第9章__发酵罐放大与设计
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发酵罐的设计范文
发酵罐的设计范文发酵罐是用来进行微生物发酵过程的设备，广泛应用于食品、医药、饲料、酒精等行业。
它的设计对于保证发酵过程的顺利进行具有重要意义。
首先，在设计发酵罐时，需要考虑容器的材质选择。
常见的发酵容器材质有玻璃、不锈钢、塑料等。
其中，不锈钢是目前最常用的材料，因为它具有良好的耐腐蚀性能和机械强度，能够适应不同的发酵工艺和条件。
此外，不锈钢材质还易清洗，能够保证发酵过程的卫生安全。
其次，发酵罐的设计应考虑容器的形状和尺寸。
一般而言，发酵罐的形状可以是圆柱形、椭圆形或立方形，尺寸则根据实际需要而定。
圆柱形发酵罐具有较小的基底面积，体积利用率较高，适用于大规模的发酵过程；而椭圆形发酵罐能够减小搅拌时的死角和液流的旋转，有利于发酵物料的均匀混合；立方形发酵罐则容易进行工艺控制和操作。
根据实际需要选择合适的形状和尺寸，以满足发酵工艺的要求。
同时，发酵罐的设计还需要考虑气体供应和排出的设施。
发酵过程中，微生物需要氧气进行呼吸，因此罐体需要有合适的进气装置，以保证微生物的正常生长。
常见的进气装置有机械式搅拌、气体通道等。
同时，还需要考虑废气的排出，避免微生物产生过量气体而影响发酵过程。
此外，温度和酸碱度是影响发酵过程的关键因素，因此在设计发酵罐时需要考虑温度和酸碱度的控制设备。
发酵罐通常会设置恒温装置，以保持适宜的发酵温度。
常见的恒温设备有水浴、电热传导等。
对于酸碱度的控制，可以通过添加酸碱溶液等方式进行调节。
最后，发酵罐的设计还需要考虑搅拌和控制系统。
搅拌过程有助于增加氧气传递、混合反应物料和促进产物的分散。
搅拌系统通常包括电机、搅拌桨和传动装置等。
对于控制系统，需要设置相应的传感器和控制器，以对温度、酸碱度、溶解氧等过程参数进行监测和控制。
总之，发酵罐的设计是一项复杂而重要的任务，需要考虑容器材质选择、形状尺寸、气体供应排出、温度酸碱度控制以及搅拌控制系统等方面。
只有合理设计，才能满足发酵过程的要求，保证产品的质量和产量。
发酵罐的比拟放大
ωg＝Qg/(π/4·D2)＝0.06/ (3.14/4×0.3752) =0.546 m/min=54.6 cm/min
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
发酵工程与设备第九章、第一讲-发酵放大与设计
缺点
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（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 W / D = 1/8 ～ 1/12 B / d = 0.8 ～1.0 (s/d)2 = 1.5 ～2.5 (s/d)3 = 1 ～2
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
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
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
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
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。
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
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
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（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 W / D = 1/8 ～ 1/12 B / d = 0.8 ～1.0 (s/d)2 = 1.5 ～2.5 (s/d)3 = 1 ～2
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
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
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
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
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。
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
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
第九章 发酵罐放大与设计
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，
3. 挡板（续）
说明
竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不 另加档板。故一般装4块档板，可满足全档板条件。 档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）
任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”
2.放大准则
通常根据实际发酵中主要影响因素来确定，
如：KLa、 P/V、nd等等。
3.放大方法
经验放大法
几何相似法
非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空
搅拌器为主 。 桨叶型式：有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
K La
PG α β k ( ) WS V
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平
综合传质+混合， 弯叶最好（对于KLa）。
竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较 蛇管大，适用于气温较高，水源充足的地区。
第四节 通用式发酵罐的设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
