【正文】 的非牛頓特性越明顯。 ——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。 （619）所有氣體以及大多數(shù)低分子量的液體都屬于牛頓型流體，如空氣、水、有機(jī)溶劑及多數(shù)的水溶液，而膠體溶液、高分子溶液屬于非牛頓型。 （618）而對(duì)于非牛頓型流體： ——剪應(yīng)力；——剪切率（速度梯度）凡牛頓型性流體，服從非牛頓流體：粘度μ不僅是溫度的函數(shù)，而且隨流動(dòng)狀態(tài)而變化。這一特性對(duì)發(fā)酵過程的影響極大，對(duì)攪拌功率的計(jì)算也帶來麻煩。若以對(duì)流動(dòng)準(zhǔn)數(shù)對(duì)應(yīng)作圖，上述三個(gè)關(guān)系式所表示的曲線同圖63相一致。 （617）式中Brown提出更為簡(jiǎn)單的關(guān)聯(lián)式： （616）式中 ——通氣準(zhǔn)數(shù)；——反應(yīng)器直徑；——攪拌槳直徑。 ——Reynold準(zhǔn)數(shù)； ——Froude準(zhǔn)數(shù)；Reuss用因次分析法提出下列關(guān)系式：式中 當(dāng)發(fā)酵液密度為800～1650kg/m3，粘度為9104 ～ （612）當(dāng)時(shí)， （611）式中可表示為：也就是說，減少程度主要取決于攪拌器與周圍液體的情況。經(jīng)過多次試驗(yàn)得出：2．通氣攪拌功率計(jì)算 當(dāng)發(fā)酵罐通入壓縮空氣后，攪拌器的軸功率與不通氣時(shí)相比，將會(huì)下降，減少程度與通氣量存在著一定關(guān)系。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。 （610）式中對(duì)于多層攪拌器的軸功率可按下式估算： （69）式中，帶*號(hào)代表實(shí)際攪拌設(shè)備情況。由于一般發(fā)酵罐中、其攪拌功率可用下式校正：當(dāng)時(shí)，液體處于過度流狀態(tài)，與均隨變化。 （65）當(dāng)時(shí)液體處于湍流狀態(tài)，此時(shí)， （64） 從圖中可以看出：當(dāng)時(shí)，液體處于層流狀態(tài)，此時(shí)， 不同攪拌器的K值攪拌器形式K值滯留湍流六平葉渦輪攪拌器71六彎葉渦輪攪拌器71六箭葉渦輪攪拌器70六彎葉封閉式渦輪攪拌器經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在全擋板條件下，液面未出現(xiàn)旋渦，此時(shí)指數(shù)y=0，故=1。故，式（62）又可改寫為 （62）式中 因?yàn)?、均與之間有一定比例關(guān)系，于是：在相同條件下，不通氣與通氣的情況下，軸功率也是不一樣的。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。噴口直徑越小，氣泡直徑越小，氧的傳質(zhì)系數(shù)越大。小孔直徑，孔的總面積約等于通風(fēng)管的截面積。管口與罐底的距離約為40。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)。在泡沫的機(jī)械強(qiáng)度較差和泡沫量較少時(shí)采用機(jī)械消沫裝置有一定作用。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。但存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封加工精度要求高，安裝技術(shù)要求高，拆裝不便，初次成本高等缺點(diǎn)。⑥ 結(jié)構(gòu)緊湊，安裝長(zhǎng)度較短。其損耗功率僅為填料函密封的10～15％。④ 摩擦功率損耗小。③ 較少需要調(diào)整。② 使用工作壽命長(zhǎng)。機(jī)械密封同填料函密封比較，具有很多優(yōu)點(diǎn)：① 泄漏量極少，其泄漏量約為填料函密封的1％。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。因其容易磨損和滲漏，故在發(fā)酵罐中已經(jīng)很少使用。填料函密封具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，填料拆裝方便的特點(diǎn)。發(fā)酵罐中使用最普遍的動(dòng)密封有兩種：填料函密封和機(jī)械密封（或稱端面密封）。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)密封原理來進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)置的換熱裝置為列管或排管時(shí)，并且在足夠多的情況下，發(fā)酵罐內(nèi)不另設(shè)擋板。 ——擋板寬度，mm；——罐內(nèi)徑，mm；——擋板數(shù)，mm。在一定的轉(zhuǎn)速下面增加罐內(nèi)附件而軸功率保持不變。通常設(shè)46塊擋板，達(dá)到全擋板條件。如圖61所示。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。為實(shí)現(xiàn)這些目的，攪拌器的設(shè)計(jì)應(yīng)使發(fā)酵液有足夠的徑向流動(dòng)和適度的軸向運(yùn)動(dòng)。