發(fā)酵工程發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)解讀

發(fā)酵工程發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)解讀第1頁(yè)/共55頁(yè)第九章發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)第2頁(yè)/共55頁(yè)本章內(nèi)容一、發(fā)酵罐的概念二、發(fā)酵罐的類型三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)三、通用式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大（一）發(fā)酵罐設(shè)計(jì)基本原則和要求（二）發(fā)酵罐放大設(shè)計(jì)四、重組菌生物反應(yīng)器第3頁(yè)/共55頁(yè)發(fā)酵罐：進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的反應(yīng)器統(tǒng)稱為發(fā)酵罐一、發(fā)酵罐的概念第4頁(yè)/共55頁(yè)大型發(fā)酵罐第5頁(yè)/共55頁(yè)

發(fā)酵罐的類型與發(fā)酵類型、工藝類型和產(chǎn)物類型有關(guān)。

頂攪拌軸封底攪拌磁傳動(dòng)氣鼓式（鼓泡式）內(nèi)循環(huán)無(wú)菌壓縮空氣作為提升力外循環(huán)

管道式反應(yīng)器：發(fā)酵液通過(guò)管道流動(dòng)代替攪拌填充床（液體循環(huán)）流化床（同通氣攪拌）

自吸式發(fā)酵罐：不需要空氣壓縮機(jī)，在攪拌器自吸入空氣

伍式發(fā)酵罐

：發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)套筒，多用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母

通用式攪拌罐(滿足供氧、通氣、攪拌)

氣升式發(fā)酵罐

循環(huán)式固定化發(fā)酵罐

二、發(fā)酵罐的類型帶有中央吸氣口第6頁(yè)/共55頁(yè)第7頁(yè)/共55頁(yè)第8頁(yè)/共55頁(yè)第9頁(yè)/共55頁(yè)第10頁(yè)/共55頁(yè)第11頁(yè)/共55頁(yè)第12頁(yè)/共55頁(yè)1.外形、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸要求

H/D=1.7－3H—筒身高度

HL/D=2－2.5HL按照裝料VL=70%V總計(jì)算

d/D=1/3－1/2d—攪拌器直徑

W/D=1/12－1/8（取0.1，并留1—2cm間隙，以防死角）

W—檔板寬度B/D=0.8－1.0B—下攪拌器距底間距

1.5≤s/d≤2s—攪拌器間距

第13頁(yè)/共55頁(yè)第14頁(yè)/共55頁(yè)2.攪拌裝置攪拌的目的

打碎氣泡，增加氣液接觸面積，即a↑產(chǎn)生渦流，延長(zhǎng)氣泡在液體中的停留時(shí)間

造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，KL↑有利于混合及固體物料保持懸浮狀態(tài)攪拌的效果:原生流→圓周運(yùn)動(dòng)（徑向運(yùn)動(dòng)）：層流及漩渦，原生流速V原∝n

擋板作用：次生流→軸向運(yùn)動(dòng)、翻動(dòng)，決定混合好壞，V次∝n2攪拌效果評(píng)價(jià)：傳質(zhì)、傳熱及混合效果第15頁(yè)/共55頁(yè)攪拌器的形式：通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌器，而又以圓盤渦輪攪拌器為主。槳葉類型：圓盤渦輪攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種。葉片數(shù)量：至少三個(gè)，通常六個(gè)，多至八個(gè)。

α

：彎>平>箭；β：彎>箭>平第16頁(yè)/共55頁(yè)在相同的攪拌功率PG下，

粉碎氣泡能力：平>彎>箭翻動(dòng)流體能力：箭>彎>平

綜合傳質(zhì)和混合能力：彎葉最好第17頁(yè)/共55頁(yè)第18頁(yè)/共55頁(yè)攪拌槳的層數(shù)：

根據(jù)

