機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器

機(jī)械攪拌式反應(yīng)器機(jī)械攪拌式反應(yīng)器綜述結(jié)構(gòu)攪拌器流體流動機(jī)理能量傳遞牛頓型流體的氣液傳質(zhì)熱傳遞反應(yīng)器模型簡述醫(yī)藥工業(yè)中第一個大規(guī)模的微生物發(fā)酵過程青霉素生產(chǎn)是在機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的。迄今為止，對新的生物過程，首選的生物反應(yīng)器仍然是機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器。特點(diǎn)：對不同的微生物過程具有更優(yōu)的靈活性，只有在氣液傳遞性能或剪切力不能滿足生物過程時才會考慮用其他類型反應(yīng)器。

大多用于間歇反應(yīng)。32023/2/2結(jié)構(gòu)傳熱裝置

小反應(yīng)器：夾套

大反應(yīng)器：蛇管

將半圓形管子焊接在反應(yīng)器外壁，既可以很好傳熱，又簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，便于清洗通氣裝置

氣體分布器混合裝置

原生流次生流42023/2/2

攪拌器功能：將能量傳遞給液體攪拌器恒定地傳遞給流體的能量與流體運(yùn)動中損失的機(jī)械能相平衡用最少的能量消耗達(dá)到和維持流體運(yùn)動的性能使氣體在液體中分散

達(dá)到預(yù)定的氣液界面積和截面積在器內(nèi)分布使氣液分離

達(dá)到氣液易于分離的氣泡直徑和氣泡運(yùn)動性能使所有組分充分混合

不傷害微生物的前提下，用最小的能量達(dá)到適合微生物生長的混合狀況52023/2/2最近研究提出采用組合槳葉，根據(jù)軸向流和徑向流槳葉的特性，采用下層為徑向流，上層軸向流，混合效果更好。攪拌槳截圖62023/2/2流體流動機(jī)理原生流：以平葉渦輪為例，攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動開始在液體內(nèi)部造成切向運(yùn)動，使液體按攪拌器速度旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生原生流。72023/2/2流體流動機(jī)理次生流：

在攪拌器的水平面上，離心力驅(qū)動流體從中心向外運(yùn)動，徑向和軸向力的合成形成次生流，在槳葉上面和下面形成兩大同心漩渦。熱質(zhì)傳遞主要靠次生流，原生流對熱質(zhì)傳遞完全無影響，但是不可能排除原生流，因?yàn)榇紊饕揽吭魈峁┠茉础?2023/2/2牛頓黏性定律

τ＝μ在攪拌反應(yīng)器中使微元體混合的唯一依靠是剪切速率，即速度梯度。因?yàn)橹挥辛黧w的速度差才能使流體各層間相互混合，所以混合過程不可缺少剪切速率。然而，每一個剪切速率對應(yīng)一個剪應(yīng)力，使液滴、團(tuán)塊、氣泡破碎，也會損傷細(xì)胞或使酶活力下降，尤其是絲狀菌和動物細(xì)胞，很多生物過程對剪應(yīng)力非常敏感。92023/2/2能量傳遞最重要的參數(shù)是能量傳遞因子牛頓數(shù)Ne:式中：Nen為攪拌器傳遞給流體的能量，N為轉(zhuǎn)速，Di為槳葉直徑。Ne為Re的函數(shù)，雷諾數(shù)為Re=NDi2ρ/μ牛頓數(shù)無法用理論方法直接算出，其與其他無因次數(shù)群的關(guān)聯(lián)式只能由實(shí)驗(yàn)確定。102023/2/2在最常用條件下獲取大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到牛頓數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系112023/2/2對不同的槳葉，過渡區(qū)略有遷移，Ne～Re關(guān)系中雷諾數(shù)的指數(shù)也稍有變化。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)流動特征，能量傳遞曲線可分為3個區(qū)域：層流區(qū)：0≤Re≤10Ne∝Re-1過渡區(qū)：10≤Re≤100Ne∝Re-1﹏Ne∝Re-0.28湍流區(qū)：100≤Re≤∞Ne∝Re-0.28122023/2/2

上圖中曲線收集了11組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)只覆蓋了很小的Re區(qū)域。

