【教学课件】第三章通气与搅拌.ppt

第四章第四章 通气与搅拌通气与搅拌第四章第四章通气与搅拌通气与搅拌第一节第一节搅拌器的形式和轴功率计算搅拌器的形式和轴功率计算第二节第二节通气发酵罐中溶氧速率与通气搅拌的关系通气发酵罐中溶氧速率与通气搅拌的关系？n流体特性对搅拌或发酵的影响流体特性对搅拌或发酵的影响n计算搅拌功率的意义计算搅拌功率的意义n计算搅拌功率的思路计算搅拌功率的思路n搅拌功率与溶氧系数之间有何关系搅拌功率与溶氧系数之间有何关系本章学习要点本章学习要点1、了解发酵过程氧气的供需平衡；理解体积溶氧系数了解发酵过程氧气的供需平衡；理解体积溶氧系数KLa的概念及氧传递方程式。的概念及氧传递方程式。2、掌握发酵罐搅拌功率的设计计算原理及其设计应用掌握发酵罐搅拌功率的设计计算原理及其设计应用。3、了解发酵过程氧的传递机理和发酵罐放大方法了解发酵过程氧的传递机理和发酵罐放大方法。掌握。掌握机机械搅拌发酵罐通风和搅拌的比拟放大原理和方法。械搅拌发酵罐通风和搅拌的比拟放大原理和方法。4、了解微生物对氧气的需要；发酵过程氧传递机理；提高、了解微生物对氧气的需要；发酵过程氧传递机理；提高发酵溶氧的工艺；提高发酵溶氧措施。发酵溶氧的工艺；提高发酵溶氧措施。概述概述一、搅拌的作用一、搅拌的作用（1）混合均匀，（混合均匀，（2）打碎气泡）打碎气泡，有助溶氧。，有助溶氧。发酵过程可以分为有氧发酵和无氧发酵。对于酒类和活性污发酵过程可以分为有氧发酵和无氧发酵。对于酒类和活性污泥处理等无氧发酵过程，对搅拌强度要求非常低。泥处理等无氧发酵过程，对搅拌强度要求非常低。在在厌氧厌氧发酵中，为了保持微生物与反应基质的发酵中，为了保持微生物与反应基质的均匀混合均匀混合，需，需要搅拌，但这只需要很小的搅拌功率，如乙醇，乳酸的发酵，要搅拌，但这只需要很小的搅拌功率，如乙醇，乳酸的发酵，搅拌轴需要（搅拌轴需要（4060rpm）就可以。）就可以。而对有氧发酵过程而对有氧发酵过程，搅拌条件的影响非常敏感。搅拌条件的影响非常敏感。对于对于好氧好氧培养系统而言，情况不一样，除了培养系统而言，情况不一样，除了均匀混合均匀混合的需要之的需要之外，更重要的是必须有外，更重要的是必须有溶解氧溶解氧参加微生物的代谢反应。而氧在参加微生物的代谢反应。而氧在水中的溶解度很低，实际培养液与水相比，饱和溶氧浓度更低水中的溶解度很低，实际培养液与水相比，饱和溶氧浓度更低了，所以机械搅拌的更重要功能在于了，所以机械搅拌的更重要功能在于:a）打碎通入空气的气泡）打碎通入空气的气泡；b）增加气液接触面积）增加气液接触面积；c）减少气液膜厚度；）减少气液膜厚度；d)阻挡气泡使慢些排出，以提高溶氧效率阻挡气泡使慢些排出，以提高溶氧效率二、供氧与耗氧二、供氧与耗氧供氧：空气中的氧气首先要溶解在溶液中，这个阶段叫供氧。供氧：空气中的氧气首先要溶解在溶液中，这个阶段叫供氧。耗氧：微生物利用液体中的溶解氧进行呼吸代谢活动。耗氧：微生物利用液体中的溶解氧进行呼吸代谢活动。供给足够的溶解氧满足微生物的需要是生物反应器的重要任供给足够的溶解氧满足微生物的需要是生物反应器的重要任务之一。务之一。n氧是难溶性气体，在常温常压下，纯水中的溶解度只有氧是难溶性气体，在常温常压下，纯水中的溶解度只有12mmolO2/L。n温度越高，氧在溶液中的溶解度越低。温度越高，氧在溶液中的溶解度越低。n培养基浓度越高，氧在溶液中的溶解度越低。培养基浓度越高，氧在溶液中的溶解度越低。三三、氧与其它条件的关系氧与其它条件的关系纯氧在水、盐或酸中的溶解度（常温常压）纯氧在水、盐或酸中的溶解度（常温常压）本章的内容是讨论有关溶氧和搅拌之间的问题，目的是做到本章的内容是讨论有关溶氧和搅拌之间的问题，目的是做到既满足细胞对氧的需求，又能尽量降低能量消耗。既满足细胞对氧的需求，又能尽量降低能量消耗。发酵过程中的搅拌作用会涉及到气体分散、固液悬浮、传热和发酵过程中的搅拌作用会涉及到气体分散、固液悬浮、传热和混匀等。实际工业应用的发酵罐全容积通常在混匀等。实际工业应用的发酵罐全容积通常在50400m3之之间间,其长径比一般为其长径比一般为(25)1。发酵罐的设计一般首先考虑空槽气速的影响。空槽气速根据微发酵罐的设计一般首先考虑空槽气速的影响。空槽气速根据微生物的耗氧量来折算生物的耗氧量来折算,一般在一般在0.0050.05m/s 之间之间,最大不最大不超过超过0.10.12m/s。