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1、第五章通风发酵设备本讲稿第一页，共七十页第一节第一节 概述概述l通风发酵产品及生产现状通风发酵产品及生产现状l通风发酵设备核心内容通风发酵设备核心内容本讲稿第二页，共七十页第二节通风发酵罐的类型及结构第二节通风发酵罐的类型及结构类型机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐气升式发酵罐气升式发酵罐自吸式发酵罐自吸式发酵罐本讲稿第三页，共七十页机械搅拌通风发酵罐 气升式发酵罐 自吸湿发酵罐本讲稿第四页，共七十页l机械搅拌通风发酵罐结构机械搅拌通风发酵罐结构n主要部件：主要部件：罐体、搅拌装置、挡板、轴封、消泡器、传动装罐体、搅拌装置、挡板、轴封、消泡器、传动装置、冷却装置、通气装置、人孔、视镜、进料口
2、、置、冷却装置、通气装置、人孔、视镜、进料口、出料口、取样口、补料口、消泡剂流加口，压力表、出料口、取样口、补料口、消泡剂流加口，压力表、安全阀、温度计等。安全阀、温度计等。本讲稿第五页，共七十页本讲稿第六页，共七十页本讲稿第七页，共七十页本讲稿第八页，共七十页本讲稿第九页，共七十页本讲稿第十页，共七十页u罐体罐体 罐体有圆筒体和椭圆封头封底组成。罐体有圆筒体和椭圆封头封底组成。筒体高径比（筒体高径比（H/D）=1.72.5 标准机械搅拌通风发酵罐标准机械搅拌通风发酵罐H/D=2；发酵罐的高径比是设计的重参数，它关系到溶氧发酵罐的高径比是设计的重参数，它关系到溶氧效率。效率。筒体壁厚决定于压力
3、、材料的许用应力、发酵罐的直径、筒体壁厚决定于压力、材料的许用应力、发酵罐的直径、焊接程度等。焊接程度等。本讲稿第十一页，共七十页壁厚的计算公式（内压容器）壁厚的计算公式（内压容器）：本讲稿第十二页，共七十页 标准椭圆封头壁厚计算同圆筒体壁厚计算，标准椭圆封头壁厚计算同圆筒体壁厚计算，标准椭圆封头的高等于筒体直径的标准椭圆封头的高等于筒体直径的1/4。本讲稿第十三页，共七十页发酵罐的体积发酵罐的体积公称容积公称容积：发酵罐大小体积通常用“公称容积”标示，所谓“公称容积”是指圆柱体体积与底封头体积之和。全容积全容积是圆柱体体积与上下封头体积之和 发酵罐的封头一用椭圆封头，封头体积计算公式如下：本
4、讲稿第十四页，共七十页u搅拌装置搅拌装置 搅拌装置包括：搅拌器、联轴节、搅拌轴、轴承。搅拌装置包括：搅拌器、联轴节、搅拌轴、轴承。搅拌器搅拌器是最为关键的部件，它的作用使是最为关键的部件，它的作用使液体充分混合和氧的溶解液体充分混合和氧的溶解。常用的搅拌器是常用的搅拌器是圆盘涡轮搅拌器圆盘涡轮搅拌器，根据浆叶结构不同又分为三，根据浆叶结构不同又分为三类：类：六直叶圆盘涡轮搅拌器六直叶圆盘涡轮搅拌器 六弯叶圆盘涡轮搅拌器六弯叶圆盘涡轮搅拌器 六箭叶圆盘涡轮搅拌器六箭叶圆盘涡轮搅拌器 本讲稿第十五页，共七十页本讲稿第十六页，共七十页六弯叶圆盘涡轮搅拌器本讲稿第十七页，共七十页本设计改进的六弯叶圆盘
5、涡轮搅拌器本设计改进的六弯叶圆盘涡轮搅拌器本讲稿第十八页，共七十页六弯叶圆盘涡轮搅拌器本讲稿第十九页，共七十页六折叶圆盘涡轮搅拌器本讲稿第二十页，共七十页六直叶涡轮搅拌器本讲稿第二十一页，共七十页标准圆盘涡轮搅拌器尺寸标准圆盘涡轮搅拌器尺寸dDiBLDi 搅拌器直径；搅拌器直径；d圆盘涡轮直径；圆盘涡轮直径；B浆叶宽；浆叶宽；L浆叶长浆叶长；Di:d:L:B=20:15:5:4搅拌器直径是发酵罐直径的搅拌器直径是发酵罐直径的1/21/4本讲稿第二十二页，共七十页搅拌器间距搅拌器间距一般发酵罐设一般发酵罐设2挡或挡或3挡搅拌器，两挡搅拌器间距挡搅拌器，两挡搅拌器间距S=（1.52.5）Di 上边
6、的挡板距发酵罐液面间距上边的挡板距发酵罐液面间距S1=(12)Di下边的挡板距罐底间距下边的挡板距罐底间距C=(0.81)Di 本讲稿第二十三页，共七十页u挡板挡板 作用作用全挡板条件全挡板条件本讲稿第二十四页，共七十页本讲稿第二十五页，共七十页 u轴封轴封 起密封作用，防止杂菌污染。常用是起密封作用，防止杂菌污染。常用是机械端面密封机械端面密封，有固定罐体上的，有固定罐体上的静环静环和固定在轴上的和固定在轴上的动环动环形成一个端形成一个端面，有弹簧压紧。面，有弹簧压紧。本讲稿第二十六页，共七十页u进风分布器进风分布器 压缩的无菌空气进入发酵罐的底部，压缩的无菌空气进入发酵罐的底部，一般采用单
