通风发酵罐
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第一篇第二章通风发酵设备
防止泄露、污染杂菌。
采用—— 双端面轴封 结构：如图
原理
填料函 端面轴封 双端面轴封
现在好气性发 酵罐中已不再采用 此密封。 但是在转速较低的 其他设备中，如味 精结晶锅、啤酒糖 化罐等，仍用填料 函轴封做为密封。
采用氟橡胶 和碳素纤维 盘根
端面轴封
又称机械轴封，机械密封.
系指两块密封元件垂直于轴线的光洁而平
要达到全挡板条件必须满足下式要求：
b (0.1 ~ 0.12 ) D ( )n n 0 .5 D D
b----挡板宽度，mm。 D---- 罐的直径，mm； n---- 挡板数， 个；
竖立的蛇管、列管、排管，也可以起挡板作用。 挡板长度：自液面起至罐底为止。
挡板与罐壁之间的有一定的距离 。
3. 轴封 作用：使传动的搅拌轴与罐之间密闭，
（2）弹簧加荷装置 弹簧座靠螺钉固定在轴上； 当轴转动时，由弹簧座带动弹簧， 传递扭矩，带动动环及动环上的密封 圈 转动，并向静环端面传递压力，即：弹簧的弹力 。
弹簧：小轴4根，大轴6根。
（3）辅助密封元件 主密封——端面密封 动环与轴之间的————相对静止 辅助密封 静环与静环座之间 静环座与壳体之间 绝对静止
传热壁较厚
K值较低 弯曲处易蚀穿 传热系数较蛇形管低 用水量大
5m3以下的罐
冷水温度
（ 4~6组）
K值较大
要求低
（3）竖式列管：有利于提高温差 （排管） 传热推动力大
加工方便
为了提高传热系数，可采用罐外装设板式换热器，不仅强化了热交换， 而且便于检修和清洗。
第二节
如： 有机酸
抗生素 维生素
机械搅拌通风发酵罐的溶氧传质
发酵设备 第五章 通风发酵设备
图34 碟片式消泡器
图33 旋风离心式消泡器
• （3）刮板式消泡器
• 刮板式消泡器由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流 口、气体出口组成。刮板的中心与壳体的中心有一个偏心 距。工作原理是，刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳 体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为 1000~1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的 下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气 体出口排出。见图35
1110 1400 1600 1600 1800 2100 2200 3000
φ500 φ700 φ800 φ900 φ900 φ1100 φ1200 φ1400
φ600 φ800 φ900 φ1000 φ1000 φ1200 φ1300 φ1500
340 321 200 280 200 250 200 180
第一节 通风发酵罐
•
•
形状，圆柱形，两端椭圆形？？受力均匀，减 少死角，物料容易排除，比其他型式的封头在 同样使用压力下可用较薄的钢板，见图8。 高度与直径比1.7~4：1，有利空气利用率
图8 已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管
发酵罐的壁厚及封头厚度的计算
图10 大中型发酵罐上封头
自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 文氏发酵罐
气升式发酵罐 伍氏发酵罐 塔式发酵罐
第一节 通风发酵罐
Ⅰ
机械搅拌发酵罐
• 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一，它是 利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合 促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁 殖、发酵所需要的氧气。
第一节 通风发酵罐
一.发酵罐的基本条件
100 200
筒体 高度 H(mm) 3200 4700 6600 7000 8000 8000 9400 11500
图33 旋风离心式消泡器
• （3）刮板式消泡器
• 刮板式消泡器由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流 口、气体出口组成。刮板的中心与壳体的中心有一个偏心 距。工作原理是，刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳 体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为 1000~1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的 下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气 体出口排出。见图35
1110 1400 1600 1600 1800 2100 2200 3000
φ500 φ700 φ800 φ900 φ900 φ1100 φ1200 φ1400
φ600 φ800 φ900 φ1000 φ1000 φ1200 φ1300 φ1500
340 321 200 280 200 250 200 180
第一节 通风发酵罐
•
•
形状，圆柱形，两端椭圆形？？受力均匀，减 少死角，物料容易排除，比其他型式的封头在 同样使用压力下可用较薄的钢板，见图8。 高度与直径比1.7~4：1，有利空气利用率
图8 已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管
发酵罐的壁厚及封头厚度的计算
图10 大中型发酵罐上封头
自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 文氏发酵罐
气升式发酵罐 伍氏发酵罐 塔式发酵罐
第一节 通风发酵罐
Ⅰ
机械搅拌发酵罐
