生物工程設備-通風發(fā)酵設備課件

第二章通風發(fā)酵設備

第二章通風發(fā)酵設備

1適用類型：

微生物，酶，動植物細胞

適用類型：

抗生素，酵母，氨基酸，有機酸，酶常用類型：

機械攪拌式氣升環(huán)流式鼓泡式自吸式設備要求：

良好的傳質(zhì)，傳熱性能結(jié)構(gòu)嚴密防雜菌污染培養(yǎng)基流動和混合良好良好的檢測和控制設備簡單，方便維護

適用類型：微生物，酶，動植物細胞

適用類型：抗生素，2第一節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐第二節(jié)氣升式發(fā)酵罐第三節(jié)自吸式發(fā)酵罐第四節(jié)通風固相發(fā)酵設備第五節(jié)其他類型的通風發(fā)酵反應器簡介第一節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐3之機械攪拌發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)231－軸封；2、20－人孔；3－梯；4－聯(lián)軸；5－中間軸承；6－溫度計接口；7－攪拌葉輪；8－進風管；9－放料口；10－底軸承；11－熱電偶接口；12－冷卻管；13－攪拌軸；14－取樣管；15－軸承座；16－傳動皮帶；17－電機；18－壓力表；19－取樣口；21－進料口；22－補料口；23－排氣口；24－回流口；25－視鏡；圖2.1大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖動畫演示機械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)之機械攪拌發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)231－軸封；4之機械攪拌發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)小型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖2.2小型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖之機械攪拌發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)小型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖2.5之機械攪拌發(fā)酵罐圖2.3自動玻璃發(fā)酵罐圖2.4玻璃攪拌發(fā)酵罐圖2.5不銹鋼攪拌發(fā)酵罐之機械攪拌發(fā)酵罐圖2.3自動玻璃發(fā)酵罐圖2.4玻璃6GBQS系列氣升式玻璃發(fā)酵罐磁力攪拌不銹鋼GBQS系列氣升式玻璃發(fā)酵罐磁力攪拌不銹鋼7之機械攪拌發(fā)酵罐

攪拌器和擋板

攪拌器：

有平葉式、彎葉式、箭葉式渦輪式和推進式等；其作用是打碎氣泡，使氧溶解于發(fā)酵液中，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。為了拆裝方便，大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體。圖2.6發(fā)酵罐攪拌葉輪結(jié)構(gòu)圖1-六直葉渦輪式；2-推進式3-LightninA-315式圖2.7不同攪拌器的流型之機械攪拌發(fā)酵罐攪拌器和擋板攪拌器：圖2.6發(fā)8擋板：

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。通常擋板寬度取(0.1～0.12)D，裝設4~6塊即可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。之機械攪拌發(fā)酵罐無擋板的攪拌器形成的流型有擋板的攪拌器形成的流型擋板：之機械攪拌發(fā)酵罐無擋板的攪拌器形成的流型有擋9之機械攪拌發(fā)酵罐軸封填料函軸封：由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓待零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達到密封的效果。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。端面式軸封又稱機械軸封：密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋等）的壓力使垂直軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而達到密封。

常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。壓緊螺栓填料箱體圖2.10填料函轉(zhuǎn)軸填料壓蓋銅環(huán)填料轉(zhuǎn)軸圖2.11端面封軸動環(huán)靜環(huán)堆焊硬質(zhì)O形環(huán)圖2.12雙端面封軸密封環(huán)攪拌軸罐體齒輪箱傳動齒輪箱之機械攪拌發(fā)酵罐軸封填料函軸封：由填料箱體，填料10空氣分布器有環(huán)形管式和單管式消泡裝置兩種消泡方式：加入化學消泡劑

