通风发酵设备
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
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。
发酵工程设备题库
发酵工程设备题库第一章通风发酵设备一、选择题1、好气性发酵需要无菌空气，概括起来无菌空气在发酵生产中的作用是ABD 。
A. 给培养微生物提供氧气B. 能起一定的搅拌作用，促进菌体在培养基中不断混合，加快生长繁殖速度C. 打碎泡沫，防止逃液D. 保持发酵过程的正压操作2、气升式发酵罐的优点是无需 B 。
A. 空气过滤系统B. 搅拌器C. 空气喷嘴D. 罐外上升管3、喷射自吸式发酵罐的优点是ABC 。
A. 空气吸入量与液体循环量之比较高B. 无需搅拌传动系统C. 气液固三相混合均匀D. 适用好氧量较大的微生物发酵4、气升式发酵罐的特点有BD 。
A. 高径比(H/D)比机械搅拌通风发酵罐的小B. 无需机械搅拌C. 无需空气压缩机D. 溶氧速率较高5、自吸式发酵罐的搅拌轴是从罐下方进罐的，因此 C 轴封。
A. 应该用填料函B. 应该用单端面机械C. 应该用双端面机械D. 无需6、一个优良的生物反应器应具有ABCD 。
A. 良好的传质、传热和混合的性能B. 结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护方便C. 有可靠的检测及控制仪表D. 搅拌及勇气所消耗的动力少7、发酵罐的罐顶可装设的管路有ABD 。
A. 进料管B. 排气管C. 冷却水进出管D. 压力表接管8、发酵罐的罐身可装设的管路有ABCD 。
A. 取样管B. 冷却水进出管C. 空气进管D. 检测仪表接口管9、涡轮式搅拌器的特点有ABC 。
A. 结构简单B. 溶氧速率高C. 剪切力大D. 气泡破碎程度低10、某发酵罐直径为5m，下列组合可达到全挡板条件的有AD 。
A. 挡板宽度为0.5m，挡板数为4B. 挡板宽度为0.4m，挡板数为6C. 挡板宽度为0.5m，挡板数为6D. 挡板宽度为0.4m，挡板数为511、双端面机械轴封的主要部件有ABCD 。
A. 动环B. 静环C. 弹簧加荷装置D. 辅助密封元件12、耙式消泡器通常安装在发酵罐的 C 。
A. 内壁上B. 马达上C. 搅拌轴上D. 搅拌器上13、下列ACD 可提高氧传递推动力，从而增加溶氧速率。
第六章 通风发酵设备 第二节搅拌器轴功率的计算
D——搅拌器的直径 m
Pg——通气情况下的轴功率 kw P0——不通气情况下的轴功率 kw
Michel等人用六平叶涡轮将空气分散于 液体之中，测量其输出功率，得到经验 式：
Pg=c[P02ND 3 / Q0.56]0.45
福田秀雄公式
Pg=f（P02ND 3 / Q0.08 ）
而胶体溶液、高分子溶液属于非牛顿型。
τ——剪应力 度）
dw/dr——剪切率（速度梯
非牛顿型流体的分类
我们接触的非牛顿型流体基本上为稳定的而此 类流体可按剪应力与剪切率之间的关系，分为 三类：
（1）拟塑性流体（分段型性流体）
=k(dw/dr)n
k——均匀性系数 n——流动性指数n＜1 大多数发酵液均属于此类。 特点：粘度随着剪切率下——而降低。
根据因次和谐的原则，等号两侧因次应相等： FL/T=(1/T)aLb(FT2/L4)c(FT/L2)d(L/T2)e 因次[F]: 1=c+d 因次[L]: 1=b-4c-2d+e 因次[T]: -1＝-a+2c+d-2e
共有变量数n＝6，基本因次m＝3，由上 述方程组
a＝3-d-2e b＝5-2d-e c＝1-d
牛顿型流体：粘度μ只是温度的函数，与 流动状态无关。服从牛顿粘性定律。
非牛顿流体：粘度μ不仅是温度的函数， 随流动状态而变化。
（一）非牛顿型发酵醪的流变 等特性
牛顿型流体的流态式为直线，服从牛顿特性定 律：
=dw/dr
所有气体以及大多数低分子量的液体都属于牛 顿型流体，如空气、水、有机溶剂及多数的水 溶液。
凡牛顿型性流体，服从
=/(dw/dr)
而对于非牛顿型流体
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。
第十章通风发酵设备
第十章通风发酵设备四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。
在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。
