生物反应器(发酵罐)5

耙式打泡器 半封闭涡轮消泡器
直接连在轴上
因转速低，强度不大
离心式消泡器
装于罐顶；
碟片式消泡器
适于下伸轴罐
图 消泡器的安装
梳齿式打泡器
耙式打泡器
半封闭涡轮消泡器
离心式消泡器
碟片式消泡器
图37 碟片式消泡器
8、其它 配置
罐顶： 人孔、视镜（冲洗管）及镜灯、进料管、
补料管、排气管、接种管、压力表接管、
定子 （导轮）
自吸式发酵罐的充气原理：
启动前转子被液体浸没；转子高速旋转，液体、空 气在离心力作用下被甩向外缘，在转子的中心处形成 负压；于是将罐外的空气通过搅拌器中心的吸入管而 被吸入罐内；通过导轮使气液均匀分布甩出，并使空 气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡。 自吸式发酵罐在搅拌的同时完成了充气作用。
. Z = 0.5
4、空气分布装置
作用： 通入无菌空气并使空气分散均匀 位置： 罐底中央 类型：
1） 环形管
2） 单管式
环径 = 0.8 d ; 多喷孔，向下；易堵
普遍采用
向下的管口距罐底约30～60mm 分散器 （防止空气喷击、蚀穿罐底）
单管式空气分布装置
5、换热装置 夹套式
竖式蛇管
竖式列管
据经验表明，发酵罐热交换用的竖立的列管、排管或蛇管 也可起相应的挡板作用
图 竖立的列管/排管也可以
图 全挡板条件下的搅拌流型
全挡板条件---
在一定转数下再增加附件而轴功率仍保持 不变。
W D
. Z = 0.5
D ---- 罐直径 W ---- 挡板宽度 Z ---- 挡板片数
( 0.1～0.2) D D
g ——空气黏度(N· m-2) s· l ——液体黏度(N· m-2) s·
雷诺准数 (Reynolds number)
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。
2） 联轴器
大型发酵罐搅拌轴较长，为了加工 和安装的方便，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，轴的连接应垂直，中心线对 正，见图。
联轴器
图 大型发酵罐的联轴器 、轴承和变速装置
轴承
7、消泡装置
梳齿式打泡器
h = 0.3 d
b = 0.25 d
二 组 搅 拌 器
三 组 搅 拌 器
3、挡板
作用：防止液面中央产生漩涡， 改变液体的方向，由径向流改为轴向流， 使液体激烈翻动，增加溶解氧。
宽度（W)： 一般取 (0.1～0.2)D
片数： 4～6 长度： 自液面至罐底 与罐壁的间距：（1/5～1/8) W
(避免形成死角，防止物料和菌体堆积）
以列管形式对称安装于罐内 优点： 加工方便 缺点：传热系数较蛇管低
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上 传 动
下 传 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
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
3）喷嘴直径
为了使环流管内气泡分裂细碎，气液混合达到良好的效果， 应使空气自喷嘴出口的雷诺系数大于液体流经喷嘴处的雷诺 准数。 雷诺系数大：流体 处于紊流状态，更 d / d0 ＞A g / l 易使气体分散于发 酵液中，并强烈混 d ——环流管直径（m） 合发酵液。 d0 ——喷嘴孔径（m） A ——气液比 雷诺系数小：流体 处于有规则的层流 状态，平行于管路 内壁有规则地流动， 液体溶液通过管道
小型罐
夹套式换热装置
夹套式换热装置
应用：小型罐、种子罐 高度：比静止时液面稍高
优点： 结构简、加工易、死角少、
易清洁灭菌 缺点： 传热壁较厚、冷却水流 速低、降温效果差
竖式蛇管换热装置
分组安装 （ 3～8不等）
大型罐多用 优点：冷却水流速大、 传热系数高 缺点： 弯曲处易蚀穿
竖立列管换热装置
机械搅拌通风发酵罐 p158
大型机械搅拌发酵罐结构
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
三、空气带升式发酵罐（气升式发酵罐）

