生物反应器(发酵罐)5

三、 配置
人孔
视镜 进料管
压力表和测量仪器的接口
CO2出口 （回收管） 排料口和排污口 取样口 温度计接口 冷却装置 洗涤装置
人孔 （梯子）
视镜（2，配灯） 进料管（培养液，酒母） 压力表和测量仪器 的接口
CO2出口 （回收管）
排料口和排污口 取样口 （上、下） 温度计接口
（上、下、顶）
冷却装置
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速
ρ—流体密度； μ—流体粘度
Re < 2000 稳定的层流区. 2000 < Re < 4000 由层流向湍流过渡区 Re > 4000 湍流区
d / d0 ＞A g / l
d——环流管直径（m） d0—— 喷嘴孔径（m） A ——气液比
g ——空气黏度(N· m-2) s· l ——液体黏度(N· m-2) s·
三） 发酵罐的结构 1、罐体
碳钢、不锈钢、衬不锈钢 罐壁厚度取决于罐径及罐压的大小 由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成 （小型罐罐顶和罐体采用法兰连接） 衬不锈钢管
法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。
法兰（Flange）又叫法兰盘或突缘。法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管 端。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰分螺纹连接（丝接） 法兰和焊接法兰。
3）喷嘴直径
为了使环流管内气泡分裂细碎，气液混合达到良好的效果， 应使空气自喷嘴出口的雷诺系数大于液体流经喷嘴处的雷诺 准数。 雷诺系数大：流体 处于紊流状态，更 d / d0 ＞A g / l 易使气体分散于发 酵液中，并强烈混 d ——环流管直径（m） 合发酵液。 d0 ——喷嘴孔径（m） A ——气液比 雷诺系数小：流体 处于有规则的层流 状态，平行于管路 内壁有规则地流动， 液体溶液通过管道
定子 （导轮）
自吸式发酵罐的充气原理：
启动前转子被液体浸没；转子高速旋转，液体、空 气在离心力作用下被甩向外缘，在转子的中心处形成 负压；于是将罐外的空气通过搅拌器中心的吸入管而 被吸入罐内；通过导轮使气液均匀分布甩出，并使空 气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡。 自吸式发酵罐在搅拌的同时完成了充气作用。
一、机械搅拌通风发酵罐
一）基本条件
1、适宜的径高比。 [高：直径约为2.5～4]
2、能承受一定的压力。[水压试验（1.5倍）] 3、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O2的利用率 。 4、应具有足够的冷却面积。[代谢产热] 5、发酵罐内应抛光，尽量减少死角。[避免积污、染菌] 6、轴封应严密，尽量减少泄漏。
机械搅拌通风发酵罐 p158
大型机械搅拌发酵罐结构
二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
H / D = 1.7 ～ 4
d / D = 1/2 ～ 1/3
. Z = 0.5
4、空气分布装置
作用： 通入无菌空气并使空气分散均匀 位置： 罐底中央 类型：
1） 环形管
2） 单管式
环径 = 0.8 d ; 多喷孔，向下；易堵
普遍采用
向下的管口距罐底约30～60mm 分散器 （防止空气喷击、蚀穿罐底）
单管式空气分布装置
5、换热装置 夹套式
竖式蛇管
竖式列管
小型罐
夹套式换热装置
夹套式换热装置
应用：小型罐、种子罐 高度：比静止时液面稍高
优点： 结构简、加工易、死角少、
易清洁灭菌 缺点： 传热壁较厚、冷却水流 速低、降温效果差
竖式蛇管换热装置
分组安装 （ 3～8不等）
大型罐多用 优点：冷却水流速大、 传热系数高 缺点： 弯曲处易蚀穿
竖立列管换热装置
一、形状 筒体为圆柱形，底盖和顶盖为锥形或碟形 二、结构尺寸 D-----罐的直径 推荐比例
H-----圆柱部分的高度
h1-----罐底高度
H=1.1～1.5D
h1=0.1 ～ 0.14D
