第六章 通風(fēng)發(fā)酵罐

1、第六章第六章 發(fā)酵設(shè)備發(fā)酵設(shè)備 第一節(jié)第一節(jié) 發(fā)酵設(shè)備概述發(fā)酵設(shè)備概述 n發(fā)酵主要設(shè)備發(fā)酵主要設(shè)備: :發(fā)酵罐和種子罐，它們各自都附有原料 （培養(yǎng)基）調(diào)制、蒸煮、滅菌和冷卻設(shè)備，通氣調(diào)節(jié)和除 菌設(shè)備，以及攪拌器等。 n種子罐種子罐：以確保發(fā)酵罐培養(yǎng)所必需的菌體量為目的。 n發(fā)酵罐發(fā)酵罐：承擔(dān)產(chǎn)物的生產(chǎn)任務(wù)。 它必須能夠提供微生物 生命活動和代謝所要求的條件，并便于操作和控制，保證 工藝條件的實現(xiàn)，從而獲得高產(chǎn)。 發(fā)酵罐系統(tǒng)發(fā)酵罐系統(tǒng) 優(yōu)良發(fā)酵罐裝置要求優(yōu)良發(fā)酵罐裝置要求： （1）應(yīng)具有嚴(yán)密的結(jié)構(gòu) （2）良好的液體混合特性 （3）好的傳質(zhì)傳熱速率 （4）具有配套而又可靠的檢測、控制儀表 發(fā)酵罐的

2、類型發(fā)酵罐的類型 1 1按微生物生長代謝需要分類按微生物生長代謝需要分類 好氣好氣：抗生素、酶制劑、酵母單細(xì)胞、氨基酸，維 生素等產(chǎn)品是在好氣發(fā)酵罐中進(jìn)行的；需要強烈 的通風(fēng)攪拌，提高氧在發(fā)酵液中的傳質(zhì)系數(shù)。 厭氣：厭氣：酒精、啤酒、乳酸等采用厭氣發(fā)酵罐。 2. 按照發(fā)酵罐設(shè)備特點分類：按照發(fā)酵罐設(shè)備特點分類： 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐：包括循環(huán)式，如伍式發(fā)酵罐，文氏管 發(fā)酵罐，以及非循環(huán)式的通風(fēng)發(fā)酵罐和自吸發(fā)酵罐等。 非機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐非機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐：包括循環(huán)式的氣提式、液提式發(fā) 酵罐，以及非循環(huán)式的排管式和噴射式發(fā)酵罐。 這兩類發(fā)酵罐是采用不同的手段使發(fā)酵罐內(nèi)的氣、固、

3、 液三相充分混合，從而滿足微生物生長和產(chǎn)物形成對氧的需 求。 發(fā)酵罐的類型發(fā)酵罐的類型 3按容積分類按容積分類 實驗室發(fā)酵罐 中試發(fā)酵罐 生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)酵罐 發(fā)酵罐的類型發(fā)酵罐的類型 第二節(jié)第二節(jié) 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備 通用式機械攪拌發(fā)酵罐通用式機械攪拌發(fā)酵罐 n通用式機械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一。 n在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是制藥工業(yè)中，通用式機械攪拌發(fā)酵 罐是最廣泛應(yīng)用的深層好氣培養(yǎng)設(shè)備 。 n這種發(fā)酵罐既具有機械攪拌裝置，又具有壓縮空氣分布裝 置。發(fā)酵罐的攪拌軸既可置于發(fā)酵罐的頂部，也可置于其 底部。 n有關(guān)的重要因素是氧傳遞效率氧傳遞效率，功率輸入功率輸入、混合質(zhì)量混合質(zhì)量，攪攪

