只适合牛顿性流体 , 蜗轮搅拌器,标准几何尺寸的机械搅拌发酵罐. 据试验,通风带入的混合能占总量的10%,90%为机械搅拌器输入. 1.单只蜗轮不通气条件下的搅拌轴功率Po重点
搅拌轴功率指搅拌器输入搅拌液体的功率,是克服液体阻力所消耗的功率. 不包括机械传动摩擦所消耗的功率.不是电机功率或耗用功率. Rushiton.J.H等人采用因次分析法研究,试验证实:
?Di2n?L?PO?k???Np?Ln3Di5???m功率准数 Np 是Re的函数 Np—Re的关系曲线
图中看出当Rem大于104时曲线1.2.3.4.趋于平直
螺旋桨Np=0.4 圆盘六直叶Np=6.0，圆盘六弯叶Np=4.7圆盘六箭叶Np=3.7 不通气的搅拌功率的计算重点和难点
35PO?Np?LnDi式中：Po——不通气的搅拌功率 W μ——黏度 Pa.s
ρL——发酵液密度 kg/m3， Di——蜗轮直径 m
n——蜗轮的转速 r/s。
一定要注意经验公式的单位。
2.多只蜗轮不通气的搅拌轴功率的计算，
经验公式和实测结果都表明多蜗轮的输出功率近似等于单只蜗轮的功率 乘以蜗轮个数。Pn≈N.Po
3.通气搅拌功率的计算：重点和难点 相同的情况下，通气的搅拌功率降低，原因，除密度降低外，叶轮周围的气液接触状态有关。
Michiel.B.J 等人用六平叶蜗轮进行搅拌试验，测定Pg、蜗轮直径Di、转速，N， 空气流量Vg，和Po的关系，整理得到经验公式，福田修雄等在100L～42立方米的系列设备对上式进行修正、并经单位换算得到修正的迈凯尔公式：
?Po2nDi3??3Pg?2.25?10??V0.08???g?0.39式中：Po、Pg——分别为通气、不通气的搅拌轴功率kW
n——搅拌转速r/min Di——搅拌叶轮直径cm Vg——通风量mL/min。
上式适合较大的发酵罐，如40立方，比例尺寸在正常的范围内，误差较小。
例：某细菌发酵罐罐径为1.8m，采用单只圆盘六弯叶蜗轮，蜗轮直径0.6m，罐内装有四块标准挡板，搅拌器转速168r/min，通风量为1.42m3/min(已换算为罐内状态的流量)，料液黏度 1.96×10－3Pa.s，料液密度为1020kg/m3，已知此细菌醪为牛顿型流体要求计算Pg.
4.通气速率vs 影响发酵液的kla和搅拌功率 a.根据福田秀雄的研究结果 vs↑Vg↑ Pg↓
b. vs↑Vg↑ Pg↓要维持Pg恒定，需n↑Di↑
c. vs↑持气率和起泡性v↑，研究表明发酵罐的vs值的上限1.75～2.0m/s， 此范围安全，不起泡。
d.敏感性微生物（动物细胞） vs、泡沫水平和搅拌会对它损伤，需改进叶轮结构，使用低剪切力 的叶轮。
f.对固定不变的VVm， vs随反应器的规模增大提高。
实际应用中，通气强度随反应器的规模增大降低，因为液深增加，压力增加，溶氧浓度提高。
第二节气升式发酵罐 ALR
一、 原理、结构
常见类型：气升环流式、鼓泡塔、空气喷射式
工作原理：无菌空气通过喷嘴或喷孔射进发酵液，通过气液混合物的湍流作用使气泡分割细碎，通气后液体密度下降，向上运动，含气量小的液体向下运动实现溶氧传质。重点
二、气升环流式反应器的特点：
1.发酵液混合均匀，罐内没有搅拌器，发酵液处于循环流动状态，气液固三相混合 均匀，不易形成稳定的泡沫和沉淀。
2.具有较高的溶氧速率和效率： 3.剪切力小、对生物细胞损伤小。 4.传热良好。
5.结构简单、加工容易。没有轴封密封性好不渗漏，制造方便，设备投资低，放大容易实现。
6.操作维修方便，没有搅拌热，总产热量低。 三、气升环流式发酵罐的主要结构和操作参数 1.结构参数： 高径比：H’/D=5～9
导流筒直径与罐径DE/D：0.6～0.8较合适
