現(xiàn)代酶工程課件

萃取過程與設備萃取是一個重要的提取方法和分離混合物的單元操作。這是因為萃取法具有：①傳質速度快、生產周期短，便于連續(xù)操作、容易實現(xiàn)自動控制；②分離效率高、生產能力大等一系列優(yōu)點，所以應用相當普遍；③能量消耗較少，設備投資費用不高；④采用多級萃取可使產品達到較高純度，便于下一步處理，減少以后工序的設備和操作費用第一節(jié)液—液萃取分離過程與設備一、液-液萃取分類（一）物理萃?。ǘ┗瘜W萃取1．絡合反應萃取2．陽離子交換反應萃取3．離子締合反應萃取4．加合反應萃?。▍f(xié)同萃?。?．帶同萃取反應二、液-液萃取過程與計算（一）單級萃?。ǘ┒嗉夊e流萃?。ㄈ┒嗉壞媪鬏腿∪?、液-液萃取中的乳化問題四、液-液萃取設備結構（一）混合設備1．管式混合器2．噴嘴式混合器3．氣流攪拌混合罐（二）分離設備1．碟片式離心機2．管式離心機（三）離心萃取機1．a-LavalABE-216離心萃取機的結構及工作原理2．傾析式離心機（decantercentrifuge）（1）結構與特點（2）傾析器的工作原理第二節(jié)雙水相萃取

一、雙水相的形成二、相圖三、雙水相萃取過程的理論基礎（一）表面自由能的影響（二）表面電荷的影響（三）影響物質分配的因素1．聚合物及其分子量的影響3．離子環(huán)境對分配的影響4．溫度的影響（四）雙水相萃取技術的應用1．酶的分離純化2．核酸的分離純化3．人生長激素的提取4．β-干擾素的提?。ㄎ澹╇p水相萃取技術的進展1．廉價雙水相體系的開發(fā)2．雙水相萃取技術同其他分離技術結合，提高分離效率（1）雙水相體系同生物轉化相結合（2）雙水相萃取同膜分離技術結合（3）雙水相萃取同親和層析相結合一親和雙水相第三節(jié)固-液萃取方法與設備

一、固-液萃取原理二、固-液萃取設備（一）單級間歇萃取1．夾套間歇萃取器（二）多級逆流連續(xù)及半連續(xù)萃取1．多功能提取罐2．多級逆流固液萃取罐組（三）微分半連續(xù)固液萃取設備萃取塔，（b）為多級攪拌萃取塔，（c）為轉盤萃取塔。1．微分半連續(xù)固液萃取的計算（a）為多層填料2．固定床內徑的確定第四節(jié)超臨界萃取過程與設備

一、超臨界流體的性質我們可以按照分離對象與目的不同，選定超臨界流體萃取中使用的溶劑，作為萃取劑的超臨界流體必須具備條件：萃取劑需具有化學穩(wěn)定性，對設備沒有腐蝕性；臨界溫度不能太低或太高，最好在室溫附近或操作溫度附近；操作溫度應低于被萃取溶質的分解溫度或變質溫度；臨界壓力不能太高，可節(jié)約壓縮動力費；選擇性要好，容易得到高純度制品；溶解度要高，可以減少溶劑的循環(huán)量；萃取劑要容易獲取，價格要便宜。二、超臨界流體萃取過程分離方法基本上可分為下列三種依靠壓力變化萃取分離法（等溫法、絕熱法）：依靠溫度變化的萃取分離法（等壓法）：用吸附劑進行萃取分離法（吸附法）：三、超臨界流體萃取系統(tǒng)（一）固體物料的超臨界流體萃取系統(tǒng)1．高壓索氏提取2．普通的間歇式萃取系統(tǒng)3．半連續(xù)式萃取系統(tǒng)4．連續(xù)式萃取系統(tǒng)（二）液體物料的超臨界流體萃取系統(tǒng)1．按溶劑和溶質的流向分類2．按操作參數(shù)的不同分類3．按柱式萃取釜內部結構的不同分類（三）超臨界流體萃取的應用

干燥過程與設備第一節(jié)氣流干燥一、氣流干燥流程與設備二、氣流干燥器的型式三、氣流干燥的特點和適用范圍四、氣流干燥的計算一、氣流干燥流程與設備氣流干燥流程圖氣流干燥裝置中除了干燥器本身外，還包括：空氣過濾器、風機、加料斗、卸料器、分離器等附屬設備干燥管：一般采用圓形，其次有方形和不同直徑交替的所謂脈沖管。為了充分利用氣流干燥中的顆粒加速運動段具有很高的傳熱和傳質作用來強化干燥過程，采用管徑交替縮小與擴大的脈沖氣流干燥管來達到。加料器和卸料器對保證穩(wěn)定的連續(xù)生產和成品質量很重要二、氣流干燥器的型式（一）按照加料方式分類（1）直接加料型（2）帶分散機型（3）帶粉碎機型（二）按干燥管形狀分類（1）直管式（2）變徑管式三、氣流干燥的特點和適用范圍氣流干燥有如下特點：（1）可獲得高度干燥的成品（2）適用于熱敏性物料的干燥（3）熱效率高（4）熱損失少（5）設備簡單，操作容易，投資少。（6）操作穩(wěn)定，便于自動化。（7）干燥過程伴隨著顆粒的空氣輸送，整個過程都連續(xù)的，便于與前后工序銜接。（8）可以有很大的裝置規(guī)模。四、氣流干燥的計算第二節(jié)噴霧干燥一、氣流噴霧干燥設備三、離心噴霧干燥設備噴霧干燥是利用不同的噴霧器，將懸浮液和粘滯的液體噴成霧狀，形成具有較大表面積的分散微粒同熱空氣發(fā)生強烈的熱交換，迅速排除本身的水分，在幾秒至幾十秒內獲得干燥。成品以粉末狀態(tài)沉降于干燥室底部，連續(xù)或間斷地從卸料器排出。（－）壓力噴霧法（又稱機械噴霧法）（二）氣流噴霧法（三）離心噴霧干燥法一、氣流噴霧干燥設備（一）氣流噴霧干燥流程、特點（二）氣流噴霧干燥塔的構造三、離心噴霧干燥設備

（－）離心噴霧干燥流程間歇卸料的離心噴霧干燥流程連續(xù)卸料的離心噴霧干燥流程（二）離心噴霧干燥設備的構造噴霧室噴霧機、噴盤的型式及構造熱風盤（三）噴霧裝置的型式并流干燥逆流干燥混合流干燥第三節(jié)沸騰干燥與沸騰造粒干燥－、沸騰干燥原理、特點和型式二、單層臥式多室的沸騰干燥設備構造和操作三、沸騰造粒干燥設備的原理、流程和設備四、沸騰干燥的計算－、沸騰干燥原理、特點和型式沸騰干燥是利用流態(tài)化技術，即利用熱的空氣使孔板上的粒狀物料呈流化沸騰狀態(tài)，使水分迅速汽化達到干燥目的。沸騰干燥的特點是，傳熱傳質速率高。沸騰干燥器有單層和多層兩種。二、單層臥式多室的沸騰干燥設備構造和操作操作過程中可能出現(xiàn)溝流和層析現(xiàn)象，其主要原因是：溝流層析現(xiàn)象三、沸騰造粒干燥設備的原理、流程和設備影響產晶顆粒大小的因素有下列幾種：停留時間的影響摩擦的影響干燥過程溫度的影響四、沸騰干燥的計算第四節(jié)真空干燥和真空冷凍干燥一、真空干燥二、真空冷凍干燥一、真空干燥凡是不能經受高溫，在空氣中易氧化、易燃、易爆等危險性物料，或在干燥過程中會揮發(fā)有毒有害氣體以及在被除去的濕分蒸汽需要回收等場合，可采用真空干燥。（一）真空干燥器的類型

