通风发酵罐
第一篇第二章通风发酵设备
防止泄露、污染杂菌。
采用—— 双端面轴封 结构：如图
原理
填料函 端面轴封 双端面轴封
现在好气性发 酵罐中已不再采用 此密封。 但是在转速较低的 其他设备中，如味 精结晶锅、啤酒糖 化罐等，仍用填料 函轴封做为密封。
采用氟橡胶 和碳素纤维 盘根
端面轴封
又称机械轴封，机械密封.
系指两块密封元件垂直于轴线的光洁而平
要达到全挡板条件必须满足下式要求：
b (0.1 ~ 0.12 ) D ( )n n 0 .5 D D
b----挡板宽度，mm。 D---- 罐的直径，mm； n---- 挡板数， 个；
竖立的蛇管、列管、排管，也可以起挡板作用。 挡板长度：自液面起至罐底为止。
挡板与罐壁之间的有一定的距离 。
3. 轴封 作用：使传动的搅拌轴与罐之间密闭，
（2）弹簧加荷装置 弹簧座靠螺钉固定在轴上； 当轴转动时，由弹簧座带动弹簧， 传递扭矩，带动动环及动环上的密封 圈 转动，并向静环端面传递压力，即：弹簧的弹力 。
弹簧：小轴4根，大轴6根。
（3）辅助密封元件 主密封——端面密封 动环与轴之间的————相对静止 辅助密封 静环与静环座之间 静环座与壳体之间 绝对静止
传热壁较厚
K值较低 弯曲处易蚀穿 传热系数较蛇形管低 用水量大
5m3以下的罐
冷水温度
（ 4~6组）
K值较大
要求低
（3）竖式列管：有利于提高温差 （排管） 传热推动力大
加工方便
为了提高传热系数，可采用罐外装设板式换热器，不仅强化了热交换， 而且便于检修和清洗。
第二节
如： 有机酸
抗生素 维生素
机械搅拌通风发酵罐的溶氧传质
发酵设备 第五章 通风发酵设备
图33 旋风离心式消泡器
• （3）刮板式消泡器
• 刮板式消泡器由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流 口、气体出口组成。刮板的中心与壳体的中心有一个偏心 距。工作原理是，刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳 体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为 1000~1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的 下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气 体出口排出。见图35
1110 1400 1600 1600 1800 2100 2200 3000
φ500 φ700 φ800 φ900 φ900 φ1100 φ1200 φ1400
φ600 φ800 φ900 φ1000 φ1000 φ1200 φ1300 φ1500
340 321 200 280 200 250 200 180
第一节 通风发酵罐
•
•
形状，圆柱形，两端椭圆形？？受力均匀，减 少死角，物料容易排除，比其他型式的封头在 同样使用压力下可用较薄的钢板，见图8。 高度与直径比1.7~4：1，有利空气利用率
图8 已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管
发酵罐的壁厚及封头厚度的计算
图10 大中型发酵罐上封头
自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 文氏发酵罐
气升式发酵罐 伍氏发酵罐 塔式发酵罐
第一节 通风发酵罐
Ⅰ
机械搅拌发酵罐
• 机械搅拌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，使空气和醪液充分混合 促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁 殖、发酵所需要的氧气。
第一节 通风发酵罐
一.发酵罐的基本条件
100 200
筒体 高度 H(mm) 3200 4700 6600 7000 8000 8000 9400 11500
生物反应器(发酵罐)5
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、
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。
. 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
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
g ——空气黏度(N· m-2) s· l ——液体黏度(N· m-2) s·
第六章 通风发酵设备 第一节对通风发酵设备的要求
3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保 证发酵液一定的溶解氧。
4.足够的冷却面积。 5.尽量减少死角。 6.轴封严密。 7.维修操作检测方便
（二）发酵罐的结构
好气性机械搅拌发酵罐是密闭式受压设 备，主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、 打泡器、中间轴承、空气吹管（或空气 喷射管），挡板、冷却装置、人孔等
