第八章 通气发酵设备(2)

三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性1、搅拌叶轮尺寸与类型●叶轮尺寸与罐直径比D i/D=0.33~0.45选用较大的叶轮或D i/D：多糖发酵，动物细胞培养；●叶轮类型的选择功率准数、混合特性，产生的液流作用力的大小；2、搅拌叶尖速度与剪应力●细胞与剪切作用损害程度：细胞特性、搅拌力的性质、强度、作用时间；定性关系：球状和杆状细胞：耐受力强，丝状、动物细胞：耐受力弱；●关于搅拌剪切的反应器设计准则以搅拌叶尖线速度v为基准：v≤7.5m/s例外：谷氨酸发酵3、发酵液的流变特性液体流变特性的影响：传质、传热、混合；发酵罐设计与运转；●发酵液流变特性的类型：（1）牛顿型流体黏度不随搅拌剪切速率和剪应力而改变（粘性定律）；剪应力与剪切速率的关系：τ=F/A=μ(d u/d y)=μγτ为剪应力，Pa或N/m2；F为切向力，A 为流体面积；μ为流体黏度Pa·s，γ为剪切速率（速度梯度，s－1 )；非牛顿型流体（2）宾汉塑性流体τ=τ0+μsγτ0为屈服应力，Pa;μs为表观黏度,Pa·s;如黑曲霉发酵液；（3）拟塑性和涨塑性流体τ=KγnK：均匀系数，稠度系数， Pa·s n；n：流体状态特性指数，拟塑性：0﹤n﹤1涨塑性：n﹥1如丝状菌（青霉素）、液体曲、多糖；四、机械搅拌通风发酵罐的的热量传递1、发酵过程的热量计算●生物反应热的计算Q发酵=Q生物+Q搅拌－Q散Q搅拌：与搅拌功率P g有关，η功热转化率，取η=0.92；Q散发：Q蒸发、Q显、Q辐射，Q散发=0.2 Q生物；●冷却水带出的热量计算发酵过程的最大放热：Q发酵=[Wc(T2－T1)]/V L [kJ/(m3·℃)]W:冷却水流量，kg/h；c：水的比热容，kJ/(kg·℃)；T1、T2:冷却水进出口温度，℃；V L：发酵液体积，m3;●发酵液温升测量计算旺盛期，先使罐温恒定，关闭冷却水，30min后测定发酵液的温度：Q发酵=[ (w1c1+w2c2) △T]/V L [kJ/(m3·℃)] w1、w2：发酵液和发酵罐的质量，kg；c1、c2：发酵液和发酵罐的比热容，kJ/(kg·℃)；△T：30min内发酵液的温升，℃；2、发酵罐的换热装置●换热夹套换热系数低：400~600 kJ/(m3·h·℃)；适应：5m3发酵罐；●竖式蛇管4~6组换热系数高：1200~4000 kJ/(m3·h·℃)；要求水温较低；●竖式列（排）管传热推动力大，用水量大；五、机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积●公称体积指罐的筒身（圆柱）体积与底封头体积之和。

椭圆形封头体积：V1=πD2h b/4+πD2h a/6h a：椭圆封头的直边高度，m；h b：椭圆短半轴长度，标准椭圆h b=D/4；罐的全体积：V0=πD2[(H0+2(h b+D/6)]/4≈πD2 /4+0.15D3 （m3）六、机械搅拌通风发酵罐的放大设计举例1、基因工程菌发酵罐的设计（1）设计任务与要求●年产量，●现有（中试）发酵工艺参数20L罐试验数据：细胞浓度，产物浓度，得率系数；培养条件：温度、pH、μ；大罐生产目标：细胞浓度50g/L（干）；培养基；发酵工艺；发酵液流体类型；产物收率；生产天数，24小时连续生产；（2）设计计算●物料衡算、热量衡算、反应器体积：产物总产量；细胞年产量，发酵总量；每天应生产的发酵液量；反应器体积；溶氧速率OTR；●发酵罐初步设计搅拌功率、D i/D、通气线速度；选择搅拌桨叶；由上述数据得到初步计算结果；●发酵工艺改进所得的溶氧速率OTR低于要求的OTR：采用改进取得供应；以计算得到的OTR计算，得到发酵特征参数；解决低OTR问题，在后期通富氧；●综合考虑，进行优化设计，得到改进的反应器计算结果；2、100m3大型发酵罐的设计●主要用于抗生素、氨基酸发酵8.2 气升式发酵罐(ALR)1、概述●工作原理把无菌空气通过喷嘴或喷孔以250～300m/s的速度喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用使气泡碎裂，同时形成的气液混合物由于密度较低向上运动，而气含率小的发酵液则向下运动，形成循环流动，实现混合与传质。

●优缺点结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备，节约动了约50％，节约钢材；操作无噪音；料液可充满达80～90％，而不需加消泡剂；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。

