梁世中主編 生物工程設(shè)備第二版 通風(fēng)發(fā)酵罐

生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)(shèjì)基礎(chǔ)共六十五頁(yè)反應(yīng)器容積的計(jì)算反應(yīng)(fǎnyìng)器有效體積的大小由反應(yīng)(fǎnyìng)物料的處理量決定。一個(gè)操作周期的總時(shí)間為：根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，有效體積為：計(jì)算：某氨基酸發(fā)酵產(chǎn)酸率12%，發(fā)酵時(shí)間為36h，輔助時(shí)間為24h，每個(gè)發(fā)酵罐有效容積為100m3。試設(shè)計(jì)年產(chǎn)5000t該氨基酸所需發(fā)酵罐個(gè)數(shù)。共六十五頁(yè)通風(fēng)(tōngfēng)發(fā)酵罐共六十五頁(yè)高效生物反應(yīng)器的特點(diǎn)：(1)傳質(zhì)和傳熱性能好；(2)結(jié)構(gòu)密封、防雜菌污染；(3)設(shè)備簡(jiǎn)單、維修方便；(4)生產(chǎn)能力高；(5)能耗低；(6)檢測(cè)控制系統(tǒng)完善；(7)易放大；(8)生產(chǎn)安全。應(yīng)用(yìngyòng)：生產(chǎn)酵母、單細(xì)胞蛋白、氨基酸、有機(jī)酸、酶制劑、抗生素、維生素等類型：共六十五頁(yè)機(jī)械(jīxiè)攪拌發(fā)酵罐(TRC)工作原理：利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。發(fā)酵罐的基本條件：(1)具有適宜的徑高比；(2)能夠承擔(dān)一定壓力；(3)保證必需的溶解氧；(4)具有足夠(zúgòu)的冷卻面積；(5)盡量減少死角，滅菌徹底，避免染菌；(6)軸封嚴(yán)密。共六十五頁(yè)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)1－軸封；2－人孔；3－梯；4－聯(lián)軸器；5－中間(zhōngjiān)軸承；6－溫度計(jì)接口；7－攪拌葉輪；8－進(jìn)風(fēng)管；9－放料口；10－底軸承；11－熱電偶接口；12－冷卻管；13－攪拌軸；14－取樣管；15－軸承座；16－傳動(dòng)皮帶；17－電機(jī)；18－壓力表；19－取樣口；21－進(jìn)料口；22－補(bǔ)料口；23－排氣口；24－回流口；25－視鏡；23共六十五頁(yè)小型(xiǎoxíng)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)共六十五頁(yè)共六十五頁(yè)共六十五頁(yè)罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼。為了滿足工業(yè)(gōngyè)要求，在一定壓力和溫度下操作，罐為一個(gè)受壓耐溫容器，通常要求耐受130℃和0.25MPa(絕對(duì)壓力)。受內(nèi)壓的壁厚：受外壓的壁厚：共六十五頁(yè)攪拌器：有平葉式、彎葉式、箭葉式渦輪式和推進(jìn)式等；其作用是打碎氣泡，使氧溶解于發(fā)酵液中，從攪拌程度來(lái)說(shuō)，以平葉渦輪最為激烈，功率(gōnglǜ)消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體。圖2.7不同(bùtónɡ)攪拌器的流型圖2.6發(fā)酵罐攪拌葉輪結(jié)構(gòu)圖1-六直葉渦輪式；2-推進(jìn)式3-LightninA-315式共六十五頁(yè)擋板：改變(gǎibiàn)液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。

