第一篇 第二章 通风发酵罐

1、第一章 通风发酵罐 应用： 生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、 抗生素、维生素等抗生素、维生素等 类型： 通风固相发酵设备 自吸式发酵罐 气升环流发酵罐 机械搅拌发酵罐 常用通风发酵罐 通风发酵罐 v 机械搅拌发酵罐 工作原理 结构及几何尺寸 溶氧速率、通气与搅拌 热量传递 v 气升式发酵罐 工作原理 气升环流式发酵罐 典型的气升式发酵罐 v 自吸式发酵罐 机械搅拌自吸式 喷射自吸式 溢流喷射自吸式 v 通风固相发酵罐 机械搅拌发酵罐(TRC) 工作原理： 利用机械搅拌器的作用，利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分使空气和发酵液充分

2、 混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物 生长繁殖、发酵所需要的氧气。生长繁殖、发酵所需要的氧气。 (1) 具有适宜的径高比；具有适宜的径高比； (2) 能够承担一定压力；能够承担一定压力； (3) 保证必需的溶解氧；保证必需的溶解氧； (4) 具有足够的冷却面积；具有足够的冷却面积； (5) 尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌； (6) 轴封严密。轴封严密。 之机械搅拌发酵罐 发酵罐的基本条件： 之机械搅拌发酵罐 大型发酵罐结构 2 3 1轴封轴封 ； 2、20人孔；人孔； 3梯；梯； 4联轴；联轴； 5中间轴承；

3、中间轴承； 6温度计接口；温度计接口； 7搅拌叶轮；搅拌叶轮； 8进风管；进风管； 9放料口；放料口； 10底轴承；底轴承； 11DO电极接口；电极接口；12冷却管；冷却管； 13搅拌轴；搅拌轴； 14取样管；取样管； 15轴承座；轴承座； 16传动皮带；传动皮带； 17电机；电机； 18压力表；压力表； 19取样口；取样口； 21进料口；进料口； 22补料口；补料口； 23排气口；排气口； 24回流口；回流口； 25视镜；视镜； 图2.1 大型发酵罐结构图 机械搅拌发酵罐的结构 之机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐的结构 小型发酵罐结构 图2.2 小型发酵罐结构图 之机械搅拌发酵罐 图2.3 自

4、动玻璃发酵罐 图2.4 玻璃搅拌发酵罐 图2.5 不锈钢搅拌发酵罐 由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳 钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度 下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130 和和0.25MPa(绝对压力绝对压力)。 之机械搅拌发酵罐 罐 体 受内压的壁厚：受内压的壁厚： )( 230 1 mmC p pD )( 200 2 mmC pDy 受外压的壁厚：受外压的壁厚： )(11 2400 3 mmC HDp HpD 之机械搅拌

5、发酵罐 搅拌器和挡板 搅拌器：搅拌器： 有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是 打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡 轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆 装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。 图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图 1-六直叶涡轮式；2-推进式3- Lightnin A-315式 图2.7 不同搅拌器的流型 挡板：挡板：

6、改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液 体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取( (0.1 0.12)D，装设，装设46块即可满足全挡板条件。块即可满足全挡板条件。 所谓所谓“全挡板条件全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内是指在一定转速下再增加罐内 附件而轴功率仍保持不变。附件而轴功率仍保持不变。 要达到全挡板条件必须满足下式要求：要达到全挡板条件必须满足下式要求： 5 . 0 12. 01 . 0 n D D n D b 之机械搅拌发酵罐 无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型 之机械搅拌发酵罐

7、 轴 封 填料函轴封填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和 压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。 作用：作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封， 防止泄露和污染杂菌。防止泄露和污染杂菌。 端面式轴封又称机械轴封：端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹密封作用是靠弹性元件（弹 簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相 互贴合，并作相对转动而达到密封。互贴合，并作相对转动而达到密封。 常

8、用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 压紧螺栓压紧螺栓 填料箱体填料箱体 图2.10 填料函 转轴转轴 填料压盖填料压盖 铜环铜环 填料填料 转轴转轴 图2.11 端面封轴 动环动环 静环静环 堆焊硬质堆焊硬质 O形环形环 图2.12 双 端面封轴 密封环密封环 搅拌轴搅拌轴 罐体罐体 齿轮箱齿轮箱 传动齿轮箱传动齿轮箱 之机械搅拌发酵罐 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀 分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分 布装置有单管式。布装置有单管式。 空

9、气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气 泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。 环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分 布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。 通常通风管的空气流速取通常通风管的空气流速取20m/s。 为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐 底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补 强强,可延长

10、罐底寿命。可延长罐底寿命。 空气分布器 之机械搅拌发酵罐 消泡装置 消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐 排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态 两相的装置，从而达到消泡的目的。两相的装置，从而达到消泡的目的。 两种消泡方法两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂；加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置使用机械消泡装置 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如 猪油等；高分子化合物。猪油等；高分子

11、化合物。 机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消 泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板 式消泡器等。式消泡器等。 旋风离心式 叶轮离心式 耙式消泡器 碟片式消泡器 刮板式消泡器 之机械搅拌发酵罐 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用 联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。 之机械搅拌发酵罐 联轴器及轴承 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。 常用

12、的联轴器有鼓形及夹壳形两种。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。 联轴器 法兰 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；中型发酵罐一般在罐内装有底轴承； 大型发酵罐装有中间轴承。大型发酵罐装有中间轴承。 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体罐内轴承不能加润滑油，应采用液体 润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚 四氟乙烯等）。四氟乙烯等）。 之机械搅拌发酵罐 轴 承 底轴承 中间轴承 之机械搅拌发酵罐 冷却装置 夹套冷却夹套冷却竖式蛇管冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却竖式列管冷却 适 用 范 围 5m3以下小发酵罐以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐 大型发酵罐大型发酵罐 气温较高的地区

