梁世中主编 生物工程设备第二版 第一章讲解材料

❖ 17－电机；
18－压力表；
❖ 19－取样口； 21－进料口；
❖ 22－补料口； 23－排气口；
❖ 24－回流口； 25－视镜；
❖ 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。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)。
❖ 受内压的壁厚：
123p0DpC (m)m
❖ 受外压的壁厚：
22p0D 0yC (mm )
32p4D 0 101pD H HC(m)m
❖ 搅拌器：
❖ 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。
2
3
❖ 机械搅拌发酵罐的结构
❖ 大型发酵罐结构
❖ 1－轴封 ；
2－人孔；
❖ 3－梯；
4－联轴器；
❖ 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；
❖ 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。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。
滞留 71 71 70 97.5
K值 湍流
6.3 4.8 4.0 1.08
❖ 不通气条件下的轴功率P0计算 ❖ 鲁士顿(Rushton J. H.)公式：
P0NP3LDi5
❖ P0－无通气搅拌输入的功率（W）； ❖ NP－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数； ❖ ω－涡轮转速（r/s）； ❖ ρL－液体密度（kg/m3）； ❖ Di －涡轮直径（m）；
平叶涡轮 湍流
浆式
螺旋浆式
0.1
3
4
5
e 图 6-2a 不 同 桨 型 的 功 率 准 数 与 雷 诺 准 数 的 关 系 图
❖ 当液体处于湍流状态，此时 NP K(ReM)x
NP K
6
x0
❖ 表6-1 不同搅拌器的K值
搅拌器形式
六平叶涡轮搅拌器 六弯叶涡轮搅拌器 六箭叶涡轮搅拌器 六弯叶封闭式涡轮搅拌器
转轴 填料压盖 压紧螺栓
填料箱体
铜环 填料
图2.10 填料函轴封
❖ 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。
O形环
转轴
动环 堆焊硬质 静环
图2.11 端面封轴
❖ 空气分布器
❖ 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。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。
❖ 竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。
搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
❖ 在具有挡板且满足全挡板的情况下，搅拌准数是搅拌雷诺准数的函数。 即：
NP K(ReM)x
❖ 式中：Np---功率准数；ReM---雷诺准数；K –搅拌常数 ❖ 雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。
层 流 过度线
持不变。
❖ 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
bn0.1~0.12 Dn0.5
D
D
❖ 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。 ❖ 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 ❖ 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。
塑料，聚四氟乙烯等）。
❖ 冷却装置
适用范围
夹套冷却 5m3 以下小发酵罐
竖式蛇管冷却 大型发酵罐
竖式列管冷却 大型发酵罐 气温较高的地区
优点
Байду номын сангаас结构简单，加工容易， 流速大，传热系数大，降温 加工方便，提高传热推
罐内死角少，容易清洗 效果较好。
动力的温差。
灭菌
缺点
传热壁较厚，冷却水流 冷却水较高时，降温困难， 用水量较大。 速低，降温效果差。 弯曲位置易腐蚀。
旋风离心式
耙式消泡器
叶轮离心式
碟片式消泡器
刮板式消泡器
❖ 联轴器 ❖ 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。 ❖ 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。 ❖ 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。
联轴器
法兰
❖ 轴承 ❖ 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
图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图
1-六直叶涡轮式；2-推进式3Lightnin 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。
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
❖ 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
❖ 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，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相，从而达到 消泡的目的的装置。 ❖ 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。
生物工程设备
BIOENGINEERING EQUIPMENT
通风发酵罐
机械搅拌发酵罐 常用通风发酵罐自气吸升式环发流酵发罐酵罐
通风固相发酵设备
机械搅拌发酵罐(TRC)
❖ 工作原理： ❖ 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。 ❖ 发酵罐的基本条件： ❖ (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。