现代酶工程课件

萃取过程与设备萃取是一个重要的提取方法和分离混合物的单元操作。这是因为萃取法具有：①传质速度快、生产周期短，便于连续操作、容易实现自动控制；②分离效率高、生产能力大等一系列优点，所以应用相当普遍；③能量消耗较少，设备投资费用不高；④采用多级萃取可使产品达到较高纯度，便于下一步处理，减少以后工序的设备和操作费用第一节液—液萃取分离过程与设备一、液-液萃取分类（一）物理萃取（二）化学萃取1．络合反应萃取2．阳离子交换反应萃取3．离子缔合反应萃取4．加合反应萃取（协同萃取）5．带同萃取反应二、液-液萃取过程与计算（一）单级萃取（二）多级错流萃取（三）多级逆流萃取三、液-液萃取中的乳化问题四、液-液萃取设备结构（一）混合设备1．管式混合器2．喷嘴式混合器3．气流搅拌混合罐（二）分离设备1．碟片式离心机2．管式离心机（三）离心萃取机1．a-LavalABE-216离心萃取机的结构及工作原理2．倾析式离心机（decantercentrifuge）（1）结构与特点（2）倾析器的工作原理第二节双水相萃取

一、双水相的形成二、相图三、双水相萃取过程的理论基础（一）表面自由能的影响（二）表面电荷的影响（三）影响物质分配的因素1．聚合物及其分子量的影响3．离子环境对分配的影响4．温度的影响（四）双水相萃取技术的应用1．酶的分离纯化2．核酸的分离纯化3．人生长激素的提取4．β-干扰素的提取（五）双水相萃取技术的进展1．廉价双水相体系的开发2．双水相萃取技术同其他分离技术结合，提高分离效率（1）双水相体系同生物转化相结合（2）双水相萃取同膜分离技术结合（3）双水相萃取同亲和层析相结合一亲和双水相第三节固-液萃取方法与设备

一、固-液萃取原理二、固-液萃取设备（一）单级间歇萃取1．夹套间歇萃取器（二）多级逆流连续及半连续萃取1．多功能提取罐2．多级逆流固液萃取罐组（三）微分半连续固液萃取设备萃取塔，（b）为多级搅拌萃取塔，（c）为转盘萃取塔。1．微分半连续固液萃取的计算（a）为多层填料2．固定床内径的确定第四节超临界萃取过程与设备

一、超临界流体的性质我们可以按照分离对象与目的不同，选定超临界流体萃取中使用的溶剂，作为萃取剂的超临界流体必须具备条件：萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性；临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温度附近；操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度；临界压力不能太高，可节约压缩动力费；选择性要好，容易得到高纯度制品；溶解度要高，可以减少溶剂的循环量；萃取剂要容易获取，价格要便宜。二、超临界流体萃取过程分离方法基本上可分为下列三种依靠压力变化萃取分离法（等温法、绝热法）：依靠温度变化的萃取分离法（等压法）：用吸附剂进行萃取分离法（吸附法）：三、超临界流体萃取系统（一）固体物料的超临界流体萃取系统1．高压索氏提取2．普通的间歇式萃取系统3．半连续式萃取系统4．连续式萃取系统（二）液体物料的超临界流体萃取系统1．按溶剂和溶质的流向分类2．按操作参数的不同分类3．按柱式萃取釜内部结构的不同分类（三）超临界流体萃取的应用

干燥过程与设备第一节气流干燥一、气流干燥流程与设备二、气流干燥器的型式三、气流干燥的特点和适用范围四、气流干燥的计算一、气流干燥流程与设备气流干燥流程图气流干燥装置中除了干燥器本身外，还包括：空气过滤器、风机、加料斗、卸料器、分离器等附属设备干燥管：一般采用圆形，其次有方形和不同直径交替的所谓脉冲管。为了充分利用气流干燥中的颗粒加速运动段具有很高的传热和传质作用来强化干燥过程，采用管径交替缩小与扩大的脉冲气流干燥管来达到。加料器和卸料器对保证稳定的连续生产和成品质量很重要二、气流干燥器的型式（一）按照加料方式分类（1）直接加料型（2）带分散机型（3）带粉碎机型（二）按干燥管形状分类（1）直管式（2）变径管式三、气流干燥的特点和适用范围气流干燥有如下特点：（1）可获得高度干燥的成品（2）适用于热敏性物料的干燥（3）热效率高（4）热损失少（5）设备简单，操作容易，投资少。（6）操作稳定，便于自动化。（7）干燥过程伴随着颗粒的空气输送，整个过程都连续的，便于与前后工序衔接。（8）可以有很大的装置规模。四、气流干燥的计算第二节喷雾干燥一、气流喷雾干燥设备三、离心喷雾干燥设备喷雾干燥是利用不同的喷雾器，将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状，形成具有较大表面积的分散微粒同热空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分，在几秒至几十秒内获得干燥。成品以粉末状态沉降于干燥室底部，连续或间断地从卸料器排出。（－）压力喷雾法（又称机械喷雾法）（二）气流喷雾法（三）离心喷雾干燥法一、气流喷雾干燥设备（一）气流喷雾干燥流程、特点（二）气流喷雾干燥塔的构造三、离心喷雾干燥设备

（－）离心喷雾干燥流程间歇卸料的离心喷雾干燥流程连续卸料的离心喷雾干燥流程（二）离心喷雾干燥设备的构造喷雾室喷雾机、喷盘的型式及构造热风盘（三）喷雾装置的型式并流干燥逆流干燥混合流干燥第三节沸腾干燥与沸腾造粒干燥－、沸腾干燥原理、特点和型式二、单层卧式多室的沸腾干燥设备构造和操作三、沸腾造粒干燥设备的原理、流程和设备四、沸腾干燥的计算－、沸腾干燥原理、特点和型式沸腾干燥是利用流态化技术，即利用热的空气使孔板上的粒状物料呈流化沸腾状态，使水分迅速汽化达到干燥目的。沸腾干燥的特点是，传热传质速率高。沸腾干燥器有单层和多层两种。二、单层卧式多室的沸腾干燥设备构造和操作操作过程中可能出现沟流和层析现象，其主要原因是：沟流层析现象三、沸腾造粒干燥设备的原理、流程和设备影响产晶颗粒大小的因素有下列几种：停留时间的影响摩擦的影响干燥过程温度的影响四、沸腾干燥的计算第四节真空干燥和真空冷冻干燥一、真空干燥二、真空冷冻干燥一、真空干燥凡是不能经受高温，在空气中易氧化、易燃、易爆等危险性物料，或在干燥过程中会挥发有毒有害气体以及在被除去的湿分蒸汽需要回收等场合，可采用真空干燥。（一）真空干燥器的类型

