页数：92页文件大小：11.61 MB来源： 发酵设备课件及实验ppt课件
本课件为发酵设备课程第一章，围绕机械搅拌通风发酵罐、自吸式发酵罐与气升式发酵罐展开，讲清各类通风发酵反应器的工作原理、结构组成、设计计算，以及发酵液流变特性与提高溶氧系数的方法。
发酵设备Equipment of rmentation
什么是发酵设备？包括那些设备？在发酵过程中具有什么用途和意义？序言
生物反应过程示意图发酵设备的用途?
种子制备设备(生物催化剂) 主发酵设备(生物反应器) 辅助设备（无菌空气和制冷） 基质或培养基处理设备(粉碎、液化与灭菌) 产品提取与精致设备(产品分离) 废物回收处理设备(环保设备) 核心部分是什么（生物反应器）？发酵设备包括那些?
厌氧生物反应器 通气生物反应器 光照生物反应器 膜生物反应器 酶反应器生物反应器种类？
生物（酶除外）反应都以“自催化”方式进行。 生物反应速率慢 反应器体积大 动力消耗大等 产物浓度低 反应条件温和生物反应器特点？
学习发酵设备课程的目的 几点要求
第一章通风发酵设备
授课时间6学时单元目标与要求掌握机械通风发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐的特点及原理、构造与计算，发酵液的流变学特性及提高溶氧系数的方法.授课内容机械通风发酵罐，气升式发酵罐，自吸式发酵罐，通风固相发酵设备，其他类型的通风发酵反应器的特点及原理和构造与计算；发酵液的流变学特性及提高溶氧系数的方法。重点和难点机械通风发酵罐，气升式发酵罐，自吸式发酵罐的特点及原理和构造与计算，提高溶氧系数的方法。
常用的通风发酵设备机械搅拌式气升环流式鼓泡式和自吸式以机机械搅拌通风发酵罐占主导地位，约为总发酵罐的７０－８０％。
发酵罐研究过程流体力学过程——液体搅拌生物反应有三传：传热过程：加热与冷却过程；传质过程：气体吸收传动过程：动能传递。
第一节机械搅拌通风发酵罐（通用罐）
机械搅拌发酵罐:是利用机械搅拌器的作用，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、发酵所需要的氧气。机械搅拌发酵罐定义
发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。 发酵罐能承受一定的压力。 要保证发酵液必须的溶解氧。 发酵罐应具有足够的冷却面积。 发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌。 搅拌器的轴封应严密，防染菌和减少泄漏。一.机械搅拌通风发酵罐的基本条件
发酵罐图4
二、发酵罐的结构1、罐体2、搅拌器和挡板3、消泡器4、联轴器及轴承5、变速装置6、空气分布装置7、轴封8、冷却装置
1、罐体 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 罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为0.25MPa
2、搅拌器和挡板 搅拌器:平叶式、弯叶式、箭叶式 作用:是打碎气泡，使氧溶解于醪液中 将大气抱击碎成细小气抱，增加接触界面； 产生旋涡．使气袍停滞在液体中难于逃散，延长气液接触时间， 使料液成为湍流，有利于传质传热。 搅拌程度:平叶涡轮最激烈，功率消耗最大，弯叶次之，箭叶最小。 大型搅拌器:可做成两半型，用螺栓联成整体。
搅拌器在罐内的安装位置：下组离底C=DiDi---搅拌器直径两组间距S=2.5-3Di上面离液面0.5-2Di搅拌器直径Di=0.275-0.333DDi大，转速小；Di小，转速大较好功率P∝Di5n3n----转速δ
挡板的作用:是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4~6块即可满足全挡板条件。 全挡板条件:指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。
挡板：竖立的列管，排管，也可以起挡板作用，故一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。挡板的长度自液面起到罐底为止。挡板与罐壁之间的距离为（1/5-1/9）W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。式中D—罐的直径（mm）Z—挡板数W—挡板宽度（mm）
3、轴封 轴封的作用：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。什么叫轴封安装在旋转轴与设备之间的部件，它的作用是阻止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏 常用的轴封:填料函轴封、端面轴封
填料函轴封、端面轴封
端面轴封密封原理: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互帖合，端面间维持一层极薄的液体膜,并作相对转动而达到密封。 动环：用碳化钨钢；静环：用聚四氟乙烯
4、联轴器及轴承(1)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。
5、变速装置试验罐：用无级变速装置发酵罐：用三角皮带动、圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置
6、空气分布器 作用：吹入无菌空气，使空气均匀分布 形式：单管、环形管用 单管进气口在管正中心，距底边40mm，气速20m/s； 盘管直径为搅拌器直径的0.8倍，喷孔直径取2-5mm，分布管内气速为20m/s。
