關于通風發酵設備四十年代中期，青霉素的工業化生產，或深層通風培養技術的出現，標志近代通風發酵工業的開始。在深層通風培養技術中，發酵罐是關鍵設備。在發酵罐中，微生物在適當的環境中進行生長、新陳代謝和形成發酵產物。第2頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共125頁，2024年2月25日，星期天本章講述的內容第一節通風發酵罐及結構第二節通氣與攪拌第三節氧的傳遞(自學）第四節機械攪拌通風發酵罐的設計第5頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

第一節通風發酵罐及結構通風發酵罐又稱好氣性發酵罐，如谷氨酸、檸檬酸、酶制劑、抗生素、酵母等發酵用的發酵罐。好氣性發酵需要將空氣不斷通入發酵液中，以供微生物所消耗的氧。第6頁,共125頁，2024年2月25日，星期天通風發酵罐的類型機械攪拌發酵罐氣升式發酵罐自吸式發酵罐伍式發酵罐文氏管發酵罐第7頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

一、機械攪拌發酵罐機械攪拌發酵罐是發酵工廠常用類型之一。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發酵液充分混合，促使氧在發酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發酵所需要的氧氣。第8頁,共125頁，2024年2月25日，星期天1，機械攪拌發酵罐的基本要求發酵罐應具有適宜的徑高比。發酵罐能承受一定壓力。發酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合，保證發酵液必須的溶解氧。發酵罐應具有足夠的冷卻面積。發酵罐內應盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌。攪拌器的軸封應嚴密，盡量減少泄漏。第9頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，機械攪拌發酵罐的結構

好氣性機械攪拌發酵罐是密封式受壓設備，主要部件包括：罐身軸封消泡器攪拌器聯軸器中間軸承擋板空氣分布管換熱裝置人孔以及管路等第10頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（1）罐體罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，小型發酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接，材料一般為不銹鋼。為了便于清洗，小型發酵罐頂設有清洗用的手孔。中大型發酵罐則裝沒有快開入孔及清洗用的快開手孔。罐頂還裝有視鏡及燈鏡。在罐頂上的接管有：進料管、補料管、排氣管、接種管和壓力表接管。在罐身上的接管有冷卻水進出管、進空氣管、取樣管、溫度計管和測控儀表接口。第11頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（2）罐體的尺寸比例罐體各部分的尺寸有一定的比例，罐的高度與直徑之比一般為1.7~4左右。發酵罐通常裝有兩組攪拌器，兩組攪拌器的間距S約為攪拌器直徑的三倍。對于大型發酵罐以及液體深度HL較高的，可安裝三組或三組以上的攪拌器。最下面一組攪拌器通常與風管出口較接近為好，與罐底的距離C一般等于攪拌器直徑Di，但也不宜小于0.8Di，否則會影響液體的循環。最常用的發酵罐各部分的比例尺寸如圖。第12頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（3）攪拌器攪拌器的作用是打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發酵液中。攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（渦輪式）兩種。第13頁,共125頁，2024年2月25日，星期天軸向式攪拌器槳葉式螺旋槳式

