梁世中主编 生物工程设备第二版 通风发酵罐

生物反应器设计(shèjì)基础共六十五页反应器容积的计算反应(fǎnyìng)器有效体积的大小由反应(fǎnyìng)物料的处理量决定。一个操作周期的总时间为：根据生产规模，有效体积为：计算：某氨基酸发酵产酸率12%，发酵时间为36h，辅助时间为24h，每个发酵罐有效容积为100m3。试设计年产5000t该氨基酸所需发酵罐个数。共六十五页通风(tōngfēng)发酵罐共六十五页高效生物反应器的特点：(1)传质和传热性能好；(2)结构密封、防杂菌污染；(3)设备简单、维修方便；(4)生产能力高；(5)能耗低；(6)检测控制系统完善；(7)易放大；(8)生产安全。应用(yìngyòng)：生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素、维生素等类型：共六十五页机械(jīxiè)搅拌发酵罐(TRC)工作原理：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。发酵罐的基本条件：(1)具有适宜的径高比；(2)能够承担一定压力；(3)保证必需的溶解氧；(4)具有足够(zúgòu)的冷却面积；(5)尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；(6)轴封严密。共六十五页机械搅拌发酵罐的结构大型发酵罐结构1－轴封；2－人孔；3－梯；4－联轴器；5－中间(zhōngjiān)轴承；6－温度计接口；7－搅拌叶轮；8－进风管；9－放料口；10－底轴承；11－热电偶接口；12－冷却管；13－搅拌轴；14－取样管；15－轴承座；16－传动皮带；17－电机；18－压力表；19－取样口；21－进料口；22－补料口；23－排气口；24－回流口；25－视镜；23共六十五页小型(xiǎoxíng)发酵罐结构共六十五页共六十五页共六十五页罐体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(gōngyè)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130℃和0.25MPa(绝对压力)。受内压的壁厚：受外压的壁厚：共六十五页搅拌器：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(gōnglǜ)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。图2.7不同(bùtónɡ)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-LightninA-315式共六十五页挡板：改变(gǎibiàn)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。

有挡板(dǎnɡbǎn)的搅拌器形成的流型

无挡板的搅拌器形成的流型共六十五页通常挡板宽度取(0.1～0.12)D，装设4~6块即可满足全挡板条件。所谓“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持不变。要达到(dádào)全挡板条件必须满足下式要求：共六十五页轴封作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露(xièlòu)和污染杂菌。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。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。压紧螺栓(luóshuān)填料箱体图2.10填料函轴封转轴填料压盖铜环填料共六十五页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(xiāngduì)转动而达到密封。转轴图2.11端面封轴动环静环堆焊硬质O形环共六十五页共六十五页空气分布器空气分布器的作用：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，增加了气液传质效果。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。通常通风管的空气流速取20m/s。为了(wèile)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。共六十五页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(qìtài)两相，从而达到消泡的目的的装置。两种消泡方法:(1)加入化学消泡剂；(2)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，如猪油等；高分子化合物。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。叶轮(yèlún)离心式旋风离心式耙式消泡器共六十五页刮板(ɡuābǎn)式消泡器碟片式消泡器共六十五页联轴器大型发酵罐搅拌(jiǎobàn)轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌(jiǎobàn)轴成牢固的刚性联接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。法兰联轴器共六十五页轴承中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；大型(dàxíng)发酵罐装有中间轴承。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）。共六十五页冷却(lěngquè)装置竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。共六十五页发酵罐装配(zhuāngpèi)共六十五页机械搅拌(jiǎobàn)通风发酵罐的几何尺寸及体积尺寸(chǐcun)体积椭圆形封头体积：发酵罐的总体积：近似为：共六十五页公称(gōngchēng)容积共六十五页机械搅拌发酵罐的溶氧速率(sùlǜ)、通气与搅拌溶氧传质速率OTR(OxygenTransferRate)测量体积溶氧系数的方法一、亚硫酸盐氧化(yǎnghuà)法二、溶氧电极法共六十五页影响KLa的主要因素操作条件；发酵罐的结构及几何参数；物料的物化(wùhuà)性能。共六十五页机械搅拌发酵罐的溶氧系数KLa与操作参数的关系为：提高(tígāo)KLa的途径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*。机械搅拌的剪切力影响或共六十五页机械搅拌(jiǎobàn)发酵罐的热量传递发酵过程的热量计算(jìsuàn)生物合成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共六十五页发酵罐的换热装置1.换热夹套换热系数(xìshù)：400-600kJ/(m2.h.℃)2.竖式蛇管换热系数：1200-4000kJ/(m2.h.℃)，冷却水流速高3.竖式列管换热系数：>4000kJ/(m2.h.℃)，冷却水流量大共六十五页搅拌器轴功率的计算(jìsuàn)（单只搅拌桨）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：式中：Np---功率准数；ReM---雷诺准数；K–搅拌常数(chángshù)雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。共六十五页当液体处于湍流(tuānliú)状态，此时共六十五页表6-1不同(bùtónɡ)搅拌器的K值共六十五页不通气(tōngqì)条件下的轴功率P0计算鲁士顿(RushtonJ.H.)公式：P0－无通气搅拌输入的功率（W）；NP－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；ω－涡轮转速（r/s）；ρL－液体密度（kg/m3）；Di

－涡轮直径（m）；共六十五页圆盘(yuánpán)六平直叶涡轮NP≈6圆盘六弯叶涡轮NP≈4.7圆盘六箭叶涡轮NP≈3.7共六十五页通气(tōngqì)搅拌功率Pg的计算修正的迈凯尔公式：P0－无通气搅拌输入的功率（kW）ω－涡轮转速（r/min）Di

－涡轮直径（cm）Q－通气量（mL/min）共六十五页搅拌(jiǎobàn)功率的计算举例例题：某酶制剂厂

10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一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，装液量VL为6m3，搅拌转速ω=168rpm，通气量Q=1.42m3/min，醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3

，三角皮带的效率是0.92，滚动轴承的效率是0.99，滑动轴承(huádònɡzhóuchénɡ)的效率是0.98，端面轴封增加的功率为1%，求轴功率Pg和kLα，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NP=4.7）解：1.先求出Re：2.因Re≥104，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P0为：共六十五页3.求通气时搅拌(jiǎobàn)功率Pg：4.所需电动机功率为：共六十五页4.求kLα

：①先求空截面(jiémiàn)气速vS：②求kLα

：共六十五页气升式发酵罐(ALR)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(xíngchéng)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(xíngchéng)循环流动，实现混合与溶氧传质。类型气升环流式、塔式、空气喷射式等。共六十五页特点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4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便应用单细胞蛋白生产、细胞培养、酶制剂、有机酸等发酵生产、废水(fèishuǐ)生化处理共六十五页主要结构参数1）反应器径高比H/D2）导流筒径与罐径比DE/D3）空气喷嘴直径(zhíjìng)与反应器直径(zhíjìng)比Dl/D主要操作参数1）平均循环时间tm2）气液比R3）溶氧传质共六十五页空气喷射(pēnshè)装置漩涡(xuánwō)式空气喷射器共六十五页反应器种类(zhǒnglèi)多层空气分布(fēnbù)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共六十五页ICI压力(yālì)循环气升发酵罐注射入口共六十五页具有(jùyǒu)外循环冷却的气升环流式发酵罐共六十五页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(xúnhuán)管保证流向及液体充分曝气。共六十五页自吸式发酵罐自吸式发酵罐：不需空气压缩机提供(tígōng)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质的发酵罐。应用：酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维生素等生产。