通用式发酵罐
发酵工程第7讲
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。
（6）罐体几何尺寸： D/H：1：1.5~4 发酵罐公称容积：V0=Vc+Vb
Vc筒身容积，Vb底封头容积。 Vb底封头容积可根据封头的形状、 直径及壁厚查有关化工手册求得。
也可近似地用下式计算。 V0=Vc+Vb= (π/4)D2×H+0.15D3
2
厌氧发酵罐
厌氧发酵也称静止培养，其设备 和工艺都较好氧发酵简单。 2 .1 酒精发酵罐： 2 .1.1罐体：D/H 1：1.3~1.4 盖和底为圆锥成碟形。 1：糖化醪进口 2：成熟醪排 出口 3：CO2排出回收口 4，5：人孔 6：蛇管 7：温包 8：取样口 9：安全阀
2 .1.2传热系统：蛇管、表面 冷却，一般0.25m2/m3
D罐直径，H罐筒身高
1.1.2 搅拌系统 功能：打碎气泡，均匀培养基， 使液体产生轴向和径向流动。 包括：驱动电机、搅拌轴； 涡轮搅拌器、搅拌叶；挡板； 轴封（端面轴封）
有上、下伸轴：罐体积特别大，使用下伸轴可降低重心， 缩短轴长度，转动时噪音小，但轴封要求严格。
1.1.2.1搅拌器：
搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮 式）两种。
谢
谢！
d：涡轮搅拌器直径 (m) D：罐内径 (m) W：挡板宽度(m) B：底层搅拌叶到罐底的距离(m) S：两搅拌叶之间的间距(m)
搅拌器的档数根据液体的深度（H） 确定，凡H≤D时用一档，当H﹥D时 用多档，但S﹤D
1.1.2.7搅拌器功率的计算：
搅拌的输出功率P(W)与流体的性质、容器的结构尺寸、液位 高度、重力加速度(g)、搅拌器的形式、搅拌器的速度及有无 档板等有关。
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。
9 微生物工程 第九章 发酵罐的设计与放大
④ 使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化；
⑤ 强化相间的传质；
⑥ 强化传热。
发酵罐的组成：
主要包括
釜体
搅拌装置
传热装置 轴封装置
其他的附件：
各种接管（为了便于检修内件及加料、排料）、 温度计、压力表、视镜、安全泄放装置等。
釜体：由筒体和两个封头组成。 作用：为物料进行化学反应提供一定的空间。 搅拌装置：由传动装置、搅拌轴和搅拌器组成。
④ 固定化发酵罐：
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的装置。
生物利用率高。
⑤ 自吸式发酵罐：
特点：不需其他气源提供压缩空气，搅拌器带有中
央吸气口。搅拌过程中自吸入过滤空气，适用于需
氧低的发酵。
与通用发酵罐的主要区别
① 特殊的搅拌器（由转子和定子组成）；
② 没有通气管。
叶尖端线速度
n1d 1 n 2d 2
n2 d 1 n1 d 2
放大方法
经验
放大法
量纲 分析法
时间 常数法
数学模型 放大法
某一变量与变化率之比
经验放大法
几何相似放大法
非几何相似法
(1)几何相似放大法：
放大后发酵罐的空气流量、搅拌转速和 消耗功率——操作参数的放大。
空气流
几何尺寸 的确定
右图为改进的 旋风式消泡器， 它可以和消泡 剂盒配合使用， 并根据发酵罐 内的泡沫情况 自动添加消泡 剂。
（5） 空气分布器
作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。
形式：单管；环形管
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。
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。
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。
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。
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一、引言发酵是一种常见的生物过程，广泛应用于食品、制药、化工等领域。
而发酵罐作为发酵过程的核心设备，其基本结构和作用原理对于发酵过程的控制和优化至关重要。
本文将从基本结构和作用原理两个方面进行阐述。
二、通用式发酵罐的基本结构通用式发酵罐通常由罐体、搅拌装置、温度控制系统、通气系统等部分组成。
1. 罐体罐体是发酵罐的主体，通常采用不锈钢材料制成，具有良好的耐腐蚀性和密封性能。
罐体内部通常设置有搅拌装置，并具有一定的容积，以容纳发酵物料和发酵产物。
2. 搅拌装置搅拌装置是发酵罐中起到混合和均质化作用的关键部分。
常见的搅拌装置包括机械搅拌器和气体搅拌装置。
机械搅拌器通常由电机、转子、叶片等组成，通过转动叶片将发酵物料进行混合。
气体搅拌装置则通过通气系统引入气体，在罐体内部形成气流，从而实现混合效果。
3. 温度控制系统温度对于发酵过程的进行具有重要影响，因此发酵罐通常配备有温度控制系统。
该系统通常由传感器、控制器和加热装置组成。
传感器用于实时监测罐内温度，控制器根据设定的温度范围自动调节加热装置的工作状态，以保持罐内温度在适宜的范围内。
