【正文】 其剪應(yīng)力與剪切率的關(guān)系是不通過(guò)原點(diǎn)的直線。（620）式中我們接觸的非牛頓型流體基本上為穩(wěn)定的非牛頓型流體，而此類流體可按剪應(yīng)力與剪切率之間的關(guān)系，分為三類：①擬塑性流體（分段型性流體）其剪應(yīng)力和剪切率的關(guān)系：（1）非牛頓型發(fā)酵醪的流變等特性牛頓型流體的流態(tài)式為直線，服從牛頓特性定律：式中3．非牛頓流體特性對(duì)攪拌功率計(jì)算的影響常見(jiàn)的某些發(fā)酵醪具有明顯的非牛頓流體特性。 ——液相體積；——攪拌槳葉寬；上式計(jì)算于實(shí)驗(yàn)值誤差為11%。 （615）式中 ——攪拌轉(zhuǎn)速，r/min；——工況下通氣量，m3/min。 s時(shí)，可用Michel公式來(lái)估算渦輪攪拌器的通氣攪拌功率： ——攪拌器轉(zhuǎn)速，；若以表示通氣攪拌功率，為不通氣攪拌功率，則當(dāng)時(shí)， ——工況通氣量，；可能的原因是：1）由于通氣使得液體的密度降低；2）由于通氣使得液體的翻動(dòng)。 攪拌器層數(shù)。 （68）為校正系數(shù)，它由下式來(lái)確定：在一般情況下，攪拌器大多在湍流狀態(tài)下操作，故可用式（67）來(lái)計(jì)算攪拌器的軸功率。 （66） 在一系列的幾何相似的試驗(yàn)設(shè)備中，用不同型式的攪拌器進(jìn)行試驗(yàn)得出：當(dāng)、擋板數(shù)4的情況下，對(duì)渦輪式、螺旋槳式和平槳式三種槳型的功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系，如圖62a所示。所以，在具有擋板且滿足全擋板的情況下，即攪拌準(zhǔn)數(shù)是攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)。 ——功率準(zhǔn)數(shù)；——攪拌情況下的雷諾準(zhǔn)數(shù)；——攪拌下的弗魯特準(zhǔn)數(shù)；——攪拌器類型、發(fā)酵罐幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)，不同攪拌器的值見(jiàn)表61。 、通過(guò)因次分析及實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)牛頓型流體而言，可得到下列準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式：1．不通氣條件下的軸功率計(jì)算在機(jī)械攪拌發(fā)酵罐中，攪拌器輸出的軸功率與下列因素有關(guān)：發(fā)酵罐直徑、攪拌器直徑、液柱高度、攪拌器的轉(zhuǎn)速、液體粘度、流體密度、重力加速度以及攪拌器形式和結(jié)構(gòu)等。但在發(fā)酵過(guò)程中通氣量較大，氣泡直徑僅與通氣量有關(guān)而與通氣出口直徑無(wú)關(guān)。第二種形式是開(kāi)口朝下的多孔環(huán)形管。其作用是將泡沫打碎。3．機(jī)械消沫裝置發(fā)酵過(guò)程中由于發(fā)酵液中含有大量的蛋白質(zhì)，故在強(qiáng)烈的通氣攪拌下將產(chǎn)生大量的泡沫。⑤ 軸與軸套不受磨損。動(dòng)環(huán)由于密封流體壓力和彈簧力等推向靜環(huán)方向，密封面自動(dòng)保持緊密接觸，因此較少需要調(diào)整。這是由于環(huán)密封圈與轉(zhuǎn)軸以及靜環(huán)密封圈與壓蓋沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，幾乎不受磨損，而且端面材料是由具有高度平直、滑動(dòng)性、耐磨性好的適當(dāng)材料構(gòu)成的，即使無(wú)潤(rùn)滑性流體進(jìn)行潤(rùn)滑，密封端面的泄漏量也是極少的。（2）機(jī)械密封機(jī)械密封的工作原理：它是靠彈性元件（彈簧、波紋管）及密封介質(zhì)壓力在兩個(gè)精密的平面（動(dòng)環(huán)和靜環(huán)）間產(chǎn)生壓緊力，相互貼緊，并作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而達(dá)到密封。（1）填料函密封填料箱本體固定在發(fā)酵罐頂蓋的開(kāi)口法蘭上，將轉(zhuǎn)軸通過(guò)填料函，然后放置有彈性的密封填料，然后放上填料壓蓋，擰緊壓緊螺栓，填料受壓后，產(chǎn)生彈性變形堵塞了填料和軸之間的間隙，轉(zhuǎn)軸周圍產(chǎn)生一定的徑向壓緊力，從而起到密封介質(zhì)壓力的作用。3．軸封軸封的作用是防止染菌和泄漏。 （61）式中此條件與擋板數(shù)Z，與擋板寬度W與罐徑D之比有關(guān)。發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)擋板的作用是防止液面中央形成旋渦流動(dòng)，增強(qiáng)湍動(dòng)和溶氧傳質(zhì)。