• 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一，它是 利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合 促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁 殖、发酵所需要的氧气。
第一节 通风发酵罐
一.发酵罐的基本条件
100 200
筒体 高度 H(mm) 3200 4700 6600 7000 8000 8000 9400 11500
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·
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·
第六章 通风发酵设备 第一节对通风发酵设备的要求
3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保 证发酵液一定的溶解氧。
4.足够的冷却面积。 5.尽量减少死角。 6.轴封严密。 7.维修操作检测方便
（二）发酵罐的结构
好气性机械搅拌发酵罐是密闭式受压设 备，主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、 打泡器、中间轴承、空气吹管（或空气 喷射管），挡板、冷却装置、人孔等
对通风发酵设备的要求
（4）有良好的热量交换性能，以适应灭 菌操作和使发酵在最适温度下进行；
（5）尽量减少泡沫的产生或附设有效的 消沫装置，以提高装料系数；
（6）附有必要的可靠检测及控制仪表。
1. 发酵罐的结构
一机械搅拌通用式发酵罐 （一）发酵罐的基本条件 原理：利用机械搅拌器的作用，使空
优点和缺点
3°不需要调整。动环由于密封流体压力和弹 簧力等推向静环方向，密封面自动保持紧密接 触，因此不需要调整。
4°摩擦功率损耗小。由于密封端面的面积小、 摩擦系数小，故摩擦阻力小，功率消耗小。其 损耗功率仅为填料函密封的10～15％。
5°轴与轴套不受磨损。 6°结构紧凑，安装长度较短。由于不需要调
罐身：冷却水进出管，进空气管，温度 计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠 近封头的轴封位置。
2.搅拌装置
目的：有利于液体本身的混合及气液、 气固之间的混合，
质量和热量的传递，特别是对氧的溶解 具有重要的意义，
加强气液之间的湍动，增加气液接触面 积及延长气液接触时间。
搅拌器结构
搅拌器可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液 流。
填料函密封和机械密封（或称端面密封）
1.填料函密封
填料箱本体固定在发酵罐顶盖的开口法 兰上，将转轴通过填料函，然后放置有 弹性的密封填料，然后放上填料压盖， 拧紧压紧螺栓，填料受压后，产生弹性 变形堵塞了填料和轴之间的间隙，转轴 周围产生一定的径向压紧力，从而起到 密封介质压力的作用。
第二章 通风发酵设备
（3） 挡板 挡板的作用：
a. 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。 b. 防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不 到搅拌作用。 挡板宽度：（0.1～0.12）D，装设4～6块即可满足全挡板条件。 挡板与罐壁之间的间隙：（1/8～1/5）D，避免形成死角，防止物料与菌 体堆积。
全挡板条件：条件是达到消除液面旋涡的最低条件（在搅拌发酵罐中增 加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失）。 （2-3）
(4) 轴封 定义：运动部件与静止部件之间的密封叫作轴封。如搅拌轴 与罐盖或罐底之间。
作用：防止泄漏和污染杂菌。
形式：填料函和端面轴封两种。
填料函式轴封是由填料箱体、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。 端面式轴封又称机械轴封。密封作用 是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力 使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密 的相互贴合，并作相对转动而达到密封。
(2)机械搅拌通气发酵罐的溶氧系数
对通气发酵系统的氧溶解过程通常用溶氧系数（kLa）表示，有多种经验公式。
'
Pg ' k L a K ' vs VL
Pg V 或 k L a K '' G VL VL
B、竖式蛇管换热装置
① 结构及形式，以蛇管的形式分组安装于发酵罐内，有四组、六组或 八组不等，根据管的直径大小而定，容积5 m3以上的发酵罐多用这种换 热装置。 ② 优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。适用于冷却用水温度 较低的地区，水的用量较少。
0.4
vs 0.5n0.5
通风发酵设备概述
通风发酵设备概述1. 引言通风发酵设备是一种用于促进有机物发酵过程的技术设备。
通过提供适宜的通风条件和控制环境参数，通风发酵设备能够有效地促进微生物的生长和代谢，从而加快有机物的降解和转化过程。
本文将对通风发酵设备的原理、类型和应用进行概述。
2. 原理通风发酵设备的原理是通过控制通风量和温度，提供适宜的氧气和营养物质供给，以及维持适宜的湿度和pH值，从而创造一个有利于微生物生长和代谢的环境。
通风设备一般由通风管道、气体供应系统、温度和湿度控制系统以及监测仪器等组成。
3. 类型根据不同的应用需求，通风发酵设备可以分为以下几种类型：3.1 堆肥发酵设备堆肥发酵设备是一种常见的通风发酵设备，主要用于有机废弃物的处理和资源化利用。
通过控制通风和湿度，堆肥发酵设备可以加速有机物的降解，提高堆肥质量，并降低废弃物对环境的污染。
3.2 生物反应器生物反应器是一种通风发酵设备，广泛应用于生物工程领域。
生物反应器通过控制通风、温度和pH值等参数，提供适宜的条件来促进微生物的生长和代谢，从而实现有机物的转化和产物的生产。
3.3 发酵罐发酵罐是一种专门用于微生物发酵的通风设备。
