第八章生物反应器结构与设计计算

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
• 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。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。
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 动画演示
➢机械搅拌发酵罐的结构
• 小型发酵罐结构
图2.2 小型发酵罐结构图
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
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)。
• 满足工艺要求，有利于发酵的排出 • 从结构上有利于发酵液的排出 • 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等
问题。
酒精发酵罐筒体结构
• 圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 • 在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其
所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。 • 罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、
接种管、压力表和测量仪表接口管等。 • 罐底装有排料口和排污口； • 罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型
发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也 装有人孔。
厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐） 啤酒发酵设备
一、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
第八章 生物反应器的 结构与设计计算
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
原料仓库
原料制备 和预处理
空气
过程控制 能量
消毒
生物反应器
压缩
热量
能量 产品回收
废物
产物
大型发酵罐 搅拌装置
动物细胞反应器
一个优良的培养装置应具有的条件：
• 严密的结构 • 良好的液体混合性能 • 高的传质和传热速率 • 灵敏的检测和控制仪表
• 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。
• 端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹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
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。
• 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
W z 0.1 ~ 0.2D z 0.5
D
D
D－罐直径（ mm）
z－挡板数
W－挡板宽度（ mm）
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，
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。
• 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 • 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
根据反应是否需要氧气为基准 微生物反应器可分为:
需氧微生物反应器（通气发酵罐） 厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
酒精发酵罐
酵母将糖转化为酒精高转化率条件 (1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 (2)一定的生化反应时间 (3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热
酒精发酵罐的结构要求
• 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
• 机械搅拌自吸式 • 喷射自吸式 • 溢流喷射自吸式
❖ 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)
• 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； (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。
受内压的壁厚：
1
pD
230
p
C
(mm)
2
pDy
200
C
(mm)
受外压的壁厚：
3
pD 2400
1
1
H
pD
H
C
(mm)
• 搅拌器和挡板
• 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。
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。
• 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。
2
3
➢机械搅拌发酵罐的结构
• 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－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；