对通风发酵设备的要求
（4）有良好的热量交换性能，以适应灭 菌操作和使发酵在最适温度下进行；
（5）尽量减少泡沫的产生或附设有效的 消沫装置，以提高装料系数；
（6）附有必要的可靠检测及控制仪表。
1. 发酵罐的结构
一机械搅拌通用式发酵罐 （一）发酵罐的基本条件 原理：利用机械搅拌器的作用，使空
优点和缺点
3°不需要调整。动环由于密封流体压力和弹 簧力等推向静环方向，密封面自动保持紧密接 触，因此不需要调整。
4°摩擦功率损耗小。由于密封端面的面积小、 摩擦系数小，故摩擦阻力小，功率消耗小。其 损耗功率仅为填料函密封的10～15％。
5°轴与轴套不受磨损。 6°结构紧凑，安装长度较短。由于不需要调
罐身：冷却水进出管，进空气管，温度 计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠 近封头的轴封位置。
2.搅拌装置
目的：有利于液体本身的混合及气液、 气固之间的混合，
质量和热量的传递，特别是对氧的溶解 具有重要的意义，
加强气液之间的湍动，增加气液接触面 积及延长气液接触时间。
搅拌器结构
搅拌器可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液 流。
填料函密封和机械密封（或称端面密封）
1.填料函密封
填料箱本体固定在发酵罐顶盖的开口法 兰上，将转轴通过填料函，然后放置有 弹性的密封填料，然后放上填料压盖， 拧紧压紧螺栓，填料受压后，产生弹性 变形堵塞了填料和轴之间的间隙，转轴 周围产生一定的径向压紧力，从而起到 密封介质压力的作用。
第二章 通风发酵设备
（3） 挡板 挡板的作用：
a. 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。 b. 防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不 到搅拌作用。 挡板宽度：（0.1～0.12）D，装设4～6块即可满足全挡板条件。 挡板与罐壁之间的间隙：（1/8～1/5）D，避免形成死角，防止物料与菌 体堆积。
全挡板条件：条件是达到消除液面旋涡的最低条件（在搅拌发酵罐中增 加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失）。 （2-3）
(4) 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：防止泄漏和污染杂菌。
形式：填料函和端面轴封两种。
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 的相互贴合，并作相对转动而达到密封。
(2)机械搅拌通气发酵罐的溶氧系数
对通气发酵系统的氧溶解过程通常用溶氧系数（kLa）表示，有多种经验公式。
'
Pg ' k L a K ' vs VL
Pg V 或 k L a K '' G VL VL
B、竖式蛇管换热装置
① 结构及形式，以蛇管的形式分组安装于发酵罐内，有四组、六组或 八组不等，根据管的直径大小而定，容积5 m3以上的发酵罐多用这种换 热装置。 ② 优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。适用于冷却用水温度 较低的地区，水的用量较少。
0.4
vs 0.5n0.5
通风发酵设备概述
通风发酵设备概述1. 引言通风发酵设备是一种用于促进有机物发酵过程的技术设备。
通过提供适宜的通风条件和控制环境参数，通风发酵设备能够有效地促进微生物的生长和代谢，从而加快有机物的降解和转化过程。
本文将对通风发酵设备的原理、类型和应用进行概述。
2. 原理通风发酵设备的原理是通过控制通风量和温度，提供适宜的氧气和营养物质供给，以及维持适宜的湿度和pH值，从而创造一个有利于微生物生长和代谢的环境。
通风设备一般由通风管道、气体供应系统、温度和湿度控制系统以及监测仪器等组成。
3. 类型根据不同的应用需求，通风发酵设备可以分为以下几种类型：3.1 堆肥发酵设备堆肥发酵设备是一种常见的通风发酵设备，主要用于有机废弃物的处理和资源化利用。
通过控制通风和湿度，堆肥发酵设备可以加速有机物的降解，提高堆肥质量，并降低废弃物对环境的污染。
3.2 生物反应器生物反应器是一种通风发酵设备，广泛应用于生物工程领域。
生物反应器通过控制通风、温度和pH值等参数，提供适宜的条件来促进微生物的生长和代谢，从而实现有机物的转化和产物的生产。
3.3 发酵罐发酵罐是一种专门用于微生物发酵的通风设备。
通风发酵罐通过控制通风量、温度和湿度，提供适宜的环境条件来促进微生物的繁殖和代谢，从而实现有机物的降解和产品的生产。
4. 应用通风发酵设备在农业、生物工程、食品加工等领域有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：4.1 农业废弃物处理通过堆肥发酵设备的应用，农业废弃物如畜禽粪便、秸秆等可以得到有效的处理和利用。
通风发酵设备可以加速有机物的降解和转化，生成高质量的有机肥料，提高土壤肥力，减少对化学肥料的依赖。
4.2 生物药物生产通风发酵设备在生物工程领域广泛应用于生物药物的生产。
通过生物反应器和发酵罐的控制，可以提供适宜的环境条件来促进微生物的生长和代谢，从而实现有机物的转化和药物的产生。