考虑气体分布的要求考虑气体分布的要求,采用较大的高径比有利于气体分散采用较大的高径比有利于气体分散;其次要考虑传热的要求其次要考虑传热的要求,发酵过程产生的热量一般由罐内多组发酵过程产生的热量一般由罐内多组直立冷却排管导出直立冷却排管导出,直立排管同时起部分挡板作用。采用较大直立排管同时起部分挡板作用。采用较大的高径比有利于增大换热面积。的高径比有利于增大换热面积。但在考虑混匀要求时但在考虑混匀要求时,较大的高径比却不利于物料上下混匀较大的高径比却不利于物料上下混匀,因因而实际应用过程常采用多层叶轮来满足要求。而实际应用过程常采用多层叶轮来满足要求。发酵罐设计最关键的是搅拌器的选型。发酵罐设计最关键的是搅拌器的选型。对目前所有应用在发酵罐中的搅拌器均存在一个问题对目前所有应用在发酵罐中的搅拌器均存在一个问题,即通气即通气操作与不通气操作功率消耗存在很大变化操作与不通气操作功率消耗存在很大变化,通气操作时功率消通气操作时功率消耗明显下降。因而按不通气操作设计就会造成一次性投资及正耗明显下降。因而按不通气操作设计就会造成一次性投资及正常运行成本增加常运行成本增加,额外还造成电网的功率因子降低。而按通气额外还造成电网的功率因子降低。而按通气功率设计有时会造成电机过载。功率设计有时会造成电机过载。目前目前,研究开发在两种操作工况下功率变化小的搅拌器是搅拌研究开发在两种操作工况下功率变化小的搅拌器是搅拌技术需要解决的一个问题。技术需要解决的一个问题。第一节第一节搅拌器得形式和轴功率计算搅拌器得形式和轴功率计算一、搅拌器（桨）型式一、搅拌器（桨）型式二、搅拌器轴功率计算二、搅拌器轴功率计算三、非牛顿型流体对搅拌功率计算的影响三、非牛顿型流体对搅拌功率计算的影响合适的搅拌器：剪切速率、混合均匀、液体循环量。合适的搅拌器：剪切速率、混合均匀、液体循环量。反应罐中的常用机械搅拌器大致可分为轴向推进和径向推反应罐中的常用机械搅拌器大致可分为轴向推进和径向推进两种型式，前者如螺旋桨式，后者如涡轮式。进两种型式，前者如螺旋桨式，后者如涡轮式。（一）径向流搅拌器（一）径向流搅拌器一、搅拌器（桨）型式一、搅拌器（桨）型式 涡轮搅拌：涡轮搅拌：（圆盘）平直叶、弯叶、箭叶涡轮搅拌。（圆盘）平直叶、弯叶、箭叶涡轮搅拌。这三这三种涡轮搅拌器产生的流型相似。圆盘平直叶、弯叶、箭叶涡种涡轮搅拌器产生的流型相似。圆盘平直叶、弯叶、箭叶涡轮搅拌器与没有圆盘的搅拌器相比，二者搅拌特性相似，但轮搅拌器与没有圆盘的搅拌器相比，二者搅拌特性相似，但圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴向叶片空隙圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴向叶片空隙中上升，保证气泡更好的分散。另外没有圆盘的搅拌器受扭中上升，保证气泡更好的分散。另外没有圆盘的搅拌器受扭力大，轴瓷易坏。力大，轴瓷易坏。在传统的发酵罐中在传统的发酵罐中,经常使用的是经常使用的是Rushton Rushton 涡轮。涡轮。Rushton Rushton 涡涡轮是最典型的径向流搅拌器轮是最典型的径向流搅拌器,其结构比较简单其结构比较简单,通常是一个圆盘通常是一个圆盘上面带有六个直叶叶片上面带有六个直叶叶片,也称为六直叶圆盘涡轮。设置圆盘的也称为六直叶圆盘涡轮。设置圆盘的目的是为了防止气体未经分散直接从轴周围溢出液面。由于发目的是为了防止气体未经分散直接从轴周围溢出液面。由于发酵工业的发展初期酵工业的发展初期,发酵罐的规模较小发酵罐的规模较小,Rushton,Rushton涡轮在许多条涡轮在许多条件下能够满足工艺的需要件下能够满足工艺的需要,同时其结构非常简单同时其结构非常简单,容易加工制造容易加工制造,所以其应用还是比较广泛的。所以其应用还是比较广泛的。但是随着发酵工业规模的扩大但是随着发酵工业规模的扩大,越来越多的事实证明越来越多的事实证明:这种结构这种结构并不是适用于气液分散的最优结构。并不是适用于气液分散的最优结构。Vant Riet,Smith Vant Riet,Smith 和和Nienow Nienow 等发现等发现,当用六直叶圆盘涡轮式搅拌器把气体分散于低当用六直叶圆盘涡轮式搅拌器把气体分散于低粘流体时粘流体时,在每片桨叶的背面都有一对高速转动的漩涡在每片桨叶的背面都有一对高速转动的漩涡,漩涡内漩涡内负压较大负压较大,从叶片下部供给的气体立即被卷入漩涡从叶片下部供给的气体立即被卷入漩涡,形成气体充形成气体充填的空穴填的空穴,称为气穴。称为气穴。