第十章 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備

第十章通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備第一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五四十年代中期，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。第二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五第三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五第四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五本章講述的內(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(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的設(shè)計第五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五

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。第六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五通風(fēng)發(fā)酵罐的類型機(jī)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)酵罐第七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五

一、機(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一。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繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。第八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五1，機(jī)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)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。第九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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及管路等第十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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(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、溫度計管和測控儀表接口。第十一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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1.7~4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)。最常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖。第十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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。第十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五軸向式攪拌器槳葉式螺旋槳式

第十四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五徑向式（渦輪式）攪拌器

（Discturbine）平直葉彎葉箭葉第十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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(0.1~0.2)D，裝設(shè)6~4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：第十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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s10~20毫米。消泡器的長度約為罐徑的0．65倍。第十七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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。第十八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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0.4~0.7％。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。第十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（8）變速裝置試驗(yàn)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。第二十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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。第二十一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五機(jī)械軸封結(jié)構(gòu)圖第二十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五填料函結(jié)構(gòu)圖第二十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五填料函式軸封的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。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，耗工時多。第二十四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五端面式軸封的優(yōu)點(diǎn)：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?。惠S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(diǎn)：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。第二十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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(diǎn)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)酵時降溫效果差，第二十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五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)酵時降溫困難，發(fā)酵溫度經(jīng)常超過40?C，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。第二十七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五豎式列管(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(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。

第二十八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五二、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，動向消耗較太。采用氣升式發(fā)酵罐可以克服上述的缺點(diǎn)。第二十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五1，氣升式發(fā)酵罐的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積?。粺o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；料液裝料系數(shù)達(dá)80~90％，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。第三十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五3，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)。第三十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五三、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70~80%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。第三十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五1，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頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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，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。第三十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五3，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。第三十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五4，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)30~50克。設(shè)備便于自動化、連續(xù)化，降低勞動強(qiáng)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。第三十七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五四、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。第三十八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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。第三十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五五、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)備簡單，無須空氣壓縮機(jī)及攪拌器，動力消耗省。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，對于好氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜。第四十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)通氣與攪拌

（areationandagitation)第四十一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五一、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。第四十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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。第四十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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。第四十四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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(qiáng)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。第四十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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(qiáng)烈，但在同樣轉(zhuǎn)速下，它造成的剪率低，輸出功率也較低。第四十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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。第四十七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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4~6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，第四十八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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。第四十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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(qiáng)循環(huán)輸送效果，并能將液面的泡沫從套簡的上部入口，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。第五十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五二、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(jī)械傳動的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動機(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。第五十一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五1，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)速流體的性質(zhì)擋板的尺寸和數(shù)目第五十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五通過因此分析，得：式中P0：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（瓦）

ρ：液體的密度（公斤/米3）

μ：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)第五十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五

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(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。第五十四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五式中ω：渦輪線速度

a：加速度

V：液體體積

m：液體質(zhì)量第五十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五第五十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五攪拌功率準(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)。第五十七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五ReM＞104，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=NPD5N3ρ

第五十八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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2.5~3.0D；靜液面至上渦輪的距離可取0.5~2D，下渦輪至罐底的距離C可取0.5~1.0D。符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗(yàn)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)。第五十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五3，通氣液體機(jī)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。第六十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五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)，得出以下關(guān)系式：第六十一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五福田秀雄在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，得第六十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五將多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別標(biāo)出，與實(shí)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第六十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五由此得出邁凱爾的修正關(guān)系式第六十四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五計算舉例某細(xì)菌醪發(fā)酵罐罐直徑T＝1.8(米)圓盤六彎葉渦輪直徑D＝0.60米，一只渦輪罐內(nèi)裝四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌器轉(zhuǎn)速N＝168轉(zhuǎn)／分通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內(nèi)狀態(tài)的流量)罐壓P＝1.5絕對大氣壓醪液粘度μ＝1.96×10-3?！っ耄?醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求計算Pg第六十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五(1)計算ReMReM=5.25×104(2)由NP~ReM查NP

，NP=4.7(3)計算P0P0=NPD5N3ρ=8.07（千瓦）(4)計算Pg第六十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五3，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。第六十七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五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(shí)驗(yàn)繪出其NP~ReM曲線。第六十八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五根據(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NP~ReM曲線的差別僅存在于ReM

＝10~300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NP~ReM曲線也可以不要實(shí)際標(biāo)繪?？梢杂门ｎD型流體的NP~ReM曲線代替非牛頓型液體的NP~ReM曲線。第六十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)氧的傳遞