第14頁,共125頁，2024年2月25日，星期天徑向式（渦輪式）攪拌器

（Discturbine）平直葉彎葉箭葉第15頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（4）擋板擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動，增加溶解氧。通常，擋板寬度取(0.1~0.2)D，裝設6~4塊即可滿足全擋板條件全擋板條件：是指在一定轉數下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變。要達到全擋板條件必須滿足下式要求：第16頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（5）消泡器消泡器的作用是將泡沫打破。消泡器常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式。孔板式的孔徑約10~20毫米。消泡器的長度約為罐徑的0．65倍。第17頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（6）聯軸器大型發酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯接。常用的聯軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應垂直，中心線對正。第18頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（7）軸承為了減少震動，中型發酵罐—般在罐內裝有底軸承，而大型發酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應能適當調節。罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯等)，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4~0.7％。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個軸套。第19頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（8）變速裝置試驗罐采用無級變速裝置。發酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動較為簡便。第20頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（9）軸封軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。端面式軸封又稱機械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環和靜環光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉動而達到密封。第21頁,共125頁，2024年2月25日，星期天機械軸封結構圖第22頁,共125頁，2024年2月25日，星期天填料函結構圖第23頁,共125頁，2024年2月25日，星期天填料函式軸封的優點是結構簡單。主要缺點是：死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；軸的磨損情況較嚴重；填料壓緊后摩擦功率消耗大；壽命短，經常維修，耗工時多。第24頁,共125頁，2024年2月25日，星期天端面式軸封的優點：清潔；密封可靠；無死角，可以防止雜茵污染；使用壽命長；摩擦功率耗損小；軸或軸套不受磨損；它對軸的精度和光潔度沒有填料密封要求那么嚴格，對軸的震動敏感性小。端面式軸封的缺點：結構比填料密封復雜，裝拆不便；對動環及靜環的表面光潔度及平直度要求高。第25頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（9）發酵罐的換熱裝置夾套式換熱裝置這種裝置多應用于容積較小的發酵罐、種子罐；夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進行冷卻面積的設計。這種裝置的優點是：結構簡單；加工容易，罐內無冷卻設備，死角少，容易進行清潔滅菌工作，有利于發酵。其缺點是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發酵時降溫效果差，第26頁,共125頁，2024年2月25日，星期天豎式蛇管換熱裝置這種裝置是豎式的蛇管分組安裝于發酵罐內，有四組、六組或八組不等，根據管的直徑大小而定，容積5米3以上的發酵罐多用這種換熱裝置。這種裝置的優點是：冷卻水在管內的流速大；傳熱系數高。這種冷卻裝置適用于冷卻用水溫度較低的地區，水的用量較少。但是氣溫高的地區，冷卻用水溫度較高，則發酵時降溫困難，發酵溫度經常超過40?C，影響發酵產率，因此應采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設備投資及生產成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。第27頁,共125頁，2024年2月25日，星期天豎式列管(排管)換熱裝置這種整置是以列管形式分組對稱裝于發酵罐內。其優點是：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區。這種裝置的缺點是：傳熱系數較蛇管低，用水量較大。

