发酵罐计算举例

第一节　机械搅拌通风发酵罐2计算：换热面积、搅拌功率、KLa、放大一、传热系统计算1、传热公式的推导管外热流体对外壁的对流传热为：设λ为管壁的导热系数，s为管壁厚，则管壁间的传导热为：内管壁对管内冷流体的对流传热为q为热流密度，W/m2分三段计算传热：管外、管壁、管内A1、A2、Am分别为管外、内壁表面积，管壁平均表面积，α1、α2为管外、内流体的传热系数，则：则在稳定传热时，有发酵罐所需传的热量Q＝q1=q2=q3,即有：即：　　　　　　　　　其中，A即为平均传热面积Am。定义　　　　　　　　　　　　为总传热系数。考虑到管内垢层传热，设垢层的热阻为δ对于进出口温度不同的冷却蛇管而言，其传热面积计算公式应为：对数平均温差：tF、t1、t2分别为发酵液温度、冷却水进口温度、冷却水出口温度。对于蛇管冷却，有：其中d1、d2为管内外直径。2、发酵热Q通气发酵过程总热量为：Q=Q1+Q2-Q3　Q1—生物合成热Q2—机械搅拌放热，且Q2＝3600Pgη(kJ)；Pg—搅拌功率，kW；η—功热转化率，经验值为η＝0.92；Q3—发酵过程排气带出的水蒸汽的热量，以及发酵罐壁对环境的辐射热量。通常可取Q3≈20%Q1。序号发酵液名称发酵热KJ/(m3h)Kcal/(m3h)1青霉素丝状菌2300055002青霉素球状菌1380030003链霉素1880045004四环素2510060005红霉素2630063006谷氨酸2930070007赖氨酸3340080008柠檬酸1170028009酶制剂14700-188003500-4500各类发酵液的发酵热Q－－唐孝宣，《发酵工厂工艺设计》例1.2　冷却面积计算举例某抗菌素厂30M3种子罐，装料系数为60%，已计算出主发酵期生物合成热Q1=4.4×105kJ/h，搅拌热Q2=7.2×104kJ/h，查有关资料得汽化热及辐射损失Q3=1×104kJ/h。发酵温度为32℃，冷却水进口温度为16℃，出水温度为25℃，冷却水的平均比热取为4.186kJ/(kg·℃)，罐内采用竖式蛇管冷却，蛇管规格为53/60(mm)，壁厚3.5mm，其导热系数λ=188kJ/(m·h·℃)，根据经验数据取传热系数α1和α2分别为2.7×103和1.45×103kJ/(m2·h·℃)，另外，管壁水垢层的热阻δ＝16750kJ/(m2·h·℃)，试求发酵罐冷却水耗量、冷却面积以及竖式蛇管总长度。解:1.总的热量Q=Q1+Q2-Q3=4.4×105+7.2×104-1×104=5.02×105(kJ/h)2.冷却水耗量=1.33×104(kg/h)3.对数平均温度差4.K值的计算=1.931×103kJ/(M2·h·℃)5.冷却面积根据生产实际情况取整：A=25M26.冷却蛇管总长度二、搅拌功率计算搅拌器轴功率搅拌器以既定的速度转动时，用以克服介质的阻力所需要的功率，即搅拌器输入搅拌液体的功率。提纲：单层搅拌、不通气条件下输入搅拌液体的功率计算功率计算的修正多层搅拌器的功率计算通气搅拌功率的计算1.单层搅拌器、不通气条件下输入搅拌液体的功率计算搅拌器所输入搅拌液体的功率取决于下列因素：搅拌罐直径　D搅拌器直径d液体高度　HL搅拌转速　N液体粘度μ液体密度ρ搅拌器形式、有无档板等P＝F（N，d,ρ，μ）在全档板条件下，对于牛顿型流体，由因次分析与实验验证，得：式中P0：不通气时搅拌器的功率（瓦，即牛.米/秒）ρ：液体的密度（公斤/米3）μ：液体的粘度（牛.秒/米2，即帕.秒）或公斤.秒/米2d：搅拌器涡轮直径（米）N：转速（转/秒）经验系数K，m：由搅拌器的型式，挡板的尺寸及流体的流态决定　　　　　是一个无因次数，称为功率准数NP。　　　　是一个无因次数，称为搅拌雷诺数ReMNP~ReM的关系：实测找出规律，即经验系数K，m当ReM＜10时，液体为层流状态，m=-1；当ReM＞104时，液体为湍流状态，m=0；多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数＝K，查图得Np。由搅拌雷诺数ReM，可查图表得到的搅拌功率准数NP。故，常用到的搅拌轴功率计算公式为：P0=NPd5N3ρ=Kd5N3ρ例1.3问题1.　今有一发酵罐，内径为2米，安装一个六弯叶涡轮搅拌器，搅拌器直径为0.7米，转速为150转/分，设发酵液密度为1050kg/m3，粘度为0.1Pa*s，试求不通气状态下搅拌器功率。解：由题：　　d=0.7米　　n=150/60＝2.5转/秒，　　　　　ρ＝1050kg/m3，　　μ＝0.1Pa*s注意单位的换算，按P14页括号中的单位为统一单位NP由查ReM~Np图表（中的3号曲线）得4.7，即故不通气下的搅拌功率：复习前节课的结论：相同d、N的三种涡轮搅拌器，功率消耗平叶＞弯叶＞箭叶2.