（OxygenTransfer）一、IntroductionSupplyingoxygentoaerobiccellshasalwaysrepresentedasignificantchallengetofermentationtechnologists.Theproblemderivesfromthefactthatoxygenispoorlysolubleinwater.ThesolubilityofSucroseis600g.l-1.oxygenat4oCinpurewaterisonly8mg.l-1.Satisfyingoxygendemandscanoftenconstitutealargeproportionoftheoperatingandcapitalofaindustrialscalefermentationsystem.第七十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五二、Theoxygentransferprocess123456789Ifonlysuspendedcellsareinvolvedandifthelevelofmixinginthebulkliquidissufficientlyhigh,thentheratelimitingstepintheoxygentransferprocessisthemovementoftheoxygenmoleculesthroughthebubbleboundarylayer.1，Theoxygentransferprocess第七十一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五Diffusionthroughthebubbletothegas-liquidinterfaceThisinfactisnotastepatall.Gasmoleculesmovesoquicklythattheyareevenlydistributedthroughoutthebubble.第七十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五Diffusionacrossthegas-liquidinterfaceThisstepwillalsobeveryrapidiftheconcentrationofoxygeninthebubblehigh.OntheotherhandifthebubbleisrichinCO2andthecontainsalowconcentrationofoxygen,thentherateofoxygentransferoutofthebubblewillbesloworevenzero.第七十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五DiffusionthroughthebubbleboundarylayerThemovementofsolutesthroughtheboundarylayerisslowbecausesolutesmustmovethroughtheliquidbydiffusion.Manyfactorswillaffecttherateofdiffusionofoxygenthroughtheboundarylayer,includingthe:temperatureconcentrationofoxygeninthebulkliquidsaturationconcentrationofoxygenintheliquidconcentrationofoxygeninthebubblesizeofthemoleculeviscosityofthemedium第七十四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五MovementthroughthebulkliquidbyforcedconvectionanddiffusionTherateofmovementofanoxygenmoleculethroughthebulkliquidisdependentonthedegreeofmixing(relativetothevolumeofthereactor)viscosityofthemedium第七十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五MovementthroughtheflocThefollowingsteps,completethejourneyoftheoxygenmoleculeStep5-movementthroughtheboundarylayersurroundingthemicrobialslime.Step6-entryintotheslimeStep7-movementthroughtheslimeStep8-movementacrossthecellmembraneStep9-reactionSteps5and7areslowprocesses.第七十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，TheoxygentransfermodelWhenbulkmixinglevelsarehighandsuspendedcellculturesareinvolved,theratelimitingstepinaboveprocesswillgenerallybethediffusionofoxygenthroughthebubbleboundarylayer(Step3).Therefore,itispossibletousetheinterphaseoxygentransferequationtodescribetheoxygentransferrate(OTR):COistheconcentrationofoxygendissolvedinthebulkliquid

kListhemasstransfercoefficientforthebubbleboundarylayer

aistheinterfacialareaperunitvolume

CO*istheconcentrationofoxygeninthebubbleboundarylayer.第七十七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五3，Oxygentransfercoefficient(kL)andinterfacialarea(a)Becauseitnotpossibletoaccuratelymeasurethetotalinterfacialareaofthegasbubbles(a),kLandaarecombinedintosingleterm,referredtoKLa.TheKLarepresentstheoxygentransferrateperunitvolume.第七十八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五4，ThebalancebetweenOXYGENDEMANDandSUPPLYUptakerate：γ=Qo2Xsupplyrate：WhenOTR=γ,KLa=

Qo2X/(c*-cL)WhenOTR

>γ,cL↑WhenOTR<γ,cL↓Ifγisaconstant,KLa↑,cL↑第七十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五三、影響氧傳遞速率的因素供氧：KLa(c*-cL)耗氧：γ=Qo2X第八十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五1，影響體積氧傳遞系數(shù)Kla的因素根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

KLa=k[(P/V)α(vs)β(ηapp)ω]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頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（1）攪拌作用形成小氣泡，增大比表面積液體渦流運(yùn)動，增加氣液接觸時間料液湍流運(yùn)動，促進(jìn)傳質(zhì)使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)第八十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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”現(xiàn)象。第八十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（3）空氣分布管改變氣泡的大小，從而改變氣泡的比表面積。第八十四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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%第八十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（5）發(fā)酵液性質(zhì)粘度：影響液體湍動性及液膜的阻力。第八十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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。第八十七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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)

Henry'sconstant(atm.mg-1.l)

25

0.0258

35

0.0299

第八十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（2）溶液的性質(zhì)鹽和糖的存在降低了氧的溶解度。[NaCl](M)

C*usingpureoxygenat

25oC

0

40.32

0.5

34.24

1.0

28.48

2.0

22.72

第九十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（3）氧分壓第九十一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（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=rgh+1atmospherePbase

：罐底部壓力（pa）

g：重力加速度（9.8m.s-2

）

h：液柱高度（m）第九十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五四、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)膜電極和氧分析儀法第九十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五五、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頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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。第九十五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（1）供氧方程提高KLa(c*-cL)第九十六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（2）需氧方程γ=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頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五（3）溶氧控制方法的比較第九十八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的設(shè)計機(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(jī)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(shí)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。第九十九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五一、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(yàn)時應(yīng)力校核及容積驗(yàn)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(bǔ)強(qiáng)人孔及其它傳熱部件的計算擋板、中間支承、扶梯的選取第一百頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五攪拌裝置的設(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。第一百零一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五設(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(qiáng)度及穩(wěn)定性檢驗(yàn)裙座的強(qiáng)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(yàn)算第一百零二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五二、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。第一百零三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五例如，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/（0.14×0.9）

=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第一百零四頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五取發(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)=5×6+1=31個第一百零五頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五2，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。第一百零六頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五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：第一百零七頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五罐的全容積第一百零八頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五發(fā)酵罐總高度第一百零九頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五液柱高度：第一百一十頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五裝料容積發(fā)酵罐的容積裝料系數(shù)第一百一十一頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五三、附屬結(jié)構(gòu)的計算擋板數(shù)量和尺寸計算第一百一十二頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五攪拌器的設(shè)計計算首先根據(jù)生產(chǎn)菌種和發(fā)酵類型選定攪拌器的類型，再從已計算出的發(fā)酵罐的直徑計算攪拌器相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸。第一百一十三頁，共一百二十六頁，編輯于2023年，星期五四、冷卻面積的計算1，發(fā)酵過程的熱量計算通常以一年中最熱的半個月中每小時放出的熱量作為設(shè)計冷卻面積的根據(jù)。發(fā)酵過程中放出熱量的計算方法有：通過