在发酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。
第一节通风发酵罐及结构通风发酵罐又称好气性发酵罐，如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母等发酵用的发酵罐。
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。
常用通风发酵罐有以下几种类型：（1）机械搅拌发酵罐（2）气升式发酵罐（3）自吸式发酵罐（4）伍式发酵罐（5）文氏管发酵罐一、机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂最常用类型。
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。
1，机械搅拌通风发酵罐的基本要求一个性能优良的机械搅拌通风发酵罐必须满足以下基本要求：（1）发酵罐应具有适宜的径高比；发酵罐的高度与直径之比一般为1.7~4倍左右，罐身越长，氧的利用率较高（2）发酵罐能承受一定压力；（3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧；（4）发酵罐应具有足够的冷却面积；（5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌；（6）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
2，机械搅拌发酵罐的结构机械搅拌通风发酵罐是一种密封式受压设备，其主要部件包括：罐身、轴封、消泡器、搅拌器、联轴器、中间轴承、挡板、空气分布管、换热装置和人孔以及管路等（1）罐体发酵罐的罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，材料一般为不锈钢。
为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。
中大型发酵罐则装没有快开入孔及清洗用的快开手孔。
罐顶还装有视镜及灯镜。
在发酵罐的罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。
在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。
发酵设备介绍范文
发酵设备介绍范文发酵设备是在发酵过程中起到关键作用的设备，它能提供适宜的发酵环境，使微生物能够充分发挥其作用，产生所需的产物。
下面将对常见的发酵设备进行介绍。
一、发酵罐发酵罐是进行大规模发酵时常用的设备之一，它具有一定的容积和搅拌机构。
发酵罐通常由不锈钢制成，具有良好的耐腐蚀性和密封性能。
在发酵过程中，罐内通过搅拌机构对培养基进行循环搅拌，使微生物均匀与培养基接触，提供充分的氧气和营养物质，从而促使微生物生长和代谢产物的生成。
二、发酵槽发酵槽是进行大规模发酵的另一种常见设备。
与发酵罐相比，发酵槽一般容积更大，可以同时进行多个批次的发酵，提高生产效率。
发酵槽通常由玻璃钢制成，具有较好的机械强度和化学稳定性。
槽内通常设置有适当数量的搅拌器和氧气输入装置，以保证微生物充分供氧和混合，达到最佳的发酵效果。
三、发酵棚发酵棚是一种用于控制温度、湿度和通风的设备，用于保持发酵过程中的适宜环境。
发酵棚一般具有良好的保温性能和调节性，可以根据发酵过程的需要进行温度和湿度的控制。
在发酵棚内，可以根据具体发酵过程的需要添加合适的湿度控制装置和通风装置，以达到最佳的发酵条件。
四、发酵箱发酵箱是一种小型的发酵设备，通常由金属或塑料制成，体积较小、结构简单。
发酵箱通常用于实验室或小规模生产中，可以进行小量培养基的发酵实验。
发酵箱通常具有加热装置和温度控制装置，可以通过控制温度来模拟不同的发酵条件。
在发酵箱中，可以进行各种微生物培养和酶制剂的生产。
五、发酵堆发酵堆是一种特殊的发酵设备，主要用于堆肥发酵。
它通常由有机原料、微生物和水按一定比例混合而成，然后通过堆放、翻堆的方式进行发酵。
发酵堆一般具有较大的露天空间，并设置有通风装置和排水装置，以保持适宜的湿度和通气性。
在发酵过程中，微生物分解有机物质，释放出热量，达到杀灭病原体、腐败菌和杂草种子的目的。
总之，不同的发酵设备具有不同的特点和应用范围，可以根据具体的发酵需求选择合适的设备。
发酵箱工作原理
发酵箱工作原理
发酵箱是一种用于发酵食物或饮料的设备，其工作原理主要依赖于控制环境中的温度、湿度和通气等条件。