4.3 食品发酵加工通风发酵设备在食品加工领域有着重要的应用。
通风发酵
第六章反应器的流动模型与放大
在前边讨论的CSTR和CPFR时，引入了全混流和活塞流概念，并称其
为理想流动模型，在实际生产的反应器流动都不符合上述这两种流动模 型，我们称非流动模型，它介于这两种理想流动模型之间。
在前边讨论，知道反应程度与反应时间有关，反应时间越长，反应
越彻底（转化率越高），反之越低。 在间歇操作反应器中由于物料同时放入，反应后同时放出，所以不存
P n V
g 0.5 s
0.4
0.5
kd=
Pg 2.36 3.30 Ni V
0.56
molO2 s0.7 n0.7 109 mL .min. 大气压（ p)
pg------千瓦；V------m3； vs------截面气速cm/min； n-----转数/分 有kLa与kd换算式可得出kLa的算式
P nD P 0.32 Q
2 3 o g 0.08
0.39
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;
P 2 4.63N n D 10
3 5 2 P
9
P2=2×4.63×4.7×803×1.35×1060 ×10-9 =87.7（KW）
V N molO N 1000 m t 4 ml min
2 V
C
2、）物料衡算法 VL ×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)
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
x 1 N k a Pk a p H H x k 定义： k a H
• p=H C* p*= H C
第五章通风发酵设备
（一）带升式发酵罐
带升式发酵罐的优特点：结构简单，冷却面积较 小；不需搅拌设备，节省动力约50%；装料系数 达 80~90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌 感染。 但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
带升式发酵罐的工作 机理
就是在罐外装设上升管，上 升管两端与罐底及罐上部相 连接，构成一个循环系统。 在上升管的下部装设空气喷 嘴 ， 空 气 以 205 ～ 300m/s 的 高速度喷入上升管，使空气 分割细碎，与上升管的发酵 液密切接触。由于上升管内 的发酵液比重较小，加上压 缩空气的动能，使液体上升， 罐内液体下降进人上升管， 形成反复的循环。结构有内 循环及外循环两种。
气升环流发酵罐
气升环流发酵罐的型式较多，常 用的有高位，低位及压力发酵罐 几种。
右图 是联邦德国 Hoechst公司 的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐 的高度增大可以提高氧的传递能 力，增大对液流的驱动力。
驱动力的调节通过气体流量控制。 罐的结构简单，易于放大。
图 5-6 是 具 有 外 循 环 冷 却 的 空气提升环流式发酵罐，通 气管与罐底的距离是通气管 直径的0.5～1.5倍，气体经 多孔板送入罐内，多孔板之 下是气液分离带，此处回流 培养液的气泡率降至10%以 下。从罐底引出培养液，用 离心泵输送到热交换器后从 上部回流入罐内。
美国LH发酵有限公司的系列产品容积为1～2、30、 80、100、150L。
气升压力循环发酵罐如右图所示。 设备是以甲醇为原料培养嗜甲基杆 菌，容积达1500m3。上升管在下降 管之内或在下降管之外，可以是同 心圆，也可用挡板相隔。上升管可 以一个或两个以上。顶部与底部相 连接，上升管截面积为下降管截面 积3～8倍。上升管截面为上部的 3～8倍。下部高度是总高的 30～ 60％。发酵罐总高在30m以上，以 40～60m为宜。此时氧的传递量为 8～12kgO2/m3，对微生物生长较为 合适。
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。
发酵罐简介
发酵罐简介（图）进行微生物深层培育的设施统称发酵罐。
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牢靠的检测及掌握仪表。
由于微生物有好氧与厌氧之分，所以其培育装置也相应地分为好氧发酵设施与厌氧发酵设施。
对于好氧微生物，发酵罐通常采纳通气和搅拌来增加氧的溶解，以满意其代谢需要。
依据搅拌方式的不同，好氧发酵设施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。
它是采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，以保证供应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500m3o（不同类型通用式发酵罐）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，主要区分在大搅拌器的外形和结构不同。
自吸式发酵罐使用的是带中心吸气口的搅拌器。
