通气发酵设备

1、生物工程设备生物工程设备biologicalengineeringequipment课程介绍课程介绍生物反应器生物反应器反应物料处理设备产物后处理设备辅助系统设备生物工程设备结构、工作原理、设计方法第一篇第一篇生物反应器生物反应器生物反应器(bioreactor),是指利用酶或生物体(如微生物、动植物细胞)所具有的特殊功能,在体外进行生物化学反应的装置系统 。生物反应器一览50升不锈钢机械搅拌发酵罐多联玻璃生物反应器透光的生物反应器植物细胞反应器通风固体发酵设备气升式玻璃发酵罐生产用不锈钢机械搅拌通风发酵罐啤酒发酵锥形罐卧式发酵罐厌气生物反应器厌气生物反应器生物反应器的类型生物反应器的类型光照

2、生物反应器光照生物反应器膜生物反应器膜生物反应器通气生物反应器通气生物反应器搅拌式搅拌式气升式气升式自吸式自吸式第二章第二章通风发酵设备通风发酵设备机械搅拌通风发酵罐：它是通过外加压力它是通过外加压力(空气空气压缩机压缩机)将空气通入发酵罐，并利用机械搅拌器的将空气通入发酵罐，并利用机械搅拌器的作用，作用，使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。氧气。气升式发酵罐：气升式生物反应器是利用气体气升式生物反应器是利用气体的喷射动能和液体的重度差引起气液循环流动，的喷射动能和液体

3、的重度差引起气液循环流动，从而实现发酵液的搅拌、混合和溶氧。从而实现发酵液的搅拌、混合和溶氧。自吸式发酵罐：利用特殊的机械搅拌装置或液利用特殊的机械搅拌装置或液体喷射吸气装置或溢流喷射器吸入无菌空气并同体喷射吸气装置或溢流喷射器吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。毋须另外时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。毋须另外提供压缩空气。提供压缩空气。第一节 机械搅拌通风发酵罐一、结构h/d=1.7-3.5b /d =1/8-1/12di /d =1/2-1/3s /d =2-5c /d =0.8-1.0ho /d =2ha /d =0.25发酵罐的尺寸比例：通用罐的基本条件（1）发酵罐应具

4、有适宜的径高比。罐身越高，氧的）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。利用率较高。（2）发酵罐能承受一定的压力。）发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必须的溶解氧。）要保证发酵液必须的溶解氧。（4）发酵罐应具有足够的冷却面积。）发酵罐应具有足够的冷却面积。（5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，能灭菌彻底，避免染菌。能灭菌彻底，避免染菌。（6）搅拌器的轴封应严密，防杂菌污染和泄漏。）搅拌器的轴封应严密，防杂菌污染和泄漏。1、罐体、罐体 由圆柱体及椭圆形或碟由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈

5、钢，对于大型发酵钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为板厚为2323毫米。为了满足毫米。为了满足工业要求，罐体须耐受一定工业要求，罐体须耐受一定的温度的温度130130和压力和压力0.25mp0.25mp（绝对压力）。（绝对压力）。3 . 2,:)(:)(11: :)(:200)(2400230对发酵罐可取开孔系数封头壁厚受外压的壁厚许用应力腐蚀裕度受内压的壁厚ymmcsmmcscmmcspdyhdpahpdnppd罐体壁厚的计算2、搅拌器和挡板 搅拌器的作用：打碎气泡，加速和提高溶氧。搅拌器叶轮结构类型：

6、4、锚式大型发酵罐大型发酵罐搅拌装置搅拌装置搅拌器的安装方式：中心安装，垂直偏心式，底插式，侧插式，斜插式。卧式安装。搅拌器按流体流动形态可分为：轴向流型搅拌器：比如，推进式，锚式径向流型搅拌器：直叶涡轮式，弯叶涡轮式混合流型搅拌器：剪叶涡轮式。通用式发酵罐中涡轮式搅拌器圆盘的作用？通用式发酵罐中涡轮式搅拌器圆盘的作用？ 通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快，走短路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻挡只能从圆盘中央流至其

