项目 3 反应设备

项目3反应设备Reactor化学反应设备ChemicalReactor：釜式反应器和鼓泡塔反应器生物反应设备：机械搅拌式发酵罐和气升式发酵罐Cut-awayviewofastirred-tankchemicalreactorwithacoolingjacket

均相反应器的选择原料预处理化学反应产品分离化工生产过程常见的均相反应器釜式反应器管式反应器ChemicalReactorsAnindustrialchemicalreactoriscomplexdeviceinwhichheattransfer,masstransfer,diffusionandfrictionmayoccuralongwithchemicalreactionwithprovisionsofsafetyandcontrols.Arevesselsdesignedtocontainchemicalreactions.Thesearethetwomainbasicvesseltypes:tankpipeBasicPrinciples:Allchemicalprocessesarecenteredinachemicalreactor.ThedesignofachemicalreactorIsthemostimportantfactorindeterminingtheoverallprocesseconomics.Atthestartthedesignwork,thefollowinginformationispresumablyavailable:.ReactionType.Needforcatalyst.Phasesinvolve.Themodeoftemperatureandpressurecontrol,and.ProductioncapacityReactionTypesDirectCombinationorSynthesisReaction A+B=ABChemicalDecompositionorAnalysisReaction AB=A+BSingleDisplacementorSubstitutionReaction A+BC=AC+BMetathesisorDoubleDisplacementReaction AB+CD=CBInadditiontothebasicdata,include:AheatandmasstransfercharacteristicsPhysical,chemicalandthermodynamicpropertiesofcomponentstakingpartinthereaction.CORROSION-erosioncharacteristicsofanypotentialhazardassociatedwithreactionsystem.ReactionRateEndothermicReactions

“within-heating”describesaprocessorreactionthatabsorbsenergyintheformofheat.ExothermicReactions

Releaseenergyintheformofheat,light,orsound.

∆S>0∆H<0ApplicationsofDifferentialMassBalanceIdeal(stirred)BatchreactorIdealtankreactor,alsonamedContinuousStirredTankReactor(CSTR)IdealPlugFlowReactor(PFR)

MassTransfer

Isthephrasecommonlyusedinengineeringforphysicalprocessesthatinvolvemolecularandconvectivetransportofatomsandmoleculeswithinphysicalsystem.Transferofmassfromhighconcentrationtolowconcentration.HeatTransferIsthetransitionofthermalenergyfromaheateditemtoacooleritem.TransferofThermalEnergyModesOfHeatTransfer

jacket,internalcoils,externalheatexchanger,coolingbyvaporphasecondensationfiredheater.JacketInternalCoilExternalHeatExchangerCoolingbyVaporPhaseCondensationHeatExchangeinPackedReactorsChemicalReactorcanbeoperatedin:

1.BatchModes2.SemiContinuousModes3.ContinuousModesBATCHREACTOROneinwhichfeedmaterialistreatedasawholeforafixedperiodoftime.TypesofCoolingJacket:

SingleExternalJacket

Consistsofanouterjacketwhichsurroundsthevessel.Heattransferfluidflowsaroundthejacketandisinjectedathighvelocityvianozzles.Thetemperatureinthejacketisregulatedtocontrolheatingorcooling.SingleExternalJacket

Thehalfcoiljacketismadebyweldingahalfpipearoundtheoutsideofthevesseltocreateasemicircularflowchannel.Alargereactormayuseseveralcoilstodelivertheheattransferfluid.HalfCoilJacketHalfCoilJacket

Hasaseriesof20ormoresmalljacketelements.Thetemperaturecontrolvalveoperatesbyopeningandclosingthesechannelsasrequired.ConstantFluxCoolingJacketConstantFluxCoolingJacketSCHEMATICDIAGRAMOFCRUDESEWAGESemiBatchReactorOneormorereactantisinabatchmodes,whilecoreactantisfedandwithdrawncontinuously.SchematicDiagramofSemiBatchStirredTankReactorConsistofatankfittedwithamechanicalagitatorandacoolingjacketorcoils.ContinuousStirred-TankReactor

(CSTR)Oneormorefluidreagentsareintroducedintoatankreactor.Residencetime–averageamountoftimeadiscretequantityofreagentsspendinsidethetankResidencetime=volumetricflowrate volumeofthetankSomeImportantAspectsoftheCSTR:Atsteadystate,theflowrateinmustbeequalthemassflowrateout.AllcalculationsperformedwithCSTR’sassumeperfectmixing.Thereactionproceedsatthereactionrateassociatedwiththefinal(output)concentration.EconomicallybeneficialtooperateinseriesorinparallelSmallCSTRoperatinginserieswouldbeequivalenttoaPFR.PlugFlowReactor

塞流式反应器(PFR)

