第三节通风与搅拌

本章讲述的内容第一节机械搅拌发酵罐一、*机械搅拌发酵罐的结构二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶传质三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌第二节气升式发酵罐一、气升式发酵罐的特点二、气升式发酵罐的结构及原理三、气升式发酵罐的性能指标第三节自吸式发酵罐一、自吸式发酵罐的特点*罐结构①罐体：尺寸比例②搅拌器：混合传质，分为轴向搅拌器、涡轮搅拌器。③挡板：全挡板条件④消泡器：化学消泡剂、机械消泡装置⑤轴封：填料函式、双端面机械轴封⑥换热装置⑦空气分布器：单管式、环形管式通风与溶氧①溶氧限速步骤②*影响体积溶氧系数KLa的因素③通风量有关的参数，持气率、通气速率、功耗④通气压强⑤富氧通风搅拌•搅拌器尺寸和类型•搅拌叶尖线速度与剪应力•*搅拌剪切与细胞损伤的定性关系；搅拌叶尖线速度7.5m/s气升式发酵罐①*特点②结构与操作参数③*性能指标平均停留时间液气比溶氧传质第三节自吸式发酵罐自吸式发酵罐：不需要空气压缩机提供加压空气；靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。这种设备的耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能使气液分离细小，均匀地接触吸入空气中70~80%的氧被利用。采用了不同型式、容积的自吸式发酵罐生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成绩。一、自吸式发酵罐的特点与传统的机械搅拌通风发酵罐相比，自吸式发酵罐具有如下优点与不足：（1）不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积。（2）溶氧速率高，溶氧效率高、能耗较低。（3）用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点。不足（1）一般的自吸式发酵罐是负压吸入空气的，故发酵系统不能保持一定的正压，较易产生杂菌污染。（2）必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。1.自吸式发酵罐的吸气原理主要的构件：自吸搅拌叶轮及导轮当转子转动时，其框内的液体被甩出而形成局部真空而吸入空气。二、机械搅拌自吸式发酵罐2、自吸式发酵罐的设计要点①罐体②自吸搅拌器及导轮③轴封④换热装置⑤消泡器设计要点：（1）高径比由于自吸式发酵罐是靠转子转动形成的负压而吸气通风的，吸气装置是沉浸在液相中，所以为保证较高的吸风量；发酵罐的高径比不宜取大，且罐容增大时，H/D应适当减小，以保证吸气转子与液面的距离为2~3m。对于黏度较高的发酵液，为了保证吸风量，应适当的降低罐的高度。（2）转子与定子的确定转子类型特点尺寸三棱叶转子转子直径大，在较低转速时可获得较大的吸气量，当罐压有一定波动时，吸气量比较稳定，吸程较大。但所需的搅拌功率也高。叶轮直径D等于发酵罐直径的0.35倍四弯叶转子剪切力作用较小，阻力小，消耗的功率较小，吸气量大，溶氧系数高。叶轮外径为罐径1/8~1/15叶轮厚度为叶轮直径1/4~1/5三、喷射自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐是：应用文氏管喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合通气的。既不用空压机，又不用机械搅拌吸气转子1.文氏管吸气原理用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。经验表明，当收缩段液体流动雷诺数Re6×104时吸气量及溶氧速率较高。2.液体喷射自吸式发酵罐关键装置：液体喷射自吸装置发酵液无菌空气Dt/Dn=1.7~2.0Lt/Dt=3~4De/Dt=1.3~1.7喷射压力Pn=3×104~6×104Pa表压梁世中、高孔荣设计四、溢流喷射自吸式发酵罐1.原理溢流喷射自吸式发酵罐的通气是依靠溢流喷射器。1~2m第四节通风固相发酵设备一、自然通风固体曲发酵设备1.