1．箱式真空干燥器

2．搅拌真空干燥器

3．滚筒真空干燥器二、真空冷冻干燥（一）真空冷冻干燥的原理及特点（二）真空冷冻干燥过程设备（三）冷冻干燥的计算（四）真空冷冻干燥技术的发展历程

空气供给工程第一节空气除菌过程与设备一、空气除菌和灭菌方法二、空气过滤除菌流程三、空气预处理过程设备四、介质过滤除菌一、空气除菌和灭菌方法超声波、高能阴极射线、X射线、γ射线、β射线、紫外线理论上都能破坏蛋白质活性而起杀菌作用。但由于具体的杀菌机理不是很清楚，目前应用较广泛的还是紫外线。（二）热灭菌法依靠加热后使微生物体内蛋白质（酶）氧化而致死亡（三）静电除菌利用静电引力来吸附带电离子而达到除尘灭菌的目的，当产生的引力等于或小于气流对微粒的拖带力或微粒布朗运动的动量时，微粒就不能被吸附而沉降，所以静电除尘对很小的微粒效率较低。（四）介质过滤除菌目前生物加工过程中最常用的获得大量无菌空气的常规方法：一类是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。（一）辐射杀菌二、空气过滤除菌流程（一）两级冷却、加热除菌流程（二）冷热空气直接混合式空气除菌流程（三）高效前置过滤空气除菌流程（四）利用热空气加热冷空气的流程特点是两次冷却、两次分离、适当加热。空气从贮罐出来后分成两部分，一部分进入冷却器，冷却到较低温度，经分离器分离水、油雾后与另一部分未处理过的高温压缩空气混合，省去第二次冷却后的分离设备和空气加热设备，流程比较简单。利用压缩机的抽吸作用，使空气先经中、高效过滤后，再进入空气压缩机，再经冷却、分离，进入主过滤器过滤，就可获得无菌程度很高的空气。利用压缩后热空气和冷却后的冷空气进行交换，使冷空气的温度升高，降低相对湿度。三、空气预处理过程设备（一）空气预处理的作用与原理（二）空气预处理设备（一）空气预处理的作用与原理目的是两个：

1．提高压缩空气的洁净度，降低空气过滤器的负荷；

2．去除压缩后空气中所带的油水，以合适的空气湿度和温度进入空气过滤器。原理：高度每上升10m，空气中微生物量下降一个数量级，尽量提高吸入口的高度，以减少吸入空气的尘埃含量和微生物含量。并在空气吸入口处设置粗过滤器。（二）空气预处理设备1．粗过滤器2．空气压缩机3．空气贮罐4．气液分离器5．空气冷却器Kt——气体不同压力温度等熵指数；R——气体常数；Z1、Z2——名义进气、排气状态下压缩系数；T——气体温度；p——气体压强；下标1和2分别表示进气、排气状态。空气压缩后，经过冷却会有大量水蒸汽及油分凝结下来，需用气液分离器进行油水分离。有立式列管式热交换器、喷淋式热交换器等。四、介质过滤除菌（一）介质过滤除菌机理（二）过滤介质（三）空气介质过滤器的设备构造（四）无菌空气制备新设备当气流通过滤层时由于滤层纤维网格的层层阻碍，迫使气流无数次改变运动速度和运动方向而绕过纤维前进，从而导致微粒对滤层纤维产生惯性冲击、重力沉降、拦截、布朗扩散、静电吸附等作用而把微生物滞留在纤维表面。1．惯性冲击滞留作用机理2．拦截滞留作用3．布朗扩散截留作用4．重力沉降作用机理5．静电吸附作用机理1．纤维状或颗粒状过滤介质（1）棉花（2）活性炭（3）玻璃纤维（4）烧结金属（5）多孔陶瓷（6）多孔塑料1．聚乙烯醇（PVA）过滤器将聚乙烯醇（PVA）乙酰化并以耐热树脂（如硅氧树脂）涂敷，制成片式过滤器。有圆板型和圆筒型两种。PVA过滤器的电镜摄影呈现致密的纤维结构，而不是单片式的微孔网络。PVA过滤器能够经受蒸汽反复灭菌。如果发酵生产中所要求的K值在103~104范围，则有效孔径de=20~30μm的PVA过滤器，只需要0.2~0.3cm厚的一层就能满足空气除菌的需要。聚乙烯醇（PVA）过滤器的特点是除菌效率达99.9999%以上，压力降在0.015MPa以下，使用可达一年以上，杀菌及干燥时间极短，更换方便，占地面积小。2．Bio-x过滤器英国DomnickHunter公司用直径为0.5μm玻璃纤维制成1mm厚的滤材，卷成三卷，再以较粗的坚韧的玻璃无纺布做内外衬，再在内、外以不锈钢网固定，作成滤筒状。如图4-22。它能滤除0.01μm颗粒（噬菌体大小为0.02μm），以油雾法（油雾直径为1.3~0.01μm，平均0.3μm）测定，过滤效率为99.9999%。填充率为6%，空气流量大，压力降小，结构简单，体积小，安装方便。缺点是强度不大，易损而失效，受潮也失效。3．高流量过滤器这是DomnickHunter公司开发的聚四氟乙烯（PTFE）材料为滤芯的以HighFlowBio-x和HighFlowTetporII为代表的高流量过滤器，它结合了深层过滤技术和新的膜折叠技术。其过滤机理和过滤效率均同Bio-x过滤器，但所用材料PTEE是一种坚韧的疏水性材质，可以做成折叠滤芯，增加了过滤面积，使空气流量为Bio-x的3倍，延长了使用寿命，进一步缩小了体积。这种过滤器的空隙率达94%，大于普通的膜过滤器（PTFE为75%，PVDF为66%）。4．其它膜过滤器核工业净化过滤工程中心研制成功的JPF型聚二氟乙烯膜折叠式过滤器，通过微孔滤膜绝对过滤，过滤精度极高，滤膜采用折叠形式，通气量大，压力降小，介质材耐高温，疏水性强，使用寿命长。第二节生物加工过程的空气调节一、空气调节的方法二、湿空气焓—湿图三、水与空气直接接触进行空气调节四、表面换热器空气调节五、向空气喷蒸汽进行空气调节

一、空气调节的方法分成两大类：直接接触式和表面式。直接接触式热、湿交换的设备特点是空气进行热、湿交换的介质和被处理的空气接触，通常是将其喷淋到被处理的空气中去。表面式热湿交换设备的特点是与空气进行热湿交换的介质不和空气直接接触，热、湿交换是通过处理设备的金属表面来进行的。二、湿空气焓—湿图（一）湿空气的几个主要状态参数（二）湿空气焓湿图介绍（三）空气状态变化过程及状态变化过程的表示方法（一）湿空气的几个主要状态参数1．水蒸汽分压Ｐw空气中水蒸汽分压愈大，水汽含量就愈高。根据分压定律，与干空气分压之比/=为摩尔水汽与摩尔干空气之比，其中为湿空气的总压。2．空气的湿含量H单位质量干空气中所含水汽的质量，称为空气的湿含量或绝对湿度，简称湿度，其单位为kg/kg，用符号H表示。3．空气的相对湿度为了表示距离饱和状态的程度，常用相对湿度来衡量。4．露点温度td空气在湿含量H不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度称为露点温度td。5．湿球温度tw在温度t、为湿度为H的不饱和空气流中，在绝热条件下达到平衡所显示的温度，称为空气的湿球温度。6．湿空气的焓Ｉ空气的增湿或减湿过程是与空气与水两相间传质与传热同时进行的过程，不仅有湿量的转移，也有热量的传递，因此有必要知道空气的另一个性质——焓。（二）湿空气焓湿图介绍1．等焓线和等含湿线2．等温线3．等相对湿度线4．水蒸汽分压力线5．热湿比线（三）空气状态变化过程及状态变化过程的表示方法