1．箱式真空干燥器

2．攪拌真空干燥器

3．滾筒真空干燥器二、真空冷凍干燥（一）真空冷凍干燥的原理及特點（二）真空冷凍干燥過程設備（三）冷凍干燥的計算（四）真空冷凍干燥技術的發(fā)展歷程

空氣供給工程第一節(jié)空氣除菌過程與設備一、空氣除菌和滅菌方法二、空氣過濾除菌流程三、空氣預處理過程設備四、介質過濾除菌一、空氣除菌和滅菌方法超聲波、高能陰極射線、X射線、γ射線、β射線、紫外線理論上都能破壞蛋白質活性而起殺菌作用。但由于具體的殺菌機理不是很清楚，目前應用較廣泛的還是紫外線。（二）熱滅菌法依靠加熱后使微生物體內蛋白質（酶）氧化而致死亡（三）靜電除菌利用靜電引力來吸附帶電離子而達到除塵滅菌的目的，當產生的引力等于或小于氣流對微粒的拖帶力或微粒布朗運動的動量時，微粒就不能被吸附而沉降，所以靜電除塵對很小的微粒效率較低。（四）介質過濾除菌目前生物加工過程中最常用的獲得大量無菌空氣的常規(guī)方法：一類是介質間孔隙大于微生物直徑，故必須有一定厚度的介質濾層才能達到過濾除菌的目的，這類過濾介質有棉花、活性炭、玻璃纖維、有機合成纖維、燒結材料（燒結金屬、燒結陶瓷、燒結塑料）；而另一類介質的孔隙小于細菌，含細菌等微生物的空氣通過介質，微生物就被截留于介質上而實現(xiàn)過濾除菌，有時稱之為絕對過濾。（一）輻射殺菌二、空氣過濾除菌流程（一）兩級冷卻、加熱除菌流程（二）冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程（三）高效前置過濾空氣除菌流程（四）利用熱空氣加熱冷空氣的流程特點是兩次冷卻、兩次分離、適當加熱?？諝鈴馁A罐出來后分成兩部分，一部分進入冷卻器，冷卻到較低溫度，經分離器分離水、油霧后與另一部分未處理過的高溫壓縮空氣混合，省去第二次冷卻后的分離設備和空氣加熱設備，流程比較簡單。利用壓縮機的抽吸作用，使空氣先經中、高效過濾后，再進入空氣壓縮機，再經冷卻、分離，進入主過濾器過濾，就可獲得無菌程度很高的空氣。利用壓縮后熱空氣和冷卻后的冷空氣進行交換，使冷空氣的溫度升高，降低相對濕度。三、空氣預處理過程設備（一）空氣預處理的作用與原理（二）空氣預處理設備（一）空氣預處理的作用與原理目的是兩個：

1．提高壓縮空氣的潔凈度，降低空氣過濾器的負荷；

2．去除壓縮后空氣中所帶的油水，以合適的空氣濕度和溫度進入空氣過濾器。原理：高度每上升10m，空氣中微生物量下降一個數(shù)量級，盡量提高吸入口的高度，以減少吸入空氣的塵埃含量和微生物含量。并在空氣吸入口處設置粗過濾器。（二）空氣預處理設備1．粗過濾器2．空氣壓縮機3．空氣貯罐4．氣液分離器5．空氣冷卻器Kt——氣體不同壓力溫度等熵指數(shù)；R——氣體常數(shù)；Z1、Z2——名義進氣、排氣狀態(tài)下壓縮系數(shù)；T——氣體溫度；p——氣體壓強；下標1和2分別表示進氣、排氣狀態(tài)?？諝鈮嚎s后，經過冷卻會有大量水蒸汽及油分凝結下來，需用氣液分離器進行油水分離。有立式列管式熱交換器、噴淋式熱交換器等。四、介質過濾除菌（一）介質過濾除菌機理（二）過濾介質（三）空氣介質過濾器的設備構造（四）無菌空氣制備新設備當氣流通過濾層時由于濾層纖維網(wǎng)格的層層阻礙，迫使氣流無數(shù)次改變運動速度和運動方向而繞過纖維前進，從而導致微粒對濾層纖維產生慣性沖擊、重力沉降、攔截、布朗擴散、靜電吸附等作用而把微生物滯留在纖維表面。1．慣性沖擊滯留作用機理2．攔截滯留作用3．布朗擴散截留作用4．重力沉降作用機理5．靜電吸附作用機理1．纖維狀或顆粒狀過濾介質（1）棉花（2）活性炭（3）玻璃纖維（4）燒結金屬（5）多孔陶瓷（6）多孔塑料1．聚乙烯醇（PVA）過濾器將聚乙烯醇（PVA）乙?；⒁阅蜔針渲ㄈ绻柩鯓渲┩糠?，制成片式過濾器。有圓板型和圓筒型兩種。PVA過濾器的電鏡攝影呈現(xiàn)致密的纖維結構，而不是單片式的微孔網(wǎng)絡。PVA過濾器能夠經受蒸汽反復滅菌。如果發(fā)酵生產中所要求的K值在103~104范圍，則有效孔徑de=20~30μm的PVA過濾器，只需要0.2~0.3cm厚的一層就能滿足空氣除菌的需要。聚乙烯醇（PVA）過濾器的特點是除菌效率達99.9999%以上，壓力降在0.015MPa以下，使用可達一年以上，殺菌及干燥時間極短，更換方便，占地面積小。2．Bio-x過濾器英國DomnickHunter公司用直徑為0.5μm玻璃纖維制成1mm厚的濾材，卷成三卷，再以較粗的堅韌的玻璃無紡布做內外襯，再在內、外以不銹鋼網(wǎng)固定，作成濾筒狀。如圖4-22。它能濾除0.01μm顆粒（噬菌體大小為0.02μm），以油霧法（油霧直徑為1.3~0.01μm，平均0.3μm）測定，過濾效率為99.9999%。填充率為6%，空氣流量大，壓力降小，結構簡單，體積小，安裝方便。缺點是強度不大，易損而失效，受潮也失效。3．高流量過濾器這是DomnickHunter公司開發(fā)的聚四氟乙烯（PTFE）材料為濾芯的以HighFlowBio-x和HighFlowTetporII為代表的高流量過濾器，它結合了深層過濾技術和新的膜折疊技術。其過濾機理和過濾效率均同Bio-x過濾器，但所用材料PTEE是一種堅韌的疏水性材質，可以做成折疊濾芯，增加了過濾面積，使空氣流量為Bio-x的3倍，延長了使用壽命，進一步縮小了體積。這種過濾器的空隙率達94%，大于普通的膜過濾器（PTFE為75%，PVDF為66%）。4．其它膜過濾器核工業(yè)凈化過濾工程中心研制成功的JPF型聚二氟乙烯膜折疊式過濾器，通過微孔濾膜絕對過濾，過濾精度極高，濾膜采用折疊形式，通氣量大，壓力降小，介質材耐高溫，疏水性強，使用壽命長。第二節(jié)生物加工過程的空氣調節(jié)一、空氣調節(jié)的方法二、濕空氣焓—濕圖三、水與空氣直接接觸進行空氣調節(jié)四、表面換熱器空氣調節(jié)五、向空氣噴蒸汽進行空氣調節(jié)

一、空氣調節(jié)的方法分成兩大類：直接接觸式和表面式。直接接觸式熱、濕交換的設備特點是空氣進行熱、濕交換的介質和被處理的空氣接觸，通常是將其噴淋到被處理的空氣中去。表面式熱濕交換設備的特點是與空氣進行熱濕交換的介質不和空氣直接接觸，熱、濕交換是通過處理設備的金屬表面來進行的。二、濕空氣焓—濕圖（一）濕空氣的幾個主要狀態(tài)參數(shù)（二）濕空氣焓濕圖介紹（三）空氣狀態(tài)變化過程及狀態(tài)變化過程的表示方法（一）濕空氣的幾個主要狀態(tài)參數(shù)1．水蒸汽分壓Ｐw空氣中水蒸汽分壓愈大，水汽含量就愈高。根據(jù)分壓定律，與干空氣分壓之比/=為摩爾水汽與摩爾干空氣之比，其中為濕空氣的總壓。2．空氣的濕含量H單位質量干空氣中所含水汽的質量，稱為空氣的濕含量或絕對濕度，簡稱濕度，其單位為kg/kg，用符號H表示。3．空氣的相對濕度為了表示距離飽和狀態(tài)的程度，常用相對濕度來衡量。4．露點溫度td空氣在濕含量H不變的情況下冷卻，達到飽和狀態(tài)時的溫度稱為露點溫度td。5．濕球溫度tw在溫度t、為濕度為H的不飽和空氣流中，在絕熱條件下達到平衡所顯示的溫度，稱為空氣的濕球溫度。6．濕空氣的焓Ｉ空氣的增濕或減濕過程是與空氣與水兩相間傳質與傳熱同時進行的過程，不僅有濕量的轉移，也有熱量的傳遞，因此有必要知道空氣的另一個性質——焓。（二）濕空氣焓濕圖介紹1．等焓線和等含濕線2．等溫線3．等相對濕度線4．水蒸汽分壓力線5．熱濕比線（三）空氣狀態(tài)變化過程及狀態(tài)變化過程的表示方法

