梁世中主编 生物工程设备第二版 通风发酵罐
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生物工程设备
BIOENGINEERING EQUIPMENT
生物反应器设计基础
反应器容积的计算
反应器有效体积的大小由反应物料的处理量决定。一个操作周期的总 时间为：
根据生产规模，有效体积为：
计算：某氨基酸发酵产酸率12%，发酵时间为36h，辅助时间为24h， 每个发酵罐有效容积为100m3。试设计年产5000t该氨基酸所需发酵罐 个数。
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 ( ) 14200000.08 6.55(kW)
4.所需电动机功率为：
6.55 （1 1%） 7.（ 4 kW） 0.92 0.99 0.98
测量体积溶氧系数的方法
一、亚硫酸盐氧化法
4 2 Na2 SO3 O2 CuSO 2 Na2 SO 4
2O Na2 SO 3 I 2 H Na2 SO 4 2 HI
Na2 S 2O 3 I 2 Na2 S 4O 6 2 NaI
二、溶氧电极法
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
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）；
5 i
Di －涡轮直径（m）；
圆盘六平直叶涡轮 NP≈6
影响KLa的主要因素
操作条件；
发酵罐的结构及几何参数； 物料的物化性能。
机械搅拌发酵罐的溶氧系数
KLa与操作参数的关系为：
Pg KLa K V vs
或
Pg KLa K ' V
'
VG V L
搅拌功率的计算举例
例题：某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一 只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装有四块标准挡板，装 液量VL为6m3，搅拌转速 ω=168rpm，通气量Q=1.42 m3 /min，醪 液粘度μ=1.96×10-3 N· s/ m2，醪液密度 ρ=1020 kg/ m3 ，三角皮带 的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98， 端面轴封增加的功率为 1%，求轴功率Pg和kLα，并选择合适的电机。 （已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 ） 解：1.先求出Re：
生物工程设备
BIOENGINEERING EQUIPMENT
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； (3) 设备简单、 维修方便；(4) 生产能力高 ；(5) 能耗低；(6)检测控制系统完善；(7) 易放大； (8)生产安全。
应用：
生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、
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。
转轴 动环 堆焊硬质 静环
O形环
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。
受外压的壁厚：
pD H 3 1 1 C (mm) 2400 p D H
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。
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。
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
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。
冷却水带出热量计算法
Qt
发酵液温升测量计算法
Wc T2 T1 VL
2m1c1 m2 c2 △T Qt VL
发酵罐的换热装置
1. 换热夹套
2. 竖式蛇管 3. 竖式列管
换热系数：400-600kJ/(m2.h.℃ )
换热系数：1200-4000kJ/(m2.h.℃ )，冷却水流速高 换热系数：>4000kJ/(m2.h.℃ )，冷却水流量大
(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。
2
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； 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；
圆盘六弯叶涡轮
圆盘六箭叶涡轮
NP≈4.7
NP≈3.7
通气搅拌功率Pg的计算
修正的迈凯尔公式：
Pg 2.25 10 （
ω－涡轮转速（r/min）
3
P02Di3 Q
0.08
)
0.39
P0－无通气搅拌输入的功率（kW）
Di －涡轮直径（cm）
Q－通气量（mL/min）
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 塑料，聚四氟乙烯等）。
冷却装置
夹套冷却 适用范围 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 加工方便，提高传热推 动力的温差。
π 2 1 D H 0 2 hb D 4 6
发酵罐的总体积：
↑
Di
V0
近似为：
π 2 V0 D H 0 0.3D 3 4
↑
↑
公称容积
π 2 D H 0 0.15D 3 4
V0
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)
优点
结构简单，加工容易， 流速大，传热系数大，降温 罐内死角少，容易清洗 效果较好。 灭菌 传热壁较厚，冷却水流 速低，降温效果差。
缺点
冷却水较高时，降温困难， 用水量较大。 弯曲位置易腐蚀。
竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。
发酵罐装配
机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
尺寸
3
小型发酵罐结构
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：
1
230 p
源自文库
pD
C (mm)
2
pDy C (mm) 200
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。
旋风离心式
耙式消泡器
叶轮离心式
刮板式消泡器
碟片式消泡器
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
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。
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 ：
0.7 k L （2.36 3.3n) Pg / VL 0.56 v S 0.7 10 9
Di 2 L (168/ 60) 0.62 1020 5 Re 5 . 25 10 1.96103
2.因Re≥104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数NP = 4.7 ， 故叶轮的不通气时搅拌功率P0为：
168 5 P0 N P L D ＝4.7 （kW） 1020 0.6 ＝8.07 60
'
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
机械搅拌发酵罐的热量传递
发酵过程的热量计算
生物合成热量计算法
Qt Q1 Q2 Q3 Q4
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。
H D 1.7～3.5 B D 1 8～1 12 S Di 2～5
Di D 1 2 ～1 3 C Di 0.8～1.0 H0 D 2
↑
B
↑
↑
体积 椭圆形封头体积：
D
V1
π 2 π π 1 D hb D 2 ha D 2 hb D 4 6 4 6
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。
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：
N P 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
平叶涡轮 湍流 浆式 螺旋浆式
0.1
3 4 5 6
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
N P K ( ReM )
x
x0
NP K
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
K值 滞留 71 71 70 97.5 湍流 6.3 4.8 4.0 1.08
抗生素、维生素等 类型：
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