在发酵过程中，发酵箱通过以下几个方面的工作原理来促进食物或饮料的发酵：
1. 温度控制：发酵箱中装有加热元件，通过调节加热元件的温度，可以控制发酵箱内的温度。
一般来说，发酵过程需要一定温度范围内的高温，温度过高或过低都会影响发酵效果。
2. 湿度控制：发酵过程中，适度的湿度有利于微生物的生长和代谢。
发酵箱内安装有湿度调节装置，可以根据发酵的需要，通过加湿或减湿来调整箱内湿度。
3. 通风：发酵箱内设置通风口和通风装置，通过控制通风的大小和频率，可以调节箱内的空气流动。
适度的通风有助于排除发酵产生的二氧化碳和其他气体，并提供新鲜的氧气，以保证发酵的正常进行。
综上所述，发酵箱通过温度控制、湿度调节和通风等工作原理，为食物或饮料的发酵提供了适宜的环境条件，从而促进了发酵过程的进行。
发酵工程与设备2005版(第一篇)第二章通风发酵设备
凹现象的最低条件。..\图片\通风发酵设备 \全挡板条件下搅拌流型.avi
要达到全挡板条件应满足公式要求： (0.1 ~ 0.12) D B n ＝0.4 （ ）n＝ D D――罐径 n――挡板数。
D
B――挡板宽度
挡板为什么不能紧贴焊在壁面？
挡板不能紧贴焊在壁面，否则会造成发酵 培养基的残渣堆积于挡板背侧形成死角， 应留有空隙，该间距一般为（0.1－0.3） 挡板宽度。
Ф――焊缝系数，双面焊Ф＝0.8，无焊缝Ф＝1.0； C――腐蚀裕度，δ－C＜10 mm时，C＝3mm； [σ]―― 许 用 应 力 ＝ σ/n ， σ―― 钢 板 抗 拉 强 度 ： 35kg/mm2,n=4(t<250℃时) 当受外压时，其壁厚计算：
δ1＝
pD H 1 1 C 2400 p D H
第一节 机械搅拌通风发酵罐
一、发酵罐满足的基本条件 1）发酵罐应具有适宜的径高比。 2）发酵罐能承受一定的压力。 3）发酵罐的搅拌通风装置能使气泡分散细碎， 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）发酵罐应具有足够的冷却面积。 5）罐内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积 污，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。
5．空气分布器 有单管式和环形 管式两种。
为什么单孔管和多孔环管对氧的传 递影响不大？
通气装置的目的是使空气均匀分布，以利 氧的传递。但是，发酵生产中通气量大， 培养液体积也大,空气气泡直径与空气通气 装置的孔径无关，与通气量有关，加之， 发酵过程中有激烈的搅拌，在剪切力作用 下，气泡即被破碎成细小的气泡。所以单 孔管和多孔环管对氧的传递影响不大。反 而多孔环管会造成不必要的压力损失，小 孔被物料堵塞造成灭菌不透而产生染菌的 隐患。目前，大型发酵罐都采用单孔管， 小型采用多孔环管。
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
通风发酵 设备
4.1 机械搅拌通风发酵罐
机械搅拌通风发酵罐又称为通用式发酵罐。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，以供给微生物生长繁殖、发酵需要的氧气。
4.1.1 机械搅拌通风发酵罐的结构
机械搅拌通风发酵罐主要部件有罐体、搅拌器、挡板、 联轴器和轴封、空气分布器、传动装置、冷却装置、消泡器、 人孔、视镜等，大型机械搅拌通风发酵罐结构如图4-1所示。
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。
4.1 机械搅拌通风发酵罐
图4-2 蜗轮搅拌器
4.1 机械搅拌通风发酵罐
（2）螺旋浆式搅拌器 它在罐内将液体向下或向上推 进，形成轴向的螺旋运动，其混合效果较好，但造成的剪 率较低。螺旋浆式搅拌器一般为 4～6片宽叶，投影覆盖率 可达90％。国内外较典型的螺旋浆式搅拌器有ProChem公司 的MaxFlo，Lightnin公司的A315搅拌器，结构如图4-3。 A315特别适合于气一液传质过程，在直径大于lm的实验装 置中，同样的输入功率下，A315桨的持气量比Rushton涡轮 高80％，剪切力仅为Rushton涡轮的 25％，产量提高10 ％～50％。
生物工程设备 通风发酵设备
168 5 P0 N P L D ＝4.7 （ 1020 0.6 ＝8.07 kW） 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