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四周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，吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并马上通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面, 匀称分布。
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应微生物所需要的氧，同时还采用通人发酵罐的空气，代替搅拌器使发酵液匀称混合。
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采用空气的动力使液体在循环管中提升，并沿着肯定路线进行循环，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，结构简洁，清洗便利，加厂简洁；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。
生物反应器(发酵罐)
第四章生物反应器（发酵罐）发酵罐厌氧发酵罐（嫌气发酵罐）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（图1）图1 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一、形状罐体为圆柱形，底盖和顶盖为锥形或碟形二、结构尺寸D----罐的直径 H-----圆柱部分的高度h1-----罐底高度 h2-----罐盖高度推荐比例： H=1.1～1.5D h1=0.1 ～ 0.14D h2=0.05 ～ 0.1D发酵罐全容积： V = πD2 (H+h1/3+h2/3) / 4V = V0 /V-----发酵罐的全容积 (m3) V0------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）据发酵罐的全容积V和H/D即可确定发酵罐的结构尺寸三、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、洗涤装置冷却装置：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（图2）图2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 一、机械搅拌式发酵罐（图3）图3机械搅拌发酵罐一）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。
5 第五章 通风发酵罐.
刮板式消泡器:卧式偏心刮板消泡器，立式刮板式消泡器。 刮板式消泡器:卧式偏心刮板 由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成。 由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成 刮板的中心与壳体的中心有一个偏心距。 工作原理:刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳体四周， 受机械冲击而达到消泡作用。板的转速为1000~1400r/min。 消泡后的液体返回发酵罐，气体则通过气体出口排出。
机械搅拌发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐 通风发酵罐类型 喷射自吸式发酵罐 伍氏发酵罐 文氏发酵罐 塔式发酵罐
机械搅拌通风 通风发酵罐 §1 机械搅拌通风发酵罐[70~80%] 一、结构 、 它由圆柱体及椭圆形或碟形 封头焊接而成，碳钢或不锈钢， 封头焊接而成，碳钢或不锈钢， 对于大型发酵罐可用衬不锈钢板 或复合不锈钢制成， 或复合不锈钢制成，衬里用的不 锈钢板厚为2~3mm。 锈钢板厚为2~3mm。 为了在一定压力下操作、 为了在一定压力下操作、空消或 实消，罐为一个受压容器， 实消，罐为一个受压容器，通常 灭菌压力为2.5 2.5kg/cm 绝对） 灭菌压力为2.5kg/cm2（绝对）
2]挡板:作用是改变液流的方向， 2]挡板:作用是改变液流的方向，由径向流改 挡板 为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 挡板宽度取（0.1-0.12）D，设4~6块即可满足 全挡板条件。 全挡板条件” “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。 内附件而轴功率仍保持不变。要达到全挡板 条件必须满足下式要求： (B/D)Z=[(0.1~0.12)D/D] × Z=0.5
100M3机械搅拌通风式发酵罐
课程名称：机械搅拌通风式生物反应器 学生学院： 化学工艺与技术学院 生物工程0901 200922153035 桂文涛 杨忠华
专业班级： 学 号：
学生姓名： 指导教师：
2012 年10 月 14 日
目
录
设计任务书 ............................................
