1、第七章通風發(fā)酵設(shè)備 概述 通風發(fā)酵罐的類型及結(jié)構(gòu) 機械攪拌通風發(fā)酵罐攪拌功率計算 體積溶氧速率與體積溶氧系數(shù)KLa 發(fā)酵罐比擬放大 固體通風培養(yǎng)設(shè)備,第一節(jié) 概述,通風發(fā)酵產(chǎn)品及生產(chǎn)現(xiàn)狀 通風發(fā)酵設(shè)備核心內(nèi)容,第二節(jié)通風發(fā)酵罐的類型及結(jié)構(gòu),類型,機械攪拌通風發(fā)酵罐,氣升式發(fā)酵罐,自吸式發(fā)酵罐,機械攪拌通風發(fā)酵罐 氣升式發(fā)酵罐 自吸濕發(fā)酵罐,機械攪拌通風發(fā)酵罐結(jié)構(gòu),主要部件： 罐體、攪拌裝置、擋板、軸封、消泡器、傳動裝置、冷卻裝置、通氣裝置、人孔、視鏡、進料口、出料口、取樣口、補料口、消泡劑流加口，壓力表、安全閥、溫度計等。,罐體 罐體有圓筒體和橢圓封頭封底組成。 筒體高徑比（H/D）=1.72

2、.5 標準機械攪拌通風發(fā)酵罐H/D=2； 發(fā)酵罐的高徑比是設(shè)計的重參數(shù)，它關(guān)系到溶氧 效率。 筒體壁厚決定于壓力、材料的許用應力、發(fā)酵罐的直徑、焊接程度等。,壁厚的計算公式（內(nèi)壓容器）：,標準橢圓封頭壁厚計算同圓筒體壁厚計算，標準橢圓封頭的高等于筒體直徑的1/4。,發(fā)酵罐的體積 公稱容積： 發(fā)酵罐大小體積通常用“公稱容積”標示，所謂“公稱容積”是指圓柱體體積與底封頭體積之和。全容積是圓柱體體積與上下封頭體積之和 發(fā)酵罐的封頭一用橢圓封頭，封頭體積計算公式如下：,攪拌裝置 攪拌裝置包括：攪拌器、聯(lián)軸節(jié)、攪拌軸、軸承。 攪拌器是最為關(guān)鍵的部件，它的作用使液體充分混合和氧的溶解。 常用的攪拌器是圓盤

3、渦輪攪拌器，根據(jù)漿葉結(jié)構(gòu)不同又分為三類： 六直葉圓盤渦輪攪拌器 六彎葉圓盤渦輪攪拌器 六箭葉圓盤渦輪攪拌器,六彎葉圓盤渦輪攪拌器,六彎葉圓盤渦輪攪拌器,本設(shè)計改進的六彎葉圓盤渦輪攪拌器,六折葉圓盤渦輪攪拌器,六直葉渦輪攪拌器,標準圓盤渦輪攪拌器尺寸,Di 攪拌器直徑； d圓盤渦輪直徑； B漿葉寬； L漿葉長；,Di:d:L:B=20:15:5:4,攪拌器直徑是發(fā)酵罐直徑的1/21/4,攪拌器間距 一般發(fā)酵罐設(shè)2擋或3擋攪拌器，兩擋攪拌器間距S=（1.52.5）Di 上邊的擋板距發(fā)酵罐液面間距S1=(12)Di 下邊的擋板距罐底間距C=(0.81)Di,擋板 作用 全擋板條件,軸封 起密封作用，

4、防止雜菌污染。常用是機械端面密封，有固定罐體上的靜環(huán)和固定在軸上的動環(huán)形成一個端面，有彈簧壓緊。,進風分布器 壓縮的無菌空氣進入發(fā)酵罐的底部，一般采用單口進入，也有的在環(huán)形管上開有許多小孔，均勻分布進入。,冷卻裝置 冷卻結(jié)構(gòu)類型 1）夾套 2）外冷卻帶 3）立式蛇管 4）立式列管,氣升式發(fā)酵罐,壓縮無菌空氣,壓縮無菌空氣,內(nèi)循環(huán)式,塔式,高位罐,篩板,導流孔,無菌空氣,自吸式發(fā)酵罐,機械攪拌自吸式發(fā)酵罐,噴射式自吸式發(fā)酵罐,第三節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐攪拌功率計算 單只渦輪攪拌器不通風時的攪拌功率計算 Po-不通風時攪拌器輸入的功率（瓦） n-渦輪轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/秒） Di-攪拌器直徑（米） P -醪液