H/D及（s/d）n

的要求進(jìn)行計(jì)算。一般3—4層，底層攪拌最重要，占軸功率的40%

，所具葉片數(shù)最多（6~8片）。

第19頁(yè)/共55頁(yè)聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，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。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(duì)正。第20頁(yè)/共55頁(yè)軸承為了減少震動(dòng)，中型發(fā)酵罐一般在罐內(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)。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯等)。軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4~0.7％。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個(gè)軸套。第21頁(yè)/共55頁(yè)變速裝置試驗(yàn)罐采用無(wú)級(jí)變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動(dòng)、圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置。其中以三角皮帶變速傳動(dòng)較為簡(jiǎn)便。第22頁(yè)/共55頁(yè)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。第23頁(yè)/共55頁(yè)1）填料函式軸封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(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。第24頁(yè)/共55頁(yè)2）端面式軸封端面式軸封又稱機(jī)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(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。第25頁(yè)/共55頁(yè)3.擋板

擋板的作用：改變液流方向，由徑向流→軸向流，促使流體翻動(dòng)，增加傳質(zhì)和混合。檔板寬：W/D=1/12-1/8(取0.1)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(shí)，攪拌功率不再增加，而旋渦基本消失,即要滿足下式：（W/D）?Z

=0.4Z—檔板數(shù)

第26頁(yè)/共55頁(yè)說(shuō)明

豎立的蛇管、列管、排管，可起檔板作用，此外不另加檔板。一般裝4塊檔板，可滿足全檔板條件。檔板長(zhǎng)度：自液面起，至罐底封頭上部（圓柱底）為止。檔板與罐壁間留縫隙，距離為（0.2—0.4）W，目的是去除死角。

第27頁(yè)/共55頁(yè)4.消泡器

作用：破碎氣泡，改善供氧，防止污染。消泡槳形式

慢速：鋸齒，梳狀，孔板式（孔徑10-20mm）。

快速：對(duì)底攪拌可在罐頂裝半封閉渦輪消沫器，單用電機(jī)。旋風(fēng)分離葉輪離心式消泡槳直徑：L=（0.8-0.9）D，以不妨礙旋轉(zhuǎn)為原則與消泡劑合用內(nèi)部外部

適于不易染菌的發(fā)酵工藝

第28頁(yè)/共55頁(yè)第29頁(yè)/共55頁(yè)第30頁(yè)/共55頁(yè)第31頁(yè)/共55頁(yè)5.空氣分布器作用：吹入無(wú)菌空氣，并使其分布均勻型式：

單孔管：開(kāi)口朝下，防止堵塞；管口距罐底約40mm

環(huán)形管：適用于細(xì)度極小且易溶于水的固體發(fā)酵原料）第32頁(yè)/共55頁(yè)6.換熱裝置夾套式(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、易清潔，熱交換差)5T以下用外夾套式，K傳熱系數(shù)=400-600kJ/m2hr?℃

豎式蛇管(熱交換強(qiáng)、蛇管設(shè)于罐內(nèi)，不易清潔)5T以上；K傳熱系數(shù)=1200-1890kJ/m2?hr?℃豎式列管（排管）：傳熱系數(shù)較蛇管低，但冷卻水流速較蛇管大，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。第33頁(yè)/共55頁(yè)1.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則

發(fā)酵罐能否適合于生產(chǎn)工藝的放大要求發(fā)酵罐能否獲得最大的生產(chǎn)效率三、通用式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大（一）發(fā)酵罐設(shè)計(jì)基本原則和要求第34頁(yè)/共55頁(yè)2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定

考慮兩方面因素微生物生長(zhǎng)率、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率傳質(zhì)效率（KLa、傳氧效率）

傳熱效率

混合效率改善發(fā)酵罐的傳遞性能（傳質(zhì)、傳熱、混合）是發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

發(fā)酵罐的操作因素(傳遞性能)第35頁(yè)/共55頁(yè)傳質(zhì)工程隨規(guī)模擴(kuò)大，↓，KLa↓

，同等條件下傳氧效率↓傳熱工程

產(chǎn)熱Q1V罐體積

傳熱Q2∴除了篩選耐高溫菌株外，改善發(fā)酵罐的傳熱性能十分關(guān)鍵。V↑，↓第36頁(yè)/共55頁(yè)3.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本要求