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。罐壁厚度取決于罐徑、材料及耐受的壓強(qiáng)。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。一、機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐主要有罐體、攪拌器、擋板、軸封、空氣分布器、傳動(dòng)裝置、冷卻管、消泡器、人孔、視鏡等。 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。一個(gè)良好的生物反應(yīng)器應(yīng)滿足下列要求：1）結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，經(jīng)得起蒸汽的反復(fù)滅菌，內(nèi)壁光滑，耐腐蝕性能好，以利于滅菌徹底和減小金屬離子對(duì)生物反應(yīng)的影響；2）有良好的氣液固接觸和混合性能和高效的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量傳遞性能；3）在保持生物反應(yīng)要求的前提下，降低能耗；4）有良好的熱量交換性能，以維持生物反應(yīng)最適溫度；5）有可行的管路比例和儀表控制，適用于滅菌操作和自動(dòng)化控制。自上一世紀(jì)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(yīng)器。按照生物反應(yīng)過程所使用的生物催化劑不同，生物反應(yīng)器可分為酶反應(yīng)器和細(xì)胞生物反應(yīng)器。在生物反應(yīng)過程中，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)酵過程或細(xì)胞培養(yǎng)過程。 生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)畢業(yè)論文由生物細(xì)胞或生物體組成參與的生產(chǎn)過程可統(tǒng)稱為生物反應(yīng)過程，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。采用游離或固定化酶，則稱為酶反應(yīng)過程。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。為配合生物加工過程，工藝條件需要對(duì)生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，以獲得較高的產(chǎn)率和規(guī)?；a(chǎn)。第一節(jié)它是利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖、發(fā)酵和代謝產(chǎn)物所需要的氧氣。下面做簡(jiǎn)要的介紹。為滿足工藝要求，罐體必須能承受一定壓力和溫度，通常要求耐受130℃（絕壓）。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)。攪拌的主要作用是混合和傳質(zhì)，即使通入的空氣分散氣泡并與發(fā)酵液充分混合，使氣泡破碎以增大氣－液接觸界面，以獲得所需要的氧傳遞速率，并使生物細(xì)胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當(dāng)?shù)臍猓海蹋?xì)胞）三相的混合與質(zhì)量傳遞，同時(shí)強(qiáng)化傳熱過程。攪拌器大多采用渦輪式。常用的渦輪式攪拌器的葉片有平葉式、彎葉式、箭葉式三種，葉片數(shù)一般為六個(gè)，也有四個(gè)或八個(gè)。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)。全擋板條件是達(dá)到消除液面旋渦的最低條件。此條件與擋板數(shù)Z，與擋板寬度W與罐徑D之比有關(guān)。 （61）式中由于發(fā)酵罐中除了擋板外，還有冷卻器，通氣管，排料管等裝置也起一定的擋板作用。3．軸封軸封的作用是防止染菌和泄漏。對(duì)動(dòng)密封的基本要求是密封要可靠并且機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單，使用壽命要長(zhǎng)。（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。同時(shí)具有以下缺點(diǎn)：死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；軸的磨損較嚴(yán)重；增加由于摩擦所損耗的功率，產(chǎn)生大量的摩擦熱；壽命較短，需經(jīng)常更換填料。（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。機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)由下列元件組成：摩擦付，即動(dòng)環(huán)和靜環(huán)；彈簧加荷裝置；輔助密封圈（動(dòng)環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈）。