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第3章生物反应器生物反应器是生化工艺过程的心脏,它是整个生产过程唯一的一个把原料转化成产物的地方,因此生物反应器的设计是整体设计中最为重要的环节ν良好的传质和传热性能ν培养液流动与混合良好ν结构简单严密,防杂菌污染,检修维护方便ν具有配套而又可靠的检测及控制仪表一个优良的生物反应器应具有---以提供合适的环境条件,确保生物反应的顺利进行---判断生物反应进行的情况第3章生物反应器与发酵参数检测元件本章重点生物反应器的结构搅拌功率的计算及功率、转速、浆径之间的关系通气及搅拌过程中的氧的质量传递生物反应器的放大第3章生物反应器第1节生物反应器的结构第2节通用式机械搅拌反应器结构第3节生物反应器搅拌功率的计算第4节通气及搅拌过程中的氧的质量传递第5节生物反应器的放大设计第1节微生物反应器—发酵罐发酵:厌氧发酵好氧发酵好氧发酵设备机械搅拌通气通用式发酵罐自吸式发酵罐强制循环发酵空气搅拌喷射式发酵罐循环式发酵罐机械搅拌型发酵罐(a)通用式(b)强制循环(c)自吸式G—气体;M—电动机气升式发酵罐(a)(b)(c)一般气升式发酵罐气液双喷射气升环流发酵罐多层空气分布板G—空气F—发酵液气升内环流式发酵罐气升内环流式发酵罐G—空气F—发酵液通用式发酵罐皮带轮传动夹套传热减速机传动夹套传热通用式发酵罐上伸轴盘管传热下伸轴盘管传热自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐是一种不需压缩空气,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。自吸式发酵罐为了保证发酵罐有足够的吸气量,搅拌器的转速应比一般通用式的为高。功率消耗量应维持在3.5kw/m3左右。虽然自吸式发酵罐消耗搅拌的功率较大,但因不需压缩空气,因此总的动力消耗还是较为经济的,一般只为通用式发酵罐的搅拌功率与压缩空气动力消耗之和的2/3左右。自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐最关键部件是带有中央吸气口的搅拌自吸式发酵罐由于搅拌装置的转子产生的负压不是很大,因此自吸式发酵罐的罐压不能维持太高,一般在200~500mm水柱搅拌器上方的液柱压力不能过高,一般取HL/D=1.6左右,罐体积不宜太大为了减少吸气阻力,应选用过滤面积大、压力降小的空气过滤器。2.微生物反应器设计要求生物因素要有很好的生物相容性,能很好的模拟它们的生长环境传质因素传质性能好,满足氧的传递、营养物质的传递、代谢产物的传递传热因素有能力去除和加入反应过程的热量,无过热点2.微生物反应器设计要求安全因素防污染性能好,结构严密,罐内机械尽可能少,易清洗和消毒操作因素能量消耗少,便于操作和维修第2节通用式机械搅拌反应器结构与发展趋势机械搅拌式反应器由于其有操作方便,适用性广,使用经验丰富等优点,使其长用不衰随着搅拌型式的不断改进,大功率减速装置的开发成功,使这种传统生物反应器的广泛应用展现了新的前景第2节通用式机械搅拌反应器结构与发展趋势1、通用式机械搅拌反应器的结构2、通用式机械搅拌反应器发展趋势1.通用式机械搅拌反应器的结构外形和几何尺寸公称容积:V0=筒体容积+底封头容积=Vc+Vb46442220DDhDHDVb⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅=πππ322013.044DhDHDVb+⋅⋅+⋅⋅=ππ通用式生物反应罐的几何尺寸比例1.通用式机械搅拌反应器的结构;;;;;H:发酵罐筒身高,mD:发酵罐内径,md:搅拌器直径,mW:挡板宽度,mHL:液位高度,mS:两搅拌器间距,mS1:上层搅拌器与液面间距,mB:下搅拌器距底间距,m通用式生物反应罐的几何尺寸比例1.通用式机械搅拌反应器的结构3~7.1=DH31~21=Dd121~81=DW0.1~8.0=dB5.2~5.1=dS2~11=dS;;;;;结构比例尺寸1.通用式机械搅拌反应器的结构全容积:V=筒体容积+底封头容积+上封头容积=VC+2Vb装料系数:0VVL=ηbbcVHDVVV2422+⋅=+=π1.