1．等濕（干式）加熱過程2．等焓減濕過程3．等焓加濕過程4．等溫加濕過程5．減濕冷卻（或冷卻干燥）過程三、水與空氣直接接觸進行空氣調節(jié)（一）空氣與水濕熱交換原理（二）空氣與水直接接觸時的狀態(tài)變化過程（三）用噴水室處理空氣（四）噴水室的熱工計算（一）空氣與水濕熱交換原理當空氣遇到敞開的水面或飛濺的水滴時，便與水表面發(fā)生熱、濕交換，在蒸發(fā)過程中，邊界層中減少了的水蒸汽分子由水面躍出的水蒸汽分子補充；在凝結過程中，邊界層中過多的水蒸汽分子將回到水面。（二）空氣與水直接接觸時的狀態(tài)變化過程

將空氣與水的濕熱交換過程看作飽和的與未飽和的兩種空氣的混合過程。隨著水溫不同，可以得到如圖4-33和表4-9的七種典型的空氣狀態(tài)變化曲線。（三）用噴水室處理空氣噴水增濕的方法又有兩大類，其一是使噴灑的水量全部汽化后即能使空氣達到要求的濕度。另一種方法是使大量的水噴灑于不飽和的空氣中，結果使部分噴水汽化后進入空氣中，得到近乎飽和的濕空氣，并使空氣降溫。最常用的是用噴水室處理空氣。

（四）噴水室的熱工計算（1）空氣質量流速的影響v——空氣流速，m/s；ρ——空氣密度，kg/m3；G——通過噴水室的空氣量，kg/h；f——噴水室的橫斷面積，m2（2）噴水系數(shù)的影響（3）噴水室結構特性的影響4．噴水室的熱工計算方法（1）該噴水室能達到的η1應等于空氣處理過程需要的η1；（2）該噴水室能達到的η2應等于空氣處理過程需要的η1；（3）該噴水室噴出的水能放出（或吸收）的熱量應等于空氣得到（或失去）的熱量。5．噴水溫度與噴水量的關系四、表面換熱器空氣調節(jié)利用表面式換熱器處理空氣時能夠實現(xiàn)等濕加熱、等濕冷卻和減濕冷卻三種過程。1．等濕過程的傳熱系數(shù)2．減濕冷卻過程的傳熱系數(shù)五、向空氣噴蒸汽進行空氣調節(jié)如果將空氣加濕到飽和狀態(tài)點之后還要繼續(xù)加入蒸汽，則多余的蒸汽將凝結成水，放出來的汽化潛熱又將使飽和空氣的溫度繼續(xù)升高，即空氣狀態(tài)將沿飽和線上升到狀態(tài)點4。點4的具體位置可按熱平衡的原則或作圖法得到。使用作圖法時，先按加濕量大小在等溫線的延長線上找到點4’，過點4’的等焓線與飽和線的交點就是狀態(tài)點4。

生物反應器的放大與控制第一節(jié)生物反應器的放大

一、經驗放大法二、其他放大方法（一）幾何相似放大（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進行放大（四）以空氣線速度相同的原則進行放大（五）以Ka相同的原則進行放大（六）攪拌器葉尖速度相同的準則（七）混合時間相同的準則除了上述的一些放大方法之外，還在實驗中采用因次分析法、時間常數(shù)法、數(shù)學模擬法等?；A實驗測定值過程的模型用電子計算機作方案研究模型的放大計算機的結果與實驗結果的比較基礎模型的修正用電子計算機作設計計算過程的基本設計小試中試圖7-1數(shù)學模擬放大方法示意圖第二節(jié)生物反應器的參數(shù)檢測

一、生物加工過程的參數(shù)（物理、化學參數(shù)）二、檢測方法與儀器（一）設定參數(shù)1．壓強2．溫度3．通氣量4．液面（或漿液量）5．攪拌轉速與攪拌功率6．泡沫高度7．培養(yǎng)基流加速度8．冷卻介質流量與速度9．培養(yǎng)基質濃度和產物濃度（二）狀態(tài)參數(shù)1．黏度（或表觀黏度）2．pH3．溶氧濃度和氧化還原電位4．發(fā)酵液中溶解CO2濃度5．細胞濃度及酶活特性6．菌體形態(tài)（三）間接參數(shù)1．呼吸代謝參數(shù)2．菌體比生長速率3．氧比消耗速率（rO2）（一）主要參數(shù)檢測原理及應用1．溫度的測量2．壓強的檢測3．液位和泡沫高度的檢測4．流量測量（1）差壓式流量計（2）轉子流量計（3）電磁流量計5．發(fā)酵液黏度的測量6．攪拌轉速和攪拌功率7．pH值的測量8．溶氧濃度的檢測9．溶解CO2濃度的檢測10．細胞濃度的測定11．高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）12．流動注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系統(tǒng)13．映像在線監(jiān)控系統(tǒng)（二）在線發(fā)酵儀器的研究進展1．紅外光譜技術2．熒光檢測技術3．離子敏場效應晶體管傳感技術第三節(jié)控制理論與應用

一、生物過程的控制特征（一）溫度的控制（二）pH的控制（三）溶氧控制（四）補料控制二、先進控制理論在反應器控制中的應用（一）模糊邏輯控制在生化過程中的應用（二）生化過程知識庫系統(tǒng)（三）基于專家系統(tǒng)的人工神經網(wǎng)絡

生物工程壓力容器第一節(jié)概述

一、壓力容器的基本要求二、壓力容器的結構與分類三、壓力容器零部件的標準化壓力容器的基本要求是安全性與經濟性的統(tǒng)一。安全是前提，經濟是目標，要在充分保證安全的前提下盡可能做到經濟。壓力容器除了應滿足上述基本要求外，還應滿足強度、剛度、耐久性、密封性及操作和維修方便的要求。1．按容器在生產中的作用分類（1）反應壓力容器（代號R）（2）換熱壓力容器（代號E）（3）分離壓力容器（代號S）（4）儲存壓力容器（代號C）2．按承壓性質和壓力等級分類常壓容器p＜0.1低壓容器（代號L）0.1≤p＜1.6中壓容器（代號M）1.6≤p＜10.0高壓容器（代號H）10.0≤p＜100超高壓容器（代號U）p≥1003．按安全技術管理要求分類（1）第三類壓力容器（2）第二類壓力容器（3）第一類壓力容器第二節(jié)壓力容器的材料

一、壓力容器用鋼的基本要求二、壓力容器用鋼品種與類型三、壓力容器的腐蝕及防護措施四、壓力容器鋼材的選擇壓力容器用鋼的基本要求是具有較高的強度，良好的塑性、韌性、可焊性和與介質的相容性。壓力容器用鋼的品種

a．鋼板

b．鋼管

c．鍛件

d．鑄件2．壓力容器用鋼的類型

a．碳素鋼

b．低合金鋼

c．高合金鋼1．金屬的腐蝕

a．化學腐蝕

b．電化學腐蝕2．金屬腐蝕破壞的形式及防護措施

a．合理選擇材料

b．減少或消除殘余應力

c．改善介質條件

d．涂層保護1．滿足容器操作參數(shù)的要求2．必須符合經濟性的原則3．必須符合規(guī)范標準的規(guī)定第三節(jié)內壓薄壁容器設計

一、內壓薄壁圓筒的應力分析二、內壓薄壁圓筒的設計三、設計參數(shù)的確定四、封頭的設計五、壓力試驗

通風發(fā)酵設備對通風發(fā)酵設備的要求（1）結構嚴密，經得起蒸汽的反復滅菌，內壁光滑，耐腐蝕性能好，內部附件盡量減少，以利于滅菌徹底和減少金屬離子對發(fā)酵的影響。（2）有良好的氣液接觸和液固混合性能，使物質傳遞、氣體交換能有效地進行。（3）在保證發(fā)酵要求的前提下，盡量減少攪拌和通氣時所消耗的動力，對通風發(fā)酵設備的要求（4）有良好的熱量交換性能，以適應滅菌操作和使發(fā)酵在最適溫度下進行；（5）盡量減少泡沫的產生或附設有效的消沫裝置，以提高裝料系數(shù)；（6）附有必要的可靠檢測及控制儀表。1.

