第一篇第二章通風(fēng)發(fā)酵罐

1、第一章 通風(fēng)發(fā)酵罐 應(yīng)用： 生產(chǎn)酵母、單細(xì)胞蛋白、氨基酸、有機(jī)酸、酶制劑、生產(chǎn)酵母、單細(xì)胞蛋白、氨基酸、有機(jī)酸、酶制劑、抗生素、維生素等抗生素、維生素等 類型：通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備自吸式發(fā)酵罐氣升環(huán)流發(fā)酵罐機(jī)械攪拌發(fā)酵罐常用通風(fēng)發(fā)酵罐通風(fēng)發(fā)酵罐v 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 工作原理 結(jié)構(gòu)及幾何尺寸 溶氧速率、通氣與攪拌 熱量傳遞v 氣升式發(fā)酵罐 工作原理 氣升環(huán)流式發(fā)酵罐 典型的氣升式發(fā)酵罐 v 自吸式發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌自吸式 噴射自吸式 溢流噴射自吸式v 通風(fēng)固相發(fā)酵罐機(jī)械攪拌發(fā)酵罐(TRC) 工作原理： 利用機(jī)械攪拌器的作用，利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分使空氣和發(fā)酵液充分混合促使氧在發(fā)酵液中溶

2、解，以保證供給微生物混合促使氧在發(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。生長(zhǎng)繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。 (1) 具有適宜的徑高比；具有適宜的徑高比； (2) 能夠承擔(dān)一定壓力；能夠承擔(dān)一定壓力； (3) 保證必需的溶解氧；保證必需的溶解氧； (4) 具有足夠的冷卻面積；具有足夠的冷卻面積； (5) 盡量減少死角，滅菌徹底，避免染菌；盡量減少死角，滅菌徹底，避免染菌； (6) 軸封嚴(yán)密。軸封嚴(yán)密。之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 發(fā)酵罐的基本條件：之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)231軸封軸封 ； 2、20人孔；人孔； 3梯；梯； 4聯(lián)軸；聯(lián)軸；5中間軸承；中間軸承； 6溫度計(jì)接口；溫度計(jì)接口；

3、7攪拌葉輪；攪拌葉輪； 8進(jìn)風(fēng)管；進(jìn)風(fēng)管；9放料口；放料口； 10底軸承；底軸承；11DO電極接口；電極接口；12冷卻管；冷卻管；13攪拌軸；攪拌軸； 14取樣管；取樣管；15軸承座；軸承座； 16傳動(dòng)皮帶；傳動(dòng)皮帶；17電機(jī)；電機(jī)； 18壓力表；壓力表；19取樣口；取樣口； 21進(jìn)料口；進(jìn)料口；22補(bǔ)料口；補(bǔ)料口； 23排氣口；排氣口；24回流口；回流口； 25視鏡；視鏡；圖2.1 大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 小型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖2.2 小型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐圖2.3 自動(dòng)玻璃發(fā)酵罐 圖2.4 玻璃攪拌發(fā)酵罐 圖2.5 不銹鋼攪拌發(fā)酵罐 由

4、圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳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)要求，在一定壓力和溫度鋼或不銹鋼。為了滿足工業(yè)要求，在一定壓力和溫度下操作，罐為一個(gè)受壓耐溫容器，通常要求耐受下操作，罐為一個(gè)受壓耐溫容器，通常要求耐受130和和0.25MPa(絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力)。之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 罐 體受內(nèi)壓的壁厚：受內(nèi)壓的壁厚： )(2301mmCppD )(2002mmCpDy受外壓的壁厚：受外壓的壁厚：)(1124003mmCHDpHpD之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 攪拌器和擋板 攪拌器：攪拌器： 有平葉式、彎葉式、箭葉式渦輪式和推進(jìn)式等；其作用是有平葉式、彎葉式、箭葉式

5、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，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。為了拆輪最為激烈，功率消耗也最大，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。裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體。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-Lightnin A-315式圖2.7 不同攪拌器的流型 擋板：擋板： 改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。通常擋板寬度取體激烈

6、翻動(dòng)，增加溶解氧。通常擋板寬度取( (0.10.12)D，裝設(shè)，裝設(shè)46塊即可滿足全擋板條件。塊即可滿足全擋板條件。 所謂所謂“全擋板條件全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)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。附件而軸功率仍保持不變。 要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求：要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求：5 . 012. 01 . 0nDDnDb之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 無(wú)擋板的攪拌器形成的流型 有擋板的攪拌器形成的流型之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 軸 封 填料函軸封填料函軸封：由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和由填料箱體，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。壓緊螺栓待

