通气与搅拌技术应用

黑曲霉、产黄青霉和灰色链霉菌等丝 状菌发酵液
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
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、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、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。
（5）计算ReM。
拟塑性流体的搅拌功率的 计算
（6）计算Np：在几何相似的小罐里，绘制出 Np--ReM曲线；若ReM＞300，可以用牛顿型 流体的Np--ReM曲线代替拟塑性流体的Np-ReM曲线。
（7）对几何相似的大罐，计算P0。 （8）再计算Pg。
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
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dω/dγ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μ=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
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。
正比，即（dω/dγ）平=k N，（二档涡轮搅拌） ❖ μa=τ/(dω/dγ) =K(dω/dγ)n-1
3、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。
（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。
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 ❖ τ= τy+μpdω/dγ ❖ τy屈服剪应力，μp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
❖P0由 于鲁N士P顿N以3径D 向5流(圆W 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；
3
4
1
2
1、非牛顿型发酵醪的流变学特征
❖ （1）牛顿流体 ❖ τ=μdω/dγ （μ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
❖ （2）拟塑性流体 ❖ τ= K（dω/dγ）n ，0＜ n＜1 ❖ 其黏度随着剪切速率的升高而降低，因此，对同一流体不
❖ 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。
❖ 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
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
发酵罐中的常用机械搅拌 桨
1.ONE 2.TWO
径向流 轴向流
LOGO
（一）径向流搅拌器
圆盘平直叶涡轮搅拌器直线斜率为，截距为3，经换算为标准单位后，得 修正的迈凯尔式为：
P ❖g此40式m2.3可2的用5罐于。P 较0Q 2大N 0.的08D 罐3（0.3如9410m033），以及外推至略大于
❖ 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；
1、单只涡轮不通气条件下 输入搅拌液体功率P0的计 ❖ 定义：搅拌器输算入搅拌液体的功率，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
p0
N3D5
KD5Nm
❖ 其中， p 0 是一个无因次数，定义为功
率准数NpN。3它D 5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
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。
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
d d
平
KN
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（dω/dγ）平，计算（dω/dγ）
平
（3）用粘度计测定特定温度下，菌体生长 最旺盛时的液体流变特性曲线；计算参数 K和n。
（4）根据算出的（dω/dγ）平查得既定转速 N时的表观粘度。
体的惯性力之比。
❖ 当ReM≧104时，液体达到充分湍流之后，如 ReM继续上升，搅拌功率P0虽随之增大，但 NP将保持不变。也就是说当ReM≧104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：
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
❖ 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，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 2.5~3D，静液面至上涡轮的距离可取 0.5~2D，下涡轮至罐底的距离dc可到 0.5~1D。
❖ 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。
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。
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
1、非牛顿型发酵醪的流变学特征
❖ （4）膨胀性流体 ❖ τ= K（dω/dγ）n ，n＞1 ❖ 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 拟塑性流体 膨胀性流体
❖ 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，它据此整理出经验式为：
Pg
C
P02ND3 Q0.56
0.45
❖ 福田秀雄等在100~40000L的五只设备里对迈凯尔的经验 式进行了校正，获得：
Pg
A
P02ND3 Q0.0 8
m
❖ 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。