梁世中主编生物工程设备第二版通风发酵罐

1、生物工程设备生物工程设备BIOENGINEERINGEQUIPMENT 生物反应器设计基础生物反应器设计基础v 反应器容积的计算反应器容积的计算v 反应器有效体积的大小由反应物料的处理量决定。一个操作周期的总反应器有效体积的大小由反应物料的处理量决定。一个操作周期的总时间为：时间为：v 根据生产规模，有效体积为：根据生产规模，有效体积为：v 计算：某氨基酸发酵产酸率计算：某氨基酸发酵产酸率12%，发酵时间为，发酵时间为36h，辅助时间为，辅助时间为24h，每个发酵罐有效容积为每个发酵罐有效容积为100m3。试设计年产。试设计年产5000t该氨基酸所需发酵罐该氨基酸所需发酵罐个数。个数。bptt

2、tptCtPV/生物工程设备生物工程设备BIOENGINEERINGEQUIPMENT 通风发酵罐通风发酵罐v 高效生物反应器的特点：高效生物反应器的特点：v (1) 传质和传热性能好；传质和传热性能好；(2) 结构密封、防杂菌污染；结构密封、防杂菌污染； (3) 设备简单、设备简单、维修方便；维修方便；(4) 生产能力高生产能力高 ；(5) 能耗低；能耗低；(6)检测控制系统完善；检测控制系统完善；(7) 易放大；易放大； (8)生产安全。生产安全。v 应用：应用：v 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、v 抗生素、维生素等抗生素、维生

3、素等v 类型：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机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐(TRC)v 工作原理：工作原理：v 利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分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。溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。v 发酵罐的基本条件：发酵罐的基本条件：v (1) 具有适宜的径高比；具有适宜的径高比；v (2) 能够承担一定压力；能够承担一定压力；v (3) 保证必需的溶解氧；保证必需的溶解氧；v (4) 具有足够的冷却面积；具有足够

4、的冷却面积；v (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；v (6) 轴封严密。轴封严密。v 机械搅拌发酵罐的结构机械搅拌发酵罐的结构v 大型发酵罐结构大型发酵罐结构v 1轴封轴封 ； 2人孔；人孔； v 3梯；梯； 4联轴器；联轴器；v 5中间轴承；中间轴承； 6温度计接口；温度计接口；v 7搅拌叶轮；搅拌叶轮； 8进风管；进风管；v 9放料口；放料口； 10底轴承；底轴承；v 11热电偶接口；热电偶接口；12冷却管；冷却管；v 13搅拌轴；搅拌轴； 14取样管；取样管；v 15轴承座；轴承座； 16传动皮带；传动皮带；v 17电机；电机； 18压力表；压力

5、表；v 19取样口；取样口； 21进料口；进料口；v 22补料口；补料口； 23排气口；排气口；v 24回流口；回流口； 25视镜；视镜；23v 小型发酵罐结构小型发酵罐结构v 罐体罐体v 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，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，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，通常要求耐受通常要求耐受130和和0.25MPa(绝对压力绝对压力)。v 受内压的壁厚：受内压的壁厚：v 受外压的壁厚：受外压的壁厚：)(1124003mmCHDpHpD

6、 )(2301mmCppD )(2002mmCpDyv 搅拌器：搅拌器：v 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，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，以平叶涡轮最为激烈，功率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。为了拆装方便，大型搅拌器可做消耗也最大，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。成两半型，用螺栓联成整体。图2.7 不同搅拌器的流型图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-3

7、15式v 挡板：挡板：v 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。解氧。 有挡板的搅拌器形成的流型 无挡板的搅拌器形成的流型v 通常挡板宽度取通常挡板宽度取(0.10.12)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。v 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附件而轴功率仍保是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。持不变。v 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 . 012. 01 . 0nDDnDbv 轴封轴封v 作用：使罐顶

8、或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。作用：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。v 常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。v 填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓待零件填料函轴封：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。构成，使旋转轴达到密封的效果。压紧螺栓压紧螺栓填料箱体填料箱体图2.10 填料函轴封转轴转轴填料压盖填料压盖铜环铜环填料填料v 端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力

9、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。转动而达到密封。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v 空气分布器空气分布器v 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。空气由分布空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。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。了气液传质效果。v 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。环形分布装置的形式有单管