OneormorefluidreagentsarepumpedthroughapipeortubeSomeImportantAspectsofthePFR:AllcalculationsperformedwithPFR’sassumenoupstreamordownstreammixing.Reagentsmaybeintroducedintothereactor’sinletHasahigherefficiencythanaCSTRatthesamevalue.SchematicDiagramofPlugFlowReactorTubularFlowReactor

管式流动反应器(TFR)aregenerallyusedforgaseousreactionsbutarealsosuitableforsomeliquid-phasereactions.SomeImportantAspectsoftheTFR:ChemicalreactionstakeplaceinastreamofgasthatcarriesreactantsfromtheinlettotheoutletThecatalystsareintubesUniformloadingisensuredbyusingspecialequipmentthatchargesthesameamountofcatalysttoeachtubeatadefiniterate.MultitubularReactorFluidizedBedDevicethatcanbeusedtocarryoutavarietyofmultiphasechemicalreactions.Acatalystpossiblyshapedastinyspheres.FluidizedBedReactorFixedBed固定床Fixedbedreactorisacylindricaltube,randomlyfilledwithcatalystparticles,whichmaybespheresorcylindricalpellets.FixedBedReactor固定床反应器SPRAYTOWERAreaformofpollutioncontroltechnology.ConsistofemptycylindricalvesselsmadeofsteelorplasticandnozzlesthatsprayliquidintothevesselsTwotypesofSprayTowers:1.CocurrentFlow

并流-aresmallerthancountercurrent-flowspraytowers

2.CrosscurrentFlow错流-thegasandliquidflowindirectionsperpendiculartoeachother.Two-PhaseFlowoccursinasystemcontaininggasandliquidwithameniscusseparatingthetwophases.Two-phaseflowmaybeclassifiedaccordingtothephasesinvolvedas:gas-solidmixturegas-liquidmixtureliquid-solidmixturetwo-immiscible-liquidsmixtureManagingHeatEffectsReactionRunAwayExothermicReactionDiesEndothermicPreventingExplosionsPreventingStalling1.搅拌釜式反应器的应用及特点一、搅拌釜式反应器的应用与分类2.搅拌釜式反应器分类

应用既可用于均相反应，也可用于非均相反应。广泛用于石油化工、橡胶、农药、染料、医药等工业特点结构简单，加工方便，传质效率高，温度分布均匀，操作条件（浓度、温度、停留时间等）灵活可控，便于更换品种，能适应多样化的生产按操作方式分间歇操作连续操作半间歇操作非稳态过程稳态过程非稳态过程最常见的材料为Q235A低压釜高压釜按材质分钢制反应釜铸铁反应釜搪玻璃反应釜动密封结构静密封，更适合于各种极毒、易燃、易爆以及其他渗透力极强的化工工艺过程按操作压力分1.搅拌釜式反应器基本结构二、搅拌釜式反应器结构构成：换热装置轴封搅拌装置壳体壳体由钢板卷焊成圆筒体，再焊上钢板压成的釜底，配上釜盖结构釜底形状搅拌装置由搅拌轴和搅拌电机组成轴封填料密封机械密封换热装置的常见结构型式2.无泄漏磁力釜基本结构3.反应釜的特点与发展趋势构成釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置特点结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高，反应釜多属间歇操作发展趋势大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用热能1.管式反应器在化工生产中的应用与分类三、管式反应器的应用与分类根据管道连接方式多管并联管式反应器多管串联管式反应器2.管式反应器的特点应用：一般用于气相反应和气液相反应分类：长径比大（50~100）；单位反应体积的传热面积大；生产效率高；适用于大型化、连续化生产，便于计算机集散控制，产品质量有保证；返混小，在较高的流速下，管内流体流型接近于理想置换1.常见管式反应器四、管式反应器的结构2.管式反应器的组成直管、弯管、密封环、管件（法兰及紧固件）、温差补偿器、传热夹套、连接管和机架等管式反应器的机架1.反应器选择的依据五、均相管式反应器的选择反应的浓度效应、温度效应、热效应等。反应器的流体流动、停留时间分布、换热能力等反应的特征反应器的特征生产要求反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、压降、能耗、生产能力等2.均相反应器选择要考虑的方面根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式根据产量大小选择操作方式。根据反应速率选择。根据动力学特性选择。3.均相化学反应举例型式适用的反应应用特点应用举例管式反应器气相，液相返混小，所需反应器体积小，比传热面积大，但对慢速反应，管要很长，压降大石脑油裂解，甲基丁炔醇合成，管式法高压聚乙烯生产等釜式反应器，单釜或多釜串联液相，液液相，液固相适用性强，操作弹性大，连续操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一，但高转化率时，反应器体积大工作任务：根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择气固反应器的类型。任务2气固反应器的选择