h2-----罐盖高度
h2=0.05 ～ 0.1D
发酵罐全容积 V = π D2 (H+h1/3+h2/3) /4
g —Leabharlann Baidu空气黏度(N· m-2) s· l ——液体黏度(N· m-2) s·
雷诺准数 (Reynolds number)
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
三、空气带升式发酵罐（气升式发酵罐）

近20多年发展起来。
没有搅拌器，罐内或罐外设液体循环管（上升管）

空气由特殊结构的喷嘴以250～300m/s的高速喷出
内循环气升式发酵罐
外循环气升式发酵罐
原理：
罐内或罐外装设上升管，两端与罐底部和罐上部相连通，构 成循环系统；上升管的下部装有空气喷嘴，空气以250-300m/s 高速喷入上升管，借喷嘴的作用将空气泡分割成细泡，与上升 管内发酵液密切接触；由于上升管内发酵液含气多、比重小， 加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液 体下降而进入上升管，形成反复的循环，使氧气溶解于发酵液 中。
缺点：
装液系数较低（约 0.4）
进罐空气处于负压，增加了染菌的机会。
机 械 搅 拌 自 吸 式 发 酵 罐
p165
定子（导轮）
转子（叶轮）
定子(导轮)模型
四弯叶自吸式叶轮转子模型
四弯叶自吸式叶轮转子与定子结构
六直叶自吸式轮转子模型
定子（导轮）
转子（叶轮）
关键部件：
转子 （叶轮；有3、4、6、9叶；空心；带有 中央吸气口；直径为罐径的三分之一）
可知，当环流管直径d为定值时，喷嘴孔径d0不宜过大。
通风量与喷嘴孔径之间的关系可由经验式表示：
Q = 2.38×104d02.5(P)0.6p00.3
据经验表明，发酵罐热交换用的竖立的列管、排管或蛇管 也可起相应的挡板作用
图 竖立的列管/排管也可以
图 全挡板条件下的搅拌流型
全挡板条件---
在一定转数下再增加附件而轴功率仍保持 不变。
W D
. Z = 0.5
D ---- 罐直径 W ---- 挡板宽度 Z ---- 挡板片数
( 0.1～0.2) D D
类型
螺旋浆式：产生轴向流
搅拌器
涡轮浆式
六平叶 六弯叶 六箭叶 产生径向流
螺旋桨
涡轮桨
六平叶涡轮式
六弯叶涡轮式
六箭叶涡轮式
尺寸
六平叶涡轮式搅拌器 已标准化，称为标准型搅拌器； 搅动液体的循环量大，搅拌功率 消耗也大，剪切力大，有利于气 泡破碎，但大的剪切力不利于微 生物生长。 叶径: 盘径: d = ( 0.3～0.4 ) D di = 0.75 d
中小型罐,多采用 罐顶喷水淋于罐外 壁表面进行膜状冷 却 (罐体底部四周 有收集槽) 大型罐 , 罐内有 冷却蛇管 (或与外 壁喷淋相结合)
洗涤装置
水力喷射洗涤装置
活络接头
水力喷射洗涤装置
第二节 通风发酵罐
机械搅拌式、自吸式、气升式 、高位筛板式等 味精、柠檬酸、抗生素、酶制剂、氨基酸、SCP
H----柱体高(m)
HL---液位高度（m） D----罐内径(m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距
W / D = 1/8 ～ 1/12
B / d = 0.8 ～1.0
(s/d)2 = 1.5 ～2.5
(s/d)3 = 1 ～2
B----最下一组搅拌器距罐 底的 距离
W----挡板宽度
生物反应器 （发酵罐）
厌氧发酵罐 （嫌气发酵罐） 发酵罐
好氧发酵罐 （通风发酵罐）
第一节 厌氧发酵罐
酒精 丙酮 丁 醇 乳酸 啤酒等
酒精发酵罐
1 冷却水入口 2 取样口 3 压力表 4 CO2 出口 5 喷淋水入口 6 料液及酒母入口 7 人孔 8 冷却水出口 9 温度计 10 喷淋水收集槽 11 喷淋水出口 12 发酵液及污水排出口
h = 0.3 d
b = 0.25 d
二 组 搅 拌 器
三 组 搅 拌 器
3、挡板
作用：防止液面中央产生漩涡， 改变液体的方向，由径向流改为轴向流， 使液体激烈翻动，增加溶解氧。
宽度（W)： 一般取 (0.1～0.2)D
片数： 4～6 长度： 自液面至罐底 与罐壁的间距：（1/5～1/8) W
(避免形成死角，防止物料和菌体堆积）
2） 联轴器
