的液體輸送量和較低的剪切速率形成軸

4、向流循環(huán)，并使全罐的混合時(shí)間大為減少。（三）攪拌器的流型攪拌器在罐內(nèi)造成的液流形式，對(duì)氣、固及液相的混合，氧氣的溶解以及熱量的傳遞等有重大的影響。1、罐內(nèi)垂直攪拌器在無(wú)擋板時(shí)的攪拌流型無(wú)擋板時(shí)會(huì)以軸為中心形成凹陷的旋渦。有擋板時(shí)，液體的螺旋狀液流受擋板折流，被迫向軸心方向流動(dòng)，使旋渦消失。消除旋渦所必需的最少擋板數(shù)為“全擋板條件”。2、徑向流渦輪攪拌器的攪拌流型由于渦輪中部圓盤(pán)的存在，使被攪拌的流體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，在這兩個(gè)翻騰之間是一個(gè)混合遲緩區(qū)，其混合速度僅及混合主流區(qū)的1/10。3、軸向流攪拌器的攪拌流型（二）攪拌器軸功率的計(jì)算發(fā)酵罐液體中的溶解氧速率以及氣

5、、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的關(guān)系。 攪拌功率不但決定于攪拌器的形式、轉(zhuǎn)速、罐內(nèi)附件及其間的尺寸比，還決定于被攪拌液體的物理特性。（二）攪拌器軸功率的計(jì)算攪拌器輸入單位體積不通氣液體的功率要大于輸入單位體積通氣液體的功率。1、單只渦輪不通氣條件下輸入攪拌液體功率P0的計(jì)算定義：攪拌器輸入攪拌液體的功率，是指攪拌器以既定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)用以克服介質(zhì)的阻力所需用的功率，簡(jiǎn)稱(chēng)軸功率。魯士頓關(guān)系式其中， 是一個(gè)無(wú)因次數(shù)，定義為功率準(zhǔn)數(shù)Np。它表示機(jī)械攪拌器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之比。當(dāng)ReM104時(shí)，液體達(dá)到充分湍流之后，如ReM繼續(xù)上升，攪拌

6、功率P0雖隨之增大，但NP將保持不變。也就是說(shuō)當(dāng)ReM104時(shí)， NP為常數(shù)。圓盤(pán)六平直葉渦輪： NP=6圓盤(pán)六彎葉渦輪： NP圓盤(pán)六箭葉渦輪： NP無(wú)通氣時(shí)的攪拌軸功率計(jì)算先算出ReM，從NP- ReM線(xiàn)上查得NP值，則：由于魯士頓以徑向流圓盤(pán)式渦輪攪拌槳研究的卓越就，人們常將這類(lèi)攪拌槳稱(chēng)為魯士頓槳。2、多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計(jì)算在相同轉(zhuǎn)速下，多只渦輪比單只渦輪輸出更多的功率，其增加的程度除了葉輪的只數(shù)之外，還決定于渦輪的距離。兩只渦輪形成的液流互不干擾，此兩只渦輪所輸出的功率約等于單只渦輪的兩倍；兩只渦輪所造成的液流有部分重合，則輸出的功率小于單只渦輪的兩倍。使用多只渦輪

7、，每?jī)芍粶u輪的間距s，對(duì)非牛頓型流體可取2D，對(duì)牛頓型流體可取2.53D，靜液面至上渦輪的距離可取0.52D，下渦輪至罐底的距離dc可到0.51D。符合上述條件的發(fā)酵罐，實(shí)測(cè)結(jié)果表明多只渦輪輸出的功率接近等于單只渦輪的功率乖以渦輪的只數(shù)。3、通氣液體機(jī)械攪拌功率Pg的計(jì)算同一攪拌器在相同的轉(zhuǎn)速下輸入通氣液體的功率比輸入不通氣的液體的更低。原因是什么？邁凱爾等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)紙上把Pg標(biāo)繪為渦輪直徑D、轉(zhuǎn)速N，空氣流量Q和P0的函數(shù)，如下圖。P0與Pg之比，與通氣條件有何關(guān)系邁凱爾等人發(fā)現(xiàn)設(shè)備尺寸不同，直線(xiàn)的斜率大致相同，平均斜率為，但截距不同。因此，