攪拌器大多采用渦輪式。2．?dāng)嚢杵骱蛽醢鍨榱藦?qiáng)化軸向混合，可采用蝸輪式和推進(jìn)式葉輪共用的攪拌系統(tǒng)。下面做簡(jiǎn)要的介紹。第一節(jié)根據(jù)反應(yīng)器所需的能量的輸入方式，微生物細(xì)胞反應(yīng)器可以分為：通過(guò)機(jī)械攪拌輸入能量的機(jī)械式、利用氣體噴射動(dòng)能的氣生式和利用泵對(duì)液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生物反應(yīng)器等。由生物細(xì)胞或生物體組成參與的生產(chǎn)過(guò)程可統(tǒng)稱為生物反應(yīng)過(guò)程，利用生物催化劑進(jìn)行反應(yīng)的生物反應(yīng)器在生產(chǎn)過(guò)程中，具有重要 的作用，是實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵設(shè)備，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。在生物反應(yīng)過(guò)程中，若采用活細(xì)胞（包括微生物、動(dòng)植物細(xì)胞）為生物催化劑，稱為發(fā)酵過(guò)程或細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程。自上一世紀(jì)四十年代，青霉素大規(guī)模生產(chǎn)以來(lái)，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)多異，性能和用途不同的多類生物反應(yīng)器。 機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器是發(fā)酵工廠最常用的類型之一。1．罐體罐體由圓筒體和橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料以不銹鋼為好。為了拆裝方便，大型攪拌葉輪可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體裝配于攪拌軸上。渦輪式攪拌器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳遞能量高、溶氧速率高等優(yōu)點(diǎn)，但存在的缺點(diǎn)是軸向混合差，攪拌強(qiáng)度隨著與攪拌軸距增大而減弱，故當(dāng)培養(yǎng)液較粘稠時(shí)，混合效果就下降。通常設(shè)46塊擋板，達(dá)到全擋板條件。 ——擋板寬度，mm；——罐內(nèi)徑，mm；——擋板數(shù)，mm。攪拌軸的密封為動(dòng)密封，這是由于攪拌軸是轉(zhuǎn)動(dòng)的，而頂蓋是固定靜止的，兩個(gè)構(gòu)件之間具有相對(duì)用動(dòng)，這時(shí)的密封要按照動(dòng)密封原理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。填料函密封具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，填料拆裝方便的特點(diǎn)。主要作用是將較易泄漏的軸面密封，改變?yōu)檩^難滲漏的端面（徑向）密封。② 使用工作壽命長(zhǎng)。④ 摩擦功率損耗小。⑥ 結(jié)構(gòu)緊湊，安裝長(zhǎng)度較短。嚴(yán)重的泡沫將導(dǎo)致發(fā)酵液的外溢和增加染菌機(jī)會(huì)，在通氣發(fā)酵生產(chǎn)中有兩種消泡方法。消沫器可分為兩大類：一類置于罐內(nèi)，目的是防止泡沫外溢，它是在攪拌軸或罐頂另外引入的軸（指攪拌軸由罐底伸入時(shí)）上裝上消沫槳；另一類置于罐外，目的是從排氣中分離已溢出的泡沫使之破碎后將液體部分返回罐內(nèi)。小孔直徑，孔的總面積約等于通風(fēng)管的截面積。又由于在強(qiáng)烈機(jī)械攪拌的條件下，多孔分布器對(duì)氧的傳遞效果并不比單孔管為好，相反的還會(huì)造成不必要的壓力損失，且易使物料堵塞小孔，故已很少采用。因?yàn)?、均與之間有一定比例關(guān)系，于是：故，式（62）又可改寫為 從圖中可以看出：當(dāng)時(shí)，液體處于層流狀態(tài)，此時(shí)，（65）當(dāng)時(shí)液體處于湍流狀態(tài)，此時(shí)，由于一般發(fā)酵罐中、其攪拌功率可用下式校正： （69）式中，帶*號(hào)代表實(shí)際攪拌設(shè)備情況。在發(fā)酵生產(chǎn)中，液體深度較大，只用一只攪拌器，攪拌效果不佳。也就是說(shuō)，減少程度主要取決于攪拌器與周圍液體的情況。 （612）當(dāng)時(shí)，Reuss用因次分析法提出下列關(guān)系式： ——Froude準(zhǔn)數(shù)； ——通氣準(zhǔn)數(shù)；——反應(yīng)器直徑；——攪拌槳直徑。