通用式机械搅拌反应器的结构生物反应器内部构件及功能罐体传动搅拌装置挡板通气装置传热装置机械消泡装置罐体轴轴封底轴承挡板通气装置出料口机械消泡装置夹套罐体联轴器轴轴封中间轴承挡板通气装置出料口内蛇管搅拌桨外盘管大型发酵罐搅拌装置搅拌装置搅拌的作用1、产生强大的总体流动,将流体均匀分布于容器各处,以达到宏观均匀2、产生强烈的湍动,使液体、气体、固体微团尺寸减小二种作用将有利于混合传热和传质,特别对氧的溶解更具有重要意义搅拌流型径向流型轴向流型径向流桨整体宏观流动场轴向流桨整体宏观流动场生物反应器常用搅拌器的型式旋桨式涡轮式气液混合过程的需求气液混合过程的需求¬气体分散---¬气泡分散---¬传质---¬混合---¬传热---剪切循环剪切循环循环适用气液过程的搅拌器¬径向流搅拌器:-Rushton涡轮-半圆管圆盘涡轮CD-6-弧叶圆盘涡轮BT-6¬轴向流搅拌器:-四宽叶螺旋式叶轮-机翼螺旋式叶轮-四斜叶开启涡轮通用式机械搅拌微生物反应器的搅拌桨如何组合选用?径向流---涡轮式搅拌器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旋涡运动和很大的剪切力气体的分散首先是在桨叶背面形成较为稳定的气穴,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它区域径向流---涡轮式搅拌器为了避免气体沿轴上升,在搅拌器中央设有圆盘。常用的带圆盘搅拌器,按叶片形式可分为平叶式、弯叶式、箭叶式,斜叶式和半圆管式,叶片数量一般为六个,少至三个,多至八个径向流---涡轮式搅拌器通用式微生物反应器的搅拌为了更好的溶解氧,气体分散是属于小尺度的混和,因此广泛采用涡轮式搅拌器径向流---涡轮式搅拌装置(a)六平叶涡轮(b)六弯叶涡轮(c)六箭叶涡轮RushtonD-6径向流---涡轮式搅拌装置半圆叶圆盘涡轮圆弧叶圆盘涡轮ChemineeCD-6ChemineeBT-6径向流---涡轮式搅拌器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旋涡运动和很大的剪切力,可将通入的气体分散得更细,并可提高溶氧传质系数径向流---涡轮式搅拌装置(a)六平叶涡轮(b)六弯叶涡轮(c)六箭叶涡轮RushtonD-6气液分散原理——气穴理论1975年,Van’tRiet,Smith,Nienow等发现,六直叶涡轮桨叶的背面都有一对高速转动的漩涡,漩涡内负压较大,从叶片下部供给的气体立即被卷入漩涡,形成气体充填的空穴,称为气穴六平叶涡轮式搅拌装置叶片后气体漩涡形成气穴气穴理论气穴理论认为:气体不是直接被搅拌器剪碎而得到分散的。气体的分散首先是在桨叶背面形成较为稳定的气穴,气穴在尾部破裂,形成富含小气泡的分散区,这些气泡在离心力的作用下被率出,并随液体的流动分散至罐内其它区域气穴理论气速过大或搅拌转速过低时,大气穴合并,整个搅拌器被气穴包裹,气体穿过搅拌器直接上升到液面,从而发生气泛气体分散状态气体分散状态气泛载气完全分散轴向流---旋桨式搅拌器旋桨式搅拌器使液体作轴向和切向运动,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,流至罐底再沿壁折回,返入旋桨入口,形成循环总体流动轴向流---旋桨式搅拌器旋桨式搅拌器的循环量大,尤其适用于要求容器上下均匀的场合用于发酵罐的四宽叶旋桨式搅拌器具有循环能力较大,宽叶之下可存些气体,使气体分散平稳轴向流---旋桨式搅拌器四宽叶螺旋式叶轮机翼螺旋式叶轮四斜叶开启涡轮LightninA-315LightninA-310ChemineerMW-4ChemineerHE-3轴向流---旋桨式搅拌器扇形圆弧叶轮推进式叶轮如何组合选用?发酵罐流动场模拟预测轴封装置搅拌轴一般从罐顶伸入罐内,但对于大容积的大型发酵罐,也可采用下伸轴。下伸轴式装置使发酵罐重心降低,轴的长度缩短,稳定性提高,发酵罐操作面传动噪音也可大为减弱,而且罐顶空间可充分用来安装高效的机械消沫器及其他自控部件轴封装置采用下伸轴时,对轴封的要求更为严格,—般上伸轴可用机械单端面轴封,而下伸轴要采取双端面轴封,并用无菌空气进行防漏和冷却。