技术理论：化学工业中常用的气固相反应器：固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、滴流床反应器。1.固定床反应器的特点一、固定床反应器的特点与结构固定床反应器：特点：优点：床层内气体流动近于理想置换，反应速率快，所需催化剂少，反应体积小；停留时间严格可控，温度分布可以调节，有利于提高反应的转化率和选择性；催化剂不易磨损，可以在较长时间连续使用；适宜于在高温、高压条件下操作缺点：传热控温困难；催化剂有效系数低；催化剂再生、更换不方便；劳动强度大，对工人身体产生危害凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应器2.固定床反应器的类型与结构2.1根据传热方式分：绝热式固定床换热式固定床多段绝热式单段绝热式冷激式中间间接换热式对外换热式自热式2.2绝热式固定床反应器反应器绝热措施良好，无热量损失且与外界无热交换。单段绝热式热效应较大，但对温度不敏感，或热效应虽大，但反应速率非常快热效应不大，过程允许温度有较宽变动范围适宜反应类型特点：反应器结构简单，生产能力大结构：中空圆筒，底部置搁板，搁板上堆积固体催化剂

单段绝热式应用实例：A、大型合成氨厂中一氧化碳中低温变换，甲烷化反应。B、甲醇在银或铜催化剂上用空气氧化制甲醛。单段绝热式反应器的缺点：反应过程中温度变化大，不适于反应热效应大而反应速率慢的反应。多段绝热式：工业应用实例：间接换热式冷激式反应一段，换热一段，反应与换热间隔进行。适宜反应类型：反应热效应大而速率较慢的反应。SO2氧化、乙苯脱氢常用多段间接换热式。合成氨、CO和氢合成甲醇常用冷激式2.3换热式固定床反应器当反应热效应较大，为了维持适宜的温度条件，必须利用换热介质来移走或供给热量。如何选择载热体？一般为列管式结构合理选择载热体及其温度是保持反应稳定进行的关键。反应温度T<240℃：高压热水。反应温度250~300℃：低挥发性导热油。反应温度T>300℃：熔盐对外换热式A、列管式固定床反应器工业应用实例：高压热水作载热体导热油作载热体熔盐作载热体乙烯氧化制环氧乙烷，乙烯乙酰基氧化制醋酸乙烯。丙烯氨氧化制丙烯腈89Author:huangkangshengB、列管式固定床反应器的温度分布和热点温度的形成列管式固定床反应器的温度分布热点轴向温度分布及形成降低热点温度减少轴向温差的措施采用分段冷却，改变移热速率，使与放热速率尽可能平衡。入口处附近放置一定高度惰性载体稀释的催化剂或已部分老化催化剂原料气中带入微量抑制剂，使部分催化剂毒化取决于轴向各点的放热速率和移热速率。反应器中轴向温度分布中的最高温度自热式固定床反应器上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。径向反应器任务2流化床反应器fluidizedbedreactor固体流态化:将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性质优点：催化剂颗粒细小，有效系数高；床层内近于全混流，温度和浓度均匀，热稳定性高；催化剂易于补充和再生；流固相接触充分，传质、传热速率快；操作弹性宽，生产能力大缺点：床层返混大；由于碰撞和摩擦，催化剂损失大，除尘困难；管道和容器磨损严重；安装精度要求高。A

fluidizedbed

isaphysicalphenomenonthatoccurswhena

solid

particulatesubstance(usuallypresentinaholdingvessel)isundertherightconditionssothatitbehaveslikea

fluid.Theusualwaytoachieveafluidizebedistopumppressurizedfluidintotheparticles.Theresultingmediumthenhasmanypropertiesandcharacteristicsofnormalfluids,suchastheabilitytofree-flowundergravity,ortobepumpedusingfluidtechnologies.2.流化床反应器的结构组成:流化床反应器主体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气固分离装置结构气固分离装置换热装置内部构件气体分布装置流化床反应器主体扩大段稀相段浓相段锥形底气体分布装置：预分布器和分布板。作用：均匀布气，保证良好而稳定的流态化气体预分布器的结构型式：

(a)弯管式（b）同心圆壳式（c）帽式(d)充填式

（e）开口式气体分布板的结构型式95Author:huangkangsheng（1）直流型分布板（a）直孔式分布板（b）凹型分布板

（c）直孔泡帽分布板96Author:huangkangsheng（2）侧流型分布板(a)条型侧缝（b）锥型侧缝（c）锥型侧孔（d）泡帽侧缝泡帽侧缝、侧孔97Author:huangkangsheng换热装置98Author:huangkangsheng流化床的气固分离装置：99Author:huangkangsheng二、流化床反应器的分类：分类方法分类按照固体颗粒是否在系统内循环单器（非循环操作）流化床双器（循环操作）流化床按床层中是否有内部构件自由流化床限制流化床按反应器内层数多少单层流化床多层流化床图按床层的外型圆筒形反应器圆锥形反应器1.选择依据：一般从反应特点、反应热、工艺要求、反应器特点、催化剂性能等方面综合考虑。三、气固相催化反应器的选择2.选择举例：

