《通风发酵设备》PPT课件.ppt

第四章 通风发酵设备,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 自吸式 以机械搅拌通风发酵罐占主导地位，约为总发酵罐的。,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,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,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泡击碎成细小气泡，增加接触界面；产生旋涡使气泡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。,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46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。,WZ/D=0.5 即：(0.1-0.12)Z=0.5,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。,式中 D罐的直径（mm）Z挡板数W挡板宽度（mm）,全档扳：防止液面形成凹陷的旋涡流动,l增强湍动和溶氧传质,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。什么叫轴封是搅拌设备的重要组成部分。轴封属于动密封,其作用是保证搅拌设备内处于一定的正压或真空状态，防止被搅拌的物料逸出和杂质的渗入.常用的轴封: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。,(2)中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承。(3)可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套,防轴磨损。,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,安装在上搅拌轴的轴上，耙齿底部比发酵液液面高.,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。,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。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。,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,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,(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3kL-是以C*-C 为推动力的体积溶氧系数（L/h）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/h），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。,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：靠负压吸入空气，罐压较低，易染菌，需配备低阻力损失的高效过滤器。,二、自吸式发酵罐的类型,机械搅拌自吸式发酵罐 机械搅拌带动转子转动，形成负压自吸空气。喷射自吸式发酵罐 液体在细长的文氏管中快速流动，形成真空吸入空气。溢流喷射自吸式发酵罐 靠溢流喷射器形成自吸作用。,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。,机械搅拌自吸式发酵罐,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。,机械搅拌自吸式发酵罐,4、设计要点(1)发酵罐高径比（较小）H/D=1：1.15左右，保证吸气转子与液面距离2-3m.,(2)转子与定子的确定三直叶叶轮直径 D=0.35D罐 四弯叶 D/D罐=1/8 1/15 定子厚度 B=（1/4 1/5）D，定子直径=2D转子定子间隙1-2.5mm.,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。,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,在发酵罐内部进行循环的叫内循环,借循环管在罐外进行循环的叫外循环。,多层空气分布扳，19块有下降区的筛扳防止气泡变成大气泡，顶部有气液分离部分。,典型的气升环流发酵罐ICI压力循环气升发酵罐,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。,曲室不宜过长，池底有一定倾斜，以保持通风均匀。曲池一端与风道相连，其间设有风量调节阀。排气经循环风道回空调室，再吸入新鲜空气。,机械通风固体曲发酵设备,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。,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？,思考题,