《发酵罐的设计》PPT课件.ppt

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1、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

2、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.

3、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,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。容积：实验室0.5-50L，中试罐200-500L，生产上0.5m3-600m3.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

4、高氧的利用率 促进传质和传热,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

5、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。,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3800

6、 mm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 所以Z=4-6块。,3 消泡器,作用：打碎

7、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=0.65D,4 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

8、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

9、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,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

10、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=2t（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=2.5-4:1 h=ha+hb HL=H0+h

11、a+hb Di=1/3D C=Di S=3Di W=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=(/4)D2H0椭圆封头容积：V2=(/4)D2hb+(/6)D2ha=(/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=V1+V2（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

12、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400 rpm,而通用罐 200 rpm,功率消耗

13、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0.1-0.2 kg/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,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。,