通气与搅拌技术应用

1、通气与搅拌技术应用溶氧(DO)溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。 28氧在发酵液中的100的空气饱和浓度只有0.25 mmol/L左右，比糖的溶解度小7000倍。在对数生长期即使发酵液中的溶氧能达到100空气饱和度，若此时中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（分）钟之内便耗竭，使溶氧成为限制因素。溶氧(DO)为了提高溶氧速率，需要向发酵液输入搅拌和混合所必需的功率，包括机械的、气体的及液体的。这部分能量消耗常常构成产品成本的重大部分。另外，不同类型的机械搅拌器在可比条件下产生剪切速率和混合时间有显著的差异，过大的剪切速率对丝状菌有致死的

2、危险，当混合不均，局部区域的混合时间过长会导致发酵罐内生化过程反应速率分布不均。本章要讨论的问题有关溶氧与搅拌供求的相关问题，以求做到既能满足溶氧速率要求，又降低能量消耗。Contents第一节 搅拌器的形式和轴功率的计算LOGO发酵罐中的常用机械搅拌桨1.ONE2.TWO径向流轴向流（一）径向流搅拌器 圆盘弯叶涡轮搅拌器圆盘平直叶涡轮搅拌器圆盘箭叶涡轮搅拌器新型凹叶圆盘涡轮桨1、圆盘平直叶涡轮搅拌器其圆盘可以使上升的气泡受阻，避免大的气泡从轴部叶片空隙中上升。其很大的剪切速率保证了气泡更好地分散，有利于气液间的传质。还具有很大的循环输送量和功率输出。适用于液-固-气三相液体的搅拌混合，包括黏

3、性流体及非牛顿流体。1、圆盘平直叶涡轮搅拌器2、圆盘弯叶涡轮搅拌器平直叶涡轮较弯叶涡轮造成的液体径向流动较为强烈，在相同的搅拌转速时平直叶涡轮的混合效果较好，但弯叶涡轮输出的功率和剪切速率均较低。3、圆盘箭叶涡轮搅拌器它可造成一定程度的轴向流动，在同比条件下输出的功率和剪切速率较上述两种涡轮为低，但其混合效果更好。4、新型凹叶圆盘涡轮桨具有在液气体系中很高的气体分散能力，而相应的搅拌耗能比其原型有较大的降低。（二）轴向流搅拌器它能提供大的轴向流体循环量，在固液混合罐中被广泛采用。Lightnin A315型轴流式搅拌器在众多大型抗生素发酵厂被广泛采用，它以很大的液体输送量和较低的剪切速率形成轴

4、向流循环，并使全罐的混合时间大为减少。（三）搅拌器的流型搅拌器在罐内造成的液流形式，对气、固及液相的混合，氧气的溶解以及热量的传递等有重大的影响。1、罐内垂直搅拌器在无挡板时的搅拌流型无挡板时会以轴为中心形成凹陷的旋涡。有挡板时，液体的螺旋状液流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使旋涡消失。消除旋涡所必需的最少挡板数为“全挡板条件”。2、径向流涡轮搅拌器的搅拌流型由于涡轮中部圆盘的存在，使被搅拌的流体各在涡轮平面的上下两侧形成向上和向下的两个翻腾，在这两个翻腾之间是一个混合迟缓区，其混合速度仅及混合主流区的1/10。3、轴向流搅拌器的搅拌流型（二）搅拌器轴功率的计算发酵罐液体中的溶解氧速率以及气

5、、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的关系。 搅拌功率不但决定于搅拌器的形式、转速、罐内附件及其间的尺寸比，还决定于被搅拌液体的物理特性。（二）搅拌器轴功率的计算搅拌器输入单位体积不通气液体的功率要大于输入单位体积通气液体的功率。1、单只涡轮不通气条件下输入搅拌液体功率P0的计算定义：搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定的转速旋转时用以克服介质的阻力所需用的功率，简称轴功率。鲁士顿关系式其中， 是一个无因次数，定义为功率准数Np。它表示机械搅拌器施于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力之比。当ReM104时，液体达到充分湍流之后，如ReM继续上升，搅拌

6、功率P0虽随之增大，但NP将保持不变。也就是说当ReM104时， NP为常数。圆盘六平直叶涡轮： NP=6圆盘六弯叶涡轮： NP圆盘六箭叶涡轮： NP无通气时的搅拌轴功率计算先算出ReM，从NP- ReM线上查得NP值，则：由于鲁士顿以径向流圆盘式涡轮搅拌桨研究的卓越就，人们常将这类搅拌桨称为鲁士顿桨。2、多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算在相同转速下，多只涡轮比单只涡轮输出更多的功率，其增加的程度除了叶轮的只数之外，还决定于涡轮的距离。两只涡轮形成的液流互不干扰，此两只涡轮所输出的功率约等于单只涡轮的两倍；两只涡轮所造成的液流有部分重合，则输出的功率小于单只涡轮的两倍。使用多只涡轮