7、边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。 挡板的作用：防止液面中央形成旋涡，增强其湍流和溶氧传质。全挡板条件全挡板条件：是指在一定的转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。要达到全挡板必须满足：5 . 0)(ndb3、消泡装置发酵液中因含蛋白质等发泡物质，发酵过程中易产生泡沫，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，且增加染菌机会。 在通气发酵生产中有两种消泡方法：加化学消泡剂，豆油机械消泡：耙式消泡器、涡轮式消泡器、旋风离心和叶轮离心式消泡器、碟片式消泡器、刮板式消泡器。d罐的直径（罐的直径（mm）n n挡板数挡板数b b挡板宽度（挡板宽度（mm）4、轴封 轴封的作用：使罐顶或

8、罐底与轴之间的缝隙加以密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封，防止泄露和污染杂菌 填料函式轴封的优点是结构简单。填料函式轴封的优点是结构简单。主要缺点是：主要缺点是：死角多，很难彻底灭菌，易渗漏和灭菌死角多，很难彻底灭菌，易渗漏和灭菌轴的磨损较严重轴的磨损较严重填料压紧后摩擦功率消耗大填料压紧后摩擦功率消耗大寿命短寿命短转轴转轴动环动环静环静环弹簧座弹簧座弹簧弹簧密封圈密封圈端面轴封的三个密封点，及其密封原理端面轴封的三个密封点，及其密封原理1 1、动环与静环之间的密封动环与静环之间的密封：是靠弹性元件（弹簧、波纹：是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）压力和密封液体在相对运动的动

9、环和静环的接触管等）压力和密封液体在相对运动的动环和静环的接触面（端面）上产生一适当的压紧力（比压）使两个光洁、面（端面）上产生一适当的压紧力（比压）使两个光洁、平直的端面紧密贴合；端面间维持一层极薄的液体膜而平直的端面紧密贴合；端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的作用。这是相对旋转密封。达到密封的作用。这是相对旋转密封。2 2、静环与压盖之间的密封静环与压盖之间的密封：通常用弹性的辅助密封圈来：通常用弹性的辅助密封圈来防止液体从静环与压盖之间泄漏。这是一静密封。防止液体从静环与压盖之间泄漏。这是一静密封。3 3、动环与轴之间的密封动环与轴之间的密封：也是用各种形状有弹性的辅助：也是用各种形

10、状有弹性的辅助密封圈来防止液体从动环与轴之间泄漏。这是一个相对密封圈来防止液体从动环与轴之间泄漏。这是一个相对静止的密封。静止的密封。端面式轴封又叫机械轴封。端面式轴封又叫机械轴封。优点：优点：清洁清洁密封可靠，在较长地使用期中，不会泄漏或很少泄密封可靠，在较长地使用期中，不会泄漏或很少泄漏漏无死角，可以防止杂菌污染无死角，可以防止杂菌污染使用寿命长，质量好的可用使用寿命长，质量好的可用25年不需维修。年不需维修。摩擦功率耗损小，一般为填料函式的摩擦功率耗损小，一般为填料函式的1050。轴或轴套不受磨损轴或轴套不受磨损它对轴的精度和光洁度没有填料函那么要求严格它对轴的精度和光洁度没有填料函那么

11、要求严格，对轴的震动敏感性小。，对轴的震动敏感性小。5、联轴器、轴承。大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器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使上下搅拌轴成牢固的刚性联接6、空气分布装置空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。均匀分布。单管式分布装置：单管式分布装置：管口正对罐底中央，与罐底的距离约管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气，这样的空气分散效果较好。分散效果较好。环形管的分布装置：环形管的分布装置：以环径为搅拌器直径的以环径为搅拌器直径的0.8倍倍较有效，喷孔直径为较

12、有效，喷孔直径为58mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。空气流速取：于通风管的截面积。空气流速取：十字形管的分布装置十字形管的分布装置二、发酵罐装料容积的计算公称容积：是指圆柱部分与底封头容积之和。用于描述罐的大小。是指圆柱部分与底封头容积之和。用于描述罐的大小。)()(361241mdhdvb椭圆形封头的容积：)(15. 02332421mdhdvvv罐的全容积：装料容积：vv0发酵过程中的热量计算及发酵罐的换热装置发酵过程中的热量计算发酵过程中产生的净热量称为发酵热发酵热。（2）通过冷却水带走的热量进行计算（1）通过生物合成热进行计算1%203:

13、392. 0);(36002:2:1321qq。q，gpkjgp，qq。，qtqqqq可近似计算向周围散发的热汽化热及由于温差罐壁为经验值为搅拌轴功率机械搅拌热算可以通过糖耗来进行计散发热两部分包括细胞呼吸热和发酵生物合成热发酵液体积出口温度冷却水进冷却水比热冷却水流量:,:)3/()(2112llv、ttcwhmkjvttwctq 生物反应过程中有生物合成热产生，机械搅拌过程产生机械搅拌热，这两种热量会导致发酵液温度上升，如不去除这两种热量，无法维持工艺所需的最佳温度，从而影响产量和质量。换热装置型式（3）通过发酵液的温度升高进行计算内发酵液升高的温度发酵液和罐材料比热发酵液和发酵罐质量mi

14、n30)3/()(221212211t、cc、mmhmkjvtcmcmtlq机械通风发酵罐的搅拌与流变特性1、搅拌叶轮尺寸与类型搅拌叶轮直径与罐径之比: di/d=0.33-0.452、搅拌叶尖线速度与剪应力生物细胞在机械搅拌的剪切作用下会受到损伤其损害的程度取决于生物细胞的特性和搅拌力的性质、强度及作用时间等。 对搅拌剪切的耐受力：单细胞微生物丝状菌动物细胞 通常对耐剪切力较强的生物细胞,搅拌叶线速度应不在于7.5m/s 3、发酵液的流变特性 牛顿型流体，宾汉塑性流体，假塑性流体，涨塑性流体（1）牛顿型流体：牛顿型流体的特性是其粘度不随搅拌剪切速率和剪应力影响。1、宾汉型 2、假塑性 3、牛

15、顿型 4、涨塑性 1、涨塑性2、牛顿型 3、假塑性 spasmn，pa,:/1 ,:/:2粘度剪应速率或剪应力（2）宾汉塑性流体：表观黏度屈服应力:00ss（3）假塑性和涨塑性流体：1,; 10 ,:nnns，pa，kknn对于涨塑性流体对于假塑性流体流态特性指数也称稠度系数均匀系数机械通风发酵罐的通风与溶氧传质1、氧在液体中的溶解根据双膜理论假说，氧在液体中的溶解速率关健在于气液接触面上氧的传递速率，而单位接触面上氧传递速率决定于传递动力与阻力之比，动力为气液两相之间的氧浓度或氧分压差，阻力则来自气膜和液膜。单位接触面积上的氧的传递速率可表示为。pp，c、。c，c，p、。，l、kgklgac

16、ckppkn相平衡的氧浓度时与和当气体中氧分压为解度分别为液相中的氧的溶相平衡的氧分压与时和当液体中氧浓度为分别为气相中氧分压倒数即为液膜和气膜阻力的气膜传质系数分别为液膜传质系数*)()(单位体积液体的溶氧速率表示为：)()(*ppakccakanngla2、微生物的耗氧单位体积发酵液每小时的耗氧量叫做耗氧速率耗氧速率。25100mmol氧氧/lh微生物呼吸开始受到影响的溶氧浓度称为临界溶氧浓度临界溶氧浓度。积溶氧系数以氧分压为推动力的体体积溶氧系数以氧浓度差为推动力的的接触面积单位体积中气液两相总:akakagl搅拌器轴功率的计算搅拌器轴功率的计算1.求搅拌雷诺准数）ms（n）m（kgl（

17、m）ids）（rdemlir2/:3/:/:2醪液粘度醪液密度搅拌器直径搅拌器转速7 . 37 . 46re10rere)(4350ppppmmmplipnnn。n，nwdnp对圆盘六箭叶涡轮对圆盘六弯叶涡轮对圆盘六平直叶涡轮保持不变但搅拌功率虽然增大增加达到充分湍流时当的函数是雷诺数其中功率准数2.不通气条件下单涡轮搅拌轴功率的计算3.不通气条件下多涡轮搅拌轴功率的计算醪液深度涡轮间距:)1)(/1(2)1)(/1(23.00.3lg5.4lg9.086.0133.09.086.012ldhsidhsihsdsppdsppilil4. 通气搅拌轴功率的计算）（rn（cm）d）（mlq（kw）