二、发酵罐设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
1.发酵罐设计的基本原则
能否适合于生产工艺的放大要求 能否获得最大的生产效率
2.发酵罐最大生产能力的确定
第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无 菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵 工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽 灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算 机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和 纯化设备逐步实现商品化
加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，
3. 挡板（续）
说明
竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不 另加档板。故一般装4块档板，可满足全档板条件。 档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）
任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”
2.放大准则
通常根据实际发酵中主要影响因素来确定，
如：KLa、 P/V、nd等等。
3.放大方法
经验放大法
几何相似法
非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空
搅拌器为主 。 桨叶型式：有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
K La
PG α β k ( ) WS V
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平
综合传质+混合， 弯叶最好（对于KLa）。
竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较 蛇管大，适用于气温较高，水源充足的地区。
第四节 通用式发酵罐的设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
二、发酵罐设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
1.发酵罐设计的基本原则
能否适合于生产工艺的放大要求 能否获得最大的生产效率
2.发酵罐最大生产能力的确定
第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无 菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵 工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽 灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算 机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和 纯化设备逐步实现商品化
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。
发酵罐的设计PPT演示课件
23
4 空气分布管
作用：使通入的空气均匀分布
型式： 单管式 正对罐底，距罐底 40mm，罐底衬不锈 钢圆板，防空气冲击
环 式 不常用，易堵。
24
5 传动装置 （1）变速装置：无级变速与皮带轮变速。10级
(500)，八级(750)，六级(1000)，从主动轮直径比 要小于7，以增加吃带面积。另外拉大主、从动 轮间距也可增加吃带面积。
时自动吸入空气。
41
42
2.2.2 定子与转子的结构与类型
将液转 气体子 体甩的 吸出作 入，用 。形：
成将 内转 部子 真内 空的 ，
打体定 碎混子 ，匀的 促，作 进甩用 溶出： 氧，将 。将气
大体 气与 泡液
43
44
45
46
2.2.3 自吸式发酵罐的优缺点
优点: 不需另设空气制备系统,投资少,能耗低,吸 入的气泡小,溶氧效果好,是通用罐的3倍.
5
2.1 通风机械搅拌发酵罐
2.1.1罐体尺寸 2.1.2罐的结构 2.1.3罐容积的计算 2.1.4罐的优缺点
6
2.1.2 罐的结构
图6-1 小型发酵罐结构图 1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节； 4.轴封；5.窥镜；6.取样口；7.冷却水出口； 8.夹套；9.螺旋片；10.温度计；11.轴；12. 搅拌器；13.底轴承；14.放料口；15.冷水进 口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板； 19.接压力表；20.手孔；21.电动机；22.排 气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接 口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口
26
6 轴封
型式：端面轴封和填料函式轴封 作用：密封搅拌轴与罐顶（底）间的
缝隙，防止泄漏和染菌 组成：
4 空气分布管
作用：使通入的空气均匀分布
型式： 单管式 正对罐底，距罐底 40mm，罐底衬不锈 钢圆板，防空气冲击
环 式 不常用，易堵。
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5 传动装置 （1）变速装置：无级变速与皮带轮变速。10级
(500)，八级(750)，六级(1000)，从主动轮直径比 要小于7，以增加吃带面积。另外拉大主、从动 轮间距也可增加吃带面积。
时自动吸入空气。
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2.2.2 定子与转子的结构与类型
将液转 气体子 体甩的 吸出作 入，用 。形：
成将 内转 部子 真内 空的 ，
打体定 碎混子 ，匀的 促，作 进甩用 溶出： 氧，将 。将气
大体 气与 泡液
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2.2.3 自吸式发酵罐的优缺点
优点: 不需另设空气制备系统,投资少,能耗低,吸 入的气泡小,溶氧效果好,是通用罐的3倍.
