現(xiàn)代酶工程課件

萃取過(guò)程與設(shè)備萃取是一個(gè)重要的提取方法和分離混合物的單元操作。這是因?yàn)檩腿》ň哂校孩賯髻|(zhì)速度快、生產(chǎn)周期短，便于連續(xù)操作、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；②分離效率高、生產(chǎn)能力大等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用相當(dāng)普遍；③能量消耗較少，設(shè)備投資費(fèi)用不高；④采用多級(jí)萃取可使產(chǎn)品達(dá)到較高純度，便于下一步處理，減少以后工序的設(shè)備和操作費(fèi)用第一節(jié)液—液萃取分離過(guò)程與設(shè)備一、液-液萃取分類（一）物理萃取（二）化學(xué)萃取1．絡(luò)合反應(yīng)萃取2．陽(yáng)離子交換反應(yīng)萃取3．離子締合反應(yīng)萃取4．加合反應(yīng)萃取（協(xié)同萃?。?．帶同萃取反應(yīng)二、液-液萃取過(guò)程與計(jì)算（一）單級(jí)萃?。ǘ┒嗉?jí)錯(cuò)流萃?。ㄈ┒嗉?jí)逆流萃取三、液-液萃取中的乳化問(wèn)題四、液-液萃取設(shè)備結(jié)構(gòu)（一）混合設(shè)備1．管式混合器2．噴嘴式混合器3．氣流攪拌混合罐（二）分離設(shè)備1．碟片式離心機(jī)2．管式離心機(jī)（三）離心萃取機(jī)1．a(chǎn)-LavalABE-216離心萃取機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理2．傾析式離心機(jī)（decantercentrifuge）（1）結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)（2）傾析器的工作原理第二節(jié)雙水相萃取

一、雙水相的形成二、相圖三、雙水相萃取過(guò)程的理論基礎(chǔ)（一）表面自由能的影響（二）表面電荷的影響（三）影響物質(zhì)分配的因素1．聚合物及其分子量的影響3．離子環(huán)境對(duì)分配的影響4．溫度的影響（四）雙水相萃取技術(shù)的應(yīng)用1．酶的分離純化2．核酸的分離純化3．人生長(zhǎng)激素的提取4．β-干擾素的提?。ㄎ澹╇p水相萃取技術(shù)的進(jìn)展1．廉價(jià)雙水相體系的開(kāi)發(fā)2．雙水相萃取技術(shù)同其他分離技術(shù)結(jié)合，提高分離效率（1）雙水相體系同生物轉(zhuǎn)化相結(jié)合（2）雙水相萃取同膜分離技術(shù)結(jié)合（3）雙水相萃取同親和層析相結(jié)合一親和雙水相第三節(jié)固-液萃取方法與設(shè)備

一、固-液萃取原理二、固-液萃取設(shè)備（一）單級(jí)間歇萃取1．夾套間歇萃取器（二）多級(jí)逆流連續(xù)及半連續(xù)萃取1．多功能提取罐2．多級(jí)逆流固液萃取罐組（三）微分半連續(xù)固液萃取設(shè)備萃取塔，（b）為多級(jí)攪拌萃取塔，（c）為轉(zhuǎn)盤萃取塔。1．微分半連續(xù)固液萃取的計(jì)算（a）為多層填料2．固定床內(nèi)徑的確定第四節(jié)超臨界萃取過(guò)程與設(shè)備

一、超臨界流體的性質(zhì)我們可以按照分離對(duì)象與目的不同，選定超臨界流體萃取中使用的溶劑，作為萃取劑的超臨界流體必須具備條件：萃取劑需具有化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)設(shè)備沒(méi)有腐蝕性；臨界溫度不能太低或太高，最好在室溫附近或操作溫度附近；操作溫度應(yīng)低于被萃取溶質(zhì)的分解溫度或變質(zhì)溫度；臨界壓力不能太高，可節(jié)約壓縮動(dòng)力費(fèi)；選擇性要好，容易得到高純度制品；溶解度要高，可以減少溶劑的循環(huán)量；萃取劑要容易獲取，價(jià)格要便宜。二、超臨界流體萃取過(guò)程分離方法基本上可分為下列三種依靠壓力變化萃取分離法（等溫法、絕熱法）：依靠溫度變化的萃取分離法（等壓法）：用吸附劑進(jìn)行萃取分離法（吸附法）：三、超臨界流體萃取系統(tǒng)（一）固體物料的超臨界流體萃取系統(tǒng)1．高壓索氏提取2．普通的間歇式萃取系統(tǒng)3．半連續(xù)式萃取系統(tǒng)4．連續(xù)式萃取系統(tǒng)（二）液體物料的超臨界流體萃取系統(tǒng)1．按溶劑和溶質(zhì)的流向分類2．按操作參數(shù)的不同分類3．按柱式萃取釜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同分類（三）超臨界流體萃取的應(yīng)用

干燥過(guò)程與設(shè)備第一節(jié)氣流干燥一、氣流干燥流程與設(shè)備二、氣流干燥器的型式三、氣流干燥的特點(diǎn)和適用范圍四、氣流干燥的計(jì)算一、氣流干燥流程與設(shè)備氣流干燥流程圖氣流干燥裝置中除了干燥器本身外，還包括：空氣過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、加料斗、卸料器、分離器等附屬設(shè)備干燥管：一般采用圓形，其次有方形和不同直徑交替的所謂脈沖管。為了充分利用氣流干燥中的顆粒加速運(yùn)動(dòng)段具有很高的傳熱和傳質(zhì)作用來(lái)強(qiáng)化干燥過(guò)程，采用管徑交替縮小與擴(kuò)大的脈沖氣流干燥管來(lái)達(dá)到。加料器和卸料器對(duì)保證穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)和成品質(zhì)量很重要二、氣流干燥器的型式（一）按照加料方式分類（1）直接加料型（2）帶分散機(jī)型（3）帶粉碎機(jī)型（二）按干燥管形狀分類（1）直管式（2）變徑管式三、氣流干燥的特點(diǎn)和適用范圍氣流干燥有如下特點(diǎn)：（1）可獲得高度干燥的成品（2）適用于熱敏性物料的干燥（3）熱效率高（4）熱損失少（5）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，投資少。（6）操作穩(wěn)定，便于自動(dòng)化。（7）干燥過(guò)程伴隨著顆粒的空氣輸送，整個(gè)過(guò)程都連續(xù)的，便于與前后工序銜接。（8）可以有很大的裝置規(guī)模。四、氣流干燥的計(jì)算第二節(jié)噴霧干燥一、氣流噴霧干燥設(shè)備三、離心噴霧干燥設(shè)備噴霧干燥是利用不同的噴霧器，將懸浮液和粘滯的液體噴成霧狀，形成具有較大表面積的分散微粒同熱空氣發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換，迅速排除本身的水分，在幾秒至幾十秒內(nèi)獲得干燥。成品以粉末狀態(tài)沉降于干燥室底部，連續(xù)或間斷地從卸料器排出。（－）壓力噴霧法（又稱機(jī)械噴霧法）（二）氣流噴霧法（三）離心噴霧干燥法一、氣流噴霧干燥設(shè)備（一）氣流噴霧干燥流程、特點(diǎn)（二）氣流噴霧干燥塔的構(gòu)造三、離心噴霧干燥設(shè)備

（－）離心噴霧干燥流程間歇卸料的離心噴霧干燥流程連續(xù)卸料的離心噴霧干燥流程（二）離心噴霧干燥設(shè)備的構(gòu)造噴霧室噴霧機(jī)、噴盤的型式及構(gòu)造熱風(fēng)盤（三）噴霧裝置的型式并流干燥逆流干燥混合流干燥第三節(jié)沸騰干燥與沸騰造粒干燥－、沸騰干燥原理、特點(diǎn)和型式二、單層臥式多室的沸騰干燥設(shè)備構(gòu)造和操作三、沸騰造粒干燥設(shè)備的原理、流程和設(shè)備四、沸騰干燥的計(jì)算－、沸騰干燥原理、特點(diǎn)和型式沸騰干燥是利用流態(tài)化技術(shù)，即利用熱的空氣使孔板上的粒狀物料呈流化沸騰狀態(tài)，使水分迅速汽化達(dá)到干燥目的。沸騰干燥的特點(diǎn)是，傳熱傳質(zhì)速率高。沸騰干燥器有單層和多層兩種。二、單層臥式多室的沸騰干燥設(shè)備構(gòu)造和操作操作過(guò)程中可能出現(xiàn)溝流和層析現(xiàn)象，其主要原因是：溝流層析現(xiàn)象三、沸騰造粒干燥設(shè)備的原理、流程和設(shè)備影響產(chǎn)晶顆粒大小的因素有下列幾種：停留時(shí)間的影響摩擦的影響干燥過(guò)程溫度的影響四、沸騰干燥的計(jì)算第四節(jié)真空干燥和真空冷凍干燥一、真空干燥二、真空冷凍干燥一、真空干燥凡是不能經(jīng)受高溫，在空氣中易氧化、易燃、易爆等危險(xiǎn)性物料，或在干燥過(guò)程中會(huì)揮發(fā)有毒有害氣體以及在被除去的濕分蒸汽需要回收等場(chǎng)合，可采用真空干燥。（一）真空干燥器的類型

1．箱式真空干燥器

2．?dāng)嚢枵婵崭稍锲?/p>

3．滾筒真空干燥器二、真空冷凍干燥（一）真空冷凍干燥的原理及特點(diǎn)（二）真空冷凍干燥過(guò)程設(shè)備（三）冷凍干燥的計(jì)算（四）真空冷凍干燥技術(shù)的發(fā)展歷程