7、口进入，也有的在环形管上开一般采用单口进入，也有的在环形管上开有许多小孔，均匀分布进入。有许多小孔，均匀分布进入。本讲稿第二十七页，共七十页u冷却装置冷却装置 冷却结构类型冷却结构类型 1 1）夹套）夹套 2 2）外冷却带）外冷却带 3 3）立式蛇管）立式蛇管 4 4）立式列管）立式列管本讲稿第二十八页，共七十页l气升式发酵罐压缩无菌空气压缩无菌空气压缩无菌空气压缩无菌空气内循环式内循环式塔式塔式本讲稿第二十九页，共七十页高位罐高位罐筛板筛板导流孔导流孔无菌空气无菌空气本讲稿第三十页，共七十页l自吸式发酵罐自吸式发酵罐定子定子转子转子搅拌轴搅拌轴空气空气n机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵
8、罐本讲稿第三十一页，共七十页空气空气文丘管文丘管泵泵n喷射式自吸式发酵罐喷射式自吸式发酵罐本讲稿第三十二页，共七十页第三节机械搅拌通风发酵罐搅拌功率计算第三节机械搅拌通风发酵罐搅拌功率计算单只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算单只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算Po-不通风时搅拌器输入的功率（瓦）n-涡轮转数（转/秒）Di-搅拌器直径（米）P-醪液密度（公斤/米3）NP-功率准数本讲稿第三十三页，共七十页NP是搅拌雷诺数的函数，雷诺数不同其值不同，当Rem104时，再增大雷诺数，功率准数不变。另外，功率准数还与搅拌器结构、附件等有关，在Rem104时，（Rem=）直叶圆盘涡轮搅拌器NP=6；弯叶
9、圆盘涡轮搅拌器NP=4.7；箭叶圆盘涡轮搅拌器NP=3.7；本讲稿第三十四页，共七十页若Po单位为千瓦；n单位为转/分。则：若是多档搅拌器，两档间距S，非牛顿流体 S取2D，牛顿流体S取2.53D；静液面至上档间距取0.52D,下档搅拌器至罐底距离C取0.51D。符合以上条件，两档搅拌器输出的功率就是单只涡轮搅拌器的2倍，即：本讲稿第三十五页，共七十页2、通风时搅拌功率Pg福田秀雄在迈凯尔等人研究的基础上，利用Pg与 对 在双对 数 坐标作图，得到斜率为0.39，截距为0.2410-3，得到公式为：本讲稿第三十六页，共七十页式中：Pg、Po-通风与不同风时的搅拌功率，单位为马力。n-搅拌转速（
10、转/分）D-搅拌器直径（厘米）Q-通风量（毫升/分）若：Pg、Po通风与不同风时的搅拌功率，单位为千瓦。n-搅拌转速（转/分）D-搅拌器直径（米）Q-通风量（m3/分）通风时搅拌功率则为：本讲稿第三十七页，共七十页若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。不通风时搅拌功率：不通风时搅拌功率：P02=24.634.78031.351060 10-9=87.7（KW）本讲稿第三十八页，共七十页 通风时搅拌功率：通风时搅拌功率：=71（Kw）本讲稿第三十九页，共七十页第四节第四节 体积溶氧速率与体积溶氧系数体积溶氧速率与体积溶氧系数体积溶氧速
11、率方程：体积溶氧速率方程：Nv=KLa（C*C）Nv 体积溶氧速率，体积溶氧速率，KmolO2/h.m3；KLa 体积溶氧系数，体积溶氧系数，h-1；C*饱和溶氧浓度，饱和溶氧浓度，KmolO2/m3；C发酵液实际溶氧浓度，发酵液实际溶氧浓度，KmolO2/m3；本讲稿第四十页，共七十页l双膜理论1）假定气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一侧，存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜，空气中的氧分子以扩散方式通过浓度差透过双膜，液膜与气膜处于层流状态，膜以外的气体与液体处于对流状态，称为主流体，在主流体氧分子浓度相同。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
