通气生物反应器分解.pptx

《通气生物反应器分解.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通气生物反应器分解.pptx（60页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、第一节 机械搅拌发酵罐（TRC）一、工作原理二、结构及几何尺寸第1页/共60页 一、工作原理 利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。第2页/共60页基本要求基本要求1.结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度与径高比一般为1.74，罐身越长，氧气的利用率越高。2.有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌过程和工作时，罐内有一定的压力和温度。因此需要一定的强度。3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保证发酵液一定的溶解氧。4.足够的冷却面积。5.尽量减少死角。6.轴封严密。7.维修操作检测方便第3页/共60页二、结构及几何尺寸二、结构

2、及几何尺寸231 1轴封轴封 2 2、2020人人孔孔3 3梯梯 4 4联轴联轴5 5中间轴承中间轴承 6 6温度计温度计接口接口7 7搅拌叶轮搅拌叶轮 8 8进风管进风管9 9放料口放料口 1010底轴承底轴承1111热电偶接口热电偶接口 1212冷却管冷却管1313搅拌轴搅拌轴 1414取样管取样管1515轴承座轴承座 1616传动皮传动皮带带1717电机电机 1818压力表压力表1919取样口取样口 2121进料口进料口2222补料口补料口 2323排气口排气口2424回流口回流口 2525视镜视镜第4页/共60页自动玻璃发酵罐玻璃搅拌发酵罐不锈钢搅拌发酵罐第5页/共60页1.1.罐体罐

3、体 结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊接 而成。材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用衬 不锈钢或复合不锈钢制成。刚度和强度：受压容器，空消或实消，通 常灭菌的压力为2.5Kg/m3。小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。顶 部设有清洗用的手孔。第6页/共60页接管接管罐顶：进料管，补料管，排气管，接种管和压力表管。罐身：冷却水进出管，进空气管，温度计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠近封头的轴封位置。第7页/共60页2.2.搅拌装置搅拌装置 目的：有利于液体本身的混 合及气液、气固之间的混合，质 量和热量的传递，特别是对氧的 溶解具有重要的意义，加强气液 之间的湍动，增加气液接触面积 及延长气液接触时

4、间。第8页/共60页补充内容：液体搅拌器补充内容：液体搅拌器 液体搅拌目的 带有搅拌器的设备 （一）基本结构 （二）搅拌器第9页/共60页液体搅拌目的液体搅拌目的 液体搅拌机主要用于以下方面：液体搅拌机主要用于以下方面：促进物料的传热，使物料温度均匀化；促进物料中各成分混合均匀；促进溶解、结晶、浸出、凝聚、吸附等过程进行；促进酶反应等生化反应和化学反应过程的进行。第10页/共60页补充内容：液体搅拌器补充内容：液体搅拌器 液体搅拌目的 带有搅拌器的设备 （一）基本结构 （二）搅拌器第11页/共60页带有搅拌器的设备带有搅拌器的设备工业中典型的带搅拌器的设备有：发酵罐、酶解罐、冷热缸、溶糖锅、沉

5、淀罐等。这些设备虽然名称不同，但基本构造均属于液体搅拌机。第12页/共60页（一）基本结构（一）基本结构 搅拌机械的种类较多，但其基本结构是一致的。其结构如图所示，主要由搅拌装置、轴封和搅拌容器三大部分组成。搅拌设备结构图搅拌设备 轴封 搅拌装置传动装置搅拌轴搅拌器搅拌容器罐体附件第13页/共60页搅拌器搅拌器搅拌器（或称搅拌桨）及搅拌轴的主要作用是通过自身的运动使搅拌容器中的物料按某种特定的方式流动，从而达到某种工艺要求。所谓特定方式的流动（流型）是衡量搅拌装置性能最直观的重要指标。第14页/共60页搅拌容器搅拌容器搅拌容器也称搅拌槽或搅拌罐。其作用是容纳搅拌器与物料在其内进行操作。对于食品

6、搅拌容器，除保证具体的工艺条件外，还要满足无污染、易清洗等专业技术要求。第15页/共60页罐体罐体 罐体大多数设计成圆柱形，其顶部为开放式或密闭式，底部大多数成碟形或半球形，平底的很少见到，因为平底结构容易造成搅拌时液流死角，影响搅拌效果，同时也不利于料液的完全排放。第16页/共60页传动装置传动装置传动装置是赋予搅拌装置及其它附件运动的传动件组合体，在满足机器所必须的运动功率及几何参数的前提下，希望传动链短、传动件少、电动机功率小，以降低成本。第17页/共60页轴封轴封轴封是指搅拌轴及搅拌容器转轴处的密封装置。为避免食品污染，轴封的选择必须给予重视。第18页/共60页附件附件典型搅拌设备通常