Brown提出更為簡(jiǎn)單的關(guān)聯(lián)式： （617）式中這一特性對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響極大，對(duì)攪拌功率的計(jì)算也帶來(lái)麻煩。 ——剪應(yīng)力；——剪切率（速度梯度）凡牛頓型性流體，服從 （618）而對(duì)于非牛頓型流體： ——均勻性系數(shù)，也稱作稠度指數(shù)，與牛頓型流體的粘度具有相類似的概念，所以也可以稱作液體的粘度指標(biāo)；——流動(dòng)性指數(shù)，＜1。 k——均勻性指數(shù)據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，某些發(fā)酵液隨著發(fā)酵時(shí)間的變化，其流變狀態(tài)發(fā)生變化。但從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可以得出，牛頓型流體與非牛頓型流體的～曲線基本吻合，差別僅在＝10～300區(qū)間之內(nèi)。熱傳遞在攪拌反應(yīng)器內(nèi)是一個(gè)非定態(tài)過(guò)程。以下就用該模型進(jìn)行理論分析?！猵randtl數(shù)；——局部散失熱；——Reynols數(shù)；——Reynols數(shù)；——局部溫度；——局部徑向速度；——局部切向速度；——局部軸向速度；——相對(duì)徑向速度；——相對(duì)軸向速度；——徑向無(wú)因次坐標(biāo)；——軸向無(wú)因次坐標(biāo)；——導(dǎo)熱系數(shù)；——比熱容，為熱擴(kuò)散系數(shù)，為時(shí)間，T為任意時(shí)間t的局部溫度，為時(shí)間t為0時(shí)的溫度，為反應(yīng)器壁溫度。流體中的熱傳遞只靠次生流。 液體自由表面 3） 4） 容器軸 5） 攪拌軸圓柱體表面 無(wú)因次旋轉(zhuǎn)軸直徑從結(jié)果中得出局部溫度時(shí)以下參數(shù)的函數(shù)。 ——傳熱系數(shù)，定義為 和——器壁內(nèi)表面和外表面上的傳熱系數(shù)；——為器壁厚度；——為器壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)； 平均面積Am為：溫度差取對(duì)數(shù)平均值：式中以下方程式可用于帶擋板、不帶擋板、渦流槳、錨式槳、螺旋槳和槳葉式攪拌器，以及純牛頓型流體和純非牛頓型流體。其他流體性質(zhì)必須在平均流體溫度下確定。氣升式反應(yīng)器是在鼓泡塔反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應(yīng)液循環(huán)流動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的攪拌、混合和傳遞氧。由此生產(chǎn)的產(chǎn)品有單細(xì)胞蛋白、酒精、抗生素、生物表面活性劑等。前者使循環(huán)過(guò)程中的升管與降管均設(shè)置在同一發(fā)酵罐內(nèi)部；而后者則令上升管與下降管分立布置。內(nèi)循環(huán)式生物反應(yīng)器內(nèi)部有四個(gè)組成部分：（1）升液壓 在反應(yīng)器中央，導(dǎo)流管內(nèi)部。（3）底部 升液區(qū)與降液區(qū)下部相連區(qū)，對(duì)反應(yīng)器特性影響不大。內(nèi)循環(huán)氣生式生物反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)如圖65所示。目前，專家對(duì)氣升式生物反應(yīng)器的研究工作的較多，但主要是對(duì)高徑比較高()的氣升式生物反應(yīng)器的研究。上升管與下降管直徑之比（），罐體高徑比()，用不銹鋼制造，通風(fēng)量可調(diào)節(jié)，溫度可自動(dòng)控制檢測(cè)。（632）當(dāng)時(shí)，（634）式中循環(huán)周期可有下式計(jì)算。 ——發(fā)酵液體積；——發(fā)酵液體積循環(huán)流速。（636）適用范圍為，與發(fā)酵特性無(wú)關(guān)。由導(dǎo)流管上面環(huán)形渦流造成的混合過(guò)程對(duì)混合時(shí)間由很大影響，導(dǎo)流管離液面的距離對(duì)混合時(shí)間也有影響。 ——相對(duì)停留時(shí)間時(shí)循環(huán)系統(tǒng)中的總濃度；；——平均停留時(shí)間；，指n次循環(huán)；——第n次循環(huán)時(shí)的相對(duì)濃度；——時(shí)間t內(nèi)的軸向擴(kuò)散系數(shù)；——平均循環(huán)時(shí)間；——Bodenstein數(shù)；一般來(lái)說(shuō)相同條件下，通氣功率越大，供氧速率越大，供氧功率因數(shù)越小。