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(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。機(jī)械密封的磨損部分只限于密封端面，由于選用適當(dāng)?shù)哪湍ゲ牧弦虼怂哪p量極小，一般條件下可工作半年至一年，質(zhì)量好的機(jī)械密封壽命可達(dá)2～5年以上。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。由于密封端面的面積小、摩擦系數(shù)小，故摩擦阻力小，功率消耗小。⑤ 軸與軸套不受磨損。由于不需要調(diào)整用的間隙，因而結(jié)構(gòu)緊湊。3．機(jī)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(qiáng)烈的通氣攪拌下將產(chǎn)生大量的泡沫。一是加入消沫劑的方法去除，二是使用機(jī)械消泡裝置。其作用是將泡沫打碎。4．通氣裝置通氣裝置是指將無菌空氣導(dǎo)入罐內(nèi)的裝置，最簡(jiǎn)單的通氣裝置，是一單孔管，單孔管的出口位于最下面的攪拌器的正下方，開口往下，以免培養(yǎng)液中固體物質(zhì)在開口處堆積和罐底固形物質(zhì)沉淀。第二種形式是開口朝下的多孔環(huán)形管。在通氣量較小的情況下，氣泡的直徑與空氣噴口直徑有關(guān)。但在發(fā)酵過程中通氣量較大，氣泡直徑僅與通氣量有關(guān)而與通氣出口直徑無關(guān)。二、攪拌軸功率計(jì)算發(fā)酵罐液體中溶氧以及氣液固的混合強(qiáng)度與單位體積中輸入的攪拌功率有很大的關(guān)系。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。 、通過因次分析及實(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： ——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)，不同攪拌器的值見表61。 （63）表61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)。 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。 （66）（67）此時(shí)攪拌功率與流體粘度無關(guān)，并且此時(shí)不隨的變化而變化，其為一常數(shù)。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(jì)算攪拌器的軸功率。 （68）為校正系數(shù)，它由下式來確定：由于工業(yè)發(fā)酵罐的高徑比一般為23，因此在同一軸上往往裝有很多層攪拌器。 攪拌器層數(shù)。在相同的轉(zhuǎn)速下，多只攪拌器比單只攪拌器輸出更多的功率，其增加的程度除了攪拌器的個(gè)數(shù)外，還取決與攪拌向的距離?？赡艿脑蚴牵?）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)。為了估算通氣條件下的攪拌功率，有人引入通氣準(zhǔn)數(shù)，它表示了發(fā)酵罐內(nèi)空氣的表現(xiàn)流速與攪拌葉端流速之比。 ——工況通氣量，； ——攪拌器直徑，； ——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)， （613）圖62b表示了在各種攪拌情況下，通氣與不通氣功率之比與通氣準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系。s時(shí)，可用Michel公式來估算渦輪攪拌器的通氣攪拌功率： （614）當(dāng)在1/3~2/3之間變化，~。 ——攪拌轉(zhuǎn)速，r/min；——工況下通氣量，m3/min。 （615）式中Hughmark從248組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中整理出下式： ——液相體積；——攪拌槳葉寬；上式計(jì)算于實(shí)驗(yàn)值誤差為11%。 、——與氣體流速和攪拌槳直徑有關(guān)的參數(shù)。3．非牛頓流體特性對(duì)攪拌功率計(jì)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。牛頓型流體：粘度μ只是溫度的函數(shù)，與流動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，服從牛頓粘性定律。（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：（620）式中大多數(shù)發(fā)酵液均屬于此類。②彬漢塑性流體特點(diǎn)是其剪應(yīng)力與剪切率的關(guān)系是不通過原點(diǎn)的直線。（621）式中 流動(dòng)性指數(shù)＞1，如青霉素發(fā)酵液中，在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)都是呈現(xiàn)非牛頓型流體；鏈霉素發(fā)酵中，在24以前為彬漢塑性流體，在48及96時(shí)呈牛頓型流體，在120時(shí)呈擬塑性流體。但這類流體的