气穴的存在使得搅拌器在充气时的旋转阻力减小气穴的存在使得搅拌器在充气时的旋转阻力减小,因而造成搅因而造成搅拌功率降低拌功率降低,约为不通气时的约为不通气时的40%40%左右。功率的变化使得在装左右。功率的变化使得在装置设计上会存在一些问题置设计上会存在一些问题,如果按不充气的功率设计如果按不充气的功率设计,会造成会造成资源浪费的问题资源浪费的问题;如果按充气时的功率设计如果按充气时的功率设计,一旦停止通气一旦停止通气,功功率会迅速上升率会迅速上升,容易烧毁电机。气穴的存在还会影响到搅拌槽容易烧毁电机。气穴的存在还会影响到搅拌槽内的气液传质能力。因为内的气液传质能力。因为,气体并不是直接被搅拌器剪碎而得气体并不是直接被搅拌器剪碎而得到分散的。气泡的分散首先是在桨叶的背面形成较为稳定的到分散的。气泡的分散首先是在桨叶的背面形成较为稳定的气穴气穴,而后气穴在尾部破裂而后气穴在尾部破裂,这些小气泡在离心力作用下被甩这些小气泡在离心力作用下被甩出出,并随液体的流动分散至槽内其它区域。并随液体的流动分散至槽内其它区域。气穴理论所揭示的气液分散机理对开发新型搅拌器有重大意气穴理论所揭示的气液分散机理对开发新型搅拌器有重大意义。气穴使得义。气穴使得Rushton Rushton 涡轮的泵送能力降低。在高气速下涡轮的泵送能力降低。在高气速下,有有时整个搅拌器被气穴包围时整个搅拌器被气穴包围,搅拌器近似空转搅拌器近似空转,效率很低。效率很低。为了改进为了改进Rushton涡轮搅拌器的缺点涡轮搅拌器的缺点,Smith等提出采用弯曲等提出采用弯曲叶片的概念叶片的概念,并解释了弯曲叶片相对于直叶叶片所具有的优点。并解释了弯曲叶片相对于直叶叶片所具有的优点。弯曲叶片可使其背面的漩涡减小弯曲叶片可使其背面的漩涡减小,抑制叶片后方气穴的形成。抑制叶片后方气穴的形成。这种结构使该搅拌器具有如下优点这种结构使该搅拌器具有如下优点:载气能力提高载气能力提高;改善了分散改善了分散和传质能力和传质能力;由于通气而造成的搅拌功率下降的程度减小。根由于通气而造成的搅拌功率下降的程度减小。根据这些研究成果据这些研究成果,各混合设备公司推出了采用弯曲叶片的搅拌各混合设备公司推出了采用弯曲叶片的搅拌器器,其中有其中有Chemineer公司的公司的CD-6,Lightnin公司的公司的R130搅拌器搅拌器,Philadelphia公司的公司的Smithturbine(6DS90)。此类搅拌器的叶片采用的是半管的结构。此类搅拌器的叶片采用的是半管的结构。在湍流条件下在湍流条件下,其功率准数一般在其功率准数一般在2.83.2之间之间,比比Rushton涡涡轮要小得多。英国轮要小得多。英国ICI公司将半管的结构作了进一步改进公司将半管的结构作了进一步改进,推推出了专利搅拌器出了专利搅拌器,叶片采取了深度凹陷的结构。叶片采取了深度凹陷的结构。1998年年,Bakker提出了采用弯曲非对称叶片的想法提出了采用弯曲非对称叶片的想法,并据此开发并据此开发了最新一代的气液混合搅拌器了最新一代的气液混合搅拌器BT-6(BakkerTurbine),并申并申请了专利请了专利(USP5791780)。BT-6搅拌器的特点是采用了上下不搅拌器的特点是采用了上下不对称的结构设计对称的结构设计,上面的叶片略长于下部的叶片。该设计使得上上面的叶片略长于下部的叶片。该设计使得上升的气体被上面的长叶片盖住升的气体被上面的长叶片盖住,避免了气体过早地从叶轮区域直避免了气体过早地从叶轮区域直接上升而逃逸接上升而逃逸,而是使更多的气体通过叶轮区域在径向被分散。而是使更多的气体通过叶轮区域在径向被分散。叶片曲线采用抛物线设计叶片曲线采用抛物线设计,既保留了弯曲叶片的优点既保留了弯曲叶片的优点,还能明显还能明显减少叶片后方的气穴减少叶片后方的气穴,其功率准数一般在其功率准数一般在2.3左右。实验证明该左右。实验证明该搅拌器的综合性能均优于前述的各种径向流气液分散搅拌器。搅拌器的综合性能均优于前述的各种径向流气液分散搅拌器。1圆盘平直叶涡轮搅拌器圆盘平直叶涡轮搅拌器圆盘的作用：圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡圆盘的作用：圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴向叶片空隙中上升，保证气泡更好的分散。从轴向叶片空隙中上升，保证气泡更好的分散。径向流为主。径向流为主。很大的循环输送量和输出功率，剪切速率高。很大的循环输送量和输出功率，剪切速率高。