《第二章通气发酵设备》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章通气发酵设备（206页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章通气发酵设备2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（原因：历史悠久，资料齐全，在比例放大方面积累了丰富的成功的经验，成功率高）利用搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，以提供微生物繁殖、发酵所需的氧气。3通气搅拌罐有下列优点：pH和温度容易控制尺寸放大的方法大致已确定适用于连续搅拌反应器系统CSTR等。通气搅拌罐的缺点：搅拌功率消耗大因罐内结构复杂，不易清洗干净，易被杂菌污染。此外，虽装有无菌密封装置，但在轴承处还会发生杂菌污染。培养丝状菌时，常因搅拌桨叶的剪切力致使菌丝易被切断，细胞易受损伤。4567891011121314151617181920212253 一
2、、发酵罐的基本条件1、发酵罐应具有适宜的径高比H/D为1.74罐身越长，氧利用率较高。2、发酵罐能承受一定的压力3、能使气液充分混合，保证必须的溶解氧。4、应具备足够的冷却面积。5、应尽量减少死伤。6、搅拌器的轴封要严密，尽量减少泄漏。结构结构55标准发酵罐的几何尺寸H/D=1.74d/D=1/21/3W/D=1/81/12B/D=0.81.0(s/d)2=1.52.5(s/d)3=12发酵罐的公称体积：为罐的筒身体积和底部封头的体积之和。罐的全体积近似计算为：V0表：通用式发酵罐系列表：通用式发酵罐系列58二、罐体尺寸比例与结构1、比例：发酵罐通常有两组搅拌器两组搅拌器间距S约为搅拌器为直径
3、D1的三倍，与罐底距离C一般等于搅拌直径D1，但也不宜小于0.8D1，否则影响液体循环。592、结构：通用的机械搅拌通风发酵主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却器（或夹管）消泡器、人孔或手孔和视镜。排气管应尽可能靠近罐顶中心位置。在罐身上设有冷却水进出管、进空气管及温度、pH、溶氧等检测仪表接口。取样管可设在罐顶或罐侧，视操作要求而定。60 罐体：H/D在1.74新H/D达10,优点：大大提高了空气的利用率，但压缩空气压力需要较高，顶料与底料不易混合均匀，厂房高操作不便。罐体由圆柱及椭圆型或碟形封头焊接而成罐体必须能承受一定压力和温度通常要求1300.25Mpa（绝压
4、）罐壁厚取决于罐径，材料及耐受的压强。61 受内压时式中P耐受压强Mpa表压D罐位mm焊缝系数，双面对焊=0.8无焊缝=1.0C腐蚀坏度当S-C100mm时，C=3mm作用应力封头壁厚按碟型封头计算62Y开孔系数：发酵罐取2.3受外压的壁厚按下式计算P外受压力Pa系数，直立圆筒取45，有焊缝时为50H圆筒高度mm小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔以方便清洗配料，大、中型罐设快开人孔，罐顶装设视镜及光照灯孔，还装进料管，排气管，接种管和压力表等，排气管应尽可能靠近罐顶中心的位置。632、搅拌器和挡板搅拌器作用：混合和传质挡板作用：防止液面中央形成漩涡流动推进式（螺旋浆式搅拌器）搅拌器形式l
5、ightnin式搅拌浆式搅拌器园盘蜗轮搅拌器平直叶弯叶箭叶有园盘与无园盘搅拌特性差别甚微但在发酵罐中无菌空气由单开口管通至搅拌器下方，大的气泡受园盘阻挡，避免人轴部的叶片空隙上升，保证气泡更好分散。发酵罐为什么要采用涡轮式搅拌器发酵罐为什么要采用涡轮式搅拌器? ? 发酵罐中气体的分散是属小尺度的混合,在高速旋转的旋涡与气泡之间会产生很大的相对运动和剪切力，气泡正是在这种剪切力的作用下而被破碎得更加细小。 但旋桨式搅拌器产生的总体流动只能将气泡破碎成较大的气泡但不能将气泡破碎到很小尺寸。 在涡轮式搅拌器中，液体作切向和径向运动，出口液体的径向分速度使液体流向壁面，然后分上下两路回流入搅拌器。它的