7、还设有进出口管路、夹套、人孔、温度计插套以及挡板等附件。第19页/共60页（二）（二）搅拌器搅拌器1搅拌器的类型2搅拌器的安装形式3搅拌器桨叶与流型4搅拌器的选择第20页/共60页典型的搅拌器型式第21页/共60页1 1搅拌器的类型搅拌器的类型两大类型两大类型：小面积叶片高转速运转的搅拌器，属于这种类型的搅拌器有涡轮式、旋桨式等，多用于低黏度的物料；大面积叶片低转速运转的搅拌器，属于此类型的搅拌器有框式、垂直螺旋式等，多用于高黏度的物料。各种典型搅拌器型式 第22页/共60页2 2搅拌器的安装形式搅拌器的安装形式 搅拌器不同的安装形式会产生不同的流场，使搅拌的效果有明显的差别。常见的五种搅拌轴

8、相对于容器的安装方式如图图6.36.3所示。（1）中心立式搅拌安装形式（2）偏心式搅拌安装形式（3）倾斜式搅拌安装形式（4）底部搅拌安装形式（5）旁入式搅拌安装形式第23页/共60页（1 1）中心立式搅拌安装形式中心立式搅拌安装形式安装形式如图6.3（1）所示。这种安装形式的搅拌设备可以将桨叶组合成多种结构形式以适应多种用途。特点挡板第24页/共60页挡板挡板为了防止在搅拌器附近产生涡流回转区域，往往在立式容器的侧壁上装挡板。第25页/共60页特点特点这种安装的特点是搅拌轴与搅拌器配置在搅拌罐的中心线上，呈对称布局，驱动方式一般为带传动或齿轮传动，或者通过减速传动，也有用电动机直接驱动。第26

9、页/共60页（2 2）偏心式搅拌安装形式偏心式搅拌安装形式搅拌器安装在立式容器的偏心位置 能防止液体打漩，效果与装挡板相近。中心线偏离容器轴线的搅拌轴，会使液流在各点处压力分布不同，加强了液层间的相对运动，从而增强了液层间的湍动，使搅拌效果得到明显的改善。但偏心搅拌容易引起设备在工作过程中的振动，一般此类安装形式只用于小型设备上。第27页/共60页（3 3）倾斜式搅拌安装形式倾斜式搅拌安装形式是将搅拌器直接安装在罐体上部边缘处，搅拌轴斜插入容器内进行搅拌。对搅拌容器比较简单的圆筒形或方形敞开立式搅拌设备，可用夹板或卡盘与筒体边缘夹持固定。这种安装形式的搅拌设备比较机动灵活，使用维修方便，结构简

10、单、轻便，一般用于小型设备上，可以防止打漩效应。第28页/共60页（4 4）底部搅拌安装形式底部搅拌安装形式将搅拌器安装在容器的底部。它具有轴短而细的特点，无需用中间轴承，可用机械密封结构，有使用维修方便、寿命长等优点。此外，搅拌器安装在下封头处，有利于上部封头处附件的排列与安装，特别是上封头带夹套、冷却构件及接管等附件的情况下，更有利于整体合理布局。由于底部出料口能得到充分的搅动，使输料管路畅通无阻，有利于排出物料。此类搅拌设备的缺点是，桨叶叶轮下部至轴封处常有固体物料黏积，容易变成小团物料混入产品中影响产品质量。第29页/共60页（5 5）旁入式搅拌安装形式旁入式搅拌安装形式搅拌器安装在容

11、器侧壁。在同等功率下，能得到最好的搅拌效果。转速一般在360450r/min之间。驱动方式有齿轮传动与带传动两种。主要缺点是轴封比较困难。不同角度的流动效果第30页/共60页不同角度的流动效果不同角度的流动效果旁入式搅拌装置在不同旋桨位置所产生的不同流动状态。旁入式搅拌装置在不同旋桨位置所产生的不同流动状态。(1)=712 (2)12 (3)=0 旁入式搅拌轴与径向的夹角及流形旁入式搅拌轴与径向的夹角及流形 第31页/共60页3 3搅拌器桨叶与流型搅拌器桨叶与流型流动状态与搅拌容器的结构及其附件有一定关系。搅拌器桨叶的结构形状与运转情况是决定容器内液体流动状态最重要的因素。搅拌器件周围流体的运

