通用式发酵罐
动物发酵工程—液体深层发酵
01
温度
02
pH
03
溶解氧
04
泡沫
05 营养物质的浓度
DNA重组含义
DNA重组与DNA杂交的区别
DNA杂交是在两条单链之间进行；DNA重组是在双链DNA片段 之间进行的。
自然界的DNA重组
例如：减数分裂；病毒侵染。
发酵设备
（一）机拌式发酵罐
01
通用式发酵罐
发酵设备
（一）机拌式Байду номын сангаас酵罐
02
自吸式发酵罐
一、深层发酵的操作方式
微生物分批生长的生长曲线 1.延滞期；2.加速生长期；3.指数生长期；
4.减速期；5.稳定期；6.衰亡期
一、深层发酵的操作方式
连续 发酵
01
连续发酵
所谓连续发酵，是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜
培养基，同时以相同的速度流出培养液，从而使发酵罐内的
液量维持恒定，微生物在稳定状态下生长。稳定状态可以有
发酵设备
（二）通风搅拌式发酵罐
常用的有循环式通风发酵罐和高位塔式发酵罐
循环式通风发酵罐优点： ①发酵罐内没有搅拌装置，结构简单，清洗方便，加厂容易； ②由于取消了搅拌用的电机，而通风量与通用式发酵罐大致相等，所以动
力消耗有很大降低。
高位塔式发酵罐则将空气由罐底导入，经筛选板逐渐上升的同时带动发酵 液上升，又通过有液封作用的降液管下降形成循环。
动物生物技术
3. 液体深层发酵
第一章
液体深层发酵
一、深层发酵的操作方式
（一）分批发酵
营养物和菌种一次加入进行培养，直到结束放出，中间除了空气进入和尾气排 出，与外部没有物料交换。它除了控制温度、ph及通气以外，不进行任何其他控制 ，操作简单。但从细胞所处的环境来看，则有明显改变。
通用式发酵罐的基本结构和作用原理
通用式发酵罐的基本结构和作用原理
发酵罐是一种用于发酵过程的设备，主要用于制作酒精、乳酸、醋酸等各种发酵产品。
通用式发酵罐是一种常见的发酵设备，其基本结构和作用原理对于发酵工艺具有重要意义。
一、基本结构
通用式发酵罐通常由罐体、搅拌系统、控制系统、加料口、排气口等部分组成。
罐体一般采用不锈钢制造，具有一定的耐腐蚀性和耐高温性能，保证发酵过程的卫生和稳定性。
搅拌系统通过电机驱动搅拌桨或搅拌杆，确保发酵物料均匀混合，促进微生物的生长和代谢。
控制系统可以实现发酵罐的温度、压力、PH值等参数的自动控制，提高发酵的效率和质量。
加料口和排气口则用于方便向罐体内加入原料和排除发酵产生的气体。
二、作用原理
通用式发酵罐的作用原理主要是通过提供适宜的发酵条件，促进微生物的生长和代谢，实现发酵过程。
在发酵罐内，微生物通过吸收营养物质，产生酶类和代谢产物，完成发酵的过程。
发酵过程主要受到温度、PH值、氧气和营养物质等因素的影响，通过控制这些因素，可以调节发酵的速度和产物的质量。
搅拌系统的作用是保证发酵物料的均匀性和通气性，促进微生物的生长和代谢。
控制系统则可以监测和调节发酵罐内的各项参数，确保发酵过程的稳定性和高效性。
总的来说，通用式发酵罐的基本结构和作用原理是为了提供一个适宜的发酵环境，促进微生物的生长和代谢，实现发酵过程的控制和管理。
通过合理设计和操作，发酵罐可以有效提高发酵的效率和产物的质量，广泛应用于食品、医药、化工等行业，为人类生活和生产提供了重要支持。
通用式厌氧发酵罐的设计
目录目录 (I)摘要 (III)Abstract (IV)第一章前言 (1)1 引言 (1)2餐厨垃圾处理处置现状 (1)2.1 粉碎直排 (1)2.2 肥料化处理 (2)2.3 饲料化处理 (2)2.4 生物发酵制氢技术 (2)2.5 厌氧发酵技术 (3)3 厨余垃圾厌氧发酵技术详探 (4)第二章：工艺计算 (6)2.1初始设计参数 (6)2.2 设计计算参数 (6)2.3反应器的传热计算 (7)2.4确定夹套里水的质量流量 (8)第三章发酵罐的结构设计 (9)3.1 发酵罐尺寸的初选 (9)3.2 发酵罐搅拌器的选型 (10)3.3 发酵罐传热元件的设计 (11)3.3.1 传热元件的选取 (11)3.3.2 夹套的尺寸及连接型式 (12)3.4 发酵罐的具体尺寸的设计计算 (13)3.4.1 发酵罐筒体厚度设计计算 (13)3.4.2 封头厚度计算 (14)3.4.3夹套的壁厚计算 (16)3.5 发酵罐搅拌功率计算及电机的选型 (16)3.5.1搅拌功率计算 (16)3.5.2 电机的选型 (16)3.6 传动装置及选型 (17)3.6.1减速器的选取 (17)3.6.2 联轴器的选择 (17)3.6.3 搅拌轴的设计 (18)3.6.3.1 搅拌轴强度预算 (18)3.6.3.2 按扭矩和弯矩合成计算轴强度 (19)3.6.3.3 搅拌轴临界转速的校核 (21)3.6.4 凸缘法兰的选型 (23)3.6.5 安装底盖的选型 (24)3.6.6螺栓强度的校核 (25)3.7 水压试验 (26)3.8接管及管法兰的设计 (27)第四章发酵罐的附件的选取 (29)4.1 视镜的选取 (29)4.2 温度计测量元件 (29)4.3 挡板的选型 (30)4.4 支座的选型 (30)4.5 转轴的密封 (32)4.6焊接结构设计 (33)结论 (35)致谢 (36)参考文献 (37)附录 (39)50L通用式厌氧发酵罐的设计摘要本设计介绍了餐厨垃圾的成分、特点，综述了目前处理厨余垃圾的基本方法：饲料化技术、堆肥化处理技术、生物厌氧发酵技术。
发酵罐设计实验报告
80m3 通用式发酵罐的设计第一章设计方案1.1发酵罐体积确实定1.2发酵罐散热方式确实定1.3搅拌桨的选择和搅拌层数确实定其次章设备参数确实定2.1发酵罐搅拌器搅拌功率的计算2.2发酵罐散热设备的计算第三章设计计算汇总表3.1 设计数据汇总表附图：80m3通用式发酵罐工艺条件图0 第一章 设计方案1.1 发酵罐体积确实定所设计发酵罐为通用式发酵罐，且公称容积为 80m ³。