7、零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。 作用：作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。防止泄露和污染雜菌。 端面式軸封又稱機(jī)械軸封：端面式軸封又稱機(jī)械軸封：密封作用是靠彈性元件（彈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)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封?；ベN合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。 常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。壓緊螺栓壓緊螺栓填料箱體填料箱體圖2.10 填料函轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸填料壓蓋填料壓蓋銅環(huán)銅環(huán)填料填

8、料轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸圖2.11 端面封軸動(dòng)環(huán)動(dòng)環(huán)靜環(huán)靜環(huán)堆焊硬質(zhì)堆焊硬質(zhì)O形環(huán)形環(huán)圖2.12 雙 端面封軸密封環(huán)密封環(huán)攪拌軸攪拌軸罐體罐體齒輪箱齒輪箱傳動(dòng)齒輪箱傳動(dòng)齒輪箱之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 空氣分布器的作用：吹入無(wú)菌空氣，并使空氣均勻空氣分布器的作用：吹入無(wú)菌空氣，并使空氣均勻分布。分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等，常用的分分布。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。布裝置有單管式。 空氣由分布管噴出上升時(shí)，被攪拌器打碎成小氣空氣由分布管噴出上升時(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。泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。 環(huán)形管的分布裝置的空氣分散效果不及

9、單管式分環(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。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)管的空氣流速取通常通風(fēng)管的空氣流速取20m/s。 為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐為了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)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)強(qiáng),可延長(zhǎng)罐底壽命。可延長(zhǎng)罐底壽命。 空氣分布器之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 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

10、液態(tài)和氣態(tài)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)兩相的裝置，從而達(dá)到消泡的目的。兩相的裝置，從而達(dá)到消泡的目的。 兩種消泡方法兩種消泡方法: (1) 加入化學(xué)消泡劑；加入化學(xué)消泡劑；(2)使用機(jī)械消泡裝置使用機(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。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

11、式消泡器等。式消泡器等。旋風(fēng)離心式葉輪離心式耙式消泡器碟片式消泡器刮板式消泡器之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，常分為二至三段，用大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 聯(lián)軸器及軸承 小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接。 常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。聯(lián)軸器法蘭 中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承；中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承； 大型發(fā)酵罐裝有中間軸承。大型發(fā)酵罐裝有中間軸承。 罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，

12、應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚潤(rùn)滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。四氟乙烯等）。之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 軸 承底軸承中間軸承之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 冷卻裝置夾套冷卻夾套冷卻豎式蛇管冷卻豎式蛇管冷卻豎式列管冷卻豎式列管冷卻適用范圍5m3以下小發(fā)酵罐以下小發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐氣溫較高的地區(qū)氣溫較高的地區(qū)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，罐內(nèi)死角少，易，罐內(nèi)死角少，容易清洗滅菌容易清洗滅菌流速大，傳熱系數(shù)流速大，傳熱系數(shù)大，降溫效果較好。大，降溫效果較好。加工方便，提高加工方便，提高傳熱推動(dòng)力的溫傳熱推動(dòng)力的溫差。差。缺點(diǎn)傳熱壁較厚，冷卻傳熱壁較厚，冷卻

13、水流速低，降溫效水流速低，降溫效果差。果差。冷卻水較高時(shí)，降冷卻水較高時(shí)，降溫困難，彎曲位置溫困難，彎曲位置易腐蝕。易腐蝕。用水量較大。用水量較大。 在罐外安裝板式或螺旋板式熱交換器，采用無(wú)菌空氣使發(fā)酵液在罐外安裝板式或螺旋板式熱交換器，采用無(wú)菌空氣使發(fā)酵液進(jìn)行循環(huán)冷卻。進(jìn)行循環(huán)冷卻。圖2.13 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸5 . 37 . 1 DH3121DDi0 . 18 . 0 iDC12181 DB52iDS20DHDiDB之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸及體積 體積 尺寸DhDhDhDVbab614642221 橢圓形封頭體積： 發(fā)酵罐的總體積：DhHDVb612420

14、近似為：22015. 04DHDV之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的溶氧速率、通氣與攪拌 溶氧傳質(zhì)速率OTR(Oxygen Transfer Rate)(OTRLccak 測(cè)量體積溶氧系數(shù)的方法一、亞硫酸鹽氧化法一、亞硫酸鹽氧化法 二、溶氧電極法二、溶氧電極法 影響KLa的主要因素操作條件；操作條件；發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)；發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)；物料的物化性能。物料的物化性能。 42232224SONaOSONaCuSO HISONaISONaOH2422322NaIOSNaIOSNa26422322之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的溶氧系數(shù) K KLa與操作變數(shù)的關(guān)系為：與操作變數(shù)的關(guān)系為