發(fā)酵罐能在無(wú)雜菌污染條件下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。攪拌器軸封嚴(yán)密，減少泄漏；結(jié)構(gòu)緊湊，附件少；無(wú)死角，內(nèi)壁光滑；管道等盡可能焊接，少用法蘭；可維持一定正壓；取樣口易于滅菌，各部分能單獨(dú)滅菌。傳質(zhì)效果好（傳氧性能好，KLa大）

。

有足夠的冷卻面積（傳熱性能好，冷卻能力強(qiáng)）。功耗低（傳遞效率高，節(jié)能）。采用不銹鋼，耐腐蝕及可以高溫滅菌。

第37頁(yè)/共55頁(yè)應(yīng)有基本控制系統(tǒng)（如T、pH、甚至DO2）。具有消泡功能（機(jī)械消泡或補(bǔ)消泡劑）。具有取樣裝置和冷卻裝置（防止水分損失）。要求放料、清洗、維修等操作簡(jiǎn)便，勞動(dòng)消耗低。實(shí)驗(yàn)罐、中試罐應(yīng)與生產(chǎn)罐有相似的幾何形狀，以利于放大。

第38頁(yè)/共55頁(yè)（二）發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)1.放大的目的和任務(wù)2.放大準(zhǔn)則3.放大方法第39頁(yè)/共55頁(yè)1.放大的目的和任務(wù)目的：實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)成果走向產(chǎn)業(yè)化生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)研發(fā)的三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室規(guī)模：菌種選育及發(fā)酵條件優(yōu)化中試規(guī)模：確定放大規(guī)律及最佳操作條件工廠規(guī)模：通過(guò)產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益任務(wù)：力求保持所有規(guī)模的發(fā)酵過(guò)程中有最佳的外部條件，確?！鞍l(fā)酵單位相似”。第40頁(yè)/共55頁(yè)2.放大準(zhǔn)則通常根據(jù)實(shí)際發(fā)酵中主要影響因素來(lái)確定，如：KLa、

P/V、nd等等。第41頁(yè)/共55頁(yè)3.放大方法經(jīng)驗(yàn)放大法幾何相似法非幾何相似法量綱（因次）分析法時(shí)間常數(shù)法數(shù)學(xué)模型法第42頁(yè)/共55頁(yè)幾何相似法在發(fā)酵罐的放大中，主要解決放大后生產(chǎn)罐的空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率消耗等三個(gè)問(wèn)題，即操作參數(shù)的放大設(shè)計(jì)。常用的放大方法有：幾何尺寸放大空氣流量放大

VVM相等

Ws相等

KLa相等攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)速的放大第43頁(yè)/共55頁(yè)幾何尺寸放大放大倍數(shù)m指罐的體積增加倍數(shù)，即∵幾何相似，∴則

∴第44頁(yè)/共55頁(yè)空氣流量放大——以VVM相等的原則放大∵∴第45頁(yè)/共55頁(yè)空氣流量放大——以Ws相等的原則放大∵∴第46頁(yè)/共55頁(yè)空氣流量放大——以KLa相等的原則放大第47頁(yè)/共55頁(yè)∵

∴

又∵∴

空氣流量放大——以KLa相等的原則放大第48頁(yè)/共55頁(yè)四、重組菌生物反應(yīng)器

1.與普通微生物發(fā)酵罐最大的區(qū)別：帶有嚴(yán)格防止重組菌外泄的部件2.重組菌泄漏途徑：

1)排氣外泄防治措施：排出的氣體應(yīng)要經(jīng)過(guò)加熱滅菌或用微孔過(guò)濾器除菌后才能排放到空氣中。第49頁(yè)/共55頁(yè)2)生物反應(yīng)器滲漏防治措施：

90L以下的發(fā)酵罐可采用磁力攪拌；對(duì)于體積較大的發(fā)酵罐應(yīng)采用雙端面密封,且用作潤(rùn)滑劑的無(wú)菌水的壓力應(yīng)高于生物反應(yīng)器內(nèi)的壓力。3)取樣泄漏防治措施：

采用特殊的取樣系統(tǒng)；滅菌處理第50頁(yè)/共55頁(yè)大腸桿菌發(fā)酵過(guò)程中，當(dāng)發(fā)酵罐的通氣量為1:100