公称容积近似为圆柱体容积，设 H =3D由于是通用式发酵罐，所以可得D =V =3√π D 2H 4V 0解得发酵罐直径D = 3.24m 取发酵罐直径D = 3.5m通用式发酵罐主要尺寸如下：0.785 × 31. 本设计取H 0 = 3即H = 3D = 10.5mD取发酵罐高H 0 = 10m 2. 搅拌器直径承受六弯叶涡轮搅拌器，直径为D i = D/3 = 3.5 ÷ 3 = 1.2m3. 相邻两组搅拌器的间距本设计S = 3D i = 3.5m 4. 下搅拌器与罐底距离：故本设计取C = D i = 1.2m 5. 挡板宽度和与罐壁距离挡板宽度：W = 0.1D i = 0.12m 挡板与罐壁的距离：B = W /5 = 0.02m 6. 封头高度h = h a + h b当封头公称直径2m 时，h b = 25mm当封头的公称直径大于2m 时，h b = 40mm 。
4本设计D ＞ 2m ，h b = 40mm式中，h a 当为标准封头时取h a = 0.25D = 3.5= 0.9 。
7. 装罐系数h = h a + h b = 0.04 + 0.9 = 0.94m本设计取装罐系数ŋ = 0.7 8. 液柱高度9. 椭圆封头容积H L = ŋH + h a + h b = 0.7 × 10 + 0.94 = 7.94mπ D π3.5 V 2 = 4 D 2(h b + 6) = 4 × 3.52 × (0.04 + 6) = 6m ³10. 全罐高度1.2 发酵罐散热方式确实定H = H 0 + 2h = 11.880m参考有关资料可知大于 5 m ³的发酵罐应承受列管式散热器。
发酵罐的结构
4.消泡器
作用：破碎气泡，改善供氧，防止污染。
消泡桨形式
填料函式轴封
填料函式轴封是由 填料箱体，填料底 衬套，填料压盖和 压紧螺栓等零件构 成，使旋转轴达到 密封的效果。
端面式轴封
端面式轴封又称机械 轴封。密封作用是靠 弹性元件（弹簧、波 纹管等）的压力使垂 直于轴线的动环和静 环光滑表面紧密地相 互贴合，并作相对转 动而达到密封。
3.挡板
伍式发酵罐 ：多用于纸浆废液发酵生产酵母
重组菌生物反应器
三、发酵罐的结构 1.外形、结构及几何尺寸要求 2. 搅拌装置 3.挡板 4.消泡器 5. 空气分布器 6. 换热装置
三、发酵罐的结构 1.外形、结构及几何尺寸要求
H/D=1.7－3
H—筒身高度 D-发酵罐直径
2. 搅拌装置
搅拌的目的 打碎气泡，增加气液接触面积，即a↑ 产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间 造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KL↑ 动量传递（N、Ws），有利于混合及固体物料保持悬浮状态
搅拌的效果: 原生流→圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流速V原∝n 挡板作用：次生流→轴向运动、翻动，决定混合好坏，V次∝n2 搅拌效果评价：传质，传热及混合效果
的发酵罐。 （2）气升式发酵罐 此类发酵罐是依靠无菌压缩空气作为液体的提升力，使罐内发酵液通过上下
翻动实现混合和传质传热过程。其特点是结构简单，无轴封，不易污染， 氧传质效率高，能耗低，安装维修方便。 （3）管道式发酵罐 管道式发酵罐是以发酵液的流动代替搅拌作用，依靠液体的流动，实现通气 混合与传质等目的。 （4）固定化发酵罐 固定化发酵罐是一种在圆筒形的容器中填充固定化酶或固定化微生物进行生 物催化反应的装置。其优点是生物利用率比较高。 （5）自吸式发酵罐 自吸式发酵罐是一种无需其他气源供应压缩空气的发酵罐，其关键部位是带 有中央吸气口的搅拌器。在搅拌过程中可以自吸入过滤空气，适合于耗 氧很低的发酵类型。 （6）伍式发酵罐 伍式发酵罐的主要部件是套筒、搅拌器。搅拌时液体沿着套简外向上升至液 面，然后由套筒内反回罐底，搅拌器是用6根弯曲的中空的不锈钢管子焊 于圆盘上，兼作空气分配器。这种发酵罐多应用于纸浆废液发酵生产酵 母。设备的缺点是结构复杂，清洗筒套较困难，消耗功率较高。
发酵罐简介(图)
发酵罐简介（图）进行微生物深层培养的设备统称发酵罐。
一个优良的发酵装置应具有严密的结构，良好的液体混和性能，较高的传质、传热速率，同时还应具有配套而又可靠的检测及控制仪表。
由于微生物有好氧与厌氧之分，所以其培养装置也相应地分为好氧发酵设备与厌氧发酵设备。
对于好氧微生物，发酵罐通常采用通气和搅拌来增加氧的溶解，以满足其代谢需要。
根据搅拌方式的不同，好氧发酵设备又可分为机械搅拌式发酵罐和通风搅拌式发酵罐。
机械搅拌式发酵罐机械搅拌式发酵罐是发酵工厂常用类型之一。
它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促进氧的溶解，以保证供给微生物生长繁殖和代谢所需的溶解氧。
比较典型的是通用式发酵罐和自吸式发酵罐。
通用式发酵罐通用式发酵罐是指既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置的发酵罐。
由于这种型式的罐是目前大多数发酵工厂最常用的，所以称为“通用式”。
其容积可自2 0L～200m3，有的甚至可500m3。
自吸式发酵罐自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在大搅拌器的形状和结构不同。