6、出口的绝对速度很大，桨叶外缘附近造成激烈的旋涡运动和很大的剪切力，可将通入气泡分散得更细，更利于提高溶氧传质系数。所以，在通气发酵罐中都采用涡轮式搅拌器。旋桨式循环量大，适用于以宏观调匀为目的的搅拌过程，尤其适用于要求容器上下均匀的场合，如配制固体悬浮液的配料池内。在发酵罐中为什么要选用带圆盘的涡轮式搅拌器带圆盘和未带圆盘的涡轮搅拌器在搅拌特性上差异甚微。但在通气发酵中，无菌空气往往采用单口朝下通至搅拌器下方，大的气泡因受到圆盘阻挡，避免了从轴部的叶片空隙逃逸，保证了气泡更好的分散而被利用。涡轮式搅拌器的类型:（1）圆盘平直叶涡轮 （2）圆盘弯叶涡轮（3）圆盘箭叶涡轮其叶片数一般采用六片叶和八
7、片叶根据发酵罐体积大小，搅拌器可采用双层和多层。根据物料性质和搅拌目的不同可采取不同叶型。 如何选择涡轮搅拌器的叶型 在相同转速和桨叶直径等情况下比较，箭叶圆盘式涡轮搅拌器所产生的剪切应力小于弯叶、平叶，但混合效果大于后两种型式，输出功率也低于后两种；平叶涡轮搅拌器所产生的剪切应力大于箭叶和弯叶，但混合效果却小于箭叶和弯叶，输出功率为最大；弯叶涡轮搅拌器所产生剪切应力、混合效果及输出功率介乎两者之间。 国外多用平叶，我国多用弯叶。国外多用平叶，我国多用弯叶。为什么采用下伸搅拌轴比上悬轴为好？下伸搅拌轴：重心低、噪音小、罐顶负荷小，轴的长度缩短，罐稳定性好。但对轴封要求更严格，一般采用双端面轴封
8、，同时料液中的固含物易掉入轴封引起磨损渗漏。72大型发酵罐搅拌装置大型发酵罐搅拌装置73常用圆盘常用圆盘涡轮式涡轮式齿形圆盘齿形圆盘涡轮式涡轮式斜叶式斜叶式平直叶式平直叶式弯叶式弯叶式翻齿型翻齿型平齿型平齿型贴齿型贴齿型74花板孔桨式花板孔桨式框、锚式框、锚式椭圆底框式椭圆底框式直锥底框式直锥底框式锚式锚式螺带螺杆式螺带螺杆式锥底螺带螺杆式锥底螺带螺杆式螺带螺杆式螺带螺杆式7576挡板的作用挡板的作用防止液面中央产生漩涡，防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻动，提高溶解氧。促使液体激烈翻动，提高溶解氧。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。挡板宽度约为（挡板宽度约为
9、（0.10.12）D；装设装设46块挡板，可满足全挡板条件。块挡板，可满足全挡板条件。竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用；用；挡板的长度自液面起至罐底为止。挡板的长度自液面起至罐底为止。挡板与罐壁之间的距离为（挡板与罐壁之间的距离为（1/5 1/8）D。77全挡板条件全挡板条件在一定转速下，再在搅拌罐内增在一定转速下，再在搅拌罐内增加挡板或其他附件，搅拌功率仍保持不变而漩涡加挡板或其他附件，搅拌功率仍保持不变而漩涡基本消失。能达到消除液面漩涡的最低条件即全基本消失。能达到消除液面漩涡的最低条件即全挡板条件。挡板条件。达到全挡板条件的要求，须满足：7879
10、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（0.10.3）挡板宽度。81三、轴封作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。通常有填料函式轴封和端面轴封（机械密封）。端面轴封又分单端面轴封和双端面轴封填料函式轴封虽结构简单，但死角多，很难彻底灭菌，容易泄漏及染菌，轴的磨损情况较严重。填料压紧的摩擦功率消耗大，寿命短，经常维修，耗工时多。所以，现多采用端面式轴封。端面轴封是把转轴的密封面从轴向改为径向，靠弹性元件（弹簧）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧紧地相互贴合，并作相对转动而达到封密效
11、果的。又称机械轴封。84而端面式轴封优点为：清洁密封可靠，在一个较长使用期中，不会泄漏或很少泄漏无死角寿命长磨擦功率耗损小，一般为填料轴封的10-50轴或轴套不会磨损，对轴的精度和光洁度没有填料函轴封严格，对轴的震动敏感性小。搅拌轴装于罐底，密封要求高应选用双端面轴封，端面轴封又称机械轴封，密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹簧等）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密相贴合并作相对转动而达到密封。87888990两端面接触的密封构件之一为硬质合金，如高硅铸铁、金属碳化钨等；两端面接触的密封构件之一为硬质合金，如高硅铸铁、金属碳化钨等；另一种为软质耐磨材料，如不锈性石墨，用作静环。另一种为软质