18、pppgqndpgmin/:min/:,10)(25. 20339. 008. 0320搅拌器转速搅拌器直径通气量的搅拌轴功率分别为通气和不通气时计算出搅拌轴的功率后，便可选用合适的电动机。计算出搅拌轴的功率后，便可选用合适的电动机。公称容积 (m3) 筒体直径(dgmm) 筒体高度h(mm) 换热面积 m2 搅拌轴转速 r.p.m 搅拌轴功率 kw 10 1800 3800 14 160-260 17-22 15 2000 4800 18 166-260 22-30 20 2200 5000 22 180-260 30-37 30 2400 6600 34 150-250 45-55 40

19、2600 7500 45 150-250 55-75 50 2800 8000 58 150-250 55-90 60 3000 8300 65 150-250 60-115 75 3200 8800 84 150-250 90-145 100 3600 9400 114 150-250 120-125 150 4200 10800 165 150-250 165-275 200 4600 11500 220 140-240 215-360 第二章嫌气发酵设备第二章嫌气发酵设备第一节酒精发酵设备第一节酒精发酵设备 一、酒精发酵罐酒精发酵罐1、 而对于大型的发酵罐，可用高压强0.6-0.8mp的

20、水力喷射洗涤装置。喷孔与管成20o角二、酒精发酵罐的计算二、酒精发酵罐的计算带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为：d 罐的直径（米） h 罐的圆柱部分高度（米） h1 罐底高度（米）h2 罐盖高度（米） 212()433hhvdh（一）发酵罐结构尺寸的确定发酵罐全容积可按下列计算： v= v0/ v发酵罐的全体积（m3）v0进入发酵罐的发酵液量（ m3 ）装液系数，一般取=0.850.90 推荐发酵罐的尺寸。h=1.11.5dh1=0.10.14dh2=0.050.1d 从而确定发酵罐的尺寸比例.对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：n发酵罐个数（其中一个作备用）（个） n每24小时内进行加料

21、的发酵罐数（个） t一次发酵罐周期所需要时间（h)124ntn （四）发酵罐冷却面积计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即： q总的发酵热（j/h） k传热总系数（ j/m2 h ) tm对数平均温度差 a冷却面积（m2）)(2mamtkq1、总的发酵热q=q1-(q2+q3) 微生物在嫌气过程中总的发酵热，一般由生物合成热q1，蒸发损失q2，罐壁向周围散失的热损失q3等三部分热量所组成。对于微生物的生物合成热至今尚难准确计算。对于确定酒精、啤酒等嫌气发酵热，一般按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算，通常消耗1kg麦芽糖发酵放出的实际热量为418.6kj。如果发酵液不进

22、行冷却，则发酵温度可升高10。2、对数平均温度差tm的计算式为:、ttttfttttmtfttftff度分别为冷却水进出口温主发酵时的发酵温度:21ln)()(21213、总传热系数k的确定:41321111kkdkkk4、冷却水耗量的计算：)(12ttcqpw例题：例题：p58第二节啤酒发酵设备一、啤酒发酵设备的发展二、前后发酵设备(现已很少用)三、新型啤酒发酵设备1、圆筒体锥底发酵罐 圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐 ），已广泛用于前或后发酵啤酒生产。锥形罐 可单独用于前发酵或后发酵，还可以将前，后发酵合并在该罐 进行（一罐法）。这种设备的优点优点在于能缩短发酵时间,而且具有生产上的灵活性

23、，故能适合于生产各种类型啤酒的要求。目前，国内外啤酒工厂使用较多的是锥形发酵罐 这种设备一般置于室外。1).锥形罐的高径比一般为1.5-6 1，锥底角度一般为60-130 2).已灭菌的麦汁与酵母由底部进入罐内最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。3).外面设有冷却管，冷媒可以是乙二醇、酒精、冰与盐水的混合物4).罐身与罐盖设有人孔以便观察和维修。5) .罐顶装有安全阀，压力表，玻璃视镜；罐身装有取样管，温度计6).罐底还设有co2充气管，以在后发酵时饱和co27)大型发酵罐应设有真空安全阀。啤酒发酵罐发酵罐真空的形成(p67)。8)啤酒罐内对流和热交换的