2.操作特性重点 a.平均循环时间tm
内环流反应器设有导流筒，筒内上升区，外下降区。循环速度慢，易缺氧。 平均循环时间（周期） tm由下式确定：
VVLtm?L?VC?D2?Em43
式中：VL——发酵液量m
Vc——发酵液循环流量m3 DE——导流筒直径m
Υm——导流筒内液体平均流速m/s 设计时一般采用2.5～3min。 b.气液比R：
概念发酵液循环流量和通风量的比值。
R=VL/Vg
C.溶氧传质：
传质速率和气液两相流动和混合有关，受反应器输入能量的影响。其体积溶氧系
数是空截面气速的函数。kLa=b.vs
对水电解质，m=0.8，b是空气分布器形式和溶液性质的函数，由实验确定。 气升环流式发酵罐结构简单，溶氧高，能耗低，便于加工和放大制作特大 型罐，用于单细胞培养和废水处理。
3.典型的气升循环发酵罐 图1-2-18
第三节 自吸式发酵罐
自吸发酵罐是一种不需要空压机提供加压空气、依靠特殊的设计的吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气、实现混合和溶氧的发酵罐。1961年开发研究，用于醋酸发酵和单细胞蛋白及维生素生产，1981年在我国酵母厂推广应用，效果良好。
机械搅拌自吸发酵罐 有定子、无定子
自吸发酵罐： 喷射自吸发酵罐
溢流喷射自吸发酵罐
一、自吸式发酵罐的特点： 与机械搅拌通风发酵罐相比
1.不需要空压机和附属设备，节省设备投资30%，节省厂房。
2.溶氧速率、效率高，能耗低、尤其是溢流式自吸发酵罐，溶氧比能耗可降到0.5kW.h/kg氧。
3.用于酵母生产和醋酸发酵，具有生产效率高、经济效益好的优点。酒精—醋酸转化率97%。
缺点：发酵罐是负压吸入空气，发酵系统不能保证一定的正压，罐压较低，容易污染。可过滤前加鼓风机给空气适当的压力，降低污染，增加风量，提高溶氧系数。
二、机械搅拌自吸式发酵罐 1.吸气原理：重点 当叶轮转子高速旋转时，将框内液体甩向叶轮边缘，在转子中心形成负压，转子转动的越快形成的负压越大，吸气量越大，转子的内腔和大气相通，空气被不断的吸入，甩向叶轮边缘，通过导轮使空气分布均匀甩出。空气在循环发酵液中分裂为细小气泡，在湍流状况下混合扩散，这样在搅拌的同时完成吸气。结构如图
主要构件：吸气搅拌叶轮(转子)、导轮(定子)组成
转子：三叶轮(三棱叶) 、四叶轮、六叶轮 叶轮为空心型 转子和定子结构图 2.设计要点：
a.发酵罐的径高比：保证风量不宜取大
原则：保证转子距发酵液液面距离2～3m， b.转子和定子:用的较多: 三棱叶和四弯叶 特点：
转子和定子的结构尺寸：D/L=5：1 D：r=2.5：1
定子直径是转子直径的2倍，定子和转子间距 1～2.5mm c.吸气量Vg：可用准数法和比拟放大计算
在满足单位体积功耗相等的条件下，三棱叶吸气量由下式计算：
f(Na,Fr)=0
三棱叶转子的吸气准数Na和Fr准数的关系如图1-2-24 Na=0.0628～0.0634
即 Vg=(0.0628～0.0634)nd3 m3/s
m
实际吸气量比计算值小，为其0.5～0.8倍。
六弯叶转子吸气量按经验公式计算，结果根据不同发酵液矫正 Vg=12.56nCBL(D-L) km3/min。
三、喷射自吸式发酵罐 文氏管 液体喷射 1.文氏管 图
2.液体喷射：采用液体喷射吸气装置 由梁世中和高孔荣教授研究 四、溢流喷射自吸发酵罐 图
通气靠溢流喷射器。原理是液体溢流时形成抛射流，抛射流表面液体具有一定的速度，带动相邻气体流动形成自吸作用。
第四节 通风固相发酵设备
酱油、醋、单细胞蛋白饲料等，多采用固体通风发酵设备。固体通风发酵设备结构简单，投资小。可分为两类：自然通风、机械通风
