【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 VtFVddtFa61632????? （ 622） BdHa 06???? niBiiniBiiB dndnd 23 由于 Fat/VL是單位液體體積與所對(duì)應(yīng)氣泡體積之比，也是通氣后液柱的增高值與不通氣時(shí)液柱高度之比，即氣體的滯留量 H0 ，所以 式中 dB的定義式為 式中： ni—— 直徑為 dBi的氣泡的數(shù)目 當(dāng)反應(yīng)器中氣泡的大小呈高斯分布，且 kL隨氣泡直徑的增大呈線性增加時(shí)，由式（ 622）定義的a和與 dB相關(guān)的 kL之乘積，能夠給出反應(yīng)器的 kLa的估算值，其誤差不超過(guò) 2~3%。 （ 623） （ 624） 式中 wB為氣泡上升速度。 H0與 wB成反比，即H0∝ 1/wB 或 H0∝ 1/dB2，因此 212 BBBB wdordw ??? ?31 Bda ? 低雷諾數(shù)條件下，氣泡的運(yùn)動(dòng)服從 Stokes 定律，此時(shí)， 氣液間比表面積與氣泡直徑的三次方成反比，基于此，采用強(qiáng)烈攪拌操作，是為減小 dB，從而增大 a值。 （ 626） （ 625） 式中： d0—— 分布器出口小孔孔徑； —— 液體密度。 —— 氣體的密度 dB與通氣量 Qg、液體性質(zhì)等有關(guān)。通氣量小時(shí)，空氣通過(guò)小孔在液體中形成不連續(xù)的氣泡。此時(shí)，氣泡的大小可利用離開(kāi)分布器的氣泡所受的平衡力來(lái)確定。當(dāng)氣泡的上升力 πdB3(γγg)/6等于小孔與氣泡間的界面張力 πd0σ時(shí)，有： ????? 03 )(6 dgd gLB ??310)(6??????????gddorgLB ??? （ 627） （ 627a） L?g? 機(jī)械攪拌罐中，氣泡直徑與數(shù)群 Pg/VL—— 單位體積的液體所消耗的通氣條件下的攪拌功率。 ? ? ][ ??? Lg VP)(109])([ mHVPd LgB ??? ??? ??有關(guān)。 （ 628） 式中 ws為氣體的空塔速度。單個(gè)氣泡的直徑 dB6毫米時(shí)，氣泡在水中的上升速度 wB為： % )()(0?? sLg VPH ?)/( smdw BB ??)/(0smVH HQwLLgB ?氣泡群在液體中的上升速度 wB可用下式求得： （ 631） 氣體截留量 H 0可用下式求得： （ 629） （ 630） 式中 HL為反應(yīng)液液高度。此式是根據(jù) wB為 ws(ws =QgHL/V)的 1/H0倍的概念而提出的。 )/()(30mswVPtsLgg ???????)/(1 0 smt HwgB?? 在攪拌情況下，氣泡在單位液體高度（未通氣時(shí)的液柱高度）的停留時(shí)間可用下式求得： 由此，在攪拌通氣反應(yīng)器中， wB為： （ 632） （ 633） ??? ? )()()( NVPKaksLgL ? N—— 為攪拌器轉(zhuǎn)速； K—— 有因次的系數(shù)，其隨攪拌器形式、反應(yīng)器的形狀而變化； α、 β和 γ—— 經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。 歸納以上結(jié)果，概括起來(lái)可用下式表達(dá)： （ 634） 表 63 攪拌罐中的體積溶氧系數(shù) 編號(hào) kLa關(guān)聯(lián)式 攪拌器型式 1 翼碟式攪拌器 2 渦輪式攪拌器 3 空心渦輪型自吸式攪拌器 4 六葉渦輪式攪拌器 5 渦輪式攪拌器 6 六葉渦輪式攪拌器 7 渦輪式攪拌器 8 槳式攪拌器 9 伍式攪拌器 10 渦輪式攪拌器 11 翼碟、平槳和渦輪式攪拌器 )( sLgL wVPak ?)( sLgL wVPak ?)( sLgL wVPak ?)( sLgL wVPak ?)( sLgL wVPak ?)( sLgL wVPak ?)( sLgL wVPak ?)( sLgL wVPak ?)( sLgL wVPak ?)( NwVPak sLgL ?)( NwVPak sLgL ?表 64 放大規(guī)模對(duì)指數(shù) α和 β的影響 反應(yīng)器尺寸（ L） α β 5 500 50000 2~2600 ~ ~ α減小可能是由于空氣從空氣分布器到液面的上升期間，進(jìn)行等溫膨脹時(shí)，對(duì)液體做功所致。 當(dāng)攪拌器的形式和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)不同，以及流體特性發(fā)生變化時(shí)， α、 β和 γ值也有較大差別，其取值范圍分別為α=~； β=~ γ=~。當(dāng) α=， β=， γ= 時(shí)，（ 634）式稱為 Richard公式。 溫度與壓力 溫度影響氧的溶解度 ， 同時(shí)也影響了液體的物性常數(shù) 。 溫度升高 ， 降低液體的粘度與表面張力 ， 增加氧在液相中的擴(kuò)散系數(shù) ， 有利于提高溶氧速率 。 Oconner的研究表明 ， 常溫下利用活性污泥法處理廢水時(shí) ， 提高溫度可增加 kLa值 。 