反应器适应的反应特点固定床反应器气固相返混小，高转化率时催化剂用量少，催化剂不易磨损，传热控温不易，催化剂装卸麻烦乙苯脱氢制苯乙烯;氢化松香制备（碳钯催化）流化床反应器气固相传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大，粒子输送容易，但磨耗大，床内返混大，对高转化率不利，操作条件限制较大奈氧化制苯酐，移动床反应器气固相固体返混小，固气比可变性大，粒子传送较易，床内温差大，调节困难石油催化裂化滴流床反应器气液固相催化剂带出少，分离易，气液分布要求均匀，温度调节困难丁炔二醇加氢技术理论：化工中常用的气液相反应器鼓泡塔反应器、填料塔反应器、板式塔反应器和降膜反应器。101Author:huangkangsheng任务3气液相反应器的选择工作任务：根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择气液相反应器的类型。1.气液相反应的特点与应用一、气液相反应器种类和工业应用气液相反应：气体在液体中进行的化学反应特点：先传质，再反应，反应在液相中进行。与化学吸收的区别：化学吸收侧重研究用化学反应强化传质；气液相反应研究传质对反应的转化率、选择性、速率的影响工业反应应用举例有机物氧化链状烷烃氧化成酸；对二甲苯氧化生产对苯二甲酸；环己烷氧化生产环己酮；乙醛氧化生产乙酸；乙烯氧化生产乙醛有机物氯化苯氯化为氯化苯；十二烷烃的氯化；甲苯氯化为氯化甲苯有机物加氢烯烃加氢；脂肪酸酯加氢其它有机反应甲醇羟基化为乙酸，异丁烯被硫酸所吸收；醇被三氧化硫硫酸盐化；烯烃在有机溶剂中聚合酸性气体的吸收SO3被硫酸所吸收；NO2被稀硝酸所吸收；CO2和H2S被碱性溶液吸收2.气液相反应器的基本类型与特点按气液相接触形态分类型气体以气泡形态分散在液相中。鼓泡塔、搅拌鼓泡釜、板式反应器液体以液滴状分散在气相中。喷雾、喷射和文氏反应器液体以膜状运动与气相进行接触。填料塔、降膜反应器有机化合物的氧化反应、石蜡和芳烃的氯化反应、生物化学反应、污水处理曝气氧化、氨水碳化等。催化热碱吸CO2、水吸收SO3HCl、NOx等安装垂直度要求高，液体成膜且均匀分布。气液相反应器的特点鼓泡塔：适用于液相也参与反应的中速、慢速和放热量大的反应；液体返混严重、气泡聚并，效率低填料塔：液相主体量少，适用于瞬间、界面和快速反应。气体压降小、液体返混小板式塔：液体连续，气体分散，适用于快速及中速反应，轴向返混小，气液传质系数高，温度可控。喷雾塔：气体连续，液体分散，相接触面积大，压降小，适用于瞬间、界面、快速和生成固体的反应降膜反应器：适用于瞬间、界面和快速反应，特别适用于较大热效应的气液反应；压降小，无轴向返混搅拌鼓泡釜：气泡小，相接触面积大；接近全混流，能耗高，适用于慢反应，尤其对高粘性非牛顿液体高速湍动反应器：传质速率快，适用于瞬间反应1.鼓泡塔反应器的分类及应用二、鼓泡塔反应器结构按结构分分类缓慢化学反应系统或伴有大量热效应的反应系统空心式多段式气提式液体喷射式生化工程发酵、环境工程中活性污泥处理、有机化工催化加氢高径比较大，为了减小液相返混。统称环流式鼓泡反应器，径向气液流动速度均匀，传质、传热系数大，液体循环速度可调。2.鼓泡塔反应器的结构结构组成：塔底部的气体分布器、塔筒体、塔顶部气液分离器1.填料塔反应器的结构107Author:huangkangsheng三、填料塔反应器结构填料塔的构成塔体塔体支座人孔手孔塔内件除沫器填料填料支撑装置填料压紧装置液体分布装置液体收集及再分布装置2.填料的类型及性能评价根据装填方式不同规整填料散装填料拉西环填料鲍尔环填料阶梯环填料弧鞍填料矩鞍填料金属环矩鞍球形填料格栅填料波纹填料脉冲填料指标影响因素比表面积表面润湿性能气液分布空隙率结构等填料的类型性能评价效率、通量及压降气液相反应器选择应考虑的因素四、气液相反应器的选择1.具备较高的生产能力2.有利于反应选择性的提高3.有利于降低能耗4.有利于反应温度的控制5.能在较少液体流率下操作第九章生物制品反应设备

Bioreactor

《生物制药工艺与设备》第一节生物反应器分类与设计基础第二节生物反应器（五大类与其它反应器）第三节生物反应器的检测与控制系统本章内容第一节生物反应器分类与设计基础生物反应器概念

