第一篇 第二章 通风发酵罐
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
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
生物工程设备 第二章 通风发酵设备
↓
↓
↓
↓
↓
排气
↑
冷却水
↑
7 6
1
↓
↓
2
3 排水
↓ 4
冷却水 5
Vobu-JZ单层溢流 喷射自吸式发酵罐
Vobu-JZ双层溢流 喷射自吸式发酵罐
4，自吸式发酵罐的优点： • 节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水 分离器、空气贮聪、总过滤器等设备，减少厂房占 地面积。 • 减少工厂发酵设备投资约30％左右，例如应用自吸 式发酵罐生产酵母，容积酵母的产量可高达30~50 克。 • 设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳 动力。 • 酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵母 后的废液量少。 • 设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。
– – – – 死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌； 轴的磨损情况较严重； 填料压紧后摩擦功率消耗大； 寿命短，经常维修，耗工时多。
22
22
• 端面式轴封的优点：
– 清洁； – 密封可靠； – 无死角，可以防止杂菌污染； – 使用寿命长； – 摩擦功率耗损小； – 轴或轴套不受磨损； – 它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那么严 格，对轴的震动敏感性小。
•第二节 通气与搅拌
•第三节 氧的传递
•第四节 机械搅拌通风发酵罐的设计
5
5
第一节
通风发酵罐及结构
• 通风发酵罐又称好气性发酵罐，如谷氨酸、 柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母等发酵用的 发酵罐。 • 好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中， 以供微生物所消耗的氧。
6
6
通风发酵罐的类型
• • • • • 机械通风搅拌发酵罐 气升式发酵罐 自吸式发酵罐 伍式发酵罐 文氏管发酵罐
发酵罐设计说明书
目录前言 (1)第一章、概述 (2)1.1、我酸 (2)1.2、賊酸的新工艺 (2)1.3、机械搅拌通风发酵罐 (3)1.3.1、通用型发酵罐的几彳可尺寸比例 (3)1.3.2、罐体 (3)133、搅拌器和挡板 (3)1.3.4、消泡器 (4)1.3.5、联轴器及轴承 (4)126、变速装置 (4)1.3.7、通气装置 (4)138、轴封 (5)139、附属设备 (5)第二章、设备的设计计算与选型 (5)2.1、发酵罐的主要尺寸计算 (5)2.1.1、圆筒体的径、高度与封头的高度 (5)2.1.2、圜筒体的壁厚 (7)2.1.3、封头的壁厚 (7)2.2、搅拌装置设计 (8)2.2.3、电痕率 (10)2.3、冷却装置设计 (10)2.3.1、 冷却方式 (10)2.3.2、 冷却水耗臺 (10)2.3.3、 冷却管组数和管径 (12)2.4零部件 (13)2.4.1人孔和视谯 (13)2.4.2 接管口 ................................................................. 13 243、梯子 (15)2.6支座的选型蹄总结 附录 (18)符号的总结 ...................................................................... 18 参考文献 . (20)生物工程设备课程设计任务书―、课程设计题目”1000计的机械搅拌发酵罐”的设计。
2.5®体重 ..................................................................15 16 第三章、计算结果的总、结 ............................................................16 17二课程设计容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质,工作参数的确定。
发酵罐基本知识
切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流 速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周 向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）
36
径向式搅拌器
涡轮式搅拌器分为：平叶式、弯叶式、箭叶式三种
涡轮搅拌器要安一个圆盘
为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升
37
相同半径、转速时，功率消耗：
5吨以下罐，用夹套加热和冷却 5吨以上罐，用罐内的蛇管加热和冷却
20
发酵罐：是 薄壁压力容器
操作不当，会造成失稳，原因较多， 下面举例说明
21
内筒不锈钢，外夹套普通碳素钢
22
一
某厂曾因蒸汽实罐灭菌后，罐体长时间处于密 封状态, 蒸汽冷凝后罐内成真空, 最后导致罐体 成外压失稳。
23
二
45
机械轴封的密封原理：见flash mechanical_seal.swf
依靠三个密封点达到完全 密封： 1 动环与静环： 在相对运动的动环和静环 之间的的接触面 （端面）
两端面必须高度光洁平直， 这是相对旋转密封。 端面间有层极薄的液体，起 密封作用
46
机械轴封的密封原理
2 静环与压盖之间的密封：
第二节 其它类型的通风发酵罐 第三节 厌氧发酵设备
5
发酵罐的 大小的大致概念
室验室用发酵罐
1 L--50L
中试用发酵罐
50L--5000L
6
生产用发酵罐的大小
抗生素发酵罐的容积以80～200 米3 为主
氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150～300 米3
机械搅拌通风发酵罐的设计