1．等湿（干式）加热过程2．等焓减湿过程3．等焓加湿过程4．等温加湿过程5．减湿冷却（或冷却干燥）过程三、水与空气直接接触进行空气调节（一）空气与水湿热交换原理（二）空气与水直接接触时的状态变化过程（三）用喷水室处理空气（四）喷水室的热工计算（一）空气与水湿热交换原理当空气遇到敞开的水面或飞溅的水滴时，便与水表面发生热、湿交换，在蒸发过程中，边界层中减少了的水蒸汽分子由水面跃出的水蒸汽分子补充；在凝结过程中，边界层中过多的水蒸汽分子将回到水面。（二）空气与水直接接触时的状态变化过程

将空气与水的湿热交换过程看作饱和的与未饱和的两种空气的混合过程。随着水温不同，可以得到如图4-33和表4-9的七种典型的空气状态变化曲线。（三）用喷水室处理空气喷水增湿的方法又有两大类，其一是使喷洒的水量全部汽化后即能使空气达到要求的湿度。另一种方法是使大量的水喷洒于不饱和的空气中，结果使部分喷水汽化后进入空气中，得到近乎饱和的湿空气，并使空气降温。最常用的是用喷水室处理空气。

（四）喷水室的热工计算（1）空气质量流速的影响v——空气流速，m/s；ρ——空气密度，kg/m3；G——通过喷水室的空气量，kg/h；f——喷水室的横断面积，m2（2）喷水系数的影响（3）喷水室结构特性的影响4．喷水室的热工计算方法（1）该喷水室能达到的η1应等于空气处理过程需要的η1；（2）该喷水室能达到的η2应等于空气处理过程需要的η1；（3）该喷水室喷出的水能放出（或吸收）的热量应等于空气得到（或失去）的热量。5．喷水温度与喷水量的关系四、表面换热器空气调节利用表面式换热器处理空气时能够实现等湿加热、等湿冷却和减湿冷却三种过程。1．等湿过程的传热系数2．减湿冷却过程的传热系数五、向空气喷蒸汽进行空气调节如果将空气加湿到饱和状态点之后还要继续加入蒸汽，则多余的蒸汽将凝结成水，放出来的汽化潜热又将使饱和空气的温度继续升高，即空气状态将沿饱和线上升到状态点4。点4的具体位置可按热平衡的原则或作图法得到。使用作图法时，先按加湿量大小在等温线的延长线上找到点4’，过点4’的等焓线与饱和线的交点就是状态点4。

生物反应器的放大与控制第一节生物反应器的放大

一、经验放大法二、其他放大方法（一）几何相似放大（二）以单位体积液体中搅拌功率相同放大（三）以单位培养液体积的空气流量相同的原则进行放大（四）以空气线速度相同的原则进行放大（五）以Ka相同的原则进行放大（六）搅拌器叶尖速度相同的准则（七）混合时间相同的准则除了上述的一些放大方法之外，还在实验中采用因次分析法、时间常数法、数学模拟法等。基础实验测定值过程的模型用电子计算机作方案研究模型的放大计算机的结果与实验结果的比较基础模型的修正用电子计算机作设计计算过程的基本设计小试中试图7-1数学模拟放大方法示意图第二节生物反应器的参数检测

一、生物加工过程的参数（物理、化学参数）二、检测方法与仪器（一）设定参数1．压强2．温度3．通气量4．液面（或浆液量）5．搅拌转速与搅拌功率6．泡沫高度7．培养基流加速度8．冷却介质流量与速度9．培养基质浓度和产物浓度（二）状态参数1．黏度（或表观黏度）2．pH3．溶氧浓度和氧化还原电位4．发酵液中溶解CO2浓度5．细胞浓度及酶活特性6．菌体形态（三）间接参数1．呼吸代谢参数2．菌体比生长速率3．氧比消耗速率（rO2）（一）主要参数检测原理及应用1．温度的测量2．压强的检测3．液位和泡沫高度的检测4．流量测量（1）差压式流量计（2）转子流量计（3）电磁流量计5．发酵液黏度的测量6．搅拌转速和搅拌功率7．pH值的测量8．溶氧浓度的检测9．溶解CO2浓度的检测10．细胞浓度的测定11．高压液相分析系统（HPLC）12．流动注射式（FlowInjectionAnalyser）分析系统13．映像在线监控系统（二）在线发酵仪器的研究进展1．红外光谱技术2．荧光检测技术3．离子敏场效应晶体管传感技术第三节控制理论与应用

一、生物过程的控制特征（一）温度的控制（二）pH的控制（三）溶氧控制（四）补料控制二、先进控制理论在反应器控制中的应用（一）模糊逻辑控制在生化过程中的应用（二）生化过程知识库系统（三）基于专家系统的人工神经网络

生物工程压力容器第一节概述

一、压力容器的基本要求二、压力容器的结构与分类三、压力容器零部件的标准化压力容器的基本要求是安全性与经济性的统一。安全是前提，经济是目标，要在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。压力容器除了应满足上述基本要求外，还应满足强度、刚度、耐久性、密封性及操作和维修方便的要求。1．按容器在生产中的作用分类（1）反应压力容器（代号R）（2）换热压力容器（代号E）（3）分离压力容器（代号S）（4）储存压力容器（代号C）2．按承压性质和压力等级分类常压容器p＜0.1低压容器（代号L）0.1≤p＜1.6中压容器（代号M）1.6≤p＜10.0高压容器（代号H）10.0≤p＜100超高压容器（代号U）p≥1003．按安全技术管理要求分类（1）第三类压力容器（2）第二类压力容器（3）第一类压力容器第二节压力容器的材料

一、压力容器用钢的基本要求二、压力容器用钢品种与类型三、压力容器的腐蚀及防护措施四、压力容器钢材的选择压力容器用钢的基本要求是具有较高的强度，良好的塑性、韧性、可焊性和与介质的相容性。压力容器用钢的品种

a．钢板

b．钢管

c．锻件

d．铸件2．压力容器用钢的类型

a．碳素钢

b．低合金钢

c．高合金钢1．金属的腐蚀

a．化学腐蚀

b．电化学腐蚀2．金属腐蚀破坏的形式及防护措施

a．合理选择材料

b．减少或消除残余应力

c．改善介质条件

d．涂层保护1．满足容器操作参数的要求2．必须符合经济性的原则3．必须符合规范标准的规定第三节内压薄壁容器设计

一、内压薄壁圆筒的应力分析二、内压薄壁圆筒的设计三、设计参数的确定四、封头的设计五、压力试验

通风发酵设备对通风发酵设备的要求（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，内部附件尽量减少，以利于灭菌彻底和减少金属离子对发酵的影响。（2）有良好的气液接触和液固混合性能，使物质传递、气体交换能有效地进行。（3）在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅拌和通气时所消耗的动力，对通风发酵设备的要求（4）有良好的热量交换性能，以适应灭菌操作和使发酵在最适温度下进行；（5）尽量减少泡沫的产生或附设有效的消沫装置，以提高装料系数；（6）附有必要的可靠检测及控制仪表。1.