通风发酵罐通过控制通风量、温度和湿度，提供适宜的环境条件来促进微生物的繁殖和代谢，从而实现有机物的降解和产品的生产。
4. 应用通风发酵设备在农业、生物工程、食品加工等领域有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：4.1 农业废弃物处理通过堆肥发酵设备的应用，农业废弃物如畜禽粪便、秸秆等可以得到有效的处理和利用。
通风发酵设备可以加速有机物的降解和转化，生成高质量的有机肥料，提高土壤肥力，减少对化学肥料的依赖。
4.2 生物药物生产通风发酵设备在生物工程领域广泛应用于生物药物的生产。
通过生物反应器和发酵罐的控制，可以提供适宜的环境条件来促进微生物的生长和代谢，从而实现有机物的转化和药物的产生。
4.3 食品发酵加工通风发酵设备在食品加工领域有着重要的应用。
通风发酵
第六章反应器的流动模型与放大
在前边讨论的CSTR和CPFR时，引入了全混流和活塞流概念，并称其
为理想流动模型，在实际生产的反应器流动都不符合上述这两种流动模 型，我们称非流动模型，它介于这两种理想流动模型之间。
在前边讨论，知道反应程度与反应时间有关，反应时间越长，反应
越彻底（转化率越高），反之越低。 在间歇操作反应器中由于物料同时放入，反应后同时放出，所以不存
P n V
g 0.5 s
0.4
0.5
kd=
Pg 2.36 3.30 Ni V
0.56
molO2 s0.7 n0.7 109 mL .min. 大气压（ p)
pg------千瓦；V------m3； vs------截面气速cm/min； n-----转数/分 有kLa与kd换算式可得出kLa的算式
P nD P 0.32 Q
2 3 o g 0.08
0.39
若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转 数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。 不通风时搅拌功率;
P 2 4.63N n D 10
3 5 2 P
9
P2=2×4.63×4.7×803×1.35×1060 ×10-9 =87.7（KW）
V N molO N 1000 m t 4 ml min
2 V
C
2、）物料衡算法 VL ×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)
3、KLa与kd的关系 由亨利定律知：p=HC* 由气体分压定律知:p=Px
x 1 N k a Pk a p H H x k 定义： k a H
• p=H C* p*= H C
第五章通风发酵设备
上升管和下降管装在罐外的，称为外循环。装在罐内的， 称为内循环。
（一）带升式发酵罐
带升式发酵罐的优特点：结构简单，冷却面积较 小；不需搅拌设备，节省动力约50%；装料系数 达 80~90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌 感染。 但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
带升式发酵罐的工作 机理
就是在罐外装设上升管，上 升管两端与罐底及罐上部相 连接，构成一个循环系统。 在上升管的下部装设空气喷 嘴 ， 空 气 以 205 ～ 300m/s 的 高速度喷入上升管，使空气 分割细碎，与上升管的发酵 液密切接触。由于上升管内 的发酵液比重较小，加上压 缩空气的动能，使液体上升， 罐内液体下降进人上升管， 形成反复的循环。结构有内 循环及外循环两种。
气升环流发酵罐
气升环流发酵罐的型式较多，常 用的有高位，低位及压力发酵罐 几种。
右图 是联邦德国 Hoechst公司 的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐 的高度增大可以提高氧的传递能 力，增大对液流的驱动力。
驱动力的调节通过气体流量控制。 罐的结构简单，易于放大。
图 5-6 是 具 有 外 循 环 冷 却 的 空气提升环流式发酵罐，通 气管与罐底的距离是通气管 直径的0.5～1.5倍，气体经 多孔板送入罐内，多孔板之 下是气液分离带，此处回流 培养液的气泡率降至10%以 下。从罐底引出培养液，用 离心泵输送到热交换器后从 上部回流入罐内。
美国LH发酵有限公司的系列产品容积为1～2、30、 80、100、150L。
气升压力循环发酵罐如右图所示。 设备是以甲醇为原料培养嗜甲基杆 菌，容积达1500m3。上升管在下降 管之内或在下降管之外，可以是同 心圆，也可用挡板相隔。上升管可 以一个或两个以上。顶部与底部相 连接，上升管截面积为下降管截面 积3～8倍。上升管截面为上部的 3～8倍。下部高度是总高的 30～ 60％。发酵罐总高在30m以上，以 40～60m为宜。此时氧的传递量为 8～12kgO2/m3，对微生物生长较为 合适。
（一）带升式发酵罐
带升式发酵罐的优特点：结构简单，冷却面积较 小；不需搅拌设备，节省动力约50%；装料系数 达 80~90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌 感染。 但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
带升式发酵罐的工作 机理
就是在罐外装设上升管，上 升管两端与罐底及罐上部相 连接，构成一个循环系统。 在上升管的下部装设空气喷 嘴 ， 空 气 以 205 ～ 300m/s 的 高速度喷入上升管，使空气 分割细碎，与上升管的发酵 液密切接触。由于上升管内 的发酵液比重较小，加上压 缩空气的动能，使液体上升， 罐内液体下降进人上升管， 形成反复的循环。结构有内 循环及外循环两种。
气升环流发酵罐
气升环流发酵罐的型式较多，常 用的有高位，低位及压力发酵罐 几种。
右图 是联邦德国 Hoechst公司 的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐 的高度增大可以提高氧的传递能 力，增大对液流的驱动力。
驱动力的调节通过气体流量控制。 罐的结构简单，易于放大。
