第三章_通气与搅拌

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 屈服剪应力， 刚性粘度， 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 液体层间的剪切速率为 ， 生相对流动。 生相对流动。 但当剪应力大于屈服剪应力， 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。 有相同的流变特性，其黏度与剪切速率无关。
无通气时的搅拌轴功率计算
先算出Re 线上查得N 先算出 M，从NP- ReM线上查得 P值，则：
P0 = N P N D ρ (W )
3 5
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。 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
上图的直线斜率为0.39，截距为2.4X10-3，经换算为 ，截距为 上图的直线斜率为 标准单位后，得修正的迈凯尔式为： 标准单位后，得修正的迈凯尔式为：
P0 ND Pg = 2.25 × Q 0.08
2
3

0.39
×10 −3
此式可用于较大的罐（ ），以及外推至略大于 此式可用于较大的罐（如40m3），以及外推至略大于 40m3的罐。 的罐。
鲁士顿关系式
D Nρ p0 = K 3 5 µ ρN D
5
m
p0 其中， 是一个无因次数， 其中， 3 5 是一个无因次数，定义为功率准 ρN D
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。 体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性力之比。
在众多大型抗生素发酵厂被广泛采用， 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。 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、 搅拌器在罐内造成的液流形式，对气、固及液相 的混合， 的混合，氧气的溶解以及热量的传递等有重大的 影响。 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。 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 有挡板时，液体的螺旋状液流受挡板折流， 向轴心方向流动，使旋涡消失。 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” 消除旋涡所必需的最少挡板数为“全挡板条件” 。
液体达到充分湍流之后， 当ReM≧104时，液体达到充分湍流之后，如 继续上升，搅拌功率P 虽随之增大， ReM继续上升，搅拌功率 0虽随之增大，但NP 将保持不变。也就是说当 将保持不变。也就是说当ReM≧104时， NP为 常数。 常数。
圆盘六平直叶涡轮： 圆盘六平直叶涡轮： NP=6 圆盘六弯叶涡轮： NP=4.7 圆盘六弯叶涡轮： 圆盘六箭叶涡轮： NP=3.7 圆盘六箭叶涡轮：
本章要讨论的问题
有关溶氧与搅拌供求的相关问题， 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， 求做到既能满足溶氧速率要求，又降 低能量消耗。 低能量消耗。

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Contents
第一节 搅拌器的形式和轴功率的计算

溶氧(DO) 溶氧
为了提高溶氧速率， 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。 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。 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 另外， 和混合时间有显著的差异， 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， 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。 发酵罐内生化过程反应速率分布不均。
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， 强烈，在相同的搅拌转速时平直叶涡轮的混合效 果较好， 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， 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， 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。 混合效果更好。
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； 母醪属于牛顿型流体； 直接用淀粉、 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； 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； 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， 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。 流动状态而异。
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， 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 在这两个翻腾之间是一个混合迟缓区， 速度仅及混合主流区的1/10。 。 速度仅及混合主流区的
3、轴向流搅拌器的搅拌流型 、
2
0.45
福田秀雄等在100~40000L的五只设备里对迈凯尔的 的五只设备里对迈凯尔的 福田秀雄等在 经验式进行了校正，获得： 经验式进行了校正，获得：
P0 ND 3 Pg = A Q 0.08
2
m
福田秀雄等将60组实验资料在双对数坐标纸上标 福田秀雄等将 组实验资料在双对数坐标纸上标 绘，得到下图。 得到下图。
3、通气液体机械搅拌功率Pg的计算 、通气液体机械搅拌功率
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。 比输入不通气的液体的更低。
原因是什么？ 原因是什么？
迈凯尔等用六平叶涡轮将空气分散于液体中， 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 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 ，空气流量Q和 的函数， 轮直径 、转速N，空气流量 和P0的函数，如 下图。 下图。
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， 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。 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， 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。 被广泛采用。
Lightnin A315型轴流式搅拌器 型轴流式搅拌器
LOGO
发 罐
机械搅 机械搅 桨
1.ONE
径向流
2.TWO
轴向流LOGO Nhomakorabea（一）径向流搅拌器 圆盘平直叶涡轮搅拌器 圆盘弯叶涡轮搅拌器 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， 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。 轴部叶片空隙中上升。 其很秘的剪切速率保证了气泡更好地分散， 其很秘的剪切速率保证了气泡更好地分散，有利 于气液间的传质。 于气液间的传质。 还具有很大的循环输送量和功率输出。 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 气三相液体的搅拌混合， 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。 流体及非牛顿流体。
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。 其黏度随剪切速率的增大而升高。
（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、 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。 大的关系。 搅拌功率不但决定于搅拌器的形式、转速、 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， 附件及其间的尺寸比，还决定于被搅拌液体的物 理特性。 理特性。
在相同转速下， 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， 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。 定于涡轮的距离。 两只涡轮形成的液流互不干扰， 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； 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， 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。 率小于单只涡轮的两倍。
使用多只涡轮，每两只涡轮的间距 ， 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， ，对牛顿型流体可取 型流体可取 ， 静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D，下涡轮至 ， 静液面至上涡轮的距离可取 罐底的距离d 可到0.5~1D。 罐底的距离 c可到 。 符合上述条件的发酵罐， 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。 只数。
第三章 通气与搅拌
湖南科技学院生化系
溶氧(DO) 溶氧
溶氧(DO)是需氧微生物生长所必需。在发酵过程中有多 是需氧微生物生长所必需。 溶氧 是需氧微生物生长所必需 方面的限制因素，而溶氧往往是最易成为控制因素。 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 ℃氧在发酵液中的 ％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 左右，比糖的溶解度小 左右 倍 期即使发酵液中的溶氧能达到100％空气饱和度，若此时 ％空气饱和度， 期即使发酵液中的溶氧能达到 中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（ 中止供氧，发酵液中溶氧可在几秒（分）钟之内便耗竭， 几秒 钟之内便耗竭， 便耗竭 使溶氧成为限制因素。 使溶氧成为限制因素。