气升式发酵罐(ALR
发酵工程第7讲
在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、 温度计管和测控仪表接口。
（6）罐体几何尺寸： D/H：1：1.5~4 发酵罐公称容积：V0=Vc+Vb
Vc筒身容积，Vb底封头容积。 Vb底封头容积可根据封头的形状、 直径及壁厚查有关化工手册求得。
也可近似地用下式计算。 V0=Vc+Vb= (π/4)D2×H+0.15D3
2
厌氧发酵罐
厌氧发酵也称静止培养，其设备 和工艺都较好氧发酵简单。 2 .1 酒精发酵罐： 2 .1.1罐体：D/H 1：1.3~1.4 盖和底为圆锥成碟形。 1：糖化醪进口 2：成熟醪排 出口 3：CO2排出回收口 4，5：人孔 6：蛇管 7：温包 8：取样口 9：安全阀
2 .1.2传热系统：蛇管、表面 冷却，一般0.25m2/m3
D罐直径，H罐筒身高
1.1.2 搅拌系统 功能：打碎气泡，均匀培养基， 使液体产生轴向和径向流动。 包括：驱动电机、搅拌轴； 涡轮搅拌器、搅拌叶；挡板； 轴封（端面轴封）
有上、下伸轴：罐体积特别大，使用下伸轴可降低重心， 缩短轴长度，转动时噪音小，但轴封要求严格。
1.1.2.1搅拌器：
搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮 式）两种。
谢
谢！
d：涡轮搅拌器直径 (m) D：罐内径 (m) W：挡板宽度(m) B：底层搅拌叶到罐底的距离(m) S：两搅拌叶之间的间距(m)
搅拌器的档数根据液体的深度（H） 确定，凡H≤D时用一档，当H﹥D时 用多档，但S﹤D
1.1.2.7搅拌器功率的计算：
搅拌的输出功率P(W)与流体的性质、容器的结构尺寸、液位 高度、重力加速度(g)、搅拌器的形式、搅拌器的速度及有无 档板等有关。
第四章生物反应器(2)
生物工程设备课件
（三）酒精发酵罐的计算
1．结构尺寸的确定 2．发酵罐罐数的确定 3．发酵罐冷却面积计算
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1．结构尺寸的确定
全容积：
V＝V0/φ， m3
V0-进入发酵罐的发酵液量，m3；
φ -装液系数，0.85~0.90
有锥形底、盖的圆柱形发酵罐的全体积
V D2 H h1 h2
2．主要结构参数 ：反应器高径比H/D 、导流 筒径与罐径比DE/D 、空气喷嘴直径与反应器 直径之比等
3．操作参数 ：液面高度、操作气速 、溶液的 性质 等
生物工程设备课件
气升式反应器的设计
1．液体喷射循环反应器基本设计参数 2．液体喷射循环反应器的循环阻力 3．液体喷射循环反应器中驱动循环的功率和
8-冷却水出口 9-温度计 10-喷淋水收集槽 11-喷淋水出口 12-发酵液及污水排出口
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2．换热装置
中小型发酵罐多采用罐顶喷水淋于罐外壁面进 行膜状冷却；大型发酵罐罐内装有冷却蛇管， 和罐外壁喷洒联合冷却装置
3．洗涤装置
水力喷射洗涤装置
洗涤水入口
图4-48 发酵罐水力洗涤器
生物工程设备课件
生物工程设备课件
生物工程设备课件
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山东中德设备有限公司
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自动清洗系统（CIP）
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CO2 排出口
洗涤液进口 1
2 3 4
2．大直径露天贮酒 罐
为柱体形罐，略带 浅锥形底，内设自 动清洗装置，罐底 部有CO2喷射环外， 部是保温材料，厚 度达100-200毫米。
部封头设有人孔、视镜、安 全阀、压力表、二氧化碳排 出口；采用自动清洗系统 （CIP）
生物制药设备课后题答案
生物制药设备课后题答案叙述空气带升式(气升式)发酵罐的工作原理。
答：以外循环为例来说明空气带升式(气升式)发酵罐的工作原理。
在罐外装设上升管，与发酵罐构成一个循环系统，在上升管的下部有空气喷嘴，空气以250至300米每秒的高速度喷入上升管，借喷嘴的作用而使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。
由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复循环，在上升管提供微生物所需要的溶解氧，使发酵正常进行。
叙述自吸式发酵罐的工作原理。
答：自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器(转子)和导轮(定子)，空气管与定子相连接，在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，若转子的转速愈快，旋转的线速度也愈大，则流体的动能也愈大，流体离开转子时，由动能转变为压力能也愈大，排出的风量也越大。