空氣供給工程第一節(jié)空氣除菌過(guò)程與設(shè)備一、空氣除菌和滅菌方法二、空氣過(guò)濾除菌流程三、空氣預(yù)處理過(guò)程設(shè)備四、介質(zhì)過(guò)濾除菌一、空氣除菌和滅菌方法超聲波、高能陰極射線、X射線、γ射線、β射線、紫外線理論上都能破壞蛋白質(zhì)活性而起殺菌作用。但由于具體的殺菌機(jī)理不是很清楚，目前應(yīng)用較廣泛的還是紫外線。（二）熱滅菌法依靠加熱后使微生物體內(nèi)蛋白質(zhì)（酶）氧化而致死亡（三）靜電除菌利用靜電引力來(lái)吸附帶電離子而達(dá)到除塵滅菌的目的，當(dāng)產(chǎn)生的引力等于或小于氣流對(duì)微粒的拖帶力或微粒布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量時(shí)，微粒就不能被吸附而沉降，所以靜電除塵對(duì)很小的微粒效率較低。（四）介質(zhì)過(guò)濾除菌目前生物加工過(guò)程中最常用的獲得大量無(wú)菌空氣的常規(guī)方法：一類是介質(zhì)間孔隙大于微生物直徑，故必須有一定厚度的介質(zhì)濾層才能達(dá)到過(guò)濾除菌的目的，這類過(guò)濾介質(zhì)有棉花、活性炭、玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、燒結(jié)材料（燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料）；而另一類介質(zhì)的孔隙小于細(xì)菌，含細(xì)菌等微生物的空氣通過(guò)介質(zhì)，微生物就被截留于介質(zhì)上而實(shí)現(xiàn)過(guò)濾除菌，有時(shí)稱之為絕對(duì)過(guò)濾。（一）輻射殺菌二、空氣過(guò)濾除菌流程（一）兩級(jí)冷卻、加熱除菌流程（二）冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程（三）高效前置過(guò)濾空氣除菌流程（四）利用熱空氣加熱冷空氣的流程特點(diǎn)是兩次冷卻、兩次分離、適當(dāng)加熱?？諝鈴馁A罐出來(lái)后分成兩部分，一部分進(jìn)入冷卻器，冷卻到較低溫度，經(jīng)分離器分離水、油霧后與另一部分未處理過(guò)的高溫壓縮空氣混合，省去第二次冷卻后的分離設(shè)備和空氣加熱設(shè)備，流程比較簡(jiǎn)單。利用壓縮機(jī)的抽吸作用，使空氣先經(jīng)中、高效過(guò)濾后，再進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，再經(jīng)冷卻、分離，進(jìn)入主過(guò)濾器過(guò)濾，就可獲得無(wú)菌程度很高的空氣。利用壓縮后熱空氣和冷卻后的冷空氣進(jìn)行交換，使冷空氣的溫度升高，降低相對(duì)濕度。三、空氣預(yù)處理過(guò)程設(shè)備（一）空氣預(yù)處理的作用與原理（二）空氣預(yù)處理設(shè)備（一）空氣預(yù)處理的作用與原理目的是兩個(gè)：

1．提高壓縮空氣的潔凈度，降低空氣過(guò)濾器的負(fù)荷；

2．去除壓縮后空氣中所帶的油水，以合適的空氣濕度和溫度進(jìn)入空氣過(guò)濾器。原理：高度每上升10m，空氣中微生物量下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，盡量提高吸入口的高度，以減少吸入空氣的塵埃含量和微生物含量。并在空氣吸入口處設(shè)置粗過(guò)濾器。（二）空氣預(yù)處理設(shè)備1．粗過(guò)濾器2．空氣壓縮機(jī)3．空氣貯罐4．氣液分離器5．空氣冷卻器Kt——?dú)怏w不同壓力溫度等熵指數(shù)；R——?dú)怏w常數(shù)；Z1、Z2——名義進(jìn)氣、排氣狀態(tài)下壓縮系數(shù)；T——?dú)怏w溫度；p——?dú)怏w壓強(qiáng)；下標(biāo)1和2分別表示進(jìn)氣、排氣狀態(tài)。空氣壓縮后，經(jīng)過(guò)冷卻會(huì)有大量水蒸汽及油分凝結(jié)下來(lái)，需用氣液分離器進(jìn)行油水分離。有立式列管式熱交換器、噴淋式熱交換器等。四、介質(zhì)過(guò)濾除菌（一）介質(zhì)過(guò)濾除菌機(jī)理（二）過(guò)濾介質(zhì)（三）空氣介質(zhì)過(guò)濾器的設(shè)備構(gòu)造（四）無(wú)菌空氣制備新設(shè)備當(dāng)氣流通過(guò)濾層時(shí)由于濾層纖維網(wǎng)格的層層阻礙，迫使氣流無(wú)數(shù)次改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向而繞過(guò)纖維前進(jìn)，從而導(dǎo)致微粒對(duì)濾層纖維產(chǎn)生慣性沖擊、重力沉降、攔截、布朗擴(kuò)散、靜電吸附等作用而把微生物滯留在纖維表面。1．慣性沖擊滯留作用機(jī)理2．?dāng)r截滯留作用3．布朗擴(kuò)散截留作用4．重力沉降作用機(jī)理5．靜電吸附作用機(jī)理1．纖維狀或顆粒狀過(guò)濾介質(zhì)（1）棉花（2）活性炭（3）玻璃纖維（4）燒結(jié)金屬（5）多孔陶瓷（6）多孔塑料1．聚乙烯醇（PVA）過(guò)濾器將聚乙烯醇（PVA）乙酰化并以耐熱樹(shù)脂（如硅氧樹(shù)脂）涂敷，制成片式過(guò)濾器。有圓板型和圓筒型兩種。PVA過(guò)濾器的電鏡攝影呈現(xiàn)致密的纖維結(jié)構(gòu)，而不是單片式的微孔網(wǎng)絡(luò)。PVA過(guò)濾器能夠經(jīng)受蒸汽反復(fù)滅菌。如果發(fā)酵生產(chǎn)中所要求的K值在103~104范圍，則有效孔徑de=20~30μm的PVA過(guò)濾器，只需要0.2~0.3cm厚的一層就能滿足空氣除菌的需要。聚乙烯醇（PVA）過(guò)濾器的特點(diǎn)是除菌效率達(dá)99.9999%以上，壓力降在0.015MPa以下，使用可達(dá)一年以上，殺菌及干燥時(shí)間極短，更換方便，占地面積小。2．Bio-x過(guò)濾器英國(guó)DomnickHunter公司用直徑為0.5μm玻璃纖維制成1mm厚的濾材，卷成三卷，再以較粗的堅(jiān)韌的玻璃無(wú)紡布做內(nèi)外襯，再在內(nèi)、外以不銹鋼網(wǎng)固定，作成濾筒狀。如圖4-22。它能濾除0.01μm顆粒（噬菌體大小為0.02μm），以油霧法（油霧直徑為1.3~0.01μm，平均0.3μm）測(cè)定，過(guò)濾效率為99.9999%。填充率為6%，空氣流量大，壓力降小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，安裝方便。缺點(diǎn)是強(qiáng)度不大，易損而失效，受潮也失效。3．高流量過(guò)濾器這是DomnickHunter公司開(kāi)發(fā)的聚四氟乙烯（PTFE）材料為濾芯的以HighFlowBio-x和HighFlowTetporII為代表的高流量過(guò)濾器，它結(jié)合了深層過(guò)濾技術(shù)和新的膜折疊技術(shù)。其過(guò)濾機(jī)理和過(guò)濾效率均同Bio-x過(guò)濾器，但所用材料PTEE是一種堅(jiān)韌的疏水性材質(zhì)，可以做成折疊濾芯，增加了過(guò)濾面積，使空氣流量為Bio-x的3倍，延長(zhǎng)了使用壽命，進(jìn)一步縮小了體積。這種過(guò)濾器的空隙率達(dá)94%，大于普通的膜過(guò)濾器（PTFE為75%，PVDF為66%）。4．其它膜過(guò)濾器核工業(yè)凈化過(guò)濾工程中心研制成功的JPF型聚二氟乙烯膜折疊式過(guò)濾器，通過(guò)微孔濾膜絕對(duì)過(guò)濾，過(guò)濾精度極高，濾膜采用折疊形式，通氣量大，壓力降小，介質(zhì)材耐高溫，疏水性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。第二節(jié)生物加工過(guò)程的空氣調(diào)節(jié)一、空氣調(diào)節(jié)的方法二、濕空氣焓—濕圖三、水與空氣直接接觸進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)四、表面換熱器空氣調(diào)節(jié)五、向空氣噴蒸汽進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)

