第二章 发酵罐的设计

第二章发酵罐1概述1.1生化反应器的类型1.2发酵罐必须满足的条件1.1生化反应器的类型1生化反应器的类型植物反应器：水蛭素动物反应器：人乳铁蛋白，牛奶固体发酵设备：曲盘，竹帘，曲池，曲箱液体发酵设备：嫌气发酵设备：啤酒，酒精通风机械搅拌：通用式、自吸式、伍氏通风发酵设备通风搅拌：气升式、塔式1.2发酵罐必须满足的条件能够造成无菌环境，密闭，有一定强度，可灭菌，耐2.5kg/cm2（表压）的压力；提供好气（嫌气）环境；能够加热和冷却；内壁要光滑、减少死角。2通风发酵罐2.1通风机械搅拌发酵罐2.2自吸式发酵罐2.3伍式发酵罐2.4气升式发酵罐2.5塔式发酵罐2.1通风机械搅拌发酵罐2.1.1罐体尺寸2.1.2罐的结构2.1.3罐容积的计算2.1.4罐的优缺点2.1.2罐的结构图6-1小型发酵罐结构图1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节；4.轴封；5.窥镜；6.取样口；7.冷却水出口；8.夹套；9.螺旋片；10.温度计；11.轴；12.搅拌器；13.底轴承；14.放料口；15.冷水进口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板；19.接压力表；20.手孔；21.电动机；22.排气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口图6-2；大型发酵罐结构图1.轴封；2.人孔；3.梯子；4.联轴节；5.中间轴承；6.热电偶接口；7.搅拌器；8.通风管；9.放料口；10.底轴承；11.温度计；12.冷却管；13.轴；14.取样；15.轴承柱；16.三角皮带传动；17.电动机；18.压力表；19.取样口；20.人孔；21.进料口；22.补料口；23.排气口；24.回流口；25.窥镜罐体⑴型式：密闭立式圆柱体，封头椭圆形，小罐封头与罐体法兰连接，大罐2m3以上焊接。⑵容积：实验室0.5-50L，中试罐200-500L，生产上0.5m3-600m3.⑶材质:实验室为玻璃钢和不锈钢；工厂为不锈钢与碳钢搅拌器和挡板1搅拌器的作用，型式及特点搅拌器的作用打碎气泡，提高氧的利用率促进传质和传热流型径向流轴向流切向流流型径向流（叶片对液体施以径向离心力，流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流动。）特点：剪切作用较强，混合效果较差流型径向流轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流）特点：剪切作用较弱，混合效果较好流型径向流轴向流切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）特点：剪切作用和混合效果很差螺旋桨搅拌器轴向流的代表优点：混合效果好缺点：剪切作用差，不能阻止气流沿搅拌轴上升，不能打碎气泡，不利于溶氧，只用于培养基的配制，料液的混合。轴向流搅拌器的型式和特点径向流搅拌器的型式与特点圆盘平直叶涡轮搅拌器：是径向流的代表，在圆盘上焊有六片平直叶，圆盘可阻止气体沿搅拌轴上升，轴向流差，不利于混合，剪切作用强，有利于打碎气泡，溶氧效果好，功率消耗大。圆盘弯叶涡轮搅拌器：径向流较差，轴向流较强，混合效果较好，剪切作用不如平直叶，溶氧效果不如平直叶，功率消耗小。圆盘箭叶涡轮搅拌器：轴向流强，径向流差，剪切作用小，混合效果最好，溶氧效果差，功率消耗最小。++++++++++箭叶++++++++++++弯叶++++++++++++++平直叶输出溶氧混合剪切径向流轴向流型式菌丝体发酵单细胞发酵应用几种涡轮搅拌器作用比较轴流式搅拌器对发酵罐的液面控制不利。使用传统搅拌浆组合液面可以做到“风平浪静”；但使用轴流式搅拌浆组合（尤其是最上层的轴流式搅拌浆）通常会造成液面的“波澜壮阔”，从而影响放罐体积。以直径为3800mm的发酵罐为例，“波浪”每高出100mm，就会造成一吨多的发酵液的损失，严重降低发酵罐的有效体积。2挡板作用：改变液流方向，消除液面中心旋涡，提高搅拌混合效果，提高湍流强度。（a）（b）（c）（a）周边无档板；（b）螺旋桨搅拌器周边有垂直档板；（c）涡轮搅拌器周边有垂直档板型式：没有冷却列管或竖式蛇管的小罐，需设挡板；有冷却列管或竖式蛇管的大罐，可不再另装档板，但不能完全替代挡板的，还需另设挡板。位置由液面至罐底。数量：全挡板条件：在一定的转数下，再增加罐内附件，而轴功率保持不变，即能达到消除液面漩涡的条件。要求（W/D）Z=0.5因W=0.1-0.12D所以Z=4-6块。3消泡器作用：打碎泡沫，防止逃逸型式：锯齿状，梳状，孔板状，一般安装在搅拌轴上高出液面的部位，随搅拌轴转动而转动，将泡沫打碎。长度：L=0.65D4空气分布管作用：使通入的空气均匀分布型式：单管式正对罐底，距罐底40mm，罐底衬不锈钢圆板，防空气冲击环式不常用，易堵。5传动装置（1）变速装置：无级变速与皮带轮变速。