1、 高效生物反应器的特点：(1)传质和传热性能好；传质和传热性能好；(2)结构密封、防杂菌污染；结构密封、防杂菌污染；(3)设备简单、维修方便；设备简单、维修方便；(4)生产能力高生产能力高(5)能耗低；能耗低；(6)检测控制系统完善；检测控制系统完善；(7)易放大；易放大；(8)生产安全生产安全 应用：生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素、维生素等抗生素、维生素等通风发酵罐概述 类型：通风固相发酵设备自吸式发酵罐气升环流发酵罐机械搅拌发酵罐常用通风发酵罐通风发酵罐v 机械搅拌发酵罐 工作原理 结构及几何尺寸 溶氧速率、通气与搅拌 热
2、量传递v 气升式发酵罐 工作原理 气升环流式发酵罐 典型的气升式发酵罐 v 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v 通风固相发酵罐机械搅拌发酵罐(TRC)工作原理：利用机械搅拌器的作用，利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。生长繁殖、发酵所需要的氧气。(1)具有适宜的径高比；具有适宜的径高比；(2)能够承担一定压力；能够承担一定压力；(3)保证必需的溶解氧；保证必需的溶解氧；(4)具有足够的冷却面积；具有足够的冷却面积；(5)尽量减少死角，灭菌
3、彻底，避免染菌；尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；(6)轴封严密。轴封严密。发酵罐的基本条件：大型发酵罐结构231轴封轴封；2、20人孔；人孔；3梯；梯；4联轴；联轴；5中间轴承；中间轴承；6温度计接口；温度计接口；7搅拌叶轮；搅拌叶轮；8进风管；进风管；9放料口；放料口；10底轴承；底轴承；11热电偶接口；热电偶接口；12冷却管；冷却管；13搅拌轴；搅拌轴；14取样管；取样管；15轴承座；轴承座；16传动皮带；传动皮带；17电机；电机；18压力表；压力表；19取样口；取样口；21进料口；进料口；22补料口；补料口；23排气口；排气口；24回流口；回流口；25视镜；视镜；图2.1 大型发酵罐结
4、构图动画演示动画演示机械搅拌发酵罐的结构之机械拌发酵罐机械搅拌发酵罐的结构 小型发酵罐结构图2.2 小型发酵罐结构图 由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130和和0.25MPa(绝对压力绝对压力)。罐 体受内压的壁厚：受内压的壁厚：)(2301mmCppD)(2002mmCpDy受外压的壁厚：受外压的壁厚：)(1124003mmCHDpHpD 发酵罐的结构发酵罐的结构
5、1 1、罐体、罐体 碳钢、不锈钢、衬不锈钢碳钢、不锈钢、衬不锈钢罐壁厚度取决于罐径及罐压的大小罐壁厚度取决于罐径及罐压的大小由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成 （小型罐罐顶和罐体采用法兰连接）（小型罐罐顶和罐体采用法兰连接）衬不锈钢管 搅拌器和挡板 搅拌器：搅拌器：有有平叶式平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，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。为了拆轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，
6、箭叶最小。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。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-Lightnin A-315式图2.7 不同搅拌器的流型六平叶涡轮式六弯叶涡轮式六箭叶涡轮式尺寸尺寸六平叶涡轮式搅拌器 已标准化，称为标准型搅拌已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大。功率消耗也大。叶径叶径:d =(0.30.4)D 盘径盘径:di =0.75 d叶高叶高:h =0.3 d叶长叶长:b =0.25 d搅拌器的间距搅拌器的间距1 1）最低一组搅拌器距罐底的
7、距离最低一组搅拌器距罐底的距离 B =(0.81.0)d2)2)两组搅拌器之间的间距两组搅拌器之间的间距 S =HL-1.9d/2 (HL为液体深度为液体深度)挡板：挡板：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取(0.10.12)D，装设，装设46块即可满足全挡板条件。块即可满足全挡板条件。所谓所谓“全挡板条件全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。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：要达到全挡板条件必须满