第28頁,共125頁，2024年2月25日，星期天二、氣升式發酵罐機械攪拌發酵罐其通風原理是罐內通風，靠機械攪拌作用使氣泡分割細碎，與培養基充分混合，密切接觸，以提高氧的吸收系數；設備構造比較復雜，動向消耗較太。采用氣升式發酵罐可以克服上述的缺點。第29頁,共125頁，2024年2月25日，星期天1，氣升式發酵罐的特點結構簡單，冷卻面積小；無攪拌傳動設備，節省動力約50%，節省鋼材；操作時無噪音；料液裝料系數達80~90％，而不須加消泡劑；維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染。但還不能代替好氣量較小的發酵罐，對于粘度較大的發酵液溶氧系數較低。第30頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，氣升式發酵罐的結構及原理分為內循環和外循環兩種。其主要結構包括：罐體上升管空氣噴嘴第31頁,共125頁，2024年2月25日，星期天3，氣升式發酵罐的性能指標氣升式發酵罐是否符合工藝要求及經濟指標，應從下面幾方面進行考慮。循環周期時間必須符合菌種發酵的需要。選用適當直徑的噴嘴。具有適當直徑的噴嘴才能保證氣泡分割細碎，與發酵液均勻接觸，增加溶氧系數。第32頁,共125頁，2024年2月25日，星期天三、自吸式發酵罐自吸式發酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自動吸入空氣的發酵罐。這種設備的耗電量小，能保證發酵所需的空氣，并能使氣液分離細小，均勻地接觸，吸入空氣中70~80%的氧被利用。采用了不同型式、容積的自吸式發酵罐生產葡萄糖酸鈣、力復雷素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成績。第33頁,共125頁，2024年2月25日，星期天1，自吸式發酵罐的結構罐體自吸攪拌器及導輪軸封換熱裝置消泡器第34頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，自吸式發酵罐的充氣原理自吸式發酵罐的主要的構件是自吸攪拌器及導輪，簡稱為轉子及定子。轉子由箱底向上升入的主軸帶動，當轉子轉動時空氣則由導氣管吸入。轉子的形式有九葉輪、六葉輪、三葉輪、十字形葉輪等，葉輪均為空心形。第35頁,共125頁，2024年2月25日，星期天3，自吸式發酵罐的類型根據通氣的型式不同，自吸式發酵罐可分為三個類型：回轉翼片式自吸式發酵罐；具有轉子及定子的自吸式發酵罐；噴射式自吸式發酵罐。前兩者自吸式發酵罐結構簡單，制作容易，比較廣泛采用。其傳動裝置有裝在罐底及罐頂兩種，如裝在罐底，則端面密封裝置的加工和安裝要求特別精密，否則容易漏液染菌。第三種噴射式自吸式發酵罐，電耗少，但是泵的構造復雜。第36頁,共125頁，2024年2月25日，星期天4，自吸式發酵罐的優點：節約空氣凈化系統中的空氣壓縮機、冷卻器、油水分離器、空氣貯聰、總過濾器等設備，減少廠房占地面積。減少工廠發酵設備投資約30％左右，例如應用自吸式發酵罐生產酵母，容積酵母的產量可高達30~50克。設備便于自動化、連續化，降低勞動強度，減少勞動力。酵母發酵周期短，發酵液中酵母濃度高，分離酵母后的廢液量少。設備結構簡單，溶氧效果高，操作方便。第37頁,共125頁，2024年2月25日，星期天四、伍式發酵罐1，結構伍式發酵罐的主要部件是套筒、攪拌器。第38頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，原理攪拌時液體沿著套筒外向上升至液面，然后由套筒內返回罐底，攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上，兼作空氣分配器。空氣由空心軸導入經過攪拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相混合，發酵液在套筒外側上升，由套筒內部下降，形成循環。設備的缺點是結構復雜，清洗套筒較困難，消耗功率較高。第39頁,共125頁，2024年2月25日，星期天五、文氏管發酵罐其原理是用泵將發酵液壓入文氏管中，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合，增加發酵液中的溶解氧。這種設備的優點是：吸氧的效率高，氣、液、固三相均勻混合，設備簡單，無須空氣壓縮機及攪拌器，動力消耗省。這種設備的缺點是氣體吸入量與液體循環量之比較低，對于好氧量較大的微生物發酵不適宜。第40頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第二節通氣與攪拌