5
2.1 通风机械搅拌发酵罐
2.1.1罐体尺寸 2.1.2罐的结构 2.1.3罐容积的计算 2.1.4罐的优缺点
6
2.1.2 罐的结构
图6-1 小型发酵罐结构图 1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节； 4.轴封；5.窥镜；6.取样口；7.冷却水出口； 8.夹套；9.螺旋片；10.温度计；11.轴；12. 搅拌器；13.底轴承；14.放料口；15.冷水进 口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板； 19.接压力表；20.手孔；21.电动机；22.排 气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接 口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口
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6 轴封
型式：端面轴封和填料函式轴封 作用：密封搅拌轴与罐顶（底）间的
缝隙，防止泄漏和染菌 组成：
发酵罐的设计课程设计
发酵罐的设计 课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解发酵的基本原理，掌握发酵过程中关键因素的控制方法。
2. 学生能够了解发酵罐的结构、功能及其设计原理，掌握发酵罐操作的基本步骤。
3. 学生能够掌握发酵过程中常见问题的解决方法，提高对发酵工程的认识。
技能目标：1. 学生能够运用所学的发酵知识，设计并制作一个简单的发酵罐模型，提高动手实践能力。
2. 学生能够通过小组合作，完成发酵罐的设计、搭建和调试，培养团队协作能力和沟通技巧。
3. 学生能够运用所学知识，分析和解决发酵过程中出现的问题，提高问题解决能力。
情感态度价值观目标：1. 学生对发酵工程产生兴趣，认识到生物技术在生产生活中的重要作用，培养对生物工程的热爱。
2. 学生通过实践活动，增强对科学研究的信心，培养勇于探索、积极创新的科学精神。
3. 学生在小组合作中，学会尊重他人意见，培养合作精神，提高人际交往能力。
本课程针对高年级学生，结合发酵工程学科特点，注重理论联系实际，提高学生的实践操作能力。
课程设计以学生为主体，鼓励学生主动参与、积极思考，培养学生的创新意识和解决问题的能力。
通过本课程的学习，使学生能够在实际操作中巩固所学知识，提升技能，形成正确的价值观。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下三个方面：1. 发酵基本原理：- 发酵过程的定义、类型及特点- 发酵过程中微生物的生长规律- 发酵过程中关键因素（如温度、pH、溶氧等）的控制2. 发酵罐设计与操作：- 发酵罐的结构、功能及其设计原理- 发酵罐的选型与计算- 发酵罐的操作步骤及注意事项3. 发酵过程问题分析与解决：- 发酵过程中常见问题的原因分析- 发酵过程参数的检测与调整- 发酵过程中异常情况的处理方法教学大纲安排如下：第一周：发酵基本原理学习，了解发酵过程的关键因素；第二周：发酵罐的结构、功能及设计原理学习，进行发酵罐选型与计算；第三周：发酵罐操作步骤学习，实践操作发酵罐；第四周：发酵过程问题分析与解决，总结经验，提高发酵成功率。
从摇瓶到发酵罐的发酵放大问题
从摇瓶到发酵罐的发酵放大问题发酵发酵罐重复性标题:从摇瓶到发酵罐的发酵放大问题摘要:从摇瓶到发酵罐的发酵放大问题我在实验室50ml 250ml三角瓶做，37℃150rpm；放大到300L发酵罐，转速180rpm（不能调），风量要控制在多少合适啊？这个细菌是微好氧的。
有一次，溶氧都降到2%了，反而结果还比前几次好。
但是产物也只有摇瓶做的50%。
怎么优化啊？回复：溶氧控制在转速180rpm时，是比较扯淡的，因为转速不足以把微量空气氧打散到促进气液两相的传质程度！！（我在10L罐上……关键词:发酵发酵罐重复性回复：优化大罐需要考虑：罐压，接种量，pH范围，通气量范围，起使转速，温度，DO范围。
这些都是必须考虑的，你可以适当固定1到2个条件，看看生长怎么样。
穷孩子，发酵罐和摇瓶相差太大，因为整体的机制不甚相同，我觉得最大的区别在于1 摇瓶靠的是离心力，而发酵罐是真正的剪切，有些菌种在摇瓶中生长良好，但到发酵罐上由于剪切作用而无法结团，所以很多时候两者是不一样的。
2 溶氧问题：上面几位说得很全了，我就不多说了:P流加式的，你在摇瓶上无法实现持续流加吧，但是发酵罐是可以的。
测到（但是现在已经出现直接跟着检测系统的摇瓶系统），所以你无法维持一个恒定的pH。
发酵罐可以通过在线控制pH值恒定5 数据：你做发酵，最重要的是得到合适的配方与工艺吧，往往在发酵罐上可以比较全地反映出你的整个发酵状态，什么时间菌体疯狂生长，什么时间进入产素阶段，根据一些指标可以看得出来，所以摇瓶只是表层，发酵罐才是深层，总之吧，摇瓶肯定是基础，只有在摇瓶的基础上进行系统的发酵罐的研究才能真正适合生产。
再者，你就是由小罐到大罐的工艺操作还是不尽相同。
仅供参考，大家多交流！微生物发酵的放大实验，要注意反应罐的培养温度，培养基浓度，PH值，搅拌转速，还要不断的反应罐增加补料。
温度好控制pH上罐子是可以调节的，在摇床上你只能定时取样检测溶氧就差的很大了，摇床上基本就是缺氧的，上罐子因为有通气所以在一定条件下能确保溶氧，这样会导致用摇床摇菌的时间远远大于上罐子的时间，我现在做的菌，在摇床上基本是16小时左右吧，上罐子就6、7个小时不锈钢最怕氯离子了,特别是盐酸.酸的种类多了,看你需要补课的多,还是自己先学一阵子先吧.回复选择硫酸或磷酸即可不知楼主为何选盐酸:sweat:回复不锈钢最怕氯离子啦，尤其是盐酸，有些用自来水的厂子都要严格控制水中氯的含量！你们做多久啦？多大的罐子呀？发酵罐是压力容器，先停下来检修吧，不然出了事就是人命关天的大事:cat3:回复主要看HCl在发酵过程中起什么作用，是否可以替换。
发酵罐的设计与放大
附属零件计算挡板，S，C，管路，空气分布器，传热面积即可，不用算壁 厚。
I
目录
1. 前 言......................................................................................................................... 1 2. 设计依据................................................................................................................... 2