4. 通气系统通气系统是发酵罐中的重要组成部分，用于提供适量的氧气和排除产生的二氧化碳。
通气系统通常包括进气口、出气口和气体过滤器。
进气口用于引入氧气，出气口用于排除二氧化碳，而气体过滤器则起到过滤杂质的作用，确保进入罐内的气体纯净。
三、通用式发酵罐的作用原理通用式发酵罐的作用原理主要涉及发酵物料的供应、菌种的生长和代谢、发酵产物的产生和收集等过程。
1. 发酵物料的供应发酵罐通过进料口将发酵物料引入罐内。
发酵物料通常包括碳源、氮源、矿物盐等，这些物料为微生物的生长提供所需的营养物质。
2. 菌种的生长和代谢发酵罐内的菌种在适宜的温度、pH值和氧气供应条件下进行生长和代谢。
菌种通过代谢过程将发酵物料转化为所需的发酵产物，并产生能量和废物。
3. 发酵产物的产生和收集发酵罐中的菌种通过代谢过程产生的发酵产物通常是所需的目标物质，如酒精、乳酸等。
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)
发酵罐的操作
系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分离 纯化商业化。
4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80150 m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一 些气体交换和热交换问题，计算机广泛应用。
5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰 素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自 动化发展。
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
➢ 罐底装有排料口和排污口， 罐身上下装有取样口和温 度计接口。
➢ 对于大型发酵罐，为了便 于维修和清洗，在近罐底 装有人孔。
2、发酵的冷却装置
中小型发酵罐——多采用罐顶喷水淋于罐外表面进 行膜状冷却；
大型发酵罐——罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐 外壁喷洒联合冷却。
为了避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐底部沿 罐体四周装有集水槽
液以上，起不到搅拌作用。 竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用。 挡板与罐壁之间的距离：(1/5-1/8)D，避免形成死角，
防止物料与菌体堆积。
挡板 空气分布器
（4）消泡器：
发酵液中含有蛋白质等发泡物质，通气搅拌是会产生气 泡，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，增加杂菌污 染的机会。
消泡方法：化学法——天然油脂、聚醚类、高级醇类等。 物理法——机械消泡装置，常用耙式消泡器。
标准通用式发酵罐
标准通用式发酵罐通用式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备。
在工业生产中，尤其是制药工业中，使用得最广泛的就是通用式发酵罐。
这种发酵绕既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装置。
发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部，也可置于其底部，其高径比为2:1-6:19有关的重要因素是氧传递效率，功率输入，混合质量，搅拌桨形式和发酵罐的几何比例等。
自吸式发酵罐它与通用发酵罐的主要区别是:①有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成;②没有通气管。
具有转子和定子的搅拌器的吸气原理:浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘。
这时，转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大。
由于转子的空膛与大气相通，发酵罐外的空气通过过滤器不断地被吸入，随即甩向叶轮外缘，再通过异向叶轮使气液均匀分布甩出。
转子的搅拌，又使气液在叶轮周围形成强烈的混合流，空气泡被粉碎，气液充分混合。
自吸式发酵罐的搅拌器①回转翼片式自吸搅拌器;②喷射式自吸搅拌器;③具有转子和定子的自吸搅拌器。
气泡塔式发酵罐塔式发酵罐系一直立长圆筒，筒内安装孔板，有的还在罐内安装搅拌器，罐壁四周装挡板。
与分批的机械搅拌发酵罐类似，有的塔顶横截面扩大，供以降低流速，截留液体夹带的悬浮物。
发酵液和空气可以并流，也可逆流。
塔式发酵罐的特点是:罐身高，高径比为6;土霉素等生产用的设备，高径比达到7。
由于液位高，空气利用率高，节省空气约5%，节省动力约30%，但底部存在沉淀现象;温度高时降温较难。
现代发酵罐的大型化给STF带来—系列难以克服的困难。
要大于1000kW的机械搅拌;大量的冷却水和排除热量;能量的均匀分布;溶解氧，碳源和其它营养与pH控制等。
带升式发酵罐带升式发酵罐也称为气流搅拌发酵罐，不用机械搅拌，借通风起到搅拌作用并供给氧气。