7、消泡器消泡器：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，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。耙式消泡器离心消泡器刮板消泡器碟片消泡器
消泡器的作用：是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约10～20mm。
离心式消泡器离心式消泡器是一种离心式气液分离装置。离心式消泡器装于排气口上，夹带液沫的气流以切线方向进入分离器中，由于离心力的作用，液滴被甩向器壁，经回流管返回发酵罐，气体则自中间管排出。法兰的垫圈必须上紧，如果过松也会造成渗入空气现象。绞牙的填料很容易渗漏，特别是经常震动的管路更容易渗漏，管路连接用电焊较好。阀杆是经常转动的，填料容易被旋松而造成渗漏，所以每生产一批后均应检查旋紧填料，或更换填料。
刮板式消泡器：有卧式偏心刮板消泡器，立式刮板式消泡器，前者已获得广泛使用。刮板由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成。刮板的中心与壳体的中心有一个偏心距。 工作原理:刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为1000~1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气体出口排出。
碟片式消泡器的工作原理碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，当泡沫溢上与碟片式消泡器接触时，泡沫受高速旋转离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐中而达到消泡目的。根据实验结果，直径220毫米的碟式消泡器，在酵母发酵时的消泡能力约为30米3/小时的通风量。
8、冷却装置 5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。 大型发酵罐采用列管冷却
9、发酵罐的管路(1)尽量减少管路(2)消灭死角(3)消灭渗漏冷却管检查方法： 在管内通有一定压力的水观察管外渗漏与否。 在管内通稀碱水，用pH试纸为检查 发酵罐底防漏：在发酵罐底蒸汽、空气进口处装一垫板。
大型发酵罐
小型磁力搅拌罐
三、发酵罐装料容积发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度据罐圆柱部分高度而定, 极少泡沫的物料可多装料，易产生泡沫的物料少装料。“公称容积”:是指罐的圆柱部分和底封头容积之和。
四、机械通风发酵罐的通风与溶氧传质(一)双膜理论的基本前提1、在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面气泡一侧存在着一层气膜液体一侧存在着一层液膜 膜内的气体分子和液体分子都处于层流状态 气膜以外的气体分子和液体分子处于对流状态
2、在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓度处于正比状态3、传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度不随时间而变。
氧在传递过程中存在的传递阻力供氧：空气中的氧气从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流。氧气——气膜——气液界面——液膜——液体耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散细胞内的呼吸酶位置。氧从液体——液膜——菌丝丛——细胞膜——细胞内供氧方面的阻力：气膜阻力气－液界面阻力液膜阻力液流阻力耗氧方面的阻力：细胞膜周围液膜阻力菌丝丛扩散阻力细胞膜阻力细胞内反应阻力
氧的传递分为二个过程 供氧：空气中的氧气从空气泡里通过气膜、气液界面和液膜扩散到液体主流。 耗氧：氧分子自液体主流通过液膜、菌丝丛、细胞膜扩散细胞内的呼吸酶位置。 供氧方面的阻力供氧以液膜阻力是最重要的 耗氧方面的阻力耗氧以细胞膜阻力和菌丝阻力关系最大。
(二) 通气发酵罐中溶氧速率与通气、搅拌的关系NV---体积溶氧速率（千摩/米3 小时）/米3 kL---是以C*---C 为推动力的体积溶氧系数（L/小时）NV----是每立方米液体中每小时的溶氧量，是实际可以测量的，据此可算出kLa。kLa---单位虽然是（L/小时），但它是根据单位液体体积的溶氧速率NV计算出来的，故称为体积溶氧系数。1.计算公式
2、影响氧传递速率的因素OTR=KLa(C*—CL) 影响氧传递速率的因素有溶氧系数KLa值和推动力C*—CL。 KLa与搅拌、空气线速度、发酵罐的结构、搅拌叶轮的结构与尺寸、空气分布器的形式、发酵液的粘度等有关； C*—CL与发酵液的深度、氧分压、发酵液性质有关。
A、搅拌对氧的传递速率的影响（1）型式（2）在内的安装位置（3）搅拌器转速n和叶径d 对于粘度大的液体，以大d低n为好； 对于粘度小的液体，以小d高n为好.
B、空气线速度KLa∝VS（0.4-0.72）C、空气分布器D、氧分压E、发酵罐内液柱高度F、发酵罐体积G、发酵液的理化性质 粘度的影响 泡沫的影响
(三)机械通风发酵罐的通风量1、持气率h定义：单位体积发酵液中所持有的气体的体积h=（VLG-VL）/VL
2、通气速率νS空截面气速νS表示提高νS，搅拌功率Pg下降；提高νS，持气率和起泡会增加；
3.通气强度VVm每立方米发酵液每分钟通入空气的量.
