第五章通风发酵设备

第五章通风发酵设备第1页，共70页，2023年，2月20日，星期三第一节概述通风发酵产品及生产现状通风发酵设备核心内容第2页，共70页，2023年，2月20日，星期三第二节通风发酵罐的类型及结构类型机械搅拌通风发酵罐气升式发酵罐自吸式发酵罐第3页，共70页，2023年，2月20日，星期三机械搅拌通风发酵罐气升式发酵罐自吸湿发酵罐第4页，共70页，2023年，2月20日，星期三机械搅拌通风发酵罐结构主要部件：

罐体、搅拌装置、挡板、轴封、消泡器、传动装置、冷却装置、通气装置、人孔、视镜、进料口、出料口、取样口、补料口、消泡剂流加口，压力表、安全阀、温度计等。

第5页，共70页，2023年，2月20日，星期三第6页，共70页，2023年，2月20日，星期三第7页，共70页，2023年，2月20日，星期三第8页，共70页，2023年，2月20日，星期三第9页，共70页，2023年，2月20日，星期三第10页，共70页，2023年，2月20日，星期三罐体

罐体有圆筒体和椭圆封头封底组成。筒体高径比（H/D）=1.7~2.5

标准机械搅拌通风发酵罐H/D=2；发酵罐的高径比是设计的重参数，它关系到溶氧效率。筒体壁厚决定于压力、材料的许用应力、发酵罐的直径、焊接程度等。

第11页，共70页，2023年，2月20日，星期三壁厚的计算公式（内压容器）：第12页，共70页，2023年，2月20日，星期三

标准椭圆封头壁厚计算同圆筒体壁厚计算，标准椭圆封头的高等于筒体直径的1/4。第13页，共70页，2023年，2月20日，星期三发酵罐的体积公称容积：

发酵罐大小体积通常用“公称容积”标示，所谓“公称容积”是指圆柱体体积与底封头体积之和。全容积是圆柱体体积与上下封头体积之和发酵罐的封头一用椭圆封头，封头体积计算公式如下：

第14页，共70页，2023年，2月20日，星期三搅拌装置

搅拌装置包括：搅拌器、联轴节、搅拌轴、轴承。

搅拌器是最为关键的部件，它的作用使液体充分混合和氧的溶解。常用的搅拌器是圆盘涡轮搅拌器，根据浆叶结构不同又分为三类：六直叶圆盘涡轮搅拌器六弯叶圆盘涡轮搅拌器六箭叶圆盘涡轮搅拌器

第15页，共70页，2023年，2月20日，星期三第16页，共70页，2023年，2月20日，星期三六弯叶圆盘涡轮搅拌器第17页，共70页，2023年，2月20日，星期三本设计改进的六弯叶圆盘涡轮搅拌器第18页，共70页，2023年，2月20日，星期三六弯叶圆盘涡轮搅拌器第19页，共70页，2023年，2月20日，星期三六折叶圆盘涡轮搅拌器第20页，共70页，2023年，2月20日，星期三六直叶涡轮搅拌器第21页，共70页，2023年，2月20日，星期三标准圆盘涡轮搅拌器尺寸dDiBLDi–搅拌器直径；d—圆盘涡轮直径；B—浆叶宽；L—浆叶长；Di:d:L:B=20:15:5:4搅拌器直径是发酵罐直径的1/2~1/4第22页，共70页，2023年，2月20日，星期三搅拌器间距一般发酵罐设2挡或3挡搅拌器，两挡搅拌器间距S=（1.5~2.5）Di

上边的挡板距发酵罐液面间距S1=(1~2)Di下边的挡板距罐底间距C=(0.8~1)Di

第23页，共70页，2023年，2月20日，星期三挡板作用全挡板条件第24页，共70页，2023年，2月20日，星期三第25页，共70页，2023年，2月20日，星期三

轴封

起密封作用，防止杂菌污染。常用是机械端面密封，有固定罐体上的静环和固定在轴上的动环形成一个端面，有弹簧压紧。第26页，共70页，2023年，2月20日，星期三进风分布器

压缩的无菌空气进入发酵罐的底部，一般采用单口进入，也有的在环形管上开有许多小孔，均匀分布进入。第27页，共70页，2023年，2月20日，星期三冷却装置冷却结构类型