图 5-6 是 具 有 外 循 环 冷 却 的 空气提升环流式发酵罐，通 气管与罐底的距离是通气管 直径的0.5～1.5倍，气体经 多孔板送入罐内，多孔板之 下是气液分离带，此处回流 培养液的气泡率降至10%以 下。从罐底引出培养液，用 离心泵输送到热交换器后从 上部回流入罐内。
美国LH发酵有限公司的系列产品容积为1～2、30、 80、100、150L。
气升压力循环发酵罐如右图所示。 设备是以甲醇为原料培养嗜甲基杆 菌，容积达1500m3。上升管在下降 管之内或在下降管之外，可以是同 心圆，也可用挡板相隔。上升管可 以一个或两个以上。顶部与底部相 连接，上升管截面积为下降管截面 积3～8倍。上升管截面为上部的 3～8倍。下部高度是总高的 30～ 60％。发酵罐总高在30m以上，以 40～60m为宜。此时氧的传递量为 8～12kgO2/m3，对微生物生长较为 合适。
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• 不通气条件下的轴功率P0计算 鲁士顿(Rushton J. H.)公式：
P0 N P L D
3
5 i
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）； 圆盘六平直叶涡轮 NP≈6 ρL－液体密度（kg/m3）； μ －液体粘度（N.s/m2）； 圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7 D －涡轮直径（m）； 圆盘六箭叶涡轮 NP≈3.7
4.所需电动机功率为：
6.55 （1 1%） 7.（ 4 kW ） 0.92 0.99 0.98
4. 求kLα ： ①先求空截面气速vS：
Q
4
D2 vS
4Q 4 1420000 vS 55.8(cm / min) 2 2 D 180
②求kLα ：
压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
•
端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹
齿轮箱 传动齿轮箱
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。
填料箱体
图2.10 填料函
图2.11 端面封轴
图2.12 双 端面封轴
• 空气分布器
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
通风发酵罐
• 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； (6)检测控制系统完善； (7) 易放大； (8)生产安全
(3) 设备简单、维修方便；(4) 生产能力高 (5) 能耗低；
• 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
• 类型：
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。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。
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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。
168 5 P0 N P L D ＝4.7 （kW） 1020 0.6 ＝8.07 60
3 5 i
3
3.求通气时搅拌功率Pg：
3 Pg 2.25 10（
P02Di3 Q 0.08
)0.39
2 3 8 . 07 168 60 0.39 2.25 10 3 ( ) 0.08 1420000 6.55(k W)
• 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。
机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌
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：
Pg KLa K V vs
进行循环冷却。
机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
↑
B
↑
• 尺寸
H D 1.7～3.5 B D 1 8～1 12 S Di 2～5
↑
D
Di D 1 2 ～1 3 C Di 0.8～ 1.0 H0 D 2
• 体积
↑
Di
• 椭圆形封头体积：
π 2 π 2 π 2 1 V1 D hb D ha D hb D 4 6 4 6
• 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
0.1 ~ 0.12D n 0.5 b n D D
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
• 轴封
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
转轴 填料压盖 压紧螺栓 O形环 转轴 动环 堆焊硬质 静环 铜环 填料 搅拌轴 密封环 罐体
• 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
• 发酵罐的总体积：
↑
V0
↑
π 2 1 D H 2 hb D 4 6
π 2 D H 0.15 D 2 4
近似为：
V0
图2.13 机械搅拌通风发酵罐 的几何尺寸
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) 之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
适 用 范 围
5m3以下小发酵罐
大型发酵罐
结构简单，加工容 加工方便，提高 优 流速大，传热系数 易，罐内死角少， 传热推动力的温 点 大，降温效果较好。 容易清洗灭菌 差。 传热壁较厚，冷却 冷却水较高时，降 缺 水流速低，降温效 温困难，弯曲位置 点 果差。 易腐蚀。
用水量较大。
在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液
