第2章通风生物反应器

1、第一节 机械搅拌式生物反应器第二节 气升式生物反应器第三节 鼓泡塔生物反应器第四节 自吸式生物反应器第五节 固态通风生物反应器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 机械搅拌通风反应器机械搅拌通风反应器底部磁力搅拌通风，电机输出轴与机底部磁力搅拌通风，电机输出轴与机械搅拌轴之间无联轴节和机械密封，械搅拌轴之间无联轴节和机械密封，密封可靠无泄漏。密封可靠无泄漏。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 图图2-52-5 河南莲花味精集团公司使用的气升式通风发酵罐河南莲花

2、味精集团公司使用的气升式通风发酵罐图图2-62-6 南阳天冠酒精集团公司酒精发酵罐南阳天冠酒精集团公司酒精发酵罐图图3-9 3-9 机械搅拌反应器机械搅拌反应器图图3-10 3-10 机械搅拌反应器机械搅拌反应器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 2. 2. 搅拌器和档板搅拌器和档板 3. 3. 密封装置密封装置 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 大型机械搅拌反应器结构示意 耐高温高压玻璃反应器耐高温高压玻璃反应器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 cppDtd 21其中其中t td d设计厚度，设计厚度，mmmm；p p为设计压力，为设计压力，MPaMPa；D D1 1为

3、发酵罐罐体内径为发酵罐罐体内径,mm,mm 材料在设计温度下的许用应力，材料在设计温度下的许用应力，MPaMPa；厚度附加量厚度附加量pKpDtt5 . 0 21对标准椭圆形封头对标准椭圆形封头:K=1:K=1法兰连接法兰连接整体焊接整体焊接生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 图图2-142-14小型发酵罐罐顶部件布置图小型发酵罐罐顶部件布置图图图2-152-15大中型发酵罐罐顶部件布置图大中型发酵罐罐顶部件布置图生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 2. 2. 搅拌器和档板搅拌器和档板生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 径向流径向流涡

4、轮搅拌器涡轮搅拌器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 径向流径向流涡轮搅拌器涡轮搅拌器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 促进总体混合效果较好，但对溶解氧效果不如涡轮搅拌器。无挡板的容器内，流无挡板的容器内，流体体绕轴作旋转运动绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会流速高时液体表面会形成漩涡，流体从桨形成漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混叶区的流量很小，混合效果很差。合效果很差。切向流切向流切向流搅拌器切向流搅拌器锚式锚式框式框式框锚式框锚式生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应

5、器结构与计算 ）挡板宽度（挡板数）罐直径（mmWzmmDzDDzDW5 . 04 . 02 . 01 . 05 . 04 . 0)12. 01 . 0 ()(ZDDZDW生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 发酵罐的搅拌轴与不运动的罐体之间的密封是确发酵罐的搅拌轴与不运动的罐体之间的密封是确保不泄漏和不污染杂菌的关键部件之一。保不泄漏和不污染杂菌的关键部件之一。 轴封是安装在旋转轴与发酵罐体之间的部件。轴封是安装在旋转轴与发酵罐体之间的部件。 轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设密封，防止工作介质

6、（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏和污染杂菌。备之处泄漏和污染杂菌。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 n主要缺点：主要缺点：n内部存在很多死角，蒸汽内部存在很多死角，蒸汽不易达到，很难彻底灭菌；不易达到，很难彻底灭菌；n轴的磨损较为严重，如轴轴的磨损较为严重，如轴磨损过多；就难以达到密封磨损过多；就难以达到密封要求；要求；n填料压紧后摩擦功率损失填料压紧后摩擦功率损失较大；较大；1- 1- 轴轴 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- 填料填料生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 经常维修填料函，搅

7、拌轴拆出磨光磨损部分，消耗工时多，影响生产。经常维修填料函，搅拌轴拆出磨光磨损部分，消耗工时多，影响生产。 分为分为单端面密封单端面密封和和双端面密封；双端面密封； 结构主要由弹性压结构主要由弹性压紧元件、动环、静环、紧元件、动环、静环、O O型密封圈等组成。型密封圈等组成。 机械密封有三个密机械密封有三个密封点位。封点位。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 下伸轴通风发酵罐下伸轴通风发酵罐上伸轴机械搅拌反应器上伸轴机械搅拌反应器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 动环和静环是动环和静环是环形平面接