发酵罐的结构一机械搅拌通用式发酵罐（一）发酵罐的基本条件原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖，发酵所需要的氧气。基本要求1.结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度与径高比一般为1.7~4，罐身越长，氧气的利用率越高。2.有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌过程和工作时，罐内有一定的压力和温度。因此需要一定的强度。3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保证发酵液一定的溶解氧。4.足够的冷却面积。5.尽量减少死角。6.轴封严密。7.维修操作检测方便（二）发酵罐的结构好气性机械搅拌发酵罐是密闭式受压设备，主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、打泡器、中间轴承、空气吹管（或空气喷射管），挡板、冷却装置、人孔等1.罐体结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用衬不锈钢或复合不锈钢制成。刚度和强度：受压容器，空消或实消，通常灭菌的压力为2.5Kg/m3。小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。顶部设有清洗用的手孔。接管罐顶：进料管，补料管，排气管，接种管和压力表管。罐身：冷却水进出管，进空气管，温度计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠近封头的轴封位置。2.搅拌装置目的：有利于液体本身的混合及气液、气固之间的混合，质量和热量的传递，特别是对氧的溶解具有重要的意义，加强气液之间的湍动，增加气液接触面积及延长气液接触时间。搅拌器结构搅拌器可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液流。发酵罐中以径向液流为主。用涡轮式搅拌器时为避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅拌器中央常带有圆盘。常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种。叶片数一般为六个，也有少至四个或多至八个的。搅拌器结构为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。功率消耗：平板式最大，弯叶式次之，箭叶式最小。搅拌器宜用不锈钢制造。1.

圆盘平直叶涡轮搅拌器与没有圆盘的平直叶涡轮搅拌特性差别小，从单口管喷出的气泡受到圆盘的阻挡，避免从轴部的叶片空隙上升，保证了气泡的更好的分散。循环输送量和功率输出大适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿流体的搅拌混合。2.

圆盘弯叶涡轮搅拌器搅拌流型与平直叶涡轮相似，造成液体径向流动较为强烈，因此在相同的搅拌转速时，混合效果较好，功率输出较小。适用于混合要求特别高，而溶氧速率相对要求较低的发酵产品生产。3.

圆盘箭叶涡轮搅拌器其搅拌流型与上述两种涡轮相近轴向流动更强烈。相同转速条件下，造成的剪切率低，输出功率也较低。挡板阻止液面中央部分产生下凹的旋涡，6~4块挡板可满足全挡板条件,宽度为0.1-0.12D。全挡板条件：能达到消除液面旋涡的最低条件。在一定的转速下面增加罐内附件而轴功率保持不变。此条件与挡板数Z，与挡板宽度W与罐径D之比有关。

挡板计算n(b/D)=n（0.1-0.12D）/D=0.5D—发酵罐直径，b—挡板宽度N-挡板数 3.通气装置将无菌空气导入罐内的装置最简单的通气装置：单孔管，单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口往下，以免培养液中固体物质在开口处堆积和罐底固形物质沉淀。管口与罐底的距离约为40mm。开口朝下的多孔环形管：环的直径约为搅拌器直径的0.8倍。小孔直径5-8mm孔的总面积约等于通风管的截面积。通气量较小时，气泡的直径与空气喷口直径有关。喷口直径越小，气泡直径越小，氧的传质系数越大。发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气量有关而与分布器直径无关。强烈机械搅拌时，多孔分布器对氧的传递效果并不比单孔管为好，会造成不必要的压力损失，且易使物料堵塞小孔。4.传热装置排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械搅拌产生的热量的装置在发酵过程中，放出的热量可用如下的热平衡方程式：Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射Q发酵发酵过程中释放的净热量Q生物—生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热Q搅拌—3600Pg

，Pg搅拌功率，

功热转化率

860（Pg/V）Pg/V，单位体积培养液所消耗的功率（在通气情况下）860，热功当量，kcal/kwhQ蒸发—排出空气带走水分所需的潜热

Q显—排出空气带出的显热

Q辐射—因罐外壁与大气间的温度差使罐壁向大气辐射的热量

Q蒸发+Q显=Q空气=(I2-I1)(L/V)L/V—单位培养液体所导入的干空气重量

Kg/m3

I2-I1—空气进入及离开发酵罐时的热含量Kcal/Kg计算需实测，实测过程中维持培养液的温度不变，定期测量冷却水进口及出口的温度t2及t1以及冷却水的流量GQ发酵=(t2-t1)GC/VG—水的流量C——水的比热T2、t1—水的进口、出口温度V——培养体积发酵罐传热面的传热系数K=Q发酵V/（F∆tm）F——传热面积∆tm——发酵液与冷却水间的平均温差

发酵换热装置的形式1.夹套式换热装置多用于容积较小的发酵罐、种子罐。一般小于5m3，夹套的高度比静止液面高度较高即可，约高50~100mm。夹套的宽度对于不同直径的发酵有不同的尺寸，一般为50~200mm，具体设计Dg

500~600700~18002000~3000DpDg+50Dg+100Dg+200夹套上设有水蒸汽，冷却水或其他介质的进出口。当加热用水蒸气，进口管应靠近夹套上端，冷凝液从底部排出；如果冷却介质是液体，则进口管应安在底部，是液体从底部进入上部流出。优点结构简单加工容易罐内无冷却设备，死角少，容易进行灭菌工作，有利于发酵。缺点是传热，传热系数100~250竖式蛇管换热装置竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组。5m3以上的发酵罐多采用优点：冷却水在管内的流速较快，传热系数高。约为300~450（有时可达800~1000）。缺点：容易被腐蚀，增加培养液中金属离子的浓度，腐蚀而形成穿孔，引起污染。竖式列管（排管）换热装置传热系数较蛇管低，用水量也较大。5、机械消沫装置发酵液中含有大量的蛋白质，在强烈的通气搅拌下产生大量的泡沫。导致发酵液的外溢和增加染菌机会须用加消沫剂的方法去除，泡沫的机械强度较差和泡沫量较少时，采用机械消沫装置也有一定作用。其作用是将泡沫打碎。消沫器可分为两大类①

