通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備PPT

1、關(guān)于通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備第一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四十年代中期，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、新陳代謝和形成發(fā)酵產(chǎn)物。第二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月本章講述的內(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(自學(xué)）第四節(jié) 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計第五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 第一節(jié) 通風(fēng)發(fā)酵罐及結(jié)構(gòu)通

2、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。 第六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月通風(fēng)發(fā)酵罐的類型機械攪拌發(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)酵罐第七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 一、機械攪拌發(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。第八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1，機械攪拌發(fā)酵罐的基本要求發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。發(fā)

3、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。第九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2，機械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 好氣性機械攪拌發(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及管路等第十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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

4、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。在罐頂上的接管有：進(jìn)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(jìn)出管、進(jìn)空氣管、取樣管、溫度計管和測控儀表接口。第十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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，否則會影響液體的循環(huán)

5、。最常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖。第十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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。第十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月軸向式攪拌器槳葉式螺旋槳式 第十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月徑向式（渦輪式）攪拌器 （Disc turbine）平直葉彎葉箭葉第十五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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

6、，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：第十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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065倍。第十七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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(yīng)垂直，中心線對正。第十八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022

7、年6月（7）軸承為了減少震動，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)軸承不能加潤滑油，應(yīng)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。第十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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。第二十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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

8、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。端面式軸封又稱機械軸封。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環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而達(dá)到密封。 第二十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月機械軸封結(jié)構(gòu)圖第二十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月填料函結(jié)構(gòu)圖第二十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月填料函式軸封的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)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(yán)重；填料壓緊后摩擦功率消耗大；壽命短，經(jīng)

9、常維修，耗工時多。第二十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月端面式軸封的優(yōu)點：清潔；密封可靠；無死角，可以防止雜茵污染；使用壽命長；摩擦功率耗損小；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(yán)格，對軸的震動敏感性小。端面式軸封的缺點：結(jié)構(gòu)比填料密封復(fù)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。 第二十五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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。這種裝置的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔

10、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，第二十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月豎式蛇管換熱裝置 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。第二十七張，PPT共一百二十五頁，

11、創(chuàng)作于2022年6月豎式列管(排管)換熱裝置 這種整置是以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)。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(shù)較蛇管低， 用水量較大。 第二十八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、氣升式發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐其通風(fēng)原理是罐內(nèi)通風(fēng)，靠機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，動向消耗較太。采用氣升式發(fā)酵罐可以克服上述的缺點。第二十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1，氣升式發(fā)酵罐的特點結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積??；無攪拌傳動設(shè)備，節(jié)省動力約50%，節(jié)省鋼材；操作時無噪音；

12、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(shù)較低。 第三十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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第三十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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)。第三十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作

13、于2022年6月三、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(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。第三十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1，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第三十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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，簡稱為轉(zhuǎn)子及定子。轉(zhuǎn)子由箱底向上升入的主軸帶動

14、，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時空氣則由導(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。第三十五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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)酵罐可分為三個類型：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)構(gòu)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(gòu)造復(fù)雜。第三十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4，自吸式發(fā)酵罐的優(yōu)點： 節(jié)約空氣凈化系統(tǒng)

15、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(shè)備，減少廠房占地面積。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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，溶氧效果高，操作方便。 第三十七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四、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。第三十八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2，原理攪拌時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

16、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)備的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗套筒較困難，消耗功率較高。第三十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月五、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)點是：吸氧的效率高，氣、液、 固三相均勻混合，設(shè)備簡單，無須空氣壓縮機及攪拌器，動力消耗省。這種設(shè)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。第四十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)

17、作于2022年6月第二節(jié)通氣與攪拌（areation and agitation)第四十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、攪拌器的型式及流型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(jìn)兩種型式。前者如螺旋槳式，后者如渦輪式。第四十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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)于圖中的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)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(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

18、。第四十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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。第四十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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(zhuǎn)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