（areationandagitation)第41頁,共125頁，2024年2月25日，星期天一、攪拌器的型式及流型1，型式發酵罐中的機械攪拌器大致可分為軸向和徑向推進兩種型式。前者如螺旋槳式，后者如渦輪式。第42頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（1）螺旋槳式攪拌器螺旋槳式攪拌器在罐內將液體向下或向上推進(相應于圖中的順時針或逆時針旋轉方向)。形成軸向的螺旋流動，混合效果較好，但造成的剪率較低，對氣泡的分散效果不好。一般用在藉壓差循環的發酵罐中，以提高其循環速度。常用的螺旋槳葉數Z=3，螺距等于攪拌器直徑，最大葉端線速度不超過25米／秒。第43頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（2）圓盤平直葉渦輪攪拌器圓盤平直葉渦輪與沒有圓盤的平直葉渦輪，其攪拌特性差別甚微。但在發酵罐中無菌空氣由單開口管通至攪拌器下方，大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。圓盤平直葉渦輪攪拌器具有很大的循環輸送量和功率輸出，適用于各種流體，包括粘性流體、非牛頓流體的攪拌混合。第44頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（3）圓盤彎葉渦輪攪拌器圓盤彎葉渦輪攪拌器的攪拌流型與平直葉渦輪的相似，但前者造成的液體徑向流動較為強烈，因此在相同的攪拌轉速時，前者的混合效果較好。但由于前者的流線葉型，在相同的攪拌轉速時，輸出的功率較后者的為小。因此，在混合要求特別高，而溶氧速率相對要求略低時，可選用圓盤彎葉渦輪。第45頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（4）圓盤箭葉渦輪攪拌器其攪拌流型與上述兩種渦輪相近，但它的軸向流動較強烈，但在同樣轉速下，它造成的剪率低，輸出功率也較低。第46頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，流型攪拌器在發酵罐中造成的流型，對氣固液相的混合效果及氧氣的溶解、熱量的傳遞具有密切關系。攪拌器造成的流體流動型式不僅決定于攪拌器本身，還受罐內的附件及其安裝位置的影響。第47頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（1）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪拌流型罐中心垂直安裝的螺旋槳，在無擋板的情況下，在軸中心形成凹陷的旋渦。如在同一罐內安裝4~6塊擋板，液體的螺旋狀流受擋板折流，被迫向軸心方向流動，使旋渦消失，第48頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（2）渦輪式攪拌器的流型上述三種渦輪攪拌器的攪拌流型基本上相同，各在渦輪平面的上下兩側形成向上和向下的兩個翻騰。如不滿足全擋板條件，軸中心位置也有凹陷的旋渦。適當的安排冷卻排管，也可基本消除軸中心凹陷的旋渦。第49頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（3）裝有套筒時的攪拌器攪拌流型在罐內與垂直的攪拌器同中心安裝套簡，一可以大大加強循環輸送效果，并能將液面的泡沫從套簡的上部入口，抽吸到液體之中，具有自消泡能力。伍氏發酵罐就是具有這種中心套筒的機械攪拌罐。第50頁,共125頁，2024年2月25日，星期天二、攪拌器軸功率的計算攪拌器輸入攪拌液體的功率：是指攪拌器以既定的速度旋轉時，用以克服介質的阻力所需的功率，簡稱軸功率。它不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。發酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關系。第51頁,共125頁，2024年2月25日，星期天1，單只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率的計算一個具體的攪拌器所輸入攪拌液體的功率取決于下列因素：葉輪和罐的相對尺寸攪拌器的轉速流體的性質擋板的尺寸和數目第52頁,共125頁，2024年2月25日，星期天通過因此分析，得：式中P0：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（瓦）

ρ：液體的密度（公斤/米3）

μ：液體的粘度（牛.秒/米2）

D：渦輪直徑（米）

N：渦輪轉數（轉/秒）

K，m：決定于攪拌器的型式，擋板的尺寸及流體的流態第53頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

是一個無因次數，可定義為功率

準數NP。該準數表征著機械攪拌所施與單位體積被攪拌液體的外力與單位體積被攪拌液體的慣性之比。第54頁,共125頁，2024年2月25日，星期天式中ω：渦輪線速度

a：加速度

V：液體體積

m：液體質量第55頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第56頁,共125頁，2024年2月25日，星期天攪拌功率準數NP的求解攪拌功率準數NP是攪拌雷諾數ReM的函數。第57頁,共125頁，2024年2月25日，星期天ReM＞104，達到充分湍流之后，ReM增加，攪拌功率P0雖然將隨之增大，但NP保持不變，即施加于單位體積液體的外力與其慣性力之比為常數，此時

P0=NPD5N3ρ

第58頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計算使用多個渦輪時，兩者間的距離S，對非牛頓型流體可取為2D，對牛頓型流體可取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可取0.5~1.0D。符合上述條件的發酵罐，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。第59頁,共125頁，2024年2月25日，星期天3，通氣液體機械攪拌功率的計算同一攪拌器在相等的轉速下輸入于通氣液體的攪拌功率比不通氣液體的低。這可以解釋為：通氣使液體的重度降低。功率的降低，不僅與液體平均重度的降低有關，而且主要取決于渦輪周圍氣液接觸的狀況。第60頁,共125頁，2024年2月25日，星期天邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測量其輸出功率，在雙對數坐標上將Pg標繪成渦輪直徑D，轉速，空氣流量Q和P0的函數，得出以下關系式：第61頁,共125頁，2024年2月25日，星期天福田秀雄在100升至42000升的系列設備里，對邁凱爾關系式進行了校正，得第62頁,共125頁，2024年2月25日，星期天將多組實驗數據分別標出，與實測的對應的Pg在雙對數坐標上標繪。圖中的直線斜率為0.39，截距為2.4×10-3第63頁,共125頁，2024年2月25日，星期天由此得出邁凱爾的修正關系式第64頁,共125頁，2024年2月25日，星期天計算舉例某細菌醪發酵罐罐直徑T＝1.8(米)圓盤六彎葉渦輪直徑D＝0.60米，一只渦輪罐內裝四塊標準擋板攪拌器轉速N＝168轉／分通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內狀態的流量)罐壓P＝1.5絕對大氣壓醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求計算Pg第65頁,共125頁，2024年2月25日，星期天(1)計算ReMReM=5.25×104(2)由NP~ReM查NP