8、足下式要求：5.012.01.0nDDnDb 无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型 轴 封 填料函轴封填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。作用作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，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。防止泄露和污染杂菌。端面式轴封又称机械轴封端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹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簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑
9、表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。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。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。压紧螺栓压紧螺栓填料箱体填料箱体图2.10 填料函转轴转轴填料压盖填料压盖铜环铜环填料填料转轴转轴图2.11 端面封轴动环动环静环静环堆焊硬质堆焊硬质O形环形环图2.12 双 端面封轴密封环密封环搅拌轴搅拌轴罐体罐体齿轮箱齿轮箱传动齿轮箱传动齿轮箱填料函1 1 转轴转轴 2 2 填料压盖填料压盖3 3 压紧螺栓压紧螺栓 4 4 填料箱体填料箱体 5 5 铜环铜环 6 6 填料（石棉等）填料（石棉等）构成构成 优点：优点：结构简单、价格低结构简单
10、、价格低缺点：缺点：易渗漏，寿命易渗漏，寿命短、对轴磨损较重摩擦短、对轴磨损较重摩擦功率消耗大功率消耗大 端面轴封1 1、弹簧、弹簧 2 2、动环动环3 3、堆焊硬质合金、堆焊硬质合金4 4、静环静环 5 5、O O形圈形圈优点：优点：密封可靠，寿命长密封可靠，寿命长 摩擦功率消耗小、无死角，有效防摩擦功率消耗小、无死角，有效防杂菌杂菌缺点：缺点：结构复杂、装拆不便、结构复杂、装拆不便、对两环表面的光洁度、平直度要求对两环表面的光洁度、平直度要求高高 空气分布器的作用空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有分布。分布装置的形式有单管单管及及
11、环形管环形管等，常用的分等，常用的分布装置有单管式。布装置有单管式。空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。通常通风管的空气流速取通常通风管的空气流速取20m/s。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补底
12、腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命强。可延长罐底寿命 空气分布器 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。两相的装置，从而达到消泡的目的。两种消泡方法两种消泡方法:(1)加入化学消泡剂；加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置使用机械消泡装置 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
13、子化合物。猪油等；高分子化合物。机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消机械消泡装置：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、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碟片式消泡器和刮板式消泡器式消泡器等。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 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。联轴器及轴承 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。常用的
14、联轴器有鼓形及夹壳形两种。联轴器法兰 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；大型发酵罐装有中间轴承。大型发酵罐装有中间轴承。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。四氟乙烯等）。轴 承底轴承中间轴承之机械搅拌发酵罐 冷却装置夹套冷却夹套冷却竖式蛇管冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却竖式列管冷却适用范围5m3以下小发酵罐以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区气温较高的地区优点结构简单，加工容结构简单，加工容易，罐内死角少，易，罐内死角少，容易清