5、密度（公斤/米3） NP-功率準數(shù),NP是攪拌雷諾數(shù)的函數(shù)，雷諾數(shù)不同其值不同，當Rem104時，再增大雷諾數(shù)，功率準數(shù)不變。另外，功率準數(shù)還與攪拌器結(jié)構(gòu)、附件等有關(guān)，在Rem104時，（Rem= ） 直葉圓盤渦輪攪拌器NP =6； 彎葉圓盤渦輪攪拌器NP =4.7； 箭葉圓盤渦輪攪拌器NP =3.7；,若Po單位為千瓦；n單位為轉(zhuǎn)/分。 則： 若是多檔攪拌器，兩檔間距S，非牛頓流體 S取2D，牛頓流體S取2.53D；靜液面至上檔間距取0.52D, 下檔攪拌器至罐底距離C取0.51D。符合以上條件，兩檔攪拌器輸出的功率就是單只渦輪攪拌器的2倍，即：,2、通風時攪拌功率Pg 福田秀雄在邁凱爾等人

6、研究的基礎(chǔ)上，利用Pg與 對 在雙對 數(shù) 坐標作圖， 得到斜率為0.39，截距為0.2410-3，得到公式為：,式中：Pg 、Po-通風與不同風時的攪拌功率，單位為馬力。 n-攪拌轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） D-攪拌器直徑（厘米） Q-通風量（毫升/分） 若： Pg 、Po通風與不同風時的攪拌功率，單位為千瓦。 n-攪拌轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） D-攪拌器直徑（米） Q-通風量（m3/分） 通風時攪拌功率則為：,若：發(fā)酵罐攪拌器直徑D=1.3m，攪拌轉(zhuǎn)速n=80轉(zhuǎn)數(shù)/分，通風量27m3/分，采用渦輪用兩檔攪拌。 不通風時攪拌功率： P02=24.634.78031.351060 10-9 =87.7（KW）,通風時

7、攪拌功率： =71（Kw）,第四節(jié) 體積溶氧速率與體積溶氧系數(shù) 體積溶氧速率方程： Nv=KLa（C*C） Nv 體積溶氧速率，KmolO2/h.m3； KLa 體積溶氧系數(shù)，h-1； C* 飽和溶氧濃度， KmolO2/m3； C發(fā)酵液實際溶氧濃度， KmolO2/m3；,雙膜理論 1）假定氣泡與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣泡一側(cè)，存在著一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜，空氣中的氧分子以擴散方式通過濃度差透過雙膜，液膜與氣膜處于層流狀態(tài)，膜以外的氣體與液體處于對流狀態(tài)，稱為主流體，在主流體氧分子濃度相同。 2)在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強與溶于液體中的氧的濃度處于平

8、衡關(guān)系。 3）傳質(zhì)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點的氧濃度不隨時間變化。,氣 體 主 流,氣 膜,液 體 主 流,液 膜,p,pi,Ci,C,界 面,N=kg（p pi ）=kL（ Ci C） 式中： N傳氧速率（KmolO2/m2.h） Kg氣膜氧傳質(zhì)系數(shù)（KmolO2/m2.h.大氣壓） KL液膜氧傳質(zhì)系數(shù)（m/h） pi、Ci無法測量。 令：P*與液體主流中溶氧濃度C相平衡的氧的分壓強 C*與氣體主流氧的分壓強p相平衡的氧的液相濃度 根據(jù)亨利定律： p=H C* p*= H C,N=kg（p pi ）=kL（ Ci C） 式中： N傳氧速率（KmolO2/m2.h） Kg氣膜氧傳質(zhì)系數(shù)（

