發(fā)酵工程設備培訓課程

1、 種子制備設備 主發(fā)酵設備 輔助設備 發(fā)酵液預處理設備 產品提取和精制設備 廢物回收處理設備 其中主發(fā)酵設備是發(fā)酵工業(yè)的核心設備，而發(fā)酵罐又是主發(fā)酵設備的心臟。第7章 發(fā)酵工程設備 通風發(fā)酵罐發(fā)酵罐是否通氣 嫌氣發(fā)酵罐 7.1 通風發(fā)酵罐及結構通風發(fā)酵罐又稱好氣性發(fā)酵罐，如谷氨酸、檸檬酸、酶制劑、抗生素、酵母等發(fā)酵用的發(fā)酵罐。好氣性發(fā)酵需要將空氣不斷通入發(fā)酵液中，以供微生物所消耗的氧。通入的空氣分散程度越高，發(fā)酵液中氧的溶解也就越快。 常用的通風發(fā)酵罐的類型 機械攪拌通風發(fā)酵罐 通用式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐伍式發(fā)酵罐文氏管發(fā)酵罐7.1.1 機械攪拌通風發(fā)酵罐 機械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常

2、用類型之一。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。1、機械攪拌發(fā)酵罐的基本要求發(fā)酵罐應具有適宜的高徑比。發(fā)酵罐能承受一定壓力。發(fā)酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必須的溶解氧。發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積。發(fā)酵罐內應盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌。攪拌器的軸封應嚴密，盡量減少泄漏。2、機械攪拌發(fā)酵罐的結構 好氣性機械攪拌發(fā)酵罐是密封式受壓設備，主要部件包括： 罐體（身) 攪拌器 擋板 消泡器 聯(lián)軸器 中間軸承 軸封 空氣分布管 換熱裝置（1）罐體罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成 ，材

3、料一般為不銹鋼，大型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用焊接，小型發(fā)酵罐采用法蘭連接。法蘭為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝沒有快開入孔及清洗用的快開手孔。罐頂還裝有視鏡及燈鏡。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。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。 原則上講，罐體上的管路越少越好，能合并的盡量合并。（2）攪拌器攪拌器的作用是打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)酵液中。 攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（渦輪式）兩種。軸向式攪拌器徑向式（渦輪式）攪拌器平直葉 彎葉 箭葉 斜葉六葉式四葉式三葉式六斜葉式六彎

4、葉式六直葉式推進式開啟渦輪式推進式開啟渦輪式異形葉圓盤渦輪式半圓弧圓盤渦輪式箭葉圓盤渦輪式折葉槳式C型E型S型橢圓底框式錨式花板孔槳式框錨式直錐底框式螺帶螺桿式錐底螺帶螺桿式螺帶螺桿式 為了裝拆方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體通用式機械攪拌發(fā)酵罐中的平直葉渦輪攪拌器為什么要安一個圓盤呢？通用式機械攪拌發(fā)酵罐中的平直葉渦輪攪拌器如果沒有圓盤，從攪拌器下方空氣管進入的無菌空氣氣泡就會沿著軸部的葉片空隙上升，不能被攪拌葉片打碎，致使氣泡的總表面積減少，溶氧系數(shù)降低；同時氣泡大，上升速度快，走短路，傳質效果差。而安一個圓盤，大的氣泡受到圓盤的阻礙，只能從圓盤中央流至其邊緣，從而被圓盤周邊的

5、攪拌漿葉打碎、分散，提高了溶氧系數(shù)。 （3 ）擋板擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動，增加溶解氧。通常，擋板寬度取(0.10.2)D，裝設64塊即可滿足全擋板條件全擋板條件：是指在一定轉數(shù)下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變，但漩渦消失。要達到全擋板條件必須滿足下式要求： 消泡器（4）消泡器的作用是將泡沫打破。消泡器常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式?？装迨降目讖郊s1020毫米。消泡器的長度約為罐徑的065倍。 （5） 聯(lián)軸器大型發(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。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應垂直，中心線對正。常