8、它據(jù)此整理出經(jīng)驗(yàn)式為：福田秀雄等在10040000L的五只設(shè)備里對(duì)邁凱爾的經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行了校正，獲得：福田秀雄等將60組實(shí)驗(yàn)資料在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)繪，得到下圖。上圖的直線(xiàn)斜率為，截距為3，經(jīng)換算為標(biāo)準(zhǔn)單位后，得修正的邁凱爾式為：此式可用于較大的罐（如40m3），以及外推至略大于40m3的罐。例3-1三、非牛頓型流體特性對(duì)攪拌功率計(jì)算的影響用水解糖液或糖蜜等原料作培養(yǎng)液的細(xì)菌醪及酵母醪屬于牛頓型流體；直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度細(xì)菌醪及酵母醪接近于牛頓型流體；霉菌及放線(xiàn)菌醪均屬非牛頓型流體1、非牛頓型發(fā)酵液的流變學(xué)特征一般認(rèn)為牛頓型流體的主要特征是其黏度只是溫度的函數(shù)，與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)；非牛頓型流體

9、的黏度不僅是溫度的函數(shù)，而且隨流動(dòng)狀態(tài)而異。1、非牛頓型發(fā)酵醪的流變學(xué)特征1243（1）牛頓流體=d/d （為常數(shù)）意味著攪拌罐內(nèi)攪拌轉(zhuǎn)速的快慢對(duì)此流體的黏度沒(méi)有影響，而和靜止時(shí)的黏度一樣。1、非牛頓型發(fā)酵醪的流變學(xué)特征1、非牛頓型發(fā)酵醪的流變學(xué)特征（2）擬塑性流體= K（d/d）n ，0 n1其黏度隨著剪切速率的升高而降低，因此，對(duì)同一流體不同攪拌轉(zhuǎn)速下所顯示出的黏度不一樣。在同一攪拌轉(zhuǎn)速下，攪拌葉輪尖端附近的剪切速率很高，液體顯示黏度低。常見(jiàn)的絲狀菌發(fā)酵醪大都是非牛頓型流體，大都具有擬塑性流變特征。而擬塑性的強(qiáng)弱主要取決于絲狀菌的形態(tài)和濃度。1、非牛頓型發(fā)酵醪的流變學(xué)特征（3）彬漢塑性流體

10、= y+pd/dy屈服剪應(yīng)力，p剛性粘度，為常數(shù)其相鄰兩層流體間的剪應(yīng)力如果不大于屈服剪應(yīng)力，液體層間的剪切速率為0，也就是說(shuō)不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)流動(dòng)。但當(dāng)剪應(yīng)力大于屈服剪應(yīng)力，其和牛頓型流體具有相同的流變特性，其黏度與剪切速率無(wú)關(guān)。1、非牛頓型發(fā)酵醪的流變學(xué)特征（4）膨脹性流體= K（d/d）n ，n1其黏度隨剪切速率的增大而升高。發(fā)酵液流體特性牛頓流體以糖等原料培養(yǎng)的細(xì)菌醪和酵母醪彬漢塑性流體黑曲霉、產(chǎn)黃青霉和灰色鏈霉菌等絲狀菌發(fā)酵液擬塑性流體多糖發(fā)酵液，許多絲狀菌培養(yǎng)液，高濃度的植物細(xì)胞、酵母懸浮細(xì)胞膨脹性流體鏈霉菌、四環(huán)素和慶大霉素的前期發(fā)酵液2 、絲狀菌發(fā)酵過(guò)程中擬塑性特征的變化絲狀菌發(fā)酵醪

11、具有擬塑性特征，其擬塑性的強(qiáng)度會(huì)隨發(fā)酵的進(jìn)程而變化。這主要是因?yàn)榻z狀菌的形態(tài)和濃度在變化，導(dǎo)致醪液流動(dòng)特性指數(shù)n和均勻性系數(shù)K的同步變化。3、非牛頓流體的攪拌功率擬塑性流體的表觀粘度隨切變率的增大而減小，漲塑性流體的表觀粘度隨切變率的增大而增大。在同一攪拌轉(zhuǎn)速下，培養(yǎng)液中的d/d隨著徑向離開(kāi)攪拌渦輪的距離，按指數(shù)倍數(shù)降低。粘度是溫度的函數(shù)，即=K ea/T在攪拌罐中，罐內(nèi)非牛頓流體的平均切變率與攪拌速度成正比，即（d/d）平=k N，（二檔渦輪攪拌）a=/(d/d) =K(d/d)n-13、非牛頓流體的攪拌功率非牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算可以采用牛頓型流體攪拌軸功率的計(jì)算方法。但非牛頓型流體的黏度是隨攪拌器轉(zhuǎn)速而變化的，因而必須先知道黏度與攪拌器轉(zhuǎn)速的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算不同轉(zhuǎn)速時(shí)的ReM，然后才能根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料繪制其N(xiāo)P- ReM圖線(xiàn)。平均剪切速率與攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系平均剪切速率與攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系擬塑性流體的攪拌功率的計(jì)算計(jì)算程序：（1）確定發(fā)酵罐的尺寸及攪拌轉(zhuǎn)速N（2）將N代入（d/d）平，計(jì)算（d/d）平（3）用粘度計(jì)