15、洗灭菌容易清洗灭菌流速大，传热系数流速大，传热系数大，降温效果较好。大，降温效果较好。加工方便，提高加工方便，提高传热推动力的温传热推动力的温差。差。缺点传热壁较厚，冷却传热壁较厚，冷却水流速低，降温效水流速低，降温效果差。果差。冷却水较高时，降冷却水较高时，降温困难，弯曲位置温困难，弯曲位置易腐蚀。易腐蚀。用水量较大。用水量较大。在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液进行循环冷却。进行循环冷却。夹套式换热装置夹套式换热装置应用：应用：小型罐、种子罐小型罐、种子罐高度：高度：比静止时液面稍高比静止时液面稍高优点：优点：结构简
16、、加工易、死角少、结构简、加工易、死角少、易清洁灭菌易清洁灭菌缺点：缺点：传热壁较厚、冷却水流传热壁较厚、冷却水流 速低、降温效果差速低、降温效果差竖式蛇管换热装置分组安装分组安装 （3 38 8不等）不等）大型罐多用大型罐多用优点：优点：冷却水流速大、冷却水流速大、传热系数高传热系数高 缺点：缺点：弯曲处易蚀穿弯曲处易蚀穿竖立列管换热装置竖立列管换热装置以列管形式对称安装于罐内以列管形式对称安装于罐内优点：优点：加工方便加工方便缺点：缺点：传热系数较蛇管低传热系数较蛇管低 用水量大用水量大图2.13 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸5.37.1 DH3121DDi0.18.0 iDC12181
17、DB52iDS20DHDiDB 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积 体积 尺寸DhDhDhDVbab614642221 椭圆形封头体积：发酵罐的总体积：DhHDVb612420近似为：22015.04DHDV 机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌 溶氧传质速率OTR(Oxygen Transfer Rate)(OTRLccak 测量体积溶氧系数的方法一、亚硫酸盐氧化法一、亚硫酸盐氧化法 二、溶氧电极法二、溶氧电极法 影响KLa的主要因素(1)操作条件；操作条件；(2)发酵罐的结构及几何参数；发酵罐的结构及几何参数；(3)物料的物化性能。物料的物化性能。42232224SONaOSONaCuSO
18、 HISONaISONaOH2422322NaIOSNaIOSNa26422322 机械搅拌发酵罐的溶氧系数 K KLa与操作变数的关系为：与操作变数的关系为：1）增加搅拌器转速N，以提高Pg，可以有效地提高Kla；2）加大通气量VG，以提高vs；3）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高C*。提高KLa的途径 机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌 sgvVPKaKLLLGgVVVPKaK或 机械搅拌的剪切力影响1）单细胞微生物如球状或杆状的细菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力强；2）丝状菌的耐受力弱；3）动物细胞对搅拌剪切力非常敏感。机械搅拌发酵罐的热量传递 发酵过程的热量计算 生物合成热量计算法生物
19、合成热量计算法 冷却水带出热量计算法冷却水带出热量计算法 发酵液温升测量计算法发酵液温升测量计算法4321QQQQQtL12VTTWQCtL22112VTcmcmQt 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(Rushton J.H.)公式：5i30DNPLPP0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；涡轮转速（r/s）；L液体密度（kg/m3）；液体粘度（N.s/m2）；D 涡轮直径（m）；圆盘六平直叶涡轮 NP6圆盘六弯叶涡轮 NP4.7圆盘六箭叶涡轮 NP3.7 通气搅拌功率Pg的计算修正的迈凯尔公式：39.008.03i23g)10
20、25.20QDPP（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）涡轮转速（r/min）Di 涡轮直径（cm）Q通气量（mL/min）例题：例题：某酶制剂厂某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径机械搅拌发酵罐，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，罐内装有四块标准挡板，装液量挡板，装液量VL为为6m3，搅拌转速，搅拌转速=168rpm，通气量，通气量Q=1.42 m3/min，醪液粘度，醪液粘度=1.9610-3 Ns/m2，醪液密度，醪液密度=1020 kg/m3，三角皮带的效率是，三角皮带的
21、效率是 0.92，滚动轴承的效率是，滚动轴承的效率是 0.99，滑动，滑动轴承的效率是轴承的效率是0.98，端面轴封增加的功率为，端面轴封增加的功率为 1%，求轴功率，求轴功率Pg和和kL，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP=4.7）解：解：1.先求出先求出Re：4321025.51096.110206.0)60/168(Re LiD搅拌功率的计算搅拌功率的计算2.因因Re104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数NP=4.7，故叶轮