内置：防止泡沫外溢，它是在搅拌轴或罐顶另外引入的轴（指搅拌轴由罐底伸入时）上装上消沫桨。②

另一类置于罐外，目的是从排气中分离已溢出的泡沫使之破碎后将液体部分返回罐内。第一类最简单的是桨式消沫桨。6、连轴器及轴承支承大罐搅拌轴一般较长，常分二段或三段，用连轴器使上、下搅拌轴成牢固的刚性联接。作用是转送运动和功率。常用：①刚性夹壳式连轴器：由两个半园筒形的夹壳组成，用螺栓固定。这种连轴器的优点是拆装方便，拆装时轴不需要作轴向移动。②刚性凸缘式连轴器：由两个带凸缘的圆盘组成，半连轴器与轴是通过键进行固定，由轴上的轴启与锁紧螺母达到轴向固定。发酵罐的支承罐外的转动轴的轴承：用二个滚动轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷。罐内最好不安装轴承，罐内操作条件恶劣，润滑困难，安装维修不便；另一方面在罐内再加轴承，则成多支点支撑，对中不易，安装不好将产生偏心，加剧轴承的磨损和产生震动。搅拌轴的支撑最好做成悬臂状。但是发酵罐较长，仅用二个支撑点满足不了要求，需要增加罐内支撑点。可安装底轴承和中间轴承。这些轴承都要靠液体本身润滑，应用轴37、轴封搅拌轴的密封称为动密封。因为在发酵罐的密封除静密封外，还要考虑搅拌轴与罐盖之间的密封。由于搅拌轴是转动的和运动的，而顶盖是固定静止的，对这种运动与静之间的密封称为动密封。对动密封的基本要求1.密封要可靠；2.机构要简单；3.使用寿命要长。发酵罐中使用最普遍的动密封有两种：填料函密封和机械密封（或称端面密封）1.填料函密封

填料箱本体固定在发酵罐顶盖的开口法兰上，将转轴通过填料函，然后放置有弹性的密封填料，然后放上填料压盖，拧紧压紧螺栓，填料受压后，产生弹性变形堵塞了填料和轴之间的间隙，转轴周围产生一定的径向压紧力，从而起到密封介质压力的作用。填料函密封的特点与缺点特点：结构简单，填料拆装方便。缺点：Ⅰ、死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌。Ⅱ、轴的磨损较严重Ⅲ、增加由于摩擦所损耗的功率，产生大量的摩擦热Ⅳ、寿命较段，需经常换填料2.机械密封原理：靠弹性元件（弹簧、波纹管）及密封介质压力使两个精制的，精密的平面（动环和静环）间产生压紧力，相互贴紧，并作相对旋转运动而达到密封。主要作用是将较易泄漏的轴面密封，改变为较难渗漏的端面（径向）密封。

机械密封的基本结构1.摩擦付，即动环和静环2.弹簧加荷装置3.辅助密封圈（动环密封圈和静环密封圈）优点和缺点1.泄漏量极少，约为填料函密封的1％，动、静环密封圈与转轴或压盖是相对静止而几乎不受磨损，端面材料是由具有高度平直、滑动性、耐磨性好的适当材料构成的，即使无润滑性流体进行润滑，密封端面的泄漏量也是极少的。2.使用工作寿命长。机械密封的磨损部分只限于密封端面，由于选用适当的耐磨材料因此它的磨损量极小，一般条件下可工作半年至一年，质量好的机械密封寿命可达2～5年以上。优点和缺点3°不需要调整。动环由于密封流体压力和弹簧力等推向静环方向，密封面自动保持紧密接触，因此不需要调整。4°摩擦功率损耗小。由于密封端面的面积小、摩擦系数小，故摩擦阻力小，功率消耗小。其损耗功率仅为填料函密封的10～15％。5°轴与轴套不受磨损。6°结构紧凑，安装长度较短。由于不需要调整用的间隙，因而使结构紧凑。缺点：结构复杂，密封加工精度要求高，安装技术要求高，拆装不便，初次成本高等。

（三）发酵罐的几何计算1.几何尺寸：H/D=1.7-3.5;H:罐身高，D：罐径Di/D=1/2~1/3，Di：搅拌叶轮直径B/D=1/8~1/12，B：挡板宽C/Di=0.8~1.0，C：下搅拌叶轮与罐底距S/Di=2~5，S：相邻搅拌叶轮间距H0/D=2H0

：罐高2.容积计算椭圆形风封头体积计算公称容积V公称=V下封头+D2H/4（3）液柱高度HL=H’+ha+hb’—圆柱部分高度的装料系数，装料容积和装料系数装料容积V=（D2ha

/6）+（D2H+hb）/4(5)装料系数，0.6-0.8=V料/V全气升式发酵罐特点是结构简单，不需要搅拌不易污染，氧传质效率高，能耗低，节省动力约50%；装料系数达80~90%；安装维修方便，冷却面积小剪切力小较适于单细胞蛋白等的生产发展初期：空气通过底部的多孔板分散成小气泡与培养基混合，向上移动，最后与二氧化碳等释出，培养液处于湍流状态。现在：上升管和下降管，含气率多的培养基比重小，向上升。含气率小的培养基比重较大，由于在管内外的液体比重不同，而产生压力差，推动培养液在罐内循环外循环与内循环气升式发酵罐上升管和下降管的布置可以装在罐外，称为外循环也可装在罐内，称为内循环。工作机理罐内外装设上升管，上升管两端与罐底上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷嘴口，空气以250~300m/s的高速度喷入上升管，使空气分割细碎，使上升管的发酵液比重较小，加上压缩空气的动能，使液体上升，罐内液体下降，进入上升罐，形成反复的循环结构参数高径比H/D=5~9导流筒径与管径比DE/D=0.6~0.8循环周期时间的确定tm=VL/VC=VL/[(/4)DE2vm]VL——罐内培养液体积VC——培养液循环量DE——导流管（上升管）直径vm——导流管中液体平均流速气液比R空气喷出压力差∆p及循环速度vm之间的关系，通气量对其混合和溶氧起决定作用通气压强（空气喷出压力差∆p）：发酵液流动与溶氧有相当影响气液比R=VC/VG环流速度取1.2~1.8m/s，多段导流管或有筛网时可降低。溶氧传质气液传质速率取决于发酵液的湍动及气泡的剪切细碎状态，气液湍动与混合受反应器输入能量的影响反应溶液气含率与空气截面速度vs关系：

h=KvsnK,n为经验指数，鼓泡塔式发酵罐低通气速率时，n=0.7~1.2，高通气速率时，n=0.4~0.7体积溶氧系数为空截面空气速度的函数kLa=bvsm水和电解质，m=0.8b实验数据，与空气分布器形式和溶液性质的函数气升环流式发酵罐当通气输入功率为Pg/VL=1kW/m3，OTR=2~3kg/（m3h），溶氧速率为2kg/（kWh）喷嘴直径的确定喷嘴的结构如图喷嘴直径的确定自吸式发酵罐特点与不足种类自吸式发酵罐特点与不足节约设备投资，减少厂房面积溶氧速率高，溶氧效率高，能耗低某些发酵则生产效率高，经济效益高。缺点：易染菌，需高效过滤系统种类机械搅拌自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐溢流喷射自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。开始于1960s，通风装置由转子和定子组成。机理在转子启动前先用液体将转子浸湿，然后启动马达使转子转动。由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下被甩向叶轮外缘，而使流体获得能量，通风机理转子叶轮空腔内的流体从中心甩向外缘时，中心形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大。由于转子的空腔用管子与大气相通，由于大气的空气不断的被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导轮而使气流均匀甩出。转子搅拌使气液在转子的周围形成强烈的混合流，使刚离开叶轮的空气不断在发酵液分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中。自吸式通风装置在搅拌的同时，完成了通风作用。叶轮形式有：六叶轮、三叶轮、四弯叶轮等形式。常见的为三叶轮和四弯叶轮。叶轮却是空心体，叶轮直径为罐直径的1/3到1/15。自吸的搅拌转速一般比通用式高，对于单个罐功率较高，也可削去空压机的功率，功率下降，减少30％。设计要点高径比：利用负压吸空气，不宜取大。以液面与搅拌吸气转子的距离2-3m。转子与定子的确定：三棱叶转子特点：直径大；较低转速时吸气量大吸气量稳定，吸程大搅拌功率高直径为罐直径的0.35倍具体数据见书，46页四弯叶转子剪切作用小阻力小消耗功率小转速高吸气量大溶氧系数高具体结构见书47页吸气量计算满足单位体积功率消耗比时：三棱叶自吸式搅拌器吸气量：