H=H0+2ha=9.0+2×0.95=10.9m 忽略搅拌器的体积，假设发酵液最高不超过筒体上端，则发酵罐内溶 液体积满足： V‘h= Va +
式h中为筒体部分发酵液的高度，h取ห้องสมุดไป่ตู้.75
则有h=7.07m< H0= 9 m
说明假设成立。
发酵液高度 Hf=h+ha=7.07+0.95=8.02m 考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头 结构、与罐体连接方式。罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计 为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连 接。 2.1.2 壁厚计算 （1）筒体设计厚度δd 计算厚度计算式: δd =
V0=V公+V封
查阅文献《钢制压力容器用封头》（JB/T 4746-2002）标准，
当公称直径D=3600mm时，标准椭圆封头的曲面高度h=900mm，直边高 度 hb=50mm，总深度为ha=950mm，内表面积Af=14.6m²，容积 Vf=6.62m³ 罐筒身高 :H0 =
=8.5m,圆整到9m 此时:H0/D=9000mm/3600mm=2.5，与前面的假设符合， 故可认为D=3600mm是合适的. 实际发酵罐体积:V=π/4D²H0+2Vf=104.8m³ （2）封头规格 查《钢制压力容器用封头》（JB/T 4746-2002）标准，由发酵 罐工程内径可得封头规格如下： 公称直径 3.6m 曲面直度 度 0.90m 0.05m ㎡ 直边高 积 14．6 6． 62m³ 内表面 容积 罐体高度 H 和筒体 高度H0 筒体高度
4第四章_机械搅拌通风发酵设备(4)
（4）消泡器
发酵液中含有蛋白质等发泡物质，故在通 气搅拌条件下会产生泡沫，发泡严重时会使发 酵液随排气而外溢，且增加杂菌感染机会。
在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是 加入化学消泡剂，二是使用机械消泡装置。通 常，是把上述两种方法联合使用。
1- 弹簧 2- 动环 3- 硬质合金 4- 静环 5- O形密封圈
• 填料函式轴封的优点是结构简单。 • 主要缺点是：
– 死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌； – 轴的磨损情况较严重； – 填料压紧后摩擦功率消耗大； – 寿命短，经常维修，耗工时多。
• 端面式轴封的优点：
– 清洁； – 密封可靠； – 无死角，可以防止杂菌污染； – 使用寿命长； – 摩擦功率耗损小； – 轴或轴套不受磨损； – 它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那
• 好气性发酵需要将空气不断通入发酵液 中，以供微生物所消耗的氧。
通风发酵罐的类型
• 机械搅拌发酵罐 • 气升式发酵罐 • 自吸式发酵罐 • 伍式发酵罐 • 文氏管发酵罐
（一）机械搅拌发酵罐
• 机械搅拌发酵罐是发 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。
• 气升式发酵罐具有结构简单、 不易染菌、溶氧效率高、能耗 低等优点。
气升式反应器有多种类型，常见的
有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等， 生物工业已经大量应用的气升式发酵罐 有气升内环流发酵罐、气液双喷射气升 环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气 升发酵罐。而鼓泡罐则是最原始的通气 发酵罐，当然鼓泡式反应器内没有设置 导流筒，故未控制液体的主体定向流动。 现以气升环流式反应器为例说明其工作 原理。
1.2.1 发酵罐
4.轴封 4.轴封
轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封， 轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封， 防止染菌和泄露。 防止染菌和泄露。 形式：填料函轴封、机械轴封两种。 形式：填料函轴封、机械轴封两种。 填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套， 填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压 是由填料箱体 紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。 紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。由于易 磨损和泄露，在发酵罐上已不再使用。 磨损和泄露，在发酵罐上已不再使用。
流 型