生物反应器是利用生物催化剂进行生化反应的设备。按使用的催化剂：酶反应器和细胞反应器。按操作方式：间歇操作、连续操作和半间歇或半连续操作。按反应器结构特征：按釜式、管式、塔式及膜式等反应器。按反应器所需能量输入方式：机械搅拌、气升式及液体循环等生化反应器。按生物催化剂在反应器中的分布方式：生物团块反应器和生物膜反应器。按反应物系在反应器内的流动和混合状态：活塞流反应器和全混流反应器。反应器分类生物反应器分类生物反应器间歇操作半间歇半连续操作连续操作生物团块反应器生物膜反应器全混流型活塞流型全混流型活塞流型搅拌釜式反应器循环反应器环流反应器管式反应器鼓泡塔多级串联式反应器流化床反应器循环管反应器完全混合膜反应器固定床生物转盘渗滤器膜反应器通用式伍式自吸式泵循环式强制循环式泵循环自吸式填充塔式几种典型的反应器伍式罐特点：搅拌器兼做空气分布器；在纸浆制酵母中应用间歇操作：物料一次加入，一次卸出，中间没有物料的加入和输出；适合多品种、小批量和反应速率较慢的过程。

连续操作：原料连续输入反应器，反应产物连续地从反应器中流出，适用于大批量的品种生产，具有产品质量稳定、生产效率高及易实现自动化控制和生产。

半间歇或半连续操作：原料与产物只有其中的一种为连续输入或输出，其余则为分批加入或输出的操作，相应的反应器称为半间歇式反应器或半连续式反应器。兼有间歇操作和连续操作某些特点的操作间歇操作与非间歇操作混合：物料之间以达到均匀状态为目的过程。返混：具有不同停留时间的物料之间的混合称之为返混。全混流：刚进入反应器的物料在瞬间和反应器内的物料达到混合均匀，称为全混流。活塞流：当反应器内的物料粒子完全不存在返混时，这样的流动称之为活塞流。混合与反混;活塞流与全混流活塞流和全混流是反应器内返混情况的两种极端。实际的反应器内流体的流动介于这两者之间。主要生产设备包括培养基配制及灭菌设备、空气预处理及灭菌设备、生物反应器和分离提取设备。

生物制药基本过程核心位置生物反应器是指利用生物体（如微生物、动植物细胞）或酶所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应以获得其代谢产物或生物体的设备，为细胞代谢提供一个适宜的物理和化学环境，使细胞能更快更好的生长以得到更多需要的生物量或代谢产物。第二节生物反应器良好的传质和传热性能；培养液流动与混合良好；结构简单严密，防杂菌污染，检修维护方便；具有配套而可靠的检测及控制仪表。——以提供合适的环境条件，确保生物反应顺利进行；——判断生物反应进行的情况。优良的生物反应器特性大型机械搅拌反应器某味精厂发酵车间一角发酵车间南阳天冠酒精集团公司酒精发酵罐

珠江啤酒发酵群丹麦嘉士伯啤酒发酵群是通过搅拌器对罐内的液体进行搅拌，以提供动力，并达到传质、传热和液体混合的目的和要求，通过搅拌提高通入的氧气的溶解，保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。1机械搅拌微生物反应器1.罐体2.搅拌器和档板

3.密封装置

4.消泡器

5.空气分布装置6.变速装置、轴承、联轴器7.传热装置机械搅拌生物反应器的结构

生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

大型搅拌通风反应器结构罐体结构:筒身、上封头、下封头构成。材料及要求:1.罐体耐高温高压玻璃反应器正在加工的罐身和封头罐体的厚度计算根据工艺条件，筒体材料、内压力已确定的内径等参数，按强度计算公式确定筒体的设计厚度。其中td设计厚度，mm；p为设计压力，MPa；D1为发酵罐罐体内径,mm[σ]τ材料在设计温度下的许用应力，MPa；厚度附加量封头（罐盖）厚度

封头的设计已标准化，内径与筒体的内径一致，标准锥形封头、椭圆标准封头尺寸可查设计资料。封头设计厚度按工艺条件，用强度计算公式进行计算。对椭圆形封头:

对标准椭圆形封头:K=1罐身和罐盖的连接某厂抗生素生产车间的种子罐和发酵罐法兰连接整体焊接罐盖上的部件配置图2-14小型发酵罐罐顶部件布置图

图2-15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

装于罐身的接管有：冷却水进出口、空气进口、温度和其他测控仪表的接口。罐身的接管愈少愈好。

不影响无菌操作条件下将接管加以归并。

罐身的部件配置生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

(1)搅拌器作用：增加氧的溶解速率;促进液-气-固三相混合;加强传热。

2.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

轴向流搅拌器径向流搅拌器切向流搅拌器搅拌器与流型径向流——涡轮搅拌器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