特点:结构简单，冷却面积小，无搅拌传动设备，料液充满系数大，无须加消泡剂，维修，操作及清洗简便，节省动力，减少染菌等。
发酵罐的结构
挡板的作用：改变液流方向，由径向流→轴向流，促使流体 翻动，增加传质和混合。
档板宽 ：W/D= 1/12-1/8 (取0.1)
全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加档板 或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失, 即要 满足下式：
（W/D）•Z =0.4
Z—档板数
3.挡板(续）
两方面因素的比较
微生物生长率、产物转化率
发酵罐的操作因素(传递性能)
传质效率（KLa、传氧效率） 传热效率
混合效率
改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的 首要任务
2.发酵罐最大生产能力的确定（续）
传质工程
随规模扩大， α （比表面积）↓，KLa ↓ ，同等条件
气液混合充分，保证发酵液有充足的溶解氧，以利于好氧 菌的生长代谢的需要。 （4）发酵罐应具有良好的循环冷却和加热系统。 （5）发酵罐内壁应抛光到一定精度，尽量减少死角，避免 藏垢积污，易于彻底灭菌，防止杂菌污染。
基本要求（续）
（6）搅拌器的轴封应严密，尽量避免泄漏。 （7）发酵罐传递效率高，能耗低。 （8）具有机械消泡装置，要求放料、清洗、维修等操作简
HL/D=2－2.5
HL按照装料VL=70%V总计算
d/D=1/3－1/2
d—搅拌器直径
W/D=1/12－1/8（取0.1 ，并留1—2cm间隙，防死角）
W—档板宽度
B/D=0.8－1.0 B—下搅拌器距底间距
((ss//dd))23==11.－5－2 2.5
可以取相同值，1.5 ≤s/d≤ 2 s—搅拌器间距
内部
慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径10-20mm）。 快速：对于底搅拌，可在罐顶装半封闭涡轮消沫器，
实验八3M3机械搅拌通风发酵罐结构的认识
发酵实验(二)实验八 3 M3机械搅拌通风发酵罐结构的认识机械搅拌通风发酵罐在制药、生物制品的生产开发中起着特别重要的作用。
在众多类型的发酵设备中,兼具通气又带机械搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍,广泛使用于抗生素、氨基酸、有机酸、酶制剂等领域,在生物制品工厂广泛使用。
据不完全统计,占发酵罐总数的70%-80%,故又称通用式发酵罐。
一、实验目的通过实地观察,了解机械搅拌式发酵罐的内部结构组成,各装置的配备安装及功能。
二、实验原理机械搅拌式发酵罐主体包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、中间轴承,空气分布器、挡板、冷却装置、人孔等,配套装置:各工艺参数监测系统、空气除菌系统、蒸汽热力系统等。
发酵罐主体各装置依据设计规范达到各自设置的作用。
三、实验设备3M3机械搅拌通风发酵罐.四、实验方法与步骤1. 打开人孔及内视灯观察以下各装置。
1.1罐体的材料、高径比、封头形式。
1.2搅拌器组数、叶轮类型。
1.3挡板的组数及安装。
1.4空气分布装置的形式。
1.5轴封的类型和结构。
1.6消泡装置类型和安装。
1.7冷却装置的类型。
1.8进料、进气、排料、出料、取样装置。
1.9加热、冷却装置。
1.10压力、温度、pH、溶氧控制接口。
2. 作出3 M3机械通风搅拌式生物反应器的结构示意图3. 考察本设备配备的蒸汽系统组成。
4. 考察本设备所配备的空气除菌系统组成,并作出空气除菌流程示意图。
五、实验结果1.作出3 M3机械通风搅拌式生物反应器的结构示意图,标注以上各装置名称。
五、思考题 1.小型和大型生物反应器设计上有什么不同点?2.本设备所选用的搅拌叶轮、机械消泡装置、冷却装置分别为何种形?除此之外分别还有哪些类型?3.本设备配备的蒸汽系统蒸汽生产量多大?4.本设备所配备的空气除菌系统为几级?分别采用何种过滤器?实验九 3 M3机械搅拌通风发酵罐的操作发酵车间实地训练是培养技能型人才,增强工程意识的必要途径。
通过中试发酵设备全方位的直接操作真正提高学生的适应能力和实战技能。
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。
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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、25m3
2,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 h
1=1240mm h
2
=60mm
M=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 m3
②罐得总容积
V
总= V+2 V
=226、93 m3
③罐得容积装料系数0、773
V= 0、773V
总
=175、42 m3
⑵高度
①罐体高度
h
= H+=10000+=12600 mm=12、6 m
②圆筒高度 H=10 m
⑶表面积
①圆柱得内表面积 M
1
==3、14=157 m2
②罐得总表面积M=210、74 m2