10级(500)，八级(750)，六级(1000)，从主动轮直径比要小于7，以增加吃带面积。另外拉大主、从动轮间距也可增加吃带面积。（2）搅拌轴：有上悬式和下伸式两种，小罐只有一节，大罐有二至三节，之间用联轴器连接，联轴器多采用夹壳形或鼓形，装拆方便。对于小罐：可采用上悬式安装。对于大罐：要增加底轴承和中间轴承。材料可采用聚四氟乙烯或石棉酚醛塑料制成的滑动轴承，靠液体润滑。对于更大罐：可用下伸式，缩短轴的长度，减少振动和噪音，重心低，稳定性强，但密封要严。6轴封型式：端面轴封和填料函式轴封作用：密封搅拌轴与罐顶（底）间的缝隙，防止泄漏和染菌组成：静环（软，不透性石墨）▽8-9动环（硬，硬质合金）▽10-11压紧弹簧O型圈注意：轴垂直；动环和静环表面水平、光滑、紧密贴合；轴封要冷却双端面轴封填料函式轴封填料：•纤维织物、•橡胶、•工程塑料、•金属•组合材料依靠填料和轴的外表面接触来实现密封的。这种密封在运转中填料与轴始终摩擦，摩擦十分严重。结构简单、价格便宜、维修方便。但泄漏量大、功耗损失大。7换热装置（1）作用：实消时预热和冷却，发酵过程中的冷却和加热。（2）型式：夹套、竖式蛇管、列管夹套：5m3以下的罐子采用，冷却水流速低，传热系数小，换热效果差。但能减少罐内附件，减少死角。冷却蛇管：罐内装4-6组，水流速度快，但管径小，流量小，适用于冷却水温度低的地区。冷却列管：罐内装4-6组，管径大，耗水量大，降温快，适用于冷却水温度高的地区。竖式蛇管dD对称布置的几组竖式蛇管：传热挡板作用竖式蛇管盘管加热器（3）发酵热的计算•定义：在发酵过程中，单位时间内每m3发酵液产生的热量。•总发酵热=生物合成热+机械搅拌热-汽化热-辐射损失热•计算：通过冷却水带走的热量进行计算通过发酵液的温度升高进行计算通过生物合成热进行计算通过燃烧热进行计算通过冷却水带走的热量进行计算在主发酵期，产生热量最快最大的时期，一年中最热的半个月中，测定冷却水带走的热量。Q=WC(t2-t1)/V式中，W----冷却水的流量（kg/h）C----冷却水的比热（kj/kg℃）V----发酵液总体积（m3）通过发酵液的温度升高进行计算Q=2△t（GC+G1C1)/V式中，G----发酵液的重量（kg)G1----发酵罐的重量（kg)C、C1发酵液与发酵罐的比热（kj/kg℃）△t----30min内发酵液的温升（℃）罐体尺寸比例H0:D=2.5-4:1h=ha+hbHL=H0η+ha+hbDi=1/3DC=DiS=3DiW=0.1D挡板与罐壁的距离=（1/5-1/8）W材料：碳钢与不锈钢两种,对于碳钢的发酵罐,则要喷涂防腐涂料2.1.3罐的比例和容积的计算图6-11机械搅拌发酵罐的几何尺寸W圆筒容积：V1=(π/4)D2H0椭圆封头容积：V2=(π/4)D2hb+(π/6)D2ha=(π/4)D2(hb+1/6D)式中ha=1/4D公称容积：V3=V1+V2（取整数）全容积：V=V1+2V2装料容积：V4=ηV1+V2（η是装料系数）罐容积的计算2.1.4通用式发酵罐的优缺点优点:适用范围广，便于控温，醪液混合效果好，罐压高。缺点:搅拌功率消耗大，每立方米需2千瓦左右；罐内结构复杂，不易清洗，死角多，易渗漏，易染菌。培养菌丝体时，搅拌易受伤。需庞大的无菌空气制备系统，投资高，能耗高。2.2自吸式发酵罐2.2.1特点不用空压机，在搅拌时或液体高速喷射时自动吸入空气。2.2.2定子与转子的结构与类型定子的作用：将气体与液体混匀，甩出，将大气泡打碎，促进溶氧。转子的作用：将转子内的液体甩出，形成内部真空，将气体吸入。2.2.3自吸式发酵罐的优缺点优点:不需另设空气制备系统,投资少,能耗低,吸入的气泡小,溶氧效果好,是通用罐的3倍.缺点:搅拌转速要求高,如20立方米罐,要求400rpm,而通用罐200rpm,功率消耗大,产生泡沫多,装料系数减少，≤70%；空气过滤器的阻力要求小;发酵罐内压力低,仅有0.1-0.2kg/cm2,易染菌,主要用于饲料酵母,液体醋等粗放的通风发酵。2.3伍式发酵罐特点：搅拌器兼做空气分布器用途：纸浆废液发酵生产酵母2.4气升式发酵罐特点及结构利用压缩空气的动能使醪液翻动，以减去机械搅拌和挡板，节省动力；罐外冷却，减少了罐内附件。图6-12带升式发酵罐1.人孔；2.视镜；3.空气管；4.上升管；5.冷却夹套；6.单向阀门；7.空气喷嘴；8.带升管；9.罐体排气空气分离区带隔板的上流管冷却水压缩空气下流管图6-14塔式发酵罐。1-导流筒；2-筛板；3-分配器；4，5-人孔内循环气升式发酵罐气升环流式生物反应器优点:结构简单，附件少，容易制造，维修和清洗。取消了搅拌转动，减少了投资，节省动力约50%，对菌体无损伤。密封性能好，不易染菌。能自消泡，不须加消泡剂。装料系数高，可达80%-90%。缺点:耗气量非常大。混合与通气相耦合问题，很难在不改变通气的条件下改变混合状况。循环周期长，2.5分钟以上，对于好氧菌,不能满足溶氧需要。对于粘度大的醪液，相间混和接触较差。无菌空气压力高，罐压低，罐底易出现沉淀。降温也比较困难。