2圆盘弯叶涡轮搅拌器圆盘弯叶涡轮搅拌器输出功率和剪切速率较低。输出功率和剪切速率较低。3圆盘箭叶涡轮搅拌器圆盘箭叶涡轮搅拌器输出功率和剪切速率低。输出功率和剪切速率低。混合效果好。混合效果好。4新型凹叶圆盘涡轮搅拌器新型凹叶圆盘涡轮搅拌器新型圆盘弯叶涡轮新型圆盘弯叶涡轮新型圆盘箭叶涡轮新型圆盘箭叶涡轮1、螺旋桨式搅拌器、螺旋桨式搅拌器螺旋桨式搅拌器在罐内将液体向下或向上推进，形成轴向螺旋桨式搅拌器在罐内将液体向下或向上推进，形成轴向的螺旋流动，其混合效果尚好，但产生的剪率较低，对气的螺旋流动，其混合效果尚好，但产生的剪率较低，对气泡的分散效果不好。一般用在靠压差循环的培养罐内，以泡的分散效果不好。一般用在靠压差循环的培养罐内，以提高其循环速度。提高其循环速度。2、新型轴流式搅拌桨、新型轴流式搅拌桨（二）轴向流搅拌器（二）轴向流搅拌器径向流搅拌器对气体分散的能力比较强径向流搅拌器对气体分散的能力比较强,但是其作用范围较小。但是其作用范围较小。随着发酵规模的不断扩大随着发酵规模的不断扩大,其缺陷也越发明显。尤其是对于要其缺陷也越发明显。尤其是对于要求整槽混匀好求整槽混匀好,剪切性能温和的过程剪切性能温和的过程,径向流搅拌器往往无能为径向流搅拌器往往无能为力。因而在发酵反应器中力。因而在发酵反应器中,轴向流搅拌器的开发应用迅速轴向流搅拌器的开发应用迅速发展起来。轴向流搅拌器的发展是在近代流体力学的理论基发展起来。轴向流搅拌器的发展是在近代流体力学的理论基础上础上,基于边界层分离、机翼理论和船用螺旋桨理论等而出现基于边界层分离、机翼理论和船用螺旋桨理论等而出现的一种新型搅拌器。应用于发酵的轴向流搅拌器叶片一般为的一种新型搅拌器。应用于发酵的轴向流搅拌器叶片一般为46片宽叶片宽叶,其投影覆盖率可达其投影覆盖率可达90%。它不同于传统的推进式。它不同于传统的推进式叶轮叶轮,也不同于中低粘度混合的轴向流搅拌器也不同于中低粘度混合的轴向流搅拌器,如如LINGHT2NINA310搅拌器。这些搅拌器一般只用搅拌器。这些搅拌器一般只用3个叶片个叶片,叶片叶片宽度较窄宽度较窄,投影覆盖率只有投影覆盖率只有22%左右。因而对气体的控制能力左右。因而对气体的控制能力差差,容易造成液泛。容易造成液泛。国内外轴流式搅拌器的应用已经很多国内外轴流式搅拌器的应用已经很多,较典型的有较典型的有ProChem公司的公司的Maxflo。在在800L罐曲霉的培养下罐曲霉的培养下,使用该轴流桨比传统的使用该轴流桨比传统的Rushton涡轮涡轮传质系数提高传质系数提高40%,功耗降低功耗降低50%。还有美国。还有美国Lightnin公司公司的的A315搅拌器。搅拌器。A315特别适合于气液传质过程特别适合于气液传质过程,在直径大于在直径大于1m的实验装置中的实验装置中,同样的输入功率下同样的输入功率下,A315桨的持气量比桨的持气量比Rushton涡轮高涡轮高80%,气体分散量提高气体分散量提高4倍倍,同时产量提高同时产量提高1050%,其剪切力仅为其剪切力仅为Rushton涡轮的涡轮的25%,较适合于对剪切较适合于对剪切敏感的微生物发酵过程等。敏感的微生物发酵过程等。国内在轴流式搅拌器的研究开发方面已取得许多进展。北京化国内在轴流式搅拌器的研究开发方面已取得许多进展。北京化工大学开发了工大学开发了CBY系列搅拌器系列搅拌器,并对各种工况下的流动场并对各种工况下的流动场,功耗功耗,以及搅拌器的受力等进行了系统的研究以及搅拌器的受力等进行了系统的研究,而且已经将其成功的推而且已经将其成功的推广应用广应用,取得了较好的经济效益。华东理工大学开发了翼形桨取得了较好的经济效益。华东理工大学开发了翼形桨,并提出采用组合桨。如在青霉素发酵中采用下为并提出采用组合桨。如在青霉素发酵中采用下为Rushton涡轮涡轮,上为翼形桨的组合。用这种组合代替多层涡轮桨可使主体混合上为翼形桨的组合。用这种组合代替多层涡轮桨可使主体混合速率提高约速率提高约40%。无锡轻工大学开发了适用于中低粘物系的。无锡轻工大学开发了适用于中低粘物系的LA搅拌器和适用高粘物系的搅拌器和适用高粘物系的MT搅拌器。江苏石油化工学院搅拌器。江苏石油化工学院开发了开发了JH轴流式搅拌器。浙江长城减速机有限公司的轴流式搅拌器。浙江长城减速机有限公司的KSX型型大宽叶旋桨式搅拌器在发酵中得到很好的应用大宽叶旋桨式搅拌器在发酵中得到很好的应用,这种搅拌器的叶这种搅拌器的叶片为大面积、带倾角的曲面形状片为大面积、带倾角的曲面形状,具有较高的投影覆盖率具有较高的投影覆盖率,其综其综合性能优异合性能优异,可替代国外的同类产品可替代国外的同类产品,如如LIGHTNIN公司的公司的A315搅拌器。