一、自然通风发酵设备
一般用于酿酒和酱油生产，我国最早，现仍采用。由曲室、架子和曲盘组成。 浅盘：木制最早、铝制、不锈钢现多使用，底及两侧开孔通风
尺寸：54×37×6cm 根据操作方便确定。
也有直接用竹帘铺在架上，可扩大固体培养基与空气的接触面积，浅盘生产称盒曲，竹帘生产称为帘子曲。
曲室要求：易于保温、散热、排湿和清洁消毒。 一批料占一个曲室，便于控制管理。
曲架：高1.5～2m，木制或钢制，隔成几层，每层高15～25cm，最底层距地 30～50cm。料层厚度：6～10cm
二、机械通风发酵设备
风机强化通风，料层厚度可0.3～0.5m，制曲效率高，可控制料层发酵温度。结构如图
曲池：长方形水泥池，宽2m，深1m，长度根据场地、产量而定，曲池底高于地面，有8～10o倾斜，池底上方有层假底筛板，料放在筛板上，曲池低端和风机相连，中间设有闸门，调节风量。
曲房结构和自然通风曲房结构基本相同。 新型固体发酵罐，如常州三环 其他发酵设备如图
【思考题】
1.概念：平均循环时间、全挡板条件、持气率、气液比R 2.自吸发酵罐吸气原理
3.双膜理论的前提,氧由气泡传递到溶液中生物细胞的步骤？ 4.机械通风发酵罐空截面气速的上限？
【作业】
1.解释概念：平均循环时间、全挡板条件、持气率、气液比R 2.自吸发酵罐吸气原理
3.氧由气泡传递到溶液中生物细胞的步骤？
4.计算题.已知：某细菌发酵罐，直径2.17m，叶轮直径0.72m，采用两只六平叶蜗
轮，搅拌转速109r/s，通风量Vg=5.55m/min（已换为罐内状态），醪液黏度为2.25×-33
10 Pa.s，密度1020kg/m，发酵液为牛顿型流体，求Pg？
【参考书目】
《生物工程设备》梁世中主编，中国轻工业出版社2002年 《发酵工程设备》 中国轻工业出版社 《生物工艺学》 中国轻工业出版社 【教学效果追记】
本章内容中有一系列重要的基本概念，需要在理解的基础上加以掌握。机械通风发酵罐的功率计算优为重要，通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习，加深印象。
【预习】嫌气发酵设备
第六章 嫌气发酵设备
【教学目的与要求】了解嫌弃发酵设备结构及其特点，掌握酒精发酵罐的容量尺寸计算，掌握啤酒发酵罐的类型。了解连续发酵罐数理论计算和发酵流程.
【教学重点与难点】酒精发酵罐的容量结构设计计算，啤酒发酵罐。 【教学方法】讲授、自学与录像等直观教学手段相结合。 【教学时数】6学时
3
作业讲评：表扬及指出存在问题 复习提问：搅拌轴功率的计算公式单位，自吸发酵罐的吸气原理
第一节 酒精发酵设备
发酵设备是发酵工厂的主要设备，按通风好氧情况可分为两类:
好气设备：柠檬酸 谷氨酸 酶制剂 抗生素 嫌气设备：酒精、啤酒、丙酮丁醇等 一、酒精发酵罐: 酒精发酵是利用酵母将糖转化为酒精，所以必须满足酵母生长代谢的必要条件如温 度，从结构考虑有利于发酵液的排除和罐体的清洗杀菌，还要考虑设备的检修、安装、制造方便等。
一般酒精发酵罐，罐体圆柱形，顶盖为碟形或锥形。结构如图1-3-1 冷却装置：中小形罐：罐顶喷水外壁冷却
大型罐：内装冷却蛇管和外壁喷水结合
o
水力喷射：开孔φ4~6mm 与水平呈20夹角，洗涤压力0.6~0.8MPa，48~56r/min，
5min可完成洗涤作业
二、酒精发酵罐的计算 重点 1、发酵罐全体积: V=Vo/φ
式中: V——发酵罐的全体积 m3
带锥底.盖的圆柱型发酵罐全体积: V=π/4D2 (H＋h1/3＋h2/3) 发酵罐的几何尺寸推荐如下:
H=1.1~1.5D h1=0.1~0.14D h2=0.05~0.1D