原始的固体曲制备采用木质的浅盘，常用尺寸0.37m×0.54m×0.06m或1m×1m×0.06m自然通风的曲室二、机械通风固体曲发酵设备8-10°2m1m第三章轴功率的计算第一节搅拌器轴功率的计算一、不通气条件下的轴功率计算二、通气液体机械搅拌功率的计算三、非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响四、发酵培养液的流变特性第二节氧的传递1、双膜理论2、供氧平衡3、影响氧传递速率的因素4、体积氧传递系数KLa的测定第一节搅拌器的型式及流型1、型式•轴向推进式：螺旋桨式z=3最大叶尖Vs25m/s•径向推进式：涡轮式圆盘平直叶涡轮圆盘弯叶涡轮圆盘箭叶涡轮2、流型•搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合效果及氧气的溶解、热量的传递具有密切关系。•搅拌器造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受罐内的附件及其安装位置的影响。（1）罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型罐中心垂直安装的螺旋桨，在无挡板的情况下，在轴中心形成凹陷的旋涡。如在同一罐内安装4~6块挡板，液体的螺旋状流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使旋涡消失。（2）涡轮式搅拌器的流型上述三种涡轮搅拌器的搅拌流型基本上相同，各在涡轮平面的上下两侧形成向上和向下的两个翻腾。如不满足全挡板条件，轴中心位置也有凹陷的旋涡。适当的安排冷却排管，也可基本消除轴中心凹陷的旋涡。（3）装有套筒时的搅拌器搅拌流型在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套筒，一可以大大加强循环输送效果，并能将液面的泡沫从套简的上部入口，抽吸到液体之中，具有自消泡能力。伍氏发酵罐就是具有这种中心套筒的机械搅拌罐。第二节搅拌器轴功率的计算•轴功率：是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混合强度与单位体积液体中输入的搅拌功率有很大关系。KLaP/VL1、单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率取决于下列因素：–叶轮和罐的相对尺寸–搅拌器的转速–流体的性质–挡板的尺寸和数目鲁士顿等通过因次分析，得：式中P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦）ρ：液体的密度（公斤/米3）μ：液体的粘度（牛.秒/米2）D：涡轮直径（米）N：涡轮转数（转/秒）K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及流体的流态mNDDNPK)(2530是一个无因次数，可定义为功率准数NP。物理意义：该准数表征着机械搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性之比。530DNP式中ω：涡轮线速度a：加速度V：液体体积m：液体质量VmaVPPN//0单位体积液体的惯性力单位体积液体所受外力530240222400/23DNPDNNDPPVmaDDNrVmNDPVPNDNaaDVND，，，搅拌功率准数NP的求解•搅拌功率准数NP是搅拌雷诺数ReM的函数。•ReM＞104，达到充分湍流之后，ReM增加，搅拌功率P0虽然将随之增大，但NP保持不变，即施加于单位体积液体的外力与其惯性力之比为常数，此时P0=NPD5N3ρ2、多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算•使用多个涡轮时，两者间的距离S，–对非牛顿型流体可取为2D，–对牛顿型流体可取2.5~3.0D；–静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D，–下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。•符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数。3、通气液体机械搅拌功率的计算①同一搅拌器在相等的转速下输入与通气液体的搅拌功率比不通气液体的低。即：PgP0这可以解释为：通气使液体的重度降低。②功率的降低，不仅与液体平均密度的降低有关，而且主要取决于涡轮周围气液接触的状况。迈凯尔用六平叶涡轮将空气分散于液体中，测量其输出功率，在双对数坐标上将Pg标绘成涡轮直径D，转速，空气流量Q和P0的函数，得出以下关系式：45.056.0320(）QNDPgCPQ-通风量福田秀雄在100升至42000升的系列设备里，对迈凯尔关系式进行了校正，得)(08.0320QNDPgfP将多组实验数据分别标出，与实测的对应的Pg在双对数坐标上标绘。