8.072 168 603 0.39 2.25 10 3 ( ) 0.08 1420000 6.55(kW)
0 k L 2.36 3.3n)Pg / VL 0.56 v S.7 0.7 109 （
2.36 3.3) 6.55/6 （
0.56
1.911 10 6 mol O 2 /(mL min atm)( pO 2 )
55.80.7 1680.7 10 9
• 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。
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
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。
无挡板的搅拌器形成的流型
泵
L
• 空气喷射装置
之 气 升 式 发 酵 罐
漩涡式空气喷射器
机械搅拌通风发酵罐的设计
机械搅拌通风发酵罐的设计机械搅拌通风发酵罐是一种用于发酵有机物质的设备。
它又被称为机械通风式发酵罐，常用于有机肥料生产、沼气发酵、生物质能源发酵等领域。
设计一台高效的机械搅拌通风发酵罐需要考虑以下因素：1. 设计容积机械搅拌通风发酵罐的设计容积需要考虑到原料预处理后的固态密度，发酵过程中的充分膨胀及发酵物料的密实度。
通常，机械搅拌通风发酵罐设计的容积应该在15~100m3之间。
2. 结构设计机械搅拌通风发酵罐的结构设计需要考虑到其承受能力、外部环境的要求以及运输的方便性。
常用的材料有钢材、玻璃钢、混凝土等，强度越高的材料越适合用于制作机械搅拌通风发酵罐。
另外，罐体需要具有重量轻、强度高、隔热性好、抗腐蚀和易清洗等特点。
3. 搅拌系统设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌系统需要具有均匀、高效、节能等特点。
常用的搅拌方法有机械式搅拌和气力式搅拌，其中机械式搅拌通常是通过叶轮或圆盘搅拌器进行搅拌，气力式搅拌则是通过喷射压缩空气来实现搅拌。
搅拌器应避免对发酵物料的损害，杜绝沉淀现象，同时要保证罐内发酵物料的均匀性。
机械搅拌通风发酵罐的通风系统设计应考虑到通风量、风机的型号和数量、排气要求等因素。
罐内氧气的供应和二氧化碳的排放是保证酵素的正常活动和防止罐体产生过高压力的重要手段。
通风系统应该灵活，能够随时调整通风量大小以适应发酵过程中不同的需求。
机械搅拌通风发酵罐的控制系统设计应考虑到参数监测、温度控制、气气体控制等方面。
为了保证罐内发酵物料的均匀性和质量，应安装相应的检测仪器并设定最优参数。
同时，为了保证工作效率和生产安全，控制系统还应能够实现远程监控和故障自诊断及报警等功能。
机械搅拌通风发酵罐的设计需要从多个角度出发，并针对具体应用领域进行优化。
在实际生产应用中，还需要根据特定的发酵物料和生产工艺进行相应的调整和优化，提高发酵效率和生产质量。
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Di/2
Di:di:L:B=20:15:5:4
Di:di:L:B=20:15:5:4
Di:di:L:B:C=20:15:5轴封 安装在旋转轴与设备之间的部件，它的作用是阻止工作介质（液体、 气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏 轴封的作用：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。 填料函轴封是由填料箱体，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。 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巾合，并作 相对转动而达到密封。动环的硬度应比静环大。动环的材料可用 铸铁、硬质合金、高合金钢管等，在有腐蚀介质的条件下可用不 锈钢、或不锈钢表面堆焊硬持合金、陶瓷等。静环最常用浸渍石 墨或填充聚四氟乙烯。
2、多相体系 3、多组分性，培养基营养成分多，代谢产物种类多，细胞内组成成分多，繁杂
一 双膜理论的基本前提