f(Na,Fr)=0Na;吸气准数，=Vg/(nd3)Fr;弗鲁特准数，=n2d/gd:叶轮直径，m

n：转速,1/sVg：吸气量，m3/sg：重力加速度常数,9.81m/sFr增至一定值，Vg趋于稳定，Na=0.0628-0.0634，修正系数为0.5-0.8四弯叶自吸式搅拌器吸气量计算Vg=12.56nCLB(D-L)K(m3/min)n,叶轮转速，r/min；D,叶轮外径，L，叶轮开口长度，m；B，叶轮厚度，m；C，流率比，C=K/（1+K）K，充气系数喷射自吸式发酵罐文式管吸气自吸式发酵罐利用泵使发酵液通过文式管吸气装置，液体在收缩段加速，形成真空，吸入空气，气泡分散与液体混合，收缩段液体Re>6×104,吸气量及溶氧速率高液体喷射自吸式发酵罐尺寸范围内，体积溶氧传质系数数学表达式为：kLa=1.0（PL/VL）0.23vs0.91（De/D）-0.46D和De发酵罐和导流管内径，mPL液体喷射功率，VL发酵罐溶液体积vs空截面气速溢流喷射自吸式发酵罐液体由溢流喷射器溢流形成抛射流，液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层气体具有一定速率，带动气体流动形成自吸气作用。通风固相发酵设备和其他类型的通风发酵反应器见书50-53，自习§2.搅拌器轴功率的计算一、搅拌器轴功率的计算轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定的速度运转时，用以克服介质的阻力所需的功率。它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。（一）搅拌功率计算的基本方程式单只涡轮在不通气条件下输送搅拌液体的功率计算，P0与下列因素有关：搅拌罐的直径T、液柱高度HL、液体粘度μ、搅拌器直径D，搅拌型式、搅拌器转速N、液体密度ρ、重力加速度g以及有无挡板。搅拌罐直径T、液位高度HL与搅拌器直径D有一定的比例关系。可以作为独立参数公式P0=f（N，D，

，

，g）用因次分析法对上述函数进行处理P0=A

NaDb

c

dge根据因次和谐的原则，等号两侧因次应相等：

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共有变量数n＝6，基本因次m＝3，由上述方程组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)

——功率准数ReM=

(ND2

)/

——搅拌情况下的雷诺系数FrM——搅拌情况下的韦鲁特准数P0——无通气时搅拌器输入液体的功率

(W)ρ——液体密度（kg/m3）μ——液体粘度

（N.s/m2）D——涡轮直径

（m）N——涡轮转速（转/分）

k、m、n值为与搅拌器型式、搅拌罐比例尺寸有关的常数，在具有挡板的情况下，液面不产生中心下降的漩涡，此时指数n＝0。具有挡板的情况下：P0/(

N3D

5)

=K

[(ND2

)/

]

mNp=KReMm圆盘六平直叶涡轮Np＝0.6圆盘六弯叶涡轮Np≡4.7圆盘六剪叶涡轮

Np≡3.7（二）多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算

在相同的转速下，多只涡轮比单只涡轮输出更多的功率，其增加程度除叶轮的个数之外，还决定于涡轮间的距离。距离有三个情况：1、s＝0

实际上变为一个涡轮；2、s＞sconst

互不干扰，两个涡轮所消耗的功率就是单个涡轮的两倍；3、s＜scovnst

相互干扰，输出功率小于单个涡轮的两倍。当输出功率为最大时，涡轮间的距离：

Sm=[HL-(0.9+

)D]/2

=[(m-1)lgm-lg(m-1)!]/lgmHL——液柱高度D——搅拌器直径m——同一轴上搅拌器个数

对非牛顿型流体可取S＝2D牛顿型流体S＝2.5～3.0D静液面至上涡轮的距离可取0.5～2D下涡轮至罐底的距离C＝0.5～1.0DS过小，不能输出最大的功率；S过大，则中间区域搅拌效果不好。符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数。

Pn＝nP0（三）通气情况下的搅拌功率Pg的计算

同一搅拌器在相等的转速下输入通气液体的功率比不通气流体的为低。可能的原因是由于通气使液体的重度降低导致搅拌功率的降低。功率下降的程度与通气量及液体翻动量等因素有关，主要地决定于涡轮周围气流接触的状况。

通气准数：Na＝Q/ND3来关联功率的下降程度Na＜0.035Pg/P0＝1～12.6NaNa＜0.035Pg/P0＝1～12.6NaQ——通气量m3/minN——转速1/minD——搅拌器的直径mPg——通气情况下的轴功率kwP0——不通气情况下的轴功率kwMichel等人用六平叶涡轮将空气分散于液体之中，测量其输出功率，得到经验式：

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——通气与未通气的轴功率kwN——搅拌器转速1/minD——搅拌器直径cmQ——通气量ml/min二、非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响常见的某些发酵醪具有明显的非牛顿流体特性。这一特性对发酵过程的影响极大，对搅拌功率的计算也带来麻烦。牛顿型流体：粘度μ只是温度的函数，与流动状态无关。服从牛顿粘性定律。非牛顿流体：粘度μ不仅是温度的函数，随流动状态而变化。（一）非牛顿型发酵醪的流变等特性

牛顿型流体的流态式为直线，服从牛顿特性定律：

=dw/dr所有气体以及大多数低分子量的液体都属于牛顿型流体，如空气、水、有机溶剂及多数的水溶液。而胶体溶液、高分子溶液属于非牛顿型。τ——剪应力dw/dr——剪切率（速度梯度）非牛顿型流体的分类我们接触的非牛顿型流体基本上为稳定的而此类流体可按剪应力与剪切率之间的关系，分为三类：（1）拟塑性流体（分段型性流体）

=k(dw/dr)nk——均匀性系数n——流动性指数n＜1大多数发酵液均属于此类。特点：粘度随着剪切率下——而降低。（2）彬汉塑型性流体特点是其剪应力与剪切率的关系是不通过原点的直线。

