第一篇 第二章 通风发酵罐

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。
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
气 气升环流式、塔式（鼓泡式）、空气喷射式等。 液
↑ G
o 工作原理
把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷 射进入发酵液中，通过气液混合 物的湍流作用而使空气泡分割细 碎，同时由于形成的气液混合物 密度降低故向上运动，而气含率 小的发酵液则下沉，形成循环流 动，实现混合与溶氧传质。
G
↑
双 喷 射 气 升 环 流 反 应 器
• 发酵罐的基本条件：
(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 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－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； 图2.1 大型发酵罐结构图
• • •
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
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
小 结
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 工作原理 • 结构 • 几何尺寸
D
↑↑
B
↑
• 通风、溶氧传质与搅拌 • 热量传递
↑
Di
↑
↑
气升式发酵罐(ALR)
之 气 升 式 发 酵 罐
工作原理
特点及应用 主要结构及操作系数 典型的气升式发酵罐
工作原理
o 类型
之 气 升 式 发 酵 罐
OT R kL a(c c)
• 测量体积溶氧系数的方法
一、亚硫酸盐氧化法
4 2Na2 SO3 O2 CuSO 2Na2 SO4
2O Na2 SO3 I 2 H Na2 SO4 2HI
Na2 S2O3 I 2 Na2 S4O6 2NaI
二、溶氧电极法
3
机械搅拌发酵罐的结构
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 小型发酵罐结构
图2.2 小型发酵罐结构图
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
图2.5 不锈钢搅拌发酵罐
图2.4 玻璃搅拌发酵罐 图2.3 自动玻璃发酵罐
• 罐体
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 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：
小 结
之 气 升 式 发 酵 罐 工作原理 类型及特点 主要结构及操作参数
典型的气升式发酵罐
自吸式发酵罐
之 自 吸 式 发 酵 罐
自吸式发酵罐： 不需空气压缩机提供加压空
气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置 吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
应用： 酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维
生素等生产
自吸式发酵罐
之 自 吸 式 发 酵 罐
优点：
(1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备 投资，减少厂房面积；
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
漩涡式空气喷射器
↑ G
之 气 升 式 发 酵 罐
↑
气 液 双 喷 射 气 升 环 流 反 应 器
G
G ↑ G
↑
泵
L
↑
F
气升环流式反应器
多层空气分布板的 气升环流式反应器
↑
G
↑ ↑
之 气 升 式 发 酵 罐
A
A
B
注射入口
ICI压力循环气升发酵罐
冷却水
G
培养基 ↑
↑
ICI's air lift system for making single-cell protein in 1979
• 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

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
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。
BIOHOCH® 反应器
之 气 升 式 发 酵 罐
径向流喷射器是核心元 件。空气和水相对喷入， 含极大能量的水使空气 分散成又细又均匀的气 泡。循环管保证流向及 液体充分曝气。
BIOHOCH® 反应器处理工业废水技术
BIOHOCH® 反应器的特点： 之 气 升 式 发 酵 罐 紧凑，无噪音，无异味 — 因为反应器很高，故占地 面积小，不会受噪音和气味侵扰 经济 — 氧利用率高保证能量节省80% 可靠性 — 反应器易于进入，优质的防腐处理比混凝 土更不易泄漏。一旦泄漏发生，也可立即监控。一 套完整的系统保证废水不会无控制流出 。
主要结构及操作参数
o主要结构参数
之 气 升 式 发 酵 罐 1）反应器径高比H/D（5~9） 2）导流筒径与罐径比DE /D（0.6~0.8） 3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/D
o 操作特征
1）平均循环时间tm 2）液气比R=Vc/Vg 3）溶氧传质
• 空气喷射装置
之 气 升 式 发 酵 罐
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 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
泵
L
特点及应用
o 特点
之 气 升 式 发 酵 罐 1）反应溶液分布均匀 2）较高的溶氧速率和溶氧效率 3）剪切力小，对生物细胞损伤小 4）传热良好 5）结构简单，易于加工制造 6）操作和维修方便 7）易于放大设计和模拟
o 应用
酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养 酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理
• 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
耙式消泡器 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 机 械 搅 拌 发 酵 罐
• 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。
联轴器
• 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。
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。
• 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
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