10、及环形管等，常用的分布装置有单管式。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。易被堵塞，已很少采用。v 通常通风管的空气流速取通常通风管的空气流速取20m/s。v 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强。可延长罐底寿命。器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。v 消泡装置消泡装置v 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消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴

11、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两相，从而达到上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相，从而达到消泡的目的的装置。消泡的目的的装置。v 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v 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；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。高分子化合物。v 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

12、片式消泡器和刮板式消泡器等。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。叶轮离心式旋风离心式耙式消泡器刮板式消泡器碟片式消泡器v 联轴器联轴器v 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。牢固的刚性联接。v 常用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。v 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。法兰联轴器v 轴承轴承v 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；v 大型发酵罐装有中间轴承。大型发酵罐装有中间轴承。v

13、 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，聚四氟乙烯等）。塑料，聚四氟乙烯等）。v 冷却装置冷却装置v 竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。v 发酵罐装配发酵罐装配机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积v 尺寸尺寸v 体积体积v 椭圆形封头体积：椭圆形封头体积：v 发酵罐的总体积：发酵罐的总体积：v 近似为：近似为：5 .37 .1DH3121DDi0 .18 .0iDC12181DB52iDS20DH30203 . 04D

14、HDVDhDhDhDVbab614642221DhHDVb6124020DiDBv 公称容积公称容积302015. 04DHDV机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌 v 溶氧传质速率溶氧传质速率OTR(Oxygen Transfer Rate)v 测量体积溶氧系数的方法测量体积溶氧系数的方法v 一、亚硫酸盐氧化法一、亚硫酸盐氧化法 v 二、溶氧电极法二、溶氧电极法NaIOSNaIOSNa2642232242232224SONaOSONaCuSO HISONaISONaOH2422322v 影响影响KLa的主要因素的主要因素v 操作条件；操作条件；v 发酵罐的

15、结构及几何参数；发酵罐的结构及几何参数；v 物料的物化性能。物料的物化性能。 v 机械搅拌发酵罐的溶氧系数机械搅拌发酵罐的溶氧系数v KLa与操作参数的关系为：与操作参数的关系为：v 提高提高KLa的途径的途径v 1）增加搅拌器转速）增加搅拌器转速N，以提高，以提高Pg，可以有效地提高，可以有效地提高Kla；v 2）加大通气量）加大通气量VG，以提高，以提高vs；v 3）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高C*。v 机械搅拌的剪切力影响机械搅拌的剪切力影响sgvVPKaKLLLGgVVVPKaK或机械搅拌发酵罐的热量传递机械搅拌发酵罐的热量传递 v 发酵过程的热量

16、计算发酵过程的热量计算v 生物合成热量计算法生物合成热量计算法v 冷却水带出热量计算法冷却水带出热量计算法v 发酵液温升测量计算法发酵液温升测量计算法L22112VTcmcmQt4321QQQQQtL12VTTWcQtv 发酵罐的换热装置发酵罐的换热装置v 1. 换热夹套换热夹套 换热系数：换热系数：400-600kJ/(m2.h. )v 2. 竖式蛇管竖式蛇管 换热系数：换热系数：1200-4000kJ/(m2.h. )，冷却水流速高，冷却水流速高v 3. 竖式列管竖式列管 换热系数：换热系数：4000kJ/(m2.h. )，冷却水流量大，冷却水流量大搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）搅拌器轴

17、功率的计算（单只搅拌桨）v 在具有挡板且满足全挡板的情况下，搅拌准数是搅拌雷诺准数的函数。在具有挡板且满足全挡板的情况下，搅拌准数是搅拌雷诺准数的函数。即：即：v 式中：式中：Np-功率准数；功率准数；ReM-雷诺准数；雷诺准数；K 搅拌常数搅拌常数v 雷诺数雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。 ()xPeMNK R0.1层流过度线平叶涡轮湍流浆式螺旋浆式3456e图6-2a 不同桨型的功率准数与雷诺准数的关系图()xPeMNK RPNK0 x v 表表6-1 不同搅拌器的不同搅拌器的K值值 v 不通气条件下的轴功率不通气条件下的轴功率P0计算