一、空氣調(diào)節(jié)的方法分成兩大類：直接接觸式和表面式。直接接觸式熱、濕交換的設(shè)備特點(diǎn)是空氣進(jìn)行熱、濕交換的介質(zhì)和被處理的空氣接觸，通常是將其噴淋到被處理的空氣中去。表面式熱濕交換設(shè)備的特點(diǎn)是與空氣進(jìn)行熱濕交換的介質(zhì)不和空氣直接接觸，熱、濕交換是通過(guò)處理設(shè)備的金屬表面來(lái)進(jìn)行的。二、濕空氣焓—濕圖（一）濕空氣的幾個(gè)主要狀態(tài)參數(shù)（二）濕空氣焓濕圖介紹（三）空氣狀態(tài)變化過(guò)程及狀態(tài)變化過(guò)程的表示方法（一）濕空氣的幾個(gè)主要狀態(tài)參數(shù)1．水蒸汽分壓Ｐw空氣中水蒸汽分壓愈大，水汽含量就愈高。根據(jù)分壓定律，與干空氣分壓之比/=為摩爾水汽與摩爾干空氣之比，其中為濕空氣的總壓。2．空氣的濕含量H單位質(zhì)量干空氣中所含水汽的質(zhì)量，稱為空氣的濕含量或絕對(duì)濕度，簡(jiǎn)稱濕度，其單位為kg/kg，用符號(hào)H表示。3．空氣的相對(duì)濕度為了表示距離飽和狀態(tài)的程度，常用相對(duì)濕度來(lái)衡量。4．露點(diǎn)溫度td空氣在濕含量H不變的情況下冷卻，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)溫度td。5．濕球溫度tw在溫度t、為濕度為H的不飽和空氣流中，在絕熱條件下達(dá)到平衡所顯示的溫度，稱為空氣的濕球溫度。6．濕空氣的焓Ｉ空氣的增濕或減濕過(guò)程是與空氣與水兩相間傳質(zhì)與傳熱同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程，不僅有濕量的轉(zhuǎn)移，也有熱量的傳遞，因此有必要知道空氣的另一個(gè)性質(zhì)——焓。（二）濕空氣焓濕圖介紹1．等焓線和等含濕線2．等溫線3．等相對(duì)濕度線4．水蒸汽分壓力線5．熱濕比線（三）空氣狀態(tài)變化過(guò)程及狀態(tài)變化過(guò)程的表示方法

1．等濕（干式）加熱過(guò)程2．等焓減濕過(guò)程3．等焓加濕過(guò)程4．等溫加濕過(guò)程5．減濕冷卻（或冷卻干燥）過(guò)程三、水與空氣直接接觸進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)（一）空氣與水濕熱交換原理（二）空氣與水直接接觸時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程（三）用噴水室處理空氣（四）噴水室的熱工計(jì)算（一）空氣與水濕熱交換原理當(dāng)空氣遇到敞開(kāi)的水面或飛濺的水滴時(shí)，便與水表面發(fā)生熱、濕交換，在蒸發(fā)過(guò)程中，邊界層中減少了的水蒸汽分子由水面躍出的水蒸汽分子補(bǔ)充；在凝結(jié)過(guò)程中，邊界層中過(guò)多的水蒸汽分子將回到水面。（二）空氣與水直接接觸時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程

將空氣與水的濕熱交換過(guò)程看作飽和的與未飽和的兩種空氣的混合過(guò)程。隨著水溫不同，可以得到如圖4-33和表4-9的七種典型的空氣狀態(tài)變化曲線。（三）用噴水室處理空氣噴水增濕的方法又有兩大類，其一是使噴灑的水量全部汽化后即能使空氣達(dá)到要求的濕度。另一種方法是使大量的水噴灑于不飽和的空氣中，結(jié)果使部分噴水汽化后進(jìn)入空氣中，得到近乎飽和的濕空氣，并使空氣降溫。最常用的是用噴水室處理空氣。

（四）噴水室的熱工計(jì)算（1）空氣質(zhì)量流速的影響v——空氣流速，m/s；ρ——空氣密度，kg/m3；G——通過(guò)噴水室的空氣量，kg/h；f——噴水室的橫斷面積，m2（2）噴水系數(shù)的影響（3）噴水室結(jié)構(gòu)特性的影響4．噴水室的熱工計(jì)算方法（1）該噴水室能達(dá)到的η1應(yīng)等于空氣處理過(guò)程需要的η1；（2）該噴水室能達(dá)到的η2應(yīng)等于空氣處理過(guò)程需要的η1；（3）該噴水室噴出的水能放出（或吸收）的熱量應(yīng)等于空氣得到（或失去）的熱量。5．噴水溫度與噴水量的關(guān)系四、表面換熱器空氣調(diào)節(jié)利用表面式換熱器處理空氣時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)等濕加熱、等濕冷卻和減濕冷卻三種過(guò)程。1．等濕過(guò)程的傳熱系數(shù)2．減濕冷卻過(guò)程的傳熱系數(shù)五、向空氣噴蒸汽進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)如果將空氣加濕到飽和狀態(tài)點(diǎn)之后還要繼續(xù)加入蒸汽，則多余的蒸汽將凝結(jié)成水，放出來(lái)的汽化潛熱又將使飽和空氣的溫度繼續(xù)升高，即空氣狀態(tài)將沿飽和線上升到狀態(tài)點(diǎn)4。點(diǎn)4的具體位置可按熱平衡的原則或作圖法得到。使用作圖法時(shí)，先按加濕量大小在等溫線的延長(zhǎng)線上找到點(diǎn)4’，過(guò)點(diǎn)4’的等焓線與飽和線的交點(diǎn)就是狀態(tài)點(diǎn)4。

生物反應(yīng)器的放大與控制第一節(jié)生物反應(yīng)器的放大

一、經(jīng)驗(yàn)放大法二、其他放大方法（一）幾何相似放大（二）以單位體積液體中攪拌功率相同放大（三）以單位培養(yǎng)液體積的空氣流量相同的原則進(jìn)行放大（四）以空氣線速度相同的原則進(jìn)行放大（五）以Ka相同的原則進(jìn)行放大（六）攪拌器葉尖速度相同的準(zhǔn)則（七）混合時(shí)間相同的準(zhǔn)則除了上述的一些放大方法之外，還在實(shí)驗(yàn)中采用因次分析法、時(shí)間常數(shù)法、數(shù)學(xué)模擬法等?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)定值過(guò)程的模型用電子計(jì)算機(jī)作方案研究模型的放大計(jì)算機(jī)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較基礎(chǔ)模型的修正用電子計(jì)算機(jī)作設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程的基本設(shè)計(jì)小試中試圖7-1數(shù)學(xué)模擬放大方法示意圖第二節(jié)生物反應(yīng)器的參數(shù)檢測(cè)

一、生物加工過(guò)程的參數(shù)（物理、化學(xué)參數(shù)）二、檢測(cè)方法與儀器（一）設(shè)定參數(shù)1．壓強(qiáng)2．溫度3．通氣量4．液面（或漿液量）5．?dāng)嚢柁D(zhuǎn)速與攪拌功率6．泡沫高度7．培養(yǎng)基流加速度8．冷卻介質(zhì)流量與速度9．培養(yǎng)基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度（二）狀態(tài)參數(shù)1．黏度（或表觀黏度）2．pH3．溶氧濃度和氧化還原電位4．發(fā)酵液中溶解CO2濃度5．細(xì)胞濃度及酶活特性6．菌體形態(tài)（三）間接參數(shù)1．呼吸代謝參數(shù)2．菌體比生長(zhǎng)速率3．氧比消耗速率（rO2）（一）主要參數(shù)檢測(cè)原理及應(yīng)用1．溫度的測(cè)量2．壓強(qiáng)的檢測(cè)3．液位和泡沫高度的檢測(cè)4．流量測(cè)量（1）差壓式流量計(jì)（2）轉(zhuǎn)子流量計(jì)（3）電磁流量計(jì)5．發(fā)酵液黏度的測(cè)量6．?dāng)嚢柁D(zhuǎn)速和攪拌功率7．pH值的測(cè)量8．溶氧濃度的檢測(cè)9．溶解CO2濃度的檢測(cè)10．細(xì)胞濃度的測(cè)定11．高壓液相分析系統(tǒng)（HPLC）12．流動(dòng)注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系統(tǒng)13．映像在線監(jiān)控系統(tǒng)（二）在線發(fā)酵儀器的研究進(jìn)展1．紅外光譜技術(shù)2．熒光檢測(cè)技術(shù)3．離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感技術(shù)第三節(jié)控制理論與應(yīng)用

一、生物過(guò)程的控制特征（一）溫度的控制（二）pH的控制（三）溶氧控制（四）補(bǔ)料控制二、先進(jìn)控制理論在反應(yīng)器控制中的應(yīng)用（一）模糊邏輯控制在生化過(guò)程中的應(yīng)用（二）生化過(guò)程知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)（三）基于專家系統(tǒng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

生物工程壓力容器第一節(jié)概述

一、壓力容器的基本要求二、壓力容器的結(jié)構(gòu)與分類三、壓力容器零部件的標(biāo)準(zhǔn)化壓力容器的基本要求是安全性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。安全是前提，經(jīng)濟(jì)是目標(biāo)，要在充分保證安全的前提下盡可能做到經(jīng)濟(jì)。壓力容器除了應(yīng)滿足上述基本要求外，還應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、耐久性、密封性及操作和維修方便的要求。1．按容器在生產(chǎn)中的作用分類（1）反應(yīng)壓力容器（代號(hào)R）（2）換熱壓力容器（代號(hào)E）（3）分離壓力容器（代號(hào)S）（4）儲(chǔ)存壓力容器（代號(hào)C）2．按承壓性質(zhì)和壓力等級(jí)分類常壓容器p＜0.1低壓容器（代號(hào)L）0.1≤p＜1.6中壓容器（代號(hào)M）1.6≤p＜10.0高壓容器（代號(hào)H）10.0≤p＜100超高壓容器（代號(hào)U）p≥1003．按安全技術(shù)管理要求分類（1）第三類壓力容器（2）第二類壓力容器（3）第一類壓力容器第二節(jié)壓力容器的材料

一、壓力容器用鋼的基本要求二、壓力容器用鋼品種與類型三、壓力容器的腐蝕及防護(hù)措施四、壓力容器鋼材的選擇壓力容器用鋼的基本要求是具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性、可焊性和與介質(zhì)的相容性。壓力容器用鋼的品種

a．鋼板

b．鋼管

c．鍛件

d．鑄件2．壓力容器用鋼的類型

a．碳素鋼

b．低合金鋼

c．高合金鋼1．金屬的腐蝕

a．化學(xué)腐蝕

b．電化學(xué)腐蝕2．金屬腐蝕破壞的形式及防護(hù)措施

a．合理選擇材料

b．減少或消除殘余應(yīng)力

c．改善介質(zhì)條件

d．涂層保護(hù)1．滿足容器操作參數(shù)的要求2．必須符合經(jīng)濟(jì)性的原則3．必須符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定第三節(jié)內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)

一、內(nèi)壓薄壁圓筒的應(yīng)力分析二、內(nèi)壓薄壁圓筒的設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定四、封頭的設(shè)計(jì)五、壓力試驗(yàn)

通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備對(duì)通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備的要求（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，內(nèi)部附件盡量減少，以利于滅菌徹底和減少金屬離子對(duì)發(fā)酵的影響。（2）有良好的氣液接觸和液固混合性能，使物質(zhì)傳遞、氣體交換能有效地進(jìn)行。（3）在保證發(fā)酵要求的前提下，盡量減少攪拌和通氣時(shí)所消耗的動(dòng)力，對(duì)通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備的要求（4）有良好的熱量交換性能，以適應(yīng)滅菌操作和使發(fā)酵在最適溫度下進(jìn)行；（5）盡量減少泡沫的產(chǎn)生或附設(shè)有效的消沫裝置，以提高裝料系數(shù)；（6）附有必要的可靠檢測(cè)及控制儀表。1.

