第9章__發(fā)酵罐放大與設(shè)計

1、第九章第九章 發(fā)酵罐放大與設(shè)計發(fā)酵罐放大與設(shè)計 2 發(fā)酵罐發(fā)酵罐 3 發(fā)酵罐放大 與設(shè)計 發(fā)酵罐設(shè)計與放大 二二 發(fā)酵罐類型與結(jié)構(gòu) 一一發(fā)酵罐的類型 發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 四四 三三發(fā)酵罐的設(shè)計 發(fā)酵罐的放大 4 v了解發(fā)酵罐的類型了解發(fā)酵罐的類型 v 掌握通用式發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)掌握通用式發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu) v了解發(fā)酵罐設(shè)計的基本原則和要求了解發(fā)酵罐設(shè)計的基本原則和要求 v了解發(fā)酵罐放大設(shè)計的方法了解發(fā)酵罐放大設(shè)計的方法 5 發(fā)酵罐的基本概念 v發(fā)酵設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè) 的心臟，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。的心臟，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。 v廣

2、義的發(fā)酵罐廣義的發(fā)酵罐是指為一個特定生物化學過程的操作是指為一個特定生物化學過程的操作 提供良好而滿意的環(huán)境的容器。提供良好而滿意的環(huán)境的容器。工業(yè)發(fā)酵中一般指工業(yè)發(fā)酵中一般指 進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備進行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備。 6 一、發(fā)酵罐的類型 v好氧發(fā)酵罐好氧發(fā)酵罐 (通風發(fā)酵罐通風發(fā)酵罐) 抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸，維生素等抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸，維生素等 需要強烈的通風攪拌需要強烈的通風攪拌提高氧傳質(zhì)系數(shù)提高氧傳質(zhì)系數(shù)KLa v厭氧發(fā)酵罐厭氧發(fā)酵罐 (嫌氣發(fā)酵罐嫌氣發(fā)酵罐) 丙酮丁醇、丙酮丁醇、酒精、啤酒酒精、啤酒、乳酸等、乳酸等 不需要通氣不需要通氣 1、按微生物代謝類

3、型分類、按微生物代謝類型分類 7 一、發(fā)酵罐的類型 2、按供氧方式分類、按供氧方式分類 機械攪拌 非機械攪拌 （通用式發(fā)酵罐） 機械攪拌自吸式發(fā)酵罐 氣升式發(fā)酵罐 塔式發(fā)酵罐 噴射自吸式發(fā)酵罐 伍式發(fā)酵罐通風 發(fā)酵罐 機械攪拌通風發(fā)酵罐 8 一、發(fā)酵罐的類型 3、新型發(fā)酵罐、新型發(fā)酵罐 v膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器 近年來生物工程領(lǐng)域的研究熱點近年來生物工程領(lǐng)域的研究熱點 反應(yīng)反應(yīng) 和和 分離的耦合分離的耦合 使產(chǎn)物及時移去，降低產(chǎn)物的反饋抑制作用使產(chǎn)物及時移去，降低產(chǎn)物的反饋抑制作用 9 9 q室驗室用發(fā)酵罐 1 L-50L q中試用發(fā)酵罐 50L-5000L 發(fā)酵罐大小的大致概念 10 v

4、抗生素發(fā)酵罐的容積以80200 米3 為主 v 氨基酸、檸檬酸的發(fā)酵罐較普遍使用150300 米3 v珠海益力味精集團有限公司630 米3機械攪拌發(fā)酵罐， 是世界上最大的通用式發(fā)酵罐之一。 v越來越多的啤酒生產(chǎn)廠家采用 400m3 和600m3 大罐, 甚至 800m3 大罐。 v新建的酒精生產(chǎn)企業(yè)，其發(fā)酵罐單罐容積一般在1000- 2000米3之間 q生產(chǎn)用發(fā)酵罐： 5000 L 11 發(fā)酵罐放大 與設(shè)計 發(fā)酵罐設(shè)計與放大 二二 發(fā)酵罐類型與結(jié)構(gòu) 一一發(fā)酵罐的類型 發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 四四 三三發(fā)酵罐的設(shè)計 發(fā)酵罐的放大 12 二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 1. 通用式發(fā)酵罐 v 利用機械攪拌器的作用，使無菌