18、计算v 鲁士顿鲁士顿(Rushton J. H.)公式：公式：v P0无通气搅拌输入的功率无通气搅拌输入的功率（W）；v NP功率准数，是搅拌雷诺数功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；的函数；v 涡轮转速涡轮转速（r/s）；v L液体密度（液体密度（kg/m3）；）；v Di 涡轮直径（涡轮直径（m）；）；5i30DNPLPv 圆盘六平直叶涡轮圆盘六平直叶涡轮 NP6v 圆盘六弯叶涡轮圆盘六弯叶涡轮 NP4.7v 圆盘六箭叶涡轮圆盘六箭叶涡轮 NP3.7v 通气搅拌功率通气搅拌功率Pg的计算的计算v 修正的迈凯尔公式：修正的迈凯尔公式：v P0无通气搅拌输入的功率（kW）v 涡轮转速（r/mi

19、n）v Di 涡轮直径（cm）v Q通气量（mL/min）39. 008. 03i23g)1025. 20QDPP（搅拌功率的计算举例搅拌功率的计算举例v 例题：例题：某酶制剂厂某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一，一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装有四块标准挡板，装，罐内装有四块标准挡板，装液量液量VL为为6m3，搅拌转速，搅拌转速 =168rpm，通气量，通气量Q=1.42 m3 /min，醪，醪液粘度液粘度=1.9610-3 Ns/ m2，醪液密度，醪液密度 =1020 kg/ m3 ，三角皮

20、带，三角皮带的效率是的效率是 0.92，滚动轴承的效率是，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封增加的功率为端面轴封增加的功率为 1%，求轴功率，求轴功率Pg和和kL，并选择合适的电机。，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数（已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 ）v 解：解：1.先求出先求出Re：v 2.因因Re104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数NP = 4.7 ，故叶轮的不通气时搅拌功率故叶轮的不通气时搅拌功率P0为：为：）（k

21、W07. 86 . 01020601687 . 4535i30 DNPLP 53221025. 51096. 110206 . 0)60/168(ReLiDv 3.求通气时搅拌功率求通气时搅拌功率Pg：v 4.所需电动机功率为：所需电动机功率为：)kW(55. 6)14200006016807. 8(1025. 2)1025. 239. 008. 032339. 008. 03i23g0 QDPP （）（）（kW4 . 7%1198. 099. 092. 055. 6 v 4. 求求kL ：v 先求空截面气速先求空截面气速vS：v 求求kL ： )atm)(min/(mLOmol10911.

22、1101688 .556.55/63.3)2.3610 /P3.3n)2.36k2O2697 . 07 . 056. 097 . 07 . 00.56gLpvVSL （ min)/cm(8 .5518014200004422 DQvSSvDQ 24 气升式发酵罐气升式发酵罐(ALR)v 工作原理工作原理v 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

23、现混合与向上运动，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。溶氧传质。v 类型类型v 气升环流式、塔式、空气喷射式等。气升环流式、塔式、空气喷射式等。G泵LGv 特点特点v 1）反应溶液分布均匀）反应溶液分布均匀v 2）较高的溶氧速率和溶氧效率）较高的溶氧速率和溶氧效率v 3）剪切力小）剪切力小v 4）传热良好）传热良好v 5）结构简单）结构简单v 6）能耗小）能耗小v 7）不易染菌）不易染菌v 8）操作和维修方便）操作和维修方便 v 应用应用v 单细胞蛋白生产、细胞培养、酶制剂、有机酸等发酵生产、废水生化单细胞蛋白生产、细胞培养、酶制剂、有机酸等发酵生产、废水生化处理处理v

24、 主要结构参数主要结构参数v 1）反应器径高比）反应器径高比H/Dv 2）导流筒径与罐径比）导流筒径与罐径比DE /Dv 3）空气喷嘴直径与反应器直径比）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/Dv 主要操作参数主要操作参数v 1）平均循环时间）平均循环时间tmv 2）气液比）气液比Rv 3）溶氧传质）溶氧传质v 空气喷射装置空气喷射装置漩涡式空气喷射器v 反应器种类反应器种类多层空气分布板的气升环流式反应器气液双喷射气升环流反应器气升环流式反应器GFGG泵LGICI压力循环气升发酵罐冷却水GG培养基AAB注射入口123456711891012具有外循环冷却的气升环流式发酵罐BIOHOCH 反应器径向

25、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。自吸式发酵罐自吸式发酵罐v 自吸式发酵罐：自吸式发酵罐： 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械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吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传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。质的发酵罐。v 应用：应用： 酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维生素等生产酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维生素等生产 。 v 优点：优点： v (1)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；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；v (2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；溶氧速率高，