13、气温较高的地区 优 点 结构简单，加工容结构简单，加工容 易，罐内死角少，易，罐内死角少， 容易清洗灭菌容易清洗灭菌 流速大，传热系数流速大，传热系数 大，降温效果较好。大，降温效果较好。 加工方便，提高加工方便，提高 传热推动力的温传热推动力的温 差。差。 缺 点 传热壁较厚，冷却传热壁较厚，冷却 水流速低，降温效水流速低，降温效 果差。果差。 冷却水较高时，降冷却水较高时，降 温困难，弯曲位置温困难，弯曲位置 易腐蚀。易腐蚀。 用水量较大。用水量较大。 在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液 进行循环冷却。进行循环冷却。

14、 图2.13 机械搅拌通风发酵罐 的几何尺寸 5 . 37 . 1 DH3121DDi 0 . 18 . 0 i DC12181 DB 52 i DS2 0 DH Di D B 之机械搅拌发酵罐 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积 体积 尺寸 DhDhDhDV bab 6 1 4 6 4 222 1 椭圆形封头体积： 发酵罐的总体积： DhHDV b 6 1 2 4 2 0 近似为： 22 0 15. 0 4 DHDV 之机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌 溶氧传质速率OTR(Oxygen Transfer Rate) )(OTR L ccak 测量体积溶氧系数的方法 一、亚

15、硫酸盐氧化法一、亚硫酸盐氧化法 二、溶氧电极法二、溶氧电极法 影响KLa的主要因素 操作条件；操作条件； 发酵罐的结构及几何参数；发酵罐的结构及几何参数； 物料的物化性能。物料的物化性能。 42232 22 4 SONaOSONa CuSO HISONaISONa OH 2 42232 2 NaIOSNaIOSNa2 6422322 之机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐的溶氧系数 K KLa与操作变数的关系为：与操作变数的关系为： 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VG，以提高vs； 3）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高C*。 提高KLa的途径 机械搅拌发酵罐

16、的溶氧速率、通气与搅拌 s g v V P KaK L L L G g V V V P KaK 或 机械搅拌的剪切力影响 1）单细胞微生物如球状或杆状的细菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力强； 2）丝状菌的耐受力弱； 3）动物细胞对搅拌剪切力非常敏感。 之机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐的热量传递 发酵过程的热量计算 生物合成热量计算法生物合成热量计算法 冷却水带出热量计算法冷却水带出热量计算法 发酵液温升测量计算法发酵液温升测量计算法 4321 QQQQQt L 12 V TTW Q C t L 2211 2 V Tcmcm Qt 之机械搅拌发酵罐 之机械搅拌发酵罐 小 结 热量传递 工作原理 结

17、构 几何尺寸 通风、溶氧传质与搅拌 Di D B 之气升式发酵罐 气升式发酵罐(ALR) 工作原理 特点及应用 主要结构及操作系数 典型的气升式发酵罐 工作原理 之气升式发酵罐 o 类型 气升环流式、塔式（鼓泡式）、空气喷射式等。 o 工作原理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷 射进入发酵液中，通过气液混合 物的湍流作用而使空气泡分割细 碎，同时由于形成的气液混合物 密度降低故向上运动，而气含率 小的发酵液则下沉，形成循环流 动，实现混合与溶氧传质。 G 泵L G 气液双喷射气升环流反应器 o 特点 1）反应溶液分布均匀 2）较高的溶氧速率和溶氧效率 3）剪切力小，对生物细胞损伤小 4）传热良好 5

18、）结构简单，易于加工制造 6）操作和维修方便 7）易于放大设计和模拟 特点及应用 之气升式发酵罐 o 应用 酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养 酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理 主要结构及操作参数 之气升式发酵罐 o主要结构参数 1）反应器径高比H/D（59） 2）导流筒径与罐径比DE /D（0.60.8） 3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/D o 操作特征 1）平均循环时间tm 2）液气比R=Vc/Vg 3）溶氧传质 之气升式发酵罐 空气喷射装置 漩涡式空气喷射器 G 泵L G 之气升式发酵罐 G F G 气升环流式反应器 气液双喷射气升环流反应器 多层空气分布板的 气升环流式反应器

19、 之气升式发酵罐 ICIs air lift system for making single-cell protein in 1979 冷却水 G G 培养基 AA B 注射入口 ICI压力循环气升发酵罐 之气升式发酵罐 BIOHOCH 反应器 径向流喷射器是核心元 件。空气和水相对喷入， 含极大能量的水使空气 分散成又细又均匀的气 泡。循环管保证流向及 液体充分曝气。 BIOHOCH 反应器的特点： 紧凑，无噪音，无异味 因为反应器很高，故占地 面积小，不会受噪音和气味侵扰 经济 氧利用率高保证能量节省80% 可靠性 反应器易于进入，优质的防腐处理比混凝 土更不易泄漏。一旦泄漏发生，也可立

20、即监控。一 套完整的系统保证废水不会无控制流出 。 BIOHOCH 反应器处理工业废水技术 之气升式发酵罐 之气升式发酵罐 小 结 工作原理 类型及特点 主要结构及操作参数 典型的气升式发酵罐 之自吸式发酵罐 自吸式发酵罐 自吸式发酵罐：自吸式发酵罐： 不需空气压缩机提供加压空不需空气压缩机提供加压空 气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置 吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。 应用：应用： 酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维 生素等生产生素等生产 之自吸式发酵罐 自吸式发酵罐 优点：优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备 投资，减少厂房面积；投资，减少厂房面积； (2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高生产效率高、经济效率高 (4)设备便于自动化、连续化。设备便于自动化、连续化。 缺点：缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空 气过滤