因此下伸轴的使用,对发酵罐的严密性设计要求更高,也对日常检修增加了—些难度轴封装置对用于基因工程菌发酵的发酵罐,要求采用双端面轴封,并要求作为润滑剂的无菌水压力应高于罐内压力轴封装置轴封装置轴封装置流动作用方式不仅对机械密封起到密封和润滑的作用,而且能带走搅拌产生的热量而起到冷却的作用,有利于延长搅拌器的寿命静止作用方式仅对机械密封起到密封和润滑的作用,而不能带走搅拌产生的热量档板挡板的作用是改变被搅拌液体的流动方向,使之产生纵向运动,从而消除液面中央部分产生的下凹旋涡档板搅拌罐内加置挡板以达到全挡板条件为宜所谓“全挡板条件”是指罐内加了挡板使漩涡基本消失,或者说是指达到消除液面旋涡的最低挡板条件搅拌流型通用式发酵罐搅拌流型全挡板条件下搅拌流型六直叶涡轮档板满足全挡板条件的挡板数及宽度W——挡板宽度,mD——罐直径,mmb——挡板块数一般发酵罐中安装4块挡板,挡板宽度为(1/8~1/12)D,已足够满足全挡板条件4.0=⋅bmDW进气装置单管多孔环管进气装置进气装置大直径发酵罐的分布器1—进气管;2—环管;3—支管;4—挡圈;5—挡盘;6—支架传热装置夹套内蛇管外盘管传热计算传热计算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冷却或加热水量tCQWPF∆⋅=发酵热的测定发酵热测定发酵热Q发酵Q发酵:发酵热,kJ/(m3hr)W:冷却水流量,kg/hrC:冷却水比热,kJ/(kg℃)t1,t2:冷却水进出口温度VL:发酵液体积,m3()LVttCWQ12−⋅⋅=发酵传热系数测定传热系数K值F:发酵罐的传热面积,m2Δtm:发酵液与冷却水间的平均温度差,KmLtFVQK∆⋅⋅=发酵机械消泡装置发酵液中含有大量的蛋白质等发泡物质,在强烈的通气和搅拌下会产生大量的泡沫,将导致发酵液外溢和增加染菌机会,进而导致装料系数降低消除发酵液泡沫比较适用有效的方法是加入消沫剂,也可采用机械装置来破碎泡沫机械消泡装置耙式消泡桨机械消泡装置蛇形栅条消泡桨机械消泡装置机械消泡装置2.通用式机械搅拌反应器发展趋势容积:扩大至100-350m3材质:有碳钢改为不锈钢(304,316L)传热:有单一的罐内蛇管传热改为罐内直管和罐壁半圆管相组合减速:将皮带减速改用机械式减速搅拌:从单一径向涡轮式搅拌改为径、轴双向流式搅拌通用式机械搅拌反应器材质304不锈钢………0Cr18Ni9321不锈钢………0Cr18Ni10Ti316不锈钢………0Cr17Ni12Mo2316L不锈钢………00Cr17Ni14Mo2第3节搅拌功率的计算及功率转速及浆径之间的关系1、搅拌功率的计算2、不通气情况下牛顿型流体单层搅拌功率计算3、不通气情况下牛顿型流体多层搅拌功率计算4、通气情况下的搅拌功率计算5、非牛顿型流体搅拌功率的计算6、搅拌功率P、搅拌器直径d及转速n之间的关系1.搅拌功率的计算搅拌器的轴功率P(w或kw)与下列因素有关:搅拌桨直径d(m)搅拌转速n(1/S)液体密度ρ(kg·s2/m4)液体粘度μ(kg·s/m2)重力加速度g(m/s2)搅拌器形式挡板有无罐径D(m)液柱高度HL(m)1.搅拌功率的计算搅拌雷诺准数功率准数弗鲁特准数yxgdndnKdnP⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⋅=⋅⋅2253µρρρ⋅⋅=53dnPNP⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⋅=µρ2Rednm⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅=gdnFrm21.搅拌功率的计算在全挡板条件下Y=0()()ymxmPFrKNRe=()xmPKNRe=1.搅拌功率的计算10104滞流区湍流区NpRe过度区1.搅拌功率的计算Rem10,X=-1,为滞流状态()ρµ⋅⋅⋅==−21RednKKNmPρ⋅⋅=53dnPNP32dnKP⋅⋅⋅=µ1.搅拌功率的计算Rem104,X=0,为湍流状态ρ⋅⋅=53dnPNPρ⋅⋅⋅=53dnKPKNP=1.搅拌功率的计算在10Rem104过渡流查Np-Rem图得Npρ⋅⋅⋅=53dnNPP2.不通气情况下牛顿型流体单层搅拌功率计算搅拌功率计算的修正表中K值均为情况下测定的,若与实际情况
本文标题:大学课件 生物工程设备 生物反应器
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