搅拌器。组合式搅拌器组合式搅拌器从上面的分析可以看出从上面的分析可以看出,径流式搅拌器的优势是气体分散能力强径流式搅拌器的优势是气体分散能力强,但是其功耗较大但是其功耗较大,作用范围小作用范围小;而轴向流搅拌器的轴向混合性能而轴向流搅拌器的轴向混合性能较好较好,功耗低功耗低,作用范围大作用范围大,但是其对气体的控制能力弱。根据气但是其对气体的控制能力弱。根据气液混合的扩散机理液混合的扩散机理,气液混合是通过主体对流扩散、涡流扩散和气液混合是通过主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散来实现的。大尺度的宏观循环流动称为主体流动分子扩散来实现的。大尺度的宏观循环流动称为主体流动,由漩由漩涡运动造成的局部范围内的扩散称为涡流扩散。其中涡运动造成的局部范围内的扩散称为涡流扩散。其中,机械搅拌机械搅拌作用能够强化的过程有主体对流扩散和涡流扩散。如果将径向作用能够强化的过程有主体对流扩散和涡流扩散。如果将径向流搅拌器和轴向流搅拌器组合使用流搅拌器和轴向流搅拌器组合使用,利用径向流搅拌器利用径向流搅拌器控制气体的分散控制气体的分散,通过主体对流扩散和涡轮扩散实现较小范围的通过主体对流扩散和涡轮扩散实现较小范围的充分的气液混合充分的气液混合,然后再依靠轴向流搅拌器的主体对流作用使全然后再依靠轴向流搅拌器的主体对流作用使全部液体周期性依次与气体混合部液体周期性依次与气体混合,实现较大范围的气液混合。实现较大范围的气液混合。针对发酵罐规模的不断扩大针对发酵罐规模的不断扩大,充分利用两种搅拌器的优势充分利用两种搅拌器的优势,取长补取长补短短,采用多级多种组合方式是今后大型发酵罐设计的发展方向。采用多级多种组合方式是今后大型发酵罐设计的发展方向。对于组合形式对于组合形式,根据发酵罐一般是下部通气的特点根据发酵罐一般是下部通气的特点,下层搅拌器选下层搅拌器选择径向流搅拌器择径向流搅拌器,上层搅拌器采用轴向流搅拌器。与单纯采用径上层搅拌器采用轴向流搅拌器。与单纯采用径向流搅拌器相比向流搅拌器相比,该组合形式可以提高传质系数该组合形式可以提高传质系数,减少功率消耗减少功率消耗,对对于剪切敏感的细菌发酵过程还能够减少剪切作用于剪切敏感的细菌发酵过程还能够减少剪切作用,增加收率。福增加收率。福建某抗菌素厂建某抗菌素厂50m3发酵罐发酵罐,直径直径3100m,高度高度6400mm,原设计院原设计院设计功率为设计功率为95kW,搅拌器为三层箭叶式圆盘涡轮搅拌器搅拌器为三层箭叶式圆盘涡轮搅拌器,直径直径1000mm,转速转速130r/min。根据我方经验并计算。根据我方经验并计算,搅拌在不通气搅拌在不通气情况下超载。与厂方协商情况下超载。与厂方协商,对搅拌进行设计改进对搅拌进行设计改进,三层搅拌器改为三层搅拌器改为上面使用两层上面使用两层KSX大宽叶旋桨式搅拌器大宽叶旋桨式搅拌器,直径直径1050mm,底层采用底层采用HDY型半弯管圆盘涡轮型半弯管圆盘涡轮,直径直径1000mm,实际使用功率实际使用功率55kW(电电机功率机功率),现使用良好现使用良好,完全达到工艺要求。完全达到工艺要求。温州某厂谷氨酸发酵罐温州某厂谷氨酸发酵罐,该发酵罐直径该发酵罐直径4600mm,高度高度12300mm,体积约体积约200m3。根据设计院要求。根据设计院要求,该装置须配备该装置须配备了了200kW的电机的电机,搅拌器为三层后弯叶式圆盘涡轮搅拌器搅拌器为三层后弯叶式圆盘涡轮搅拌器,直径直径1200mm,转速转速120r/min。三层径流式搅拌器并不是。三层径流式搅拌器并不是最优设计。经厂方同意最优设计。经厂方同意,搅拌器底层采用径流式的搅拌器底层采用径流式的HDY型型半弯管圆盘涡轮半弯管圆盘涡轮,直径直径1200mm;上面两层采用轴流式的上面两层采用轴流式的KSX大宽叶旋桨式搅拌器大宽叶旋桨式搅拌器,直径直径1200mm。经投产运行。经投产运行,其其状况非常好状况非常好,实际消耗功率仅实际消耗功率仅100kW左右左右,与其与其100m3发酵发酵罐的功耗相当罐的功耗相当,节能效果非常显著节能效果非常显著,且产酸率高于且产酸率高于100m3罐。罐。搅拌器在罐内造成的液体流动形式对气、固、液体的混合，搅拌器在罐内造成的液体流动形式对气、固、液体的混合，氧气的溶解以及热量的传递有重大的影响。氧气的溶解以及热量的传递有重大的影响。