1．1生物反应器设计基础
1、发酵罐数的确定。
1．2通风发酵罐
1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。
高效生物反应器的特点：(1) 传质和传热性能好；(2) 结构密封、防杂菌污染；(3) 设备简单、维修方便；(4) 生产能力高 (5) 能耗低； (6)检测控制系统完善；(7) 易放大； (8)生产安全 1）主要类型
①机械搅拌发酵罐(TRC) A.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。
发酵罐的基本条件:(1)具有适宜的径高比；(2)能够承担一定压力；(3)保证必需的溶解氧；(4)具有足够的冷却面积；(5)尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；(6)轴封严密。
B.特点
②气升式发酵罐（类型：气升环流式、塔式、空气喷射式等。） A.工作原理
把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。 B.特点（8）
反应溶液分布均匀；较高的溶氧速率和溶氧效率；剪切力小；传热良好；结构简单；能耗小；不易染菌；操作和维修方便 ③自吸式发酵罐
A.不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。
B.优点：不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；生产效率高、经济效率高设备便于自动化、连续化。
缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％。
C. 喷射自吸式发酵罐：利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合和溶氧传质。 ④通风固相发酵设备
2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。
①罐体（壁厚计算）
由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。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130℃和0.25MPa(绝对压力)。
②搅拌器：
有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。 ③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(0.1～0.12)D，装设4~6块即可满足全挡板条件。
所谓“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。 ?0.1~0.12?Dn?0.5?b???n?要达到全挡板条件必须满足下式要求：? D?D④轴封
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。 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种
填料函轴封：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。
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。 ⑤空气分布器
空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。
空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。
环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。
通常通风管的空气流速取20m/s。
为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命 ⑥消泡装置
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破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。
两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置
化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。 机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。 ⑦联轴器
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。 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接 ⑧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。
罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。
⑨冷却装置（竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。）
3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算（非通气状态和通气状态注意参数单位）。
（单只搅拌桨）
在具有挡板且满足全挡板的情况下，搅拌准数是搅拌雷诺准数的函数。即 雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。 当液体处于湍流状态时
NP?K(ReM)x1. 不通气条件下的轴功率P0计算（鲁士顿(Rushton J. H.)公式：） NP?K35
0PLi
P0－无通气搅拌输入的功率（W）；NP－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数（圆盘六平直叶涡轮，N≈6；圆盘六弯叶涡轮， N≈4.7；圆盘六箭叶涡轮，N≈3.7）；ω－涡轮转速（r/s）；ρL－液体密度（kg/m3）；μ －液体粘度（N.s/m2）；D －涡轮直径（m）； 2.通气搅拌功率Pg的计算（修正的迈凯尔公式）
P?N??DP
PP
3Pg?2.25?10?（P02?Di3Q0.08)0.39
P0－无通气搅拌输入的功率（kW）；ω－涡轮转速（r/min）；Di －涡轮直径（cm）Q－通气量（mL/min）
例题：某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装
有四块标准挡板，装液量VL为6m3，搅拌转速 ω=168rpm，通气量Q=1.42 m3 /min，醪液粘度μ=1.96×10-3 N·s/ m2，醪液密度 ρ=1020 kg/ m3 ，三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封增加的功率为 1%，求轴功率Pg和kLα，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 ）
解：1.先求出Re：
?Di?L(168/60)?0.62?1020Re???5.25?104?3?1.96?10?168?5P0?NP?3?LDi5＝4.7??（kW）??1020?0.6＝8.07?60?2. 因Re≥104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数NP = 4.7 ，故叶轮的不通气时搅拌功率P0为： 3
3.求通气时搅拌功率Pg： 4.所需电动机功率为：
Pg?2.25?10（?3?3P02?Di3Q0.08)0.396.55?（1?1%）?7.（4kW） 0.92?0.99?0.984. 求kLα ：
8.072?168?6030.39?2.25?10?()14200000.08?6.55(kW)①先求空截面气速vS：
?Q??4D2?vS4Q4?1420000 ?vS???55.8(cm/min)?D2??1802
②求kLα ：
N?ntN?ntZ0.7kL??（2.36?3.3n)?Pg/VL? 0.56?vS??0.7?10?9
?（2.36?3.3)??6.55/6?0.56?1.911?10?6molO2/(mL?min?atm)(pO2)??55.80.7?1680.7?10?9?
1．3嫌气发酵罐
1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。
1）
2、酒精发酵罐的计算。
1）发酵罐结构尺寸的确定
V?V0?①发酵罐全容积
式中 V—发酵罐的代表容积（m3）；V0—进入发酵罐的发酵液量（m3） Φ—装液系数， 一般取=0.85~0.90 H?1.1～1.5D②带有罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系： h1?0.1～0.14Dπ?hh?③锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为: h2?0.05～0.1DV?D2?H?1?2?4?33?2）发酵罐罐数的确定
对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：
nt
N??1 24 （式中N－发酵罐个数； n －每24小时内进行加料的发酵罐数目； t －一次发酵周期所需时间，h） 3）发酵罐冷却面积计算（实例） QA? 可按传热基本方程式来确定，即： K ? T m （A—冷却面积（m2） ;Q—总的发酵热（J/h） ； K—传热总系数（J/m2 .h) ；△Tm—对数平均温度差）
(T?T)?(TF?T2)0.8① ? Q 1 ? Q 2 ? Q 3 ② ? T m ? F 1T ③ Q????D??F?T1K?4.186A1?1.77??20.7ln DR??TF?T2QB④
W?Cp(T2?T1)
??3、啤酒发酵罐的计算及设计中涉及的问题（如压力、真空、发酵液混和及对流）等。
1）啤酒发酵罐的计算
①前发酵槽的计算 A.发酵槽数目的确定