發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)一機(jī)械攪拌通用式發(fā)酵罐（一）發(fā)酵罐的基本條件原理：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)酵所需要的氧氣?；疽?.結(jié)構(gòu)上具有適宜的徑高比。發(fā)酵罐的高度與徑高比一般為1.7~4，罐身越長(zhǎng)，氧氣的利用率越高。2.有一定的剛度與強(qiáng)度，由于發(fā)酵罐在滅菌過(guò)程和工作時(shí)，罐內(nèi)有一定的壓力和溫度。因此需要一定的強(qiáng)度。3.攪拌通風(fēng)裝置使之氣液充分混合，保證發(fā)酵液一定的溶解氧。4.足夠的冷卻面積。5.盡量減少死角。6.軸封嚴(yán)密。7.維修操作檢測(cè)方便（二）發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)好氣性機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是密閉式受壓設(shè)備，主要部件包括罐身、攪拌器、軸封、打泡器、中間軸承、空氣吹管（或空氣噴射管），擋板、冷卻裝置、人孔等1.罐體結(jié)構(gòu)：圓柱體和橢圓封頭或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼。大型發(fā)酵罐可用襯不銹鋼或復(fù)合不銹鋼制成。剛度和強(qiáng)度：受壓容器，空消或?qū)嵪ǔ缇膲毫?.5Kg/m3。小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接。頂部設(shè)有清洗用的手孔。接管罐頂：進(jìn)料管，補(bǔ)料管，排氣管，接種管和壓力表管。罐身：冷卻水進(jìn)出管，進(jìn)空氣管，溫度計(jì)管和測(cè)控儀表接口。排氣管應(yīng)盡量靠近封頭的軸封位置。2.攪拌裝置目的：有利于液體本身的混合及氣液、氣固之間的混合，質(zhì)量和熱量的傳遞，特別是對(duì)氧的溶解具有重要的意義，加強(qiáng)氣液之間的湍動(dòng)，增加氣液接觸面積及延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間。攪拌器結(jié)構(gòu)攪拌器可以使被攪拌液體形成軸向或徑向的液流。發(fā)酵罐中以徑向液流為主。用渦輪式攪拌器時(shí)為避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿著攪拌軸上升，在攪拌器中央常帶有圓盤。常用的渦輪式攪拌器有平葉式、彎葉式和箭葉式三種。葉片數(shù)一般為六個(gè)，也有少至四個(gè)或多至八個(gè)的。攪拌器結(jié)構(gòu)為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體。功率消耗：平板式最大，彎葉式次之，箭葉式最小。攪拌器宜用不銹鋼制造。1.

圓盤平直葉渦輪攪拌器與沒(méi)有圓盤的平直葉渦輪攪拌特性差別小，從單口管噴出的氣泡受到圓盤的阻擋，避免從軸部的葉片空隙上升，保證了氣泡的更好的分散。循環(huán)輸送量和功率輸出大適用于各種流體，包括粘性流體、非牛頓流體的攪拌混合。2.

圓盤彎葉渦輪攪拌器攪拌流型與平直葉渦輪相似，造成液體徑向流動(dòng)較為強(qiáng)烈，因此在相同的攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)，混合效果較好，功率輸出較小。適用于混合要求特別高，而溶氧速率相對(duì)要求較低的發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn)。3.

圓盤箭葉渦輪攪拌器其攪拌流型與上述兩種渦輪相近軸向流動(dòng)更強(qiáng)烈。相同轉(zhuǎn)速條件下，造成的剪切率低，輸出功率也較低。擋板阻止液面中央部分產(chǎn)生下凹的旋渦，6~4塊擋板可滿足全擋板條件,寬度為0.1-0.12D。全擋板條件：能達(dá)到消除液面旋渦的最低條件。在一定的轉(zhuǎn)速下面增加罐內(nèi)附件而軸功率保持不變。此條件與擋板數(shù)Z，與擋板寬度W與罐徑D之比有關(guān)。

擋板計(jì)算n(b/D)=n（0.1-0.12D）/D=0.5D—發(fā)酵罐直徑，b—擋板寬度N-擋板數(shù) 3.通氣裝置將無(wú)菌空氣導(dǎo)入罐內(nèi)的裝置最簡(jiǎn)單的通氣裝置：?jiǎn)慰坠?，單孔管的出口位于最下面的攪拌器的正下方，開(kāi)口往下，以免培養(yǎng)液中固體物質(zhì)在開(kāi)口處堆積和罐底固形物質(zhì)沉淀。管口與罐底的距離約為40mm。開(kāi)口朝下的多孔環(huán)形管：環(huán)的直徑約為攪拌器直徑的0.8倍。小孔直徑5-8mm孔的總面積約等于通風(fēng)管的截面積。通氣量較小時(shí)，氣泡的直徑與空氣噴口直徑有關(guān)。噴口直徑越小，氣泡直徑越小，氧的傳質(zhì)系數(shù)越大。發(fā)酵過(guò)程中通氣量較大，氣泡直徑僅與通氣量有關(guān)而與分布器直徑無(wú)關(guān)。強(qiáng)烈機(jī)械攪拌時(shí)，多孔分布器對(duì)氧的傳遞效果并不比單孔管為好，會(huì)造成不必要的壓力損失，且易使物料堵塞小孔。4.傳熱裝置排除發(fā)酵過(guò)程中由于生物氧化作用及機(jī)械攪拌產(chǎn)生的熱量的裝置在發(fā)酵過(guò)程中，放出的熱量可用如下的熱平衡方程式：Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q顯-Q輻射Q發(fā)酵發(fā)酵過(guò)程中釋放的凈熱量Q生物—生物合成熱，包括生物細(xì)胞呼吸放熱和發(fā)酵熱Q攪拌—3600Pg

，Pg攪拌功率，

功熱轉(zhuǎn)化率

860（Pg/V）Pg/V，單位體積培養(yǎng)液所消耗的功率（在通氣情況下）860，熱功當(dāng)量，kcal/kwhQ蒸發(fā)—排出空氣帶走水分所需的潛熱

Q顯—排出空氣帶出的顯熱

Q輻射—因罐外壁與大氣間的溫度差使罐壁向大氣輻射的熱量

Q蒸發(fā)+Q顯=Q空氣=(I2-I1)(L/V)L/V—單位培養(yǎng)液體所導(dǎo)入的干空氣重量

Kg/m3

I2-I1—空氣進(jìn)入及離開(kāi)發(fā)酵罐時(shí)的熱含量Kcal/Kg計(jì)算需實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)過(guò)程中維持培養(yǎng)液的溫度不變，定期測(cè)量冷卻水進(jìn)口及出口的溫度t2及t1以及冷卻水的流量GQ發(fā)酵=(t2-t1)GC/VG—水的流量C——水的比熱T2、t1—水的進(jìn)口、出口溫度V——培養(yǎng)體積發(fā)酵罐傳熱面的傳熱系數(shù)K=Q發(fā)酵V/（F?tm）F——傳熱面積?tm——發(fā)酵液與冷卻水間的平均溫差

發(fā)酵換熱裝置的形式1.夾套式換熱裝置多用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐。一般小于5m3，夾套的高度比靜止液面高度較高即可，約高50~100mm。夾套的寬度對(duì)于不同直徑的發(fā)酵有不同的尺寸，一般為50~200mm，具體設(shè)計(jì)Dg

500~600700~18002000~3000DpDg+50Dg+100Dg+200夾套上設(shè)有水蒸汽，冷卻水或其他介質(zhì)的進(jìn)出口。當(dāng)加熱用水蒸氣，進(jìn)口管應(yīng)靠近夾套上端，冷凝液從底部排出；如果冷卻介質(zhì)是液體，則進(jìn)口管應(yīng)安在底部，是液體從底部進(jìn)入上部流出。優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工容易罐內(nèi)無(wú)冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行滅菌工作，有利于發(fā)酵。缺點(diǎn)是傳熱，傳熱系數(shù)100~250豎式蛇管換熱裝置豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八組。5m3以上的發(fā)酵罐多采用優(yōu)點(diǎn)：冷卻水在管內(nèi)的流速較快，傳熱系數(shù)高。約為300~450（有時(shí)可達(dá)800~1000）。缺點(diǎn)：容易被腐蝕，增加培養(yǎng)液中金屬離子的濃度，腐蝕而形成穿孔，引起污染。豎式列管（排管）換熱裝置傳熱系數(shù)較蛇管低，用水量也較大。5、機(jī)械消沫裝置發(fā)酵液中含有大量的蛋白質(zhì)，在強(qiáng)烈的通氣攪拌下產(chǎn)生大量的泡沫。導(dǎo)致發(fā)酵液的外溢和增加染菌機(jī)會(huì)須用加消沫劑的方法去除，泡沫的機(jī)械強(qiáng)度較差和泡沫量較少時(shí)，采用機(jī)械消沫裝置也有一定作用。其作用是將泡沫打碎。消沫器可分為兩大類①