9、KmolO2/m2.h.大氣壓） KL液膜氧傳質(zhì)系數(shù)（m/h） pi、Ci無法測量。 令：P*與液體主流中溶氧濃度C相平衡的氧的分壓強 C*與氣體主流氧的分壓強p相平衡的氧的液相濃度 根據(jù)亨利定律： p=H C* p*= H C,H-亨利常數(shù)，與氣體種類及溶劑的不同、溫度不同而不同，它表征氣體溶解液體的難易。氧難溶入水，H很大。 利用傳熱原理，用總傳質(zhì)系數(shù)代替分傳氧系數(shù)，用總傳質(zhì)推動力代替分推動力。公式寫成： N=KG(pp*)=KL(C*C) 溶氧濃度C可以測定，C*可以算出，故以(C*C)總推動力計算比較方便。 KL與kg、kL的關(guān)系如下：,對于氧溶入水而言，H很大，因此KLkL，即： N

10、=kL（C*C） 這是因為氧難溶入水，液膜阻力對溶氧速率起著控制作用。但k無法測定。假設(shè)單位體積氣液界面為a（m2/m3）,傳氧速率可寫成：,Nv=kLa（C*C）， Nv體積溶氧速率（KmolO2/m3.h） KLa體積溶氧系數(shù)（h-1） 體積溶氧系數(shù)KLa的測定方法 亞硫酸鹽氧化法 原理： 在銅離子催化下，溶解在水中的氧立即氧化其中的亞硫酸根離子，使之成為硫酸根離子，其氧化反應的速度在較大的范圍內(nèi)與亞硫酸根離子的濃度無關(guān)。實際上是氧分子一經(jīng)溶入液相，立即就被還原掉。這種理想的反應特性就被排除了氧化反應速度成為溶氧阻力的可能性，因此，氧溶解于液體的速度是控制此氧化反應的因素。,其反應式如下：

11、 2Na2SO3+O2 2NaSO4 剩余的 Na2SO3 + I2 Na2SO4+2HI 再用標定的Na2S2O3 滴定多于的碘 Na2S2O3+I2 Na2S4O6+2NaI,CuSO4,H2O,在1個大氣壓下：C*=0.25mmolO2/L，在亞硫酸氧化法，C*=0.21mmolO2/L 又因C=0 所以：kLa =,物料衡算法 VL kLa（C*-C）=Q(C進-C出),3、KLa與kd的關(guān)系 由亨利定律知：p=HC* 由氣體分壓定律知:p=PX,定義：,Kd為以總壓力差為傳揚推動力的體積溶氧系數(shù),kd=,以氧的分壓為推動力：,kd=,kLa=6107kd(p)= 610 7（1/0.

12、21）kd(P),福田秀雄從10L到42000L并進行60組實驗 在以下公式（瑞查茲）實驗，,kd,kd=,pg-千瓦；V-m3； s-截面氣速cm/min； n-轉(zhuǎn)數(shù)/分,有kLa與kd換算式可得出kLa的算式,影響kLa的因素 1、根據(jù)公式討論 有kLa 的算式可得出三點結(jié)論： 1）與單位體積攪拌功率有關(guān)； 2）與截面氣速有關(guān)； 3）與攪拌轉(zhuǎn)速有關(guān)； 4）與發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)有關(guān)。 2、從kLa的涵義進行討論 1） kL大小與擴散系數(shù)、液膜厚度有關(guān),2)a值大小可由下式表示,dm-氣泡直徑m（與單位體積交辦功率、攪拌器線速度有關(guān)） VL-發(fā)酵液體積，m3； VG-發(fā)酵液里的空氣體積，m3 H0-持氣率（與通風比有關(guān)、液層高度有關(guān)）,對機械攪拌發(fā)酵罐，在單位體積攪拌功率相等的情況下，增大轉(zhuǎn)速，減小攪拌器的直徑，可以提高攪拌線速度，可達到提高溶氧效果。在操作中常通過控制通風比來控制溶氧速率。 對氣升式發(fā)酵罐，增大高徑比，通風噴嘴的設(shè)計，篩板設(shè)置都有利于提高溶氧系數(shù)。,假如，反應器液體不通風時的高度為HL，上升的氣泡速度為WB，通風量為Q。利