4、拌槳形式拌槳形式和發(fā)酵罐的幾何比例發(fā)酵罐的幾何比例等。 通用式機械攪拌發(fā)酵罐通用式機械攪拌發(fā)酵罐 n優(yōu)點：優(yōu)點：使用性好、適應(yīng)性強、易放大。 n缺點：缺點：罐內(nèi)的機械攪拌剪切力大，容易損傷細(xì)胞，造成 某些細(xì)胞培養(yǎng)過程的減產(chǎn)。 機械攪拌發(fā)酵罐基本條件機械攪拌發(fā)酵罐基本條件 （1）發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比。 （2）發(fā)酵罐能承受一定的壓力。 （3）要保證發(fā)酵液必需的溶解氧。 （4）發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。 （5）發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，滅菌能徹底，避免染菌。 （6）攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，減少泄漏。 通用型機械攪拌通用型機械攪拌發(fā)酵罐罐體的尺寸比例發(fā)酵罐罐體的尺寸比例 1.73.0 11 23 11

5、 812 0.81.0 13 L H D d D W D B D s d s B d H W D H 兩 攪 拌 槳 間 的 距 離 m 下 攪 拌 槳 距 底 部 的 間 距 m 攪 拌 器 直 徑 m 發(fā) 酵 罐 筒 身 高 度 m 擋 板 寬 度 m 發(fā) 酵 罐 內(nèi) 徑 m 罐 內(nèi) 液 位 高 度 m 發(fā)酵罐發(fā)酵罐 通用型機械攪拌通用型機械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) n1、罐體、罐體 n2、攪拌器和擋板、攪拌器和擋板 n3、消泡器、消泡器 n4、聯(lián)軸器及軸承、聯(lián)軸器及軸承 n5、變速裝置、變速裝置 n6、空氣分布裝置、空氣分布裝置 n 7、軸封、軸封 n8、控溫裝置、控溫裝置 n9、附

6、屬設(shè)施附屬設(shè)施 罐體罐體 n殼體：殼體：提供一個封閉的環(huán)境，防止雜菌污染。 n制造材料：制造材料：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成， 材料為碳鋼碳鋼或不銹鋼不銹鋼，對于大型發(fā)酵罐可用不銹鋼板 或復(fù)合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米。 n壓力要求：壓力要求：為了滿足工業(yè)要求，在一定壓力下操作、 空消或?qū)嵪?，發(fā)酵罐為一個受壓容器，通常滅菌的壓 力為2.5公斤/厘米2（絕對壓力）。 攪拌器攪拌器 n攪拌裝置攪拌裝置：多采用渦輪攪拌槳，一般在一根軸上安裝多個 攪拌槳，攪拌器使被攪拌的液體產(chǎn)生軸向流動和徑向流動。 n攪拌器種類攪拌器種類：平葉式平葉式、彎葉式彎葉式、箭葉式箭葉式 n作用：作用

7、：打碎氣泡，使氧溶解于醪液中，從攪拌程度來說，以 平葉渦輪最為激烈，功率消耗也最大，彎葉次之，箭葉最小。 消泡裝置消泡裝置 n機械消泡。機械消泡裝置主要有四種。 n一、鋸齒式消泡槳一、鋸齒式消泡槳：安裝于罐內(nèi)頂部、 高出液面的位置，固定在攪拌軸上，隨 攪拌軸轉(zhuǎn)動，不斷將泡沫打破。 n二、半封閉式渦輪消泡器二、半封閉式渦輪消泡器：是由前 者發(fā)展改進(jìn)而來，泡沫可直接被渦輪打 碎或被渦輪拋出撞擊到罐壁而破碎。 消泡裝置消泡裝置 n三、離心式消泡器三、離心式消泡器：置于發(fā)酵罐 的頂部，利用高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將泡 沫破碎，液體仍然返回罐內(nèi)。 n四、刮板式消泡器四、刮板式消泡器：安裝于發(fā)酵 罐的排氣口處