15、：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*。 提高KLa的途徑 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的溶氧速率、通氣與攪拌 sgvVPKaKLLLGgVVVPKaK或 機(jī)械攪拌的剪切力影響1）單細(xì)胞微生物如球狀或桿狀的細(xì)菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力強(qiáng)；2）絲狀菌的耐受力弱；3）動(dòng)物細(xì)胞對(duì)攪拌剪切力非常敏感。之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的熱量傳遞 發(fā)酵過(guò)程的熱量計(jì)算 生物合成熱量計(jì)算法生物合成熱量計(jì)算法 冷卻水帶出熱量計(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)算法發(fā)酵液溫升測(cè)量計(jì)算法4321QQQQQtL12VTTWQCt

16、L22112VTcmcmQt之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐小 結(jié) 熱量傳遞 工作原理 結(jié)構(gòu) 幾何尺寸 通風(fēng)、溶氧傳質(zhì)與攪拌DiDB之氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐(ALR) 工作原理 特點(diǎn)及應(yīng)用 主要結(jié)構(gòu)及操作系數(shù) 典型的氣升式發(fā)酵罐 工作原理之氣升式發(fā)酵罐o 類型氣升環(huán)流式、塔式（鼓泡式）、空氣噴射式等。o 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，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。G泵LG氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器o 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）

17、剪切力小，對(duì)生物細(xì)胞損傷小4）傳熱良好5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造6）操作和維修方便 7）易于放大設(shè)計(jì)和模擬特點(diǎn)及應(yīng)用之氣升式發(fā)酵罐o 應(yīng)用酵母生產(chǎn)、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、細(xì)胞培養(yǎng)酶制劑和有機(jī)酸等發(fā)酵生產(chǎn)、廢水生化處理主要結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)之氣升式發(fā)酵罐o主要結(jié)構(gòu)參數(shù)1）反應(yīng)器徑高比H/D（59）2）導(dǎo)流筒徑與罐徑比DE /D（0.60.8）3）空氣噴嘴直徑與反應(yīng)器直徑比Dl/Do 操作特征1）平均循環(huán)時(shí)間tm2）液氣比R=Vc/Vg3）溶氧傳質(zhì)之氣升式發(fā)酵罐 空氣噴射裝置漩渦式空氣噴射器G泵LG之氣升式發(fā)酵罐GFG氣升環(huán)流式反應(yīng)器氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器多層空氣分布板的氣升環(huán)流式反應(yīng)器之氣升式發(fā)酵罐IC

18、Is air lift system for making single-cell protein in 1979冷卻水GG培養(yǎng)基AAB注射入口ICI壓力循環(huán)氣升發(fā)酵罐之氣升式發(fā)酵罐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)管保證流向及液體充分曝氣。BIOHOCH 反應(yīng)器的特點(diǎn)：緊湊，無(wú)噪音，無(wú)異味 因?yàn)榉磻?yīng)器很高，故占地面積小，不會(huì)受噪音和氣味侵?jǐn)_經(jīng)濟(jì) 氧利用率高保證能量節(jié)省80%可靠性 反應(yīng)器易于進(jìn)入，優(yōu)質(zhì)的防腐處理比混凝土更不易泄漏。一旦泄漏發(fā)生，也可立即監(jiān)控。一套完整的系統(tǒng)保證廢水不會(huì)無(wú)控制流出 。 BIOHOCH

19、反應(yīng)器處理工業(yè)廢水技術(shù) 之氣升式發(fā)酵罐之氣升式發(fā)酵罐小 結(jié) 工作原理 類型及特點(diǎn) 主要結(jié)構(gòu)及操作參數(shù) 典型的氣升式發(fā)酵罐 之自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐：自吸式發(fā)酵罐： 不需空氣壓縮機(jī)提供加壓空不需空氣壓縮機(jī)提供加壓空氣，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。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：應(yīng)用： 酵母及單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、醋酸發(fā)酵、維酵母及單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、醋酸發(fā)酵、維生素等生產(chǎn)生素等生產(chǎn) 之自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： (1)不必配備空氣壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備，節(jié)約設(shè)備不必配備空氣壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備，節(jié)約設(shè)備投資，減少?gòu)S房面積；投資，減少?gòu)S房面積； (2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗較低；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗較低； (3)生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效率高生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效率高 (4)設(shè)備便于自動(dòng)化、連續(xù)化。設(shè)備便于自動(dòng)化、連續(xù)化。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 較易產(chǎn)生雜菌污染，需配備低阻力損失低