当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子的转速愈大，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过定子而使气液均匀分布甩出。
由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流(湍流)，使刚刚离开叶轮的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅通，因此空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过定子而使气液均匀分布甩出。
由于转子的搅拌作用，气液在叶轮的外缘形成强烈的混合流(湍流)，使刚刚离开叶轮的空气立即在不断循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，因此转子同时具有搅拌和充气两个作用。
气升式发酵罐
气升式发酵罐摘要 :该文简要介绍了气升发酵罐的、工作原理、结构设计、设备特点、优缺点及适用场合及在我国的现状。
并展望了气升式发酵罐的广阔的应用前景。
关键词：气升式发酵罐；结构；高效发酵；现状Abstract: This paper briefly introduces the airlift fermentor, working principle, structural design, equipment characteristics, advantages and disadvantages ，suitable occasion and the present situation in our country。
And the prospect of airlift fermentation tank the broad application prospects。
Key worlds ： Airlift fermentor ；construction；high acidicferm entation ；present situation；生化反应过程大都是需氧过程，通风发酵设备是需氧生化反应设备的核心和基础。
虽然目前应用最广泛的通风发酵罐是机械搅拌式的，但这种类型的发酵罐功率消耗大，加工困难，投资高，维修麻烦，轴封易泄漏，易染菌，搅拌剪切力大，大型化后混合不均匀，传质效率下降，因而难于超大型化。
因此，非机械搅拌发酵罐的研究和应用得到迅速发展，特别是气升式发酵罐。
气升式发酵罐是20世纪70年代开始发展应用的一种新型生物反应器。
因为无机械搅拌机构，所以最大限度地减少了染菌率；同时因为没有了机械剪切力，对长菌丝的各种真菌尤为适宜；由于气体提升，充分的气液混合使氧气的传递利用极大提高，特别适合高黏度培养基和对于溶氧要求高的产品。
一 .气升式发酵罐的原理它不用机械搅拌就能基本达到良好的氧溶解的目的。
生物反应器设计复习资料
判断：15*1'=15' 填空：25空*1'=25' 选择：10*2'=20'计算：2个=15' 简答：4个=25'第一章生物反应器设计基础一、生物反应器的化学计量基础1.生化反应方程式CH m O1+aNH3+bO2 Y b CH p O n N q(生物量)+Y p CH r O s N t（产物）+cH2O+dCO2其中：Yb、Yp分别是生物量和产物相对单位碳源量的产率。
平衡式：C:1=Y b+Y p+d N：a=qY b+tY pO：1+2b=nY b+sY p+c+2d H：m+3a=pY b+rY p+2c2、维持定义1/Y XS=1/Y max XS+m s/μ式中: Y XS——生物量对基质的得率；Y max XS——得率最大值；m s——维持系数；μ——比生长速率。
若方程两项乘以μ，得到基质消耗的线性方程：σ=μ/ Y max XS + m s式中：σ——合成单位生物量的基质消耗速率。
当有产物产生时σ=μ/ Y max XS +π/ Y max XS +m s式中：π——单位生物量的产物生成率。
二、生物反应器的生物学基础一）细胞数动力学1．指数生长期μ——比生长速率；X——生长量浓度，以g/L表示；t——生长时间。
对方程求积分：并将t为零时的生物量浓度称为X0，则：ln(X\X0)=μt因此倍增时间(X\X0=2时的时间t)是：t d= ln2/μ2.减速期 Monod 方程： 二 ）产物形成动力学（一）细胞代谢产物的生成的几种形式：1主要产物是能量代谢的结果（Gaden （分类）Ⅰ型 ）； 例：酵母厌氧生长过程中的酒精合成2主要产物是能量代谢的间接结果（Gaden （分类）Ⅱ型 ）； 例：霉菌好气生长过程中柠檬酸的合成和细胞中PHB 的胞内积累 3产物是二次代谢物（Gaden （分类）Ⅲ型 ） ； 例：霉菌好气发酵中青霉素的生产 4产物是胞内或胞外蛋白。
气升式发酵罐(ALR
原理
– 搅拌器由罐底向上伸入的 主轴带动。 – 叶轮旋转时叶片不断排开 周围的液体使其背侧形成 真空，由导气管吸入罐外 空气。吸入的空气与发酵 液充分混合后在叶轮末端 排出，并立即通过导轮向 罐壁分散，经挡板折流涌 向液面，均匀分布。