τ-τy=μp

dw/drτy——屈服剪应力μp——刚性系数（3）拟塑性流体：

=k(dw/dr)nn＞1：流动性指数据有关资料报道，大多数发酵液均属于非牛顿型流体。k——均匀性指数，也称作稠度指数，与牛顿型流体的粘度具有相类似的概念，所以也可以称作液体的粘度指标。凡牛顿型性流体，服从

=

/(dw/dr)而对于非牛顿型流体

p=

/(dw/dr)某些发酵液随着发酵时间的变化，其流变状态发生变化。例：青霉素发酵液中：在整个发酵周期内都是呈现非牛顿型流体。链霉素发酵中：在24hr以前为彬汉塑性流体；在48及96hr时呈牛顿型流体；在120hr时呈拟塑性流体（三）非牛顿型流体的搅拌功率计算

可用Np＝ReMm的关系式进行计算粘度是随搅拌速度而变化的，因而必须事先知道粘度与搅拌速度的关系，然后才能计算不同搅拌转速下的ReM。

牛顿型流体与非牛顿型流体的Np～ReM曲线基本吻合，差别仅在ReM＝10～300区间之内

三、发酵罐搅拌功率的确定应按不通气时所需搅拌功率来确定，这是因为灭菌及发酵前期不进行通气或通气量很少，若按照正常情况下的功率消耗配备搅拌器的旋动电机，势必使电机长期处在超负载情况下，甚至根本无法启动电机或使电机损坏。在搅拌器刚启动时，往往需要比运动功率大得多的启动功率，但因发酵罐所选用的电机一般属于三相电动机，此种电动机允许在短时间内有较大的超负荷，加上合理采用启动装置，故不必考虑启动时的功率消耗。考虑到电动机系列中的额定功率的规格间隔很大，如比40kw再大一些的规格就是55、75、100kw，因此在实际选用电动机时可考虑采用介于通气与不通气之间的功率。过去发酵罐所配备电动机的功率约为1～1.5kw/m3培养液，而目前发酵罐所配备电动机容量，特别是如青霉素等由霉菌发酵的发酵罐，其电动机容量可达至3～4kw/m3培养液，同时将通气量压缩在较低水平上（如0.4～0.5m3/m3/min），即采用高功率消耗，低通气量的方法来加强搅拌过程中的剪应力和翻动量三、非牛顿型流体特性对搅拌功率计算的影响用水解糖液、糖蜜等原料作为培养液的细菌醪、酵母醪均属于非牛顿型流体；直接用淀粉、豆饼粉原料的低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体；至于霉菌醪、放线菌醪，不管用什么原料作为培养液，均属于非牛顿型流体。提高氧的传递速度和液固的混合程度对高粘度的发酵液来说是十分必要的。同时可避免高通气量引起的搅拌功率下降过多、泡沫严重、装料量少、液体蒸发量大等缺点。适当选用较大容量的电动机，可在设备改装和工艺条件改变时具有一定的灵活性。当然也要避免盲目采用大功率电机而导致电机运转时功率因数过低。第三章

通气发酵罐中溶氧速率与通气搅拌的关系

溶氧传递溶氧传递一、 双膜理论通风发酵罐的通风是供给好气性发酵微生物呼吸和代谢活动所需的氧。微生物只能利用溶氧。供氧与好氧不断地进行。若能设法提高溶氧速率和氧的利用率，则能提高发酵生产率。氧的溶解性氧是难溶于水的气体，在23℃时，每升水中只能溶解5.44ml，而氧的溶解所能达到的限度，决定于气液平衡关系和传质速率。为了加速氧的溶解，必须尽可能加大气液两相间的接触面和流体动力学条件。因此在工业生产中把除菌中的空气通入培养液中，使之分散成细小的气泡，尽可能增大气液两相的接触面积和接触时间。以促进氧的溶解。在设计通气发酵罐如何提高溶氧速率和氧的利用率，是值得研究的问题。

（一） 氧的传递途径在需氧发酵中，对微生物的供氧过程，首先是气相中的氧溶解在培养液中，然后传递到细胞内的呼吸酶位置上面被利用。这是一系列的传递过程。可分为供氧和好氧两个方面。供氧是指空气中的氧从空气通过气膜、气膜界和液膜扩散到液体中。好氧是指氧分子自液体主流通过液膜、菌体丝、细胞膜扩散到细胞内。氧的传递途径可分三步：1. 气泡中的氧分子经过气膜、气液界面、液膜进入液体主流；2. 氧分子从液体主流向细胞周围界面的液膜扩散到液体－细胞界面；3. 氧分子从液体－细胞界面属细胞内部扩散。（二） 氧气溶解过程的双膜理论1） 在气液与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气流一侧存在一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的液体分子都处于层流状态分子间无对流运动，因此氧分子只能以扩散方式，即浓度差而透过双膜。双膜理论（2） 在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中氧的浓度存在平衡关系；（3）

传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度不随时间而变。双膜理论氧的空气扩散到气液界面这一段的推动力是空气中氧的分压与界面处氧的分压之差，即P-Pi。氧穿过界面溶于液体继续扩散到液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中的推动力是界面处氧的浓度与液体中氧浓度之差，即C-Ci。两个推动力相对应的阻力是气膜阻力的1/kg,和液膜阻力1/kl,单位接触界面氧的传递速率：NA-----单位接触界面的氧传递速率kmol/m2·hrKg-----气膜传质系数kmol/m2·hr&atm

kl--液膜传质系数kmol/m2hr,m3/kmol·m2hrP,Pi----气相中和气液界面出氧分压atmCi,C-----气液界面和液相中的氧浓度

kmol/m3

总传质系数和总推动力不可能测定界面处的氧分压和氧浓度，或者不能直接用于实际。为了计算方便，并不单独计算Kg和kl，而改用总传质系数和总推动力：NA＝kG(P-P*)=Kl(C*-C)总传质系数和总推动力kG-----以氧分压差为总推动力的总传质系数kmol/m2hr&atmKl-----以氧浓度为总推动力的总传质系数m/hrP*-----与液相中溶氧浓度C达到平衡时的氧分压atmC*-----与气相中氧分压P平衡时氧的溶解度kmol/m3亨利定律亨利定律：与溶解度达到平衡的气体分压与该气体被溶解的浓度成正比。P=HC*P*=HCPi=HCiH――――亨利常数对于易溶于水的气体，H很小。（1）式中的H/Kl可忽略，KG=Kg

对难溶气体，好氧溶于水，H很大。1/HKg趋向零，KL=kl

此溶解过程液膜阻力是主要因素。所以对于氧溶解：NA=Kl(C*-C)C*-C是可以测量的，但其中NA是单位面积的传氧量由于界面积不能测量，NA也不能计算。在上式两边各乘单位体积培养液中气液两相界面的总面积。NAa=Kla(C*-C)Nr=Kla(C*-C)Nr--------单位体积液体氧的溶解速率kmol/m2·hrKla――――以浓度差为推动力的体积溶氧系数1/hr溶氧速度小于微生物而好氧速度,则培养液中氧逐渐耗尽，当溶液中氧浓度低于临界氧浓度时，就要影响微生物的生长发育和代谢产物的生物。因此，供氧和好氧至少必须平衡，此时可用下式：