五、机械搅拌通风发酵罐的流变特性 发酵液由三个体系组成：液相、固相、气相 液流模型：液流模型指能反映流体流动特性的模型。流体流动特性常以剪应力与速度梯度的关系来表示。
发酵液流体类型：发酵液流体类型与剪应力关系对比表
| 流体类型 | 流变指数 n | 剪应力表达式 |
|---|---|---|
| 牛顿型流体 | n=1，μ为常数 | τ=μ·du/dx=μγ |
| 平汉塑性流体 | n=1，μ为常数 | τ=τ0+μγ |
| 涨塑性流体 | n>1 | τ=Kγⁿ |
| 拟塑性（假塑性）流体 | 0<n<1 | τ=Kγⁿ |
六、机械搅拌通风发酵罐的热量计算1、发酵过程的热量计算1）生物合成的热量计算法：发酵热Qt=Q1+Q2+Q3+Q4
2、发酵罐的换热装置小罐用夹套（小于5m3）大罐用立式蛇管、列管（大于5m3）
第二节自吸式发酵罐一、自吸式发酵罐的特点优点： 不必配备空气压缩机及其附属设备，节约投资； 设备简单，溶氧速率高，能耗较低； 用于酵母生产和醋酸发酵生产效率高； 设备便于自动化、连续化；缺点：罐压较低
1、主要部件搅拌器与机械罐有区别 机械罐：敞开式叶轮，只起搅拌作用，转速较慢（150-180min），另需通风； 自吸罐：闭式叶轮，是一个搅拌吸气装置，转速高（1000-1500min），自吸空气。
2、搅拌吸气装置 搅拌部件： 转子--叶轮，关键部件，分三棱叶，四弯叶； 定子--导轮，叶片数为16、32 导气管 轴封
3、自吸式发酵罐吸气原理 转子浸没在液体中，转动时由于离心力把液体甩出，使转子空腔形成真空，通过导气管吸入空气，转子不断把气液混合物甩向外缘，并通过定子分散。自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气。 注意：转子内是真空，发酵罐内是正压。
4、设计要点(1)发酵罐高径比H/D=1：1.15左右
5、吸气量计算Vg 三直叶：Vg=0.0634nD3(m3/min) 四弯叶:Vg=12.56nCLB（D-L）K(m3/min)
三、喷射自吸式发酵罐1、文氏管吸气自吸式发酵罐原理：用泵将发酵液送入文氏管中，由于发酵液在文氏管的收缩段中流速增加，形成真空，将空气吸入，并使气泡分散与液体混合均匀，提高发酵液的溶解氧。优点：吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。
2、液体喷射自吸式发酵罐 泵的压力（扬程）要很大，才能喷出。 试验时为1.5m3，现在已推广到200m3
四、溢流喷射自吸式发酵罐 原理：液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气作用。 溢流喷射器省功率:只要泵的扬程能提供产生溢流的扬程就可行。
第三节气升式发酵罐(ALR) 工作原理：是把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时，形成的气液混合物含由于气量多的发酵液密度降低上升，含气量少的发酵液下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。 以空气为动力，取消搅拌器。
气升环流式发酵罐的几种类型：1）外循环2）内循环3）内外循环
2、典型的气升环流发酵罐（1）ICI压力循环气升发酵罐（2）BIOHOCH多气升管废水处理生化反应器3、气升环流反应器的特点 反应溶液分布均匀 较高的溶氧速率和溶氧效率 剪切力小，对生物细胞损伤小。 传热良好 结构简单，易于加工制造。 操作和维修方便。
第四节通风固相发酵设备一、自然通风固体曲发酵设备二、机械通风固体曲发酵设备使用了机械通风鼓风机强化了通风效果，提高了曲的质量。
BMR固体发酵罐转轴及转筒式卧式罐体。带外夹套,安全通气、排气及取样口。装料系数40%-60%。可控参数：温度、搅拌、湿度、通气量、罐压。
第五节其他类型的通风发酵反应器简介
1.机械轴封有哪三个密封点及三个点的密封原理？2.影响机械搅拌通风发酵罐溶氧速率的因素有哪些？是如何影响的? 3.机械搅拌通风发酵罐、自吸式发酵罐、溢流喷射自吸式发酵罐、气升式发酵罐工作原理是什么？4.机械轴封与填料函轴封相比有何优点?5.机械罐、自吸罐、气升罐的结构特点是什么？6.了解机械通风发酵罐的流变特性.7.有关基本概念:持气率、通气强度等思考题
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