循环式发酵罐
循环式发酵罐是在液体循环的中途使发
酵液获得氧气，在整个循环周期中予以 消耗，到第二次循环时再重新获得氧。 如此周而复始直到完成整个发酵过程。
文氏管发酵设备用泵将发酵液压入文氏管中由于文氏管的收缩段中液体的流速增加形成真空将空气吸入并使气泡分散与液体混合微生物从而获得生长和代谢所需气泡分散破碎良好并与发酵液密切接触所以气体的吸收效率高
第二节 气升式发酵罐（ALR）
气升式发酵罐（ALR）也是应用最广泛的生 物反应设备。
特点：结构简单、不易染菌、溶氧效率高和
a
b
第三节 自吸式发酵罐
自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，
而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。 我国醋厂、酵母厂、制药厂等均已采用 这种新型设备。
①自吸式发酵罐的结构
自吸式发酵罐罐体的结构大致上与
通用式发酵罐相同，主要区别在于 搅拌器的形状和结构不同。
机械搅拌自吸式发酵罐
②自吸式发酵罐的充气
循环管中上升，并沿着一定路线进行循环，所 以这种发酵罐也叫空气带升式发酵罐或简称带 升式发酵罐。
与通用式发酵罐比较，它具有以下优点：
– （a）发酵罐内没有搅拌装置，清洗方便， 加工容易。 – （b）由于取消了搅拌用的电机，而通风量 与通用式发酵罐大致相等，所以动力消耗有 很大降低。
工作原理
内循环带升式发酵罐
在发酵罐内部进行循环的叫内循环,借循
环管在罐外进行循环的叫外循环。
生物工程设备复习大纲
1．1生物反应器设计基础1、发酵罐数的确定。
可参考课件作业1．2通风发酵罐1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。
答：1. 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，以保证供氧。
优点：高生产效率，高经济效益。
2. 气升式发酵罐(ALR) 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。
特点： 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4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便3. 自吸式发酵罐 工作原理： 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。
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；(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高(4)设备便于自动化、连续化。
缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％。
4. 通风固相发酵罐 优点：设备简单，投资省。
2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。
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；b p t t t +=24－回流口； 25－视镜；3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算（非通气状态和通气状态注意参数单位）。
非通气状态： 通气状态：1．3嫌气发酵罐1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。
气升式发酵罐
气升式发酵罐的用途
该设备可广泛用于抗生素、氨基酸、酶制 剂、维生素、有机酸等好氧性发酵过程。 在化工方面可用于气-液、气-液-固反应过 程。在环保方面可用于污水处理。目前该 设备在国内用于谷氨酸、抗生素、黄原胶、 糖化酶、柠檬酸生产，设备体积已达到 140m3，投入使用后取得了非常显著的经 济效益。发酵所必须的空气在静态混合元 件内外上下流动，带动发酵液循环，促进 气-液充分混合。
动变量控制，至少10段）6压力手动控制，仪表显示 7空气流量手
动控制，仪表显示
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我国在这方面的成果—YZ型气升筛 板式发酵罐
用于利福霉素发酵生产的YZ型气升筛板式发 酵罐，是由多年从事发酵生产工作的技术人
员研究设计的，参考了国内外已有的气升 式发酵罐的结构，结合发酵生产实际，经 多次改进，取长补短，优化结构。在生产 应用中取得了良好的效果。
内循环气升式罐分为三个区域：气体上升区； 液体下降区；气液分离区。进入上升区的空气被 分散，上升的气泡引起液体向上流动。气泡在分 离区逸出液体，液体向上的力被抵消，转而向下 流动，由此导致液体循环并促进混合。导流筒的 主要功能，一是增强罐内整个液体的混合；二是 降低气泡的聚并；三是平均了整个罐内的剪切力； 这最后一条被认为是气升式罐产出高于机械搅拌 罐的主要理由。分离区的作用：增加液体体积； 降低泡沫量；使下降液体的含气量最小。