發(fā)酵罐的結構一機械攪拌通用式發(fā)酵罐（一）發(fā)酵罐的基本條件原理：利用機械攪拌器的作用，使空氣和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖，發(fā)酵所需要的氧氣?；疽?.結構上具有適宜的徑高比。發(fā)酵罐的高度與徑高比一般為1.7~4，罐身越長，氧氣的利用率越高。2.有一定的剛度與強度，由于發(fā)酵罐在滅菌過程和工作時，罐內有一定的壓力和溫度。因此需要一定的強度。3.攪拌通風裝置使之氣液充分混合，保證發(fā)酵液一定的溶解氧。4.足夠的冷卻面積。5.盡量減少死角。6.軸封嚴密。7.維修操作檢測方便（二）發(fā)酵罐的結構好氣性機械攪拌發(fā)酵罐是密閉式受壓設備，主要部件包括罐身、攪拌器、軸封、打泡器、中間軸承、空氣吹管（或空氣噴射管），擋板、冷卻裝置、人孔等1.罐體結構：圓柱體和橢圓封頭或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼。大型發(fā)酵罐可用襯不銹鋼或復合不銹鋼制成。剛度和強度：受壓容器，空消或實消，通常滅菌的壓力為2.5Kg/m3。小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接。頂部設有清洗用的手孔。接管罐頂：進料管，補料管，排氣管，接種管和壓力表管。罐身：冷卻水進出管，進空氣管，溫度計管和測控儀表接口。排氣管應盡量靠近封頭的軸封位置。2.攪拌裝置目的：有利于液體本身的混合及氣液、氣固之間的混合，質量和熱量的傳遞，特別是對氧的溶解具有重要的意義，加強氣液之間的湍動，增加氣液接觸面積及延長氣液接觸時間。攪拌器結構攪拌器可以使被攪拌液體形成軸向或徑向的液流。發(fā)酵罐中以徑向液流為主。用渦輪式攪拌器時為避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿著攪拌軸上升，在攪拌器中央常帶有圓盤。常用的渦輪式攪拌器有平葉式、彎葉式和箭葉式三種。葉片數(shù)一般為六個，也有少至四個或多至八個的。攪拌器結構為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體。功率消耗：平板式最大，彎葉式次之，箭葉式最小。攪拌器宜用不銹鋼制造。1.

圓盤平直葉渦輪攪拌器與沒有圓盤的平直葉渦輪攪拌特性差別小，從單口管噴出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。循環(huán)輸送量和功率輸出大適用于各種流體，包括粘性流體、非牛頓流體的攪拌混合。2.

圓盤彎葉渦輪攪拌器攪拌流型與平直葉渦輪相似，造成液體徑向流動較為強烈，因此在相同的攪拌轉速時，混合效果較好，功率輸出較小。適用于混合要求特別高，而溶氧速率相對要求較低的發(fā)酵產品生產。3.

圓盤箭葉渦輪攪拌器其攪拌流型與上述兩種渦輪相近軸向流動更強烈。相同轉速條件下，造成的剪切率低，輸出功率也較低。擋板阻止液面中央部分產生下凹的旋渦，6~4塊擋板可滿足全擋板條件,寬度為0.1-0.12D。全擋板條件：能達到消除液面旋渦的最低條件。在一定的轉速下面增加罐內附件而軸功率保持不變。此條件與擋板數(shù)Z，與擋板寬度W與罐徑D之比有關。

擋板計算n(b/D)=n（0.1-0.12D）/D=0.5D—發(fā)酵罐直徑，b—擋板寬度N-擋板數(shù) 3.通氣裝置將無菌空氣導入罐內的裝置最簡單的通氣裝置：單孔管，單孔管的出口位于最下面的攪拌器的正下方，開口往下，以免培養(yǎng)液中固體物質在開口處堆積和罐底固形物質沉淀。管口與罐底的距離約為40mm。開口朝下的多孔環(huán)形管：環(huán)的直徑約為攪拌器直徑的0.8倍。小孔直徑5-8mm孔的總面積約等于通風管的截面積。通氣量較小時，氣泡的直徑與空氣噴口直徑有關。噴口直徑越小，氣泡直徑越小，氧的傳質系數(shù)越大。發(fā)酵過程中通氣量較大，氣泡直徑僅與通氣量有關而與分布器直徑無關。強烈機械攪拌時，多孔分布器對氧的傳遞效果并不比單孔管為好，會造成不必要的壓力損失，且易使物料堵塞小孔。4.傳熱裝置排除發(fā)酵過程中由于生物氧化作用及機械攪拌產生的熱量的裝置在發(fā)酵過程中，放出的熱量可用如下的熱平衡方程式：Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射Q發(fā)酵發(fā)酵過程中釋放的凈熱量Q生物—生物合成熱，包括生物細胞呼吸放熱和發(fā)酵熱Q攪拌—3600Pg

，Pg攪拌功率，

功熱轉化率

860（Pg/V）Pg/V，單位體積培養(yǎng)液所消耗的功率（在通氣情況下）860，熱功當量，kcal/kwhQ蒸發(fā)—排出空氣帶走水分所需的潛熱

Q顯—排出空氣帶出的顯熱

Q輻射—因罐外壁與大氣間的溫度差使罐壁向大氣輻射的熱量

Q蒸發(fā)+Q顯=Q空氣=(I2-I1)(L/V)L/V—單位培養(yǎng)液體所導入的干空氣重量

Kg/m3

I2-I1—空氣進入及離開發(fā)酵罐時的熱含量Kcal/Kg計算需實測，實測過程中維持培養(yǎng)液的溫度不變，定期測量冷卻水進口及出口的溫度t2及t1以及冷卻水的流量GQ發(fā)酵=(t2-t1)GC/VG—水的流量C——水的比熱T2、t1—水的進口、出口溫度V——培養(yǎng)體積發(fā)酵罐傳熱面的傳熱系數(shù)K=Q發(fā)酵V/（F?tm）F——傳熱面積?tm——發(fā)酵液與冷卻水間的平均溫差

發(fā)酵換熱裝置的形式1.夾套式換熱裝置多用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐。一般小于5m3，夾套的高度比靜止液面高度較高即可，約高50~100mm。夾套的寬度對于不同直徑的發(fā)酵有不同的尺寸，一般為50~200mm，具體設計Dg

500~600700~18002000~3000DpDg+50Dg+100Dg+200夾套上設有水蒸汽，冷卻水或其他介質的進出口。當加熱用水蒸氣，進口管應靠近夾套上端，冷凝液從底部排出；如果冷卻介質是液體，則進口管應安在底部，是液體從底部進入上部流出。優(yōu)點結構簡單加工容易罐內無冷卻設備，死角少，容易進行滅菌工作，有利于發(fā)酵。缺點是傳熱，傳熱系數(shù)100~250豎式蛇管換熱裝置豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內，有四組、六組或八組。5m3以上的發(fā)酵罐多采用優(yōu)點：冷卻水在管內的流速較快，傳熱系數(shù)高。約為300~450（有時可達800~1000）。缺點：容易被腐蝕，增加培養(yǎng)液中金屬離子的濃度，腐蝕而形成穿孔，引起污染。豎式列管（排管）換熱裝置傳熱系數(shù)較蛇管低，用水量也較大。5、機械消沫裝置發(fā)酵液中含有大量的蛋白質，在強烈的通氣攪拌下產生大量的泡沫。導致發(fā)酵液的外溢和增加染菌機會須用加消沫劑的方法去除，泡沫的機械強度較差和泡沫量較少時，采用機械消沫裝置也有一定作用。其作用是將泡沫打碎。消沫器可分為兩大類①