Re1為Re的上限，由不帶擋板反應(yīng)器的Re給定。當(dāng)Re﹥Re1時，攪拌槳的操作變得不穩(wěn)定，穩(wěn)定到不穩(wěn)定的過渡從攪拌周圍液體表面形成強(qiáng)烈的渦流開始。當(dāng)渦流到達(dá)槳葉時，氣體被分散到液體中，能量傳遞變得斷斷續(xù)續(xù)，傳遞給液體的平均能量減少。

因此為使操作條件穩(wěn)定應(yīng)：Re﹤Re1Re也有下限Re0。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Re0≈Re1/3,此值與測定攪拌器旋轉(zhuǎn)軸扭矩儀器靈敏度有關(guān)。用不同粘度流體進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)表明，不穩(wěn)定操作條件的過渡與Galilei數(shù)Ga有關(guān)。132023/2/2以上公式只適合純流體，若為氣液混合體系，要考慮更多的參數(shù)，如氣體的性質(zhì)和流速。

Ga=Di3ρ2g/μ2雷諾數(shù)的上限是Ga的函數(shù)，

Re1=f(Ga,幾何參數(shù))雷諾數(shù)的上限是Ga的函數(shù)，Ne=f(Re，Ga,幾何參數(shù))要求：1/3Re1≤Re≤Re1

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帶擋板和不帶擋板反應(yīng)器中渦輪槳的能量傳遞曲線圖152023/2/2

當(dāng)Re﹥10000時，帶擋板反應(yīng)器的牛頓數(shù)幾乎是不帶擋板反應(yīng)器的3倍，可見，此時盡量使用帶擋板攪拌反應(yīng)器。通常認(rèn)為擋板可以防止渦流的形成，但實(shí)驗(yàn)證明這是錯誤的：有擋板的反應(yīng)器仍然存在渦流，只是渦流發(fā)生的位置不確定，持續(xù)時間得到了限制，而無擋板反應(yīng)器內(nèi)的渦流固定發(fā)生在攪拌軸周圍。162023/2/2牛頓型流體的氣液傳質(zhì)氧的傳遞是許多好氧生物過程的限制性步驟，因此可將氧視為微生物的限制性底物，氧傳遞的定量描述：q0=KLa(co*-co)生物反應(yīng)過程，氧的傳遞與氧的消耗是串聯(lián)過程，定態(tài)下氧的傳遞與消耗速率相等，因此若反應(yīng)符合Monod形式，則

172023/2/2q0=μOm=Yx/oKLa(co*-co)

Yx/o為每消耗1㎏氧所生成的細(xì)胞量

氧傳遞為限制步驟時，增加KLa可以提高菌生成速率。

KLa與輸入功率有關(guān)，對通氣式機(jī)械攪拌反應(yīng)器：

KLa=kuga(Pg/VR)β

ug為氣體表觀速度，Pg為通氣條件下輸入功率,Kα

β為常數(shù)（對應(yīng)攪拌器類型查表可知）流體的黏度對流動性和氣液傳質(zhì)有很大影響，隨黏度上升傳質(zhì)系數(shù)KL下降，液體湍流程度小，最大穩(wěn)定氣泡的直徑較大，使比界面面積a下降。熱傳遞在間歇反應(yīng)中，攪拌的目的是在整個反應(yīng)器中得到均一的反應(yīng)條件，使反應(yīng)器內(nèi)所有成分的濃度和流體溫度不隨位置而變化。由于流動條件限制，反應(yīng)器中溫度在任何條件下都不為常數(shù)，不僅隨空間而變化，而且隨時間變化，熱傳遞為非定態(tài)過程。研究中將過程簡化為動態(tài)過程，以使結(jié)果是實(shí)際盡可能接近。熱傳遞主要依靠次生流。192023/2/2經(jīng)驗(yàn)方程202023/2/2由于攪拌器和換熱類型對計(jì)算影響很大，

Nu=0.464Re2/3Pr1/3(μ/μW)0.14

可用于帶擋板、不帶擋板、渦流式、錨式、螺旋槳和槳葉式攪拌器，以及牛頓型和非牛頓型流體。

μ和μW為流體在平均溫度和壁溫下的動態(tài)黏度Nu=αiDt/λ

紐賽爾因數(shù)Re=NDi2ρ/μ

雷諾數(shù)Pr=μCp/λ

普朗特因數(shù)212023/2/2通氣機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器模型液相：

間歇培養(yǎng)時，若攪拌效果很好，液相近乎全混，限制性底物濃度和菌密度變化率為：L222023/2/2

氣相:

如