6、用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。 （6）軸承為了減少震動，中型發(fā)酵罐般在罐內裝有底軸承，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能適當調節(jié)。罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯等)。 （7）軸封 軸封的作用是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料函和端面軸封兩種。填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。端面式軸封又稱機械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉動而達到密封。 端面軸封填料函填料函軸封 端面軸封

7、填料函式軸封的優(yōu)點是結構簡單。主要缺點是：死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；軸的磨損情況較嚴重；填料壓緊后摩擦功率消耗大；壽命短，經(jīng)常維修，耗工時多。端面式軸封的優(yōu)點：清潔；密封可靠；無死角，可以防止雜菌污染；使用壽命長；摩擦功率耗損??；軸或軸套不受磨損； 它對軸的精度和光潔度沒有填料密封要求那么嚴格，對軸的震動敏感性小。端面式軸封的缺點：結構比填料密封復雜，裝拆不便；對動環(huán)及靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。 （8）空氣分散裝置 也稱為空氣分布器，有單管式和環(huán)形管式。單管式結構簡單又實用，管口正對罐底中央，與罐底距離約為40mm，為防空氣沖擊，在罐底中央襯上不銹鋼園板，可延長罐底壽命。 環(huán)

8、形管式由于噴孔直徑為25mm，易堵，現(xiàn)很少使用。 （9） 變速裝置 試驗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傳動，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動較為簡便。 （ 10）發(fā)酵罐的換熱裝置 夾套式換熱裝置這種裝置多應用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐；夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進行冷卻面積的設計。優(yōu)點是：結構簡單；加工容易，罐內無冷卻設備，死角少，容易進行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。缺點是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時降溫效果差， 豎式蛇管換熱裝置 豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內，有四組、六組或八組不等，根據(jù)管的直徑大小而定，容積5米3以上的發(fā)酵罐多用這種換熱

9、裝置。優(yōu)點：冷卻水在管內的流速大；傳熱系數(shù)高。 適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的 用量較少。 但氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，發(fā)酵時降溫困難，發(fā)酵溫度經(jīng)常超過40C，影響發(fā)酵產率，因此應采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，這樣就增加了設備投資及生產成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。 豎式列管(排管)換熱裝置 這種裝置是以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內。其優(yōu)點是：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。這種裝置的缺點是：傳熱系數(shù)較蛇管低， 用水量較大。 1.法蘭 2.進出口節(jié)管 3.殼體 4.列管 5.封頭 6.進出口管7.1.2 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自動吸入

10、空氣的發(fā)酵罐。這種設備的耗電量小，能保證發(fā)酵所需的空氣，并能使氣液分離細小，均勻地接觸，吸入空氣中7080%的氧被利用。自吸式發(fā)酵罐生產葡萄糖酸鈣、力復霉素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成績。 1、自吸式發(fā)酵罐的結構罐體自吸攪拌器及導輪軸封換熱裝置消泡器 2、自吸式發(fā)酵罐的吸氣原理自吸式發(fā)酵罐的主要的構件是自吸攪拌器及導輪，簡稱為轉子及定子。轉子由箱底向上升入的主軸帶動，當轉子轉動時空氣則由導氣管吸入。在轉子啟動前，發(fā)酵罐內的液體將轉子浸沒，然后啟動馬達使轉子轉動，由于轉子高速旋轉，液體和空氣在離心力的作用下，被甩向葉輪邊緣，在轉子中心處形成負壓，在大氣壓的作用下，凈化的空氣就被吸

11、入，通過定子控制，能使氣液被均勻甩出。轉子的形式有九葉輪、六葉輪、三葉輪、十字形葉輪等，葉輪均為空心形。7.1.3 氣升式發(fā)酵罐 1、氣升式發(fā)酵罐的結構及原理分為內循環(huán)和外 循環(huán)兩種。其主 要結構包括：罐體上升管空氣噴嘴工作原理： 把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液密度大則下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質。7.1.4 伍式發(fā)酵罐 1、結構伍式發(fā)酵罐的主要部件是套筒、攪拌器。 2、原理攪拌時液體沿著套筒外向上升至液面，然后由套筒內返回罐底，攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上，

