发酵工程计算例题

1、例16-1某厂在1OOL机械搅拌发酵罐中进行淀粉酶生产试验，所用的菌种为枯草杆获得良好的发酵效果-拟放大至 20ma生产罐°此发酵液为牛顿型流体宁黏度10_P« * s ,密度 lOSOkg/ni3试验罐的尺寸为：直径D=375mm -搅拌叶轮Dt 125mm ,高径比4f/D = 2液fM HK=1- 5JD, 4块挡板的 W/D = O. 1装液量为60人，通气速率word文档可编辑1. OVVm ,使用两挡圆盘六直叶涡轮搅拌器.转速co=350r/mino通过实验研究*证明此发 酵为高耗氧的生物反应.故可按体税溶氧系数相等之原则进行放大。计算试验罐的爲值:先求搅拌雷诺

2、准数'<350/60)(0. 125) X 10202 25 X 103=4 13 X 10"故发酵系统属充分湍流*功率系数0故两组叶轮的不逋气时搅拌功率为: 尸。=2Np = 2 X 6 X (需X 1Q20 X 0. 1255=74- 1(W) = 0, 0741(kW)通气搅拌功率为(按式l-6-31a计算)P严 2. 25 X 10一叹厂汕II2. 25 X 10-*g. 074卩 X 35。尤125凡60000°' oa=6 0395(kW)从而可算出溶氧系数，虽=C2 36 + 3- 3 X 2)0八，W®" X 10p

3、8- 96(0. 0395/006) X 54 30*7 X 350° 7 X 10_,7 01 X 10-6 Cmol O2/ (mK min * a/tm(pq)J其中，空截闻气速为二=60 X 1000/X 37- 5Z | = 54” 3(cm/min)(2)按几何相似原则确定20n?生产罐的尺寸：据题设儿何尺寸比例.放大罐与小罐相同，则有H=2亠= 1尽而有效装料体积仍取60%由此可得VL = 20 X 60% = D2 X 1. 5D4口得 D2. 1 / m > H = 2- 4 D5 20m，D = D/3 = 0了2m,L 5 D = 326m这就是按几何相似

4、原则计算求得的2Q*1生产罐的尺寸。仍釆用两组圆盘六直叶涡轮 搅拌器。(3)决定大罐的通气流率Q二按几何相似原则放大设备.放大倍数越高，其单位体积液 体占有的发酵罐横截面积越小，若维持通气强度即VVm不变，则放大后空截面气速则随罐 容增大而迅速提高-因；通气量Q在维持通气强度(Win不变时，就有(1-6-37)(1-6-38)而空截面气速为士7T *(1-6-39)DZ oc D由式1-6-可知，随罐规模的增大，空截面气速讥的增大与发酵罐直径的增大成正比， 即与罐体积的立方根成正比显然，经放大的倍数较大时.则其空截面气速s有较大增力J 过大的s会造成太多的泡沫产生甚至跑料，而且消耗的通气功率也

5、将太鬲白因此在发酵反 应器放大时，必须全部考虑以确定通气流率乜若按通气强度不变，即取大罐的通气速率为1-OVVm,可算出通气量为二42 = 20 X 60% X 1.0 = 12m3/min = 1* 2 X 10?cm3/min相应的空截面气速为：=3 24(m/min)尹)=12/=324cm/min可见.若按通气强度不变，则大罐的通气空截面气速约相当于试验罐的6倍。经验表 明这种气速太高口故可折中取tts= 150cm/mini由此可计算大罐的通气速率为：Q= V X 21 严 X (150/60/100) = 0. O925(m3/s)45可见，通气强度为555/12 = 0. 462

6、 (VVm)<4)按总相等原则计算放大罐的搅拌转速和搅拌轴功率/ p Q. 5S因削一(浜 36 + 33 X 2” 沪) v? 7n° 7 X 100 =& 96 X <Pff/12)0 SS X 150°*7 X 沪 X 105 =7. 434 X 107耳2汕亍故有 1、01 X ICT" = 7. 434X10WF川沪 丁(1-6-40)由此得Z*3356斤山5又根据式（1 6 31a）?可求得化的另一表达式.即， 7J c £D几亠 2* 25 X 10 gw" j?羽乂 in M F轨 X 723、一 ZZ5X1

7、0 l农焦乔产和 =0- 0O6Pf 心由式(1-6-40)和式(1-6-41) i町得：<1-6-4!)(1-6-43)- 2- 51 XWkW)X 6 72s根据式（1-6-30）.可计算出不通气时大罐的搅拌轴功率为:严尸 NypnD = 6. 0 X 1020 X5* 48 X 10一弋 W= 3 48 X 10联立求解由方程1-6-42）和L-6-43J所组成的方程组，可求得天罐的搅拌转速及搅拌功 率：冲=123(r/np.n)几=10.2(kW)F严 3356N 1 蓋=8. 19(kW>肢大罐与试验罐的体积、尺寸及搅拌转速、功率等的对照见表1-6-4所示。项目试验K放大

8、績公称体积0- 120右效体积叫川用a og12型大储数20C髙徑比TlfD匕4液柱髙HJD1.51.5搅样叶轮mni/31/3通强度/VVmL0a 4辽<kW/msJL 245 79irV-J (kW/nin6580- 7()4搅拌转建斤/ (rJmin)35U1201.mot (丄iS氧速率W“爲7.7.01 X 1严 ml. * mil ai m /:1表 1 -6-4-试验齡与放大计算结果比較由上表可见尽管试验罐和放大i的溶氧系数相同，其几何尺寸也相似，但经放大后,大罐的通气强度和搅拌转速均大大下降壶例16 2 试验罐和放大罐的条件与例1-6-1相同，试用相等的原则进行放人计算。

9、解土对试验罐，有=砒* 禹一 同理，对放大罐有：(尸。1 2Np；D汇I v)2 据 m 相等原则，令(7%/V= (FfJ/VL)2则可得：2? 3由题设，知池1 = 350r/rnin 1 = 0. 125m按几何相似原则放大.放大罐的= 72m用0和D龙之值代入可求算出放大礒的搅拌转速；0- 12510. 72 丿109 (r/min ) 因此放大罐的不通气搅拌功率为：=2 X 6 X 1020 ：< ()09/60V70/72)5=14199<W) = 14. 2(kW通气搅拌功率为pff = 25XK（p- 取放大耀的通气强度为0. 462VVm （与例161相同”则Q=

10、 6 462 X 12 = 5 55<m3/min） =5- 55 X 1 Oc代人上武得：丹 X 109 X 72? ?壯轄代=Z 25 X 1。7s°w X 10_& 96 X1 n y耳石=& 96 XXX ISO*17 X 109lrT X 1055 X if/)。阳,= 7 28 X 10 弓mol O./mL min acm<pC2)据上述计算纳果列出试验罐与放大罐U：较，如表一5所示严衾16-5以尸訂叭相等准则放大的结果项H试验罐破大雒_ ” 一1 . 一 一 、 =!=公际体孤10* 20裝料体积眄皿* 0612放大倍数1200高德比W7D242勺液柱厮Z"1. 5b 5搅拌叶轮1血,1 /3通气«S/VVmb 00- 4 fl?rW CkW/m3)1 241. 18几；"/ ikW/m0.换6 85搅挫转迷/ <r/niin>350L09mol -i7. 91 X 10 617. 28K> $洛氧徙率1詡.；祖dm从表1-6-4和表1-6-5可知，应用溶氧系数力相等准则和单位体积发酵液搅拌功率