课程设计报告题目：学院专业班级姓名学号指导老师年月日目录第一章前言青霉素是一类抗生素的总称。
自从被发现以来，就被人们广泛应用于医疗行业。
是用应得最多的一类抗生素，从此很多医学难题迎刃而解。
也使人们致力于青霉素及其相关技术的研究。
青霉素是一种高效、低毒、临床应用广泛的重要抗生素。
它的研制成功大大增强了人类抵抗细菌性感染的能力，带动了抗生素家族的诞生。
它的出现开创了用抗生素治疗疾病的新纪元。
通过数十年的完善，青霉素针剂和口服青霉素已能分别治疗肺炎、肺结核、脑膜炎、心内膜炎、白喉、炭疽等病。
继青霉素之后，链霉素、氯霉素、土霉素、四环素等抗生素不断产生，增强了人类治疗传染性疾病的能力。
青霉素发酵是通气发酵[2]，该生产工艺和设备具有很强的典型性，本设计对味青霉素发酵罐的选型及计算作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺和主要设备的有关知识。
第二章绪论2．1 青霉素的概述.青霉素(Benzylpenicillin / Penicillin)又被称为青霉素G、peillin G、盘尼西林、配尼西林、青霉素钠、苄青霉素钠、青霉素钾、苄青霉素钾。
青霉素是抗菌素的一种，是指从青霉菌培养液中提制的分子中含有青霉烷、能破坏细菌的细胞壁并在细菌细胞的繁殖期起杀菌作用的一类抗生素，是第一种能够治疗人类疾病的抗生素。
青霉素类抗生素是β-内酰胺类中一大类抗生素的总称。
2.2 青霉素的应用青霉素类抗生素的毒性很小，由于β-内酰胺类作用于细菌的细胞壁，而人类只有细胞膜无细胞壁，故对人类的毒性较小，除能引起严重的过敏反应外，在一般用量下，其毒性不甚明显，是化疗指数最大的抗生素。
临床应用：主要控制敏感金黄色葡糖球菌、链球菌、肺炎双球菌、淋球菌、脑膜炎双球菌、螺旋体等引起感染，对大多数革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）和某些革兰氏阴性细菌及螺旋体有抗菌作用。
青霉素针剂和口服青霉素能分别治疗肺炎、肺结核、脑膜炎、心内膜炎、白喉、炭疽等病。
工业应用：可用于生产柠檬酸、延胡索酸、葡萄糖酸等有机酸和酶制剂。
发酵罐设计说明书
目录前言 (1)第一章、概述 (2)1.1、柠檬酸 (2)1.2、柠檬酸的生产工艺 (2)1.3、机械搅拌通风发酵罐 (3)1.3.1、通用型发酵罐的几何尺寸比例 (3)1.3.2、罐体 (3)1.3.3、搅拌器和挡板 (3)1.3.4、消泡器 (4)1.3.5、联轴器及轴承 (4)1.2.6、变速装置 (4)1.3.7、通气装置 (4)1.3.8、轴封 (5)1.3.9、附属设备 (5)第二章、设备的设计计算与选型 (5)2.1、发酵罐的主要尺寸计算 (5)2.1.1、圆筒体的内径、高度与封头的高度 (5)2.1.2、圆筒体的壁厚 (7)2.1.3、封头的壁厚 (7)2.2、搅拌装置设计 (8)2.2.1、搅拌器 (8)2.2.2、搅拌轴设计 (8)2.2.3、电机功率 (10)2.3、冷却装置设计 (10)2.3.1、冷去卩方式 (10)2.3.2、冷却水耗量 (10)2.3.3、冷却管组数和管径 (12)2.4零部件 (13)2.4.1 人孔和视镜 (13)2.4.2 接管口 (13)2.4.3、梯子 (15)2.5发酵罐体重 (15)2.6支座的选型 (16)第三章、计算结果的总结 (16)设计总结 (17)附录 (18)符号的总结 (18)参考文献 (20)生物工程设备课程设计任务书一、课程设计题目“ iooom的机械搅拌发酵罐”的设计。
二、课程设计内容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。
2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。
3、动力消耗、设备结构的工艺设计。
三、课程设计的要求课程设计的规模不同，其具体的设计项目也有所差别，但其基本内容是大体相同，主要基本内容及要求如下：1、工艺设计和计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。
主要包括：（1）工艺设计①设备结构及主要尺寸的确定（D, H, HL，V，V L，Di等）②通风量的计算③搅拌功率计算及电机选择④传热面积及冷却水用量的计算（2）设备设计①壁厚设计（包括筒体、封头和夹套）②搅拌器及搅拌轴的设计③局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等）④冷却装置的设计（包括冷却面积、列管规格、总长及布置等）2、设计说明书的编制设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。
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❖ 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
❖ 通风固相发酵罐
机械搅拌发酵罐(TRC)
之 • 工作原理：
机
利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分
械 搅
混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物
拌 生长繁殖、发酵所需要的氧气。
械 下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130℃
搅 拌
和0.25MPa(绝对压力)。
发
受内压的壁厚：
酵
罐
1
pD
230
p
C
(mm)
2
pDy
200
C
(mm)
受外压的壁厚：
3
pD 2400
1
1
H
pD HBiblioteka C(mm)• 搅拌器和挡板
• 搅拌器：
之 机 械 搅 拌
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。
发 酵
• 发酵罐的基本条件：
罐
(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。
➢机械搅拌发酵罐的结构
2
之 • 大型发酵罐结构
机
3
械 搅 拌 发 酵 罐
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－DO电极接口；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；