自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。
搅拌器由从罐底向上伸人的主轴带动，叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，于是将罐外空气通过搅拌器中心的吸气管而吸人罐内，吸人的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。
空气吸人管通常用一端面轴封与叶轮连接，确保不漏气。
通风搅拌式发酵罐在通风搅拌式发酵罐中，通风的目的不仅是供给微生物所需要的氧，同时还利用通人发酵罐的空气，代替搅拌器使发酵液均匀混合。
常用的有循环式通风发酵罐和高位塔式发酵罐。
循环式通风发酵罐系利用空气的动力使液体在循环管中上升，并沿着一定路线进行循环，所以这种发酵罐也叫空气带升式发酵罐或简称带升式发酵罐。
带升式发酵罐有内循环和外循环两种，循环管有单根的也有多根的。
与通用式发酵罐相比，它具有以下优点：①发酵罐内没有搅拌装置，结构简单，清洗方便，加厂容易；②由于取消了搅拌川的电机，而通风量与通用式发酵罐人致相等，所以动力消耗有很大降低。
第6章 生物反应器
第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。
一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。
工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。
6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。
一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。
1) 罐体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2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。
3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。
4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。
5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。
6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。
发酵罐设计说明书
目录前言 (1)第一章、概述 (2)1.1、我酸 (2)1.2、賊酸的新工艺 (2)1.3、机械搅拌通风发酵罐 (3)1.3.1、通用型发酵罐的几彳可尺寸比例 (3)1.3.2、罐体 (3)133、搅拌器和挡板 (3)1.3.4、消泡器 (4)1.3.5、联轴器及轴承 (4)126、变速装置 (4)1.3.7、通气装置 (4)138、轴封 (5)139、附属设备 (5)第二章、设备的设计计算与选型 (5)2.1、发酵罐的主要尺寸计算 (5)2.1.1、圆筒体的径、高度与封头的高度 (5)2.1.2、圜筒体的壁厚 (7)2.1.3、封头的壁厚 (7)2.2、搅拌装置设计 (8)2.2.3、电痕率 (10)2.3、冷却装置设计 (10)2.3.1、 冷却方式 (10)2.3.2、 冷却水耗臺 (10)2.3.3、 冷却管组数和管径 (12)2.4零部件 (13)2.4.1人孔和视谯 (13)2.4.2 接管口 ................................................................. 13 243、梯子 (15)2.6支座的选型蹄总结 附录 (18)符号的总结 ...................................................................... 18 参考文献 . (20)生物工程设备课程设计任务书―、课程设计题目”1000计的机械搅拌发酵罐”的设计。
2.5®体重 ..................................................................15 16 第三章、计算结果的总、结 ............................................................16 17二课程设计容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质,工作参数的确定。
发酵罐设计
1 前言生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节，要求综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养我们全面的理论知识与工程素养，健全合理的知识结构具有重要作用。
发酵罐是发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。
随着工业技术的发展，市面上出现了种类繁多、功能更加完备的新型发酵罐。
如何选择或者设计一种合适的发酵罐将会成为一个研究热点。
本文旨在通过相应的参数计算和设备计算完成年产20吨庆大霉素的机械通风发酵罐初步设计。
2 常见的发酵罐2.1机械搅拌通风发酵罐机械搅拌发酵罐是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、发酵所需的氧气,又称通用式发酵罐。