，NP=4.7(3)計算P0P0=NPD5N3ρ=8.07（千瓦）(4)計算Pg第66頁,共125頁，2024年2月25日，星期天3，非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響常見的某些發酵液具有明顯的非牛頓流體特性。這一特性對發酵過程的影響極大，對攪拌功率的計算也帶來麻煩。牛頓型流體：用水解糖液、糖蜜等原料做培養液的細菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度細菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體。非牛頓型流體：霉菌醪、放線菌醪。第67頁,共125頁，2024年2月25日，星期天非牛頓型流體攪拌軸功率的計算與牛頓型流體攪拌軸功率的計算方法一樣，但這類液體的粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須先知道粘度與攪拌速度的關系，然后才能計算不同攪拌速度下的ReM，再后才能根據實驗繪出其NP~ReM曲線。第68頁,共125頁，2024年2月25日，星期天根據米茲納大量實驗數據的證明，牛頓型流體與非牛頓型液體的NP~ReM曲線的差別僅存在于ReM

＝10~300區間之內。如果為了近似的計算，不要求較高的準確度，那么的非牛頓型液體的NP~ReM曲線也可以不要實際標繪。可以用牛頓型流體的NP~ReM曲線代替非牛頓型液體的NP~ReM曲線。第69頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第三節氧的傳遞

（OxygenTransfer）一、IntroductionSupplyingoxygentoaerobiccellshasalwaysrepresentedasignificantchallengetofermentationtechnologists.Theproblemderivesfromthefactthatoxygenispoorlysolubleinwater.ThesolubilityofSucroseis600g.l-1.oxygenat4oCinpurewaterisonly8mg.l-1.Satisfyingoxygendemandscanoftenconstitutealargeproportionoftheoperatingandcapitalofaindustrialscalefermentationsystem.第70頁,共125頁，2024年2月25日，星期天二、Theoxygentransferprocess123456789Ifonlysuspendedcellsareinvolvedandifthelevelofmixinginthebulkliquidissufficientlyhigh,thentheratelimitingstepintheoxygentransferprocessisthemovementoftheoxygenmoleculesthroughthebubbleboundarylayer.1，Theoxygentransferprocess第71頁,共125頁，2024年2月25日，星期天Diffusionthroughthebubbletothegas-liquidinterfaceThisinfactisnotastepatall.Gasmoleculesmovesoquicklythattheyareevenlydistributedthroughoutthebubble.第72頁,共125頁，2024年2月25日，星期天Diffusionacrossthegas-liquidinterfaceThisstepwillalsobeveryrapidiftheconcentrationofoxygeninthebubblehigh.OntheotherhandifthebubbleisrichinCO2andthecontainsalowconcentrationofoxygen,thentherateofoxygentransferoutofthebubblewillbesloworevenzero.第73頁,共125頁，2024年2月25日，星期天DiffusionthroughthebubbleboundarylayerThemovementofsolutesthroughtheboundarylayerisslowbecausesolutesmustmovethroughtheliquidbydiffusion.Manyfactorswillaffecttherateofdiffusionofoxygenthroughtheboundarylayer,includingthe:temperatureconcentrationofoxygeninthebulkliquidsaturationconcentrationofoxygenintheliquidconcentrationofoxygeninthebubblesizeofthemoleculeviscosityofthemedium第74頁,共125頁，2024年2月25日，星期天MovementthroughthebulkliquidbyforcedconvectionanddiffusionTherateofmovementofanoxygenmoleculethroughthebulkliquidisdependentonthedegreeofmixing(relativetothevolumeofthereactor)viscosityofthemedium第75頁,共125頁，2024年2月25日，星期天MovementthroughtheflocThefollowingsteps,completethejourneyoftheoxygenmoleculeStep5-movementthroughtheboundarylayersurroundingthemicrobialslime.Step6-entryintotheslimeStep7-movementthroughtheslimeStep8-movementacrossthecellmembraneStep9-reactionSteps5and7areslowprocesses.第76頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，TheoxygentransfermodelWhenbulkmixinglevelsarehighandsuspendedcellculturesareinvolved,theratelimitingstepinaboveprocesswillgenerallybethediffusionofoxygenthroughthebubbleboundarylayer(Step3).Therefore,itispossibletousetheinterphaseoxygentransferequationtodescribetheoxygentransferrate(OTR):COistheconcentrationofoxygendissolvedinthebulkliquid