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；
BIOENGINEERING EQUIPMENT
生物反应器设计基础
反应器容积的计算
反应器有效体积的大小由反应物料的处理量决定。一个操作周期的总 时间为：
根据生产规模，有效体积为：
计算：某氨基酸发酵产酸率12%，发酵时间为36h，辅助时间为24h， 每个发酵罐有效容积为100m3。试设计年产5000t该氨基酸所需发酵罐 个数。
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 ( ) 14200000.08 6.55(kW)
4.所需电动机功率为：
6.55 （1 1%） 7.（ 4 kW） 0.92 0.99 0.98
测量体积溶氧系数的方法
一、亚硫酸盐氧化法
4 2 Na2 SO3 O2 CuSO 2 Na2 SO 4
2O Na2 SO 3 I 2 H Na2 SO 4 2 HI
Na2 S 2O 3 I 2 Na2 S 4O 6 2 NaI
二、溶氧电极法
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
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）；
5 i
Di －涡轮直径（m）；
圆盘六平直叶涡轮 NP≈6
影响KLa的主要因素
操作条件；
发酵罐的结构及几何参数； 物料的物化性能。
机械搅拌发酵罐的溶氧系数
KLa与操作参数的关系为：
Pg KLa K V vs
或
Pg KLa K ' V
'
VG V L
搅拌功率的计算举例
例题：某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一 只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装有四块标准挡板，装 液量VL为6m3，搅拌转速 ω=168rpm，通气量Q=1.42 m3 /min，醪 液粘度μ=1.96×10-3 N· s/ m2，醪液密度 ρ=1020 kg/ m3 ，三角皮带 的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98， 端面轴封增加的功率为 1%，求轴功率Pg和kLα，并选择合适的电机。 （已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 ） 解：1.先求出Re：
生物工程设备
BIOENGINEERING EQUIPMENT
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； (3) 设备简单、 维修方便；(4) 生产能力高 ；(5) 能耗低；(6)检测控制系统完善；(7) 易放大； (8)生产安全。
应用：
生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、
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。
转轴 动环 堆焊硬质 静环
O形环
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。
受外压的壁厚：
pD H 3 1 1 C (mm) 2400 p D H
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。
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。
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
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。
冷却水带出热量计算法
Qt
发酵液温升测量计算法
Wc T2 T1 VL
2m1c1 m2 c2 △T Qt VL
发酵罐的换热装置
1. 换热夹套
2. 竖式蛇管 3. 竖式列管
换热系数：400-600kJ/(m2.h.℃ )
换热系数：1200-4000kJ/(m2.h.℃ )，冷却水流速高 换热系数：>4000kJ/(m2.h.℃ )，冷却水流量大
(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。
2
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； 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；
圆盘六弯叶涡轮
圆盘六箭叶涡轮
NP≈4.7
NP≈3.7
通气搅拌功率Pg的计算
修正的迈凯尔公式：
Pg 2.25 10 （
ω－涡轮转速（r/min）
3
P02Di3 Q
0.08
)
0.39
P0－无通气搅拌输入的功率（kW）
Di －涡轮直径（cm）
Q－通气量（mL/min）
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 塑料，聚四氟乙烯等）。
冷却装置
夹套冷却 适用范围 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 加工方便，提高传热推 动力的温差。
π 2 1 D H 0 2 hb D 4 6
发酵罐的总体积：
↑
Di
V0
近似为：
π 2 V0 D H 0 0.3D 3 4
↑
↑
公称容积
π 2 D H 0 0.15D 3 4
V0
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)
优点
结构简单，加工容易， 流速大，传热系数大，降温 罐内死角少，容易清洗 效果较好。 灭菌 传热壁较厚，冷却水流 速低，降温效果差。
缺点
冷却水较高时，降温困难， 用水量较大。 弯曲位置易腐蚀。
竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。
发酵罐装配
机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
尺寸
3
小型发酵罐结构
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：
1
230 p
源自文库
pD
C (mm)
2
pDy C (mm) 200
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。
旋风离心式
耙式消泡器
叶轮离心式
刮板式消泡器
碟片式消泡器
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
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。
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 ：
0.7 k L （2.36 3.3n) Pg / VL 0.56 v S 0.7 10 9
Di 2 L (168/ 60) 0.62 1020 5 Re 5 . 25 10 1.96103
2.因Re≥104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数NP = 4.7 ， 故叶轮的不通气时搅拌功率P0为：
168 5 P0 N P L D ＝4.7 （kW） 1020 0.6 ＝8.07 60
'
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
机械搅拌发酵罐的热量传递
发酵过程的热量计算
生物合成热量计算法
Qt Q1 Q2 Q3 Q4
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。
H D 1.7～3.5 B D 1 8～1 12 S Di 2～5
Di D 1 2 ～1 3 C Di 0.8～1.0 H0 D 2
↑
B
↑
↑
体积 椭圆形封头体积：
D
V1
π 2 π π 1 D hb D 2 ha D 2 hb D 4 6 4 6
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。
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：
N P 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
平叶涡轮 湍流 浆式 螺旋浆式
0.1
3 4 5 6
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
N P K ( ReM )
x
x0
NP K
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
K值 滞留 71 71 70 97.5 湍流 6.3 4.8 4.0 1.08
抗生素、维生素等 类型：
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
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；