8、触。环形平面接触。靠弹簧压紧动靠弹簧压紧动环和静环产生。环和静环产生。两环有微小磨两环有微小磨损，密封力基损，密封力基本不变本不变,介质不介质不易泄漏。易泄漏。3 3）全封闭密封）全封闭密封( ( 磁力搅拌磁力搅拌) )适用适用: 介质为剧毒、易然、易爆、昂贵的物料，高纯度物介质为剧毒、易然、易爆、昂贵的物料，高纯度物 料以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料料以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料 密封和机械密封均无法满足时的场合。密封和机械密封均无法满足时的场合。工作原理工作原理: 套装在输入机械能转子上的外磁转子，和套装在套装在输入机械能转子上的外磁转子，和套装在 搅拌轴上的内磁

9、转子，用隔离套使内外转子隔离，搅拌轴上的内磁转子，用隔离套使内外转子隔离， 靠内外磁场进行传动，隔离套起到全封闭密封作用。靠内外磁场进行传动，隔离套起到全封闭密封作用。 套在内外轴上的涡磁转子称为磁力联轴器。套在内外轴上的涡磁转子称为磁力联轴器。磁力联轴器的结构磁力联轴器的结构平面式联轴器平面式联轴器套筒式联轴器套筒式联轴器由装在搅拌轴由装在搅拌轴上的内磁转子上的内磁转子和装在电机轴和装在电机轴上的外磁转子上的外磁转子组成。组成。1 1外轴外轴2 2外磁转子外磁转子3 3隔离套隔离套4 4内磁转子内磁转子5 5内轴内轴 图图237237 平面式联轴器平面式联轴器平面隔离套平面隔离套1 1外磁转

10、子外磁转子2 2内磁转子内磁转子3 3隔离套隔离套4 4反应器筒体反应器筒体5 5轴承轴承套筒隔离套套筒隔离套图图238238 套筒式联轴器套筒式联轴器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 虚拟安装生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 耙式消泡器安装在发酵罐内的搅拌轴的上部耙式消泡器安装在发酵罐内的搅拌轴的上部生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 安装在反应器外部安装在反应器外部, ,结构类似于离心式旋风分离器。结构类似于离心式旋风分离器。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章

11、 生物反应器结构与计算 单管式空气分布管单管式空气分布管环管式空气分布管环管式空气分布管生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 变速装置变速装置试验罐试验罐: : 无级变速无级变速 发酵罐发酵罐: :三角皮带或三角皮带或 齿轮传动齿轮传动三角皮带减速装置三角皮带减速装置生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 夹壳形联轴器夹壳形联轴器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 （虚拟安装操作）生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 H/D=1.7H/D=1.74 4 d/D=1/2d/D=1/21/3 1/3

12、 W/D=1/8W/D=1/81/12 1/12 B/d=0.8B/d=0.81.01.0s/ds/d =1.5=1.52.52.5S S1 1/d=1/d=12 2发酵罐参数的确定要适应不同发酵罐参数的确定要适应不同的菌种和发酵产物要求。的菌种和发酵产物要求。bbcVHDVVV204生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 )61(464222DhDhDhDVbabb其中，其中，H Hb b封头直边高度，封头直边高度，h ha a封头曲边高度，对于标封头曲边高度，对于标准椭圆型封头，准椭圆型封头，Dha41生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 32015. 041DHDV发酵罐的全容积发

13、酵罐的全容积(3(3） 近似全容积计算近似全容积计算: :实际装料量实际装料量: : V VL L=0.6=0.60.85V0.85V0 0)61(244242220DhDHDVHDVbb生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 装料系数=VL/V032015. 041DHDV发酵产生的净热量发酵产生的净热量发酵发酵可用下式表示可用下式表示发酵发酵生物生物搅拌搅拌空气空气辐射辐射其中：其中：生物生物为生物合成热和呼吸热，以葡糖为基质时，细胞为生物合成热和呼吸热，以葡糖为基质时，细胞呼吸放热量为呼吸放热量为15659kJ/kg,15659kJ/kg,合成发酵产物放热量近似为合成发酵产物放热量近似

14、为48574857kJ/kg；搅拌搅拌机械搅拌放热，机械搅拌放热，搅拌搅拌3600P3600Pg g( (KJ),PKJ),Pg g为搅拌功为搅拌功率，率， =0.92 ； Q Q空气空气为发酵过程通气带出的水蒸汽所需的汽化热以及空为发酵过程通气带出的水蒸汽所需的汽化热以及空气温度上升所带出热量；气温度上升所带出热量； Q Q辐射辐射为辐射热为辐射热,Q,Q辐射辐射=0.08F=0.08F外壁外壁(t(t壁壁-t-t空空) )。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 tCQWPF2121t -Tt -Tln)t -(T-)t(Tttm对数平均温差，发酵液温度)/()(312hmkJVttWc

