3第三章通气与搅拌.

体积被搅拌液体的外力与单位体
积被搅拌液体的惯性之比。
N 单位体积液体所受外 P0/力 V P 单位体积液体的惯性 m力 a/V
式中
ω：涡轮线速度 a：加速度 V：液体体积 m：液体质量
ND ， V D 3
P0
P0
V
ND 4
m V
， a
2
rma V
N
2D
N P0 / ND 4
N3D5
D2N m
式中 P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（W） ρ：液体的密度（kg/m3） μ：液体的粘度（N.s/m2） D：涡轮直径（m） N：涡轮转数（r/s）
K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的 尺寸及流体的流态
P0
N 3 D 5
是一个无因
次数，可定义为功率准数NP。该 准数表征着机械搅拌所施与单位
Chapter4 通气与搅拌
（aeration and agitation ）
本章内容:
搅拌器与搅拌功率 通气发酵罐中溶氧
速率与通气搅拌的关系
一、学习目的与要求
要求学生了解液体通气搅拌反应器的搅拌桨叶类型，掌握 搅拌器轴功率计算方法（包括通气状态和不通气状态）， 以及熟悉非牛顿流体的搅拌器轴功率的计算。
①平直叶型:径向流强烈、循环输送量大、输 出功率大、剪切速率大、混合较好
②弯叶型：输出功率较低、剪切速率较低、 径向流较强烈
③箭叶型：输出功率和剪切速率更低，具有 一定的轴向流
④新型凹叶型：液-气体系中气体分散能力高， 输出功率最低
带圆盘的涡轮式搅拌器与不带 圆盘的涡轮式搅拌器相比，有 什么优点？
圆盘可以使上升的气泡受到阻 碍，只能从圆盘中央流至其边 缘，从而被圆盘周边的搅拌浆 叶打碎、分散，提高了溶氧系 数。
叶片数：How many? 3—8个，一般为6个。
（2）轴向流型搅拌器
螺旋桨式搅拌器（推进式搅拌器）
轴向流型搅拌器可增强罐内物料循环、增 加罐内的溶解氧、缩短发酵周期、提高 产能以及降低能耗。
牛顿型流体：发酵液的黏度只是液体 温度的函数。
非牛顿型流体：发酵液的黏度不仅是 温度的函数，还取决于搅拌桨转动 时在被搅拌液体中产生的剪切速率。
1.牛顿型流体服从牛顿粘性定律，其主要特征就是 其黏度U，只是什么的函数？ （ ）
A.液体密度
B.温度
C. pH
D.
剪应速率
2.牛顿流体特性是 （ ）
A．粘度不随功率输入改变 B.粘度随功率输人 增大而变大
牛顿型流体，搅拌功率计算的功率准
数Np等于3.7的条件为（
）
A．全挡板条件
C．ReM≤104 D．液体湍流
B． ReM≥104 E．液体滞留
湍流和滞留
• 湍流：也称紊流，其特征是流体在流动时，流体 的质点有剧烈的骚扰涡动，一层滑过一层的粘性 流动情况基本消失，只是靠近管壁处还保留滞留 的形态。湍流时，靠近管壁一定距离的流体流速 逐步增大，接近管中央相当范围内的流体流速接 近最大流速；管内流体的平均流速为管中央最大 流速的0.8左右。
• 滞留：也称层流，其特征是当流体在圆管 中作滞留流动时，流体的质点作一层滑过 一层的位移，层与层之间没有明显的干扰。 各层间分子只因扩散而移动。流体的流速 沿断面按抛物线分布；紧靠管壁的流体流 速等于零，管中央的流速最大，管中流体 的平均流速为最大流速的1/2。
2、多只涡轮在不通气条件 下输入搅拌液体的功率计算
P0
P
N 2D
N 3D 5
搅拌功率准数NP的求解 搅拌功率准数NP是搅拌雷诺数ReM的 函数
ReM＞104，达到充分湍流之后， ReM增加， 搅拌功率P0虽然将随之 增大，但NP保持不变，即施加于单 位体积液体的外力与其惯性力之比为 常数，此时
P0=NPD5N3ρ
• 1.对于圆盘六箭叶涡轮，培养对象为
or消除漩涡所需的最少挡板数.