12、浓度处于平衡关系。3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度不随时间变化。本讲稿第四十一页，共七十页气体主流气气膜膜液体主流液液膜膜ppiCiC界界面面本讲稿第四十二页，共七十页N=kg（p pi）=kL（Ci C）式中：N传氧速率（KmolO2/m2.h）Kg气膜氧传质系数（KmolO2/m2.h.大气压）KL液膜氧传质系数（m/h）pi、Ci无法测量。令：P*与液体主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强C*与气体主流氧的分压强p相平衡的氧的液相浓度根据亨利定律：p=H C*p*=H C本讲稿第四十三页，共七十页N=kg（p pi）=kL（Ci C）式中：N传氧速率（KmolO2/m2.h
13、）Kg气膜氧传质系数（KmolO2/m2.h.大气压）KL液膜氧传质系数（m/h）pi、Ci无法测量。令：P*与液体主流中溶氧浓度C相平衡的氧的分压强C*与气体主流氧的分压强p相平衡的氧的液相浓度根据亨利定律：p=H C*p*=H C本讲稿第四十四页，共七十页H-亨利常数，与气体种类及溶剂的不同、温度不同而不同，它表征气体溶解液体的难易。氧难溶入水，H很大。利用传热原理，用总传质系数代替分传氧系数，用总传质推动力代替分推动力。公式写成：N=KG(pp*)=KL(C*C)溶氧浓度C可以测定，C*可以算出，故以(C*C)总推动力计算比较方便。KL与kg、kL的关系如下：本讲稿第四十五页，共七十页对
14、于氧溶入水而言，H很大，因此KLkL，即：N=kL（C*C）这是因为氧难溶入水，液膜阻力对溶氧速率起着控制作用。但k无法测定。假设单位体积气液界面为a（m2/m3）,传氧速率可写成：本讲稿第四十六页，共七十页Nv=kLa（C*C），Nv体积溶氧速率（KmolO2/m3.h）KLa体积溶氧系数（h-1）体积溶氧系数体积溶氧系数KLa的测定方法的测定方法亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法原理：在铜离子催化下，溶解在水中的氧立即氧化其中的亚硫酸根离子，使之成为硫酸根离子，其氧化反应的速度在较大的范围内与亚硫酸根离子的浓度无关。实际上是氧分子一经溶入液相，立即就被还原掉。这种理想的反应特性就被排除了氧化反应
15、速度成为溶氧阻力的可能性，因此，氧溶解于液体的速度是控制此氧化反应的因素。本讲稿第四十七页，共七十页其反应式如下：2Na2SO3+O2 2NaSO4 剩余的 Na2SO3+I2 Na2SO4+2HI再用标定的Na2S2O3 滴定多于的碘Na2S2O3+I2 Na2S4O6+2NaICuSO4H2O本讲稿第四十八页，共七十页在1个大气压下：C*=0.25mmolO2/L，在亚硫酸氧化法，C*=0.21mmolO2/L又因C=0所以：kLa=n物料衡算法物料衡算法 VL kLa（C*-C）=Q(C进-C出)本讲稿第四十九页，共七十页3 3、K KL La a与与k kd d的关系的关系由亨利定律知
16、：由亨利定律知：p=HCp=HC*由气体分压定律知由气体分压定律知:p=PX:p=PX定义：Kd为以总压力差为传扬推动力的体积溶氧系数kd=本讲稿第五十页，共七十页以氧的分压为推动力：以氧的分压为推动力：kd=kLa=6107kd(p)=610 7（1/0.21）kd(P)福田秀雄从福田秀雄从10L10L到到42000L42000L并进行并进行6060组实验组实验在以下公式（瑞查兹）实验，在以下公式（瑞查兹）实验，kd 本讲稿第五十一页，共七十页kd=pg-千瓦；V-m3；s-截面气速cm/min；n-转数/分有kLa与kd换算式可得出kLa的算式本讲稿第五十二页，共七十页l影响影响kLa的因
17、素的因素1、根据公式讨论根据公式讨论有有k kL La a 的算式可得出三点结论：的算式可得出三点结论：1 1）与单位体积搅拌功率有关；）与单位体积搅拌功率有关；2 2）与截面气速有关；）与截面气速有关；3 3）与搅拌转速有关；）与搅拌转速有关；4 4）与发酵罐结构有关。）与发酵罐结构有关。2 2、从、从k kL La a的涵义进行讨论的涵义进行讨论1 1）k kL L大小与扩散系数、液膜厚度有关大小与扩散系数、液膜厚度有关本讲稿第五十三页，共七十页2)a2)a值大小可由下式表示值大小可由下式表示dm-气泡直径气泡直径m（与单位体积交办功率、搅拌器线速度（与单位体积交办功率、搅拌器线速度有关）
