通风发酵罐

• 影响KLa的主要因素
(1) 操作条件； (2) 发酵罐的结构及几何参数； (3) 物料的物化性能。
机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 机械搅拌发酵罐的溶氧系数
KLa与操作变数的关系为：
Pg KLa K V vs

机械搅拌发酵罐的热量传递
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 发酵过程的热量计算
生物合成热量计算法
Qt Q1 Q2 Q3 Q4
冷却水带出热量计算法
WC T2 T1 Qt VL
发酵液温升测量计算法
Qt
2m1c1 m2c2 △T VL
搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
• 不通气条件下的轴功率P0计算 鲁士顿(Rushton J. H.)公式：
P0 N P L D
3
5 i
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）； 圆盘六平直叶涡轮 NP≈6 ρL－液体密度（kg/m3）； μ －液体粘度（N.s/m2）； 圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7 D －涡轮直径（m）； 圆盘六箭叶涡轮 NP≈3.7
168 5 P0 N P L D ＝4.7 （kW） 1020 0.6 ＝8.07 60
3 5 i
3
3.求通气时搅拌功率Pg：
3 Pg 2.25 10（
P02Di3 Q 0.08
)0.39
2 3 8 . 07 168 60 0.39 2.25 10 3 ( ) 0.08 1420000 6.55(k W)
或
Pg KLa K ' V

'
VG V L
'
提高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
1）单细胞微生物如球状或杆状的细菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力强； 2）丝状菌的耐受力弱； 3）动物细胞对搅拌剪切力非常敏感。
• 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
0.1 ~ 0.12D n 0.5 b n D D
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
• 轴封
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
转轴 填料压盖 压紧螺栓 O形环 转轴 动环 堆焊硬质 静环 铜环 填料 搅拌轴 密封环 罐体
• 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。 • 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
4.所需电动机功率为：
6.55 （1 1%） 7.（ 4 kW ） 0.92 0.99 0.98
4. 求kLα ： ①先求空截面气速vS：
Q

4
D2 vS
4Q 4 1420000 vS 55.8(cm / min) 2 2 D 180
②求kLα ：
耙式消泡器 旋风离心式
叶轮离心式
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
碟片式消泡器
刮板式消泡器
• 联轴器及轴承
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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。
• 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。
联轴器
• 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。
压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
•
端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹
齿轮箱 传动齿轮箱
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，并作相对转动而达到密封。
填料箱体
图2.10 填料函
图2.11 端面封轴
图2.12 双 端面封轴
• 空气分布器
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀 分布。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。 • 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。 • 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
• 消泡装置
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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 两相的装置，从而达到消泡的目的。 • 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。
图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图 1-六直叶涡轮式；2-推进式3Lightnin A-315式
图2.7 不同搅拌器的流型
• 挡板：
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。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。
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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。
通风发酵罐
• 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； (6)检测控制系统完善； (7) 易放大； (8)生产安全
(3) 设备简单、维修方便；(4) 生产能力高 (5) 能耗低；
• 应用：
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：
1
230 p pD C (m m)
Baidu Nhomakorabea
2
pDy C (m m) 200
受外压的壁厚：
pD H 3 1 1 C (m m) 2400 p D H
•
搅拌器和挡板
• 搅拌器： 之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
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。
搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
• 通气搅拌功率Pg的计算
修正的迈凯尔公式：
3 Pg 2.2510（
P02Di3 Q0.08
)0.39
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）
搅拌功率的计算
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=1.42 m3 /min，醪液粘度μ=1.96×10-3 N· s/ m2，醪液密度 ρ=1020 kg/ 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： Di L (168/ 60) 0.62 1020 4 Re 5 . 25 10 1.96 10 3 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：
通风固相发酵罐
机械搅拌发酵罐(TRC)
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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；
机械搅拌发酵罐 气升环流发酵罐 常用通风发酵罐 自吸式发酵罐 通风固相发酵设备
通风发酵罐
机械搅拌发酵罐
• 工作原理
自吸式发酵罐
• • • 机械搅拌自吸式 喷射自吸式 溢流喷射自吸式
• • •
结构及几何尺寸 溶氧速率、通气与搅拌 热量传递
气升式发酵罐
• 工作原理 • 气升环流式发酵罐 • 典型的气升式发酵罐
3
机械搅拌发酵罐的结构
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 小型发酵罐结构
图2.2 小型发酵罐结构图
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
图2.5 不锈钢搅拌发酵罐
图2.4 玻璃搅拌发酵罐 图2.3 自动玻璃发酵罐
• 罐体
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 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，通常要求耐受130℃ 和0.25MPa(绝对压力)。 受内压的壁厚：
进行循环冷却。
机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
↑
B
↑
• 尺寸
H D 1.7～3.5 B D 1 8～1 12 S Di 2～5
↑
D
Di D 1 2 ～1 3 C Di 0.8～ 1.0 H0 D 2
• 体积
↑
Di
• 椭圆形封头体积：
π 2 π 2 π 2 1 V1 D hb D ha D hb D 4 6 4 6
0.7 Pg / VL 0.56 v S k L （2.36 3.3n) 0.7 109
（2.36 3.3) 6.55/6
0.56
1.911 106 mol O 2 /(mL min atm)(pO2 )
适 用 范 围
5m3以下小发酵罐
大型发酵罐
结构简单，加工容 加工方便，提高 优 流速大，传热系数 易，罐内死角少， 传热推动力的温 点 大，降温效果较好。 容易清洗灭菌 差。 传热壁较厚，冷却 冷却水较高时，降 缺 水流速低，降温效 温困难，弯曲位置 点 果差。 易腐蚀。
用水量较大。
在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液
OT R kL a(c c)
• 测量体积溶氧系数的方法
一、亚硫酸盐氧化法
4 2Na2 SO3 O2 CuSO 2Na2 SO4
2O Na2 SO3 I 2 H Na2 SO4 2HI
Na2 S2O3 I 2 Na2 S4O6 2NaI
二、溶氧电极法
(4) 具有足够的冷却面积； (5) 尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；
(6) 轴封严密。
机械搅拌发酵罐的结构
2
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 大型发酵罐结构
1－轴封 ； 2、20－人孔； 3－梯； 4－联轴； 5－中间轴承； 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； 图2.1 大型发酵罐结构图 动画演示
法兰
• 轴承
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；
• 大型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）。 中间轴承
底轴承
• 冷却装置
夹套冷却 竖式蛇管冷却 竖式列管冷却 大型发酵罐 气温较高的地区
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 发酵罐的总体积：
↑
V0
↑
π 2 1 D H 2 hb D 4 6
π 2 D H 0.15 D 2 4
近似为：
V0
图2.13 机械搅拌通风发酵罐 的几何尺寸
机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌
• 溶氧传质速率OTR(Oxygen Transfer Rate) 之 机 械 搅 拌 发 酵 罐