24、问题(p67) 。罐内真空 罐内真空主要是系列的发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗时造成的。 大型发酵罐放料的速度很快造成一定的负压。 罐内留存一部分co2气体，在进行清洗时，co2有被除去的可能，所以也可能造成真空。 大型真空发酵罐应设防止真空的装置。真空安全阀的作用是允许空气进入罐内，以建立罐 内外压力的平衡。 罐内co2的除去量可根据进入的清洗液的碱含量算出，并进一步计算出需要进入罐内的空气量。罐内的对流与热交换 发酵罐中发酵液的对流主要依靠其中co2的作用。在整个锥形罐的发酵液中形成一个co2含量的梯度。 比重较小的发酵液具有上浮的提升力。而且在发酵时上升的二氧化碳气泡对周围的液体具

25、有一种拖曳力 由于拖曳力和提升力结合后所造成的气体搅拌作用，使罐的内容物得到循环，促进了发酵液的混合相热交换。 冷却操作时啤酒温度的变化也会引起罐的内容物的对流循环。2.联合罐 是一种具有较浅锥底的大直径(高径比为1：113)发酵罐 能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。 联合罐在发酵生产上的用途与锥形罐相同，既可用于前、后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。因而它适合多方面的需要，故又称该类型罐为通用罐。 结构：主体是一圆柱体，是由7层1.2m宽的钢板组成。总的表面积是378m3 ，总体积765m3。 联合罐是由带人孔的薄壳垂直圆柱体、拱形顶及有足够斜度以除去酵母的锥底所组成。 联合罐的基础是

26、一钢筋混凝土圆柱体，其外壁约3m高，20cm厚。 基础圆柱体壁上部的形状是按照罐底的斜度来确定的。有30个铁锚均匀地分埋入圆柱体壁中，并与罐焊接。圆柱体与罐底之间填入坚固结实的水泥沙浆，在填充料与罐底之间留25.4cm厚的空心层以绝缘。 3. 朝日罐 前发酵和后发酵合一的室外大型发酵罐 朝日罐是用46mm的不绣钢板制成的斜底圆柱型发酵罐。 其高度与直径比为1:1-2:1 外部设有冷却夹套，冷却夹套包围罐身与罐底。外面用泡沫塑料保温 内部设有带转轴的可动排油管，用来排出酒液，并有保持酒液中co 2含量均一的作用。朝日罐特点朝日罐与锥形罐具有相同的功能，但生产工艺不同。（1）利用离心机回收酵母（2

27、）利用薄板换热器控制发酵温度（3）利用循环泵把发酵液抽出又送回去。 朝日罐生产系统 优点： 三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵母浓度的控制问题，加速了酵母的成熟。 使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点 利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵浓接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其含量。啤酒循环的操作 啤酒循环的目的是为了回收酵母，降低酒温，控制下酒醉母浓度和排除啤酒中的生味物质。 （1）第一次循环是在主发酵完毕的第8天，发酵液由离心机分离酵母后经薄板换热器降温返回发酵耀，循环时间为7h。 （2）待后酵到4h时进行第二次循环，使酵母浓度进一步降低，循

28、环时间为4-12h。 如果要求缩短成熟期，可缩短循环时间。当第二次循环时酵母由于搅动的关系，发酵液中酵母浓度可能回升，这有利于双乙酰的还原和生味物质的排除。 （3）若双乙酰含量高，或生味物质较显著，可在第10天进行第三次循环操作。 利用朝日罐进行一罐法生产啤酒的优点是： 可加速啤酒的成熟 后酵时罐的装量可达96，提高了设备利用率 减少了排除酵母时发酵液的损失 缺点是动力消耗较大。 四、cip清洗系统 所谓cip (clean in place)清洗系统，它可与一个至数个发酵罐联结，罐数越多，联结越烦杂，使用管线也越多，目前也有使用活动cip系统。清洗程序的清洗程序的7个步聚个步聚1)预冲洗每次30 s，进行10次。2）用浓度3000