发
酵
罐
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
之 机
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。
械
• 所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内
械 • 两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置
搅 • 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如
拌 猪油等；高分子化合物。
发 • 机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消 酵 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 罐 消泡器等。
耙式消泡器
• 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
之 机
分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分
械 布装置有单管式。 搅 拌 • 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气
发 泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。 酵 罐 • 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。
机 械
• 大型发酵罐装有中间轴承。
搅
拌 • 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体
发 润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚
酵 罐
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
之适
机 械
用 范
5m3以下小发酵罐
大型发酵罐
搅围
大型发酵罐 气温较高的地区
拌 发 酵
优 点
结构简单，加工容 易，罐内死角少， 容易清洗灭菌
第一章 通风发酵罐
• 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：
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
通风发酵罐
❖ 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
❖ 自吸式发酵罐
搅
附件而轴功率仍保持不变。
拌 发
• 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
酵 罐
b
n
0.1
~
0.12 D
n
0.5
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
• 作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，
之 防止泄露和污染杂菌。
机 • 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 械 搅 • 填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和 拌 压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
图2.1 大型发酵罐结构图
➢机械搅拌发酵罐的结构
之 • 小型发酵罐结构
机 械 搅 拌 发 酵 罐
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
• 罐体
之
由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳
机 钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度
旋风离心式
叶轮离心式
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
碟片式消泡器
刮板式消泡器
• 联轴器及轴承
之 • 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用
机 联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。
械
搅
拌 发
• 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。
酵
罐
联轴器
• 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。
法兰
• 轴承
之 • 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；
• 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。
• 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
之
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
机
相的装置，从而达到消泡的目的。
发 酵 罐
• 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。
齿轮箱
转轴 填料压盖
传动齿轮箱
压紧螺栓
转轴
铜环
填料箱体 O形环
动环 堆焊硬质 静环
罐体
密封环
填料
搅拌轴
图2.10 填料函
图2.11 端面封轴
图2.12 双 端面封轴
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。
罐
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。
➢ 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积