內(nèi)置：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。②

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)。第一類最簡(jiǎn)單的是槳式消沫槳。6、連軸器及軸承支承大罐攪拌軸一般較長(zhǎng)，常分二段或三段，用連軸器使上、下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。作用是轉(zhuǎn)送運(yùn)動(dòng)和功率。常用：①剛性?shī)A殼式連軸器：由兩個(gè)半園筒形的夾殼組成，用螺栓固定。這種連軸器的優(yōu)點(diǎn)是拆裝方便，拆裝時(shí)軸不需要作軸向移動(dòng)。②剛性凸緣式連軸器：由兩個(gè)帶凸緣的圓盤組成，半連軸器與軸是通過(guò)鍵進(jìn)行固定，由軸上的軸啟與鎖緊螺母達(dá)到軸向固定。發(fā)酵罐的支承罐外的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸承：用二個(gè)滾動(dòng)軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷。罐內(nèi)最好不安裝軸承，罐內(nèi)操作條件惡劣，潤(rùn)滑困難，安裝維修不便；另一方面在罐內(nèi)再加軸承，則成多支點(diǎn)支撐，對(duì)中不易，安裝不好將產(chǎn)生偏心，加劇軸承的磨損和產(chǎn)生震動(dòng)。攪拌軸的支撐最好做成懸臂狀。但是發(fā)酵罐較長(zhǎng)，僅用二個(gè)支撐點(diǎn)滿足不了要求，需要增加罐內(nèi)支撐點(diǎn)?？砂惭b底軸承和中間軸承。這些軸承都要靠液體本身潤(rùn)滑，應(yīng)用軸37、軸封攪拌軸的密封稱為動(dòng)密封。因?yàn)樵诎l(fā)酵罐的密封除靜密封外，還要考慮攪拌軸與罐蓋之間的密封。由于攪拌軸是轉(zhuǎn)動(dòng)的和運(yùn)動(dòng)的，而頂蓋是固定靜止的，對(duì)這種運(yùn)動(dòng)與靜之間的密封稱為動(dòng)密封。對(duì)動(dòng)密封的基本要求1.密封要可靠；2.機(jī)構(gòu)要簡(jiǎn)單；3.使用壽命要長(zhǎng)。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）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。填料函密封的特點(diǎn)與缺點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，填料拆裝方便。缺點(diǎn)：Ⅰ、死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌。Ⅱ、軸的磨損較嚴(yán)重Ⅲ、增加由于摩擦所損耗的功率，產(chǎn)生大量的摩擦熱Ⅳ、壽命較段，需經(jīng)常換填料2.機(jī)械密封原理：靠彈性元件（彈簧、波紋管）及密封介質(zhì)壓力使兩個(gè)精制的，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。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。

機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)1.摩擦付，即動(dòng)環(huán)和靜環(huán)2.彈簧加荷裝置3.輔助密封圈（動(dòng)環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈）優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)1.泄漏量極少，約為填料函密封的1％，動(dòng)、靜環(huán)密封圈與轉(zhuǎn)軸或壓蓋是相對(duì)靜止而幾乎不受磨損，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.使用工作壽命長(zhǎng)。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。優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)3°不需要調(diào)整。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，因此不需要調(diào)整。4°摩擦功率損耗小。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。其損耗功率僅為填料函密封的10～15％。5°軸與軸套不受磨損。6°結(jié)構(gòu)緊湊，安裝長(zhǎng)度較短。由于不需要調(diào)整用的間隙，因而使結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：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。

（三）發(fā)酵罐的幾何計(jì)算1.幾何尺寸：H/D=1.7-3.5;H:罐身高，D：罐徑Di/D=1/2~1/3，Di：攪拌葉輪直徑B/D=1/8~1/12，B：擋板寬C/Di=0.8~1.0，C：下攪拌葉輪與罐底距S/Di=2~5，S：相鄰攪拌葉輪間距H0/D=2H0

：罐高2.容積計(jì)算橢圓形風(fēng)封頭體積計(jì)算公稱容積V公稱=V下封頭+D2H/4（3）液柱高度HL=H’+ha+hb’—圓柱部分高度的裝料系數(shù)，裝料容積和裝料系數(shù)裝料容積V=（D2ha

/6）+（D2H+hb）/4(5)裝料系數(shù)，0.6-0.8=V料/V全氣升式發(fā)酵罐特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要攪拌不易污染，氧傳質(zhì)效率高，能耗低，節(jié)省動(dòng)力約50%；裝料系數(shù)達(dá)80~90%；安裝維修方便，冷卻面積小剪切力小較適于單細(xì)胞蛋白等的生產(chǎn)發(fā)展初期：空氣通過(guò)底部的多孔板分散成小氣泡與培養(yǎng)基混合，向上移動(dòng)，最后與二氧化碳等釋出，培養(yǎng)液處于湍流狀態(tài)?，F(xiàn)在：上升管和下降管，含氣率多的培養(yǎng)基比重小，向上升。含氣率小的培養(yǎng)基比重較大，由于在管內(nèi)外的液體比重不同，而產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)培養(yǎng)液在罐內(nèi)循環(huán)外循環(huán)與內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵罐上升管和下降管的布置可以裝在罐外，稱為外循環(huán)也可裝在罐內(nèi)，稱為內(nèi)循環(huán)。工作機(jī)理罐內(nèi)外裝設(shè)上升管，上升管兩端與罐底上部相連接，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。在上升管的下部裝設(shè)空氣噴嘴口，空氣以250~300m/s的高速度噴入上升管，使空氣分割細(xì)碎，使上升管的發(fā)酵液比重較小，加上壓縮空氣的動(dòng)能，使液體上升，罐內(nèi)液體下降，進(jìn)入上升罐，形成反復(fù)的循環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)高徑比H/D=5~9導(dǎo)流筒徑與管徑比DE/D=0.6~0.8循環(huán)周期時(shí)間的確定tm=VL/VC=VL/[(/4)DE2vm]VL——罐內(nèi)培養(yǎng)液體積VC——培養(yǎng)液循環(huán)量DE——導(dǎo)流管（上升管）直徑vm——導(dǎo)流管中液體平均流速氣液比R空氣噴出壓力差?p及循環(huán)速度vm之間的關(guān)系，通氣量對(duì)其混合和溶氧起決定作用通氣壓強(qiáng)（空氣噴出壓力差?p）：發(fā)酵液流動(dòng)與溶氧有相當(dāng)影響氣液比R=VC/VG環(huán)流速度取1.2~1.8m/s，多段導(dǎo)流管或有篩網(wǎng)時(shí)可降低。溶氧傳質(zhì)氣液傳質(zhì)速率取決于發(fā)酵液的湍動(dòng)及氣泡的剪切細(xì)碎狀態(tài)，氣液湍動(dòng)與混合受反應(yīng)器輸入能量的影響反應(yīng)溶液氣含率與空氣截面速度vs關(guān)系：

h=KvsnK,n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，鼓泡塔式發(fā)酵罐低通氣速率時(shí)，n=0.7~1.2，高通氣速率時(shí)，n=0.4~0.7體積溶氧系數(shù)為空截面空氣速度的函數(shù)kLa=bvsm水和電解質(zhì)，m=0.8b實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與空氣分布器形式和溶液性質(zhì)的函數(shù)氣升環(huán)流式發(fā)酵罐當(dāng)通氣輸入功率為Pg/VL=1kW/m3，OTR=2~3kg/（m3h），溶氧速率為2kg/（kWh）噴嘴直徑的確定噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖噴嘴直徑的確定自吸式發(fā)酵罐特點(diǎn)與不足種類自吸式發(fā)酵罐特點(diǎn)與不足節(jié)約設(shè)備投資，減少?gòu)S房面積溶氧速率高，溶氧效率高，能耗低某些發(fā)酵則生產(chǎn)效率高，經(jīng)濟(jì)效益高。缺點(diǎn)：易染菌，需高效過(guò)濾系統(tǒng)種類機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐溢流噴射自吸式發(fā)酵罐機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過(guò)程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。開(kāi)始于1960s，通風(fēng)裝置由轉(zhuǎn)子和定子組成。機(jī)理在轉(zhuǎn)子啟動(dòng)前先用液體將轉(zhuǎn)子浸濕，然后啟動(dòng)馬達(dá)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體或空氣在離心力的作用下被甩向葉輪外緣，而使流體獲得能量，通風(fēng)機(jī)理轉(zhuǎn)子葉輪空腔內(nèi)的流體從中心甩向外緣時(shí)，中心形成負(fù)壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈大，所造成的負(fù)壓也愈大。由于轉(zhuǎn)子的空腔用管子與大氣相通，由于大氣的空氣不斷的被吸入，甩向葉輪的外緣，通過(guò)導(dǎo)輪而使氣流均勻甩出。轉(zhuǎn)子攪拌使氣液在轉(zhuǎn)子的周圍形成強(qiáng)烈的混合流，使剛離開(kāi)葉輪的空氣不斷在發(fā)酵液分裂成細(xì)微的氣泡，并在湍流狀態(tài)下混合、翻騰、擴(kuò)散到整個(gè)罐中。自吸式通風(fēng)裝置在攪拌的同時(shí)，完成了通風(fēng)作用。葉輪形式有：六葉輪、三葉輪、四彎葉輪等形式。常見(jiàn)的為三葉輪和四彎葉輪。葉輪卻是空心體，葉輪直徑為罐直徑的1/3到1/15。自吸的攪拌轉(zhuǎn)速一般比通用式高，對(duì)于單個(gè)罐功率較高，也可削去空壓機(jī)的功率，功率下降，減少30％。設(shè)計(jì)要點(diǎn)高徑比：利用負(fù)壓吸空氣，不宜取大。以液面與攪拌吸氣轉(zhuǎn)子的距離2-3m。轉(zhuǎn)子與定子的確定：三棱葉轉(zhuǎn)子特點(diǎn)：直徑大；較低轉(zhuǎn)速時(shí)吸氣量大吸氣量穩(wěn)定，吸程大攪拌功率高直徑為罐直徑的0.35倍具體數(shù)據(jù)見(jiàn)書(shū)，46頁(yè)四彎葉轉(zhuǎn)子剪切作用小阻力小消耗功率小轉(zhuǎn)速高吸氣量大溶氧系數(shù)高具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)書(shū)47頁(yè)吸氣量計(jì)算滿足單位體積功率消耗比時(shí)：三棱葉自吸式攪拌器吸氣量：