2.1 相似性放大的内容.......................................................................................... 2 2.2 相似性放大的依据.......................................................................................... 2 2.3 相似性放大和它的基本方法.......................................................................... 2 2.4 发酵过程的控制和检测.................................................................................. 2
2.4.1 发酵过程的参数检测意义................................................................... 2 2.4.2 发酵过程监控的主要指标................................................................... 3 2.4.3 监控的方式........................................................................................... 3 2.5 发酵罐结构...................................................................................................... 4 2.6 机械搅拌罐放大流程...................................................................................... 4 3. 工艺设计内容（计算及论述分析）....................................................................... 5 3.1 依据几何相似原则计算发酵罐尺寸.............................................................. 5 3.2 试验罐各参数的计算...................................................................................... 6 3.2.1 搅拌雷诺数 ReM.................................................................................. 6 3.2.2 不通气时的搅拌功率........................................................................... 6 3.2.3 通气时的搅拌功率............................................................................... 6 3.2.4 空气截面气速....................................................................................... 7 3.2.5 体积溶氧系数....................................................................................... 7 3.3 生产罐的各参数计算...................................................................................... 7 3.3.1 空气截面气速的计算........................................................................... 7 3.3.2 生产罐的通气速率............................................................................... 8 3.3.3 通气强度............................................................................................... 8 3.3.4 搅拌器线速度....................................................................................... 8 3.3.5 搅拌器转速........................................................................................... 8 3.3.6 雷诺准数 ReM 计算............................................................................. 8 3.3.7 不通气时的搅拌功率........................................................................... 9 3.3.8 通气时的搅拌功率............................................................................... 9 3.3.9 生产罐的体积溶氧系数 KLα .............................................................. 9 3.4 试验罐与放大计算结果比较.......................................................................... 9 4 附属零件的计算....................................................................................................... 11 4.1 计算挡板数量和尺寸.................................................................................... 11 4.1.1 挡板宽度............................................................................................. 11
I
目录
1. 前 言......................................................................................................................... 1 2. 设计依据................................................................................................................... 2