kListhemasstransfercoefficientforthebubbleboundarylayer

aistheinterfacialareaperunitvolume

CO*istheconcentrationofoxygeninthebubbleboundarylayer.第77頁,共125頁，2024年2月25日，星期天3，Oxygentransfercoefficient(kL)andinterfacialarea(a)Becauseitnotpossibletoaccuratelymeasurethetotalinterfacialareaofthegasbubbles(a),kLandaarecombinedintosingleterm,referredtoKLa.TheKLarepresentstheoxygentransferrateperunitvolume.第78頁,共125頁，2024年2月25日，星期天4，ThebalancebetweenOXYGENDEMANDandSUPPLYUptakerate：γ=Qo2Xsupplyrate：WhenOTR=γ,KLa=

Qo2X/(c*-cL)WhenOTR

>γ,cL↑WhenOTR<γ,cL↓Ifγisaconstant,KLa↑,cL↑第79頁,共125頁，2024年2月25日，星期天三、影響氧傳遞速率的因素供氧：KLa(c*-cL)耗氧：γ=Qo2X第80頁,共125頁，2024年2月25日，星期天1，影響體積氧傳遞系數Kla的因素根據經驗公式

KLa=k[(P/V)α(vs)β(ηapp)ω]攪拌空氣流速空氣分布管發酵罐內液柱的高度發酵液的性質泡沫和消泡劑第81頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（1）攪拌作用形成小氣泡，增大比表面積液體渦流運動，增加氣液接觸時間料液湍流運動，促進傳質使菌體分散，避免結團第82頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（2）空氣線速度空氣線速度較小時，KLa隨線速度的增加而增加；空氣線速度增加至一定程度后，如不改變攪拌速度，則會降低攪拌功率，使KLa降低，甚至發生“過載”現象。第83頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（3）空氣分布管改變氣泡的大小，從而改變氣泡的比表面積。第84頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（4）發酵罐內液柱高度根據經驗數據：H/D從1增加到2，KLa增加40%H/D從2增加到3，KLa增加20%第85頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（5）發酵液性質粘度：影響液體湍動性及液膜的阻力。第86頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（6）泡沫和消泡劑泡沫：泡沫的存在使氣泡滯留時間延長且導致氣泡中的充分交換；由于泡沫存在于攪拌槳區域而使不能充分地混合發酵液。消泡劑：降低氧的傳遞速率。第87頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，影響的傳質推動力(c*-cL)因素溫度溶液的性質氧分壓發酵罐內液柱的高度第88頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（1）溫度根據亨利定律：亨利常數取決于：溶質濃度、溫度Temperature(oC)

Henry'sconstant(atm.mg-1.l)

25

0.0258

35

0.0299

第89頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（2）溶液的性質鹽和糖的存在降低了氧的溶解度。[NaCl](M)

