气生循环式发酵罐设计

题目：200T内循环气升式生物发酵罐目录一、绪论 ................................................. - 1 -二、设计任务 ............................................. - 3 -三、反应器基本设计参数设计................................ - 7 -（一）液体喷射循环反应器基本设计参数..................... - 7 - （二）液体喷射循环反应器的循环阻力....................... - 9 - （三）驱动循环的功率和效率.............................. - 10 - 四、设备工艺结构计算 ...................................... - 10 - 五．辅助设备设计选型 ...................................... - 14 -六、热量衡算 .............................................. - 16 -七、设计数据 .............................................. - 17 -八、设计总结 .............................................. - 17 - 参考文献 .................................................. - 18 -一、绪论1. 发酵工程课程设计的目的和要求课程设计是《发酵工程》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，也是生物工程专业学生必备的能力。

特别在现在生物发酵产业日趋扩大，在国民经济中的迅速发展且越来越受到亲睐，加之现在能源危机，作为一个好的发酵工厂设计师必须要有很好的课程设计的能力，而教学计划中的课程起着培养学生独立工作和课程设计能力的重要作用。

课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。

所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。

通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；3. 迅速准确的进行工程计算的能力；4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。

2.发酵工程课程设计的内容和步骤（一）课程设计的基本内容1. 设计方案简介对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；2. 主要设备的工艺设计计算包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计等；3. 典型辅助设备的选型和计算包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；4. 带控制点的工艺流程简图以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；5. 主体设备工艺条件图图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；完整的课程设计由说明书和图纸两部分组成。

说明书是设计的书面总结，也是后续设计工作的主要依据。

（二）课程设计的步骤1. 确定设计任务；2. 阅读指导书和查阅资料；3. 现场调查；4. 设计计算，绘图和编写说明书；5. 考核和答辩。

3.带控制点的工艺流程图的绘制带控制点的工艺流程图是一种示意性的图样,它以形象的图形、符号、代号表示出化工设备、管路、附件和仪表自控等，借以表达出一个生产中物料及能量的变化始末。

4.主体设备工艺条件图主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备，如传热中的换热器，蒸发中的蒸发器，蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔)，干燥中的干燥器等。

一般，主体设备在不同单元操作中是不同的，即使同一设备在不同单元操作中其作用也不相同，如某一设备在某个单元操作中为主体设备，而在另一单元操作中就可变为辅助设备。

例如，换热器在传热中为主体设备，而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。

泵、压缩机等也有类似情况。

主体设备工艺条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算结果用一张总图表示出来。

图面上应包括如下内容:1. 设备图形指主要尺寸(外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸)、接管、人孔等；2. 技术特性指装置的用途、生产能力、最大允许压强、最高介质温度、介质的毒性和爆炸危险性；3. 设备组成一览表注明组成设备的各部件的名称等。

应予以指出，以上设计全过程统称为设备的工艺设计。

完整的设备设计，应在上述工艺设计基础上再进行机械强度设计，最后提供可供加工制造的施工图。

这一环节在高等院校的教学中，属于化工机械专业中的专业课程，在设计部门则属于机械设计组的职责。

二、设计任务1.设计任务以葡萄糖发酵酒精为例，设计一200T内循环气升式生物酒精发酵罐。

设计包括设计说明书一份，设备装配图一张。

2.设计任务说明气升式生物反应器是应用较广泛的一类无机械搅拌式的生物反应器。

气升式生物反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展起来的，它是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动，来实现流体搅拌、混合和传氧。

气升式发酵罐是最为组要和常见的气升式生物反应器，发酵罐分为上升管和下降管，含气量高的发酵液上升，含气量低的发酵液下降，压力表推动发酵液的罐内循环。

上升管和下降管装置在罐外，称为外循环；装置在罐内，称为内循环。

气升式发酵罐具有结构简单，易于清洗维修，不易染菌，能耗低、溶氧效率高，安装维修方便等特点。

气升式发酵罐有带升发酵罐、空气提升式发酵罐、气升及外循环发酵罐、气升环流发酵罐等型式。

目前中国生产的产品有玻璃气升罐（CFQS）、不锈钢气升罐（CUQS）两类，玻璃气升罐的体积为15L、10L、15L；不锈钢气升罐体积为0.005~150kL，高径比3~10。