NA=Kla(C*-C)=Qo2MQo2------菌体呼吸强度kmol/Kg·hrM―培养液中菌体浓度m3/kg二、体积溶氧系数Kla的测定溶氧系数的测定方法很多：亚硫酸钠氧化法，取样法排气法。使用了各种试验仪器和方法，如滴汞电极以及极谱仪，还要用静止、颤动铂电极，具有转筛的银汞齐电极等，亚硫酸盐氧化法及溶氧电极法的原理。

（一） 亚硫酸盐氧化法1. 原理及计算原理：亚硫酸根离子在铜离子催化作用下，被空气中的氧分子氧化成硫酸根离子。由于亚硫酸盐氧化速度很快，所以氧一溶解于液体中就被耗尽。从而使溶液中氧浓度为零值。一般当亚硫酸盐浓度为0.035－0.9当量，温度20－45℃时，氧化反应速度不变。反应式

+O2

2NaSO4未被氧化的Na2SO3与碘液反应被氧化；Na2SO3+I2+H2O再用稳定的Na2S2O3滴定剩余的碘：

操作将配好的1NNa2SO4溶液加入CuSO4(0.01mol/l),一起放入发酵罐中，进行通风搅拌。Na2SO3被氧分子氧化成Na2SO4每隔一定时间（如10min）取样。放入装有碘液的三角瓶中，用1％淀粉液作指示剂，用0.1N硫代硫酸钠溶液滴定过量的碘。然后计算溶氧速率。步骤：1.在试验缸加入Na2SO3晶体，使NaSO3浓度为1N左右，再加化学纯的CuSO4,使Cu2＋浓度10－3M.2. 进行通风搅拌。3. 每隔一定时间放样，样液放入装有定容和浓度为0.1N的碘液中。4. 用1％淀粉作指示剂，用0.1NNa2S2O3滴加过量的碘至终点。在以上的反应式中：

即每个S2O32-可以取代1/4O2，因此，二次酸样测定的平均溶氧速率：

Nr----体积溶氧速率

V-----两样酸样滴定新耗去Na2S2O3ml差数m-----样流的体积mlt-----两次酸样的间隔时间minN-----Na2S2O3的当量浓度0.1N4-----每个S2O32-可取代1/4O22.体积溶氧系数Kla的计算用Nr代替公式：Nr＝Kla（C*-C）在此实验中，溶液中的氧很快被SO32-所还原，溶液中的氧分子浓度为0。

Nr＝KlaC*另外，在25℃时，1个大气压下，空气中的氧分压为0.21atm，与之相平衡的纯水中的溶氧浓度C*=0.24mmolO2/L,但在亚硫酸盐氧化法的具体条件下：规定0.2124mmol/L

所以：Nr＝KlaC*Kla＝Nr/0.21＝4.8X103Nr·1/hr3.体积溶氧系数的其他表达形式Kla---以浓度差为推动力的体积溶氧系数1/hrKd----以总压力差为传氧推动力的体积溶氧系数mol/ml·min·atmKr----以压力差为传氧推动力的体积溶氧系数kmol/m3hr&atm，mmol/L·hr·atm根据亨利定律：空气中的氧分压Po2,空气中的总压力PairPo2=HC*C*=Po2/H根据气体分压定律：Po2＝PairX

则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------以总压力差为传氧推动力计算的体积溶氧系数mol/ml·min·atm(P)如果：以氧分压为推动力：则：

Nr=Kd(Pair)Pair

=1/0.21·Kd(Pair)Po2=Kd(Po2)Po2

因为：Po2＝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单位：

另外，Kr与Kd的意义相同，只不过单位有区别：Kla------1/hrKr-------Kd-------(三)、Kla与设备参数操作变数间的关系式（一） 影响溶氧系数Kla的主要因素影响Nr的主要因素有溶氧系数Kla值和推动力C*-C。

提高Nr，需要提高Kla和推动力C*-C

。与Kla有关系的有搅拌、空气线速度、空气分部器、发酵液性质等。与推动力有关的有发酵液浓度、氧分压、发酵液性质等。1. 搅拌：目的：（1）扩散气流，强化流体的湍流程度，使气液固三相更好地接触，提高溶氧速率；（2）使微生物悬浮液混合一致促进代谢产物的传质速率。搅拌可以分三个方面改善溶氧速率：（1）把空气打成细泡，从而增加有效界面传递面积；（2）搅拌使液体形成湍流可以延长气泡在液体中心停留时间，增加气液接触时间；（3）加强液体湍流，减少气泡周围液膜的厚度，减少液膜阻力，而增大Kla值。搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固液传递中的接触面积增加使推动力增加。但是过度强烈的搅拌，产生的剪切作用大，对细泡有损伤，特别是丝状菌的发酵类型，更考虑到剪切力对细胞的损伤。搅拌器对Kla值的影响对Kla值有影响的：搅拌器的形式，直径大小，转速，组数，搅拌器间距以及在缸内相对位置。增大搅拌器直径D对增加搅拌循环量有利，增大转速对提高溶氧系数有利。一般说要求一定的搅拌翻动量，使混合均匀，又要求一定的转速，使得发酵液有一定的液体速度压头，以提高溶氧水平。要根据具体情况决定N和D.一般：（1）当空气流量较小，动力消耗也较小时，以小叶径，高转速为好；（2）当空气流量较小，功率消耗较大时，D的大小对通气效果的影响不大；（3） 流量达，功率消耗小时，以大叶径，高转速为好；（4） 当空气流量、功率消耗都大时，以大叶径、低转速为好。物料输送过程与设备第一节液体输送设备一、离心泵二、往复泵三、其他类型的泵生产过程中常需要把液体从一个设备通过管道输送到另一个设备被输送的液体，性质各异因此生产上就需要采用各种不同结构、不同材质的液体输送机械根据其作用原理，大致可分为:一、离心泵（二）工作原理（三）离心泵的主要性能参数（四）离心泵特征曲线（五）离心泵的气蚀现象（六）离心泵的吸入高度（一）离心泵装置及其结构图3-1为离心泵装置简图。它由泵、吸入系统和排出系统三部分组成。吸入系统有吸入贮槽、吸入管、底阀、滤网。排出系统有排出贮槽、排出管、逆止阀、调节阀等。离心力的作用下液体被抛出，叶轮外周压力增高，叶轮中心形成真空。这样，叶轮在旋转过程中，一面不断吸入液体，一面又不断给吸入的液体以一定能量并送入排出管。包括：流量、压头(扬程)、效率、转速、功率、气蚀余量（吸上真空度）等。主要性能参数有压头、流量、效率等。1．压头H单位质量液体流过泵后能量的增值称为压头，一般以符号H表示，单位为m。

2．流量是指泵在单位时间内由泵的排液口排出的液体量，通常以体积流量来表示，单位习惯上用m3/h表示。——单位时间内泵的泄漏量；它既包括所有不经过排液管而漏到泵体外部泄漏，也包括从泵作功部件出来后仍漏回泵吸液处的内部泄漏3．轴功率、有效功率和效率有效功率：轴功率：H——泵的压头Q——泵的流量ρ——液体密度η——