12、耐磨材料，如不锈性石墨，用作静环。两接触面的密封需要有一定的压力，完全由弹簧来保证这种压力两接触面的密封需要有一定的压力，完全由弹簧来保证这种压力不不平衡型。平衡型。若搅拌轴装于罐底，则密封要求高，应选用双端面轴封。若搅拌轴装于罐底，则密封要求高，应选用双端面轴封。91端面轴封端面轴封填料函填料函929394端面轴封基本构件：（1）动环和静环动环和静环组成磨擦副是机械密封最重要的元件。动环和静环是在介质中作相对旋转摩擦滑动，由于磨擦生热磨损和泄漏等现象，因此磨擦副设计应使轴封在给定条件下，工作负荷最轻，密封效果最好，使用寿命最长，设计选择时必须考虑下面几方向：对动静环材料的要求：具耐磨性，磨擦
13、系数小，导热性能好，结构紧密，孔隙率小，且动环硬度比静环大。动环用硬质合金制成，一般为高硅铸铁、不锈钢、青铜、金属碳化钨。静环用软质耐磨性材料制成，不透性石墨，聚四氟乙烯。端面宽度要求太宽则冷却和润滑效果不好，过窄则强度不足易损坏，静环宽度一般为36mm，轴径长d30mm取3mmd=4065mm取5mm，d=80110mm取6mm动环的端面比静环大13mm。96 端面比压的确定端面比压是密封和耐磨性能的重要指标选用密封所允许的最小端面比压，对提高使用寿命长有利，端面比压过大，将造成磨擦面发热、磨损加剧：功率损耗加大；比压过小，易于泄漏，密封破坏，所以端面比压不能小于端面间隙膜压力，否则密封面会
14、打开。装在罐内的内置式端面轴封的端面比压为约0.30.6Mpa。弹簧比压（弹簧作用力与密封面面积之比）为0.050.25Mpa小轴用4根弹簧，大轴用6根，每根弹簧性能应一致，以保持压紧均匀。97 动静环加工及安装要求：动静环要保持一定的活动性，使之磨擦损耗后仍能保证磨擦面的紧密配合，为此动环与轴间应留有一定的间隙，便于动环轴向移动，一般动环内径较轴径大0.51mm，静环内径大12mm，动环端面比静环宽13mm。保证端面轴封安全可靠工作的关键，除需精确的加工和安装外，还需尽可能减少轴震动，防污、泄漏，及将静环磨损。98 4、空气分布器：空气分布装置的作用是向发酵罐内吹入无菌空气，并使空气均匀分布
15、。分布装置的形式有单管及环形管等。环形管式和单管式喷孔直径25mm与罐底距40mm。环形管的分布装置：以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为25mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。空气流速取：20m/s左右。99单管式分布装置：单管式空气分布装置常用的分布装置是单管式，单管式结构简单又实用，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，管口与罐底的距离约40mm，并且空气分散效果较好，见图。若距离过大，空气分散效果较差。该距离可根据溶氧情况适当调整。通常通风管的空气流速取20米/秒。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
16、一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。这叫补强板。通风量在0.020.5ml/sec时，气泡的直径与空气喷口直径的1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越小。因而氧的传达室质系数也越大。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。100单管式空气分布装置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。空气分布器的安装要注意些什么？单孔管分布器：管口对正罐底，管口与罐底距离约为40-50mm。罐底要设有加强板，以防压缩空气长期吹射下穿孔。（但要注意加强板底下藏料！）多孔环形分布器：直径一般为搅拌桨叶直径的0.8倍，分布器中心应正对搅拌轴中心，并应水平设置。空气喷孔应在搅拌叶轮