12、动方向有三种，即径向流、轴向流和环流。普通搅拌器一般只有一种为主导流向。(1)轴向流型 或 (2)径向流型 第32页/共60页 液体由轴向进入叶片，从轴向流出，称为轴向流型，如图（1）所示。（1 1）轴向流型轴向流型第33页/共60页流体由轴向进入叶轮，从径向流出。（2 2）径向流径向流型型 低速运转，主要为环向流，当转速增大时，液体的径向流动就逐渐增大，桨叶转速越高，由平直叶排出的径向流动越强烈，打漩效应也随之增强，严重时会造成液体外溢。第34页/共60页4 4搅拌器的选择搅拌器的选择（1）根据介质黏度高低选型（2）根据搅拌过程和目的选型第35页/共60页随着黏度增高，各种搅拌器选用的顺序为

13、旋桨式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式等。对旋浆式指出了大容器量液体时用低转速，小容量液体时用高转速。各类型式使用有重叠性，例如桨式搅拌器由于其结构简单，用挡板后可以改善流型，所以，在低黏度时也是应用得较普遍的。而涡轮式由于其对流循环能力、湍流扩散和剪切都较强，几乎是应用最广泛的一种桨型。（）（）根据介质黏度高低选型根据介质黏度高低选型 搅拌器选择曲线搅拌器选择曲线1.1.锚式、螺带式；锚式、螺带式；2.2.浆式；浆式；3.3.涡轮式；涡轮式；4 4、5.5.涡轮式、旋浆式；涡轮式、旋浆式；R1=1750r/min;R2=1150r/min;R3=420 R1=1750r/min;R2=1150r

14、/min;R3=420 r/minr/min第36页/共60页（2 2）根据搅拌过程和目的选型根据搅拌过程和目的选型 这种方法根据搅拌过程和目的，对照搅拌器的流动效果作出判断选择。低黏度均相液液混合分散操作悬浮液操作有气体吸收的搅拌结晶过程的搅拌操作第37页/共60页这种混合，搅拌难度小，平桨式循环能力强，动力消耗少，最适用。平桨式结构简单，成本低，适宜小容量液相混合。涡轮式动力消耗大，会增加费用。低黏度均相液液混合低黏度均相液液混合第38页/共60页分散操作分散操作涡轮式因具有高剪切力和较大循环能力，所以最适用。其中平直叶涡轮剪切作用大于折叶和后弯叶的剪力作用，因此应优先选用。为了加强剪切效

15、果，容器内可设置挡板。第39页/共60页涡涡轮轮式式：使用范围大，其中以弯叶开启涡轮式最好。它无中间圆盘，上下液体流动畅通，排出性能好，桨叶不易磨损。桨桨式式：速度低，只用于固体粒度小，固液相对密度差小、固相浓度较高、沉降速度低的悬浮液。旋旋浆浆式式：使用范围窄，只适用于固液相对密度差小或固液比在5%以下的悬浮液。对于有轴向流的搅拌器，可不加挡板。因固体颗粒会沉积在挡板死角内，所以只在固液比很低的情况下才使用挡板。悬浮液操作悬浮液操作第40页/共60页圆盘式涡轮：最合适。它剪切力强，圆盘下可存在一些气体，使气体的分散更平衡。开启式涡轮：不适用。平桨式及旋桨式：只在少量易吸收的气体要求分散度不高

16、的场合中使用。有气体吸收的搅拌有气体吸收的搅拌第41页/共60页结晶过程的搅拌操作结晶过程的搅拌操作小直径的快速搅拌器：如涡轮式，适用于微粒结晶。大直径的慢速搅拌器：如桨式，用于大晶体的结晶。第42页/共60页发酵罐搅拌器结构发酵罐搅拌器结构搅拌器可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液流。发酵罐中以径向液流为主。用涡轮式搅拌器时为避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅拌器中央常带有圆盘。常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭叶式三种。叶片数一般为六个，也有少至四个或多至八个的。第43页/共60页发酵罐搅拌器结构发酵罐搅拌器结构为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。功

17、率消耗：平板式最大，弯叶式次之，箭叶式最小。搅拌器宜用不锈钢制造。第44页/共60页 挡板：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。通常挡板宽度取(0.10.12)D，装设46块即可满足全挡板条件。“全挡板条件”：是指在一定转速下再增加罐内附件而 轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：无挡板的搅拌器形成的流型无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型第45页/共60页3、轴 封 填料函轴封填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。盖和压紧螺栓待零

18、件构成，使旋转轴达到密封的效果。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。端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（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贴合，并作相对转动而达到密封。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。压紧螺栓压紧螺栓填料箱体填料箱体 填料函转轴转轴填料压盖填料压盖铜环铜环填料填料传动齿轮传动齿轮箱箱罐体罐体搅拌轴搅拌轴密封环密封环齿轮箱齿轮箱第46页/共60页4 4、空气分布器、空气分布器 空气分布器的作用：空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置：分布装置：单管及环形管等，