8、，泡沫從氣液進(jìn)口進(jìn)到高速 旋轉(zhuǎn)的刮板中，刮板轉(zhuǎn)速為10001450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于離心力作用， 液體披甩向殼體壁上，返回罐內(nèi)，氣體則 由汽孔排出。 擋擋 板板 n擋板作用：擋板作用：是改變液流的方向， 由徑向流改為軸向流，促使液體激 烈翻動，增加溶解氧。 n通常擋板寬度取（0.1-0.12）D， 裝設(shè)4-6塊即可滿足全擋板條件。 擋擋 板板 nD罐的直徑（mm） nZ擋板數(shù) nW擋板寬度（mm） 所謂“全擋板條件全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下，增加罐內(nèi)附件而軸功 率仍保持不變。要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求： 全擋板條件下的攪拌流型 擋擋 板板 n豎立的列管，排管，也可 以起擋板

9、作用，故一般具 有冷卻列管或排管的發(fā)酵 罐內(nèi)不另設(shè)擋板。但冷卻 管為盤管時，則應(yīng)設(shè)擋板。 n擋板與罐壁之間的距離為 （1/51/9）W，避免形成 死角，防止物料與菌體堆 積。 思考題思考題 n優(yōu)良發(fā)酵罐裝置要求是什么？優(yōu)良發(fā)酵罐裝置要求是什么？ n機械攪拌發(fā)酵罐基本條件？機械攪拌發(fā)酵罐基本條件？ 聯(lián)軸器及軸承聯(lián)軸器及軸承 n大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分 為二至三段，用聯(lián)軸器使上下 攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。 n常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形 兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法 蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng) 垂直，中心線對正。 n什么是剛性連接什么是剛性連接？ 聯(lián)軸器及軸承聯(lián)軸器及軸承 n為了減少震動，中型發(fā)酵罐

10、一般在罐 內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中 間軸承，底軸承和中間軸承的水平位 置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。 n罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應(yīng)采用液體 潤滑的塑料軸瓦（如聚四氟乙烯等）。 n軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4- 0.7%，以適應(yīng)溫度差的變化 變速裝置變速裝置 n發(fā)酵罐采用無級變速裝置，發(fā)酵 罐常用的變速裝置有三角皮帶三角皮帶， 圓柱圓柱或圓錐齒輪變速裝置圓錐齒輪變速裝置，其中 以三角皮帶變速傳動效率較高， 但加工，安裝精度要求高。 變速裝置變速裝置 n自動化程度較高的發(fā)酵罐，采用可控變頻裝置可控變頻裝置，根據(jù) 溶氧測定儀連續(xù)測定發(fā)酵液中溶解氧濃度的情況，并 按照微生物生長的耗氧情況及發(fā)酵情況，隨時

11、自動變 更轉(zhuǎn)速，這種裝置進(jìn)一步節(jié)約了動力消耗，并可相應(yīng) 提高發(fā)酵產(chǎn)率，但其裝置頗為復(fù)雜。 空氣分布裝置空氣分布裝置 n空氣分布裝置作用空氣分布裝置作用：吹入無菌空氣，并使空 氣均勻分布。 n分布裝置形式：分布裝置形式：空氣分布器有帶孔的平板、 帶孔的盤管或只用單孔管等。常用的為單管單管 式式，管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌 器下面，管口與罐底的距離約40mm，開口 往下，可盡量避免固體物料在管口堆積或在 罐底沉降。 n若距離過大，空氣分散效果較差，該距離可 根據(jù)溶氧情況適當(dāng)調(diào)整。 軸軸 封封 n軸封的作用：軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防 止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填

12、料函軸封填料函軸封和端面軸封端面軸封 兩種。 n安裝在旋轉(zhuǎn)軸與設(shè)備之間 的部件，它的作用是阻止工 作介質(zhì)（液體、氣體）沿轉(zhuǎn) 動軸伸出設(shè)備之處泄漏。 控溫裝置控溫裝置 n控溫部分：控溫部分：在發(fā)酵罐上裝有測溫的傳感 儀及冷卻和加熱用的夾套或盤管。 n5M3以下發(fā)酵罐一般采用夾套冷卻。大型 發(fā)酵罐采用列管冷卻（四至八組）。 n夾套內(nèi)設(shè)置螺旋片導(dǎo)板，來增加換熱效 果，同時對罐身起加強作用。冷卻列管 極易腐蝕或磨損穿孔，最好用不銹鋼制 造。 n進(jìn)出料口：進(jìn)出料口：主要為進(jìn)料和出料用，同時還有補料 口等。 n測量系統(tǒng)：測量系統(tǒng)：傳感系統(tǒng)，用以測量pH、溶氧等，傳 感器要求能承受滅菌溫度及保持長時間穩(wěn)定。