內置：防止泡沫外溢，它是在攪拌軸或罐頂另外引入的軸（指攪拌軸由罐底伸入時）上裝上消沫槳。②

另一類置于罐外，目的是從排氣中分離已溢出的泡沫使之破碎后將液體部分返回罐內。第一類最簡單的是槳式消沫槳。6、連軸器及軸承支承大罐攪拌軸一般較長，常分二段或三段，用連軸器使上、下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。作用是轉送運動和功率。常用：①剛性夾殼式連軸器：由兩個半園筒形的夾殼組成，用螺栓固定。這種連軸器的優(yōu)點是拆裝方便，拆裝時軸不需要作軸向移動。②剛性凸緣式連軸器：由兩個帶凸緣的圓盤組成，半連軸器與軸是通過鍵進行固定，由軸上的軸啟與鎖緊螺母達到軸向固定。發(fā)酵罐的支承罐外的轉動軸的軸承：用二個滾動軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷。罐內最好不安裝軸承，罐內操作條件惡劣，潤滑困難，安裝維修不便；另一方面在罐內再加軸承，則成多支點支撐，對中不易，安裝不好將產生偏心，加劇軸承的磨損和產生震動。攪拌軸的支撐最好做成懸臂狀。但是發(fā)酵罐較長，僅用二個支撐點滿足不了要求，需要增加罐內支撐點?？砂惭b底軸承和中間軸承。這些軸承都要靠液體本身潤滑，應用軸37、軸封攪拌軸的密封稱為動密封。因為在發(fā)酵罐的密封除靜密封外，還要考慮攪拌軸與罐蓋之間的密封。由于攪拌軸是轉動的和運動的，而頂蓋是固定靜止的，對這種運動與靜之間的密封稱為動密封。對動密封的基本要求1.密封要可靠；2.機構要簡單；3.使用壽命要長。發(fā)酵罐中使用最普遍的動密封有兩種：填料函密封和機械密封（或稱端面密封）1.填料函密封

填料箱本體固定在發(fā)酵罐頂蓋的開口法蘭上，將轉軸通過填料函，然后放置有彈性的密封填料，然后放上填料壓蓋，擰緊壓緊螺栓，填料受壓后，產生彈性變形堵塞了填料和軸之間的間隙，轉軸周圍產生一定的徑向壓緊力，從而起到密封介質壓力的作用。填料函密封的特點與缺點特點：結構簡單，填料拆裝方便。缺點：Ⅰ、死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌。Ⅱ、軸的磨損較嚴重Ⅲ、增加由于摩擦所損耗的功率，產生大量的摩擦熱Ⅳ、壽命較段，需經常換填料2.機械密封原理：靠彈性元件（彈簧、波紋管）及密封介質壓力使兩個精制的，精密的平面（動環(huán)和靜環(huán)）間產生壓緊力，相互貼緊，并作相對旋轉運動而達到密封。主要作用是將較易泄漏的軸面密封，改變?yōu)檩^難滲漏的端面（徑向）密封。

機械密封的基本結構1.摩擦付，即動環(huán)和靜環(huán)2.彈簧加荷裝置3.輔助密封圈（動環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈）優(yōu)點和缺點1.泄漏量極少，約為填料函密封的1％，動、靜環(huán)密封圈與轉軸或壓蓋是相對靜止而幾乎不受磨損，端面材料是由具有高度平直、滑動性、耐磨性好的適當材料構成的，即使無潤滑性流體進行潤滑，密封端面的泄漏量也是極少的。2.使用工作壽命長。機械密封的磨損部分只限于密封端面，由于選用適當?shù)哪湍ゲ牧弦虼怂哪p量極小，一般條件下可工作半年至一年，質量好的機械密封壽命可達2～5年以上。優(yōu)點和缺點3°不需要調整。動環(huán)由于密封流體壓力和彈簧力等推向靜環(huán)方向，密封面自動保持緊密接觸，因此不需要調整。4°摩擦功率損耗小。由于密封端面的面積小、摩擦系數(shù)小，故摩擦阻力小，功率消耗小。其損耗功率僅為填料函密封的10～15％。5°軸與軸套不受磨損。6°結構緊湊，安裝長度較短。由于不需要調整用的間隙，因而使結構緊湊。缺點：結構復雜，密封加工精度要求高，安裝技術要求高，拆裝不便，初次成本高等。

（三）發(fā)酵罐的幾何計算1.幾何尺寸：H/D=1.7-3.5;H:罐身高，D：罐徑Di/D=1/2~1/3，Di：攪拌葉輪直徑B/D=1/8~1/12，B：擋板寬C/Di=0.8~1.0，C：下攪拌葉輪與罐底距S/Di=2~5，S：相鄰攪拌葉輪間距H0/D=2H0

：罐高2.容積計算橢圓形風封頭體積計算公稱容積V公稱=V下封頭+D2H/4（3）液柱高度HL=H’+ha+hb’—圓柱部分高度的裝料系數(shù)，裝料容積和裝料系數(shù)裝料容積V=（D2ha

/6）+（D2H+hb）/4(5)裝料系數(shù)，0.6-0.8=V料/V全氣升式發(fā)酵罐特點是結構簡單，不需要攪拌不易污染，氧傳質效率高，能耗低，節(jié)省動力約50%；裝料系數(shù)達80~90%；安裝維修方便，冷卻面積小剪切力小較適于單細胞蛋白等的生產發(fā)展初期：空氣通過底部的多孔板分散成小氣泡與培養(yǎng)基混合，向上移動，最后與二氧化碳等釋出，培養(yǎng)液處于湍流狀態(tài)?，F(xiàn)在：上升管和下降管，含氣率多的培養(yǎng)基比重小，向上升。含氣率小的培養(yǎng)基比重較大，由于在管內外的液體比重不同，而產生壓力差，推動培養(yǎng)液在罐內循環(huán)外循環(huán)與內循環(huán)氣升式發(fā)酵罐上升管和下降管的布置可以裝在罐外，稱為外循環(huán)也可裝在罐內，稱為內循環(huán)。工作機理罐內外裝設上升管，上升管兩端與罐底上部相連接，構成一個循環(huán)系統(tǒng)。在上升管的下部裝設空氣噴嘴口，空氣以250~300m/s的高速度噴入上升管，使空氣分割細碎，使上升管的發(fā)酵液比重較小，加上壓縮空氣的動能，使液體上升，罐內液體下降，進入上升罐，形成反復的循環(huán)結構參數(shù)高徑比H/D=5~9導流筒徑與管徑比DE/D=0.6~0.8循環(huán)周期時間的確定tm=VL/VC=VL/[(/4)DE2vm]VL——罐內培養(yǎng)液體積VC——培養(yǎng)液循環(huán)量DE——導流管（上升管）直徑vm——導流管中液體平均流速氣液比R空氣噴出壓力差?p及循環(huán)速度vm之間的關系，通氣量對其混合和溶氧起決定作用通氣壓強（空氣噴出壓力差?p）：發(fā)酵液流動與溶氧有相當影響氣液比R=VC/VG環(huán)流速度取1.2~1.8m/s，多段導流管或有篩網(wǎng)時可降低。溶氧傳質氣液傳質速率取決于發(fā)酵液的湍動及氣泡的剪切細碎狀態(tài)，氣液湍動與混合受反應器輸入能量的影響反應溶液氣含率與空氣截面速度vs關系：

h=KvsnK,n為經驗指數(shù)，鼓泡塔式發(fā)酵罐低通氣速率時，n=0.7~1.2，高通氣速率時，n=0.4~0.7體積溶氧系數(shù)為空截面空氣速度的函數(shù)kLa=bvsm水和電解質，m=0.8b實驗數(shù)據(jù)，與空氣分布器形式和溶液性質的函數(shù)氣升環(huán)流式發(fā)酵罐當通氣輸入功率為Pg/VL=1kW/m3，OTR=2~3kg/（m3h），溶氧速率為2kg/（kWh）噴嘴直徑的確定噴嘴的結構如圖噴嘴直徑的確定自吸式發(fā)酵罐特點與不足種類自吸式發(fā)酵罐特點與不足節(jié)約設備投資，減少廠房面積溶氧速率高，溶氧效率高，能耗低某些發(fā)酵則生產效率高，經濟效益高。缺點：易染菌，需高效過濾系統(tǒng)種類機械攪拌自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐溢流噴射自吸式發(fā)酵罐機械攪拌自吸式發(fā)酵罐不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。開始于1960s，通風裝置由轉子和定子組成。機理在轉子啟動前先用液體將轉子浸濕，然后啟動馬達使轉子轉動。由于轉子高速旋轉，液體或空氣在離心力的作用下被甩向葉輪外緣，而使流體獲得能量，通風機理轉子葉輪空腔內的流體從中心甩向外緣時，中心形成負壓，轉子轉速愈大，所造成的負壓也愈大。由于轉子的空腔用管子與大氣相通，由于大氣的空氣不斷的被吸入，甩向葉輪的外緣，通過導輪而使氣流均勻甩出。轉子攪拌使氣液在轉子的周圍形成強烈的混合流，使剛離開葉輪的空氣不斷在發(fā)酵液分裂成細微的氣泡，并在湍流狀態(tài)下混合、翻騰、擴散到整個罐中。自吸式通風裝置在攪拌的同時，完成了通風作用。葉輪形式有：六葉輪、三葉輪、四彎葉輪等形式。常見的為三葉輪和四彎葉輪。葉輪卻是空心體，葉輪直徑為罐直徑的1/3到1/15。自吸的攪拌轉速一般比通用式高，對于單個罐功率較高，也可削去空壓機的功率，功率下降，減少30％。設計要點高徑比：利用負壓吸空氣，不宜取大。以液面與攪拌吸氣轉子的距離2-3m。轉子與定子的確定：三棱葉轉子特點：直徑大；較低轉速時吸氣量大吸氣量穩(wěn)定，吸程大攪拌功率高直徑為罐直徑的0.35倍具體數(shù)據(jù)見書，46頁四彎葉轉子剪切作用小阻力小消耗功率小轉速高吸氣量大溶氧系數(shù)高具體結構見書47頁吸氣量計算滿足單位體積功率消耗比時：三棱葉自吸式攪拌器吸氣量：