液流型式不仅决定搅拌器本身，还受罐内其它附件的影响，液流型式不仅决定搅拌器本身，还受罐内其它附件的影响，如挡板、拉力筒以及安装位置。如挡板、拉力筒以及安装位置。搅拌器安装的相对位置对搅拌效果影响也很大。例如下组搅搅拌器安装的相对位置对搅拌效果影响也很大。例如下组搅拌器距罐底太远，则罐液不能上升，造成局部缺氧。搅拌器拌器距罐底太远，则罐液不能上升，造成局部缺氧。搅拌器相距太远，部分发酵液搅拌不均匀，相距太近，功率降低。相距太远，部分发酵液搅拌不均匀，相距太近，功率降低。（三）搅拌器的流型（三）搅拌器的流型1 罐中轴装垂直螺旋桨搅拌器在无挡板时的搅拌流型罐中轴装垂直螺旋桨搅拌器在无挡板时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漩涡。成凹陷的漩涡。如果在罐内壁安装垂直挡板多块，液体的螺旋状流受挡板折如果在罐内壁安装垂直挡板多块，液体的螺旋状流受挡板折流，被返流向轴心，使漩涡消失。流，被返流向轴心，使漩涡消失。消除漩涡所必需的最小挡板数为全挡板条件。消除漩涡所必需的最小挡板数为全挡板条件。冷却排管可代替挡板。冷却排管可代替挡板。2 径向流涡轮搅拌器的搅拌流型（有挡板）径向流涡轮搅拌器的搅拌流型（有挡板）（平直叶、弯叶、箭叶）涡轮搅拌器的搅拌流型基本相似。（平直叶、弯叶、箭叶）涡轮搅拌器的搅拌流型基本相似。流体在涡轮平面的上下两侧造成向上和向下的翻腾。流体在涡轮平面的上下两侧造成向上和向下的翻腾。3 轴向流搅拌器的搅拌流型轴向流搅拌器的搅拌流型在罐内与垂直的搅拌器同轴线安装套筒，可以大大加强循环在罐内与垂直的搅拌器同轴线安装套筒，可以大大加强循环输送效果，并能将液体表面的泡沫从套管上部入口抽吸到液输送效果，并能将液体表面的泡沫从套管上部入口抽吸到液体之中，具有自消泡的能力。加套筒后，把液体分成筒内和体之中，具有自消泡的能力。加套筒后，把液体分成筒内和筒外，造成压差筒外，造成压差(搅拌形成的），加速液体的流动，所以这种搅拌形成的），加速液体的流动，所以这种套管一开始叫套管一开始叫pressure cycle tube 二、搅拌器轴功率计算二、搅拌器轴功率计算生化反应器的搅拌功率，不仅是选择电动机的依据生化反应器的搅拌功率，不仅是选择电动机的依据（1.151.2倍）倍），而且也是确定溶氧的主要指标，而且也是确定溶氧的主要指标，同时又是比拟放大和设计的基本依据。同时又是比拟放大和设计的基本依据。模型：单只涡轮不通气条件下输入搅拌液体的功率模型：单只涡轮不通气条件下输入搅拌液体的功率Po 1 搅拌轴功率的计算搅拌轴功率的计算为什么要计算搅拌轴功率？为什么要计算搅拌轴功率？对耗氧的培养过程，对耗氧的培养过程，Kla很重要。很重要。Kla=f（设备参数，操作变数，物性参数）（设备参数，操作变数，物性参数）设备参数：反应器设备参数：反应器H、D，搅拌器，搅拌器H、D等，操作变数：等，操作变数：N、Q、T、P等，物性参数：料液组成、粘度、表面张力等。等，物性参数：料液组成、粘度、表面张力等。搅拌器输入功率是指搅拌器以既定的转速回转时，用以克服搅拌器输入功率是指搅拌器以既定的转速回转时，用以克服介质的阻力所需的功率。不包括机械传动的摩擦所消耗的功介质的阻力所需的功率。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。率，因此它不是电动机的轴功率。P0与很多因素有关，与操作变数（与很多因素有关，与操作变数（N、Q），流体物性（），流体物性（、p），罐的几何尺寸，附件等因素有关。），罐的几何尺寸，附件等因素有关。P0=f（15个变数）个变数）RushtonRushton等对在牛顿流体中的搅拌功率作了分析，其等对在牛顿流体中的搅拌功率作了分析，其大小与搅拌转速、搅拌器大小、液体的密度及粘度大小与搅拌转速、搅拌器大小、液体的密度及粘度有关，通过因次分析，得到几个无因此数群，它们有关，通过因次分析，得到几个无因此数群，它们之间有以下关系：之间有以下关系：P P搅拌功率搅拌功率W WN N 转速转速1/s1/sD Di i搅拌器直径搅拌器直径m m液体密度液体密度kg/mkg/m3 3g g重力加速度重力加速度9.81m/s9.81m/s2 2三个无因次数群分别称为功率准数三个无因次数群分别称为功率准数N NP P、雷诺准数、雷诺准数N NReRe和弗鲁特准数和弗鲁特准数N NFrFr,即即用因次分析法找出三者之间的关系用因次分析法找出三者之间的关系式中：式中：K K同一几何构形搅拌器的总形状因子同一几何构形搅拌器的总形状因子 注：注：K K、X X、Y Y由试验求得由试验求得a a）当）当ReRe1010时，液体处于滞流状态，时，液体处于滞流状态，x=-1,x=-1,则则b b）当）当Re10Re104 4时，液体处于湍流状态，时，液体处于湍流状态，x=0,Nx=0,NP P保持不保持不变，对六平叶涡轮，变，对六平叶涡轮，N NP P6.06.0，对六弯叶涡轮，对六弯叶涡轮，N NP P 4.74.7，对六箭叶涡轮，对六箭叶涡轮，N NP P=3.7=3.7。