是适合培养微生物细胞生物量的反应器，也可用于一些对溶氧要求不高的微生物代谢反应，近几年也用于酒精等厌氧发酵。

气升式发酵罐结构形式有内循环、外循环、气体环流、筛板、塔式等。

2.1气升式发酵罐特点气升式发酵罐结构简单，节省动力，操作维修方便，杂菌污染机会少，装料系数高（80%~90%）,氧的传质系数高，可用于高浓度培养。

例如，喷射式环流发酵罐与机械搅拌式发酵罐在同样的能耗下，样的传递速度高得多。

其具体特点如下：（1）反应溶液分布均匀：气液固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的普遍要求，因其流动混合与停留时间分布均受到影响。

对许多间歇或连续加料的通气发酵，基质和溶氧尽可能均匀分散，以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都落在0.1%~1%范围内，溶氧为10%~30%。

这对需氧生物细胞生长和产物生成有利。

此外还需要避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层，以免生物细胞聚集与上而受损害甚至死亡。

还有培养基成分尤其是有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬浮分散。

气升环流反应器能很好的满足这些要求。

（2）较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器有较高的气含率和比气液接触可达介面，因而有高传质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高，kLa2000h-1，且溶氧功耗相对较低。

例如一台25m3的ALR，溶氧速率2~8kg/(m3.h)，效率)/(kW.h).达1~2kg(O2（3）剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损伤可减至最低，尤其适合植物细胞和组织培养。

（4）传热良好：好气发酵罐产生大量发酵热，如酵母培养旺盛是发酵液高达3.0~4.8×105kJ/(m3.h),而传热温差则只有几度（℃）尤其夏季，若使用非冷冻水，则只要3~10℃左右，股需要很大换热面积与传热系数。

气升式生物反应器因液体综合循环效率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热控制适宜的发酵温度，即所谓的具有外循环冷却的气升式发酵罐。

（5）结构简单，易于加工制造：气升式反应罐内无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证，故加工制造方便，设备投资低。

故发大设计制造大型和超大型发酵反应器也已实现，如国际上著名的ICI压力循环发酵罐体积达3000m3另一种“BIOHCH”也达 3000m3以上。

更大的反应器如鼓泡塔是”Bayer AG”反应器体积达13000m3目前用于生化废水处理。

（6）操作和维修方便：因气升式发酵罐无机械搅拌系统，故结构简单，能耗低，操作方便，特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现渗漏染菌问题；另外因无机械搅拌产热，故发酵总热量较低，便于热冷却系统的装设。

此外，气升式发酵罐设计技术已成熟，易于放大放大设计和模拟。

2.2气升式发酵罐的类型及原理（1）带升式发酵罐带升式发酵罐的特点是：结构简单，冷却面积小；不需要交半设备，节省动力月50%；装料系数达80%~90%；维修操作及清洗简便，减少杂菌污染。

带升式发酵罐的工作原理：其主要工作原理是在管外装置上升罐，上升罐两端与罐底及上部相连接，构成一个循环体系。

在上升管的下部装置空气喷嘴，空气以250~300m/s的高速喷入上升管，使空气分割细碎，与上升罐的发酵液密切接触。

由于上升罐内部发酵液密度相对较小，加上压缩空气的功能，使液体上升，罐内液体下降进入上升管，形成反复循环，有内循环（图1中a）和外循环（图1中b）两种。

（2）气升及外循环发酵罐其原理是：空气从罐底内进入，利用气体分布器使空气分散与液体充分混合上升，经带升官回流返回罐的底部，下部的发酵液经循环泵热交换器送至灌顶的喷淋器喷淋器起消泡作用。

这种罐适用于石蜡为原料的发酵。

罐内压力可维持500kPa。

样的传递系数较高，可用于高浓度培养，菌体质量分数可达6%以上。

图1 带升式发酵罐1—人孔；2—视镜；3—空气管；4—上升管；5—冷却器；6—单向阀门；7—空气喷嘴；8—带升管；9—罐体;（3）气升环流发酵罐气升环流发酵罐的形式较多，常用的有高位发酵罐、低位发酵罐及压力发酵罐几种。

罐的结构简单，易于放大，罐的高度增大可以提高样的传递系数增大对流体的驱动力，驱动力的调节是通过气体的流量控制的。

具有外循环冷却的气升环流式发酵罐，通气管与罐底的距离是通气管直径的0.5~1.5倍气体经多空管送入罐内，多空板之下是气液分离带，此处回流培养液的泡气率降至10%以下。