5、空氣和發(fā)酵液充分混利用機械攪拌器的作用，使無菌空氣和發(fā)酵液充分混 合，促進氧溶解，以保證微生物的生長繁殖所需要的合，促進氧溶解，以保證微生物的生長繁殖所需要的 氧氣。氧氣。 v約占發(fā)酵罐總數(shù)的約占發(fā)酵罐總數(shù)的7080%，所以也稱，所以也稱標準式標準式或或通用通用 式式發(fā)酵罐。發(fā)酵罐。 機械攪拌通風發(fā)酵罐 13 通用式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 罐體 軸封 消泡器 攪拌器 聯(lián)軸器 軸承 擋板 空氣分布管 換熱裝置 人孔、管路、測量儀表等 14 通用式發(fā)酵罐的主要部件通用式發(fā)酵罐的主要部件 (1) (1) 罐體罐體 (2) (2) 攪拌器攪拌器 (3) (3) 擋板擋板 (4)(4) 軸封軸封 (5) (5)

6、消泡器消泡器 (6) (6) 空氣分布管空氣分布管 (7)(7)聯(lián)軸器聯(lián)軸器 (8)(8)軸承軸承 (9)(9)變速裝置變速裝置 (10)(10)換熱裝置換熱裝置 (11)(11)人孔人孔 (12)(12)管路管路 (13)(13)測量儀表測量儀表 二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 1. 通用式發(fā)酵罐 15 (1)罐體 v罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封 頭焊接而成。 v小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭 連接 v材料一般為不銹鋼。 16 橢圓封頭橢圓封頭 筒體筒體 冷卻蛇管冷卻蛇管 17 18 （1）罐體 v為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設(shè)有清洗用的手 孔。中大型發(fā)酵罐則裝設(shè)有維修或清洗的人孔。 v 罐頂還裝有視鏡。 v

7、在罐頂上的接管有：進料管、補料管、排氣管、 接種管和壓力表接管。 19 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 20 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖 21 （1）罐體 v在罐身上的接管有冷 卻水進出管、進空氣 管、取樣管、溫度計 管和測控儀表接口。 22 (1) 罐體的尺寸比例 v H：筒身高度 v HL：液位高度 v D：罐徑 v d: 攪拌器直徑 v s: 兩攪拌器間距 v B：下攪拌器距底 部間距 23 (1) 罐體的尺寸比例 v H/D=1.73 v HL/D=22.5 v d/D=1/31/2 v W/D=1/121/8 v B/D=0.81.0 v (s/d)2=1.52.5 v (s/d)3=12 以罐體直徑以罐體

8、直徑D、攪拌器直徑、攪拌器直徑d為基準為基準 24 v發(fā)酵罐最重要的幾何比例是發(fā)酵罐最重要的幾何比例是D /Dt， ，H/Dt， Ds/Di， Db/Dt，(Di為攪拌漿直徑，為攪拌漿直徑，Dt為罐體為罐體 直徑，直徑， H 為罐體高度，為罐體高度，Ds為攪拌漿到罐底的為攪拌漿到罐底的 距離，距離， Db為擋板的寬度為擋板的寬度)；還有攪拌漿的葉；還有攪拌漿的葉 輪直徑和各部分的比例。輪直徑和各部分的比例。 25 (2) 攪拌器 v 攪拌器的作用攪拌器的作用 使通入的空氣分散成小氣泡，使通入的空氣分散成小氣泡， 增加氣液接觸，促進氧溶解于增加氣液接觸，促進氧溶解于 發(fā)酵液中。發(fā)酵液中。 26

9、(2) 攪拌器 v 攪拌器的類型攪拌器的類型 徑向式（渦輪式）徑向式（渦輪式） 軸向式軸向式 平葉式、彎葉式和箭葉式平葉式、彎葉式和箭葉式 螺旋槳式、漿葉式螺旋槳式、漿葉式 類類 型型 軸向軸向 徑向徑向 27 軸向式攪拌器 螺旋槳式 槳葉式 28 六平葉攪拌器六箭葉攪拌器六彎葉攪拌器 徑向式(渦輪式)攪拌器 n渦輪攪拌器要安一個圓盤？ q為了避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿 軸上升 29 30 在相同的攪拌功率在相同的攪拌功率PG下下， 粉碎氣泡粉碎氣泡能力：平能力：平彎彎箭箭 翻動流體翻動流體能力：箭能力：箭彎彎平平 v工廠多采用在同一攪拌軸上安裝不同葉形的工廠多采用在同一攪拌軸上安裝