且。且c c）当）当1010ReRe10104 4时，液体处于过渡流状态，时，液体处于过渡流状态，K K与与x x均随均随ReRe变化。变化。在全挡板条件下，液面的中心部不生成旋涡，此时重力影响在全挡板条件下，液面的中心部不生成旋涡，此时重力影响可以忽略不计，前式中可以忽略不计，前式中y=0，搅拌功率只与，搅拌功率只与Re有关。有关。大的培养罐，因液层较深，只有一只涡轮搅拌效果不好，大的培养罐，因液层较深，只有一只涡轮搅拌效果不好，所以一般在同一搅拌轴上安装尺寸相同的多只涡轮。所以一般在同一搅拌轴上安装尺寸相同的多只涡轮。搅拌器的只数搅拌器的只数n，只要两只涡轮之间的距离足够大，那么，只要两只涡轮之间的距离足够大，那么Po，nnPo注意涡轮间距，如果两只涡轮间距为零，则实际上合为一注意涡轮间距，如果两只涡轮间距为零，则实际上合为一只涡轮。应使两只涡轮形成的液流互不干扰。只涡轮。应使两只涡轮形成的液流互不干扰。对非牛顿液体两个涡轮间的距离可采取对非牛顿液体两个涡轮间的距离可采取2D，对牛顿液体可对牛顿液体可采取采取2.53.0D；静液面至上涡轮的距离可采取静液面至上涡轮的距离可采取0.52D；下涡；下涡轮至罐底的距离轮至罐底的距离C可取可取0.51.0D。2 多只涡轮不通气条件下输入搅拌液体的功率多只涡轮不通气条件下输入搅拌液体的功率计算计算搅拌器的只数搅拌器的只数n，只要两只涡轮之间的距离足够大，那么，只要两只涡轮之间的距离足够大，那么Po，nnPo影响因素：通气使得液体重度下降，涡轮周围气液接触影响因素：通气使得液体重度下降，涡轮周围气液接触状况。状况。在培养液中通入空气，搅拌功率消耗会显著下降（密度在培养液中通入空气，搅拌功率消耗会显著下降（密度和粘度下降），日本大山等提出用通气准数来描述通气的影和粘度下降），日本大山等提出用通气准数来描述通气的影响：响：Pg/P=f(NA)3通气液体机械搅拌功率通气液体机械搅拌功率Pg计算计算罐截面上表观气速罐截面上表观气速搅拌器叶尖速度搅拌器叶尖速度=NA通气准数通气准数Qg空气流量空气流量m3/sMichelMichel等通过试验，得出与工作变数间存在如下经等通过试验，得出与工作变数间存在如下经验式：验式：C C随搅拌器不同而异的常数，通用的涡轮搅拌器随搅拌器不同而异的常数，通用的涡轮搅拌器C=0.156C=0.156福田秀雄等福田秀雄等10010040000L40000L的系列设备里，对上式进的系列设备里，对上式进行了修正：行了修正：上述修正后的经验公式适用于较大的如上述修正后的经验公式适用于较大的如40m3发酵罐。发酵罐。例题：书上P43=（2.8*0.6*0.6*1020）/1.9610-3=5.25105104所以所以 Np=4.8第一步：第一步：第二步：第二步：第三步：第三步：研究培养基的流变特性是因为它直接影响动量、热量和质研究培养基的流变特性是因为它直接影响动量、热量和质量等的有效传递，继而影响到各种发酵条件，如溶氧速率、气量等的有效传递，继而影响到各种发酵条件，如溶氧速率、气体交换、发酵温度、营养物的补充、体交换、发酵温度、营养物的补充、pH值的调节等等。培养值的调节等等。培养液是一多相体系，由液相、固相（包括菌体细胞和不溶性培养液是一多相体系，由液相、固相（包括菌体细胞和不溶性培养基组分）和气相（通气培养时）构成。基组分）和气相（通气培养时）构成。一般细菌或酵母的培养液黏度较低，流变性比较好，在深一般细菌或酵母的培养液黏度较低，流变性比较好，在深层培养中的动量、热量和质量传递较为容易。层培养中的动量、热量和质量传递较为容易。三、非牛顿流体中的搅拌功率三、非牛顿流体中的搅拌功率 而利用放线菌和丝状真菌生产抗生素、酶、有机酸等而利用放线菌和丝状真菌生产抗生素、酶、有机酸等发酵产品，特别是现在常采用丰富培养基，培养基中含有发酵产品，特别是现在常采用丰富培养基，培养基中含有大量的菌丝体和未被利用的不溶性培养基成分，致使培养大量的菌丝体和未被利用的不溶性培养基成分，致使培养液十分黏稠，表现为非牛顿流变特性。