13、 n附屬系統(tǒng)：附屬系統(tǒng)：視鏡。 發(fā)酵罐裝料容積發(fā)酵罐裝料容積 n發(fā)酵罐裝料容積：發(fā)酵罐裝料容積： n在一般情況下，裝料高度取決于罐圓柱部分高度， 但須根據(jù)具體情況而定。采用有效的機械消泡裝 置，可以提高罐的裝料量。 第三節(jié)發(fā)酵罐類型第三節(jié)發(fā)酵罐類型 通用式機械攪拌發(fā)酵罐通用式機械攪拌發(fā)酵罐 n1、罐體罐體 n2、攪拌器和擋板攪拌器和擋板 n3、消泡器消泡器 n4、聯(lián)軸器及軸承聯(lián)軸器及軸承 n5、變速裝置變速裝置 n6、空氣分布裝置空氣分布裝置 n 7、軸封軸封 n8、控溫裝置控溫裝置 n9、附屬設(shè)施附屬設(shè)施 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 分類：分類： 回轉(zhuǎn)翼片式自吸攪拌器； 噴射式自吸攪拌器； 具

14、有轉(zhuǎn)子和定子的自吸攪拌器。 優(yōu)點：優(yōu)點：不需要壓縮機提供壓縮空氣，節(jié)省 設(shè)備費。 缺點缺點：進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，增加染菌機會， 且攪拌轉(zhuǎn)速很高，有可能使菌絲被切 斷，使正常生長受到影響。 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 n具有轉(zhuǎn)子和定子攪拌器的吸氣原理：具有轉(zhuǎn)子和定子攪拌器的吸氣原理： 浸在發(fā)酵液中的轉(zhuǎn)子迅速旋轉(zhuǎn)，液體 和空氣在離心力離心力的作用下，被甩向葉輪 外緣。這時，轉(zhuǎn)子中心處形成負(fù)壓轉(zhuǎn)子中心處形成負(fù)壓，轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)速愈大，所造成的負(fù)壓也愈大。由 于轉(zhuǎn)子的空膛與大氣相通，發(fā)酵罐外的 空氣通過過濾器不斷地被吸入，隨即甩 向葉輪外緣，再通過導(dǎo)向葉輪使氣液均 勻分布甩出。轉(zhuǎn)子的攪拌，又使氣液在 葉輪周圍形

15、成強烈的混合流，空氣泡被 粉碎，氣液充分混合。 四彎葉自吸式葉輪轉(zhuǎn)子模型 定子模型 四彎葉自吸式葉輪轉(zhuǎn)子和定子 結(jié)構(gòu) 六直葉自吸式葉輪轉(zhuǎn)子模型 塔式發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐 n塔式發(fā)酵罐：塔式發(fā)酵罐： 直立長圓筒，筒內(nèi)安裝孔板，有的還在罐內(nèi)安 裝攪拌器，罐壁四周裝擋板。與分批的機械攪拌 發(fā)酵罐類似，有的塔頂橫截面擴(kuò)大，可以降低流 速并截留液體夾帶的懸浮物。發(fā)酵液和空氣可以 并流，也可逆流。 n 罐的特點：罐的特點： 罐身高，高徑比為6；土霉素等生產(chǎn)用的設(shè)備， 高徑比達(dá)到7。由于液位高，空氣利用率高，節(jié) 省空氣約5%，節(jié)省動力約30%，但底部存在沉淀 現(xiàn)象。 氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐 n氣升式發(fā)酵罐：氣升式發(fā)酵罐：稱為氣流攪拌發(fā)酵罐， 不用機械攪拌，借通風(fēng)起到攪拌作用 并