2.1 相似性放大的内容.......................................................................................... 2 2.2 相似性放大的依据.......................................................................................... 2 2.3 相似性放大和它的基本方法.......................................................................... 2 2.4 发酵过程的控制和检测.................................................................................. 2
2.4.1 发酵过程的参数检测意义................................................................... 2 2.4.2 发酵过程监控的主要指标................................................................... 3 2.4.3 监控的方式........................................................................................... 3 2.5 发酵罐结构...................................................................................................... 4 2.6 机械搅拌罐放大流程...................................................................................... 4 3. 工艺设计内容（计算及论述分析）....................................................................... 5 3.1 依据几何相似原则计算发酵罐尺寸.............................................................. 5 3.2 试验罐各参数的计算...................................................................................... 6 3.2.1 搅拌雷诺数 ReM.................................................................................. 6 3.2.2 不通气时的搅拌功率........................................................................... 6 3.2.3 通气时的搅拌功率............................................................................... 6 3.2.4 空气截面气速....................................................................................... 7 3.2.5 体积溶氧系数....................................................................................... 7 3.3 生产罐的各参数计算...................................................................................... 7 3.3.1 空气截面气速的计算........................................................................... 7 3.3.2 生产罐的通气速率............................................................................... 8 3.3.3 通气强度............................................................................................... 8 3.3.4 搅拌器线速度....................................................................................... 8 3.3.5 搅拌器转速........................................................................................... 8 3.3.6 雷诺准数 ReM 计算............................................................................. 8 3.3.7 不通气时的搅拌功率........................................................................... 9 3.3.8 通气时的搅拌功率............................................................................... 9 3.3.9 生产罐的体积溶氧系数 KLα .............................................................. 9 3.4 试验罐与放大计算结果比较.......................................................................... 9 4 附属零件的计算....................................................................................................... 11 4.1 计算挡板数量和尺寸.................................................................................... 11 4.1.1 挡板宽度............................................................................................. 11