f(Na,Fr)=0Na;吸氣準數(shù)，=Vg/(nd3)Fr;弗魯特準數(shù)，=n2d/gd:葉輪直徑，m

n：轉速,1/sVg：吸氣量，m3/sg：重力加速度常數(shù),9.81m/sFr增至一定值，Vg趨于穩(wěn)定，Na=0.0628-0.0634，修正系數(shù)為0.5-0.8四彎葉自吸式攪拌器吸氣量計算Vg=12.56nCLB(D-L)K(m3/min)n,葉輪轉速，r/min；D,葉輪外徑，L，葉輪開口長度，m；B，葉輪厚度，m；C，流率比，C=K/（1+K）K，充氣系數(shù)噴射自吸式發(fā)酵罐文式管吸氣自吸式發(fā)酵罐利用泵使發(fā)酵液通過文式管吸氣裝置，液體在收縮段加速，形成真空，吸入空氣，氣泡分散與液體混合，收縮段液體Re>6×104,吸氣量及溶氧速率高液體噴射自吸式發(fā)酵罐尺寸范圍內，體積溶氧傳質系數(shù)數(shù)學表達式為：kLa=1.0（PL/VL）0.23vs0.91（De/D）-0.46D和De發(fā)酵罐和導流管內徑，mPL液體噴射功率，VL發(fā)酵罐溶液體積vs空截面氣速溢流噴射自吸式發(fā)酵罐液體由溢流噴射器溢流形成拋射流，液體的表面層與其相鄰的氣體的動量傳遞，使邊界層氣體具有一定速率，帶動氣體流動形成自吸氣作用。通風固相發(fā)酵設備和其他類型的通風發(fā)酵反應器見書50-53，自習§2.攪拌器軸功率的計算一、攪拌器軸功率的計算軸功率：攪拌器輸入攪拌液體的功率，是指攪拌器以既定的速度運轉時，用以克服介質的阻力所需的功率。它包括機械傳動的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動機的軸功率或耗用功率。（一）攪拌功率計算的基本方程式單只渦輪在不通氣條件下輸送攪拌液體的功率計算，P0與下列因素有關：攪拌罐的直徑T、液柱高度HL、液體粘度μ、攪拌器直徑D，攪拌型式、攪拌器轉速N、液體密度ρ、重力加速度g以及有無擋板。攪拌罐直徑T、液位高度HL與攪拌器直徑D有一定的比例關系。可以作為獨立參數(shù)公式P0=f（N，D，

，

，g）用因次分析法對上述函數(shù)進行處理P0=A

NaDb

c

dge根據(jù)因次和諧的原則，等號兩側因次應相等：

FL/T=(1/T)aLb(FT2/L4)c(FT/L2)d(L/T2)e

因次[F]:1=c+d因次[L]:1=b-4c-2d+e因次[T]:-1＝-a+2c+d-2e共有變量數(shù)n＝6，基本因次m＝3，由上述方程組a＝3-d-2eb＝5-2d-ec＝1-dP0=A

N3-d-2eD5-2d-e

1-d

dgeP0=A

N3D

5

[/(ND2

)]

d[g/(N2D)

]

eP0/(

N3D

5)

=K

[(ND2

)/

]

m[(N2D)

/g]

nNp=P0/(

N3D

5)

——功率準數(shù)ReM=

(ND2

)/

——攪拌情況下的雷諾系數(shù)FrM——攪拌情況下的韋魯特準數(shù)P0——無通氣時攪拌器輸入液體的功率

(W)ρ——液體密度（kg/m3）μ——液體粘度

（N.s/m2）D——渦輪直徑

（m）N——渦輪轉速（轉/分）

k、m、n值為與攪拌器型式、攪拌罐比例尺寸有關的常數(shù)，在具有擋板的情況下，液面不產生中心下降的漩渦，此時指數(shù)n＝0。具有擋板的情況下：P0/(

N3D

5)

=K

[(ND2

)/

]

mNp=KReMm圓盤六平直葉渦輪Np＝0.6圓盤六彎葉渦輪Np≡4.7圓盤六剪葉渦輪

Np≡3.7（二）多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算

在相同的轉速下，多只渦輪比單只渦輪輸出更多的功率，其增加程度除葉輪的個數(shù)之外，還決定于渦輪間的距離。距離有三個情況：1、s＝0

實際上變?yōu)橐粋€渦輪；2、s＞sconst

互不干擾，兩個渦輪所消耗的功率就是單個渦輪的兩倍；3、s＜scovnst

相互干擾，輸出功率小于單個渦輪的兩倍。當輸出功率為最大時，渦輪間的距離：

Sm=[HL-(0.9+

)D]/2

=[(m-1)lgm-lg(m-1)!]/lgmHL——液柱高度D——攪拌器直徑m——同一軸上攪拌器個數(shù)

對非牛頓型流體可取S＝2D牛頓型流體S＝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＝0.5～1.0DS過小，不能輸出最大的功率；S過大，則中間區(qū)域攪拌效果不好。符合上述條件的發(fā)酵罐，用經驗公式計算或實測結果都表明，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)。

Pn＝nP0（三）通氣情況下的攪拌功率Pg的計算

同一攪拌器在相等的轉速下輸入通氣液體的功率比不通氣流體的為低。可能的原因是由于通氣使液體的重度降低導致攪拌功率的降低。功率下降的程度與通氣量及液體翻動量等因素有關，主要地決定于渦輪周圍氣流接觸的狀況。

通氣準數(shù)：Na＝Q/ND3來關聯(lián)功率的下降程度Na＜0.035Pg/P0＝1～12.6NaNa＜0.035Pg/P0＝1～12.6NaQ——通氣量m3/minN——轉速1/minD——攪拌器的直徑mPg——通氣情況下的軸功率kwP0——不通氣情況下的軸功率kwMichel等人用六平葉渦輪將空氣分散于液體之中，測量其輸出功率，得到經驗式：

Pg=c[P02ND

3

/Q0.56]0.45福田秀雄公式

Pg=f（P02ND

3/Q0.08）修正后的MichelPg=2.25[P02ND

3

/Q0.08]0.39×10-3Pg、P0——通氣與未通氣的軸功率kwN——攪拌器轉速1/minD——攪拌器直徑cmQ——通氣量ml/min二、非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響常見的某些發(fā)酵醪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：粘度μ只是溫度的函數(shù)，與流動狀態(tài)無關。服從牛頓粘性定律。非牛頓流體：粘度μ不僅是溫度的函數(shù)，隨流動狀態(tài)而變化。（一）非牛頓型發(fā)酵醪的流變等特性

牛頓型流體的流態(tài)式為直線，服從牛頓特性定律：

=dw/dr所有氣體以及大多數(shù)低分子量的液體都屬于牛頓型流體，如空氣、水、有機溶劑及多數(shù)的水溶液。而膠體溶液、高分子溶液屬于非牛頓型。τ——剪應力dw/dr——剪切率（速度梯度）非牛頓型流體的分類我們接觸的非牛頓型流體基本上為穩(wěn)定的而此類流體可按剪應力與剪切率之間的關系，分為三類：（1）擬塑性流體（分段型性流體）