19、拌轉(zhuǎn)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。第四十五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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(zhuǎn)速下，它造成的剪率低，輸出功率也較低。第四十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2，流型攪拌器在發(fā)酵罐中造成的流型，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(guān)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(nèi)的附件及其安裝位置的影響。第四十七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪

20、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，使旋渦消失，第四十八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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。第四十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）裝有套筒時的攪拌器攪拌流型 在罐內(nèi)與垂直的攪拌器同中心安裝套簡，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

21、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。第五十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、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(zhuǎn)時，用以克服介質(zhì)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(guān)系。第五十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1，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：葉輪和罐的相對尺寸攪拌器的轉(zhuǎn)速

22、流體的性質(zhì)擋板的尺寸和數(shù)目第五十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月通過因此分析，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(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)第五十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 是一個無因次數(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。第五十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月式中 ：渦輪線速度 a：加速度 V：液體體積 m：液體質(zhì)量第五十五張

23、，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月攪拌功率準(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)。第五十七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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 P0=NPD5N3 第五十八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2，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

24、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)驗公式計算或?qū)崪y結(jié)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(shù)。第五十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3，通氣液體機械攪拌功率的計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。第六十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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(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)

25、，得出以下關(guān)系式：第六十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月福田秀雄在100升至42000升的系列設(shè)備里，對邁凱爾關(guān)系式進(jìn)行了校正，得第六十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月將多組實驗數(shù)據(jù)分別標(biāo)出 ，與實測的對應(yīng)的Pg在雙對數(shù)坐標(biāo)上標(biāo)繪。圖中的直線斜率為0.39，截距為2.4 10-3 第六十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月由此得出邁凱爾的修正關(guān)系式第六十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月計算舉例某細(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

26、算為罐內(nèi)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Pg第六十五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月(1)計算ReMReM=5.25 104(2)由NP ReM查NP ， NP =4.7(3)計算P0 P0=NPD5N3= 8.07（千瓦）(4)計算Pg第六十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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

27、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。第六十七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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(guān)系，然后才能計算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據(jù)實驗繪出其NPReM曲線。第六十八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)米茲納大量實驗數(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曲線也可以不要實際標(biāo)繪。可以用

28、牛頓型流體的NPReM曲線代替非牛頓型液體的NPReM曲線。第六十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 氧的傳遞（Oxygen Transfer ）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

29、Sucrose is 600 g.l-1 .oxygen at 4oC 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.第七十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、The oxygen transfer process 123456789If only suspended cells are inv

30、olved 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.1，The oxygen transfer process第七十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Diffusion through the bubble to the g

31、as-liquid interface This in fact is not a step at all. Gas molecules move so quickly that they are evenly distributed throughout the bubble. 第七十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Diffusion across the gas-liquid interface This step will also be very rapid if the concentration of oxygen in the bubble high.On the

32、 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.第七十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Diffusion through the bubble boundary layerThe movement of solutes through the boundary layer is slow becau

33、se solutes must move through the liquid by diffusion.Many 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 o

34、f the moleculeviscosity of the medium 第七十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Movement through the bulk liquid by forced convection and diffusion The rate of movement of an oxygen molecule through the bulk liquid is dependent onthe degree of mixing (relative to the volume of the reactor) viscosity of the medium

35、第七十五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Movement through the floc The following steps, complete the journey of the oxygen moleculeStep 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 membr

36、ane Step 9 - reaction Steps 5 and 7 are slow processes.第七十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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

37、(Step 3). Therefore, it is possible to use the interphase oxygen transfer equation to describe the oxygen transfer rate (OTR):CO 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 volumeCO* is

38、 the concentration of oxygen in the bubble boundary layer.第七十七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月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

39、 KLa represents the oxygen transfer rate per unit volume.第七十八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4，The balance between OXYGEN DEMAND and SUPPLYUptake rate： = Qo2Xsupply rate：When OTR= , KLa = Qo2X /(c*-cL)When OTR , cL When OTR , cL If is a constant, KLa , cL 第七十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、影響氧傳遞速率的因素供氧：KLa(c*-cL)耗