图中的直线斜率为0.39，截距为2.4×10-3)(08.0320QNDP由此得出迈凯尔的修正关系式339.010)(25.208.0320QNDPgP计算举例•某细菌醪发酵罐罐直径T＝1.8(米)圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮罐内装四块标准挡板。搅拌器转速N＝168转／分通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量)罐压P＝1.5绝对大气压醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3。要求计算Pg(1)计算ReMReM=5.25×104(2)由NP~ReM查NP，NP=4.7(3)计算P0P0=NPD5N3ρ=8.07（千瓦）(4)计算Pg)(55.610)(25.2339.008.0320千瓦QNDPgP4、非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响常见的某些发酵液具有明显的非牛顿流体特性。这一特性对发酵过程的影响极大，对搅拌功率的计算也带来麻烦。①牛顿型流体：用水解糖液、糖蜜等原料做培养液的细菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆饼粉配料的低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体。②非牛顿型流体：霉菌醪、放线菌醪。非牛顿型流体搅拌轴功率的计算与牛顿型流体搅拌轴功率的计算方法一样；但这类液体的粘度是随搅拌速度而变化的，因而必须先知道粘度与搅拌速度的关系，然后才能计算不同搅拌速度下的ReM，再后才能根据实验绘出其NP~ReM曲线。μReNp据米兹纳大量实验数据的证明，牛顿型流体与非牛顿型液体的NP~ReM曲线的差别仅存在于ReM＝10~300区间之内。如果为了近似的计算，不要求较高的准确度，那么的非牛顿型液体的NP~ReM曲线也可以不要实际标绘。可以用牛顿型流体的NP~ReM曲线代替非牛顿型液体的NP~ReM曲线。5、发酵培养液的流变特性牛顿型流体：剪应速率剪应力dXdv非牛顿型流体：宾汉塑性：拟塑性0n1涨塑性n1表观黏度屈服应力ss00流态特性指数均匀系数nKKn粘度pa·s剪切速率涨塑型牛顿型假塑型第三节氧的传递1、双膜理论双膜理论的基本前提：（1）气泡和液体之间存在界面，两边分别有气膜和液膜，均处于层流状态，氧分子只能借浓度差以扩散方式透过双膜，气体和液体主流空间中任一点的氧分子浓度相同。（2）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于平衡关系。（3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间而变。O2当气液传质过程处于稳态时，溶氧速率为：no2=(p-p1)/(1/kG)=(p-p*)/(1/KG)=(c-cL)/(1/kL)=(c-c*)/(1/KL)亨利定律：P=HcH-亨利系数得式：1/KG=1/kG+H/kL1/KL=1/kL+1/HkG亨利系数H通常很大，故1/HkG1/kL得：KL≈kL得：)(*CCLLakdtdCOTR2、供氧平衡•Uptakerate：γ=Qo2X•supplyrate：•WhenOTR=γ,KLa=Qo2X/(c*-cL)•WhenOTRγ,cL↑•WhenOTRγ,cL↓•Ifγisaconstant,KLa↑,cL↑•Qo2-微生物的呼吸速率（mmol氧/g(干重）·h）•X-细胞的浓度)(*CCLLakdtdCOTR3、影响氧传递速率的因素•供氧：–KLa–(c*-cL)•耗氧：γ=Qo2X)(*CCLLakdtdCOTR影响体积氧传递系数Kla的因素搅拌空气流速空气分布管发酵罐内液柱的高度发酵液的性质泡沫和消泡剂（1）搅拌作用形成小气泡，增大比表面积液体涡流运动，增加气液接触时间料液湍流运动，促进传质使菌体分散，避免结团（2）空气线速度①空气线速度较小时，KLa随线速度的增加而增加；②空气线速度增加至一定程度后，如不改变搅拌速度，则会降低搅拌功率，使KLa降低，甚至发生“过载”现象。（3）空气分布管•改变气泡的大小，从而改变气泡的比表面积。（4）发酵罐内液柱高度•根据经验数据：–H/D从1增加到2，KLa