=k(dw/dr)nk——均勻性系數(shù)n——流動性指數(shù)n＜1大多數(shù)發(fā)酵液均屬于此類。特點：粘度隨著剪切率下——而降低。（2）彬漢塑型性流體特點是其剪應力與剪切率的關系是不通過原點的直線。

τ-τy=μp

dw/drτy——屈服剪應力μp——剛性系數(shù)（3）擬塑性流體：

=k(dw/dr)nn＞1：流動性指數(shù)據(jù)有關資料報道，大多數(shù)發(fā)酵液均屬于非牛頓型流體。k——均勻性指數(shù)，也稱作稠度指數(shù)，與牛頓型流體的粘度具有相類似的概念，所以也可以稱作液體的粘度指標。凡牛頓型性流體，服從

=

/(dw/dr)而對于非牛頓型流體

p=

/(dw/dr)某些發(fā)酵液隨著發(fā)酵時間的變化，其流變狀態(tài)發(fā)生變化。例：青霉素發(fā)酵液中：在整個發(fā)酵周期內都是呈現(xiàn)非牛頓型流體。鏈霉素發(fā)酵中：在24hr以前為彬漢塑性流體；在48及96hr時呈牛頓型流體；在120hr時呈擬塑性流體（三）非牛頓型流體的攪拌功率計算

可用Np＝ReMm的關系式進行計算粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須事先知道粘度與攪拌速度的關系，然后才能計算不同攪拌轉速下的ReM。

牛頓型流體與非牛頓型流體的Np～ReM曲線基本吻合，差別僅在ReM＝10～300區(qū)間之內

三、發(fā)酵罐攪拌功率的確定應按不通氣時所需攪拌功率來確定，這是因為滅菌及發(fā)酵前期不進行通氣或通氣量很少，若按照正常情況下的功率消耗配備攪拌器的旋動電機，勢必使電機長期處在超負載情況下，甚至根本無法啟動電機或使電機損壞。在攪拌器剛啟動時，往往需要比運動功率大得多的啟動功率，但因發(fā)酵罐所選用的電機一般屬于三相電動機，此種電動機允許在短時間內有較大的超負荷，加上合理采用啟動裝置，故不必考慮啟動時的功率消耗。考慮到電動機系列中的額定功率的規(guī)格間隔很大，如比40kw再大一些的規(guī)格就是55、75、100kw，因此在實際選用電動機時可考慮采用介于通氣與不通氣之間的功率。過去發(fā)酵罐所配備電動機的功率約為1～1.5kw/m3培養(yǎng)液，而目前發(fā)酵罐所配備電動機容量，特別是如青霉素等由霉菌發(fā)酵的發(fā)酵罐，其電動機容量可達至3～4kw/m3培養(yǎng)液，同時將通氣量壓縮在較低水平上（如0.4～0.5m3/m3/min），即采用高功率消耗，低通氣量的方法來加強攪拌過程中的剪應力和翻動量三、非牛頓型流體特性對攪拌功率計算的影響用水解糖液、糖蜜等原料作為培養(yǎng)液的細菌醪、酵母醪均屬于非牛頓型流體；直接用淀粉、豆餅粉原料的低濃度細菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體；至于霉菌醪、放線菌醪，不管用什么原料作為培養(yǎng)液，均屬于非牛頓型流體。提高氧的傳遞速度和液固的混合程度對高粘度的發(fā)酵液來說是十分必要的。同時可避免高通氣量引起的攪拌功率下降過多、泡沫嚴重、裝料量少、液體蒸發(fā)量大等缺點。適當選用較大容量的電動機，可在設備改裝和工藝條件改變時具有一定的靈活性。當然也要避免盲目采用大功率電機而導致電機運轉時功率因數(shù)過低。第三章

通氣發(fā)酵罐中溶氧速率與通氣攪拌的關系

溶氧傳遞溶氧傳遞一、 雙膜理論通風發(fā)酵罐的通風是供給好氣性發(fā)酵微生物呼吸和代謝活動所需的氧。微生物只能利用溶氧。供氧與好氧不斷地進行。若能設法提高溶氧速率和氧的利用率，則能提高發(fā)酵生產率。氧的溶解性氧是難溶于水的氣體，在23℃時，每升水中只能溶解5.44ml，而氧的溶解所能達到的限度，決定于氣液平衡關系和傳質速率。為了加速氧的溶解，必須盡可能加大氣液兩相間的接觸面和流體動力學條件。因此在工業(yè)生產中把除菌中的空氣通入培養(yǎng)液中，使之分散成細小的氣泡，盡可能增大氣液兩相的接觸面積和接觸時間。以促進氧的溶解。在設計通氣發(fā)酵罐如何提高溶氧速率和氧的利用率，是值得研究的問題。

（一） 氧的傳遞途徑在需氧發(fā)酵中，對微生物的供氧過程，首先是氣相中的氧溶解在培養(yǎng)液中，然后傳遞到細胞內的呼吸酶位置上面被利用。這是一系列的傳遞過程。可分為供氧和好氧兩個方面。供氧是指空氣中的氧從空氣通過氣膜、氣膜界和液膜擴散到液體中。好氧是指氧分子自液體主流通過液膜、菌體絲、細胞膜擴散到細胞內。氧的傳遞途徑可分三步：1. 氣泡中的氧分子經過氣膜、氣液界面、液膜進入液體主流；2. 氧分子從液體主流向細胞周圍界面的液膜擴散到液體－細胞界面；3. 氧分子從液體－細胞界面屬細胞內部擴散。（二） 氧氣溶解過程的雙膜理論1） 在氣液與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣流一側存在一層氣膜，在界面的液體一側存在著一層液膜。氣膜內的氣體分子和液膜中的液體分子都處于層流狀態(tài)分子間無對流運動，因此氧分子只能以擴散方式，即濃度差而透過雙膜。雙膜理論（2） 在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強與溶于液體中氧的濃度存在平衡關系；（3）

傳質過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質途徑上各點的氧的濃度不隨時間而變。雙膜理論氧的空氣擴散到氣液界面這一段的推動力是空氣中氧的分壓與界面處氧的分壓之差，即P-Pi。氧穿過界面溶于液體繼續(xù)擴散到液體中的推動力是界面處氧的濃度與液體中的推動力是界面處氧的濃度與液體中氧濃度之差，即C-Ci。兩個推動力相對應的阻力是氣膜阻力的1/kg,和液膜阻力1/kl,單位接觸界面氧的傳遞速率：NA-----單位接觸界面的氧傳遞速率kmol/m2·hrKg-----氣膜傳質系數(shù)kmol/m2·hr&atm

kl--液膜傳質系數(shù)kmol/m2hr,m3/kmol·m2hrP,Pi----氣相中和氣液界面出氧分壓atmCi,C-----氣液界面和液相中的氧濃度

kmol/m3

總傳質系數(shù)和總推動力不可能測定界面處的氧分壓和氧濃度，或者不能直接用于實際。為了計算方便，并不單獨計算Kg和kl，而改用總傳質系數(shù)和總推動力：NA＝kG(P-P*)=Kl(C*-C)總傳質系數(shù)和總推動力kG-----以氧分壓差為總推動力的總傳質系數(shù)kmol/m2hr&atmKl-----以氧濃度為總推動力的總傳質系數(shù)m/hrP*-----與液相中溶氧濃度C達到平衡時的氧分壓atmC*-----與氣相中氧分壓P平衡時氧的溶解度kmol/m3亨利定律亨利定律：與溶解度達到平衡的氣體分壓與該氣體被溶解的濃度成正比。P=HC*P*=HCPi=HCiH――――亨利常數(shù)對于易溶于水的氣體，H很小。（1）式中的H/Kl可忽略，KG=Kg

對難溶氣體，好氧溶于水，H很大。1/HKg趨向零，KL=kl

此溶解過程液膜阻力是主要因素。所以對于氧溶解：NA=Kl(C*-C)C*-C是可以測量的，但其中NA是單位面積的傳氧量由于界面積不能測量，NA也不能計算。在上式兩邊各乘單位體積培養(yǎng)液中氣液兩相界面的總面積。NAa=Kla(C*-C)Nr=Kla(C*-C)Nr--------單位體積液體氧的溶解速率kmol/m2·hrKla――――以濃度差為推動力的體積溶氧系數(shù)1/hr溶氧速度小于微生物而好氧速度,則培養(yǎng)液中氧逐漸耗盡，當溶液中氧濃度低于臨界氧濃度時，就要影響微生物的生長發(fā)育和代謝產物的生物。因此，供氧和好氧至少必須平衡，此時可用下式：