（2）操作氣速表觀氣速影響氣升式反應(yīng)器的氣含率、循環(huán)時(shí)間及液體體積傳質(zhì)系數(shù)，并且其影響還與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)(如氣體預(yù)分布器、內(nèi)件設(shè)置等)和物料的特性有關(guān)。由于粘性較高，為了提高傳質(zhì)速率，以往對(duì)發(fā)酵液和生物細(xì)胞培養(yǎng)液常采用機(jī)械攪拌罐。 ——總摩擦損失系數(shù)，無(wú)因次；——?dú)怏w分散高度，；在工程上氣體分散高度與反應(yīng)器的靜液高度——分布參數(shù)，它反映了上升管內(nèi)氣含率、氣泡大小和液體速度分布的不均勻性。 （641）式中 ——下降管局部阻力損失系數(shù)，無(wú)因次；——?dú)庖悍蛛x箱局部阻力損失系數(shù)，無(wú)因次；——底箱局部阻力損失系數(shù)，無(wú)因次；——上升管局部阻力損失系數(shù)，無(wú)因次；——下降管的橫截面積，；——上升管的橫截面積。下降管的阻力損失系數(shù)根據(jù)Blaius公式計(jì)算 ——下降管高度，；——上升管直徑?；驹O(shè)計(jì)參數(shù)：反應(yīng)器的高徑比：；反應(yīng)器的體積：；反應(yīng)液質(zhì)量：；循環(huán)比：；平均循環(huán)速度：；循環(huán)空速：；平均循環(huán)時(shí)間：；平均停留時(shí)間：；噴嘴出口液體流速：；噴嘴雷諾數(shù)數(shù)：；平均循環(huán)雷諾數(shù)數(shù)：；雷諾數(shù)數(shù)之比：；2．液體噴射循環(huán)反應(yīng)器的循環(huán)阻力平均循環(huán)速率越大，混合越強(qiáng)烈。該反應(yīng)器以氣體為分散相、液體為連續(xù)相、涉及氣液界面。壓縮空氣由塔底導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)篩板逐漸上升，氣泡在上升過(guò)程中帶動(dòng)發(fā)酵液同時(shí)上升，上升后的發(fā)酵液又通過(guò)篩板上帶有液封作用的降液管下降而形成循環(huán)。張朝暉等采用三相鼓泡塔作為固定化培養(yǎng)產(chǎn)酶的生物反應(yīng)器，用于間歇合成木素過(guò)氧化物酶系。鼓泡反應(yīng)器結(jié)構(gòu)筒單，易于操作，操作成本低，混合和傳質(zhì)傳熱性能較好，因此廣泛應(yīng)用于生物工程行業(yè)中，例如乙醇發(fā)酵、單細(xì)胞蛋白發(fā)酵、廢水處理、廢氣處理（例如用微生物處理氣相中的苯）等。一、流體力學(xué)特征一般可用壓降、氣含率、液體速度分布、分散和混合特征等來(lái)描述鼓泡反應(yīng)器的多相流體特征。單靠通氣常常不能使整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的物料完全均一，此時(shí)就需要通過(guò)混合來(lái)使菌體與氧和其他底物接觸。氣含率可以借助γ線空隙率計(jì)測(cè)量反應(yīng)床的空隙率(空隙率=氣相占的截面積/總截面積)得到。由于介質(zhì)的密度具有疊加性質(zhì)，可知?dú)夂逝c密度的關(guān)系如下：則氣含率為： （648）式中 ——反應(yīng)床內(nèi)混合相密度；、——?dú)庀?、液相密度?（649）式中 Ｈ——反應(yīng)床高度。此時(shí)氣泡直徑相當(dāng)均勻，氣泡群中的氣泡以相同的速度上升，不發(fā)生嚴(yán)重的聚并，相互間不易發(fā)生作用，這種流動(dòng)狀態(tài)稱為擬均勻流動(dòng)，工業(yè)上通常要求在這樣的條件下操作。雖然大氣泡的比例很小，但它的上升速度很快。平均孔徑小于的多孔噴嘴，對(duì)于不同的流體和反應(yīng)器，當(dāng)氣速在至?xí)r，仍可保持均勻流動(dòng)。通過(guò)沿塔的壓力分布的在線測(cè)量可以確定氣含率。 氣泡上升速率與氣泡直徑間存在著關(guān)聯(lián)式，并可根據(jù)氣泡上升速率求出氣泡尺寸和氣液接觸面積。二、傳熱和傳質(zhì)1．流體的傳遞特性對(duì)液相位完全混合狀態(tài)的鼓泡塔，其體積傳質(zhì)系數(shù)KLa可用Akita和Yoshida的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算Pa2．熱量傳遞鼓泡塔生物反應(yīng)器內(nèi)的傳熱通常采用兩種方式，－種是夾套、蛇管或列管式冷卻器，另一種是液體循環(huán)外冷卻器。通常鼓泡塔的傳熱速率與機(jī)械攪拌反應(yīng)器的相近。④ 表觀氣速對(duì)給熱系數(shù)有影響。需注意當(dāng)有微生物黏著于熱傳遞表面時(shí)，會(huì)降低熱