12、兼作空氣分配器?？諝庥煽招妮S導入經(jīng)過攪拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相混合，發(fā)酵液在套筒外側上升，由套筒內部下降，形成循環(huán)。設備的缺點是結構復雜，清洗套筒較困難，消耗功率較高。7.1.5 文氏管發(fā)酵罐其原理是用泵將發(fā)酵液壓入文氏管中，由于文氏管的收縮段中液體的流速增加，形成真空將空氣吸入，并使氣泡分散與液體混合，增加發(fā)酵液中的溶解氧。這種設備的優(yōu)點是：吸氧的效率高，氣、液、 固三相均勻混合，設備簡單，無須空氣壓縮機及攪拌器，動力消耗省。這種設備的缺點是氣體吸入量與液體循環(huán)量之比較低，對于好氧量較大的微生物發(fā)酵不適宜。發(fā)酵罐的尺寸要滿足適當?shù)谋壤?，其高度與直徑之比一般為1.74倍左右。通

13、常發(fā)酵罐帶兩組攪拌器，其間距約為攪拌器直徑的三倍，對于大型發(fā)酵罐以及液體深度較高的，可安裝三組或三組以上的攪拌器。最下面一組攪拌器通常與風管出口較接近為好，與罐底的距離C一般等于攪拌器直徑Di ，但也不宜過小，否則會影響液體的循環(huán)。最常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖7.2 通風發(fā)酵罐的設計與放大7.2.1 通用式發(fā)酵罐的尺寸比例 S D 3Di H0 2D (H0/D 1.74) B 0.1D CDi h hahb ha 1/4D （標準封頭）7.2.2 通用式發(fā)酵罐設計一、基本原則適宜的高徑比；承壓水壓試驗壓力工作壓力的1.5倍；攪拌通氣能夠滿足生長代謝的需要；良好的冷卻和加熱系統(tǒng)；拋光，減

14、少死角，防止雜菌污染；軸封嚴密；傳遞效率高，能耗低；機械消泡裝置，放料、清洗、維修簡單；便于安裝傳感器和控制裝置。二、機械攪拌發(fā)酵罐的設計 機械攪拌發(fā)酵罐主要由攪拌裝置、軸封和罐 體三部分組成。三個組成部分各起如下的作用:攪拌裝置：由傳動裝置、攪拌軸、攪拌器組成 ,由電動機和皮帶傳動驅動攪拌軸使攪拌器按照一定的轉速旋轉 ,以實現(xiàn)攪拌的目的。軸封：為攪拌罐和攪拌軸之間的動密封 ,以封住罐內的流體不致泄漏。罐體：罐體、加熱裝置及附件。它是盛放反應物料和提供傳熱量的部件。 1、設計內容和步驟： （1）設備本體的設計： 罐體的設計筒體的設計、計算封頭的設計、計算罐體壓力試驗時應力校核及容積驗算附件的設

15、計選取：接管尺寸的選擇法蘭的選取開孔及開孔補強人孔及其它傳熱部件的計算擋板、中間支承、扶梯的選取攪拌裝置的設計：傳動裝置的設計、攪拌軸的設計、聯(lián)軸器的選取、軸承的選取及其軸承壽命的核算、密封裝置的選取、攪拌器的設計、攪拌軸的臨界轉速。設備的強度及穩(wěn)定性檢驗設備承受各種載荷的計算設備重量載荷的計算設備地震彎矩的計算偏心載荷的計算塔體強度及穩(wěn)定性檢驗裙座的強度計算及校核裙座計算基礎環(huán)的計算地腳螺栓計算裙座與筒體對接焊縫驗算2、發(fā)酵罐的結構計算（1）罐容積的計算根據(jù)生產規(guī)模和發(fā)酵水平計算每日所需發(fā)酵液的量，再根據(jù)這一數(shù)據(jù)確定發(fā)酵罐的容積。 例如，一年產5萬檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產酸水平平均為14%，提