19、常用的分布装置有单管式。单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。最简单的通气装置：单孔管 单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方，开口往下，以免培养液中固体物质在开口处堆积和罐底固形物质沉淀。管口与罐底的距离约为40mm。开口朝下的多孔环形管：环的直径约为搅拌器直径的0.8倍。小孔直径5-8mm孔的总面积约等于通风管的截面积。通气量较小时，气泡的直径与空气喷口直径有关。喷口直径越小，气泡直径越小，氧的传质系数越大。发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气量有关而与分布器直径无关。强烈机械搅拌时，多孔分布器对氧的传递效果并不比单孔管为好，会造成不必要的压力损失，且易使物料堵塞小孔。第47页/共60

20、页5 5、消泡装置、消泡装置 消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或消泡装置就是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的，可将泡沫打破或将泡沫安装在发酵罐排气系统上的，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，从而达到消泡的破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。目的。两种消泡方法两种消泡方法:(1)(1)加入化学消泡剂加入化学消泡剂 (2)(2)使用机械消泡装置使用机械消泡装置 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；等；动物油脂，如猪油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。高分子化合物。机械消泡装置：最简单实用为耙式消

21、泡器。机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器。第48页/共60页 耙式消泡器第49页/共60页6 6、联轴器及轴承、联轴器及轴承大型发酵罐搅拌轴较长，常分大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。搅拌轴成牢固的刚性联接。小型的发酵罐可采用法兰将搅小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接拌轴连接联轴器法兰第50页/共60页 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；大型发酵罐装有中间轴承。大型发酵罐装有中间轴承。轴 承底轴承中间轴承 罐内轴承不能加润滑油，罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴应采用液体润滑的塑料轴瓦

22、（如石棉酚醛塑料，聚瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。四氟乙烯等）。第51页/共60页7 7、冷却装置、冷却装置夹套冷却夹套冷却竖式蛇管冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却竖式列管冷却适用范围5m5m3 3以下小发酵罐以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区气温较高的地区优点结构简单，加工容结构简单，加工容易，罐内死角少，易，罐内死角少，容易清洗灭菌容易清洗灭菌流速大，传热系数大，流速大，传热系数大，降温效果较好。降温效果较好。加工方便，提高加工方便，提高传热推动力的温传热推动力的温差。差。缺点传热壁较厚，冷却传热壁较厚，冷却水流速低，降温效水流速低，降温效果差。果差。冷却

23、水较高时，降温冷却水较高时，降温困难，弯曲位置易腐困难，弯曲位置易腐蚀。蚀。用水量较大。用水量较大。第52页/共60页列管式换热列管式换热器器蛇管式换热器第53页/共60页第一节 机械搅拌发酵罐（TRC）一、工作原理二、结构及几何尺寸三、机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌 第54页/共60页机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积尺寸体积椭圆形封头体积：发酵罐的总体积：近似为：机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸2.容积计算椭圆形封头体积计算 公称容积 V公称=V下封头+D2H/4 液柱高度 HL=H+ha+hb 圆柱部分高度的装料系数 装料容积 V=（D2 ha/6）+

24、（D2 H+hb）/4 装料系数 0.60.8 =V料/V全第55页/共60页第一节 机械搅拌发酵罐（TRC）一、工作原理二、结构及几何尺寸三、机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌 第56页/共60页 机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌 溶氧传质速率OTR(Oxygen Transfer Rate)测量体积溶氧系数的方法一、亚硫酸盐氧化法 二、溶氧电极法 影响KLa的主要因素(1)操作条件；(2)发酵罐的结构及几何参数；(3)物料的物化性能。机械搅拌发酵罐的溶氧系数 K KLa与操作变数的关系为：1）增加搅拌器转速N，以提高Pg，可以有效地提高Kla；2）加大通气量VG，以提高vs；3）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高C*。提高KLa的途径或 机械搅拌的剪切力影响1）单细胞微生物如球状或杆状的细菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力强；2）丝状菌的耐受力弱；3）动物细胞对搅拌剪切力非常敏感。发酵过程的热量计算 生物合成热量计算法 冷却水带出热量计算法 发酵液温升测量计算法第57页/共60页机械搅拌自吸式发酵罐自自吸吸式式发发酵酵罐罐的的结结构构第58页/共60页机械搅拌自吸式发酵罐 工作原理：第59页/共60页感谢您的观看！第60页/共60页