（ b） n （ 0.1— 0.1） 2 n0.5
D
D
2.在标准的搅拌槽反应器中，挡板的直径是 （ ）
A．罐直径的1 /10一1 /12 B．罐直径的1/3一1 /4
C.罐直径的1 /10一1/40 D．只要小于槽直径的1/2 就可以
3、在标准的搅拌槽反应器中，搅拌浆的直径是（ A 罐直径的1/10—1/12 B 罐直径的1/2—1/3 C 罐直径的1/5—1/6 D 只要小于罐直径就可以
产生的剪率较低，对气泡的分散效果不好 叶片一般3片，V﹤25m/s
将罐内液体向前 或向后推进 （或向下或向 上推进），使 流体形成螺旋 状运动的圆柱 流，它的混合 效果较好，对 液体的切剪作 用较小。
径向流型搅拌器和轴向流型搅拌器的结合
国外实践结果表明，在保持单罐产量一定的条件 下，以三层搅拌器为例，最下层仍采用径向型的 涡轮搅拌器，其余两层改用轴向流型搅拌器时， 与三层均采用径向流别搅拌器相比，功率消耗可 降低15—30％。国内医药行业在50m3发酵罐 内，上两档改装轴流向型搅拌器，作土霉素发酵 试验表明，不但消耗功率下降，发酵指数也提高 了近15％。
4.涡轮式搅拌器为什么中间安装一圆盘？
圆盘可以使上升的气泡受到阻碍， 只能从圆盘中央流至其边缘，从 而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、 分散，提高了溶氧系数。
虚拟发酵罐搅拌流型的仿真模拟实验
观察各种搅拌器的流型
3、搅拌器的流型流型
搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固 液相的混合效果及氧气的溶解、热量 的传递具有密切关系。
全挡板条件 必须满足条件：
（ b） n（ 0.1— 0.1） 2n0.5
D
D
D——罐的直径（mm） n—— 挡板数 b——挡板宽度（mm）
还有哪些也可 以起挡板作用?
发酵罐热交换用的竖 立的列管、排管或 蛇管也可起相应的 挡板作用
1、全挡板条件：
指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍
保持不变。
2、挡板
• 挡板的作用是： ①防止液面中央产生漩涡； ②促使液体激烈翻动，增加溶解； ③改变液流的方向，由径向流改为
轴向流
通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设 4~6块即可满足全挡板条件。所谓“全 挡板条件”是指在一定转速下再增加 罐内附件而轴功率仍保持不变。
——是指罐内加了挡板使旋涡基本消失， 或指达到消除液面旋涡的最低挡板条 件。
（1）径向流型搅拌器
蜗轮式 ：
• 蜗轮式搅拌器具有结构简单、传递能 量高、溶氧速率高等优点，但其不足 之处是轴向混合较差，且其搅拌强度 随着与搅拌轴距离增大而减弱，故当 培养液较黏稠时则搅拌与混合效果大 大下降。
平叶涡轮 弯叶涡轮 箭叶涡轮
圆盘蜗轮搅拌器从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为 激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小？
（2）涡轮式搅拌 器的流型
三种涡轮搅拌器 的搅拌流型基本 上相同，各在涡 轮平面的上下两 侧形成向上和向 下的两个翻腾。 如不满足全挡板 条件，轴中心位 置也有凹陷的旋 涡。适当的安排 冷却排管，也可 基本消除轴中心 凹陷的旋涡。
（3）装有套筒时的搅拌器搅拌流型
在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套简， 可以大大加强循环输送效果，并能将液面 的泡沫从套简的上部入口，抽吸到液体之 中，具有自消泡能力。伍氏发酵罐就是具 有这种中心套筒的机械搅拌罐。
搅拌器造成的流体流动型式不仅决定于 搅拌器本身，还受罐内的附件及其安 装位置的影响。
（1）罐中心装垂 直螺旋桨搅拌器 的搅拌流型
罐中心垂直安装
的螺旋桨，在无 挡板的情况下， 在轴中心形成凹 陷的旋涡。如在 同一罐内安装 4~6块挡板，液 体的螺旋状流受 挡板折流，被迫 向轴心方向流动， 使旋涡消失。
一、 搅拌器的型式及流型
搅拌器的主要作用是混合和传质，即使通入 的空气分散成气泡并与发酵液充分混合， 气泡细碎以增大气—液界面，获得所需要 的溶氧速率，并使生物细胞悬浮分散于发 酵体系中，以维持适当的气—液—固(细胞) 三相的混合与质量传递，同时强化传热过 程。为实现这些目的，搅拌器的设计应使 发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运 动。
四十年代中 期，青霉素 的工业化生 产，或深层 通风培养技 术的出现， 标志近代通 风发酵工业 的开始。
• 在深层通风 培养技术中 发酵罐是关 键设备。在 发酵罐中， 微生物在适 当的环境中 进行生长、 新陈代谢和 形成发酵产 物。