16、取總收率90%，年生產日期為300天，發(fā)酵周期為96小時。每日的產量=50000/300=166.7 噸每日所需發(fā)酵液的量=166.7/（0.140.9） =1322.8 米3假定發(fā)酵罐的裝液系數(shù)為85%則每日所需發(fā)酵罐容積=1322.8/0.85=1556米3取發(fā)酵罐的公稱容積為250米3則每日需要6個發(fā)酵罐發(fā)酵周期為4天，考慮放罐洗罐等輔助時間，整個周期為5天。則所需發(fā)酵罐的總數(shù)=56+1=31 個（2）結構尺寸的計算 發(fā)酵罐圓柱體直徑的計算 根據(jù)已確定的發(fā)酵罐公稱容積，可由下式計算發(fā)酵罐圓柱體的直徑。 封頭的容積的計算橢圓形封頭的容積可查手冊或按下式計算： 罐的全容積 發(fā)酵罐總高度 液柱

17、高度： 裝料容積 發(fā)酵罐的容積裝料系數(shù)3、附屬結構的計算 擋板數(shù)量和尺寸計算攪拌器的設計計算 首先根據(jù)生產菌種和發(fā)酵類型選定攪拌器的類型，再從已計算出的發(fā)酵罐的直徑計算攪拌器相應的結構尺寸。4、冷卻面積的計算 發(fā)酵過程的熱量計算 通常以一年中最熱的半個月中每小時放出的熱量作為設計冷卻面積的根據(jù)。 發(fā)酵過程中放出熱量的計算方法有：通過冷卻水帶走的熱量進行計算；通過發(fā)酵液的溫度升高進行計算；通過生物合成熱進行計算；通過燃燒熱進行計算 通過冷卻水帶走的熱量進行計算 根據(jù)工藝設計的要求，選定同類型的發(fā)酵罐，于氣溫最熱的季節(jié)，選擇主發(fā)酵期產生熱量最快最大的時刻，測定冷卻水進口的水溫及出口的水溫，并測定此

18、時每小時冷卻水的用量，按下式計算單位體積發(fā)酵液每小時傳給冷卻器的最大熱量。 冷卻面積的計算 根據(jù)經(jīng)驗： 蛇管的K值為4.186(300450)千焦米3小時C，如管壁較薄，對冷卻水進行強制循環(huán)時， 根據(jù)查定，及值約為4.186(8001000)千焦米3 小時 C。7.2.3 發(fā)酵罐放大設計一、放大的目的微生物產品產業(yè)化研究分三個階段，即：實驗室小試階段中間試驗工廠化生產實驗室主要是菌種選育及發(fā)酵條件優(yōu)化；中試規(guī)模主要是確定放大規(guī)律及最佳操作條件通過產業(yè)化實驗，評價經(jīng)濟效益。發(fā)酵罐放大設計不是按比例機械的放大，而是要遵守“發(fā)酵單位相似”原則，即發(fā)酵生產水平或經(jīng)濟效益相似。就必須認真考慮不同規(guī)模的放

19、大設備其外部條件相似。 因為發(fā)酵罐設計在放大過程中，它的傳質、傳熱能力、混合能力、功率消耗、剪切力等隨著發(fā)酵罐的放大，會發(fā)生明顯的變化（即隨著體積和結構的比例放大，它們也隨著變化，但不是直線相關，而是非直線關系），所以必須進行科學設計，遵循一定的放大準則，才能使放大后的設備滿足工藝放大的要求。二、放大方法經(jīng)驗放大法：a.幾何相似法，即在幾何相似的情況下，按照一個準則進行放大設計。如KLa相等、單位體積功率（P/V）相等、末段剪切力（nd）相等。b.非幾何相似法，即在犧牲幾何相似的情況下，采用兩甚至多個準則進行放大設計。量綱分析法：時間常數(shù)法：幾何相似放大法：.幾何尺寸放大放大倍數(shù)m=V2/V1