1）夹套

2）外冷却带

3）立式蛇管

4）立式列管第28页，共70页，2023年，2月20日，星期三气升式发酵罐压缩无菌空气压缩无菌空气内循环式塔式第29页，共70页，2023年，2月20日，星期三高位罐筛板导流孔无菌空气第30页，共70页，2023年，2月20日，星期三自吸式发酵罐定子转子搅拌轴空气机械搅拌自吸式发酵罐第31页，共70页，2023年，2月20日，星期三空气文丘管泵喷射式自吸式发酵罐第32页，共70页，2023年，2月20日，星期三第三节机械搅拌通风发酵罐搅拌功率计算单只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算Po---不通风时搅拌器输入的功率（瓦）n----涡轮转数（转/秒）

Di--搅拌器直径（米）P----醪液密度（公斤/米3）NP-----功率准数第33页，共70页，2023年，2月20日，星期三NP是搅拌雷诺数的函数，雷诺数不同其值不同，当Rem≥104时，再增大雷诺数，功率准数不变。另外，功率准数还与搅拌器结构、附件等有关，在Rem≥104时，（Rem=）直叶圆盘涡轮搅拌器NP=6；弯叶圆盘涡轮搅拌器NP=4.7；箭叶圆盘涡轮搅拌器NP=3.7；第34页，共70页，2023年，2月20日，星期三若Po单位为千瓦；n单位为转/分。则：若是多档搅拌器，两档间距S，非牛顿流体S取2D，牛顿流体S取2.5~3D；静液面至上档间距取0.5~2D,下档搅拌器至罐底距离C取0.5~1D。符合以上条件，两档搅拌器输出的功率就是单只涡轮搅拌器的2倍，即：

第35页，共70页，2023年，2月20日，星期三2、通风时搅拌功率Pg福田秀雄在迈凯尔等人研究的基础上，利用Pg与对在双对数坐标作图，得到斜率为0.39，截距为0.24×10-3，得到公式为：第36页，共70页，2023年，2月20日，星期三式中：Pg

、Po----通风与不同风时的搅拌功率，单位为马力。n-----搅拌转速（转/分）D-----搅拌器直径（厘米）Q-----通风量（毫升/分）若：Pg

、Po通风与不同风时的搅拌功率，单位为千瓦。n-----搅拌转速（转/分）D-----搅拌器直径（米）Q-----通风量（m3/分）通风时搅拌功率则为：第37页，共70页，2023年，2月20日，星期三若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。不通风时搅拌功率：P02=2×4.63×4.7×803×1.35×1060×10-9=87.7（KW）第38页，共70页，2023年，2月20日，星期三

通风时搅拌功率：

=71（Kw）第39页，共70页，2023年，2月20日，星期三第四节体积溶氧速率与体积溶氧系数体积溶氧速率方程：

Nv=KLa（C*－C）

Nv—体积溶氧速率，KmolO2/h.m3；

KLa—体积溶氧系数，h-1；

C*—饱和溶氧浓度，KmolO2/m3；

C—发酵液实际溶氧浓度，KmolO2/m3；第40页，共70页，2023年，2月20日，星期三双膜理论1）假定气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧，存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜，空气中的氧分子以扩散方式通过浓度差透过双膜，液膜与气膜处于层流状态，膜以外的气体与液体处于对流状态，称为主流体，在主流体氧分子浓度相同。2)在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于平衡关系。3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间变化。第41页，共70页，2023年，2月20日，星期三气体主流气膜液体主流液膜ppiCiC界面第42页，共70页，2023年，2月20日，星期三N=kg（p－pi

）=kL（Ci

－C）式中：N—传氧速率（KmolO2/m2.h）Kg—气膜氧传质系数（KmolO2/m2.h.大气压）KL——液膜氧传质系数（m/h）pi、Ci——无法测量。令：P*——与液体主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强C*…—与气体主流氧的分压强p相平衡的氧的液相浓度根据亨利定律：

p=HC*p*=HC第43页，共70页，2023年，2月20日，星期三N=kg（p－pi

）=kL（Ci

－C）式中：N—传氧速率（KmolO2/m2.h）Kg—气膜氧传质系数（KmolO2/m2.h.大气压）KL——液膜氧传质系数（m/h）pi、Ci——无法测量。令：P*——与液体主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强C*…—与气体主流氧的分压强p相平衡的氧的液相浓度根据亨利定律：

p=HC*p*=HC第44页，共70页，2023年，2月20日，星期三H-亨利常数，与气体种类及溶剂的不同、温度不同而不同，它表征气体溶解液体的难易。氧难溶入水，H很大。利用传热原理，用总传质系数代替分传氧系数，用总传质推动力代替分推动力。公式写成：