10、不同葉形的 攪拌器攪拌器 上層：以混合為主的軸流型或箭葉攪拌器 下層：以粉碎氣泡為主的平葉渦輪攪拌器。 31 (3) 擋板 擋板擋板 空氣分布器空氣分布器 擋板擋板 32 v擋板的作用：擋板的作用： 改變液流的方向，由徑向流改變液流的方向，由徑向流軸向流，促使液軸向流，促使液 體激烈翻動，體激烈翻動，增加溶解氧增加溶解氧。 防止防止攪拌過程中攪拌過程中漩渦漩渦的產(chǎn)生，而導(dǎo)致攪拌器露的產(chǎn)生，而導(dǎo)致攪拌器露 在料液以上，起不到攪拌作用。在料液以上，起不到攪拌作用。 無擋板的攪拌器形成的流型無擋板的攪拌器形成的流型 有擋板的攪拌器形成的流型有擋板的攪拌器形成的流型 33 v擋板的寬度： W/D=1/

11、121/8(取0.1) v全檔板條件：指在一定的攪拌轉(zhuǎn)速下，在攪拌罐中增 加檔板或其它附件時，攪拌功率不再增加，而旋渦基 本消失。一般要滿足下式： （W/D）Z =0.4 Z檔板數(shù) 一般裝四塊擋板 34 發(fā)酵罐內(nèi)的列管、排 管或蛇管也可起相應(yīng) 的擋板作用。 35 v一般具有冷卻列管或排管的發(fā)酵罐內(nèi)不另 設(shè)擋板。 v擋板的長度自液面起到罐底為止。 v擋板與罐壁之間的距離為（0.20.4）W， 避免形成死角，防止物料與菌體堆積。 36 (4) 軸封 v作用：使罐頂或罐底與 軸之間的縫隙加以密封， 防止泄露和污染雜菌。 v形式： 填料函軸封 端面軸封(機械軸封) 37 v填料函軸封是由填料箱體、填料

12、底襯套、填料壓 蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達到密封的 效果。 38 n填料函式軸封的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。填料函式軸封的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。 n用于發(fā)酵罐，它的缺點是：用于發(fā)酵罐，它的缺點是： q死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌； q軸的磨損情況較嚴重；軸的磨損情況較嚴重； q填料壓緊后摩擦功率消耗大；填料壓緊后摩擦功率消耗大； q壽命短，經(jīng)常維修，耗工時多。壽命短，經(jīng)常維修，耗工時多。 n故在發(fā)酵罐上，多數(shù)不用故在發(fā)酵罐上，多數(shù)不用 39 機械軸封機械軸封 n又稱端面軸封 v組成組成 1 1）動環(huán)和靜環(huán)動環(huán)和靜環(huán) 2 2）彈性元件彈性元件 3 3）輔助密

13、封元件輔助密封元件 “ “O”O(jiān)”形環(huán)和平橡膠墊片形環(huán)和平橡膠墊片 40 n動環(huán)固定在軸上，隨軸一 起轉(zhuǎn)動。 n靜環(huán)裝在殼體上。 n動環(huán)依靠彈簧的壓力與靜 環(huán)緊密接觸 n通過相對運動，兩個環(huán)的 端面互相密切貼合而達密 封目的。 n輔助密封圈防止液體從動環(huán) 與軸之間泄漏 41 (5) 消泡器 化學消泡：植物油脂，動物油脂，高分子化合物?；瘜W消泡：植物油脂，動物油脂，高分子化合物。 機械消泡裝置機械消泡裝置：耙式消泡器，渦輪消泡器耙式消泡器，渦輪消泡器；旋風離心式和旋風離心式和 葉輪式離心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器葉輪式離心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。等。 旋風離心式旋風離心式

14、葉輪離心式葉輪離心式 耙式消泡器耙式消泡器 罐內(nèi)消泡罐內(nèi)消泡罐外消泡罐外消泡罐外消泡罐外消泡 42 耙式消耙式消 泡器泡器 旋風式旋風式 消泡器消泡器 略高于液面，長度略高于液面，長度 約為約為0.80.9D 43 安裝在罐外的安裝在罐外的消泡裝置消泡裝置接于罐的排氣口接于罐的排氣口 旋風式消泡器 n其工作原理與 旋風分離器相 同。 n右圖為改進的 旋風式消泡器， 它可以和消泡 劑盒配合使用， 并根據(jù)發(fā)酵罐 內(nèi)的泡沫情況 自動添加消泡 劑。 44 (6) 空氣分布器 v 作用作用：吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。：吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。 v 形式形式：單管；環(huán)形管單管；環(huán)形管 v 空