f(Na,Fr)=0Na;吸氣準(zhǔn)數(shù)，=Vg/(nd3)Fr;弗魯特準(zhǔn)數(shù)，=n2d/gd:葉輪直徑，m

n：轉(zhuǎn)速,1/sVg：吸氣量，m3/sg：重力加速度常數(shù),9.81m/sFr增至一定值，Vg趨于穩(wěn)定，Na=0.0628-0.0634，修正系數(shù)為0.5-0.8四彎葉自吸式攪拌器吸氣量計(jì)算Vg=12.56nCLB(D-L)K(m3/min)n,葉輪轉(zhuǎn)速，r/min；D,葉輪外徑，L，葉輪開(kāi)口長(zhǎng)度，m；B，葉輪厚度，m；C，流率比，C=K/（1+K）K，充氣系數(shù)噴射自吸式發(fā)酵罐文式管吸氣自吸式發(fā)酵罐利用泵使發(fā)酵液通過(guò)文式管吸氣裝置，液體在收縮段加速，形成真空，吸入空氣，氣泡分散與液體混合，收縮段液體Re>6×104,吸氣量及溶氧速率高液體噴射自吸式發(fā)酵罐尺寸范圍內(nèi)，體積溶氧傳質(zhì)系數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：kLa=1.0（PL/VL）0.23vs0.91（De/D）-0.46D和De發(fā)酵罐和導(dǎo)流管內(nèi)徑，mPL液體噴射功率，VL發(fā)酵罐溶液體積vs空截面氣速溢流噴射自吸式發(fā)酵罐液體由溢流噴射器溢流形成拋射流，液體的表面層與其相鄰的氣體的動(dòng)量傳遞，使邊界層氣體具有一定速率，帶動(dòng)氣體流動(dòng)形成自吸氣作用。通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備和其他類型的通風(fēng)發(fā)酵反應(yīng)器見(jiàn)書(shū)50-53，自習(xí)§2.攪拌器軸功率的計(jì)算一、攪拌器軸功率的計(jì)算軸功率：攪拌器輸入攪拌液體的功率，是指攪拌器以既定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，用以克服介質(zhì)的阻力所需的功率。它包括機(jī)械傳動(dòng)的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動(dòng)機(jī)的軸功率或耗用功率。（一）攪拌功率計(jì)算的基本方程式單只渦輪在不通氣條件下輸送攪拌液體的功率計(jì)算，P0與下列因素有關(guān)：攪拌罐的直徑T、液柱高度HL、液體粘度μ、攪拌器直徑D，攪拌型式、攪拌器轉(zhuǎn)速N、液體密度ρ、重力加速度g以及有無(wú)擋板。攪拌罐直徑T、液位高度HL與攪拌器直徑D有一定的比例關(guān)系。可以作為獨(dú)立參數(shù)公式P0=f（N，D，

，

，g）用因次分析法對(duì)上述函數(shù)進(jìn)行處理P0=A

NaDb

c

dge根據(jù)因次和諧的原則，等號(hào)兩側(cè)因次應(yīng)相等：

FL/T=(1/T)aLb(FT2/L4)c(FT/L2)d(L/T2)e

因次[F]:1=c+d因次[L]:1=b-4c-2d+e因次[T]:-1＝-a+2c+d-2e共有變量數(shù)n＝6，基本因次m＝3，由上述方程組a＝3-d-2eb＝5-2d-ec＝1-dP0=A

N3-d-2eD5-2d-e

1-d

dgeP0=A

N3D

5

[/(ND2

)]

d[g/(N2D)

]

eP0/(

N3D

5)

=K

[(ND2

)/

]

m[(N2D)

/g]

nNp=P0/(

N3D

5)

——功率準(zhǔn)數(shù)ReM=

(ND2

)/

——攪拌情況下的雷諾系數(shù)FrM——攪拌情況下的韋魯特準(zhǔn)數(shù)P0——無(wú)通氣時(shí)攪拌器輸入液體的功率

(W)ρ——液體密度（kg/m3）μ——液體粘度

（N.s/m2）D——渦輪直徑

（m）N——渦輪轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）

k、m、n值為與攪拌器型式、攪拌罐比例尺寸有關(guān)的常數(shù)，在具有擋板的情況下，液面不產(chǎn)生中心下降的漩渦，此時(shí)指數(shù)n＝0。具有擋板的情況下：P0/(

N3D

5)

=K

[(ND2

)/

]

mNp=KReMm圓盤六平直葉渦輪Np＝0.6圓盤六彎葉渦輪Np≡4.7圓盤六剪葉渦輪

Np≡3.7（二）多只渦輪在不通氣條件下輸入攪拌液體的功率計(jì)算

在相同的轉(zhuǎn)速下，多只渦輪比單只渦輪輸出更多的功率，其增加程度除葉輪的個(gè)數(shù)之外，還決定于渦輪間的距離。距離有三個(gè)情況：1、s＝0

實(shí)際上變?yōu)橐粋€(gè)渦輪；2、s＞sconst

互不干擾，兩個(gè)渦輪所消耗的功率就是單個(gè)渦輪的兩倍；3、s＜scovnst

相互干擾，輸出功率小于單個(gè)渦輪的兩倍。當(dāng)輸出功率為最大時(shí)，渦輪間的距離：

Sm=[HL-(0.9+

)D]/2

=[(m-1)lgm-lg(m-1)!]/lgmHL——液柱高度D——攪拌器直徑m——同一軸上攪拌器個(gè)數(shù)

對(duì)非牛頓型流體可取S＝2D牛頓型流體S＝2.5～3.0D靜液面至上渦輪的距離可取0.5～2D下渦輪至罐底的距離C＝0.5～1.0DS過(guò)小，不能輸出最大的功率；S過(guò)大，則中間區(qū)域攪拌效果不好。符合上述條件的發(fā)酵罐，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或?qū)崪y(cè)結(jié)果都表明，多個(gè)渦輪輸出的功率近似等于單個(gè)渦輪的功率乘以渦輪的個(gè)數(shù)。

Pn＝nP0（三）通氣情況下的攪拌功率Pg的計(jì)算

同一攪拌器在相等的轉(zhuǎn)速下輸入通氣液體的功率比不通氣流體的為低?？赡艿脑蚴怯捎谕馐挂后w的重度降低導(dǎo)致攪拌功率的降低。功率下降的程度與通氣量及液體翻動(dòng)量等因素有關(guān)，主要地決定于渦輪周圍氣流接觸的狀況。

通氣準(zhǔn)數(shù)：Na＝Q/ND3來(lái)關(guān)聯(lián)功率的下降程度Na＜0.035Pg/P0＝1～12.6NaNa＜0.035Pg/P0＝1～12.6NaQ——通氣量m3/minN——轉(zhuǎn)速1/minD——攪拌器的直徑mPg——通氣情況下的軸功率kwP0——不通氣情況下的軸功率kwMichel等人用六平葉渦輪將空氣分散于液體之中，測(cè)量其輸出功率，得到經(jīng)驗(yàn)式：

Pg=c[P02ND

3

/Q0.56]0.45福田秀雄公式

Pg=f（P02ND

3/Q0.08）修正后的MichelPg=2.25[P02ND

3

/Q0.08]0.39×10-3Pg、P0——通氣與未通氣的軸功率kwN——攪拌器轉(zhuǎn)速1/minD——攪拌器直徑cmQ——通氣量ml/min二、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。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。牛頓型流體：粘度μ只是溫度的函數(shù)，與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。服從牛頓粘性定律。非牛頓流體：粘度μ不僅是溫度的函數(shù)，隨流動(dòng)狀態(tài)而變化。（一）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：

=dw/dr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。τ——剪應(yīng)力dw/dr——剪切率（速度梯度）非牛頓型流體的分類我們接觸的非牛頓型流體基本上為穩(wěn)定的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）

=k(dw/dr)nk——均勻性系數(shù)n——流動(dòng)性指數(shù)n＜1大多數(shù)發(fā)酵液均屬于此類。特點(diǎn)：粘度隨著剪切率下——而降低。（2）彬漢塑型性流體特點(diǎn)是其剪應(yīng)力與剪切率的關(guān)系是不通過(guò)原點(diǎn)的直線。