有擋板(dǎnɡbǎn)的攪拌器形成的流型

無(wú)擋板的攪拌器形成的流型共六十五頁(yè)通常擋板寬度取(0.1～0.12)D，裝設(shè)4~6塊即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達(dá)到(dádào)全擋板條件必須滿足下式要求：共六十五頁(yè)軸封作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露(xièlòu)和污染雜菌。常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。填料函軸封：由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓待零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。壓緊螺栓(luóshuān)填料箱體圖2.10填料函軸封轉(zhuǎn)軸填料壓蓋銅環(huán)填料共六十五頁(yè)端面式軸封又稱機(jī)械軸封：密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋等）的壓力使垂直軸線的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對(duì)(xiāngduì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。轉(zhuǎn)軸圖2.11端面封軸動(dòng)環(huán)靜環(huán)堆焊硬質(zhì)O形環(huán)共六十五頁(yè)共六十五頁(yè)空氣分布器空氣分布器的作用：吹入無(wú)菌空氣，并使空氣均勻分布?？諝庥煞植脊車姵錾仙龝r(shí)，被攪拌器打碎成小氣泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等，常用的分布裝置有單管式。環(huán)形管的分布裝置的空氣分散效果不及單管式分布裝置。同時(shí)由于噴孔容易被堵塞，已很少采用。通常通風(fēng)管的空氣流速取20m/s。為了(wèile)防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)。可延長(zhǎng)罐底壽命。共六十五頁(yè)消泡裝置消泡裝置就是安裝在發(fā)酵罐內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上部或安裝在發(fā)酵罐排氣系統(tǒng)上的，可將泡沫打破或?qū)⑴菽扑榉蛛x成液態(tài)和氣態(tài)(qìtài)兩相，從而達(dá)到消泡的目的的裝置。兩種消泡方法:(1)加入化學(xué)消泡劑；(2)使用機(jī)械消泡裝置化學(xué)消泡劑：植物油脂，如玉米油、豆油等；動(dòng)物油脂，如豬油等；高分子化合物。機(jī)械消泡裝置：最簡(jiǎn)單實(shí)用為耙式消泡器，此外還有渦輪消泡器、旋風(fēng)離心式和葉輪式離心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。葉輪(yèlún)離心式旋風(fēng)離心式耙式消泡器共六十五頁(yè)刮板(ɡuābǎn)式消泡器碟片式消泡器共六十五頁(yè)聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌(jiǎobàn)軸較長(zhǎng)，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌(jiǎobàn)軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接。法蘭聯(lián)軸器共六十五頁(yè)軸承中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承；大型(dàxíng)發(fā)酵罐裝有中間軸承。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。共六十五頁(yè)冷卻(lěngquè)裝置豎式蛇管冷卻和豎式列管冷卻器可以起到檔板的作用。共六十五頁(yè)發(fā)酵罐裝配(zhuāngpèi)共六十五頁(yè)機(jī)械攪拌(jiǎobàn)通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸及體積尺寸(chǐcun)體積橢圓形封頭體積：發(fā)酵罐的總體積：近似為：共六十五頁(yè)公稱(gōngchēng)容積共六十五頁(yè)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的溶氧速率(sùlǜ)、通氣與攪拌溶氧傳質(zhì)速率OTR(OxygenTransferRate)測(cè)量體積溶氧系數(shù)的方法一、亞硫酸鹽氧化(yǎnghuà)法二、溶氧電極法共六十五頁(yè)影響KLa的主要因素操作條件；發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)；物料的物化(wùhuà)性能。共六十五頁(yè)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)KLa與操作參數(shù)的關(guān)系為：提高(tígāo)KLa的途徑1）增加攪拌器轉(zhuǎn)速N，以提高Pg，可以有效地提高Kla；2）加大通氣量VG，以提高vs；3）提高罐內(nèi)操作壓力或通入純氧，提高C*。機(jī)械攪拌的剪切力影響或共六十五頁(yè)機(jī)械攪拌(jiǎobàn)發(fā)酵罐的熱量傳遞發(fā)酵過(guò)程的熱量計(jì)算(jìsuàn)生物合成熱量計(jì)算法冷卻水帶出熱量計(jì)算法發(fā)酵液溫升測(cè)量計(jì)算法共六十五頁(yè)發(fā)酵罐的換熱裝置1.換熱夾套換熱系數(shù)(xìshù)：400-600kJ/(m2.h.℃)2.豎式蛇管換熱系數(shù)：1200-4000kJ/(m2.h.℃)，冷卻水流速高3.豎式列管換熱系數(shù)：>4000kJ/(m2.h.℃)，冷卻水流量大共六十五頁(yè)攪拌器軸功率的計(jì)算(jìsuàn)（單只攪拌槳）在具有擋板且滿足全擋板的情況下，攪拌準(zhǔn)數(shù)是攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)。即：式中：Np---功率準(zhǔn)數(shù)；ReM---雷諾準(zhǔn)數(shù)；K–攪拌常數(shù)(chángshù)雷諾數(shù)表示作用于流體微團(tuán)的慣性力與粘性力之比。共六十五頁(yè)當(dāng)液體處于湍流(tuānliú)狀態(tài)，此時(shí)共六十五頁(yè)表6-1不同(bùtónɡ)攪拌器的K值共六十五頁(yè)不通氣(tōngqì)條件下的軸功率P0計(jì)算魯士頓(RushtonJ.H.)公式：P0－無(wú)通氣攪拌輸入的功率（W）；NP－功率準(zhǔn)數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；ω－渦輪轉(zhuǎn)速（r/s）；ρL－液體密度（kg/m3）；Di