发酵罐的设计与放大ppt课件
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• 外循环式的循环管设计在罐体外部， 内循环管是两根，设计罐体内部。
• 在气升式发酵罐中，循环管的高度一 般不高于罐内液面。
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气升式发酵罐的结构 分为内循环和外循环两种。
主要结构包括： • 罐体 • 上升管 • 空气喷嘴
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改良通风式发酵罐
• (1)瓦尔德夫发酵罐，有独特的消泡装置。 • (2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐。上搅
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。
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• (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。
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• 3.按容积分类 一般认为，500L以下的实验室发酵罐， 500～5000L是中试发酵罐，5000L以 上是生产规模的发酵罐。
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4.按微生物生长环境分类
• 发酵罐内存在两种系统，即悬浮生长系统 和支持生长系统。一般说来，大多数发酵 罐都有这两种系统。悬浮生长系统中的微 生物细胞是浸泡在培养液中且伴随着培养 液一起流动；
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自吸式发酵罐的结构 • 罐体 • 自吸搅拌器及导轮 • 轴封 • 换热装置 • 消泡器
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发酵罐比拟放大和它的基本方法
它们组成几个具有一定物理含义的无因次数，并
建立它们间的函数式，然后用实验的方法在试验 设备中求得此函数式中所包含的常数和指数，则
此关系式在一定条件下便可用作为比似放大的
依据。比拟放大是化工过程研究和生产中常用的
基本方法之一。
别离人心伤，伤心人测是定时在
比拟放大是把小型设备中进行科学实验所
获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它
不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放 大。
比拟放大的内容就是发酵罐的几何尺寸，通
风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放大问
题，这些内容都有一定的相互关系。
别离人心伤，伤心人断肠，断肠人嗜酒。酒过愁肠人更愁
首先必须找出表征着此系统的各种参数，将
发酵罐视孔上观察泡沫产生情况，发现泡沫持续
上升时，开启消泡剂贮罐的阀门，流加少量消泡 剂，使泡沫消失即可。
也可在罐内顶部装一不锈钢探头并与控制
仪表连结，用以控制消泡贮率阀门的开启。当泡
沫上升接触探头顶端时产生的信号，通过控制装 置，指令打开泵开关或阀门，自动加入消泡剂，
别离人心伤，伤心人断肠，断肠人嗜酒。酒过愁肠人更愁
泡沫消失，信号也随之消失，阀门关闭。
发酵罐搅拌转速与发酵的溶氧系数关系十
分密切。因为溶氧系数 KLa 正比于单位发酵液的
搅拌功率消耗，而功耗与搅拌转速的三次方成正
比。所以在一定几何结构条件下发酵罐的溶氧系
数 KLa 主要受搅拌转速的影响。
别离人心伤，伤心人断肠，断肠人嗜酒。酒过愁肠人更愁
009911
。
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发酵工程 9 发酵罐放大与设计
1)罐体(实验室全自动发酵罐 实验室全自动发酵罐) 实验室全自动发酵罐 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 不锈钢或复合不锈钢制成,衬里用的不锈钢板 厚度为2-3mm. 为了满足工艺要求,罐需承受一定压力,通常 灭菌的压力为0.25MPa(绝对大气压).
5)变速装置 试验罐采用无级变速装置.发酵罐常用的变速 装置有三角皮带传动,圆柱或螺旋圆锥齿轮减 速装置,其中以三角皮带变速传动较为简单, 噪音较小. 6)空气传布装置 分布装置有单管及环形管等. 7)轴封 轴封的作用是防止泄漏和染菌.常用轴封有填 料函和端面轴封两种.
4,发酵罐的换热装置
发酵罐换热装置型式 发酵用的传热装置有夹套和排管两种. 一般小型发酵罐多采用外夹套作为传热装置, 而大中型发酵罐多采用排管换热器,这是因为 罐的容积愈大,其单位体积培养液具有的周壁 表面愈小,排管同时还可起挡板的作用.
这种设备的优点为: (1)节省空气净化系统中的空气压缩机及其辅 助设备,减少厂房占地面积; (2)减少设备投资费约30%; (3)设备便于自动化,连续化,降低劳动强度, 减少劳动力; (4)气泡小,气液因均匀接触,溶氧系数高; (5)酵母发酵周期短,发酵液中酵母浓度较高
缺点: 缺点: 罐压较低,装料系数约 罐压较低,装料系数约40%,吸程一般不高, ,吸程一般不高, 必须采用低阻力高效空气除菌装置. 必须采用低阻力高效空气除菌装置.
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四,连续管道发酵器
连续管道发酵 器所用的管道多种多 样,可以是只管也可 以是蛇管,培养液和 种子罐不断流入管道 发酵器内进行发酵, 这种发酵方法主要用 于厌氧发酵.
五,固定化酶,固定化细胞反应器 固定化酶,
以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置, 以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置, 称为酶反应器. 称为酶反应器. 酶反应器的作用在于为酶提供适当环境( 酶反应器的作用在于为酶提供适当环境(即酶反 应过程的工艺条件), ),以达到生物化学转化的目 应过程的工艺条件),以达到生物化学转化的目 使底物生成为所需要的中间产物或最终产品. 的,使底物生成为所需要的中间产物或最终产品. 70年代以来,固定化酶和固定化微生物技术不断 年代以来, 年代以来 地应用于工业生产上, 地应用于工业生产上,因而对酶反应器的研究与 开发,就越来越显得重要与迫切. 开发,就越来越显得重要与迫切.