τ-τy=μp

dw/drτy——屈服剪應(yīng)力μp——?jiǎng)傂韵禂?shù)（3）擬塑性流體：

=k(dw/dr)nn＞1：流動(dòng)性指數(shù)據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，大多數(shù)發(fā)酵液均屬于非牛頓型流體。k——均勻性指數(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)。凡牛頓型性流體，服從

=

/(dw/dr)而對(duì)于非牛頓型流體

p=

/(dw/dr)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。例：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24hr以前為彬漢塑性流體；在48及96hr時(shí)呈牛頓型流體；在120hr時(shí)呈擬塑性流體（三）非牛頓型流體的攪拌功率計(jì)算

可用Np＝ReMm的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算粘度是隨攪拌速度而變化的，因而必須事先知道粘度與攪拌速度的關(guān)系，然后才能計(jì)算不同攪拌轉(zhuǎn)速下的ReM。

牛頓型流體與非牛頓型流體的Np～ReM曲線基本吻合，差別僅在ReM＝10～300區(qū)間之內(nèi)

三、發(fā)酵罐攪拌功率的確定應(yīng)按不通氣時(shí)所需攪拌功率來(lái)確定，這是因?yàn)闇缇鞍l(fā)酵前期不進(jìn)行通氣或通氣量很少，若按照正常情況下的功率消耗配備攪拌器的旋動(dòng)電機(jī)，勢(shì)必使電機(jī)長(zhǎng)期處在超負(fù)載情況下，甚至根本無(wú)法啟動(dòng)電機(jī)或使電機(jī)損壞。在攪拌器剛啟動(dòng)時(shí)，往往需要比運(yùn)動(dòng)功率大得多的啟動(dòng)功率，但因發(fā)酵罐所選用的電機(jī)一般屬于三相電動(dòng)機(jī)，此種電動(dòng)機(jī)允許在短時(shí)間內(nèi)有較大的超負(fù)荷，加上合理采用啟動(dòng)裝置，故不必考慮啟動(dòng)時(shí)的功率消耗?？紤]到電動(dòng)機(jī)系列中的額定功率的規(guī)格間隔很大，如比40kw再大一些的規(guī)格就是55、75、100kw，因此在實(shí)際選用電動(dòng)機(jī)時(shí)可考慮采用介于通氣與不通氣之間的功率。過(guò)去發(fā)酵罐所配備電動(dòng)機(jī)的功率約為1～1.5kw/m3培養(yǎng)液，而目前發(fā)酵罐所配備電動(dòng)機(jī)容量，特別是如青霉素等由霉菌發(fā)酵的發(fā)酵罐，其電動(dòng)機(jī)容量可達(dá)至3～4kw/m3培養(yǎng)液，同時(shí)將通氣量壓縮在較低水平上（如0.4～0.5m3/m3/min），即采用高功率消耗，低通氣量的方法來(lái)加強(qiáng)攪拌過(guò)程中的剪應(yīng)力和翻動(dòng)量三、非牛頓型流體特性對(duì)攪拌功率計(jì)算的影響用水解糖液、糖蜜等原料作為培養(yǎng)液的細(xì)菌醪、酵母醪均屬于非牛頓型流體；直接用淀粉、豆餅粉原料的低濃度細(xì)菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體；至于霉菌醪、放線菌醪，不管用什么原料作為培養(yǎng)液，均屬于非牛頓型流體。提高氧的傳遞速度和液固的混合程度對(duì)高粘度的發(fā)酵液來(lái)說(shuō)是十分必要的。同時(shí)可避免高通氣量引起的攪拌功率下降過(guò)多、泡沫嚴(yán)重、裝料量少、液體蒸發(fā)量大等缺點(diǎn)。適當(dāng)選用較大容量的電動(dòng)機(jī)，可在設(shè)備改裝和工藝條件改變時(shí)具有一定的靈活性。當(dāng)然也要避免盲目采用大功率電機(jī)而導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)功率因數(shù)過(guò)低。第三章

通氣發(fā)酵罐中溶氧速率與通氣攪拌的關(guān)系

溶氧傳遞溶氧傳遞一、 雙膜理論通風(fēng)發(fā)酵罐的通風(fēng)是供給好氣性發(fā)酵微生物呼吸和代謝活動(dòng)所需的氧。微生物只能利用溶氧。供氧與好氧不斷地進(jìn)行。若能設(shè)法提高溶氧速率和氧的利用率，則能提高發(fā)酵生產(chǎn)率。氧的溶解性氧是難溶于水的氣體，在23℃時(shí)，每升水中只能溶解5.44ml，而氧的溶解所能達(dá)到的限度，決定于氣液平衡關(guān)系和傳質(zhì)速率。為了加速氧的溶解，必須盡可能加大氣液兩相間的接觸面和流體動(dòng)力學(xué)條件。因此在工業(yè)生產(chǎn)中把除菌中的空氣通入培養(yǎng)液中，使之分散成細(xì)小的氣泡，盡可能增大氣液兩相的接觸面積和接觸時(shí)間。以促進(jìn)氧的溶解。在設(shè)計(jì)通氣發(fā)酵罐如何提高溶氧速率和氧的利用率，是值得研究的問(wèn)題。

（一） 氧的傳遞途徑在需氧發(fā)酵中，對(duì)微生物的供氧過(guò)程，首先是氣相中的氧溶解在培養(yǎng)液中，然后傳遞到細(xì)胞內(nèi)的呼吸酶位置上面被利用。這是一系列的傳遞過(guò)程。可分為供氧和好氧兩個(gè)方面。供氧是指空氣中的氧從空氣通過(guò)氣膜、氣膜界和液膜擴(kuò)散到液體中。好氧是指氧分子自液體主流通過(guò)液膜、菌體絲、細(xì)胞膜擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)。氧的傳遞途徑可分三步：1. 氣泡中的氧分子經(jīng)過(guò)氣膜、氣液界面、液膜進(jìn)入液體主流；2. 氧分子從液體主流向細(xì)胞周圍界面的液膜擴(kuò)散到液體－細(xì)胞界面；3. 氧分子從液體－細(xì)胞界面屬細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)散。（二） 氧氣溶解過(guò)程的雙膜理論1） 在氣液與包圍著氣泡的液體之間存在著界面，在界面的氣流一側(cè)存在一層氣膜，在界面的液體一側(cè)存在著一層液膜。氣膜內(nèi)的氣體分子和液膜中的液體分子都處于層流狀態(tài)分子間無(wú)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，因此氧分子只能以擴(kuò)散方式，即濃度差而透過(guò)雙膜。雙膜理論（2） 在雙膜之間的界面上，氧氣的分壓強(qiáng)與溶于液體中氧的濃度存在平衡關(guān)系；（3）

傳質(zhì)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，傳質(zhì)途徑上各點(diǎn)的氧的濃度不隨時(shí)間而變。雙膜理論氧的空氣擴(kuò)散到氣液界面這一段的推動(dòng)力是空氣中氧的分壓與界面處氧的分壓之差，即P-Pi。氧穿過(guò)界面溶于液體繼續(xù)擴(kuò)散到液體中的推動(dòng)力是界面處氧的濃度與液體中的推動(dòng)力是界面處氧的濃度與液體中氧濃度之差，即C-Ci。兩個(gè)推動(dòng)力相對(duì)應(yīng)的阻力是氣膜阻力的1/kg,和液膜阻力1/kl,單位接觸界面氧的傳遞速率：NA-----單位接觸界面的氧傳遞速率kmol/m2·hrKg-----氣膜傳質(zhì)系數(shù)kmol/m2·hr&atm

kl--液膜傳質(zhì)系數(shù)kmol/m2hr,m3/kmol·m2hrP,Pi----氣相中和氣液界面出氧分壓atmCi,C-----氣液界面和液相中的氧濃度

kmol/m3

總傳質(zhì)系數(shù)和總推動(dòng)力不可能測(cè)定界面處的氧分壓和氧濃度，或者不能直接用于實(shí)際。為了計(jì)算方便，并不單獨(dú)計(jì)算Kg和kl，而改用總傳質(zhì)系數(shù)和總推動(dòng)力：NA＝kG(P-P*)=Kl(C*-C)總傳質(zhì)系數(shù)和總推動(dòng)力kG-----以氧分壓差為總推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)kmol/m2hr&atmKl-----以氧濃度為總推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)m/hrP*-----與液相中溶氧濃度C達(dá)到平衡時(shí)的氧分壓atmC*-----與氣相中氧分壓P平衡時(shí)氧的溶解度kmol/m3亨利定律亨利定律：與溶解度達(dá)到平衡的氣體分壓與該氣體被溶解的濃度成正比。P=HC*P*=HCPi=HCiH――――亨利常數(shù)對(duì)于易溶于水的氣體，H很小。（1）式中的H/Kl可忽略，KG=Kg

對(duì)難溶氣體，好氧溶于水，H很大。1/HKg趨向零，KL=kl

此溶解過(guò)程液膜阻力是主要因素。所以對(duì)于氧溶解：NA=Kl(C*-C)C*-C是可以測(cè)量的，但其中NA是單位面積的傳氧量由于界面積不能測(cè)量，NA也不能計(jì)算。在上式兩邊各乘單位體積培養(yǎng)液中氣液兩相界面的總面積。NAa=Kla(C*-C)Nr=Kla(C*-C)Nr--------單位體積液體氧的溶解速率kmol/m2·hrKla――――以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)1/hr溶氧速度小于微生物而好氧速度,則培養(yǎng)液中氧逐漸耗盡，當(dāng)溶液中氧濃度低于臨界氧濃度時(shí)，就要影響微生物的生長(zhǎng)發(fā)育和代謝產(chǎn)物的生物。因此，供氧和好氧至少必須平衡，此時(shí)可用下式：