在涡轮搅拌器中液体出口的绝对速度很大，桨叶外缘附近造成激烈的漩涡运动和很大的剪切力，可将通入的气体分散得更细，并可提高溶氧传质系数。径向流——涡轮搅拌器轴向流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，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。切向流切向流搅拌器锚式框式框锚式其他搅拌器形式对于大型发酵罐，为了同时满足混合、溶氧以及传热的需求，可以采用多种不同的搅拌器的组合方式实现。搅拌器的组合（2）档板

挡板的作用：a、改变液流的方向，由切向流改为径向流和轴向流;

b、提高液流湍流程度，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。c、防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。

竖立的蛇管、列管、排管、进空气管等也可以起挡板作用挡板可以消除打漩现象档板的宽度W=（0.1~0.12）D；档扳的高度H自罐底起至设计液面高度止；档板与罐壁保持一定间隙，防止死角的形成；档板的块数Z一般为4~6块，不超过8块，以接近消除旋涡为宜。档板有关设计参数生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

全挡板条件

全挡板条件下的搅拌流型

在一定转速下，再增加罐内附件而轴功率保持不变、旋涡基本消失的档板数。3.密封装置（轴封）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。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密封，防止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏和污染杂菌。1)填料函轴封结构：由轴、填料压盖、压紧螺栓、填料箱体、铜环和填料组成。主要缺点：①内部存在很多死角，蒸汽不易达到，很难彻底灭菌；②轴的磨损较为严重，如轴磨损过多；就难以达到密封要求；③填料压紧后摩擦功率损失较大；1-轴2-填料压盖3-压紧螺栓4-填料箱体5-铜环6-填料生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

④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。2)端面轴封（机械轴封）单端面机械轴封1-弹簧2-动环3-硬质合金4-静环5-O形密封圈分为单端面密封和双端面密封；结构主要由弹性压紧元件、动环、静环、O型密封圈等组成。机械密封三个密封点位。下伸轴通风发酵罐上伸轴机械搅拌反应器3）全封闭密封(磁力搅拌)⒈适用: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，采用填料密封和机械密封均无法满足时的场合。⒉工作原理: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。套在内外轴上的涡磁转子称为磁力联轴器。磁力联轴器的结构平面式联轴器套筒式联轴器由装在搅拌轴上的内磁转子和装在电机轴上的外磁转子组成。1－外轴2－外磁转子3－隔离套4－内磁转子5－内轴

平面式联轴器平面隔离套1－外磁转子2－内磁转子3－隔离套4－反应器筒体5－轴承套筒隔离套图2—38套筒式联轴器

①

密封可靠。

②

使用寿命长。

③

维修周期长。

④轴或轴套不受磨损。

⑤摩擦功率耗损少，一般约为填料函密封的10～50％

⑥机械轴封对轴的精度和光洁度没有填料函要求那么严格。⑦

适用范围广。

缺点：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。机械轴封与填料函轴封相比优缺点作用:消除泡沫。消泡方法:化学法消泡;机械法消泡机械消泡装置类型：耙式、离心式、刮板式、涡轮式、碟片式消泡器等。4.消泡器①耙式消泡器耙式消泡器安装在发酵罐内的搅拌轴的上部②离心式消泡器

安装在反应器外部,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

安装在反应器的外部，利用刮板旋转产生的离心力作用将气液分离而消泡。③刮板式消泡器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

④机械方法和化学方法联合消泡

生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

吹入无菌空气，使空气分布均匀。单管式分布装置：管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气分散效果较好。环形管的分布装置：5.空气分布装置单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

三角皮带与圆柱齿轮变速装置小型试验罐采用无级变速在罐内装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。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，聚四氟乙烯等）。轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4~0.7%，以适应温度差的变化。轴承大型发酵罐搅拌轴较长，为了加工和安装的方便，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。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。轴的连接应垂直，中心线对正。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

夹套式、内蛇管式、内列管式和外盘管式优先采用夹套。7.传热装置多种换热方式的组合容积：扩大至100-500m3;材质：由碳钢改为不锈钢（304,306L);传热：由单一罐内蛇管传热改为罐内直管和罐壁半圆管相组合换热；减速：将皮带传动改为齿轮式减速；搅拌：从单一径向涡轮式搅拌改为径、轴双向流式搅拌。机械搅拌反应器发展趋势发酵罐的结构参数：公称直径D、罐体高度H;高径比H/D、公称容积V0等。二、发酵罐的结构参数计算生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

通用发酵罐主要结构参数1.通用发酵罐的结构比例尺寸H/D=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1.0s/d=1.5~2.5S1/d=1~2发酵罐参数的确定要适应不同的菌种和发酵产物要求。2.发酵罐装料容积的计算（1）全容积：罐的圆柱部分体积和上下封头体积之和。

V=Vc+2Vb(2)公称容积：罐的圆柱部分和底封头容积之和（取整数）。

非机械搅拌生物反应器。利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和传递氧不用机械搅拌，完全依靠气体的带动上升使液体产生循环并发生湍动，达到气液混合和传递的目的。类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。其中气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐已在工业上应用。2气升式发酵罐生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