ห้องสมุดไป่ตู้
实验用气升式玻 璃发酵罐（实物）
BIOTECH 实验用气 升式发酵 罐
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（6)操作和维修方便：因气升式发酵罐无机械搅 拌系统，所以结构较简单，能耗低，操作方便， 特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏染 菌问题 。 另外因无机械搅拌热产生，所以发酵总热量较低， 便于换热冷却系统的装设。
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（1）循环式通风发酵罐
循环式通风发酵罐系利用空气的动力使液体在 循环管中上升，并沿着一定路线进行循环，所 以这种发酵罐也叫空气带升式发酵罐或简称带 升式发酵罐。
与通用式发酵罐比较，它具有以下优点： – （a）发酵罐内没有搅拌装置，清洗方便， 加工容易。 – （b）由于取消了搅拌用的电机，而通风量 与通用式发酵罐大致相等，所以动力消耗有 很大降低。
典型的气升环流发酵罐
a—高位筛板 式发酵罐
b—用于培养 单细胞蛋白 的气升式发 酵罐
பைடு நூலகம்
a
b
第三节 自吸式发酵罐
自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机， 而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。
我国醋厂、酵母厂、制药厂等均已采用 这种新型设备。
①自吸式发酵罐的结构
自吸式发酵罐罐体的结构大致上与 通用式发酵罐相同，主要区别在于 搅拌器的形状和结构不同。
机械搅拌自吸式发酵罐
②自吸式发酵罐的充气 原理
– 搅拌器由罐底向上伸入的 主轴带动。
– 叶轮旋转时叶片不断排开 周围的液体使其背侧形成 真空，由导气管吸入罐外 空气。吸入的空气与发酵 液充分混合后在叶轮末端 排出，并立即通过导轮向 罐壁分散，经挡板折流涌 向液面，均匀分布。
循环式发酵罐
循环式发酵罐是在液体循环的中途使发 酵液获得氧气，在整个循环周期中予以 消耗，到第二次循环时再重新获得氧。 如此周而复始直到完成整个发酵过程。
用泵将发酵液压入文氏管中，由于文 氏管的收缩段中液体的流速增加，形成 真空将空气吸入，并使气泡分散与液体 混合，微生物从而获得生长和代谢所需 要的氧。
文氏管发酵设备
文氏管发酵设备的优点：
– （a）气泡分散破碎良好，并与发酵液密切 接触，所以气体的吸收效率高。
– （b）由于液体不断循环，可使气、液、固 三相均匀混合。
第二节 气升式发酵罐（ALR）
气升式发酵罐（ALR）也是应用最广泛的生 物反应设备。
特点：结构简单、不易染菌、溶氧效率高和
耗能低等。（世界最大型的体积达3000多立 方米。
类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式。
气升环流式反应器的特点：
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，4、传热良好，5、 结构简单，6、操作和维修方便。
一、自然通风固体曲发酵设备 浅盘、竹帘架等。 二、机械通风固体曲发酵设备 水泥池、箱体、鼓风机、离心送风机。 结构图类型
第五节 其他类型的通风发酵 反应器简介
P52-53
在发酵罐内部进行循环的叫内循环,借循 环管在罐外进行循环的叫外循环。
① 伍式发酵罐
搅拌器是用六根弯曲 的空气管子焊于圆盘 上，兼作空气分配器。 空气由空心轴导入， 经过搅拌器的空心管 吹出，与被搅拌器甩 出的液体相混合，发 酵液在套筒外侧上升， 由套筒内部下降，形 成循环。
② 文氏管发酵设备
工作原理
内循环带升式发酵罐
外循环带升式发酵罐
循环管高度是影响循环效率的主要因素，实践证明不应少于4m。
（2）排管式发酵罐
（3） 喷射式发酵罐
喷射式发酵罐 的底部装有旋 涡式空气喷射 器，空气从喷 射器喷嘴喷出 时同时作旋转 运动，带动发 酵液旋转，增 加混合效果。
旋涡式空气喷射器
（4） 回转喷射式发酵罐
1.2－挡板六块（与 罐壁成70°角）；
3－导向挡板三块 （与中间支管成 60°角）；
4－多孔圆形筛板；
5－反向导向挡板 五块（与圆形筛板 成30°角）；
6－多孔环形筛板；
7－转臂（直径为 罐径的2/3）
回转喷射式发酵罐
第四节 通风固相发酵设备
是传统的发酵生产工艺，广泛用于酱油 与酿酒生产，及农副产物生产饲料蛋白 等。
– （c）在要求空气量不大时，利用文氏管的 收缩段直接吸入气体，可以不需空压机。
主要缺点：
– 气体的吸入量与液体循环量之比很低，可能 达不到微生物所需要的溶氧速率。
发酵罐装料容积的计算
通风搅拌发酵罐
分类：
•可用于生产药用酵母、饲料酵母、活性干酵母、 液体曲、谷氨酸、柠檬酸、抗生素、维生素、酶 制剂、食用醋、赖氨酸等。