通风发酵设备

通风发酵罐机械搅拌发酵罐•结构•溶氧速率、通气•搅拌及流变特性•热量传递•几何尺寸及体积气升式发酵罐•工作原理•特点•结构操作参数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通风固相发酵罐高溶氧发酵罐通风发酵罐的种类气升式内环流发酵罐自吸式发酵罐机械搅拌发酵罐机械搅拌通风发酵罐在生物工程工厂中得到广泛使用，无论是用微生物作为生物催化剂，还是有酶或动植物细胞(或组织)作生物催化剂的生物工程工厂都有此类设备。据不完全统计，它占了发酵罐总数的70％-80％，故又常称之为通用式发酵罐。之机械搅拌发酵罐机械搅拌通风发酵罐靠通入的压缩空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、溶氧传质，效率高，同时强化热量传递。用于抗生素、酵母、氨基酸、有机酸或是酶的生产，显示出高生产效率、高经济效益的优点。之机械搅拌发酵罐图2.3自动玻璃发酵罐图2.4玻璃搅拌发酵罐图2.5不锈钢搅拌发酵罐某味精厂发酵车间一角之机械搅拌发酵罐231－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；24－回流口；25－视镜；大型发酵罐结构图一、机械搅拌发酵罐的结构主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分部器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等。1.罐体：由圆柱体与椭圆形或蝶形封头焊接而成发酵罐的壁厚及封头厚度的计算大中型发酵罐上封头已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管法兰搅拌器的主要作用是混合和传质，即时使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，气泡细碎以增大气—液界面，获得所需要氧速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气—液—固(细胞)三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。2.搅拌器和挡板搅拌器轴用来传递动力至叶轮，所以该传动轴必需能承受扭力以及液体冲击带来的弯距。在设计时还要考虑到传动轴需要足够的钢性从而把振动和变形减少到最低程度。搅拌器轴搅拌器轴其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中；有涡轮式、推进式和Lightnin式搅拌叶轮，大多采用涡轮式叶轮，其有平叶式、弯叶式、箭叶式之分；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。图2.6发酵罐搅拌叶轮结构图1-六直叶涡轮式；2-推进式3-LightninA-315式叶轮全焊接螺栓连接叶片叶轮与轴连接•挡板：①防止液面中央产生漩涡，②促使液体激烈翻动，增加溶解氧，③改变液流的方向，由径向流改为轴向流。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。•要达到全挡板条件必须满足下式要求：5.012.0~1.0nDDnDb无挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型3、轴封•填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。•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。•端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动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。•常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。压紧螺栓填料箱体填料函转轴填料压盖铜环填料转轴动环静环堆焊硬质O形环弹簧装置端面封轴机械轴封装置1）动环和静环2）弹簧加荷装置3）辅助密封元件“O”形环和平橡胶垫片与填料密封相比，机械密封具有以下优点：1、密封可靠，在长期运转中密封状态稳定，泄漏量很小，其泄漏量仅为填料密封的1％左右;2、使用寿命长，在油、水介质中一般可达1-2年或更长，在化工介质中一般能工作半年以上；3、摩擦功率消耗低，其摩擦功率仅为填料密封的10-50％；4、轴或轴套基本上不磨损；5、维修周期长，端面磨损后可自动补偿，一般情况下不需经常性维修；6、抗振性好，对旋转轴的振动、偏摆以及轴对密封腔的偏斜不敏感；7、适用范围广，能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率，以及各种腐蚀性介质和含磨粒介质的密封。双端面轴封的优点：清洁，密封可靠，使用时间长；无死角；摩擦功率耗损小；轴或套不受磨损；对轴的震动敏感性小。之机械搅拌发酵罐•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。4、空气分布器环型空气分布管单管式空气分布装置之机械搅拌发酵罐5、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。•机械消泡装置类型：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。旋风离心式叶轮离心式耙式消泡器碟片式消泡器刮板式消泡器大多数的生物工业生产涉及的生化反应及细胞的生长都需氧；氧是难溶的气体；发酵罐的通风供氧十分重要。二、机械搅拌通风发酵罐的通风和溶氧传质发酵液的溶氧传质速率OTR=kLa(c*-c)kLa体积溶氧系数机械搅拌通风发酵罐100-1000（1/h）c*-相应温度压强下饱和溶氧浓度，0.25-0.3mol/m3c-发酵液中溶氧浓度，mol/m3一般溶氧浓度c应控制在5%-10%c*以上，故溶氧速率一般为0.8-9kgO2/m3h（1）操作条件，如搅拌转速、通气量等（2）发酵罐的结构及几何参数，如体积、通气方法、搅拌叶轮结构和尺寸等。（3）物料的物化性能，如扩散系数、表面张力、密度、黏度、培养基成分及特性等。