可用于啤酒发酵、白酒发酵、柠檬酸发酵、生物发酵等。
图1 机械通风发酵罐2.2气升式发酵罐气升式发酵罐把无菌空气通过喷嘴喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡打碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而含气率小的发酵液下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
其结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低，主要类型有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。
图2 气升式发酵罐原理图2.3自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。
叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气。
吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。
与机械发酵罐相比，有一个特殊的搅拌器，但没有通气管。
罐为负压，易染菌，当转速较大时，会打碎丝状菌。
图3 自吸式发酵罐3 已知工艺条件（1）年产量：G=20 t （庆大霉素） （2）年工作日：M=300天 （3）发酵周期：t=6天（4）发酵平均单位：μm =1400单位/毫升（5）成品效价：μp =580单位/毫克 （6）提炼总效率：ηp =87%（7）每年按300天计算，每天24小时连续运行。
第四章 通风发酵设备1机械搅拌通风发酵罐
4.1 机械搅拌通风发酵罐
1－弹簧； 2－动环； 3－堆焊硬质合金； 4－静环； 5－“O”形圈
图4-4 端面机械轴封
4.1 机械搅拌通风发酵罐
端面机械轴封的优点是：（1）清洁；（2）密封可靠， 在一个较长的使用周期中，不会泄漏或很少泄漏；（3）无死 角，可以防止杂菌感染；（4）使用寿命长，质量好的可用 2～5年不需要维修；（5）摩擦功率耗损小；（6）轴或轴套 不受磨损；（7）对轴的精度和光洁度要求不很严格，对轴的 震动敏感性小。缺点是：结构比较复杂，装拆不便，对动环 和静环的表面光洁度及平直度要求高。
图4-1 机械搅拌通风发酵罐结构
4.1 机械搅拌通风发酵罐
下面对此类型发酵罐的主要部件加以说明。 1．罐体 罐体由罐身、罐顶、罐底组成，罐身为圆柱体，中大型 发酵罐罐顶、罐底和小型发酵罐罐底多采用椭圆形或碟形封 头通过焊接和罐身连接，而小型发酵罐罐顶却多采用平板盖 和罐身用法兰连接。罐顶装设视镜及灯镜、进料管、补料管、 排气管、接种管、压力表接管和快开手孔或快开人孔。罐身 上设有冷却水进出管、进空气管、温度计和检测仪表接口管。 取样管可装在罐侧或罐顶，视操作方便而定。
4.1 机械搅拌通风发酵罐
（a）旋风离心式； （b）叶轮离心式
图4-6 离心式消泡器
4.1 机械搅拌通风发酵罐
7．换热装置 （1）夹套式换热装置 这种装置多用于容积较小的发 酵罐或种子罐，夹套高度比静止液面稍高。优点为结构简单， 加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易清洗灭菌。 （2）竖式蛇管换热装置 这种装置的蛇管分组安装于发酵 罐内，有四组、六组或八组不等。该装置的优点是：冷却水 在管内的流速大，传热系数高，约为1200～1800 kJ／ （m2·h·℃），若管壁较薄，冷却水流速较大时，传热系 数可达4200 kJ／（m2·h·℃）。这种冷却装置适用于冷却 用水温度较低的地区，水的用量较少。
通用式发酵罐
第一章发酵车间设备得选型一，酵罐得设计谷氨酸发酵属于好氧型发酵,因此均用机械搅拌通风发酵罐进行生产。
现在主要根据设计工厂得年产量以及工艺计算,考虑到生产管理操作占地面积以及后续工程得配套方面,并通过对功率消耗利用率得分析。
本设计采用公称容积200立方米带有机械通风式发酵罐。
⑴,发酵罐型得设计1, 罐直径D 选高径比1:2 即 D/H = 1/2由 2 H=2D 取D=5m 则 V=196、25m32,封头发酵罐得封头有碟型与椭圆型两种。
椭圆型封头中得曲率半径变化就是连续得,其中应力就是均匀得,因而在同样条件下,椭圆型封头产生得应力比碟型小,但制造困难。
综合考虑本设计采用碟型封头。
由《化工设备机械设计基础》,得:D=5000mm h1=1240mm h2=60mmM=1、0748D2=26、87m2 V=0、1227 D3 =15、34m3 ⑴,发酵罐得容积:①公称容积指圆柱部分与底料容积之与V公称= V+ V=196、25+15、34=211、59 m3②罐得总容积V总= V+2 V=226、93 m3③罐得容积装料系数0、773V= 0、773V总=175、42 m3⑵高度①罐体高度h= H+=10000+=12600 mm=12、6 m②圆筒高度 H=10 m⑶表面积①圆柱得内表面积 M1==3、14=157 m2②罐得总表面积M=210、74 m23,罐壁厚得设计发酵罐在使用过程中,其内部承受一定得压力,如灭菌蒸汽压力,运转时得保压,搅拌时得震动及装液负荷等,同时考虑到各接管口得影响罐体应有一定得强度。
现取在过程中承受得最大压力0、4Mpa(表压)作为设计压力。
⑴罐圆柱体部分壁厚,可有下式计算其中:Pc :罐压 Di :罐径 :许用应力 :焊缝系数、=16 mm⑵封头壁厚标准碟型封头,参考《化工设备机械设计基础》第201页4,支座大型发酵罐由于重量大以及要求运转稳定,故采用裙式支座直接装在基础上。
