1、Chapter4 通气与搅拌（aeration and agitation ）,本章内容: 搅拌器与搅拌功率 通气发酵罐中溶氧 速率与通气搅拌的关系,一、学习目的与要求 要求学生了解液体通气搅拌反应器的搅拌桨叶类型，掌握搅拌器轴功率计算方法（包括通气状态和不通气状态），以及熟悉非牛顿流体的搅拌器轴功率的计算。 二、考核知识点与考核目标 1、重点 （1）概念：轴功率、功率准数Np、通气准数Na（识记） （2）搅拌器轴功率计算（应用） 2、次重点 非牛顿流体的搅拌器轴功率的计算（理解） 3、一般： 通气搅拌反应器的搅拌桨叶类型（识记）,第一节 搅拌器与搅拌功率,一、搅拌器的型式及流型 二、搅拌器轴
2、功率计算 三、非牛顿流体特性,四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。,在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。在发酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。,发酵罐内部视图,机械搅拌通风在生物工程工厂中得到广泛使用，无论是用微生物作为生物催化剂，还是有酶或动植物细胞(或组织)作生物催化剂的生物工程工厂都有。据不完全统计，它占了发酵总数的70-80，故又常称之为通用式发酵。,一、 搅拌器的型式及流型,搅拌器的主要作用是混合和传质，即使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，气泡细碎以增大气液界面，获得所需要的溶氧速率，并使生物
3、细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气液固(细胞)三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。为实现这些目的，搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。,Question:,1、下列哪个气泡的单位体积表面积最大（ ） A直径1mm的气泡 B直径2mm的气泡 C直径3mm的气泡 D直径4mm的气泡2.下列气泡的单位体积表面积最小的是（ ）A直径1mm的气泡 B直径2mm的气泡 C直径3mm的气泡 D直径4mm的气泡,1、 搅拌器的型式,径向 轴向,（1）径向流型搅拌器,蜗轮式 ： 蜗轮式搅拌器具有结构简单、传递能量高、溶氧速率高等优点，但其不足之处是轴向混合较差，且其搅拌强度随着与搅
4、拌轴距离增大而减弱，故当培养液较黏稠时则搅拌与混合效果大大下降。,圆盘蜗轮搅拌器从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小？,平叶涡轮 弯叶涡轮 箭叶涡轮,平直叶型:径向流强烈、循环输送量大、输出功率大、剪切速率大、混合较好 弯叶型：输出功率较低、剪切速率较低、径向流较强烈 箭叶型：输出功率和剪切速率更低，具有一定的轴向流 新型凹叶型：液-气体系中气体分散能力高，输出功率最低,带圆盘的涡轮式搅拌器与不带圆盘的涡轮式搅拌器相比，有什么优点？,圆盘可以使上升的气泡受到阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。,叶片数：How m
5、any?,38个，一般为6个。,（2）轴向流型搅拌器,螺旋桨式搅拌器（推进式搅拌器） 轴向流型搅拌器可增强罐内物料循环、增加罐内的溶解氧、缩短发酵周期、提高产能以及降低能耗。 产生的剪率较低，对气泡的分散效果不好 叶片一般3片，V25m/s,轴向流型搅拌器,推进式搅拌器,轴向流型搅拌器,将罐内液体向前或向后推进（或向下或向上推进），使流体形成螺旋状运动的圆柱流，它的混合效果较好，对液体的切剪作用较小。,径向流型搅拌器和轴向流型搅拌器的结合,国外实践结果表明，在保持单罐产量一定的条件下，以三层搅拌器为例，最下层仍采用径向型的涡轮搅拌器，其余两层改用轴向流型搅拌器时，与三层均采用径向流别搅拌器相比
6、，功率消耗可降低1530。国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流向型搅拌器，作土霉素发酵试验表明，不但消耗功率下降，发酵指数也提高了近15。,2、挡板,挡板的作用是：防止液面中央产生漩涡； 促使液体激烈翻动，增加溶解； 改变液流的方向，由径向流改为轴向流,通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设46块即可满足全挡板条件。所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。 是指罐内加了挡板使旋涡基本消失，或指达到消除液面旋涡的最低挡板条件。,全挡板条件 必须满足条件：,D罐的直径（mm） n 挡板数 b挡板宽度（mm）,还有哪些也可以起挡板作用?,发酵罐热交换用的竖立
7、的列管、排管或蛇管也可起相应的挡板作用,1、全挡板条件： 指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。 or消除漩涡所需的最少挡板数.2.在标准的搅拌槽反应器中，挡板的直径是 （ ）A罐直径的1 /10一1 /12 B罐直径的1/3一1 /4C.罐直径的1 /10一1/40 D只要小于槽直径的1/2就可以,3、在标准的搅拌槽反应器中，搅拌浆的直径是（ ） A 罐直径的1/101/12 B 罐直径的1/21/3 C 罐直径的1/51/6 D 只要小于罐直径就可以 4.涡轮式搅拌器为什么中间安装一圆盘？ 圆盘可以使上升的气泡受到阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散
8、，提高了溶氧系数。,虚拟发酵罐搅拌流型的仿真模拟实验,观察各种搅拌器的流型,3、搅拌器的流型流型,搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合效果及氧气的溶解、热量的传递具有密切关系。 搅拌器造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受罐内的附件及其安装位置的影响。,（1）罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型罐中心垂直安装的螺旋桨，在无挡板的情况下，在轴中心形成凹陷的旋涡。如在同一罐内安装46块挡板，液体的螺旋状流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使旋涡消失。,（2）涡轮式搅拌器的流型 三种涡轮搅拌器的搅拌流型基本上相同，各在涡轮平面的上下两侧形成向上和向下的两个翻腾。如不满足全挡板条件，轴中心位
9、置也有凹陷的旋涡。适当的安排冷却排管，也可基本消除轴中心凹陷的旋涡。,（3）装有套筒时的搅拌器搅拌流型在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套简，可以大大加强循环输送效果，并能将液面的泡沫从套简的上部入口，抽吸到液体之中，具有自消泡能力。伍氏发酵罐就是具有这种中心套筒的机械搅拌罐。,二、搅拌器轴功率的计算,搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。,发酵罐液体中的溶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关系。,牛顿型流体：发酵液的黏度只是液体温度的函
10、数。 非牛顿型流体：发酵液的黏度不仅是温度的函数，还取决于搅拌桨转动时在被搅拌液体中产生的剪切速率。,1.牛顿型流体服从牛顿粘性定律，其主要特征就是其黏度U，只是什么的函数？ （ ） A.液体密度 B.温度 C. pH D.剪应速率 2.牛顿流体特性是 （ ）A粘度不随功率输入改变 B.粘度随功率输人增大而变大C粘度随功率输入增大而变小 D.根据牛顿流体的类型，粘度随功率物人增大而变大或变小,1、单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算 一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率取决于下列因素： 叶轮和罐的相对尺寸 搅拌器的转速 流体的性质 挡板的尺寸和数目,通过因次分析，全挡板条件下，得：,式中 P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（W）：液体的密度（kg/m3）：液体的粘度（N.s/m2）D：涡轮直径（m）N：涡轮转数（r/s）K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及流体的流态,是一个无因次数，可定义为功率准数NP。该准数表征着机械搅拌所施与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之比。,式中 ：涡轮线速度a：加速度V：液体体积m：液体质量,搅拌功率准数NP的求解 搅拌功率准数NP是搅拌雷诺数ReM的函数,