在嗜熱脂肪芽孢桿菌的培養(yǎng)過(guò)程中 ， 有相似的結(jié)果 ， 溫度由 45℃ 提高到 65℃ ， kLa值約增加 20%。 嗜熱脂肪芽孢桿菌的培養(yǎng)過(guò)程中 ， 雖然 C*和 kLa受溫度影響 ， 但作為給定條件下的最大傳質(zhì)速率kLaC*在 45℃ ~65℃ 范圍內(nèi)幾乎為一定值 。 若假定 kL僅隨溫度變化，有： Dk L ?常數(shù)?TD L?LLLL TakTk ?? ?? 或L?另外，由 StokesEinstein方程可知： 所以，根據(jù)（ 635）式和（ 636）式，有： 上式表明， kLa與溫度成正比，與 （ 635） （ 636） （ 637） 成反比。 Richards方程 把液體的粘度 、 密度 、 表面張力和氣體溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)等都?xì)w入總的常數(shù)項(xiàng)內(nèi) ， 不再作為參變量存在于關(guān)系式中 。 實(shí)際上 ， 即使對(duì)于牛頓型反應(yīng)液 ， 上述各項(xiàng)都隨反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行而發(fā)生變化 。 反應(yīng)液中的有機(jī)物 ， 有些是作為基質(zhì)加入的 ， 有些是代謝產(chǎn)物 。 有些有機(jī)物加入到反應(yīng)液中會(huì)降低 kLa值 ， 有些會(huì)提高kLa值 。 反應(yīng)液中常含有多種鹽類 ， 其離子強(qiáng)度可達(dá) ~/L。 離子強(qiáng)度增加 ， kLa值增大 ， 其增大的程度隨投入動(dòng)力的增加而增加 ， 有時(shí)是純水的 5~6倍 。 二、反應(yīng)液的理化性質(zhì) )()()( NVPKaksLgL ??表 65 粘度與氣泡上升速度的關(guān)系 粘度 氣泡直徑 dB（ mm） （ Pas） wB=30 （ cm/min） wB=3 （ cm/min） 10 發(fā)酵工業(yè)中單氣泡直徑在 5~20mm范圍內(nèi)增大時(shí) ，稀發(fā)酵液中單氣泡的上升速度 wB 值將由 20 增至30cm/min。 但當(dāng)發(fā)酵液呈非牛頓性時(shí) ， wB將會(huì)明顯下降 。 下表給出了粘度與氣泡上升速度 wB之間的關(guān)系 。 氣泡平均大小的變化依賴于液體成分 、 氣體的空塔速度和液體狀態(tài) ， 是否湍流等 。 少量的鹽或酒精加入到反應(yīng)液中 ， 會(huì)相應(yīng)減少氣泡的大小 。 Andrew指出 ， 一般由實(shí)驗(yàn)室獲得的傳質(zhì)數(shù)據(jù)是難以直接用于商業(yè)規(guī)模的中 。 圖 65給出了單位液體體積功率消耗與體積傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系 ， 當(dāng)反應(yīng)器的功率消耗低于 1 kW/m3時(shí) ， 機(jī)械攪拌罐的流體流動(dòng)特性已相似于鼓泡罐的 。 圖 65 單位液體體積功率消耗對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的影響 通用式發(fā)酵罐中攪拌器的組數(shù)及攪拌器之間的最適距離對(duì)溶氧有一定的影響 。 實(shí)驗(yàn)表明 ， 其在很大程度上要根據(jù)發(fā)酵液的特性來(lái)確定 ， 只有這樣才能達(dá)到較好的溶解氧效果 。 一般地講 ， 當(dāng)高徑比為 高溶氧系數(shù) 10%， 當(dāng)高徑比為 4時(shí)采用較大空氣流速和較大功率時(shí) ， 多組攪拌可提高溶氧系數(shù) 25%。 但當(dāng)攪拌器之間的位置不恰當(dāng)時(shí) ， 液體流型和空氣分布將發(fā)生變化 ， 引起體積溶解氧系數(shù)下降 。 三、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)因素的影響 通用式發(fā)酵罐 帶有攪拌裝置的反應(yīng)器都應(yīng)安裝適當(dāng)?shù)膿醢?， 或以垂直冷卻管兼作擋板用 ， 否則攪拌會(huì)使液體形成中心下降的旋渦 。 擋板可以使液體形成某種軸向運(yùn)動(dòng) ， 減少回旋運(yùn)動(dòng) ，不讓大量空氣通過(guò)旋渦外逸 ， 從而提高了氣液混合效果 ，改善氧的傳遞條件 。 一般反應(yīng)器可裝 4快擋板 ， 裝得太多 ， 通氣效率也不會(huì)有很大的提高 。 當(dāng)空氣流量和單位體積功耗不變時(shí) ， 通氣效率隨高徑比的增大而增大 。 經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)反應(yīng)器的高徑比由 1增加到 2時(shí) ， kLa可增加 40%左右；由 2增加到 3時(shí) ， kLa增加 20%。 因此 ， 人們傾向于采用較高的高徑比 對(duì)于氣流攪拌式生化反應(yīng)器，當(dāng)采用非粘性液體的反應(yīng)物系，可用以下方程獲得 kLa值。 msL bwak ?（ 638)