发酵罐的操作
1. 阀门：所有阀门是否处于正确的位置。 2. 压力表：压力表是否归零。 3. PH和溶氧电极：电极是否拔出并正确保养。 4. 罐体：罐内是否清洗干净。 5. 搅拌电机：点动电机，看电机运转是否正常。
第二步：空消
空消主要目的是在进罐生产前对设备清洁和杀 灭其他微生物，防止因设备清洁不彻底或设备停用时 间过久，微生物滋生，从而对生产造成影响。
怎么样实现高效搅拌？
• 通常采用径向式搅拌器和轴向式搅 拌器组合实现高效搅拌混合和节能 降耗。
• 对于组合形式，根据发酵罐一般是 下部通气的特点，下层搅拌器选择 径向式搅拌器，上层搅拌器采用轴 向式搅拌器。
（3）挡板
挡板的作用： ——改变液流的方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 ——防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料
自吸式发酵罐的充气原理：
搅拌器由罐底向上伸入的主轴带动。
叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体 使其背侧形成真空，由导气管吸入罐 外空气。吸入的空气与发酵液充分混 合后在叶轮末端排出，并立即通过导 轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面， 均匀分布。
轴封 转子
马达
嫌气发酵设备
酒精发酵罐 啤酒发酵罐
形式：单管和环形管。
常用单管，简单实用，单次通入 量较大。
环形管属于多孔管式，空气分布 通风管 较均匀，但喷气孔容易被堵塞。
（7）轴封
定义：运动部件与静止部件之间的密封叫作轴封。如 搅拌轴与罐盖或罐底之间。
作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止 泄漏和污染杂菌。
形式：填料函和端面轴封两种。目前多用端面式轴封。
液进行校准。如果是微碱性溶液，建议用pH6.86和pH9.18的 标准缓冲液校准。 5 通常先用pH6.86缓冲液校零点，再用pH4.00或9.18缓冲液确 定斜率。
通用式发酵罐的设计与计算
一、通用式发酵罐的尺寸及容积计算1. 发酵罐的尺寸比例不同容积大小的发酵罐，几何尺寸比例在设计时已经规范化，具体设计时可根据发酵种类、厂房等条件做适当调整。
通用式发酵罐的主要几何尺寸如下图。
（1）高径比：H0︰D ＝(1.7~4)︰1。
（2）搅拌器直径：D i ＝31D 。
（3）相邻两组搅拌器的间距：S ＝3D i 。
（4）下搅拌器与罐底距离：C ＝（0.8~1.0）D i 。
（5）挡板宽度：W ＝0.1 D i ，挡板与罐壁的距离：B ＝（81~51）W 。
（6）封头高度：h ＝h a ＋h b ，式中，对于标准椭圆形封头，h a ＝41D 。
当封头公称直径≤2 m 时，h b ＝25 mm ；当封头的公称直径＞2 m 时，h b ＝40 mm 。
（7）液柱高度：H L ＝H 0η＋h a ＋h b ，式中，η为装料系数，一般情况下，装料高度取罐圆柱部分高度的0.7倍，极少泡沫的物料可达0.9倍，对于易产生泡沫的物料可取0.6倍。
2. 发酵罐容积的计算圆柱部分容积V 1：0214H D V π=式中符号所代表含义见上图所示，下同。
椭圆形封头的容积V 2：)61(4642222D h D h D h D V b a b +=+=πππ公称容积是指罐圆柱部分和底封头容积之和，其值为整数，一般不计入上封头的容积。
其计算公式如下：)6140221D h H D V V V b ++=+=（公π 罐的全容积V 0： )]61(2[4202210D h H D V V V b ++=+=π如果填料高度为圆柱高度的η倍，那么液柱高度为：b a L h h H H ++=η0装料容积V ：)61(40221D h H D V V V b ++=+=ηπη 装料系数η：0V V =η二、通用式发酵罐的设计与计算 1. 设计内容和步骤通用式发酵罐的设计已逐渐标准化，其设计内容及构件见表6-6。
表6-6 发酵罐设计内容及构件设计内容构件的选取与计算 设备本体的设计筒体、封头、罐体压力、容积等 附件的设计与选取 接管尺寸、法兰、开孔及开孔补强、人孔、传热部件、挡板、中间轴承等搅拌装置的设计 传动装置、搅拌轴、联轴器、轴承、密封装置、搅拌器、搅拌轴的临界转速等设备强度及稳定性检验设备重量载荷、设备地震弯矩、偏心载荷、塔体强度及稳定性、裙座的强度、裙座与筒体对接焊缝验算等 2. 发酵罐的结构及容积的计算【例1】某厂间歇式发酵生产，每天需用发酵罐3个，发酵罐的发酵周期为80h ，问需配备多少个发酵罐？根据公式 N =11124803=+⨯（个）根据生产规模和发酵水平计算每日所需发酵液的量，再根据这一数据确定发酵罐的容积。
发酵罐的设计与放大
2.按照发酵设备特点分类
• 机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐。 前者包括循环式，如伍式发酵罐、文氏管发酵罐、 以及非循环式的通风发酵罐和自吸式发酵罐。后 者包括循环式的气提式、液提式发酵罐以及非循 环式的排管式和喷射式发酵罐。
• 特点：采用不同的手段使发酵 罐内的气、固、液三相充分混 合，从而满足微生物生长和产 物形成对氧的需求。
• 轴封装置为搅拌罐和搅拌轴间的密封，以防 止反应物料的逸出和杂物的渗入。通常采用 填料密封或机械密封。
• 发酵罐的特点 必须具备足够的强度、密封性、耐蚀性及稳定性。
发酵罐的工作要求