径向流：流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动， 径向流：流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容 器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端， 器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿 过叶片，形成上、下两个循环流动。 过叶片，形成上、下两个循环流动。 轴向流：流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动， 轴向流：流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流 体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流。 体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流。 切向流：无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动， 切向流：无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液 体表面会形成旋涡， 体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的 流量很小，混合效果很差。） 流量很小，混合效果很差。）
48
机械轴封的密封原理
依靠三个密封点达到完全 密封： 密封： 动环与静环的密封： ① 动环与静环的密封： 在相对运动的动环和静环 之间的的接触面 （端面） 端面）
两端面必须高度光洁平直， 两端面必须高度光洁平直， 这是相对旋转密封。 这是相对旋转密封。 端面间有层极薄的液体， 端面间有层极薄的液体，起 密封作用。 密封作用。
发酵罐第一节机械搅拌通风发酵罐
• 端面轴封——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表面紧 密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。
• 优点：
① 清洁； ② 密封可靠，使用时间较长，不会泄漏； ③ 无死角，可防止杂菌污染； ④ 寿命长，质量好的2～5年不需修理； ⑤ 摩擦功率耗损小； ⑥ 轴或轴套不受磨损； ⑦ 对轴的震动敏感性小。
• 对于大型发酵罐以及液体深度 HL较高的，可安装三组或三组 以上的搅拌桨叶。
• 最下面一组搅拌器与风管出口 较接近为好，与罐底的距离C一 般等于搅拌器直径Di，不宜小 于0.8Di，否则会影响液体的循 环。
发酵罐第一节机械搅拌通风发酵罐
（二）搅拌器
• 搅拌器的作用：
–打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发 酵液中；
第五章 发酵罐
第一节 机械搅拌通风发酵罐 第二节 其他类型发酵罐 第三节 厌氧发酵设备
发酵罐第一节机械搅拌通风发酵罐
第一节 机械搅拌通风发酵罐
一、设计要求
（一）基本要求
1. 发酵罐应具有适宜的径高比。径高比一般为1.7-4 倍左右，越悬殊，氧的利用率较高，发酵效率越 高。
2. 因用到高压蒸汽灭菌，发酵罐应有一定的耐压能 力。
215.0
二、发酵罐主体结构
• 罐体 • 搅拌器和挡板 • 消泡器 • 联轴器及轴承 • 变速装置 • 空气分布装置 • 轴封 • 冷却装置
发酵罐第一节机械搅拌通风发酵罐
（一）罐体
• 罐体由圆柱体或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢， 大型发酵罐可用衬不锈钢或复合钢板制成，衬里不锈钢厚度 为2～3 mm。
• 缺点：
– 结构比填料密封复杂，装拆不便； – 对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。
发酵罐的常见分类
《发酵罐的常见分类》机械搅拌通风发酵罐，这可是发酵罐里的老大哥。
就像乐队里的指挥，搅拌器在里面起着关键作用，让物料混合得更均匀。
啤酒厂用这种发酵罐生产啤酒，那出来的啤酒口感醇厚，香气扑鼻，你说厉害不？气升式发酵罐，就像一个神奇的喷泉。
空气从底部进去，像喷泉喷水一样，带着发酵液上升，让发酵顺利进行。
在生产单细胞蛋白的时候，用这种发酵罐效率可高啦，就像开了挂一样，产量蹭蹭往上涨。
自吸式发酵罐，它就像一个贪吃蛇。
自己能吸入空气，就像贪吃蛇吃豆子一样把空气吃进去，为发酵提供氧气。
在一些小型的制药厂，用这种发酵罐来生产抗生素，成本低又实用，老板笑得合不拢嘴。
塔式发酵罐，这就像一座高楼大厦。
物料从顶部进去，像人在高楼里一层一层往下走一样，在里面慢慢发酵。
在生产柠檬酸的时候，塔式发酵罐发挥了大作用，那生产出来的柠檬酸质量好得没话说，客户都抢着要。
喷射自吸式发酵罐，它像一把强力的喷枪。
把空气和发酵液喷射出去又吸回来，让它们充分混合。
在生产酶制剂的时候，这种发酵罐能让酶的产量大幅提高，就像找到了宝藏一样，工人都觉得神奇。
伍式发酵罐，这是个独特的家伙。
它结合了搅拌和气升的特点，就像混血儿一样有优势。
在生产一些特殊的生物制品时，伍式发酵罐表现出色，那些生物制品的质量和产量都让人满意，研究员都对它竖起大拇指。
外循环发酵罐，就像一个循环的小世界。
发酵液在罐外循环，就像水流在河道里循环一样，能更好地控制发酵条件。
在生产氨基酸的时候，外循环发酵罐能精准控制温度和酸碱度，生产出来的氨基酸品质一流，市场上可受欢迎啦。
内循环发酵罐，这像一个内部的游乐场。
发酵液在罐内循环流动，像孩子们在游乐场里跑来跑去。
在生产维生素的时候，内循环发酵罐让维生素的合成更稳定，就像有了一个稳定的生产小环境，效果超棒。
膜式发酵罐，它像一个精密的筛子。
利用膜来控制物质的进出，就像筛子筛东西一样。
在生产一些高纯度的生物产品时，膜式发酵罐能把杂质挡在外面，得到的产品纯度高得惊人，那质量简直无敌了。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
酵之 罐机
械 搅 拌 发
➢机械搅拌发酵罐的结构
2
• 大型发酵罐结构 3
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；
