【正文】 其剪應力與剪切率的關系是不通過原點的直線。（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力與剪切率之間的關系，分為三類：①擬塑性流體（分段型性流體）其剪應力和剪切率的關系：（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．非牛頓流體特性對攪拌功率計算的影響常見的某些發(fā)酵醪具有明顯的非牛頓流體特性。 ——液相體積；——攪拌槳葉寬；上式計算于實驗值誤差為11%。 （615）式中 ——攪拌轉(zhuǎn)速，r/min；——工況下通氣量，m3/min。 s時，可用Michel公式來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，則當時， ——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。 攪拌器層數(shù)。 （68）為校正系數(shù)，它由下式來確定：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）來計算攪拌器的軸功率。 （66） 在一系列的幾何相似的試驗設備中，用不同型式的攪拌器進行試驗得出：當、擋板數(shù)4的情況下，對渦輪式、螺旋槳式和平槳式三種槳型的功率準數(shù)與雷諾準數(shù)的關系，如圖62a所示。所以，在具有擋板且滿足全擋板的情況下，即攪拌準數(shù)是攪拌雷諾準數(shù)的函數(shù)。 ——功率準數(shù)；——攪拌情況下的雷諾準數(shù)；——攪拌下的弗魯特準數(shù)；——攪拌器類型、發(fā)酵罐幾何尺寸有關的常數(shù)，不同攪拌器的值見表61。 、通過因次分析及實驗證實，對牛頓型流體而言，可得到下列準數(shù)關聯(lián)式：1．不通氣條件下的軸功率計算在機械攪拌發(fā)酵罐中，攪拌器輸出的軸功率與下列因素有關：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)酵過程中通氣量較大，氣泡直徑僅與通氣量有關而與通氣出口直徑無關。第二種形式是開口朝下的多孔環(huán)形管。其作用是將泡沫打碎。3．機械消沫裝置發(fā)酵過程中由于發(fā)酵液中含有大量的蛋白質(zhì)，故在強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)密封圈與壓蓋沒有相對運動，幾乎不受磨損，而且端面材料是由具有高度平直、滑動性、耐磨性好的適當材料構(gòu)成的，即使無潤滑性流體進行潤滑，密封端面的泄漏量也是極少的。（2）機械密封機械密封的工作原理：它是靠彈性元件（彈簧、波紋管）及密封介質(zhì)壓力在兩個精密的平面（動環(huán)和靜環(huán)）間產(chǎn)生壓緊力，相互貼緊，并作相對旋轉(zhuǎn)運動而達到密封。（1）填料函密封填料箱本體固定在發(fā)酵罐頂蓋的開口法蘭上，將轉(zhuǎn)軸通過填料函，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。發(fā)酵罐內(nèi)設擋板的作用是防止液面中央形成旋渦流動，增強湍動和溶氧傳質(zhì)。攪拌器大多采用渦輪式。2．攪拌器和擋板為了強化軸向混合，可采用蝸輪式和推進式葉輪共用的攪拌系統(tǒng)。下面做簡要的介紹。第一節(jié)根據(jù)反應器所需的能量的輸入方式，微生物細胞反應器可以分為：通過機械攪拌輸入能量的機械式、利用氣體噴射動能的氣生式和利用泵對液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生物反應器等。由生物細胞或生物體組成參與的生產(chǎn)過程可統(tǒng)稱為生物反應過程，利用生物催化劑進行反應的生物反應器在生產(chǎn)過程中，具有重要 的作用，是實現(xiàn)生物技術產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的關鍵設備，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。在生物反應過程中，若采用活細胞（包括微生物、動植物細胞）為生物催化劑，稱為發(fā)酵過程或細胞培養(yǎng)過程。自上一世紀四十年代，青霉素大規(guī)模生產(chǎn)以來，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)多異，性能和用途不同的多類生物反應器。 機械攪拌式生物反應器機械攪拌式生物反應器是發(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)簡單、傳遞能量高、溶氧速率高等優(yōu)點，但存在的缺點是軸向混合差，攪拌強度隨著與攪拌軸距增大而減弱，故當培養(yǎng)液較粘稠時，混合效果就下降。通常設46塊擋板，達到全擋板條件。 ——擋板寬度，mm；——罐內(nèi)徑，mm；——擋板數(shù)，mm。攪拌軸的密封為動密封，這是由于攪拌軸是轉(zhuǎn)動的，而頂蓋是固定靜止的，兩個構(gòu)件之間具有相對用動，這時的密封要按照動密封原理來進行設計。填料函密封具有結(jié)構(gòu)簡單，填料拆裝方便的特點。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。④ 摩擦功率損耗小。⑥ 結(jié)構(gòu)緊湊，安裝長度較短。嚴重的泡沫將導致發(fā)酵液的外溢和增加染菌機會，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）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管的截面積。又由于在強烈機械攪拌的條件下，多孔分布器對氧的傳遞效果并不比單孔管為好，相反的還會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。因為、均與之間有一定比例關系，于是：故，式（62）又可改寫為 從圖中可以看出：當時，液體處于層流狀態(tài)，此時，（65）當時液體處于湍流狀態(tài)，此時，由于一般發(fā)酵罐中、其攪拌功率可用下式校正： （69）式中，帶*號代表實際攪拌設備情況。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，減少程度主要取決于攪拌器與周圍液體的情況。 （612）當時，Reuss用因次分析法提出下列關系式： ——Froude準數(shù)； ——通氣準數(shù)；——反應器直徑；——攪拌槳直徑。Brown提出更為簡單的關聯(lián)式： （617）式中這一特性對發(fā)酵過程的影響極大，對攪拌功率的計算也帶來麻煩。 ——剪應力；——剪切率（速度梯度）凡牛頓型性流體，服從 （618）而對于非牛頓型流體： ——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；——流動性指數(shù)，＜1。 k——均勻性指數(shù)據(jù)有關資料報道，某些發(fā)酵液隨著發(fā)酵時間的變化，其流變狀態(tài)發(fā)生變化。但從大量的實驗數(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)。熱傳遞在攪拌反應器內(nèi)是一個非定態(tài)過程。以下就用該模型進行理論分析?！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；——相對徑向速度；——相對軸向速度；——徑向無因次坐標；——軸向無因次坐標；——導熱系數(shù)；——比熱容，為熱擴散系數(shù)，為時間，T為任意時間t的局部溫度，為時間t為0時的溫度，為反應器壁溫度。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 無因次旋轉(zhuǎn)軸直徑從結(jié)果中得出局部溫度時以下參數(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；——為器壁材料的導熱系數(shù)； 平均面積Am為：溫度差取對數(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。氣升式反應器是在鼓泡塔反應器的基礎上發(fā)展起來的，它是利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應液循環(huán)流動，來實現(xiàn)液體的攪拌、混合和傳遞氧。由此生產(chǎn)的產(chǎn)品有單細胞蛋白、酒精、抗生素、生物表面活性劑等。前者使循環(huán)過程中的升管與降管均設置在同一發(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)式生物反應器內(nèi)部有四個組成部分：（1）升液壓 在反應器中央，導流管內(nèi)部。（3）底部 升液區(qū)與降液區(qū)下部相連區(qū)，對反應器特性影響不大。內(nèi)循環(huán)氣生式生物反應器的基本結(jié)構(gòu)如圖65所示。目前，專家對氣升式生物反應器的研究工作的較多，但主要是對高徑比較高()的氣升式生物反應器的研究。上升管與下降管直徑之比（），罐體高徑比()，用不銹鋼制造，通風量可調(diào)節(jié)，溫度可自動控制檢測。（632）當時，（634）式中循環(huán)周期可有下式計算。 ——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)酵特性無關。由導流管上面環(huán)形渦流造成的混合過程對混合時間由很大影響，導流管離液面的距離對混合時間也有影響。 ——相對停留時間時循環(huán)系統(tǒng)中的總濃度；；——平均停留時間；，指n次循環(huán)；——第n次循環(huán)時的相對濃度；——時間t內(nèi)的軸向擴散系數(shù)；——平均循環(huán)時間；——Bodenstein數(shù)；一般來說相同條件下，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器的氣含率、循環(huán)時間及液體體積傳質(zhì)系數(shù)，并且其影響還與反應器結(jié)構(gòu)(如氣體預分布器、內(nèi)件設置等)和物料的特性有關。由于粘性較高，為了提高傳質(zhì)速率，以往對發(fā)酵液和生物細胞培養(yǎng)液常采用機械攪拌罐。 ——總摩擦損失系數(shù)，無因次；——氣體分散高度，；在工程上氣體分散高度與反應器的靜液高度——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)，無因次；——氣液分離箱局部阻力損失系數(shù)，無因次；——底箱局部阻力損失系數(shù)，無因次；——上升管局部阻力損失系數(shù)，無因次；——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公式計算 ——下降管高度，；——上升管直徑?；驹O計參數(shù)：反應器的高徑比：；反應器的體積：；反應液質(zhì)量：；循環(huán)比：；平均循環(huán)速度：；循環(huán)空速：；平均循環(huán)時間：；平均停留時間：；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)反應器的循環(huán)阻力平均循環(huán)速率越大，混合越強烈。該反應器以氣體為分散相、液體為連續(xù)相、涉及氣液界面。壓縮空氣由塔底導入，經(jīng)過篩板逐漸上升，氣泡在上升過程中帶動發(fā)酵液同時上升，上升后的發(fā)酵液又通過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)酶的生物反應器，用于間歇合成木素過氧化物酶系。鼓泡反應器結(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，因此廣泛應用于生物工程行業(yè)中，例如乙醇發(fā)酵、單細胞蛋白發(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描述鼓泡反應器的多相流體特征。單靠通氣常常不能使整個反應器內(nèi)的物料完全均一，此時就需要通過混合來使菌體與氧和其他底物接觸。氣含率可以借助γ線空隙率計測量反應床的空隙率(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)，可知氣含率與密度的關系如下：則氣含率為： （648）式中 ——反應床內(nèi)混合相密度；、——氣相、液相密度。 （649）式中 Ｈ——反應床高度。此時氣泡直徑相當均勻，氣泡群中的氣泡以相同的速度上升，不發(fā)生嚴重的聚并，相互間不易發(fā)生作用，這種流動狀態(tài)稱為擬均勻流動，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，對于不同的流體和反應器，當氣速在至時，仍可保持均勻流動。通過沿塔的壓力分布的在線測量可以確定氣含率。 氣泡上升速率與氣泡直徑間存在著關聯(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)驗式計算Pa2．熱量傳遞鼓泡塔生物反應器內(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械攪拌反應器的相近。④ 表觀氣速對給熱系數(shù)有影響。需注意當有微生物黏著于熱傳遞表面時，會降低熱