清洁卫生；反应过程能保持恒定的温度，以利于发 酵菌很好地进行发酵；搅拌器使物料混合均匀、加快反 应速度、缩短发酵周期、强化传热；将发酵过程中产生 的热量及时带走，保证反应正常进行。
• 对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢 制成，衬里用的不锈钢板厚为2~3毫米。为了 满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实 消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为 2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
• 1帕斯卡=1牛顿/平方米(1N/㎡) • 1兆帕=1000000帕 • 大气压：压强的一种计量单位。其值等于
拌采用螺旋桨，用以加强轴向流动；下搅拌采用 涡轮桨分散气体，可以提高氧传递效率。这种设 计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长。
• (3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效 地提高氧传递效率的发酵罐。混合时间短，即使 对十分黏稠的液体也有同样效果，消除了罐顶的 空间，空气在罐内的滞留时间比通气搅拌罐长。 改良型通风式发酵虽然有一些改进，但是它 的实际应用却远没有通风发酵广泛。
罐体的尺寸比例
✓ 罐体各部分的尺寸有一定的比例， 罐的高度与直径之比一般为 1.7~3左右。(为何不能再高？氧 利用率高)
生物工程设备知识点
第二章物料输送过程与设备1.离心泵：①原理：驱动机通过泵轴带动叶轮旋转产生离心力，在离心力的作用下液体沿叶片流道被甩向叶轮出口，液体经蜗壳收集送入排出管。
液体从叶轮获得能量，使压力能和速度能均增加，并依靠此能量将液体送到工作地点。
同时，叶轮入口中心形成低压，在吸液罐和叶轮中心处的液体之间产生了压差。
洗液罐中的液体在这个压差的作用下不断吸入管路及泵的吸入室，进入叶轮中心。
2.气蚀：离心泵工作时，叶轮中心处产生真空形成低压而将液体吸上，在真空区发生大量汽化气泡。
含气泡的液体挤入高压区急剧凝聚破裂产生局部真空。
周围的液体以极高的速度流向气泡中心，产生巨大的冲击力。
把泵内气泡的形成和破裂而使叶轮材料受到破坏的过程，叫做气蚀。
气缚：离心泵启动时，如泵内有空气，由于空气密度很小产生离心力。
因而液体中心产生低压不足以吸入液体，这样虽然启动离心泵也不能完成输送任务的现象。
3.往复泵：①原理：活塞自左向右移动时泵缸内形成负压，液体吸入电动往复泵阀进入缸内。
当活塞自右向左移动时，缸内液体受挤压，压力增大。
由排出阀排出。
活塞往复一次则各吸入和排出一次液体，这成为一个工作循环。
②结构：泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀、排出阀4.漩涡轮：①特点：流量小。
压强大。
②原理：叶轮旋转时，液体进入流道，受旋转叶轮的离心力作用，被甩向四周环形流道并转动，叶轮内侧液体受离心力的作用大，而在流道内受到离心力作用小，由于所受离心力大小不同，因而引起液体作纵向漩涡运动。
5.螺纹杆泵：①特点：流量稳定、压强高、作为连消塔进料泵。
②原理：利用螺杆的回转来吸排液体。
6.压缩比：P出口/P进口（绝对压强）7.涡轮式空压机：①犹如一台多级串联的离心泵压缩机。
②特点：动气量大、出口压强大③③型号：DA型和SA型“D”---单吸“S”---双吸“A”—涡轮压气机8.往复式空压机：①缺点：气量不稳、空气中夹带油。
②原理：气罐并联。
吸入阀和排气阀具有止逆作用，使缸内气体数量保持一定，活塞移动使气体的压力升高，当达到稍大于出口管的气体压力时，缸内气体便开始顶开排气阀的弹簧进入出口管，不断排出。
通用式发酵罐的基本结构和作用原理
通用式发酵罐的基本结构和作用原理通用式发酵罐是一种广泛应用于食品、制药、化工等领域的设备，它的基本结构包括罐体、搅拌器、传热装置、气体进出口和控制系统等部分。
其作用原理主要是利用微生物在有氧或无氧条件下进行代谢反应，将有机物转化为所需的产物，并且通过控制温度、pH值、搅拌速度和气体供应等参数来优化反应条件，从而提高产量和质量。
罐体是通用式发酵罐的主要部分，一般采用不锈钢材料制成。
其内部设计合理，具有良好的密封性和可靠的安全保护措施，在保证反应过程中不受外界干扰的同时，也能够有效地防止有害物质泄漏。
搅拌器是通用式发酵罐中非常重要的一部分，它能够促进反应物与微生物之间的充分接触，并且在反应过程中保持均匀混合。
通常采用机械搅拌或气液混合方式，以确保反应物质与微生物之间的良好接触和充分混合。
传热装置是通用式发酵罐中另一个重要的部分，它能够控制反应过程中的温度变化，以确保反应物质与微生物之间的最佳反应条件。
传热方式主要有直接加热、间接加热和冷却等方式，其中直接加热和冷却可以通过内部换热器或外部水循环来实现。
气体进出口是通用式发酵罐中另一个重要的部分，它能够调节罐内气体压力和气体成分，以确保反应过程中微生物所需的氧气供应和二氧化碳排放。
一般情况下，通用式发酵罐会配备多个进出口，并且采用自动控制系统来实现对气体进出口的精确调节。
控制系统是通用式发酵罐中非常关键的一部分，它能够监测并调节反应过程中各项参数，以确保反应过程稳定、高效。
控制系统包括温度、pH值、搅拌速度、气体供应等参数监测和控制装置，并且可以根据不同的反应需求进行灵活调节。
总之，通用式发酵罐是一种非常重要的反应设备，其基本结构和作用原理都非常复杂和精密。