影响溶氧系数kLa主要因素2、机械搅拌通风发酵罐的溶氧系数Kla的经验公式：LgsLPKaKvV'''LgGLLPVKaKVV或2、机械搅拌通风发酵罐的溶氧系数Pg-对液体的搅拌做功，WVL-发酵罐的装液量，m3VG-通气量，m3vs--空截面气速，m/s溶氧系数的大小与搅拌功率、空截面气速、通气量有关。0.560.70.79igk2.363.3N)P/10dLSVvn（福田秀雄通过在100L-42m3不同大小的发酵罐进行试验，得到机械搅拌通风发酵罐体积溶氧传质系数关系式：Kd是体积溶氧系数Ni是搅拌叶轮数N是转速溶氧系数的大小与搅拌叶轮数及叶轮的转速有关。3.机械搅拌通风发酵罐的通气量与搅拌功率持气率（GasHoldup）定义为：h=(VLG-VL)/VL经验公式：h=1.8(Pg/VL)0.14vs0.75•不通气条件下的轴功率P0计算（克服流体阻力）鲁士顿(RushtonJ.H.)公式5i30DNPLPP0－无通气搅拌输入的功率（W）；NP－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；ω－涡轮转速（r/s）；ρL－液体密度（kg/m3）；μ－液体粘度（N.s/m2）；D－涡轮直径（m）；圆盘六平直叶涡轮NP≈6圆盘六弯叶涡轮NP≈4.7圆盘六箭叶涡轮NP≈3.7A.Pg=2.25(P02nDi3/Vg0.08)0.39×10-3B.提高Vg也就是vs，会使得通气搅拌功率下降，为了提高vs强化溶氧介质，应提高搅拌速度或增大叶轮直径，以便维持通气搅拌功率不变，提高kLaC.持气率和气泡会随Vs的提高而增大，上限应为1.75-2.0m/min。D.低通气速率和泡沫水平可使敏感微生物受损伤，使用低剪切力叶轮。E.固定不变的通气强度，Vs随反应器规模增加而提高。3.机械搅拌通风发酵罐的搅拌功率和通气量通气功耗：发酵罐通气所消耗的功率。“溢流现象”：当通气速率较高，而搅拌叶轮直径较小且搅拌转速较低时，会出现搅拌器对液体流动和气体分散均基本无影响的情况。实验研究表明：通气带入发酵液的搅拌混合能只能占总能的10%左右，其余90%则为机械搅拌器输入3.机械搅拌通风发酵罐的通风量通气压强：提高罐压可以提高溶氧传质，但空气压缩机输出功率也需提高。且罐压过高，会影响生物生长代谢。富氧通风：通入富氧空气或者氧气。3.机械搅拌通风发酵罐的通风量四、机械搅拌通风发酵罐的热量传递（1）生物合成热计算法：发酵过程所产生的净热量称为“发酵热”，过程总热量为：Qt=Q1+Q2-Q3-Q4Q1:生物合成热，包括呼吸放热和发酵热Q2：机械搅拌热Q3、Q4：水蒸气汽化热及气温上升所带出的热量，及发酵罐壁与环境存在温差而传递散失的热量。1.发酵过程的热量计算之机械搅拌发酵罐(2)冷却水带出热量计算法选择主发酵期产生热量最大时刻，测定发酵冷却水进出口的温度及冷却水用量(3)发酵液温升测量计算法L12VTTWQCtL22112VTcmcmQt△1.发酵过程的热量计算2.发酵罐的换热装置（1）换热夹套：（2）竖式蛇管：（3）竖式列管：之机械搅拌发酵罐夹套冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却适用范围5m3以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区优点结构简单，加工容易，罐内死角少，容易清洗灭菌流速大，传热系数大，降温效果较好。加工方便，提高传热推动力的温差。缺点传热壁较厚，冷却水流速低，降温效果差。冷却水较高时，降温困难，弯曲位置易腐蚀。用水量较大。2.发酵罐的换热装置图2.13机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸5.37.1～DH3121～DDi0.18.0～iDC12181～DB52～iDS20DH↑↑↑↑↑↑DiDB之机械搅拌发酵罐五、机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积•体积•尺寸DhDhDhDVbab614π6π4π2221•椭圆形封头体积：•发酵罐的总体积：20π1246obVDHhD近似为：220π0.154oVDHD搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）•不通气条件下的轴功率P0计算鲁士顿(RushtonJ.H.)公式：5i30DNPLPP0－无通气搅拌输入的功率（W）；NP－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；ω－涡轮转速（r/s）；ρL－液体密度（kg/m3）；μ－液体粘度（N.s/m2）；D－涡轮直径（m）；圆盘六平直叶涡轮NP≈6圆盘六弯叶涡轮NP≈4.7圆盘六箭叶涡轮NP≈3.7•通气搅拌功率Pg的计算修正的迈凯尔公式：39.008.03i23g)1025.20QDPP（搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）P0－无通气搅拌输入的功率（kW）ω－涡轮转速（r/min）Di－涡轮直径（cm）Q－通气量（mL/min）例题：某酶制剂厂10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D=0.6m，罐内装有四块标准挡板，装液量VL为6m3，搅拌转速ω=168rpm，通气量Q=1.42m3/min，醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3，三角皮带的效率是0.92，滚动轴承的效率是0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封增加的功率为1%，求轴功率Pg和kLα，并选择合适的电机。（圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数NP=4.7）解：1.P0：搅拌功率的计算）（＝＝kW07.86.01020601687.4535i30DNPLP2.求通气时搅拌功率Pg：)kW(55.6)14200006016807.8(1025.2)1025.239.008.032339.008.03i23g0QDPP（3.所需电动机功率为：）（）（kW4.7%1198.099.092.055.64.求kLα：①先求空截面气速vS：②求kLα：min)/cm(8.5518014200004422DQvSSvDQ24)atm)(min/(mLOmol10