(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。
机械搅拌发酵罐的结构
2
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 大型发酵罐结构
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
1
230 p pD C (m m)
2
pDy C (m m) 200
受外压的壁厚：
pD H 3 1 1 C (m m) 2400 p D H
•
搅拌器和挡板
• 搅拌器： 之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
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。
• 消泡装置
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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。
机械搅拌发酵罐 气升环流发酵罐 常用通风发酵罐 自吸式发酵罐 通风固相发酵设备
通风发酵罐
机械搅拌发酵罐
• 工作原理
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
• • •
结构及几何尺寸 溶氧速率、通气与搅拌 热量传递
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
或
Pg KLa K ' V
'
VG V L
'
提高KLa的途径 1）增加搅拌器转速N，以提高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*。
• 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。
法兰
• 轴承
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 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）。 中间轴承
底轴承
• 冷却装置
夹套冷却 竖式蛇管冷却 竖式列管冷却 大型发酵罐 气温较高的地区
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
机械搅拌发酵罐的热量传递
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 发酵过程的热量计算
生物合成热量计算法
Qt Q1 Q2 Q3 Q4
冷却水带出热量计算法
WC T2 T1 Qt VL
发酵液温升测量计算法
Qt
2m1c1 m2c2 △T VL
搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
0.7 Pg / VL 0.56 v S k L （2.36 3.3n) 0.7 109
（2.36 3.3) 6.55/6
0.56
1.91ห้องสมุดไป่ตู้ 106 mol O 2 /(mL min atm)(pO2 )
通风固相发酵罐
机械搅拌发酵罐(TRC)
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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：
P0 N P L D
3
5 i
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）； 圆盘六平直叶涡轮 NP≈6 ρL－液体密度（kg/m3）； μ －液体粘度（N.s/m2）； 圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7 D －涡轮直径（m）； 圆盘六箭叶涡轮 NP≈3.7
4.所需电动机功率为：
6.55 （1 1%） 7.（ 4 kW ） 0.92 0.99 0.98
4. 求kLα ： ①先求空截面气速vS：
Q
4
D2 vS
4Q 4 1420000 vS 55.8(cm / min) 2 2 D 180
②求kLα ：
压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
•
端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹
齿轮箱 传动齿轮箱
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。
填料箱体
图2.10 填料函
图2.11 端面封轴
图2.12 双 端面封轴
• 空气分布器
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
通风发酵罐
• 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； (6)检测控制系统完善； (7) 易放大； (8)生产安全
(3) 设备简单、维修方便；(4) 生产能力高 (5) 能耗低；
• 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
• 类型：
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。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。
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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。
168 5 P0 N P L D ＝4.7 （kW） 1020 0.6 ＝8.07 60
3 5 i
3
3.求通气时搅拌功率Pg：
3 Pg 2.25 10（
P02Di3 Q 0.08
)0.39