NA=Kla(C*-C)=Qo2MQo2------菌體呼吸強(qiáng)度kmol/Kg·hrM―培養(yǎng)液中菌體濃度m3/kg二、體積溶氧系數(shù)Kla的測(cè)定溶氧系數(shù)的測(cè)定方法很多：亞硫酸鈉氧化法，取樣法排氣法。使用了各種試驗(yàn)儀器和方法，如滴汞電極以及極譜儀，還要用靜止、顫動(dòng)鉑電極，具有轉(zhuǎn)篩的銀汞齊電極等，亞硫酸鹽氧化法及溶氧電極法的原理。

（一） 亞硫酸鹽氧化法1. 原理及計(jì)算原理：亞硫酸根離子在銅離子催化作用下，被空氣中的氧分子氧化成硫酸根離子。由于亞硫酸鹽氧化速度很快，所以氧一溶解于液體中就被耗盡。從而使溶液中氧濃度為零值。一般當(dāng)亞硫酸鹽濃度為0.035－0.9當(dāng)量，溫度20－45℃時(shí)，氧化反應(yīng)速度不變。反應(yīng)式

+O2

2NaSO4未被氧化的Na2SO3與碘液反應(yīng)被氧化；Na2SO3+I2+H2O再用穩(wěn)定的Na2S2O3滴定剩余的碘：

操作將配好的1NNa2SO4溶液加入CuSO4(0.01mol/l),一起放入發(fā)酵罐中，進(jìn)行通風(fēng)攪拌。Na2SO3被氧分子氧化成Na2SO4每隔一定時(shí)間（如10min）取樣。放入裝有碘液的三角瓶中，用1％淀粉液作指示劑，用0.1N硫代硫酸鈉溶液滴定過(guò)量的碘。然后計(jì)算溶氧速率。步驟：1.在試驗(yàn)缸加入Na2SO3晶體，使NaSO3濃度為1N左右，再加化學(xué)純的CuSO4,使Cu2＋濃度10－3M.2. 進(jìn)行通風(fēng)攪拌。3. 每隔一定時(shí)間放樣，樣液放入裝有定容和濃度為0.1N的碘液中。4. 用1％淀粉作指示劑，用0.1NNa2S2O3滴加過(guò)量的碘至終點(diǎn)。在以上的反應(yīng)式中：

即每個(gè)S2O32-可以取代1/4O2，因此，二次酸樣測(cè)定的平均溶氧速率：

Nr----體積溶氧速率

V-----兩樣酸樣滴定新耗去Na2S2O3ml差數(shù)m-----樣流的體積mlt-----兩次酸樣的間隔時(shí)間minN-----Na2S2O3的當(dāng)量濃度0.1N4-----每個(gè)S2O32-可取代1/4O22.體積溶氧系數(shù)Kla的計(jì)算用Nr代替公式：Nr＝Kla（C*-C）在此實(shí)驗(yàn)中，溶液中的氧很快被SO32-所還原，溶液中的氧分子濃度為0。

Nr＝KlaC*另外，在25℃時(shí)，1個(gè)大氣壓下，空氣中的氧分壓為0.21atm，與之相平衡的純水中的溶氧濃度C*=0.24mmolO2/L,但在亞硫酸鹽氧化法的具體條件下：規(guī)定0.2124mmol/L

所以：Nr＝KlaC*Kla＝Nr/0.21＝4.8X103Nr·1/hr3.體積溶氧系數(shù)的其他表達(dá)形式Kla---以濃度差為推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)1/hrKd----以總壓力差為傳氧推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)mol/ml·min·atmKr----以壓力差為傳氧推動(dòng)力的體積溶氧系數(shù)kmol/m3hr&atm，mmol/L·hr·atm根據(jù)亨利定律：空氣中的氧分壓Po2,空氣中的總壓力PairPo2=HC*C*=Po2/H根據(jù)氣體分壓定律：Po2＝PairX

則Nr=KlaC*=Po2·Po2/H=Kla·1/H·Po2=Kla·X/H·Pair

令

Kd=Kla·X/HNr=Kd·Pair·mol/ml·min·atm(P)

并且：Kd------以總壓力差為傳氧推動(dòng)力計(jì)算的體積溶氧系數(shù)mol/ml·min·atm(P)如果：以氧分壓為推動(dòng)力：則：

Nr=Kd(Pair)Pair

=1/0.21·Kd(Pair)Po2=Kd(Po2)Po2

因?yàn)椋篜o2＝0.21Pair

Kd(Po2)=1/0.21·Kd(Pair)Nr=Kla·C*

Nr=Kd(Po2)·Po2Kla=Po2/C*·Kd(Po2)C*=0.21·mmol/LPo2=0.21atm單位：

另外，Kr與Kd的意義相同，只不過(guò)單位有區(qū)別：Kla------1/hrKr-------Kd-------(三)、Kla與設(shè)備參數(shù)操作變數(shù)間的關(guān)系式（一） 影響溶氧系數(shù)Kla的主要因素影響Nr的主要因素有溶氧系數(shù)Kla值和推動(dòng)力C*-C。

提高Nr，需要提高Kla和推動(dòng)力C*-C

。與Kla有關(guān)系的有攪拌、空氣線速度、空氣分部器、發(fā)酵液性質(zhì)等。與推動(dòng)力有關(guān)的有發(fā)酵液濃度、氧分壓、發(fā)酵液性質(zhì)等。1. 攪拌：目的：（1）擴(kuò)散氣流，強(qiáng)化流體的湍流程度，使氣液固三相更好地接觸，提高溶氧速率；（2）使微生物懸浮液混合一致促進(jìn)代謝產(chǎn)物的傳質(zhì)速率。攪拌可以分三個(gè)方面改善溶氧速率：（1）把空氣打成細(xì)泡，從而增加有效界面?zhèn)鬟f面積；（2）攪拌使液體形成湍流可以延長(zhǎng)氣泡在液體中心停留時(shí)間，增加氣液接觸時(shí)間；（3）加強(qiáng)液體湍流，減少氣泡周圍液膜的厚度，減少液膜阻力，而增大Kla值。攪拌使菌體分散，避免結(jié)團(tuán)，有利于固液傳遞中的接觸面積增加使推動(dòng)力增加。但是過(guò)度強(qiáng)烈的攪拌，產(chǎn)生的剪切作用大，對(duì)細(xì)泡有損傷，特別是絲狀菌的發(fā)酵類型，更考慮到剪切力對(duì)細(xì)胞的損傷。攪拌器對(duì)Kla值的影響對(duì)Kla值有影響的：攪拌器的形式，直徑大小，轉(zhuǎn)速，組數(shù)，攪拌器間距以及在缸內(nèi)相對(duì)位置。增大攪拌器直徑D對(duì)增加攪拌循環(huán)量有利，增大轉(zhuǎn)速對(duì)提高溶氧系數(shù)有利。一般說(shuō)要求一定的攪拌翻動(dòng)量，使混合均勻，又要求一定的轉(zhuǎn)速，使得發(fā)酵液有一定的液體速度壓頭，以提高溶氧水平。要根據(jù)具體情況決定N和D.一般：（1）當(dāng)空氣流量較小，動(dòng)力消耗也較小時(shí)，以小葉徑，高轉(zhuǎn)速為好；（2）當(dāng)空氣流量較小，功率消耗較大時(shí)，D的大小對(duì)通氣效果的影響不大；（3） 流量達(dá)，功率消耗小時(shí)，以大葉徑，高轉(zhuǎn)速為好；（4） 當(dāng)空氣流量、功率消耗都大時(shí)，以大葉徑、低轉(zhuǎn)速為好。物料輸送過(guò)程與設(shè)備第一節(jié)液體輸送設(shè)備一、離心泵二、往復(fù)泵三、其他類型的泵生產(chǎn)過(guò)程中常需要把液體從一個(gè)設(shè)備通過(guò)管道輸送到另一個(gè)設(shè)備被輸送的液體，性質(zhì)各異因此生產(chǎn)上就需要采用各種不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)的液體輸送機(jī)械根據(jù)其作用原理，大致可分為:一、離心泵（二）工作原理（三）離心泵的主要性能參數(shù)（四）離心泵特征曲線（五）離心泵的氣蝕現(xiàn)象（六）離心泵的吸入高度（一）離心泵裝置及其結(jié)構(gòu)圖3-1為離心泵裝置簡(jiǎn)圖。它由泵、吸入系統(tǒng)和排出系統(tǒng)三部分組成。吸入系統(tǒng)有吸入貯槽、吸入管、底閥、濾網(wǎng)。排出系統(tǒng)有排出貯槽、排出管、逆止閥、調(diào)節(jié)閥等。離心力的作用下液體被拋出，葉輪外周壓力增高，葉輪中心形成真空。這樣，葉輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，一面不斷吸入液體，一面又不斷給吸入的液體以一定能量并送入排出管。包括：流量、壓頭(揚(yáng)程)、效率、轉(zhuǎn)速、功率、氣蝕余量（吸上真空度）等。主要性能參數(shù)有壓頭、流量、效率等。1．壓頭H單位質(zhì)量液體流過(guò)泵后能量的增值稱為壓頭，一般以符號(hào)H表示，單位為m。

2．流量是指泵在單位時(shí)間內(nèi)由泵的排液口排出的液體量，通常以體積流量來(lái)表示，單位習(xí)慣上用m3/h表示?！獑挝粫r(shí)間內(nèi)泵的泄漏量；它既包括所有不經(jīng)過(guò)排液管而漏到泵體外部泄漏，也包括從泵作功部件出來(lái)后仍漏回泵吸液處的內(nèi)部泄漏3．軸功率、有效功率和效率有效功率：軸功率：H——泵的壓頭Q——泵的流量ρ——液體密度η——