15、Q发酵式中式中:W_冷却水流量，冷却水流量，kg/h； c _ 冷却水的比热容，冷却水的比热容，kJ/(kg. )； t1 _冷却水进口温度，冷却水进口温度，； t2 _冷却水出口温度，冷却水出口温度， ； V 发酵液体积，发酵液体积，m3。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 选择主发酵期产生热量最大，测定：)(t2mKQFF式中：式中：Q QF F总的发酵热，（总的发酵热，（J/hJ/h）；）； K K传热总系数传热总系数,J/,J/（m m2 2.h. .h. ） ； F F冷却面积（冷却面积（m m2 2） 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 传热面积可按下式计算：传热面积可

16、按下式计算：生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 （一）不通气、牛顿流体的搅拌器功率（一）不通气、牛顿流体的搅拌器功率生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 () ()xyPeMrMNK RF式中式中 P P：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦）：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦）; ; ：液体的密度（公斤：液体的密度（公斤/ /米米3 3）; ; ：液体的粘度（牛：液体的粘度（牛. .秒秒/ /米米2 2）; ; d d：搅拌器直径（米）：搅拌器直径（米）; ; n n：搅拌器转速（转：搅拌器转速（转/ /秒）秒）; ; K K：决定于搅拌器的型式，发酵罐的几何尺寸、：决定于搅拌器的型式

17、，发酵罐的几何尺寸、挡板的尺寸及流体的流态。挡板的尺寸及流体的流态。yxgdnndKdnP)()(2353eMRd2nrMFgdn2pNdnP53功率准数；功率准数；搅拌下的雷诺准数搅拌下的雷诺准数F FrMrM为氟特鲁准数为氟特鲁准数yxgdnndKdnP)()(2253()yrMF()xPeMNK RPNeMR即：在具有挡板且满足全挡板的情况下，即：在具有挡板且满足全挡板的情况下，即搅拌准数即搅拌准数是搅拌雷诺准数是搅拌雷诺准数的函数。的函数。 1 11 10 01 10 02 21 10 03 31 10 04 41 10 05 51 10 06 61 10 0- -1 11 11 10

18、 01 10 02 23,41,276588432 1 85,6,73,41,2Re 图图2-33 搅拌器的功率曲线搅拌器的功率曲线 1-三叶推进式三叶推进式, ,s=d,无挡板；无挡板；2-三叶推进式三叶推进式, ,s=d,全挡板；全挡板；3-三叶推进式三叶推进式, ,s=2d,无挡板；无挡板；4-三叶推进式，三叶推进式，s=2d，全挡板；全挡板；5-六叶直叶圆盘涡轮，无挡板；六叶直叶圆盘涡轮，无挡板；6-六叶直叶圆盘涡轮，全六叶直叶圆盘涡轮，全挡板；挡板；7-六叶弯叶圆盘涡轮，全挡板；六叶弯叶圆盘涡轮，全挡板；8-双叶平浆，全挡板双叶平浆，全挡板全挡板：全挡板：N=4，W=0.1D；各曲线

19、：各曲线：d/D 1/3，b/d=1/4；HL/D=1 s-浆叶螺距浆叶螺距, ,N-挡板数挡板数, ,W-挡板宽度挡板宽度, ,D-釜内径釜内径, ,d-叶轮直径叶轮直径, ,b-浆叶宽度浆叶宽度, ,HL-液层深度液层深度NpNNPn在一系列的几何相似的试验设备中，用不同型在一系列的几何相似的试验设备中，用不同型式的搅拌器进行试验得出：式的搅拌器进行试验得出：n当当/d=3/d=3，H HL L/d=3/d=3，B/d=1B/d=1，D/W=10D/W=10n且且ReReM M1010时，液体处于时，液体处于层流状态层流状态，此时，此时，x=-1 x=-1 又：又：1PeMNKRpNdnP

20、5332dKnP eMRd2nReM104，x=0,pNdnP53PNK53dKnP *PfPf为校正系数，它由下式来确定：为校正系数，它由下式来确定：*1() ()3LHDfdd式中，带式中，带*号代表实际搅拌设备情况。号代表实际搅拌设备情况。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 (0.40.6 )mPPm式中式中m-m-搅拌器层数。搅拌器层数。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 3GaQNnd生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 aNPP)6 .121 (0gaNPP)85. 162. 0(0gn图图2-2b2-2b表示了在各种搅拌情