基本前提 （1）在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界 面，在界面的气泡一侧存在着一层 气膜，在界面的液体 一侧存在着一层液膜。气膜内的气体分子和液膜中的液体 分子和液膜中的液体分子都处于层流状态，分子间无对流 运动，因此氧的分子只能以扩散方式，即籍浓度差而透过 双膜。另外，气泡内除开气膜以外的气体分子，处于对流 状态，称为气体主流，在空气主流空间的任一点，氧分子 的浓度相同，液体主流中也是如此。 （2）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的 氧的浓度处于 （3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度 不随时间而变。
1 – 冷却套管 2 – 密封油框 4 – 静环 7 – 动环 5 – 动环 8 – 弹簧
3 – O型密封圈 6 – O型密封圈 9 – 弹簧座
1．在一间歇反应器中进行乳糖溶液的纯菌种培养实验，得到如下实验数据： 乳糖溶液的纯菌种培养实验数据
序号 1 2 3 4 5
⊿t(h) 0.52 0.38 0.32 0.37 0.36
S(g/l) 158 124 114 94 25
X(g/l) 15.8-22.8 22.8-29.2 29.2-37.8 37.8-48.5 48.5-59.6
二 通气发酵罐中溶氧速率与通气、搅拌的关系
式中 NV----体积溶氧速率（千摩/米3· 小时） kLa---是以C*---C 为推动力的体积溶氧系数（1/小时） NV----是每立方米液体中每小时的溶氧量，是实际可以测量的，据此可 算出kLa。 kLa---的单位虽然是（1/小时），但它是根据单位液体体积的溶氧速率 NV计算出 来的，故称为体积溶氧系数。
（1）
（3） （4） （5）
（2）
（6） （7）
（8）
以碳源消耗建立维持方程
1、碳源消耗的三个方面：菌体生长；维持生存；生成代谢产物 -S=(-S)G+(-S)m+(-S)P （1）
2、基质消耗方程
-dS/dt=(- dS/dt)G+(- dS/dt)P +(- dS/dt)m （2）
-dS/dt=(- dS/dx*dx/dt)G+(- dS/dp*dp/dt) Yx/s_——生物量对基质的得率， 生成菌体的量/消耗基质的量=dX/-dS, g/mol Yx/smax——得率最大值 ms——维持系数，维持消耗量/菌体总量 ——比生长速率,-dX/(dt*X) -dS/dt=1/ Yx/smax *dx/dt+1/ Yp/smax *dp/dt +ms*X （4）
式中 D—罐的直径（mm） Z—挡板数 W—挡板宽度（mm） 竖立的列管，排管，也可以起挡板作用，故一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设 挡板。（但冷却管为盘管时，则应设挡板。）挡板的长度自液面起到罐底为止。挡板 与罐壁之间的距离为（1/5~1/9）W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。
di/2
对端面轴封构件的要求： 1、动环和静环：磨擦副设计应使密封在给定的条件下，工作负荷最轻， 密封的效果最好，使用寿命最长。 2、弹簧加荷装置：弹簧加荷装置的作用是产生压紧力，使动静环端面 压紧接触，保证密封。 3、辅助密封元件：辅助密封元件有动环及静环密封圈，用来密封动环 与轴及静环与静环座之间的缝隙。
式中Ｃ进，Ｃ＊为常量：Ｃ出可用氧气分析仪自排出气体测得，Ｃ为培养液 中的溶氧浓度用溶氧电极测得。
三 测量体积溶氧系数的方法 （一）亚硫酸盐氧化法 用铜离子作为催化剂，溶解在水中的氧能立即氧化其中的亚硫酸根离子， 使之成为硫酸根离子，其氧化反应的速度在较大的范围内与亚硫酸根 离子的浓度无关。实际上是氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉
1. 厌气生物反应器 2. 通气生物反应器 3. 光照生物反应器 4. 膜生物反应器
生物反应器设计所应考虑的因素： 1、反应器要求的传动，传质、传热性能 2、生物反应的特殊要求
一、细胞反应的元素平衡方程
CHmOl+aNH3+bO2YbCHpOnNq+YpCHrOsNt+cH2O+dCO2
1=Yb+Yp+d a=qYb+tYp l+2b=nYb+sYp+c+2d m+3a=gYb+rYp+2c 二、碳源的衡算 维持方程 1/Yx/s=1/ Yx/smax + ms / /Yxs=qs= / Yx/smax + ms qs——合成单位生物量的基质消耗速率 /Yx/s= qs = / Yx/smax + qp / Yp/smax + ms qp——单位生物量的产物生成率