18、有关）VL-发酵液体积，发酵液体积，m3；VG-发酵液里的空气体积，发酵液里的空气体积，m3 H0-持气率（与通风比有关、液层高度有关）持气率（与通风比有关、液层高度有关）本讲稿第五十四页，共七十页 对机械搅拌发酵罐，在单位体积搅拌功率相等的情况下，增对机械搅拌发酵罐，在单位体积搅拌功率相等的情况下，增大转速，减小搅拌器的直径，可以提高搅拌线速度，可达到提高大转速，减小搅拌器的直径，可以提高搅拌线速度，可达到提高溶氧效果。在操作中常通过控制通风比来控制溶氧速率。溶氧效果。在操作中常通过控制通风比来控制溶氧速率。对气升式发酵罐，增大高径比，通风喷嘴的设计，筛板设置对气升式发酵罐，增大高径比，通风
19、喷嘴的设计，筛板设置都有利于提高溶氧系数。都有利于提高溶氧系数。假如，反应器液体不通风时的高度为假如，反应器液体不通风时的高度为H HL L，上升的气泡，上升的气泡速度为速度为W WB B，通风量为，通风量为Q Q。利用气体停留时间相等，则有：。利用气体停留时间相等，则有：本讲稿第五十五页，共七十页KLa计算分析，计算分析，按上例题计算，罐装液体积75m3，发酵罐直径4000mm截面气速截面气速：本讲稿第五十六页，共七十页本讲稿第五十七页，共七十页假定不通风时搅拌功率不变，将搅拌器直径由假定不通风时搅拌功率不变，将搅拌器直径由1.3m1.3m改为改为1.11.1米，可计算出搅拌器转速：米，可计
20、算出搅拌器转速：n=105.7n=105.7转转/分分进一步计算出通风时搅拌功率：进一步计算出通风时搅拌功率：本讲稿第五十八页，共七十页本讲稿第五十九页，共七十页思考题：思考题：1 1、在不通风时搅拌功率相等下，减小搅拌直、在不通风时搅拌功率相等下，减小搅拌直径，提高转速时为何通风时搅拌功率下降径，提高转速时为何通风时搅拌功率下降？为什么又会提高体积溶氧系数？为什么又会提高体积溶氧系数K KL La a本讲稿第六十页，共七十页lKLa其它表达计算式本讲稿第六十一页，共七十页第五节发酵罐比拟放大第五节发酵罐比拟放大l 几何相似比拟放大l通风比相等放大l单位体功率相等比拟放大本讲稿第六十二页，共七
21、十页l几何相似放大 是按大生产发酵罐与实验发酵罐几何尺相似放大设计的一种方法。是按大生产发酵罐与实验发酵罐几何尺相似放大设计的一种方法。V V发酵罐体积；发酵罐体积；D D发酵罐直径；发酵罐直径；H H发酵罐的圆柱筒体高；发酵罐的圆柱筒体高；用下表用下表1 1为实验罐，下表为实验罐，下表2 2为生产发酵罐。为生产发酵罐。本讲稿第六十三页，共七十页l 通风比相等放大通风比相等放大 通风比，通风比，m m3 3/m/m3 3.min(vvm).min(vvm)；QQ通风量，通风量，m m3 3/min/min；VV发酵罐体积，发酵罐体积，m m3 3；DD发酵罐直径，发酵罐直径，m m；空罐截面气
22、速，空罐截面气速，m/min m/min；下表下表1 1为实验罐，下表为实验罐，下表2 2为生产发为生产发酵罐。酵罐。在几何相似前提下：在几何相似前提下：1 1=2 2本讲稿第六十四页，共七十页 通过以上推导，说明在几何相似前提下，通风比相通过以上推导，说明在几何相似前提下，通风比相等，发酵罐越大，空罐截面气速越高，有体积溶氧系数计等，发酵罐越大，空罐截面气速越高，有体积溶氧系数计算公式可知，大发酵罐溶氧比小发酵罐溶氧效果好。算公式可知，大发酵罐溶氧比小发酵罐溶氧效果好。本讲稿第六十五页，共七十页l单位体积不通风时搅拌功率相等比拟放大单位体积不通风时搅拌功率相等比拟放大在几何相似前提下：在几何相似前提下：本讲稿第六十六页，共七十页 以上由单位体积不通风时搅拌功率相等、几何相似放大，以上由单位体积不通风时搅拌功率相等、几何相似放大，推导求出生产发酵罐的转速，并知推导求出生产发酵罐的转速，并知发酵罐越大转速越低。发酵罐越大转速越低。本讲稿第六十七页，共七十页lKLa相等放大有的文献提出：本讲稿第六十八页，共七十页本讲稿第六十九页，共七十页第六节固体通风培养设备第六节固体通风培养设备l啤酒生产大麦发芽设备（过程通风）l麸曲培养设备本讲稿第七十页，共七十页