生物过程与设备
重点总结
学 பைடு நூலகம்：
东华大学
学 院： 化学化工与生物工程学院
姓 名：
郭宇婷
班 级：
应化 1502
学 号：
151020201
2018 年 6 月 16 日
生物过程与设备
重点整理
第三章 生物反应器
一、微生物反应器——发酵罐
1. 好氧发酵设备：机械搅拌通气（通用式、自吸式、强制循环发酵） 空气搅拌（喷射式、循环式）
部分产生的下凹漩涡。 ·全挡板：罐内加了挡板后使漩涡基本消失，或指达到了消除液面漩涡的最低
挡板条件。
W
满足全挡板条件的挡板数及宽度：D·mb = 0.4
W—挡板宽度（m）；D—罐直径（m）；mb—挡板块数 一般：4 块、（1/8-1/12D）即可满足全挡板条件
（4） 传热装置
2
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2. 自吸式发酵罐：不需要压缩空气，利用改进搅拌器结构，在搅拌过程中自行 吸入空气的发酵罐。 ·搅拌转速比通用式：高 ·关键部件：带有中央吸气口的搅拌装置（叶轮、导轮）
二、通用式机械搅拌反应器的结构
1. 公称容积：V0 = 筒体容积 + 底封头容积 = Vc + Vb
π·D2
π·D2
π·D2 D
V0 = 4 ·H + 4 ·hb + 6 ·4
匀。 b．产生强烈湍动，使液体、气体、固体微团尺寸减小。 有利于混合传热和传质，对氧的溶解有重要意义。 ·搅拌流型：径向、轴向（更重要） ·搅拌器型式：旋桨式（轴向流）、涡轮式（径向流） --径向流：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，气体的分散首先在桨叶背面形 成稳定的气穴，气穴在尾部破裂，形成富含小气泡的分散区，并 随液体的流动分散至罐内其他区域。 ·为避免气体沿轴上升，在搅拌器中央设有圆盘。 ·为了更好的溶解氧，采用涡轮式搅拌器（气体分散为小尺度混合），可 以将气体分散的更细，提高溶氧传质系数 --轴向流：旋桨式搅拌器使液体做轴向和切向运动，液体离开旋桨后作螺旋 线运动，轴向分速度使液体沿轴向下流动，流至罐底在沿壁折 回，返入旋桨入口，形成循环总体流动。 ·旋桨式搅拌器循环量大，适用于要求容器上下均匀的场合。 ·径向流动：流体流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成二 股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下二个循环 流动。 ·轴向运动：流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流 动，遇到容器底面再向上翻，形成上下循环流。 ·切向流：是无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形 成漩涡，混合效果很差
计算方法：生物合成热计算法 冷却水带出热量计算法 发酵液温升测量计算法
·传热系数 K Q发酵·VL
K= F·∆tm
F:发酵罐的传热面积（m2）； Δtm：发酵液与冷却水间的平均温度差（K）
（5） 机械消泡装置 ·原因：发酵液中含有大量蛋白质等发泡物质，强烈通气和搅拌下会产生大量
泡沫，导致发酵液外溢，增加染菌机会，导致装料系数降低。 ·加入消沫剂或机械装置破碎泡沫 ·机械装饰：耙式、蛇形栅条
三、搅拌功率的计算
1. 相关参数 搅拌桨直径：d（m）；搅拌转速：n（/s）；液体密度：ρ（kg·s2/m4） 重力加速度：g（m/s2）；罐径 D（m）；液柱高度 HL（m）
2. 不通气单层搅拌功率
( ) ( ) P
n·d2·ρ x n2·d y
n3·d5·ρ = K μ
g
n·d2·ρ
·搅拌雷诺准数：Rem = μ
（2） 轴封装置 ·采用下伸搅拌轴的发酵罐，重心降低，轴长度缩短，稳定性提高。噪音小， 罐顶空间可加装消泡器及其他装置。 ·上伸轴：机械单端面轴封；下伸轴：双端面轴封，无菌空气防漏及冷却。 ·流动作用方式：起密封和润滑作用，能带走搅拌产生的热量。
静止作用方式：仅起密封盒润滑作用。
（3） 挡板 ·作用：改变被搅拌流体的流动方向，使之产生纵向运动，从而消除液面中央
P = K·μ·n2·d3 P
NP = K = n3·d5·ρ
P = K·ρ·n3·d5
·过渡流：查表得 NP
3. 搅拌功率的修正 ·以上公式使用范围：D/d=3；HL/d=3；W/D=1/10，若与此不符，则需修正。 （1） 几何条件及液层高度
( ) ( ) 1 D HL
f=3 d· d
P ∗ = P·f
V0
=
π·D2
4 ·H +
π·D2
4 ·hb
+
0.13D3
2. 结构比例尺寸
·H：发酵罐筒身高（m）；D：发酵罐内径（m）；d：搅拌器直径（m）；
·W：挡板宽度（m）；HL：液位高度（m）；S：两搅拌器间距（m）；
·S1：上层搅拌器与液面间距（m）；B：下搅拌器距底间距（m）
H
D = 1.7~3
B
d = 0.8~1
·类型：夹套、内蛇管、外盘管
·传热计算：
Q 发酵热 = Q 生物热 + Q 搅拌热 + Q 空气带走 + Q 辐射热
QF = Q 发酵热·VL
QF
冷却或加热水量：W = CP·∆t
·发酵热测定：
W·C·(t2 ‒ t1)
Q发酵 =
VL
W—冷却水流量(kg/h);t1,t2—冷却水进出口温度；VL—发酵液体积（m3）
（2） 桨叶数量:叶片数为 m
( )m 0.8
2＜m＜6：β = 6
P ∗ = P·f·β
( )m 0.7
6＜m＜12：β = 6
P ∗ = P·f·β
（3） 不通气多层搅拌
Pm = P(0.4 + 0.6m) 条件：S = 1.5 - 2.0d；S1 = 1.0 - 1.5d
P
·功率准数：NP = n3·d5·ρ
n2·d
·弗鲁特准数：Frm = g
NP = K(Rem)x(Frm)y
·全挡板条件下，y=0
NP = K(Rem)x
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·Rem＜10 x=-1，滞流
NP
=
K(Rem)x
=
K·μ n·d2·ρ
=
P n3·d5·ρ
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·Rem＞104 x=0，滞流
d 11
D = 2~3
S
d = 1.5~2.5
W 11
D = 8~12
S1
d = 1~2
3. 全容积：V = 筒体容积 + 底封头容积 + 上封头容积 = Vc + 2Vb V = Vc + 2Vb = π4D2·H + 2Vb
VL
装料系数：η = V0
4. 各部件及功能
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（1） 搅拌装置 ·作用：a. 产生强大的总体流动，将流体均匀分布于容器各处，以达到宏观均