N=KG(p－p*)=KL(C*－C)溶氧浓度C可以测定，C*可以算出，故以(C*－C)总推动力计算比较方便。KL与kg、kL的关系如下：第45页，共70页，2023年，2月20日，星期三对于氧溶入水而言，H很大，因此KL≈kL，即：N=kL（C*－C）这是因为氧难溶入水，液膜阻力对溶氧速率起着控制作用。但k无法测定。假设单位体积气液界面为a（m2/m3）,传氧速率可写成：第46页，共70页，2023年，2月20日，星期三Nv=kLa（C*－C），Nv——体积溶氧速率（KmolO2/m3.h）KLa——体积溶氧系数（h-1）体积溶氧系数KLa的测定方法亚硫酸盐氧化法原理：在铜离子催化下，溶解在水中的氧立即氧化其中的亚硫酸根离子，使之成为硫酸根离子，其氧化反应的速度在较大的范围内与亚硫酸根离子的浓度无关。实际上是氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉。这种理想的反应特性就被排除了氧化反应速度成为溶氧阻力的可能性，因此，氧溶解于液体的速度是控制此氧化反应的因素。第47页，共70页，2023年，2月20日，星期三其反应式如下：

2Na2SO3+O22NaSO4

剩余的Na2SO3+I2Na2SO4+2HI再用标定的Na2S2O3滴定多于的碘Na2S2O3+I2Na2S4O6+2NaICuSO4H2O第48页，共70页，2023年，2月20日，星期三在1个大气压下：C*=0.25mmolO2/L，在亚硫酸氧化法，C*=0.21mmolO2/L又因C=0所以：kLa=物料衡算法VL×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)第49页，共70页，2023年，2月20日，星期三3、KLa与kd的关系由亨利定律知：p=HC*由气体分压定律知:p=PX定义：Kd为以总压力差为传扬推动力的体积溶氧系数kd=

第50页，共70页，2023年，2月20日，星期三以氧的分压为推动力：kd=kLa=6×107kd(p)=6×107×（1/0.21）kd(P)福田秀雄从10L到42000L并进行60组实验在以下公式（瑞查兹）实验，kd第51页，共70页，2023年，2月20日，星期三kd=

pg------千瓦；V------m3；υs------截面气速cm/min；n-----转数/分有kLa与kd换算式可得出kLa的算式第52页，共70页，2023年，2月20日，星期三影响kLa的因素1、根据公式讨论有kLa的算式可得出三点结论：1）与单位体积搅拌功率有关；2）与截面气速有关；3）与搅拌转速有关；4）与发酵罐结构有关。2、从kLa的涵义进行讨论1）kL大小与扩散系数、液膜厚度有关第53页，共70页，2023年，2月20日，星期三2)a值大小可由下式表示dm-----气泡直径m（与单位体积交办功率、搅拌器线速度有关）VL-----发酵液体积，m3；VG-----发酵液里的空气体积，m3H0------持气率（与通风比有关、液层高度有关）第54页，共70页，2023年，2月20日，星期三

对机械搅拌发酵罐，在单位体积搅拌功率相等的情况下，增大转速，减小搅拌器的直径，可以提高搅拌线速度，可达到提高溶氧效果。在操作中常通过控制通风比来控制溶氧速率。对气升式发酵罐，增大高径比，通风喷嘴的设计，筛板设置都有利于提高溶氧系数。

假如，反应器液体不通风时的高度为HL，上升的气泡速度为WB，通风量为Q。利用气体停留时间相等，则有：第55页，共70页，2023年，2月20日，星期三KLa计算分析，按上例题计算，罐装液体积75m3，发酵罐直径4000mm截面气速：第56页，共70页，2023年，2月20日，星期三第57页，共70页，2023年，2月20日，星期三假定不通风时搅拌功率不变，将搅拌器直径由1.3m改为1.1米，可计算出搅拌器转速：n=105.7转/分进一步计算出通风时搅拌功率：第58页，共70页，2023年，2月20日，星期三第59页，共70页，2023年，2月20日，星期三思考题：1、在不通风时搅拌功率相等下，减小搅拌直径，提高转速时为何通风时搅拌功率下降？为什么又会提高体积溶氧系数KLa第60页，共70页，2023年，2月20日，星期三KLa其它表达计算式第61页，共70页，2023年，2月20日，星期三第五节发酵罐比拟放大几