15、氣由分布管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣空氣由分布管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣 泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。 45 v 單管：常用，簡單實用， 單次通入量大 通風管通風管 v 單管式管口對正罐底中央，裝于最低 一擋攪拌器下面，噴口朝下噴口朝下，管口與 罐低的距離約40mm。 v為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊 罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布 器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補強。 可延長罐底壽命，叫補強板。 46 v 環(huán)形管：屬于多孔管式?？諝夥植季鶆?，效果 不如單管式，且噴氣孔容易被堵塞?，F(xiàn)很少采用。 47 (7) 聯(lián)軸器 v 大型發(fā)酵

16、罐攪拌軸較長，常 分為二至三段加工，再用聯(lián)軸 器組成牢固的剛性聯(lián)接。 v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。 法蘭 聯(lián)軸器 48 聯(lián)軸器示意圖聯(lián)軸器示意圖 49 50 51 (8) 軸承 v中型發(fā)酵罐裝有底軸承，大型發(fā)酵罐裝有中 間軸承。 中間軸承 底軸承 52 n作用：對軸固定，防止擺動，同時又不影響 轉(zhuǎn)動 53 (9) 變速裝置 需要變速的原因： 電機的轉(zhuǎn)速大于攪拌器所需轉(zhuǎn)速。 v電機分四級，轉(zhuǎn)速分別約為： 800、1000、1400、1600 rpm； v而攪拌轉(zhuǎn)速則一般為90-110 rpm。 v發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動。 54 (9) 變速裝

17、置 三角皮帶三角皮帶 55 (10) 傳熱裝置 發(fā)酵罐的冷卻,主要是考慮： v微生物發(fā)酵過程的發(fā)酵熱 v機械攪拌消耗的功率移送給培養(yǎng)基的熱量 v此外還要考慮,發(fā)酵罐空消、實消后的冷卻 時間。 56 57 v夾套夾套：在小型罐中往往應(yīng)用 夾套換熱裝置，優(yōu)點是結(jié)構(gòu) 簡單，加工方便，易清洗。 換熱系數(shù)較低，故只用于5m3以 下的小罐。夾套的換熱系數(shù)在 400600kJ(m2h)之間。 58 v立式蛇管：在罐內(nèi)設(shè)4組或8組蛇管。其優(yōu)點為：管 內(nèi)水的流速大，傳熱系數(shù)高，在12004000kJ (m2h)之間。 v可兼起檔板的作用。 v缺點：罐內(nèi)立式蛇管體積約占發(fā)酵罐的1.5 %容積， 蛇管一旦發(fā)生泄漏，

18、將造成整個罐批的發(fā)酵液染菌， 且罐內(nèi)蛇管也給罐體清洗帶來了不便。 59 v近來新型發(fā)酵罐的 冷卻面移至罐外,采 用半圓形外蛇管 v優(yōu)點 罐體容易清洗 增強罐體強度,因而 可大大降低罐體壁 厚,使整個發(fā)酵罐造 價降低 提高了發(fā)酵罐的容 積,增大放罐體積 60 (11) 人孔 v人孔：中大型發(fā)酵罐頂裝設(shè)有人孔，用于 發(fā)酵罐的維修或清洗。 61 (12) 發(fā)酵罐的管路、接口 n罐體上的通道口一般有： 進料口放料口放料口接種口取樣口取樣口 消泡劑口補料口進氣口進氣口排氣口 發(fā)酵罐的工作周期 n空消實消降溫、通氣接種、補料、取 樣放料清洗 進料管路有時配在罐體上封頭,有時位于罐體下部與 放料管路共用一個管口 有時取樣、放料、接種使用一個口 62 (13) 測量儀表 v發(fā)酵罐檢測參數(shù)有: pH 值、溫度、溶氧值、 攪拌速度、罐內(nèi)壓力、空氣流量、泡沫度 等 v這些檢測元件必須能滿足蒸汽滅菌和不能 對發(fā)酵液產(chǎn)生污染 v儀表的測量點的位置應(yīng)根據(jù)罐內(nèi)發(fā)酵液的 流型進行合理的布點 63 通用式發(fā)酵罐