搅拌功率的修正若各种参数如D/d、HL/d等不符合所查图表中(在17页表中表示为T/D,HL/D)的曲线特性，则先查出值，计算后再进行修正：P＊＝f×P0其中，P0为按图查出的Np值算得的功率；f为修正系数，3.多层搅拌器的功率Pm计算在单层搅拌器功率计算的基础上，乘上一个系数。一种简单的估算方法是，Pm：多层搅拌器的功率，m：搅拌器的层数。4.通气状态下的搅拌功率Pg不通气时的功率P0已知，再用包含通气量的经验公式（形式多样）求得Pg如，发酵液密度:800~1650kg/m3，粘度:0.0009~0.1pa·s，d/D=1/3时，涡轮搅拌器　有：P0　、Pg：不通气、通气时的搅拌功率，单位均为kWd，搅拌叶轮直径，mN，转/分Q，工作状况下的通气量，m3/min，Q的换算：只知道标准状态通气量时Q与标准状况下（温度为273K、压力为101325Pa）的通气量Q0之间的换算关系，可按气体状态方程：t：度；　密度：kg/m3；　HL：m；　Pt：表压，Pa因分子单位为Mpa，故分母上有10-6通气比VVM定义：每分钟的通气体积（以标准状态计，即为Q0）与实际料液体积之比。1/min常是已知装液量与VVM值，不知Q值。此时先算出Q0，再按前页公式转换计算出Q，才可代入Pg计算公式。如已知例1.3中通气量Q＝1.40米3／分，则代入上式得，Pg=10.82KW＜P0＝12.9KW单位换算通气量增大，搅拌功率下降例：30立方罐体，55kw电机，180rpm下，不通气时电流130安，通气后vvm1:1时，电流可以降到80～85安，所以开搅拌前，一般先通风。作业1一年产5万柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为14%，提取总收率90%，年生产日期为300天，发酵周期为96小时。假定发酵罐的装液系数为85%，问每天需要多少发酵液？选用合适大小的发酵罐，并计算所需数量。注：发酵产酸水平，指成熟发酵液中产品的质量百分含量。某细菌醪为牛顿型流体，发酵罐罐直径D＝1.8(米)圆盘六弯叶涡轮直径d＝0.60米，一只涡轮罐内装四块标准挡板搅拌器转速N＝168转／分通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的气流量)罐压P＝1.5绝对大气压醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2醪液密度ρ＝1020公斤／米3要求计算Pg作业2：其它注意事项非牛顿流体的搅拌轴功率的计算粘度随搅拌转速而变化计算思路：先知道粘度与搅拌速度的关系计算不同搅拌速度下的粘度，和Rem再根据实验绘出其Np-Rem曲线。牛顿型流体与非牛顿型流体牛顿型流体：剪切力与速度梯度（　　）成正比塑性流体：拟塑性流体：m<1胀塑性流体：m>1胀塑性流拟塑性流：表观粘度随剪切梯度的增加而减少－－多数发酵液。胀塑性流：表观粘度随剪切梯度的增加而增加－－－淀粉与阿拉伯树胶有此特点。制霉菌素的发酵液在整个发酵过程中均为牛顿型流体。链霉素发酵液在发酵24小时前为塑性流体，48-96小时间为牛顿型流体，120小时后为拟塑性流体。每m3培养液3kW电机功率左右P电机＝（Pm＋PT）/η，其中PT为轴封的摩擦损失功率，η为传动效率，按传动机构不同取0.85－0.9。Pm，根据不同情况选取：若采用连续灭菌，则用通气功率Pg若采用实罐灭菌，则用不通气功率P0发酵罐的搅拌电机配置因为实消时搅拌器开动是在不通气状态下进行的，功率消耗大于通气功率。另一个讨论：搅拌功率的分配搅拌功率，即单位时间所做的功可以分配为翻动量Q（单位时间所输送的流量）与动压头H（对单位重量流体所做的功，或单位重量流体从搅拌所获得的动能），又因：由　　　　　　　　　　　　　即是故有，在P0为定值时，有　　　　　或以及　　　　　　，　　　　　　或故，功率一定时，　大直径、低转速搅拌器，更多的功率用于总体流动，有利于宏观混和；　小直径、高转速搅拌器，更多的功率用于湍动，有利于提高湍动，即气液传质速率。因为其d/n值大已知涡轮搅拌器三者的粉碎气泡的能力（H）间的关系：平叶＞弯叶＞箭叶则，相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力（Q）必有：平叶＜弯叶＜箭叶解：设原参数为n0，d0，新参数为n1，d1，则据要求有：　　　　　　　　　　同时保证解上两式，最后得到：同时，有，P1＝1.3P0例1.4：　一发酵罐，经实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 翻动情况不良，现进行改进，不考虑通气时，要求Q提高30%，H不变，问改进后：转速n有何变化？