大型发酵罐搅拌轴较长，为了加工 和安装的方便，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。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，轴的连接应垂直，中心线对 正，见图。
联轴器
图 大型发酵罐的联轴器 、轴承和变速装置
轴承
7、消泡装置
梳齿式打泡器
以列管形式对称安装于罐内 优点： 加工方便 缺点：传热系数较蛇管低
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上 传 动
下 传 动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封；
防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
填料函
构成 优点：结构简单、价格低 缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
封头
封头切割
椭圆形封头
碟形封头
容积 : 3、5、20、30、60、75、150、500 m3
有效容积 = 总容积 × 装液系数
装液系数 ： 0.65～0.75 公称容积（V0）—— 指筒身容积 Vc和底封头容积 Vb之和。
V0 = Vc + Vb = · D2/4 + 0.15D2 H·
2、搅拌器p159
耙式打泡器 半封闭涡轮消泡器
直接连在轴上
因转速低，强度不大
离心式消泡器
装于罐顶；
碟片式消泡器
适于下伸轴罐
图 消泡器的安装
梳齿式打泡器
耙式打泡器
半封闭涡轮消泡器
离心式消泡器
碟片式消泡器
图37 碟片式消泡器
8、其它 配置
罐顶： 人孔、视镜（冲洗管）及镜灯、进料管、
补料管、排气管、接种管、压力表接管、
V = VL /
V-----发酵罐的全容积 (m3)
VL-----进入发酵罐的发酵液量 (有效容积） (m3)
------装液系数 （一般取0.8～0.9) D-----罐的直径 H-----圆柱部分的高度
h1-----罐底高度 h2-----罐盖高度
据发酵罐的全容积V和H/D即可确定发酵罐的结构尺寸
温度计管
下部人孔
图 本图为从人孔向发酵罐内鸟瞰
视镜
小型罐视窗
视镜冲洗管
罐体：冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计 及测量仪器接管等
二、 自吸式发酵罐
不需空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气 20世纪60年代 我国某些醋厂、酵母厂已采用
优点：
1、省却空气压缩机及其辅助设备，减少厂房， 减少设备投资约30%。 2、设备便于自动化、连续化。 3、气泡小、气液均匀接触，溶氧系数高。
叶高:
叶长:
h = 0.3 d
b = 0.25 d
搅拌器的间距
1） 最低一组搅拌器距罐底的距离 B = ( 0.8～1.0) d 2) 两组搅拌器之间的间距 S = HL-1.9d / 2 叶径: 盘径: ( HL为液体深度 )
d = ( 0.3～0.4 ) D di = 0.75 d
叶高:
叶长:
—— 循环周期(s)
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
喷嘴前后压差P和发酵罐罐压与环流量Qc有一定关系，若 喷嘴直径一定，发酵罐内液柱高度也不变，则压差越大，通 风量就越大，相应就增加了液体的循环量。
1 转轴 5 铜环 2 填料压盖 6 填料（石棉等）
3 压紧螺栓 4 填料箱体
端面轴封
构成： 动环应比静环硬
O形圈密封环隙
弹簧使两平面压紧
优点： 密封可靠，寿命长
摩擦功率消耗小 无死角，有效防杂菌
1 、弹簧
2 、 动环
3 、堆焊硬质合金
缺点： 结构复杂、装拆不便
对两环表面的光洁度、平 直度要求高
4、 静环 5 、O形圈
特点：
结构简单、不易污染、能耗低
罐外循环管
罐内拉力筒
垂直隔板
空气带升式发酵罐性能指标：
1）循环周期
—— 发酵液在环流管内循环一次所需的时间。 发酵液体积一定，循环周期越长，则供氧率越低； 不同微生物耗氧率不同，因此所要求的循环周期亦不同。
循环周期的计算：
= VL / Qc = 4VL / d2