近20多年发展起来。
没有搅拌器，罐内或罐外设液体循环管（上升管）

空气由特殊结构的喷嘴以250～300m/s的高速喷出
内循环气升式发酵罐
外循环气升式发酵罐
原理：
罐内或罐外装设上升管，两端与罐底部和罐上部相连通，构 成循环系统；上升管的下部装有空气喷嘴，空气以250-300m/s 高速喷入上升管，借喷嘴的作用将空气泡分割成细泡，与上升 管内发酵液密切接触；由于上升管内发酵液含气多、比重小， 加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液 体下降而进入上升管，形成反复的循环，使氧气溶解于发酵液 中。
Байду номын сангаас
三、 配置
人孔
视镜 进料管
压力表和测量仪器的接口
CO2出口 （回收管） 排料口和排污口 取样口 温度计接口 冷却装置 洗涤装置
人孔 （梯子）
视镜（2，配灯） 进料管（培养液，酒母） 压力表和测量仪器 的接口
CO2出口 （回收管）
排料口和排污口 取样口 （上、下） 温度计接口
（上、下、顶）
冷却装置
V = VL /
V-----发酵罐的全容积 (m3)
VL-----进入发酵罐的发酵液量 (有效容积） (m3)
------装液系数 （一般取0.8～0.9) D-----罐的直径 H-----圆柱部分的高度
h1-----罐底高度 h2-----罐盖高度
据发酵罐的全容积V和H/D即可确定发酵罐的结构尺寸
特点：
结构简单、不易污染、能耗低
罐外循环管
罐内拉力筒
垂直隔板
空气带升式发酵罐性能指标：
1）循环周期
—— 发酵液在环流管内循环一次所需的时间。 发酵液体积一定，循环周期越长，则供氧率越低； 不同微生物耗氧率不同，因此所要求的循环周期亦不同。
循环周期的计算：
= VL / Qc = 4VL / d2
温度计管
下部人孔
图 本图为从人孔向发酵罐内鸟瞰
视镜
小型罐视窗
视镜冲洗管
罐体：冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计 及测量仪器接管等
二、 自吸式发酵罐
不需空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气 20世纪60年代 我国某些醋厂、酵母厂已采用
优点：
1、省却空气压缩机及其辅助设备，减少厂房， 减少设备投资约30%。 2、设备便于自动化、连续化。 3、气泡小、气液均匀接触，溶氧系数高。
生物反应器 （发酵罐）
厌氧发酵罐 （嫌气发酵罐） 发酵罐
好氧发酵罐 （通风发酵罐）
第一节 厌氧发酵罐
酒精 丙酮 丁 醇 乳酸 啤酒等
酒精发酵罐
1 冷却水入口 2 取样口 3 压力表 4 CO2 出口 5 喷淋水入口 6 料液及酒母入口 7 人孔 8 冷却水出口 9 温度计 10 喷淋水收集槽 11 喷淋水出口 12 发酵液及污水排出口
中小型罐,多采用 罐顶喷水淋于罐外 壁表面进行膜状冷 却 (罐体底部四周 有收集槽) 大型罐 , 罐内有 冷却蛇管 (或与外 壁喷淋相结合)
洗涤装置
水力喷射洗涤装置
活络接头
水力喷射洗涤装置
第二节 通风发酵罐
机械搅拌式、自吸式、气升式 、高位筛板式等 味精、柠檬酸、抗生素、酶制剂、氨基酸、SCP
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
W / D = 1/8 ～ 1/12
B / d = 0.8 ～1.0
(s/d)2 = 1.5 ～2.5
(s/d)3 = 1 ～2
B----最下一组搅拌器距罐 底的 距离
W----挡板宽度
一、形状 筒体为圆柱形，底盖和顶盖为锥形或碟形 二、结构尺寸 D-----罐的直径 推荐比例
H-----圆柱部分的高度
h1-----罐底高度
H=1.1～1.5D
h1=0.1 ～ 0.14D
h2-----罐盖高度
h2=0.05 ～ 0.1D
发酵罐全容积 V = π D2 (H+h1/3+h2/3) /4
可知，当环流管直径d为定值时，喷嘴孔径d0不宜过大。
通风量与喷嘴孔径之间的关系可由经验式表示：
Q = 2.38×104d02.5(P)0.6p00.3
一、机械搅拌通风发酵罐
一）基本条件
1、适宜的径高比。 [高：直径约为2.5～4]
2、能承受一定的压力。[水压试验（1.5倍）] 3、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O2的利用率 。 4、应具有足够的冷却面积。[代谢产热] 5、发酵罐内应抛光，尽量减少死角。[避免积污、染菌] 6、轴封应严密，尽量减少泄漏。
—— 循环周期(s)
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。