搅拌器直径d有何变化？搅拌功率有何变化？三、通气与传氧1.通气的两个常用参数空截面气速Vs：在没有发酵液时通入罐内空气的线速度，m/s。式中Q以工作状态下计。通气比VVM：每分钟的通气体积（以标准状态计，即为Q0）与实际料液体积之比。1/minQ　与Q0的关系见PPT　23页公式Vs　，即Q　　，则　Pg　　（相同搅拌条件下）相反，若Vs下降，即使在搅拌条件不变的情况下，Pg也会增加－－作用于发酵液的剪切作用增加。故：较低的通气率会使敏感细胞受损。Vs增大，则通气后发酵液体积也增大。控制气速<1.75~2.0m/min故发酵液的量计量时一般是称重，而不是量体积。通气对于发酵过程的影响2.传氧OTR-------氧传递速率（摩/米3·小时），即：每立方米液体中每小时的溶氧量。kLa--------体积溶氧系数（1/小时或1/秒）。C＊---------相应温度、相应压强下的饱和溶氧浓度C----------发酵液中的实际溶氧浓度2、提高C*　　C*是发酵条件下，能达到的最大溶氧浓度　　　在空气中通入纯氧在可能时提高罐内操作压力降低发酵温度1、提高kLa提高传氧速率的途径影响kLa的因素KLa与操作变量的关系：经验公式之一为可看出，体积溶氧系数与　输入单位体积液体的通气搅拌功率、　通气线速度相关，而系数K、α、β则与不同的容器类型、搅拌器类型有关。　　注意，两个参数间并非无关：由于vs对于Pg有影响，故单独提高vs（空截面气速）未必能提高传氧速率。Qg：工作状态下的通气量，dB,WB分别为气泡平均直径（米），和气泡上升速度（米/秒）研究影响kLa的因素，找出关系公式，以便于：知道哪些变量对其影响大，调整kLa时，从哪些变量下手进行反应器放大设计在反应器设计中，计算设计条件下的kLa的值，与实际所需值（小试得来，或由细胞的耗氧速率等理论值间接计算）进行比较，以判定设计的可行性。（1）增加搅拌器转速N，以提高Pg，可以有效地提高kLa。（2）加大通气量Q（提高vs）。需注意的是，在低通气量时，提高Q可以显著增大kLa。但当通气量已经很高时，进一步提高Q，Pg也将随之剧烈降低，其综合效果将不会使kLa增加，甚而可能下降。只有在增大Q的同时也相应提高搅拌转速N，使Pg不至过分降低的情况下，才能最有效地提高kLa。提高kLa四　反应器的放大以某些关键性参数放大后不变为原则，进行放大设计。内容几何尺寸放大空气流量放大搅拌功率与转速的放大计算难点，是放大后的：空气流量搅拌功率消耗与搅拌转速1.几何尺寸放大：按几何相似原则　设V1、V2分别为模型罐和生产罐，已知V1/V2=m，据几何相似有：则：故有：2.　空气流量放大在已知大罐的尺寸后，接下来计算大罐的VVM与vs。空气流量放大，常用的有三种放大原则VVM1＝VVM2Vs1=vs2KLa1=KLa2原则一：若设　VVM1＝VVM2原则二：若设　Vs1=Vs2原则三：若设KLa1=KLa2这两页中的小写p为放大前后罐内平均压力，前后文中大写的P指功率PPT41页放大原则VVMVs小罐大罐小罐大罐VVM1＝VVM21113.33Vs1=vs210.311KLa1=KLa210.51311.71下表是在：V2＝125V1，D2＝5D1，p2＝1.5p1时，采用不同放大方法，计算出来的。通常放大后，VVM下降，而线速度上升3.　搅拌转速及功率的放大求　放大后的转速N2，与功率P2　　（此时放大后的通气条件已经计算确定了）搅拌转速及功率的常见放大原则P0/VL＝常数　单位体积发酵液所消耗不通气功率相同Pg/VL=常数　单位体积发酵液所消耗通气功率相同KLa=常数P0/VL＝常数由于有故保持上式在放大中不变，则有解释了发酵罐体积增大，而搅拌速度反而减小Pg/VL=常数P22页KLa=常数PPT41页公式例　1.5　若有一中试发酵罐，装料量为0.28m3，D＝0.6m，搅拌器直径为0.2m，搅拌转速为420r/min，不通气搅拌功率为0.9kW，通气时为0.4kW，空气线速度为50m/h，若将其放大125倍，求生产罐的主要尺寸及主要工艺操作条件。发酵罐放大时，罐尺寸参数按几何比例放大　　但是其它参数并不按几何比例放大要清楚放大发酵罐计算时，假设的是什么参数变化，什么不变　不同的放大标准，选定不同的不变参数，其最终计算出来的放大结果也不同，通过实际选用最优。