7、，每两只涡轮的间距s，对非牛顿型流体可取2D，对牛顿型流体可取2.53D，静液面至上涡轮的距离可取0.52D，下涡轮至罐底的距离dc可到0.51D。符合上述条件的发酵罐，实测结果表明多只涡轮输出的功率接近等于单只涡轮的功率乖以涡轮的只数。3、通气液体机械搅拌功率Pg的计算同一搅拌器在相同的转速下输入通气液体的功率比输入不通气的液体的更低。原因是什么？迈凯尔等用六平叶涡轮将空气分散于液体中，测量其输出功率，在双对数坐标纸上把Pg标绘为涡轮直径D、转速N，空气流量Q和P0的函数，如下图。P0与Pg之比，与通气条件有何关系迈凯尔等人发现设备尺寸不同，直线的斜率大致相同，平均斜率为，但截距不同。因此，

8、它据此整理出经验式为：福田秀雄等在10040000L的五只设备里对迈凯尔的经验式进行了校正，获得：福田秀雄等将60组实验资料在双对数坐标纸上标绘，得到下图。上图的直线斜率为，截距为3，经换算为标准单位后，得修正的迈凯尔式为：此式可用于较大的罐（如40m3），以及外推至略大于40m3的罐。例3-1三、非牛顿型流体特性对搅拌功率计算的影响用水解糖液或糖蜜等原料作培养液的细菌醪及酵母醪属于牛顿型流体；直接用淀粉、豆饼粉配料的低浓度细菌醪及酵母醪接近于牛顿型流体；霉菌及放线菌醪均属非牛顿型流体1、非牛顿型发酵液的流变学特征一般认为牛顿型流体的主要特征是其黏度只是温度的函数，与流动状态无关；非牛顿型流体

9、的黏度不仅是温度的函数，而且随流动状态而异。1、非牛顿型发酵醪的流变学特征1243（1）牛顿流体=d/d （为常数）意味着搅拌罐内搅拌转速的快慢对此流体的黏度没有影响，而和静止时的黏度一样。1、非牛顿型发酵醪的流变学特征1、非牛顿型发酵醪的流变学特征（2）拟塑性流体= K（d/d）n ，0 n1其黏度随着剪切速率的升高而降低，因此，对同一流体不同搅拌转速下所显示出的黏度不一样。在同一搅拌转速下，搅拌叶轮尖端附近的剪切速率很高，液体显示黏度低。常见的丝状菌发酵醪大都是非牛顿型流体，大都具有拟塑性流变特征。而拟塑性的强弱主要取决于丝状菌的形态和浓度。1、非牛顿型发酵醪的流变学特征（3）彬汉塑性流体

10、= y+pd/dy屈服剪应力，p刚性粘度，为常数其相邻两层流体间的剪应力如果不大于屈服剪应力，液体层间的剪切速率为0，也就是说不会产生相对流动。但当剪应力大于屈服剪应力，其和牛顿型流体具有相同的流变特性，其黏度与剪切速率无关。1、非牛顿型发酵醪的流变学特征（4）膨胀性流体= K（d/d）n ，n1其黏度随剪切速率的增大而升高。发酵液流体特性牛顿流体以糖等原料培养的细菌醪和酵母醪彬汉塑性流体黑曲霉、产黄青霉和灰色链霉菌等丝状菌发酵液拟塑性流体多糖发酵液，许多丝状菌培养液，高浓度的植物细胞、酵母悬浮细胞膨胀性流体链霉菌、四环素和庆大霉素的前期发酵液2 、丝状菌发酵过程中拟塑性特征的变化丝状菌发酵醪

11、具有拟塑性特征，其拟塑性的强度会随发酵的进程而变化。这主要是因为丝状菌的形态和浓度在变化，导致醪液流动特性指数n和均匀性系数K的同步变化。3、非牛顿流体的搅拌功率拟塑性流体的表观粘度随切变率的增大而减小，涨塑性流体的表观粘度随切变率的增大而增大。在同一搅拌转速下，培养液中的d/d随着径向离开搅拌涡轮的距离，按指数倍数降低。粘度是温度的函数，即=K ea/T在搅拌罐中，罐内非牛顿流体的平均切变率与搅拌速度成正比，即（d/d）平=k N，（二档涡轮搅拌）a=/(d/d) =K(d/d)n-13、非牛顿流体的搅拌功率非牛顿型流体搅拌轴功率的计算可以采用牛顿型流体搅拌轴功率的计算方法。但非牛顿型流体的黏度是随搅拌器转速而变化的，因而必须先知道黏度与搅拌器转速的关系，进而计算不同转速时的ReM，然后才能根据实验资料绘制其NP- ReM图线。平均剪切速率与搅拌转速的关系平均剪切速率与搅拌转速的关系拟塑性流体的搅拌功率的计算计算程序：（1）确定发酵罐的尺寸及搅拌转速N（2）将N代入（d/d）平，计算（d/d）平（3）用粘度计