－渦輪直徑（m）；共六十五頁(yè)圓盤(yuánpán)六平直葉渦輪NP≈6圓盤六彎葉渦輪NP≈4.7圓盤六箭葉渦輪NP≈3.7共六十五頁(yè)通氣(tōngqì)攪拌功率Pg的計(jì)算修正的邁凱爾公式：P0－無(wú)通氣攪拌輸入的功率（kW）ω－渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）Di

－渦輪直徑（cm）Q－通氣量（mL/min）共六十五頁(yè)攪拌(jiǎobàn)功率的計(jì)算舉例例題：某酶制劑廠

10m3機(jī)械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑D=1.8m，一只圓盤六彎葉渦輪攪拌器直徑D=0.6m，罐內(nèi)裝有四塊標(biāo)準(zhǔn)擋板，裝液量VL為6m3，攪拌轉(zhuǎn)速ω=168rpm，通氣量Q=1.42m3/min，醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3

，三角皮帶的效率是0.92，滾動(dòng)軸承的效率是0.99，滑動(dòng)軸承(huádònɡzhóuchénɡ)的效率是0.98，端面軸封增加的功率為1%，求軸功率Pg和kLα，并選擇合適的電機(jī)。（已知在充分湍流狀態(tài)時(shí)，圓盤彎葉渦輪攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)NP=4.7）解：1.先求出Re：2.因Re≥104，所以發(fā)酵系統(tǒng)在充分湍流狀態(tài)，即有功率系數(shù)NP=4.7，故葉輪的不通氣時(shí)攪拌功率P0為：共六十五頁(yè)3.求通氣時(shí)攪拌(jiǎobàn)功率Pg：4.所需電動(dòng)機(jī)功率為：共六十五頁(yè)4.求kLα

：①先求空截面(jiémiàn)氣速vS：②求kLα

：共六十五頁(yè)氣升式發(fā)酵罐(ALR)工作原理把無(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴或噴孔噴射進(jìn)入發(fā)酵液中，通過(guò)氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，同時(shí)由于形成(xíngchéng)的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成(xíngchéng)循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。類型氣升環(huán)流式、塔式、空氣噴射式等。共六十五頁(yè)特點(diǎn)1）反應(yīng)溶液分布均勻2）較高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）傳熱良好5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單6）能耗小7）不易染菌8）操作和維修方便應(yīng)用單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、細(xì)胞培養(yǎng)、酶制劑、有機(jī)酸等發(fā)酵生產(chǎn)、廢水(fèishuǐ)生化處理共六十五頁(yè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)1）反應(yīng)器徑高比H/D2）導(dǎo)流筒徑與罐徑比DE/D3）空氣噴嘴直徑(zhíjìng)與反應(yīng)器直徑(zhíjìng)比Dl/D主要操作參數(shù)1）平均循環(huán)時(shí)間tm2）氣液比R3）溶氧傳質(zhì)共六十五頁(yè)空氣噴射(pēnshè)裝置漩渦(xuánwō)式空氣噴射器共六十五頁(yè)反應(yīng)器種類(zhǒnglèi)多層空氣分布(fēnbù)板的氣升環(huán)流式反應(yīng)器氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器氣升環(huán)流式反應(yīng)器共六十五頁(yè)ICI壓力(yālì)循環(huán)氣升發(fā)酵罐注射入口共六十五頁(yè)具有(jùyǒu)外循環(huán)冷卻的氣升環(huán)流式發(fā)酵罐共六十五頁(yè)BIOHOCH?反應(yīng)器徑向流噴射器是核心元件?？諝夂退鄬?duì)噴入，含極大能量的水使空氣分散成又細(xì)又均勻的氣泡。循環(huán)(xúnhuán)管保證流向及液體充分曝氣。共六十五頁(yè)自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐：不需空氣壓縮機(jī)提供(tígōng)加壓空氣，而依靠特設(shè)的機(jī)械吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置吸入無(wú)菌空氣，實(shí)現(xiàn)混合攪拌與溶氧傳質(zhì)的發(fā)酵罐。應(yīng)用：酵母及單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、醋酸發(fā)酵、維生素等生產(chǎn)。