机械轴封与填料函轴封相比优点是: 一. 密封可靠,在一个较长的使用期中不会泄漏或很少泄漏。 清洁，无死角，可以防止杂菌污染。 二. 使用寿命长,正确选择摩擦副和比压的机械密封可使用 ２～５年，最长有用到９年。 三. 维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修。 四. 轴或轴套不受磨损。 五. 摩擦功率耗损少，一般约为填料函密封的１０～５０％ 六. 机械轴封对轴的精度和光洁度没有填料函要求那么严格， 对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感，对轴的震动 敏感性小。 七. 适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各种 转速以及各种腐蚀性、磨蚀性、易燃、易爆、有毒介质的 密封。 八. 其缺点是：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。
机械轴封有哪三个密封点，及这三个密封点的密封原理
1动环与静环之间的密封：是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）和密封液体压力在
相对运动的动环和静环的接触面（端面）上产生一适当的压紧力（比压）使 两个光洁、平直的端面紧密贴合；端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封
的作用。这层膜具有液体动压力与静压力，它起着平衡压力和润滑端面的作
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，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）。 受内压时壁厚：
1 =
pD 230[]-P
P
+(- dS/dt) m*x/x （3）
一、细胞生长动力学描述方法
1、定义 绝对速度： rX=dX/dt，细胞生长 ry=ds/dt ，基质 ro=do/dt，氧耗 rp=dp/dt，产物
2、细胞生长的动力学模型的难点分析
比速率：反应细胞活力大小
=rX/X
qS=rs/X qp=rp/X
1、细胞生长、繁殖的过程极为复杂，既有细胞内反应又有细胞外的反应，也有胞内与胞外的物质交换。
剩余的Na2SO3与过量的碘作用：
再用标定的Na2S2O3滴定剩余的碘:
四 传氧效率 克服阻力及Kla关系式 一般认为，在通风发酵 中，微生物利用是空气气泡中的氧可分成两个阶段，要克 服一系列传递阻力，供氧阻力，耗氧阻力。 Kla与操作变数的关系为：
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Q，以提高vs。在低通气量时，提高Q可以显 著增大 kLa。但 当通气量已经很高时，进一步提高 Q， Pg也将随之剧烈降低，其综合效果将不会使 kLa增加，甚 而可能下降。只有在增大Q的同时也相应提高N，使Pg不 至过分降低的情况下，才能最有效地提高 kLa。 3）为了提高NV，除了提高 kLa之外，提高C*也是可行的 方法之一。在空气中通入纯氧，或在可能时提高罐内操作 压力，均可使C*增高，从而提高了氧传递的推动力。
+
C
mm
受外压时壁厚：
3 =
pD
2400
{1+[1+H/p(D+H)]1/2}
mm
搅拌器和挡板 搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，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。 挡板的作用是改变液流的方向，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。要达到全挡板条件必须满足 下式要求：
第二章 通风发酵设备
第一节 机械搅拌通风发酵罐 第二节 气升式发酵罐 第三节 自吸式发酵罐 第四节 固体通风发酵设备
第一节
机械搅拌通风发酵罐
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。 发酵罐的基本条件 （1）发酵罐应具有适宜的径高比，约为2.5~4。罐身越 高，氧的利用率较高。 （2）发酵罐能承受一定的压力。 （3）要保证发酵液必须的溶解氧 （4）发酵罐应具有足够的冷却面积。 （5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能 彻底，避免染菌。 （6）搅拌器的轴封应严密，防病量减少泄漏。