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发酵罐最重要的几何比例是D ｉ/Dt，H/Dt，
Ds/Di， Db/Dt，(Di为搅拌浆直径，Dt为罐体
直径， H 为罐体高度，Ds为搅拌浆到罐底的
距离， Db为挡板的宽度)；还有搅拌浆的叶
轮直径和各部分入的空气分散成小气泡，
增加气液接触，促进氧溶解于
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填料函轴封是由填料箱体、填料底衬套、填料压 盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的
效果。
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填料函式轴封的优点是结构简单。 用于发酵罐，它的缺点是：
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。
故在发酵罐上，多数不用
近来新型发酵罐的 冷却面移至罐外,采 用半圆形外蛇管
优点
罐体容易清洗 增强罐体强度,因而 可大大降低罐体壁 厚,使整个发酵罐造 价降低 提高了发酵罐的容 积,增大放罐体积
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(11) 人孔
人孔：中大型发酵罐顶装设有人孔，用于 发酵罐的维修或清洗。
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(12) 发酵罐的管路、接口
发酵罐设计与放大
三 四
发酵罐的设计 发酵罐的放大
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二、发酵罐的结构
1. 通用式发酵罐
机械搅拌通风发酵罐
利用机械搅拌器的作用，使无菌空气和发酵液充分混
合，促进氧溶解，以保证微生物的生长繁殖所需要的
氧气。
约占发酵罐总数的70~80%，所以也称标准式或通用
式发酵罐。
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通用式发酵罐的结构
• • • • • • • • • • 罐体 轴封 消泡器 搅拌器 联轴器 轴承 挡板 空气分布管 换热装置 人孔、管路、测量仪表等
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
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挡板的宽度： 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。一般要满足下式： （W/D）•Z =0.4 一般装四块挡板 Z—档板数
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发酵罐内的列管、排
发酵罐的工作周期 空消—实消—降温、通气—接种、补料、取 样—放料—清洗
罐体上的通道口一般有：
进料口 放料口 接种口 取样口 消泡剂口 补料口 进气口 排气口
进料管路有时配在罐体上封头,有时位于罐体下部与 放料管路共用一个管口
有时取样、放料、接种使用一个口
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(13) 测量仪表
发酵罐检测参数有: pH 值、温度、溶氧值、 搅拌速度、罐内压力、空气流量、泡沫度 等
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单管：常用，简单实用， 单次通入量大
单管式管口对正罐底中央，装于最低 一挡搅拌器下面，喷口朝下，管口与 罐低的距离约40mm。 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，叫补强板。
通风管
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环形管：属于多孔管式。空气分布均匀，效果 不如单管式，且喷气孔容易被堵塞。现很少采用。
作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响 转动
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(9) 变速装置
需要变速的原因： 电机的转速大于搅拌器所需转速。 电机分四级，转速分别约为： 800、1000、1400、1600 rpm； 而搅拌转速则一般为90-110 rpm。 发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。
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(9) 变速装置
发酵罐的基本概念
发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业 的心脏，是连接原料和产物的桥梁。 广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作 提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指
进行微生物深层培养的设备。
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一、发酵罐的类型
1、按微生物代谢类型分类
好氧发酵罐 (通风发酵罐)
抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等 需要强烈的通风搅拌→提高氧传质系数KLa
第九章 发酵罐放大与设计
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√ √
√
√ √ √
发酵罐
√
3
发酵罐放大 与设计
一 发酵罐类型与结构 二 发酵罐的类型 发酵罐的结构
发酵罐设计与放大
三 四
发酵罐的设计 发酵罐的放大
4
了解发酵罐的类型 掌握通用式发酵罐的基本结构 了解发酵罐设计的基本原则和要求 了解发酵罐放大设计的方法
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这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能 对发酵液产生污染 仪表的测量点的位置应根据罐内发酵液的 流型进行合理的布点
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二、发酵罐的结构
1. 通用式发酵罐
通用式发酵罐的主要部件
(1) 罐体 (7)联轴器
(2) 搅拌器
(3) 挡板
(8)轴承
(9)变速装置
(4) 轴封
(5) 消泡器 (6) 空气分布管
厌氧发酵罐 (嫌气发酵罐)
丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等 不需要通气
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一、发酵罐的类型
2、按供氧方式分类
机械搅拌通风发酵罐 （通用式发酵罐） 机械搅拌自吸式发酵罐 伍式发酵罐 气升式发酵罐 非机械搅拌 喷射自吸式发酵罐 塔式发酵罐
机械搅拌 通风 发酵罐