机械搅拌通风在生物工程工厂中得到广 泛使用，无论是用微生物作为生物催 化剂，还是有酶或动植物细胞(或组织) 作生物催化剂的生物工程工厂都有。 据不完全统计，它占了发酵总数的70 ％-80％，故又常称之为通用式发酵。
C．粘度随功率输入增大而变小
D.根据牛顿流体的类型，粘度随功率物人增大而 变大或变小
1、单只涡轮在不通气条件下输入搅 拌液体的功率的计算
一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率取 决于下列因素： 叶轮和罐的相对尺寸 搅拌器的转速 流体的性质 挡板的尺寸和数目
通过因次分析，全挡板条件下，得：
K( ) P0
Question:
1、下列哪个气泡的单位体积表面积最大（ ）
A．直径1mm的气泡 B．直径2mm的气泡 C．直径3mm的气泡 D．直径4mm的气泡
2.下列气泡的单位体积表面积最小的是（ ）
A．直径1mm的气泡
B．直径2mm的气泡
C．直径3mm的气泡
D．直径4mm的气泡
1、 搅拌器的型式
径向 轴向
相同转速下，多只涡轮比单只涡轮输出 更多功率：
涡轮只数+涡轮间距： 两只涡轮形成的液流互不干扰，P=2P0 两只涡轮形成的液流重叠：P﹤2P0
• 使用多个涡轮时，两者间的距离S， • 对非牛顿型流体可取为2D； • 对牛顿型流体可取2.5~3.0D； • 静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D； • 下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。
迈凯尔用六平叶涡轮将空气分散 于液体中，测量其输出功率，在 双对数坐标上将Pg标绘成涡轮直 径D，转速，空气流量Q和P0的函 数，得出以下关系式：
P C( ） P02ND3 0.45
g
Q0.56
福田秀雄在100升至42000升的系列 设备里，对迈凯尔关系式进行了校正， 得
P f ( ) P02ND3
二、搅拌器轴功率的计算
• 搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅 拌器以既定的速度旋转时，用以克服
介质的阻力所需的功率，简称轴功率。
它不包括机械传动的摩擦所消耗的功 率，因此它不是电动机的轴功率或耗 用功率。
发酵罐液体中的溶氧速率以及气 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关系。
• 要求计算Pg
(1)计算ReM ReM= ρ D2N/ μ =5.25× 104 (2)由NP~ ReM查NP ， NP =4.7 (3)计算P0
P0=NPD5N3ρ= 8.07（千瓦） (4)计算Pg
Pg 2.25(PQ 02N0.0D83)0.39103
6.55(千瓦 )
１、轴功率 是指搅拌器以既定的速度旋转时，用
以克服介质的阻力所需的功率。 2、发酵罐通气条件下的搅拌功率与
不通气条件下的搅拌功率的关系通 常是（ ） A 小于 B 大于 C 等于 D 无关
二、考核知识点与考核目标 1、重点 （1）概念：轴功率、功率准数Np、通气准数Na（识记） （2）搅拌器轴功率计算（应用） 2、次重点 非牛顿流体的搅拌器轴功率的计算（理解） 3、一般： 通气搅拌反应器的搅拌桨叶类型（识记）
第一节 搅拌器与搅拌功率
一、搅拌器的型式及流型 二、搅拌器轴功率计算 三、非牛顿流体特性
g
Q0.08
将多组实验数据分别标出，与实测的对 应的Pg在双对数坐标上标绘。
图中的直线斜率为0.39，截距为2.4× 10-3
由此得出迈凯尔的修正关系式
P g2.2(5 P Q 02N 0.03 8 D )0.3910 3
计算举例
• 某细菌醪发酵罐
• 罐直径T＝1.8(米) • 圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮 • 罐内装四块标准挡板 • 搅拌器转速N＝168转／分 • 通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量) • 罐压P＝1.5绝对大气压 • 醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2 • 醪液密度ρ＝1020公斤／米3
• 符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测 结果都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个 涡轮的功率乘以涡轮的个数。
3、通气液体机械搅拌功率的计算
同一搅拌器在相等的转速下输入于通气 液体的搅拌功率比不通气液体的低
这可以解释为：通气使液体的重度降低。 • 功率的降低，不仅与液体平均重度的
降低有关，而且主要取决于涡轮周围 气液接触的状况。