3,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 mm
⑵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，冷却装置得确定
1，冷却装置形式得确定采用列管式换热器
⑴热负荷
m3
则总热负荷106W
⑵传热温度得计算
一般取醪液温度T=3233℃,本设计取33℃,因发酵为3334℃, 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
℃
⑶传热系数得确定
①罐内发酵液得传热膜系数
发酵液得性质103 Kg/ m3 N=2103PaS Re=1、53106 得发酵罐内发酵液传热膜系数为 3、76103W/ m2K
②总传热面积得计算
由总传热系数1/K=0、00195 得 K=512W/ m2
则传热面积为1、53106/13、74512=217、5 m2
三，搅拌器得设计
1、搅拌器直径得选择
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
搅拌器得安装尺寸:
=3/4d
盘径d
i
叶径d=0、3 D=1500
叶高H=0、2d=300 叶炫长 L=0、25d=375
弧长 r=0、375d=562、5 叶距 y=D=50
2,搅拌转速得确定
通常搅拌器叶端圆周线速度 V=3~8m/s
本设计选用得涡轮式搅拌器取 V=7 m/s
则转速取90
3,搅拌器得尺寸
①层数得确定
取3
②层间距得确定
=12、6m H=10m 装液高度8、3m m=3 d=1、5m H
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= 取3m
4,搅拌功率得确定
①单层搅拌功率得计算
②多层搅拌功率得确定
P
总
=3P=480KW
5,搅拌轴得设计
发酵罐就是竖直安装得。
皮带轮直接接于支座旁。
可以认为没有弯管曲载荷作用得影响,仅需考虑扭转作用,所以轴计算主要以扭转强度计算与扭转刚度计算。
曲轴径170mm,查《材料与零部件》轴上安装零件设计选用:
A 。
轴承
搅拌器受轴向力与径向力得共同作用,故轴承得选择用双向心球面滚子
轴承,查《材料与零部件》中P
416
,选GB28664轻宽(5)系列3520。
B.联轴器得选用
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P
547
,选用AG521365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JO2718型电机带动。
用D
1=160mm,实心轴带动,则大皮带轮直径:D
2
=m
1
/m
2
*D
式中:m
1
——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，消泡器得设计
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。
同时大量得泡沫会随气流逸出造成发酵液得损失,也易引起染菌。
本设计采用消泡效果好得梳状式消泡器,消泡器得长度一般为发酵罐内径得0、65。
即 L=0、65D=0、65=3250mm
六，空气分布装置
七，
空气分布装置得作用就是吹入无菌空气并使空气均匀分布。
分布装置得形式有单管与环型管。
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,为防止吹管吸入得空气直接喷出而加速罐底腐蚀,在分布装置得下部分装有不锈钢分散器,可延长罐底得寿命。
八，
单孔管径:1/2=0、074m
九，取内径d=74mm 现选用833、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 m3/s 流速取1、5m/s 则进料管截面积为
F=Q/r= m2
管径
参考《化工工艺设计手册》上,第291页选无缝不锈钢管
材料1Cr18Ni9Ti
2，出料管
料液量V= m3
如每小时排液90 m3则两小时内可将料液排完,则出料管截面积为
F=Q/r==0、0167 m2
管径取无缝不锈钢管
材料1Cr18Ni9Ti
3，接种管
接种时间1小时,接种量为 m3 流速取1、5m/s
F=Q/r= m2
选无缝不锈钢管
材料1Cr18Ni9Ti
4，蒸汽管
选用得无缝不锈钢管材料1Cr18Ni9Ti
5，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GB58364,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16
板片尺寸:658*245
传热系数:35005800 W/ m²*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
选用两段加热得混合式连消塔、
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=18S
H=0、07*18=1、26m
维持罐 30 m³,1个,材质Gr18N;97/
十,其她发酵车间设备
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/。