C*usingpureoxygenat

25oC

0

40.32

0.5

34.24

1.0

28.48

2.0

22.72

第90頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（3）氧分壓第91頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（4）發酵罐內液柱的高度提高氧分壓的一個方法就是提高氣泡總壓力。如：將氣泡的壓力提高到10atm，則氧的分壓可達2.1atm。直接提高罐壓，會存在工程上的問題。因此可通過提高液柱高度來解決。Pbase=rgh+1atmospherePbase

：罐底部壓力（pa）

g：重力加速度（9.8m.s-2

）

h：液柱高度（m）第92頁,共125頁，2024年2月25日，星期天四、體積氧傳遞系數KLa的測定亞硫酸鹽氧化法排氣法取樣極譜法復膜電極和氧分析儀法第93頁,共125頁，2024年2月25日，星期天五、溶氧濃度的測量和控制1，測量：用耐高溫的復膜電極在線測量第94頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，溶氧的控制培養液中氧濃度的任何變化都是供需平衡的結果。調節發酵液中溶氧含量不外從供、需兩個方面去考慮。第95頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（1）供氧方程提高KLa(c*-cL)第96頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（2）需氧方程γ=Qo2X影響此方程的因素：養料的豐富程度溫度的影響第97頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（3）溶氧控制方法的比較第98頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第三節機械攪拌發酵罐的設計機械攪拌發酵罐主要由攪拌裝置、軸封和罐體三部分組成。三個組成部分各起如下的作用:攪拌裝置：由傳動裝置、攪拌軸、攪拌器組成,由電動機和皮帶傳動驅動攪拌軸使攪拌器按照一定的轉速旋轉,以實現攪拌的目的。軸封：為攪拌罐和攪拌軸之間的動密封,以封住罐內的流體不致泄漏。罐體：罐體、加熱裝置及附件。它是盛放反應物料和提供傳熱量的部件。第99頁,共125頁，2024年2月25日，星期天一、設計內容和步驟：設備本體的設計：罐體的設計筒體的設計、計算封頭的設計、計算罐體壓力試驗時應力校核及容積驗算附件的設計選取接管尺寸的選擇法蘭的選取開孔及開孔補強人孔及其它傳熱部件的計算擋板、中間支承、扶梯的選取第100頁,共125頁，2024年2月25日，星期天攪拌裝置的設計：傳動裝置的設計、攪拌軸的設計、聯軸器的選取、軸承的選取及其軸承壽命的核算、密封裝置的選取、攪拌器的設計、攪拌軸的臨界轉速。第101頁,共125頁，2024年2月25日，星期天設備的強度及穩定性檢驗設備承受各種載荷的計算設備重量載荷的計算設備地震彎矩的計算偏心載荷的計算塔體強度及穩定性檢驗裙座的強度計算及校核裙座計算基礎環的計算地腳螺栓計算裙座與筒體對接焊縫驗算第102頁,共125頁，2024年2月25日，星期天二、發酵罐的結構計算1，罐容積的計算根據生產規模和發酵水平計算每日所需發酵液的量，再根據這一數據確定發酵罐的容積。第103頁,共125頁，2024年2月25日，星期天例如，一年產5萬檸檬酸的發酵廠，發酵產酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產日期為300天，發酵周期為96小時。每日的產量=50000/300=166.7噸每日所需發酵液的量=166.7/（0.14×0.9）

=1322.8米3假定發酵罐的裝液系數為85%則每日所需發酵罐容積=1322.8/0.85=1556米3第104頁,共125頁，2024年2月25日，星期天取發酵罐的公稱容積為250米3則每日需要6個發酵罐發酵周期為4天，考慮放罐洗罐等輔助時間1天，整個周期為5天。則所需發酵罐的總數=5×6+1=31個第105頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2，結構尺寸的計算根據已確定的發酵罐公稱容積，可由下式計算發酵罐圓柱體的直徑。第106頁,共125頁，2024年2月25日，星期天封頭的容積的計算橢圓形封頭的容積可查手冊或按下式計算：第107頁,共125頁，2024年2月25日，星期天罐的全容積第108頁,共125頁，2024