气升式发酵罐莲花味精气升式发酵罐实验室小型气升式发酵罐1.带升式生物反应器2.气升及外循环生物反应器3.气升环流生物反应器4.塔式生物反应器气升式生物反应器主要类型及结构生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

1）内循环式在反应器内部装设上升管。空气喷嘴安装在反应器底部。利用空气压力和速度带升发酵液上升；在顶部利用液体本身的重力下降实现循环。1.带升式生物反应器增加了液体喷射泵。无菌空气通过喷嘴喷射进入发酵液中，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，实现混合与溶氧传递。汽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

气-液双喷射气升环流反应器为多层空气分布板（多孔筛板）的气升环流反应器。底部有新鲜空气分布管；在反应器外部装设循环管。3）筛板外循环式外循环带外部换热生物反应器器内部装设气液上升管，在外部装设带冷却装置的循环管。⑴反应溶液分布均匀，气液固三相均匀混合；⑵较高气含率和比气液接触截面，因而有较高的传质速率和溶氧效率；⑶无机械搅拌叶轮，剪切力小，对生物细胞损伤小；⑷

传热良好。液体综合循环速率高，便于在外循环管路加装换热器；⑸

无密封装置，结构简单，易于加工制造；⑹操作和维修方便。缺点：不适于固形物含量高、黏度大的发酵液。二、气升式反应器特点1）反应器高径比：一般为5-9,有的更大；

2）导流筒直径与罐径比：0.6-0.8；3）空气喷嘴直径与反应器直径之比D1/D以及导流筒上下端面到罐顶、罐底间距离对发酵液混合、溶氧有影响。三、气升式生物反应器主要结构参数（1）气含率同轴导流筒的内循环气升式发酵罐中，气含率的定义为：VG为通风量，VL培养液量，vG为气速，K，n为经验常数。气含率是气升式发酵罐的重要参数。气含率太低，氧传递不够，反之，太高则反应器的利用率太低。2．流动与传递特性参数膜生物反应器

（MembraneBioreactor）

一、MBR的原理膜生物反应器(MembraneBioreactor，MBR)。MBR将生物反应器和膜分离过程相结合的工艺，最大的特点就是采用膜组件将产物分离。目前在水处理中应用广泛。水和小于膜孔径的小分子溶质透过膜，即为处理后出水。微生物及大分子溶质被膜截留，从而替代沉淀池完成其与处理出水的分离过程。二、MBR工艺类型

优点：(1)膜组件与生物反应器之间的相互影响小

(2)单位面积膜的水通量大

(3)运行稳定可靠，操作管理容易

(4)易于膜的清冼、更换和增设缺点：

(1)为减少污染物在膜表面的沉积，需要较高的膜面流速，因而配置的超滤循环泵需要较高的流量，能耗很高，一般为6～8Kw∙h/m3

(2)循环泵内的高剪切力会引起生物絮体的破坏，导致生物活性的降低二、MBR工艺类型优点：(1)体积小，整体性强。

(2)运行动力费用低。膜表面的错流是靠空气搅动产生的，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切应力，不需要功率较大的循环泵

缺点：

(1)需要定期化学清洗，

(2)出水不连续；(3)单位膜面积膜的产水量较低，一般仅为5-10L/m2∙h。二、MBR工艺类型MBR处理系统实景照片二、MBR工艺类型MBR处理系统实景照片二、MBR工艺类型MBR系统中所用的膜MBR工艺设计反应器主体

膜材料与组件

附属装置与系统预处理系统污泥处理设施自控系统MBR六、MBR应用1、北小河再生水厂（6万吨/日）曝气池膜处理车间原水出水晶莹剔透，杂质比自来水还少1、北小河再生水厂（6万吨/日）2、密云再生水厂（4.5万吨/日）MBR反应器出水水质8、河南华兰生物工程有限公司制药废水MBR处理工程废水量：300m3／d膜组件：SMBR150型膜元件500片，总膜面积750米2，装配成10个膜组件。水质情况：进水BOD2000mg／L，出水达二级排放水标准。效果：达标排放。在动物细胞培养方面用途较广可培养悬浮生长的细胞,又可培养贴壁依赖性细胞，细胞密度高达109个／mL数量级。如果能控制系统不受污染，则能长期运转，具有很高的工业应用价值。中空纤维是用聚矾或丙烯的聚合物制成。管壁的厚度约50-75μm，直径为2OOμm。管壁是半透膜管，能截留住大分子物质，小分子物质可自由通过。膜反应器之二：中空纤维细胞培养反应器中空纤维细胞培养反应器图3-38一种中空纤维细胞培养反应器结构示意图1-中空纤维束；2-2'-反应器外壳；3-3'-中空纤维束固定板；4-4'-中空纤维内腔进出口；5-5'-中空纤维外表面进出口；6-6'-密封板培养筒内由数千根中空纤维所组成，然后封存在特制的圆筒里，圆筒内形成了2个空间：每根纤维的管内成为“内室”，管与管之间的间隙就成为“外室”。进行贴壁细胞培养时，细胞和培养液放在中空纤维外表面区，细胞可沿着中空纤维外表面生长，新鲜的培养液可由接口5进出。细胞培养需要的氧气和二氧化碳通过接口4进入中空纤维内腔区，经过纤维壁上大量的小孔供给细胞生长需要。构造由于细胞分泌产物（如单克隆抗体）的分子质量大而无法穿透到“内室”去，只能留在“外室”并且不断被浓缩。当需要收集这些产物时，只要把管与管之间的“外室”总出口打开，产物就能流出来。细胞生长繁殖过程中的代谢废物，因为都属小分子物质，可以从管壁渗进“内室”,最后从“内室”总出口排出,不会对“外室”细胞产生毒害作用。特点一、固态发酵的特点二、固态发酵生物反应器类型三、固态发酵生物反应器的设计与应用固态通风发酵生物反应器固态发酵（solidstatefermentation）又称固体发酵，是指微生物在湿的固体培养基上生长、繁殖、代谢的发酵过程。固态的湿培养基一般含水量在50%左右，但也有的固态发酵的培养基含水量为30%或70%。