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一、发酵罐的类型
3、新型发酵罐
膜生物反应器
近年来生物工程领域的研究热点
反应 和 分离的耦合 使产物及时移去，降低产物的反馈抑制作用
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发酵罐大小的大致概念
室验室用发酵罐
1 L--50L
中试用发酵罐
50L--5000L
9
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生产用发酵罐：> 5000 L
抗生素发酵罐的容积以80～200 米3 为主
氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150～300 米3
管或蛇管也可起相应
的挡板作用。
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一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另 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（0.2~0.4）W， 避免形成死角，防止物料与菌体堆积。
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(4) 轴封
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。 形式：
填料函轴封 端面轴封(机械轴封)
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(1) 罐体的尺寸比例
H：筒身高度 HL：液位高度
D：罐径
d: 搅拌器直径 s: 两搅拌器间距 B：下搅拌器距底 部间距
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(1) 罐体的尺寸比例
以罐体直径D、搅拌器直径d为基准 H/D=1.7－3 HL/D=2－2.5
d/D=1/3－1/2
W/D=1/12－1/8 B/D=0.8－1.0 (s/d)2=1.5－2.5 (s/d)3=1－2
三角皮带
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(10) 传热装置
发酵罐的冷却,主要是考虑：
微生物发酵过程的发酵热 机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量 此外还要考虑,发酵罐空消、实消后的冷却 时间。
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夹套：在小型罐中往往应用 夹套换热装置，优点是结构 简单，加工方便，易清洗。
换热系数较低，故只用于5m3以 下的小罐。夹套的换热系数在 400～600kJ／(m2〃h〃℃)之间。
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立式蛇管：在罐内设4组或8组蛇管。其优点为：管 内水的流速大，传热系数高，在1200～4000kJ／ (m2〃h〃℃)之间。 可兼起档板的作用。 缺点：罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1.5 %容积， 蛇管一旦发生泄漏，将造成整个罐批的发酵液染菌， 且罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便。
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冷却蛇管
椭圆封头
筒体
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（1）罐体 为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手 孔。中大型发酵罐则装设有维修或清洗的人孔。 罐顶还装有视镜。 在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、 接种管和压力表接管。
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结构
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发 酵 罐 结 构 图
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（1）罐体 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。
珠海益力味精集团有限公司630 米3机械搅拌发酵罐， 是世界上最大的通用式发酵罐之一。 越来越多的啤酒生产厂家采用 400m3 和600m3 大罐, 甚至 800m3 大罐。 新建的酒精生产企业，其发酵罐单罐容积一般在 1000-2000米3之间
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发酵罐放大 与设计
一 发酵罐类型与结构 二 发酵罐的类型 发酵罐的结构
(10)换热装置
(11)人孔 (12)管路 (13)测量仪表
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思考题
什么是通用式发酵罐？其基本结构包括哪些部 件？各有什么作用？
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(7) 联轴器
大型发酵罐搅拌轴较长，常 分为二至三段加工，再用联轴 器组成牢固的刚性联接。
联轴器
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。
法兰
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联轴器示意图
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(8) 轴承
中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中 间轴承。
中间轴承
底轴承
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轴承结构
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二、发酵罐的结构
1. 通用式发酵罐
通用式发酵罐的主要部件
(1) 罐体 (7)联轴器
(2) 搅拌器
(3) 挡板
(8)轴承
(9)变速装置
(4) 轴封
(5) 消泡器 (6) 空气分布管
(10)换热装置
(11)人孔 (12)管路 (13)测量仪表
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(1)罐体
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。
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安装在罐外的消泡装置——接于罐的排气口 旋风式消泡器 其工作原理与 旋风分离器相 同。