22、的不通气时搅拌功率，故叶轮的不通气时搅拌功率P0为：为：）（kW07.86.01020601687.4535i30 DNPLP 3.求通气时搅拌功率求通气时搅拌功率Pg：)kW(55.6)14200006016807.8(1025.2)1025.239.008.032339.008.03i23g0 QDPP（4.所需电动机功率为所需电动机功率为：）（）（kW4.7%1198.099.092.055.6 4.求求kL：先求空截面气速先求空截面气速vS：求求kL：min)/cm(8.5518014200004422 DQvSSvDQ 24 )atm)(min/(mLOmol10911.110168
23、8.556.55/63.3)2.3610/P3.3n)2.36k2O2697.07.056.097.07.00.56gLpvVSL （小 结 热量传递 工作原理 结构 几何尺寸 通风、溶氧传质与搅拌DiDB 搅拌功率的计算气升式发酵罐(ALR)工作原理 特点及应用 主要结构及操作系数 典型的气升式发酵罐 工作原理o 类型带升式、气升环流式、塔式、空气喷射式等。o 工作原理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。G泵LG气液双喷射气升环流反应器o
24、 特点1）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便 特点及应用o 应用酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理带升式发酵罐（气升式发酵罐）带升式发酵罐（气升式发酵罐）分为内循环及外循环两种。分为内循环及外循环两种。结构特征结构特征 工作原理：工作原理：G泵LGGFG气升环流式反应器气液双喷射气升环流反应器气液双喷射气升环流反应器多层空气分布板的气升环流式反应器123456711891012气升式玻璃发酵罐具有外循环冷却的气升环流式发酵罐 空气喷射装置漩涡式空气喷射器ICIs air
25、lift system for making single-cell protein in 1979冷却水GG培养基AAB注射入口ICI压力循环塔式气升发酵罐对偶脉冲气体环流发酵罐BIOHOCH 反应器径向流喷射器是核心元件。空气和水相对喷入，含极大能量的水使空气分散成又细又均匀的气泡。循环管保证流向及液体充分曝气。BIOHOCH 反应器的特点：紧凑，无噪音，无异味 因为反应器很高，故占地面积小，不会受噪音和气味侵扰经济 氧利用率高保证能量节省80%可靠性 反应器易于进入，优质的防腐处理比混凝土更不易泄漏。一旦泄漏发生，也可立即监控。一套完整的系统保证废水不会无控制流出。BIOHOCH 反应器
26、处理工业废水技术 主要结构及操作系数o主要结构参数1）反应器径高比H/D2）导流筒径与罐径比DE/D3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/Do 操作特征1）平均循环时间tm2）气液比R3）溶氧传质小 结 工作原理 类型及特点 主要结构及操作系数 典型的气升式发酵罐 自吸式发酵罐 自吸式发酵罐：自吸式发酵罐：不需空气压缩机提供加压空不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。应用：应用：酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维酵母及单细胞蛋白
27、生产、醋酸发酵、维生素等生产生素等生产 自吸式发酵罐 优点：优点：(1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；投资，减少厂房面积；(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；(3)生产效率高、经济效率高生产效率高、经济效率高 (4)设备便于自动化、连续化。设备便于自动化、连续化。缺点：缺点：较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40。机械搅拌自吸式发酵罐 自吸式发酵罐的结构自吸式发酵罐的结构
28、机械搅拌自吸式发酵罐 工作原理工作原理：机械搅拌自吸式发酵罐 机械搅拌自吸式发酵罐的设计要点机械搅拌自吸式发酵罐的设计要点：(1)发酵罐的高径比发酵罐的高径比(2)转子与定子的确定转子与定子的确定(3)吸气量计算吸气量计算喷射自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐：喷射自吸式发酵罐：利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合和溶氧传质。混合和溶氧传质。文氏管自吸式发酵罐 液体喷射自吸式发酵罐 溢流喷射自吸式发酵罐1234567文氏管自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐文氏吸气管1234567液体喷射吸气装置喷射自吸式发酵罐12693547出水冷却水8冷却水排气排水喷射自吸式发酵罐Vobu-JZ单层溢流喷射自吸式发酵罐Vobu-JZ双层溢流喷射自吸式发酵罐通风固相发酵罐其他类型通风发酵罐其他类型通风发酵罐其他类型通风发酵罐其他类型通风发酵罐卧式转盘发酵反应器光照不锈钢发酵罐光照不锈钢发酵罐其他类型通风发酵罐
