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1、 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 通风发酵罐 类型： 通风发酵罐 v 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 v 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 v 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 v 通风固相发酵罐 机械搅拌发酵罐(TRC) 工作原理： 利用机械搅拌
2、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) 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。 之机械搅拌发酵罐 发酵罐的基本条件： 之机械搅拌发酵罐 大型发酵罐结构 2 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； 17电机； 18压
3、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 之机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐的结构 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2.3 自动玻璃发酵罐 图2.4 玻璃搅拌发酵罐 图2.5 不锈钢搅拌发酵罐 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)。 之机械搅拌发酵罐 罐 体 受内压的壁厚： 受外压的壁厚： 之机械搅拌发酵罐 搅拌器和挡板 搅
4、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。 图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图 1-六直叶涡轮式；2-推进式3- Lightnin 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(0.10.12)D ，装设46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：
5、 之机械搅拌发酵罐 无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型 之机械搅拌发酵罐 轴 封 填料函轴封：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。 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。 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 互贴合，并作相对转动而达到密封。 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 压紧螺栓 填料箱体 图2.10 填料函 转轴 填料压盖 铜环 填料 转轴 图2.11 端面封轴 动环 静环 堆焊硬质 O形环 图2.12 双 端面封轴 密封环
6、搅拌轴 罐体 齿轮箱 传动齿轮箱 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 空气分布器 之机械搅拌发酵罐 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，
7、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。 旋风离心式 叶轮离心式 耙式消泡器 碟片式消泡器 刮板式消泡器 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。 之机械搅拌发酵罐 联轴器及轴承 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。 常用的联轴器有鼓形及夹壳形
8、两种。 联轴器 法兰 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）。 之机械搅拌发酵罐 轴 承 底轴承 中间轴承 之机械搅拌发酵罐 冷却装置 夹套冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却 适 用 范 围 5m3以下小发酵罐大型发酵罐 大型发酵罐 气温较高的地区 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 。 加工方便，提高 传热推动力的温 差。 缺 点 传热壁较厚，冷却 水流速低，降温效 果差。 冷却水较高时，降 温困难，弯曲位置 易腐蚀。 用水量较大。 在罐
9、外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液 进行循环冷却。 图2.13 机械搅拌通风发酵罐 的几何尺寸 之机械搅拌发酵罐 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积 体积 尺寸 椭圆形封头体积： 发酵罐的总体积： 近似为 ： 之机械搅拌发酵罐 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) 测量体积溶氧系数的方法 一、亚硫酸盐氧化法 二、溶氧电极法 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。 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： 1）增加搅拌器转速N，以提
10、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*。 提高KLa的途径 机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌 或 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。 之机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐的热量传递 发酵过程的热量计算 生物合成热量计算法 冷却水带出热量计算法 发酵液温升测量计算法 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无通气搅拌输入的功率（W）； NP功率准
11、数，是搅拌雷诺数ReM的函数； 涡轮转速（r/s）； L液体密度（kg/m3）； 液体粘度（N.s/m2）； D 涡轮直径（m）； 圆盘六平直叶涡轮 NP6 圆盘六弯叶涡轮 NP4.7 圆盘六箭叶涡轮 NP3.7 通气搅拌功率Pg的计算 修正的迈凯尔公式： 搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨） P0无通气搅拌输入的功率（kW） 涡轮转速（r/min） Di 涡轮直径（cm） Q通气量（mL/min） 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 =168rpm，通气量 Q=1.
12、42 m3 /min，醪液粘度=1.9610-3 Ns/ m2，醪液密度 =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kL，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： 搅拌功率的计算 2.因Re104，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： 3.求通气时搅拌功率Pg： 4.所需电动机功率为： 4. 求kL ： 先求空截面气速vS： 求kL ： 之机械搅拌发酵
13、罐 之机械搅拌发酵罐 小 结 热量传递 工作原理 结构 几何尺寸 通风、溶氧传质与搅拌 搅拌功率的计算 之气升式发酵罐 气升式发酵罐(ALR) 工作原理 特点及应用 主要结构及操作系数 典型的气升式发酵罐 工作原理 之气升式发酵罐 o 类型 气升环流式、塔式、空气喷射式等。 o 工作原理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷 射进入发酵液中，通过气液混合 物的湍流作用而使空气泡分割细 碎，同时由于形成的气液混合物 密度降低故向上运动，而气含率 小的发酵液则下沉，形成循环流 动，实现混合与溶氧传质。 气液双喷射气升环流反应器 o 特点 1）反应溶液分布均匀 2）较高的溶氧速率和溶氧效率 3）剪切力小 4）
14、传热良好 5）结构简单 6）能耗小 7）不易染菌 8）操作和维修方便 特点及应用 之气升式发酵罐 o 应用 酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养 酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理 主要结构及操作系数 之气升式发酵罐 o主要结构参数 1）反应器径高比H/D 2）导流筒径与罐径比DE /D 3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/D o 操作特征 1）平均循环时间tm 2）气液比R 3）溶氧传质 之气升式发酵罐 空气喷射装置 漩涡式空气喷射器 之气升式发酵罐 气升环流式反应器 气液双喷射气升环流反应器 多层空气分布板的 气升环流式反应器 之气升式发酵罐 ICIs air lift system f
15、or making single-cell protein in 1979 注射入口 ICI压力循环气升发酵罐 之气升式发酵罐 气升式玻璃发酵罐 具有外循环冷却的 气升环流式发酵罐 对偶脉冲气体环流发酵罐 之气升式发酵罐 之气升式发酵罐 BIOHOCH 反应器 径向流喷射器是核心元 件。空气和水相对喷入 ，含极大能量的水使空 气分散成又细又均匀的 气泡。循环管保证流向 及液体充分曝气。 BIOHOCH 反应器的特点： 紧凑，无噪音，无异味 因为反应器很高，故占地 面积小，不会受噪音和气味侵扰 经济 氧利用率高保证能量节省80% 可靠性 反应器易于进入，优质的防腐处理比混凝 土更不易泄漏。一旦泄漏发生，也可立即监控。一 套完整的系统保证废水不会无控制流出 。 BIOHOCH 反应器处理工业废水技