21、况下，通气与不通表示了在各种搅拌情况下，通气与不通气功率之比与通气准数的关系。气功率之比与通气准数的关系。0 2 4 6 8 10 121.00.80.21234Na*10图6-2b 各种搅拌情况下,通气与不通气功率之比与通气准数的关系 1-平桨涡轮(nb=8) 2-叶盘式(nb=6) 3-叶盘式(nb=4) 4-短桨Pg/P00.40.62.()230 450g0 56GP ndPCQ生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 n牛顿型流体：用水解糖液、糖蜜等原料做培养液牛顿型流体：用水解糖液、糖蜜等原料做培养液的细菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆饼粉配料的的细菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆饼粉配料

22、的低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体。低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体。n非牛顿型流体：霉菌醪、放线菌醪。非牛顿型流体：霉菌醪、放线菌醪。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 剪应力；剪应力；剪切速率（速度梯度）剪切速率（速度梯度）如沥青，熔融状态的塑料，聚合物溶液如沥青，熔融状态的塑料，聚合物溶液, 部分发酵液等。部分发酵液等。 dxdvdxdv此类流体可按剪应力与剪切率之间的关系，分为三类，如此类流体可按剪应力与剪切率之间的关系，分为三类，如图所示：图所示：如：血液、放线菌、霉菌的发酵液等为非牛顿流体。xeMPKRN 1PeMNKReMRnd3生物工程设备第2章 生物反应器结构与

23、计算 53dKnP 动压头动压头液体翻动量液体翻动量搅拌功率基本方程式：搅拌功率基本方程式：53322dndndnQHP53322dndndnQHP假定搅拌器功率假定搅拌器功率P不变，增加不变，增加d，则减小，则减小n，根据：，根据：，则，则H减少，减少，Q增加。增加。结论：结论：d增加，增加，n减小，动压头减小，翻动量增加，有利于减小，动压头减小，翻动量增加，有利于发酵液相与相之间的混合。发酵液相与相之间的混合。TmPPP生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 .()230 450g0 56GP ndPCQ=3.5 2ndReM生物工程设备第2章

24、生物反应器结构与计算 大型气升式发酵罐实物照片大型气升式发酵罐实物照片 实验室用气升式玻璃发酵罐（实物）实验室用气升式玻璃发酵罐（实物）生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 气-液双喷射气升环流反应器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 内部装设气液上升管，内部装设气液上升管，在外部装设带冷却装在外部装设带冷却装置的循环管。置的循环管。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 nGLGGKvVVVh生物工程设备第2章 生

25、物反应器结构与计算 mGLbvakGvmb,生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 主要取决于发酵液的湍动以及气泡的剪切细碎状态。主要取决于发酵液的湍动以及气泡的剪切细碎状态。LELcLUvDVVVtm24/式中,VL为发酵液体积；Vc为发酵液体积循环量。生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 液气比：发酵液环流量液气比：发酵液环流量Vc与通风量与通风量VG之比，对混合与之比，对混合与溶氧具有重要影响。溶氧具有重要影响。n生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 一、高位筛板塔反应器一、高位筛板塔反应器生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 可用于单细胞蛋白质、抗生素等生产，可用于单细胞

26、蛋白质、抗生素等生产，另外，对植物细胞的培养也可适用。另外，对植物细胞的培养也可适用。筛板塔、筛板以及降液管构成，结构简单，无运动部件，无需密封装置。二、压力循环塔式发酵罐 ICI压力循环塔式发酵罐生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 优点缺点1.培养基含水量少，废水、废渣少，环境污染少，容易处理；1.菌种限于耐低水活性的微生物，菌种选择性少2.消耗低，供能设备简易；2.发酵速度慢，周期较长3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉3.天然原料成分复杂，有

27、时变化，影响发酵产物的质和量4.设备和技术较简易，不需严格无菌操作，后处理方便。4.工艺参数难检测和控制5.产物浓度较高，后处理方便5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大n410121312314151-反应室 2-水压阀 3-紫外光管 4，8，13-空气吹风机 5，11-空气过滤器 6-空气出口 7湿度调节器 9加热器 12空气入口 14盘子 15盘子支持架图6-20 浅盘生物反应器简图生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 生物工程设备第2章 生物反应器结构与计算 天窗曲室风道曲槽曲料筐架鼓风机电动机图6-22 通风曲槽培养室特点：自动化程度较高，温度、湿度较易控制。空气泵流出流化床转子阀喂料池料液进入图6