2 3 8 . 07 168 60 0.39 2.25 10 3 ( ) 0.08 1420000 6.55(k W)
• 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。
机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌
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：
Pg KLa K V vs
进行循环冷却。
机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
↑
B
↑
• 尺寸
H D 1.7～3.5 B D 1 8～1 12 S Di 2～5
↑
D
Di D 1 2 ～1 3 C Di 0.8～ 1.0 H0 D 2
• 体积
↑
Di
• 椭圆形封头体积：
π 2 π 2 π 2 1 V1 D hb D ha D hb D 4 6 4 6
• 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
0.1 ~ 0.12D n 0.5 b n D D
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
• 轴封
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
转轴 填料压盖 压紧螺栓 O形环 转轴 动环 堆焊硬质 静环 铜环 填料 搅拌轴 密封环 罐体
• 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
• 发酵罐的总体积：
↑
V0
↑
π 2 1 D H 2 hb D 4 6
π 2 D H 0.15 D 2 4
近似为：
V0
图2.13 机械搅拌通风发酵罐 的几何尺寸
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) 之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
适 用 范 围
5m3以下小发酵罐
大型发酵罐
结构简单，加工容 加工方便，提高 优 流速大，传热系数 易，罐内死角少， 传热推动力的温 点 大，降温效果较好。 容易清洗灭菌 差。 传热壁较厚，冷却 冷却水较高时，降 缺 水流速低，降温效 温困难，弯曲位置 点 果差。 易腐蚀。
用水量较大。
在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液
(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。
机械搅拌发酵罐的结构
2
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 大型发酵罐结构
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
1
230 p pD C (m m)
2
pDy C (m m) 200
受外压的壁厚：
pD H 3 1 1 C (m m) 2400 p D H
•
搅拌器和挡板
• 搅拌器： 之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
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。
• 消泡装置
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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。
机械搅拌发酵罐 气升环流发酵罐 常用通风发酵罐 自吸式发酵罐 通风固相发酵设备
通风发酵罐
机械搅拌发酵罐
• 工作原理
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
• • •
结构及几何尺寸 溶氧速率、通气与搅拌 热量传递
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
或
Pg KLa K ' V
'
VG V L
'
提高KLa的途径 1）增加搅拌器转速N，以提高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*。
• 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。
法兰
• 轴承
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 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）。 中间轴承
底轴承
• 冷却装置
夹套冷却 竖式蛇管冷却 竖式列管冷却 大型发酵罐 气温较高的地区
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
机械搅拌发酵罐的热量传递
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 发酵过程的热量计算
生物合成热量计算法
Qt Q1 Q2 Q3 Q4
冷却水带出热量计算法
WC T2 T1 Qt VL
发酵液温升测量计算法
Qt
2m1c1 m2c2 △T VL
搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）
0.7 Pg / VL 0.56 v S k L （2.36 3.3n) 0.7 109
（2.36 3.3) 6.55/6
0.56
1.91ห้องสมุดไป่ตู้ 106 mol O 2 /(mL min atm)(pO2 )
通风固相发酵罐
机械搅拌发酵罐(TRC)
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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：