40、氧： = Qo2X第八十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1，影響體積氧傳遞系數(shù)Kla的因素根據(jù)經(jīng)驗公式 KLa = k(P/V)(vs)(app) 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)泡沫和消泡劑第八十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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(jìn)傳質(zhì)使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)第八十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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

41、”現(xiàn)象。第八十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）空氣分布管改變氣泡的大小，從而改變氣泡的比表面積。第八十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）發(fā)酵罐內(nèi)液柱高度根據(jù)經(jīng)驗數(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%第八十五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（5）發(fā)酵液性質(zhì)粘度：影響液體湍動性及液膜的阻力。第八十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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(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。第八十

42、七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2，影響的傳質(zhì)推動力(c*-cL)因素溫度溶液的性質(zhì)氧分壓發(fā)酵罐內(nèi)液柱的高度第八十八張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）溫度根據(jù)亨利定律：亨利常數(shù)取決于：溶質(zhì)濃度、溫度Temperature(oC ) Henrys constant (atm.mg-1.l) 25 0.0258 35 0.0299 第八十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）溶液的性質(zhì)鹽和糖的存在降低了氧的溶解度。NaCl (M) C* using pure oxygen at 25oC 0 40.32 0.5 34.24 1.0 28.48 2.

43、0 22.72 第九十張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）氧分壓第九十一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（4）發(fā)酵罐內(nèi)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(dá)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 = r g h + 1 atmosphere Pbase ：罐底部壓力（pa） g：重力加速度（9.8 m.s-2 ） h：液柱高度（m）第九十二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四、體積氧傳遞系數(shù)KLa的測定亞硫酸鹽氧化法排氣法取樣極譜法復(fù)膜電極和氧

44、分析儀法第九十三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月五、溶氧濃度的測量和控制1，測量：用耐高溫的復(fù)膜電極在線測量第九十四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2，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、需兩個方面去考慮。第九十五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）供氧方程提高KLa(c*-cL)第九十六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（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第九十七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）溶氧控制方法的比較第九十八張，PPT共一百

45、二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 機械攪拌發(fā)酵罐的設(shè)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(qū)動攪拌軸使攪拌器按照一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,以實現(xiàn)攪拌的目的。軸封：為攪拌罐和攪拌軸之間的動密封 ,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。第九十九張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、設(shè)計內(nèi)容和步驟：設(shè)備本體的設(shè)計：罐體的設(shè)計筒體的設(shè)計、計算封頭的設(shè)計、計算罐體壓力試驗時應(yīng)力校核及容積驗算附件的設(shè)計選取接管尺寸的選擇法蘭的選取開孔及開孔補

46、強人孔及其它傳熱部件的計算擋板、中間支承、扶梯的選取第一百張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月攪拌裝置的設(shè)計：傳動裝置的設(shè)計、攪拌軸的設(shè)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(shè)計、攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速。第一百零一張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月設(shè)備的強度及穩(wěn)定性檢驗設(shè)備承受各種載荷的計算設(shè)備重量載荷的計算設(shè)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(chǔ)環(huán)的計算地腳螺栓計算裙座與筒體對接焊縫驗算第一百零二張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)計算1，罐容積的計算根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和發(fā)酵水平

47、計算每日所需發(fā)酵液的量，再根據(jù)這一數(shù)據(jù)確定發(fā)酵罐的容積。第一百零三張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月例如，一年產(chǎn)5萬檸檬酸的發(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。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=1322.8/0.85=1556米3第一百零四張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月取發(fā)酵罐的公稱容積為250米3則每日需要6個發(fā)酵罐發(fā)酵周期為4天，考慮放罐洗罐等輔助時間1天，整個周期為5天。則所需發(fā)酵罐的總數(shù)=56+1=31 個第一百零五張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2，結(jié)構(gòu)尺寸的計算根據(jù)已確定的發(fā)酵罐公稱容積，可由下式計算發(fā)酵罐圓柱體的直徑。第一百零六張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月封頭的容積的計算橢圓形封頭的容積可查手冊或按下式計算：第一百零七張，PPT共一百二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月