只有在有效地掌握和运用这些原理和技术的基础上，才能够实现高效、可靠、安全的反应过程，并且获得所需的产物。
通用式发酵罐系列尺寸
不计上
公称罐内径圆柱高封头高罐体总高圆柱部搅拌桨直径搅拌转速电动机功率搅拌轴直径冷却
封头容积 封头的全容积
/mm H/mm h/mm H/mm D/mm /(r/min) /kW /mm 容积 分容积 方式 0t
容积
50L 320 640 105 850 6.3L 52L 58.3L 64.6L 112 470 0.4 25 100L 400 800 125 1050 11.5L 100L 112L 123L 135 400 0.4 25
夹200L 500 1000 150 1300 21.3L 197L 218 L 239L 168 360 0.6 25 500 L 700 1400 200 1800 54.5L 540L 595L 649L 245 265 1.1 35 套
333331.0m 900 1800 250 2300 0.112m 1.14 m 1.25 m 1.36 m 315 220 1.5 35
注:(1)本表以谷氨酸发酵罐为依据(采用两组六弯叶搅拌桨)。
3(2)100 m以上的发酵罐要考虑传到的方式，故有Δ的几项为列入。
3333350 m 3100 6200 815 7830 4.2 m 46.8 m 51 m 55.2 m 1050 110 55 110
列100 3333 100 m 109 m 118 m 1350 Δ Δ Δ 4000 8000 1040 10080 9.02 m3m 管 200 3333 197 m 213 m 230 m 1700 Δ Δ Δ 5000 10000 1300 12600 16.4 m3m
333335.0m 1500 3000 400 3800 0.487 m 5.3 m 5.79 m 6.27 m 525 160 5.5 50
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第一章发酵车间设备的选型一，酵罐的设计谷氨酸发酵属于好氧型发酵，因此均用机械搅拌通风发酵罐进行生产。
现在主要根据设计工厂的年产量以及工艺计算，考虑到生产管理操作占地面积以及后续工程的配套方面，并通过对功率消耗利用率的分析。
本设计采用公称容积200立方米带有机械通风式发酵罐。
⑴，发酵罐型的设计1，罐直径D 选高径比1：2 即 D/H = 1/2由14V HDπ= 2 H=2D 取D=5m 则 V=196.25m32，封头发酵罐的封头有碟型和椭圆型两种。
椭圆型封头中的曲率半径变化是连续的，其中应力是均匀的，因而在同样条件下，椭圆型封头产生的应力比碟型小，但制造困难。
综合考虑本设计采用碟型封头。
由《化工设备机械设计基础》，得：D=5000mm h1=1240mm h2=60mmM=1.0748D2=26.87m2 V=0.1227 D3 =15.34m3 ⑴,发酵罐的容积：①公称容积指圆柱部分和底料容积之和V公称= V+ V=196.25+15.34=211.59 m3②罐的总容积V总= V+2 V=226.93 m3③罐的容积装料系数0.773 V= 0.773V总=175.42 m3⑵高度①罐体高度h 0= H+()2 h1+ h2 =10000+()2124060+=12600 mm=12.6 m ②圆筒高度 H=10 m⑶表面积①圆柱的内表面积 M1=DHπ=3.14510⨯⨯=157 m2②罐的总表面积M=210.74 m 23，罐壁厚的设计发酵罐在使用过程中，其内部承受一定的压力，如灭菌蒸汽压力，运转时的保压，搅拌时的震动及装液负荷等，同时考虑到各接管口的影响 罐体应有一定的强度。
现取在过程中承受的最大压力0.4Mpa(表压)作为设计压力。
⑴罐圆柱体部分壁厚，可有下式计算其中：Pc ：罐压 Di ：罐径 []σ：许用应力 ψ ：焊缝系数0.4500013.052960.80.4mm δ⨯==⨯⨯-、 12d C C δδ=++=16 mm⑵ 封头壁厚标准碟型封头，参考《化工设备机械设计基础》第201页4，支座大型发酵罐由于重量大以及要求运转稳定，故采用裙式支座直接装在基础上。
裙座为圆筒型，其内径与罐内径相等。
群做筒体与罐封头应采用全焊缝对接连续焊裙座，底座高度现取600 m m二，冷却装置的确定1，冷却装置形式的确定 采用列管式换热器⑴热负荷4.186********/36008720.83/Q w =⨯⨯= m 3则总热负荷8720.83175.42 1.53QV =⨯=⨯106W⑵传热温度的计算一般取醪液温度T=32-33℃，本设计取33℃，因发酵为33-34℃，考虑到近年气温普遍升高，现采用地下水。
冷却水进口温度10℃，出口20℃，则平均温度()()()()1217.51/2T t T t Tm Ln T t T t ---∆==--℃ ⑶传热系数的确定①罐内发酵液的传热膜系数发酵液的性质 1.06ρ=⨯103 Kg/ m 3 N=2⨯10-3PaS Re=1.53⨯106 得发酵罐内发酵液传热膜系数为 3.76⨯103W/ m 2K②总传热面积的计算由总传热系数1/K=0.00195 得 K=512W/ m 2则传热面积为1.53⨯106/13.74⨯512=217.5 m 2三，搅拌器的设计1.