缺点：不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低；●类型气升环流式、鼓泡式、空气喷射式；2、气升环流式反应器的特点●发酵液分布均匀基质均匀分散；避免液面形成稳定的泡沫层；使淀粉类易沉降的物料悬浮分散；●较高的溶氧速率和溶氧效率较高的气含率（gas-holdup)和气液接触界面；溶氧速率比机械搅拌罐高：k L a可达2000h－1；比如25m3的气升式反应器：溶氧速率：2~8kg/(m3·h)；溶氧效率：1~2kg/(kW·h)；●剪切力小，对细胞损伤小适合植物细胞和组织培养；●传热良好液体综合循环速率高；便于在外循环管路上进行换热；●结果简单，易于加工制造无搅拌器，不需安装结构复杂的搅拌系统；容易保证密封；加工制造方便，设备投资较低；易于放大制造大型反应器；●操作维修方便3、气升环流式反应器的主要结构及操作参数主要有：高径比、导流筒高度与反应器高度比，导流筒直径与反应器直径比，导流筒与罐顶部和罐底部的距离，通气速率，循环时间，平均循环雷诺准数，平均循环速度；（1）主要结构及操作参数●反应器高径比H/DH/D=5~9●导流筒径与罐直比D E/DD E/D=0.6~0.8●空气喷嘴直径与罐径比D1/D（2）操作特性●平均循环时间t m=V L/V c=V L/(ψD E2v m/4)V L：罐内发酵液量，m3；V c：发酵液循环流量，m3/s ；D E：导流管（上升管）直径，m；v m ：导流管中液体平均流速，m/s；黑曲霉生产糖化酶：t m﹤3min高密度单细胞培养：t m﹤1min●气液比R指通风量与发酵液的环流量比R=V G/V c平均环流度速v m ：1.2~1.8m/s；●溶氧传递取决于发酵液的湍动程度和气泡的剪切作用；输入的能量；气含率与空截面气速的关系：h=K v s nK，n为经验常数，鼓泡塔：低通气速率：n=0.7~1.2；高通气速率：n=0.4~0.7；体积氧传递系数：k L a=b v s mb为常数，与空气分布器和溶液性质有关；对水和电解质，m=0.8；输入功率P g/V L=1kW/m3:溶氧速率OTR：2~3kg/(m3·h)；溶氧效率：1~2kg/(kW·h)；4、典型气升环流发酵罐●ICI压力循环式发酵罐公称体积3000m3,液柱高达55m,发酵液量2100m3，沿罐高度设有19块有下降区的筛板，罐顶部设有气液分离部分；有关参数：罐中液体上升速度0.5 m/s，下降区达3~4 m/s；气含率：上升管0.52，下降区0.48；溶氧速率：10kg/(m3·h)；相应的输入功率6.6kW/m3；溶氧效率：1.5kg/(kW·h)；循环时间：1~3min；使用领域：酵母、酶、有机酸，细胞培养；●BIOHOCH多气升管反应器反应器内设多个气升管；有效体积达8000~20000m3；特点：节能、操作稳定、出水的BOD和COD低；无噪音、占地面积小；应用：废水处理8.3 自吸式发酵罐1、自吸式发酵罐的原理和特点●原理不需要空气压缩机提供压缩空气，依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，同时实现混合搅拌与氧传质的发酵罐。

●特点①节约空压机及其附属设备冷却器、油水分离器、空气贮罐、过滤器等，减少占地面积，减少设备投资约30％左右；②溶氧效率高，能耗低；③设备便于自动化、连续化，用于酵母和醋酸生产具有生产效率高优点；缺点：由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。

2、机械自吸式发酵罐（1）原理自吸式发酵罐的构件主要使自吸搅拌器和导轮，又称转子及定子；在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，液体或空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，若转子的转速愈快，旋转的线速度也愈大，则流体的动能也愈大；当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大，吸入的空气量越大。

由于转子的搅拌作用，气液在叶轮周围形成强烈的混合流（湍流），使刚离开叶轮的空气立即在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合，翻腾，扩散到整个罐中，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。

（2）机械自吸式发酵罐设计要点●发酵罐的高径比高径比不宜取过大；吸气装置离液面的距离2~3m；发酵液黏度高，适当降低罐高度；●转子与定子的确定三棱叶转子：直径较大，转速较低时，吸气量也较大，叶轮直径与罐直径比为0.35;四弯叶转子：剪切作用较小、阻力小、功率消耗少；转速高，吸气量较大，溶氧系数高；叶轮外径与罐直径比为：1/8~1/15；叶轮厚度与叶轮直径比：1/4~1/5；●吸气量计算用准数法计算和比拟放大设计；三棱叶搅拌器：f(N a,F r)=0N a：吸气准数，N a=V g/nd3；F r：弗鲁特准数，F r=n2d/g；V g：吸气量，m3/s；四弯叶搅拌器：V g =12.56nCLB(D-L)K(m3/s)n:叶轮转速；D：叶轮外径；L:叶轮开口长度；B：叶轮厚度；C：流率比，C=K/(1+K) ；K：充气系数；3、喷射自吸式发酵罐●原理发酵液通过文氏管或液体喷射装置时，在收缩段流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现氧传质。

●类型（1）文氏管自吸式发酵罐（2）液体喷射自吸式发酵罐主要用于酵母培养。