固态发酵特点固态发酵与液态发酵的比较优点缺点 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，强度大一、固态发酵的类型（一）浅盘式生物反应器（trayfermentor)（二）填充床生物反应器（packedbedbioreactor，PBB）（三）流化床生物反应器（四）转鼓式生物反应器(rotarybioreactorRDB)（五）搅拌式固态生物反应器（六）压力脉动固态发酵生物反应器

Trayfermentor由一个密室和许多可移动的托盘组成，培养基经灭菌、冷却、接种后装入托盘，托盘放在密室的架子上。一般地托盘在架上层层放置，两托盘间有适当空间，保证通风。发酵过程在可控制湿度的密室中进行，培养温度由循环的冷(热)空气来调节。浅盘式生物反应器托盘由木材、金属(铝或铁)、塑料等制成，底部打孔，保证底部通风良好。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

采用动力通风，可更好地控制反应床中的环境条件，它能调节温度及空气风速，反应床边缘对流热量的去除效果比浅盘发酵好，更易控制发酵参数。填充床（固定床）生物反应器填充床发酵设备——通风曲槽培养室通风曲槽培养室属于典型的填充床反应器。由密闭的曲室、曲槽循环风道、风机系统等组成。接种的固体培养基支撑在假底上，新鲜空气从底部经过假底进入曲槽，实现氧的传递和温度调节。

1一输送带2一高位料斗3一送料小车4一曲料室5一进出料机6一料斗7一输送带8一鼓风机9一空调室10一循环风道11-室闸门机械通风固体曲发酵设备特点：自动化程度较高，温度、湿度较易控制。液体从设备底部的一个穿孔的分布器流入，其流速足以使固体颗粒流态化。流出物从设备的顶部连续地流出。空气（好氧）和氮气（厌氧）可以直接从反应器的底部或者通风槽引入。流化床生物反应器不存在床层堵塞、高的压力降、混合不充分等问题。在反应器里，固体颗粒可以和气相充分接触。（三）流化床固态反应器固体颗粒与流体的混合较充分，传热传质性能好，床层压力降小，但是固体颗粒的磨损较大。可用于絮凝微生物、固定化酶、固定化细胞反应过程以及固体基质的发酵。实例：固体基质制曲过程（气固流化床），乙醇生产，废水的硝化和反硝化，用絮凝性酵母酿造啤酒（液固流化床），以及用固定化α-胰凝乳蛋白酶分离D-，L-苯丙氨酸。流化床特点及应用生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

RotatingDrumBiofilter有低速旋转转鼓，内部有空气分布管。（四）转鼓式生物反应器(RDB)通过反应器回转使固体培养基处于不断运动状态，可以防止菌丝体与反应器壁的粘连，有利于热质的传递和温度湿度的控制。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

反应器固定，属于转轴式固态反应器，夹套换热。电机带动多个搅拌桨叶，桨叶平均分布于轴上，叶面与轴平行，相邻两叶相隔180度。为减少剪切力的影响，采用间歇搅拌的方式，而且搅拌转速较低，15～40r/min。（五）搅拌式固态生物反应器采用夹套换热，换热效果较差。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

较先进的固态发酵反应器，强调生物反应器是一个非线性系统，活细胞与周围环境不断进行质量、热量、能量、信息交换的动态生态体系，是由生命系统和环境系统组成的特定空间，而不是单一的装置。发酵参数不能固定不变，利用无菌空气对密闭低压容器的气相压力施以周期性脉动。

压力脉动固态发酵生物反应器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

由空气调节罐和发酵罐组成，通入发酵罐的无菌空气作周期性脉动变化。压力脉动固态发酵系统生物工程设备——第