耙式消泡器
旋.风离心式
叶轮离心式
酵之 罐机
械 搅 拌 发
碟片式消泡器
刮板. 式消泡器
• 联轴器及轴承
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 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Biblioteka 将搅拌轴连接。法兰.
• 轴承
优 点
结构简单，加工容 易，罐内死角少， 容易清洗灭菌
流速大，传热系数 大，降温效果较好。
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
➢机械搅拌发酵罐的结构
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 小型发酵罐结构
.
图2.2 小型发酵罐结构图
酵之 罐机
械 搅 拌 发
图2.3 自动玻璃发酵罐
图2.4 玻璃搅拌发. 酵罐
受外压的壁厚：
32p4D 0 101pD H HC(m)m
.
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 搅拌器和挡板
• 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。
• 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
bn0.1~0.12 Dn0.5
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
酵之 罐机
• 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。
械 • 填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和 搅 压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
机械搅拌发酵罐
常用通风发酵罐自气吸升式环发流酵发罐酵罐
. 通风固相发酵设备
通风发酵罐
❖ 机械搅拌发酵罐
• 工作原理 • 结构及几何尺寸 • 溶氧速率、通气与搅拌 • 热量传递
❖ 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
❖ 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
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 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
.
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 冷却装置
夹套冷却
适
用 范
5m3以下小发酵罐
围
竖式蛇管冷却 大型发酵罐
竖式列管冷却
大型发酵罐 气温较高的地区
图2.5 不锈钢搅拌发酵罐
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 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：
123p0DpC (m)m 22p0D 0yC (mm )
拌 • 端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹 发 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。
齿轮箱
转轴 填料压盖
传动齿轮箱
压紧螺栓
转轴
铜环
填料箱体 O形环
动环 堆焊硬质 静环
罐体
密封环
填料
图2.10 填料函
. 图2.11 端面封轴
搅拌轴
图2.12 双 端面封轴
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
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 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。
• 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。
❖ 通风固相发酵罐
.
酵之 罐机
械 搅 拌 发
机械搅拌发酵罐(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。.
.
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 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。
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； (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：
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：
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 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。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