20、因為幾何相似那么 H1/D1=H2/D2 則： 在進行幾何放大的計算后，其他參數(shù)如d、B、S、W就可以根據(jù)H、D值來計算從而確定生產罐的幾何尺寸。 幾何尺寸確定后，就要確定放大后的操作參數(shù)：即空氣流量相等的放大原則和攪拌轉速相等的放大原則。2、空氣流量相等準則放大 發(fā)酵過程中空氣流量一般有兩種表示方法。表示一：VVM通入空氣量（以標準狀態(tài)計）單位培養(yǎng)液體積，單位時間m3/(m3min)Q0VL表示二： Ws通入空氣量（操作狀態(tài)下）單位罐截面積，單位時間m3/(m2h)Ws(空氣直線速度)兩種表示關系換算如下：空氣流量的放大又有三類準則可選：a. 以單位培養(yǎng)液體積中空氣流量相同的原則， 即VVM

21、一定；b. 以空氣直線速度相同原則，即Ws一定 ；c. 以KLa相等的原則。7.3 嫌氣發(fā)酵罐 7.3.1 酒精發(fā)酵罐 7.3.2 新型啤酒發(fā)酵罐 7.3.1 酒精發(fā)酵設備 一、酒精發(fā)酵設備的基本要求 1、滿足酒精發(fā)酵的工藝要求； 2、滿足酒精酵母生長和代謝的必要工藝條件。 （1）將發(fā)酵產生的熱量及時移走； （2）有利于發(fā)酵液的排出，設備的清洗、維修以及設備制造安裝方便等問題。 二、酒精發(fā)酵設備的結構酒精發(fā)酵罐：筒體為圓柱形，底蓋和頂蓋為碟形或錐形的立式金屬容器。罐頂接口：CO2回收管、進料管、接種管、視鏡、人孔、壓力表和測量儀表接口管罐身接口：取樣口、溫度計接口罐底接口：排料口、排污口（人孔

22、）1. 罐體南陽天冠酒精集團公司（圖中中央兩個罐為酒精發(fā)酵罐） 2. 冷卻裝置 中小型發(fā)酵罐：罐頂噴水淋于罐外表面進行膜狀冷卻；大型發(fā)酵罐： 罐內裝有冷卻蛇管，或罐內蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻。 （注：罐體底部沿罐體四周裝有集水池） 3.洗滌裝置 水力噴射洗滌裝置 由一根兩頭裝有噴嘴的灑水管組成兩頭噴水管彎有一定的弧度噴水管上均勻地鉆有一定數(shù)量的小孔噴水管安裝時呈水平噴水管借活接頭和固定供水管相連接它是借噴水管兩頭噴嘴以一定噴出速度而形成的反作用力，使噴水管自動旋轉。 7.3.2 新型啤酒發(fā)酵設備 傳統(tǒng)的啤酒發(fā)酵設備是由分別設在發(fā)酵間的發(fā)酵池和貯酒間內的貯酒罐組成的。 目前圓筒體錐底罐（C.C.

23、T)在露天大罐工藝中使用最為普遍簡稱露天錐形發(fā)酵罐。圓筒體錐底立式發(fā)酵罐目前圓筒體錐底罐（C.C.T)在露天大罐工藝中使用最為普遍，簡稱露天錐形發(fā)酵罐。一、設備的結構特點 C.C.T發(fā)酵最大特點在于大型化，容積從100600m3(國內也有60m3小型的)。1、設備的外型特點外筒體蝶形或拱形蓋，錐形底，罐筒體壁和錐底有各種形式的冷卻夾套。 2、罐材料大型C.C.T均采用碳鋼加涂料或不銹鋼兩種材料制成。啤酒是酸性液體，能造成鐵的電化學腐蝕，啤酒發(fā)酵時產生的H2S、SO2對鐵材料會造成氧化還原腐蝕。不銹鋼是一種含鉻較多的合金，它之所以能夠抗腐蝕，原因在于其表面能形成鉻含量高、化學性質穩(wěn)定的氧化層。3、發(fā)酵罐錐底角 考慮到發(fā)酵中酵母自然沉降最有利，取排出角為7375(一定體積沉降酵母在錐底中占有最小比表面積時摩接力最小)，對于貯酒罐，因沉淀物很少，主要考慮材