搅拌器直径的选择通常取d/D=1/3~1/4 （见《化工工艺设计》6~13页）先取d/D=0.3 则搅拌器直径d 为 1.5m搅拌器的安装尺寸：盘径d i =3/4d 3150011254mm mm =⨯= 叶径d=0.3 D=1500mm叶高H=0.2d=300mm 叶炫长 L=0.25d=375mm弧长 r=0.375d=562.5mm 叶距 y=D=50mm2，搅拌转速的确定通常搅拌器叶端圆周线速度 V=3~8m/s本设计选用的涡轮式搅拌器取 V=7 m/s则转速789.2/min 3.14 1.5V n r d π===⨯ 取90/min r 3，搅拌器的尺寸 ①层数的确定 H m D ρ=12.6H m = 1.063ρ= 5D m = 12.6 1.063 2.685m ⨯== m 取3 ②层间距的确定m=3 d=1.5m H 0=12.6m H=10m 装液高度8.3m搅拌器应位于发酵罐筒体底部0.8d ，即1.2 m ，距液面0.8~1d 即1.2~1.5 m 故S=8.3 1.2 1.2 2.952m --= 取3m 4，搅拌功率的确定①单层搅拌功率的计算②多层搅拌功率的确定P总=3P=480KW5，搅拌轴的设计发酵罐是竖直安装的。
皮带轮直接接于支座旁。
可以认为没有弯管曲载荷作用的影响，仅需考虑扭转作用，所以轴计算主要以扭转强度计算和扭转刚度计算。
曲轴径170mm，查《材料与零部件》轴上安装零件设计选用：A 。
轴承搅拌器受轴向力和径向力的共同作用，故轴承的选择用双向心球面滚子轴承，查《材料与零部件》中P416，选GB28-6-64轻宽（5）系列3520。
B．联轴器的选用轴分为三段，选用两个夹套联轴器连接，其优点在于装拆方便，拆卸时不需要做轴项运动，易对中，径向尺寸小，查《材料与零部件》中P547，选用AG5-213-65立式，夹壳联轴器。
C．轴封采用封面轴封（其封面要求不高）。
6，传动部分设计1．皮带形式设计搅拌器用电机拖动，三角皮带转动，查《材料与零部件》，知三角皮带传动效率为η=0。
94，因立式夹壳联轴器联结效率为0。
98，罐内装两只磙子器轴承，传动效率为0。
97，罐外装两只滑动轴承，传动效率为0。
98，因此传动效率；N传=N/[（0。
942）*（0。
982）*0。
97]=11。
56（kw）查《机械零件设计手册》选三间皮带B型。
2．皮带轮直径查《材料与零部件》选JO2-71-8型电机带动。
用D1=160mm，实心轴带动，则大皮带轮直径：D2=m1/m2*D式中：m1——电机转速720rpm，经减速器减速至280rpm；m 2——轴转速30rpm 。
D 2=m 1/m 2*D=280/30*160=1493（mm ）查直径尺寸系列，D 取1500mm 。
四，消泡器的设计五， 谷氨酸发酵会产生大量泡沫，如不及时消除就会影响正常操作。
同时大量的泡沫会随气流逸出造成发酵液的损失，也易引起染菌。
本设计采用消泡效果好的梳状式消泡器，消泡器的长度一般为发酵罐内径的0.65。
即 L=0.65D=0.655000⨯=3250mm六，空气分布装置七， 空气分布装置的作用是吹入无菌空气并使空气均匀分布。
分布装置的形式有单管和环型管。
本设计采用单管式空气分布装置，管口对罐底中央，管口与罐底距离30~60mm 。
这样空气分布效果好，若距离过大则空气分散效果较差，并可根据溶氧情况适当调整。
通常进风管内空气流速为20m/s ，为防止吹管吸入的空气直接喷出而加速罐底腐蚀，在分布装置的下部分装有不锈钢分散器，可延长罐底的寿命。
八， 单孔管径：//27360/4Q p T d W π+⎛⎫= ⎪⨯⎝⎭1/2=0.074m 九， 取内径d=74mm 现选用φ83⨯3.5 材料为A 3钢/s七，接管设计1，进料管以底部进料计现以60 m 3/s 流速取1.5m/s 则进料管截面积为 F=Q/r=60/1.536000.0111⨯= m 2管径0.119d m ===参考《化工工艺设计手册》上，第291页 选无缝不锈钢管1313φ⨯ 材料1Cr18Ni9Ti2，出料管料液量V=226.930.773175.42⨯= m 3如每小时排液90 m 3则两小时内可将料液排完，则出料管截面积为F=Q/r=901.53600⨯=0.0167 m 2管径0.146d m ==取无缝不锈钢管157 3.5φ⨯材料1Cr18Ni9Ti3，接种管接种时间1小时，接种量为113.610%11.4⨯= m 3 流速取1.5m/s F=Q/r=11.40.002121.53600=⨯ m 20.52d m == 选无缝不锈钢管65 2.5φ⨯材料1Cr18Ni9Ti4，蒸汽管选用893φ⨯的无缝不锈钢管 材料1Cr18Ni9Ti5，温度计采用热电耦温度计，查《材料与零部件》型号WRK ，测量范围0~600℃八，人孔人梯人孔由《材料与零部件》选用GB583-64，水平吊盘人孔Dg=600mm 人梯有施工单位定。
九，连消灭菌1， 板式换热器 选用功能人字型波纹板式BRIO 7个最大流量35 m3/n ，单片面积0.11m 2，最大组合面积1-6板片尺寸：658*245传热系数：3500-5800 W/ m 2*c设计温度：150/120℃，设计压力：1.6Mpa角孔直径：50mm板片材质：Gr18N ；97/ 密封材料：食品脂垫2，连消选用两段加热的混合式连消塔.流量：10.24 m3/h ，流速：0.07m/s塔直径：D=18.8√Q/V=217.7mm 取218mm塔高：H=VI 取I=18SH=0.07*18=1.26m维持罐 30 m3，1个，材质Gr18N；97/十，其他发酵车间设备配料池：40 m3，1个，材质Gr18N；97/尿素灭菌罐：12 m3，1个，材质Gr18N；97/过滤器：发酵罐空气过滤器4个种子罐空气过滤器2个，材质Gr18N；97/计量罐：尿素计量罐3个，10 m3，材质Gr18N；97/油计量罐4个，8 m3，材质Gr18N；97/废气处理罐：50 m31个 Gr18N；97/废液处理罐：50 m31个 Gr18N；97/。