NA=Kla(C*-C)=Qo2MQo2------菌體呼吸強度kmol/Kg·hrM―培養(yǎng)液中菌體濃度m3/kg二、體積溶氧系數(shù)Kla的測定溶氧系數(shù)的測定方法很多：亞硫酸鈉氧化法，取樣法排氣法。使用了各種試驗儀器和方法，如滴汞電極以及極譜儀，還要用靜止、顫動鉑電極，具有轉篩的銀汞齊電極等，亞硫酸鹽氧化法及溶氧電極法的原理。

（一） 亞硫酸鹽氧化法1. 原理及計算原理：亞硫酸根離子在銅離子催化作用下，被空氣中的氧分子氧化成硫酸根離子。由于亞硫酸鹽氧化速度很快，所以氧一溶解于液體中就被耗盡。從而使溶液中氧濃度為零值。一般當亞硫酸鹽濃度為0.035－0.9當量，溫度20－45℃時，氧化反應速度不變。反應式

+O2

2NaSO4未被氧化的Na2SO3與碘液反應被氧化；Na2SO3+I2+H2O再用穩(wěn)定的Na2S2O3滴定剩余的碘：

操作將配好的1NNa2SO4溶液加入CuSO4(0.01mol/l),一起放入發(fā)酵罐中，進行通風攪拌。Na2SO3被氧分子氧化成Na2SO4每隔一定時間（如10min）取樣。放入裝有碘液的三角瓶中，用1％淀粉液作指示劑，用0.1N硫代硫酸鈉溶液滴定過量的碘。然后計算溶氧速率。步驟：1.在試驗缸加入Na2SO3晶體，使NaSO3濃度為1N左右，再加化學純的CuSO4,使Cu2＋濃度10－3M.2. 進行通風攪拌。3. 每隔一定時間放樣，樣液放入裝有定容和濃度為0.1N的碘液中。4. 用1％淀粉作指示劑，用0.1NNa2S2O3滴加過量的碘至終點。在以上的反應式中：

即每個S2O32-可以取代1/4O2，因此，二次酸樣測定的平均溶氧速率：

Nr----體積溶氧速率

V-----兩樣酸樣滴定新耗去Na2S2O3ml差數(shù)m-----樣流的體積mlt-----兩次酸樣的間隔時間minN-----Na2S2O3的當量濃度0.1N4-----每個S2O32-可取代1/4O22.體積溶氧系數(shù)Kla的計算用Nr代替公式：Nr＝Kla（C*-C）在此實驗中，溶液中的氧很快被SO32-所還原，溶液中的氧分子濃度為0。

Nr＝KlaC*另外，在25℃時，1個大氣壓下，空氣中的氧分壓為0.21atm，與之相平衡的純水中的溶氧濃度C*=0.24mmolO2/L,但在亞硫酸鹽氧化法的具體條件下：規(guī)定0.2124mmol/L

所以：Nr＝KlaC*Kla＝Nr/0.21＝4.8X103Nr·1/hr3.體積溶氧系數(shù)的其他表達形式Kla---以濃度差為推動力的體積溶氧系數(shù)1/hrKd----以總壓力差為傳氧推動力的體積溶氧系數(shù)mol/ml·min·atmKr----以壓力差為傳氧推動力的體積溶氧系數(shù)kmol/m3hr&atm，mmol/L·hr·atm根據(jù)亨利定律：空氣中的氧分壓Po2,空氣中的總壓力PairPo2=HC*C*=Po2/H根據(jù)氣體分壓定律：Po2＝PairX

則Nr=KlaC*=Po2·Po2/H=Kla·1/H·Po2=Kla·X/H·Pair

令

Kd=Kla·X/HNr=Kd·Pair·mol/ml·min·atm(P)

并且：Kd------以總壓力差為傳氧推動力計算的體積溶氧系數(shù)mol/ml·min·atm(P)如果：以氧分壓為推動力：則：

Nr=Kd(Pair)Pair

=1/0.21·Kd(Pair)Po2=Kd(Po2)Po2

因為：Po2＝0.21Pair

Kd(Po2)=1/0.21·Kd(Pair)Nr=Kla·C*

Nr=Kd(Po2)·Po2Kla=Po2/C*·Kd(Po2)C*=0.21·mmol/LPo2=0.21atm單位：

另外，Kr與Kd的意義相同，只不過單位有區(qū)別：Kla------1/hrKr-------Kd-------(三)、Kla與設備參數(shù)操作變數(shù)間的關系式（一） 影響溶氧系數(shù)Kla的主要因素影響Nr的主要因素有溶氧系數(shù)Kla值和推動力C*-C。

提高Nr，需要提高Kla和推動力C*-C

。與Kla有關系的有攪拌、空氣線速度、空氣分部器、發(fā)酵液性質等。與推動力有關的有發(fā)酵液濃度、氧分壓、發(fā)酵液性質等。1. 攪拌：目的：（1）擴散氣流，強化流體的湍流程度，使氣液固三相更好地接觸，提高溶氧速率；（2）使微生物懸浮液混合一致促進代謝產物的傳質速率。攪拌可以分三個方面改善溶氧速率：（1）把空氣打成細泡，從而增加有效界面?zhèn)鬟f面積；（2）攪拌使液體形成湍流可以延長氣泡在液體中心停留時間，增加氣液接觸時間；（3）加強液體湍流，減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，而增大Kla值。攪拌使菌體分散，避免結團，有利于固液傳遞中的接觸面積增加使推動力增加。但是過度強烈的攪拌，產生的剪切作用大，對細泡有損傷，特別是絲狀菌的發(fā)酵類型，更考慮到剪切力對細胞的損傷。攪拌器對Kla值的影響對Kla值有影響的：攪拌器的形式，直徑大小，轉速，組數(shù)，攪拌器間距以及在缸內相對位置。增大攪拌器直徑D對增加攪拌循環(huán)量有利，增大轉速對提高溶氧系數(shù)有利。一般說要求一定的攪拌翻動量，使混合均勻，又要求一定的轉速，使得發(fā)酵液有一定的液體速度壓頭，以提高溶氧水平。要根據(jù)具體情況決定N和D.一般：（1）當空氣流量較小，動力消耗也較小時，以小葉徑，高轉速為好；（2）當空氣流量較小，功率消耗較大時，D的大小對通氣效果的影響不大；（3） 流量達，功率消耗小時，以大葉徑，高轉速為好；（4） 當空氣流量、功率消耗都大時，以大葉徑、低轉速為好。物料輸送過程與設備第一節(jié)液體輸送設備一、離心泵二、往復泵三、其他類型的泵生產過程中常需要把液體從一個設備通過管道輸送到另一個設備被輸送的液體，性質各異因此生產上就需要采用各種不同結構、不同材質的液體輸送機械根據(jù)其作用原理，大致可分為:一、離心泵（二）工作原理（三）離心泵的主要性能參數(shù)（四）離心泵特征曲線（五）離心泵的氣蝕現(xiàn)象（六）離心泵的吸入高度（一）離心泵裝置及其結構圖3-1為離心泵裝置簡圖。它由泵、吸入系統(tǒng)和排出系統(tǒng)三部分組成。吸入系統(tǒng)有吸入貯槽、吸入管、底閥、濾網(wǎng)。排出系統(tǒng)有排出貯槽、排出管、逆止閥、調節(jié)閥等。離心力的作用下液體被拋出，葉輪外周壓力增高，葉輪中心形成真空。這樣，葉輪在旋轉過程中，一面不斷吸入液體，一面又不斷給吸入的液體以一定能量并送入排出管。包括：流量、壓頭(揚程)、效率、轉速、功率、氣蝕余量（吸上真空度）等。主要性能參數(shù)有壓頭、流量、效率等。1．壓頭H單位質量液體流過泵后能量的增值稱為壓頭，一般以符號H表示，單位為m。

2．流量是指泵在單位時間內由泵的排液口排出的液體量，通常以體積流量來表示，單位習慣上用m3/h表示?！獑挝粫r間內泵的泄漏量；它既包括所有不經過排液管而漏到泵體外部泄漏，也包括從泵作功部件出來后仍漏回泵吸液處的內部泄漏3．軸功率、有效功率和效率有效功率：軸功率：H——泵的壓頭Q——泵的流量ρ——液體密度η——