液十分黏稠，表现为非牛顿流变特性。此外，细菌、酵母的高浓度细胞培养液则会使黏度大此外，细菌、酵母的高浓度细胞培养液则会使黏度大大增加。这些黏性的非牛顿流体的流变性差，导致动量、大增加。这些黏性的非牛顿流体的流变性差，导致动量、热量和质量传递困难，容易发生因混合不充分，气液相间热量和质量传递困难，容易发生因混合不充分，气液相间的质量传递以及热量传递不良，最终影响代谢产物的生产。的质量传递以及热量传递不良，最终影响代谢产物的生产。所以有必要了解培养液的流变特性。所以有必要了解培养液的流变特性。牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体牛顿型流体：服从牛顿黏性定律的流体。牛顿型流体：服从牛顿黏性定律的流体。其主要特征其主要特征就是其黏度就是其黏度只是只是温度温度的函数，与流变状态无的函数，与流变状态无关，关，因此是一常数（如气体、低分子的液体或溶液）。因此是一常数（如气体、低分子的液体或溶液）。即意味着发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，并且即意味着发酵罐中搅拌转速的快慢对黏度没有影响，并且在同一搅拌转速下，在发酵罐的全培养液中的任何局部的在同一搅拌转速下，在发酵罐的全培养液中的任何局部的黏度相同。黏度相同。非非牛牛顿顿型型流流体体：不不服服从从牛牛顿顿黏黏性性定定律律，其其黏黏度度不不是是常常数数，它它不不仅仅是是温温度度的的函函数数，而而且且随随流流动动状状态态而而异异，因因此此没没有有固固定定的的黏度值。黏度值。根根据据非非牛牛顿顿型型流流体体的的剪剪应应力力与与切切变变率率之之间间的的关关系系，可可分分为为几几种类型种类型：拟塑性（拟塑性（pseudoplastic）流体）流体凯松流体（凯松流体（Cassonbody）涨塑性（涨塑性（dilatant）流体）流体平汉（平汉（dingham）塑性流体）塑性流体非牛顿型流体非牛顿型流体稠度系数稠度系数流性指数流性指数表观粘度表观粘度 在食品、造纸、高分子材料、环境工程和涂料等行业经在食品、造纸、高分子材料、环境工程和涂料等行业经常碰到的流体的剪应力不服从牛顿粘性定律，这类流体称为常碰到的流体的剪应力不服从牛顿粘性定律，这类流体称为非牛顿型流体。非牛顿型流体的剪应力与速度梯度的关系不非牛顿型流体。非牛顿型流体的剪应力与速度梯度的关系不是简单的线性关系。是简单的线性关系。表观粘度与牛顿粘性定律中的粘度有本质的区别，对于表观粘度与牛顿粘性定律中的粘度有本质的区别，对于一定温度、压力下的某种流体来说，它不是常数，其大小还一定温度、压力下的某种流体来说，它不是常数，其大小还与流体流动的速度梯度有关。与流体流动的速度梯度有关。非牛顿型流体非牛顿型流体稠度系数稠度系数流性指数流性指数表观粘度表观粘度牛顿流体与非牛顿流体的剪切图牛顿流体与非牛顿流体的剪切图1.塑性流体：如纸浆、泥浆、牙膏、肥皂等流动时，剪应力需塑性流体：如纸浆、泥浆、牙膏、肥皂等流动时，剪应力需要超过一个初始剪应力时，才能产生剪切速率。在图中是一条要超过一个初始剪应力时，才能产生剪切速率。在图中是一条过初始剪应力的直线。过初始剪应力的直线。2.涨塑性流体：流性指数涨塑性流体：流性指数n1，表观粘度是图中曲线的斜率。表观粘度是图中曲线的斜率。表观粘度随速度梯度的增加而增大。在图中是一条过原点的向表观粘度随速度梯度的增加而增大。在图中是一条过原点的向上弯的曲线。这类流体比较少，如：含高浓度粉末的悬浊液属上弯的曲线。这类流体比较少，如：含高浓度粉末的悬浊液属于这一类。于这一类。3.拟塑性流体：与涨塑性流体相反，流性指数拟塑性流体：与涨塑性流体相反，流性指数n1，表观粘度表观粘度随速度梯度的增加而减小。在图中是一条过原点的向下弯的曲随速度梯度的增加而减小。在图中是一条过原点的向下弯的曲线。多数非牛顿型流体属于这一类。主要有高分子溶液、油脂、线。多数非牛顿型流体属于这一类。主要有高分子溶液、油脂、涂料、淀粉溶液等。涂料、淀粉溶液等。非牛顿型流体与牛顿型流体的流动特性有本质区别，因此，非牛顿型流体与牛顿型流体的流动特性有本质区别，因此，在流体阻力、传热、传质等方面也会表现出明显的差异。在流体阻力、传热、传质等方面也会表现出明显的差异。在发酵过程中，培养液在发酵过程中，培养液流动模型参数流动模型参数会随着细胞浓度、形态的会随