機械消泡裝置旋風離心式葉輪離心式耙式消泡器之機械攪拌發(fā)酵罐一般是耙式消泡器渦輪消泡器旋風離心葉輪離心式消泡器碟式消泡器刮板式消泡器空氣分布器有環(huán)形管式和單管式旋風離心式葉輪離心式耙式消泡器之11碟片式消泡器刮板式消泡器之機械攪拌發(fā)酵罐碟片式消泡器刮板式消泡器之機械攪拌發(fā)酵罐12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。之機械攪拌發(fā)酵罐

聯(lián)軸器及軸承小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。聯(lián)軸器法蘭大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下13中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承；大型發(fā)酵罐裝有中間軸承。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。之機械攪拌發(fā)酵罐軸承底軸承中間軸承中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承；之機械攪拌發(fā)酵罐軸承14之機械攪拌發(fā)酵罐冷卻裝置夾套冷卻豎式蛇管冷卻豎式列管冷卻適用范圍5m3以下小發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐氣溫較高的地區(qū)優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，罐內(nèi)死角少，容易清洗滅菌流速大，傳熱系數(shù)大，降溫效果較好。加工方便，提高傳熱推動力的溫差。缺點傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差。冷卻水較高時，降溫困難，彎曲位置易腐蝕。用水量較大。在罐外安裝板式或螺旋板式熱交換器，采用無菌空氣使發(fā)酵液進行循環(huán)冷卻。之機械攪拌發(fā)酵罐冷卻裝置夾套冷卻豎式蛇管冷卻豎式列管冷卻15之機械攪拌發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)KLa與操作變數(shù)的關系為：1）增加攪拌器轉(zhuǎn)速N，以提高Pg，可以有效地提高Kla；2）加大通氣量VG，以提高vs；3）提高罐內(nèi)操作壓力或通入純氧，提高C*。提高KLa的途徑機械攪拌發(fā)酵罐的溶氧速率、通氣與攪拌

或機械攪拌的剪切力影響1）單細胞微生物如球狀或桿狀的細菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力強；2）絲狀菌的耐受力弱；3）動物細胞對攪拌剪切力非常敏感。之機械攪拌發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)KLa與操作變數(shù)16之機械攪拌發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐的熱量傳遞

發(fā)酵過程的熱量計算生物合成熱量計算法冷卻水帶出熱量計算法發(fā)酵液溫升測量計算法之機械攪拌發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐的熱量傳遞發(fā)酵過程的熱17攪拌器軸功率的計算（單只攪拌槳）不通氣條件下的軸功率P0計算魯士頓(RushtonJ.H.)公式：P0－無通氣攪拌輸入的功率（W）；NP－功率準數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；ω－渦輪轉(zhuǎn)速（r/s）；ρL－液體密度（kg/m3）；μ－液體粘度（N.s/m2）；D－渦輪直徑（m）；圓盤六平直葉渦輪NP≈6圓盤六彎葉渦輪NP≈4.7圓盤六箭葉渦輪NP≈3.7攪拌器軸功率的計算（單只攪拌槳）不通氣條件下的軸功率P18通氣攪拌功率Pg的計算修正的邁凱爾公式：攪拌器軸功率的計算（單只攪拌槳）P0－無通氣攪拌輸入的功率（kW）ω－渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）Di

－渦輪直徑（cm）Q－通氣量（mL/min）通氣攪拌功率Pg的計算攪拌器軸功率的計算（單只攪拌槳）19攪拌葉尖線速度與剪切力：攪拌剪切力對微生物細胞的損害程度取決于攪拌力的性質(zhì)，強度，作用時間及生物細胞的特性對耐剪切力較強的生物細胞，攪拌葉尖線速度不應大于7.5m/s攪拌剪切與細胞損傷定性關系：單細胞微生物>絲狀菌（動物細胞）之機械攪拌發(fā)酵罐攪拌葉尖線速度與剪切力：之機械攪拌發(fā)酵罐20圖2.13機械攪拌通風發(fā)酵罐的幾何尺寸之機械攪拌發(fā)酵罐機械攪拌通風發(fā)酵罐的幾何尺寸及體積體積尺寸橢圓形封頭體積：發(fā)酵罐的總體積：近似為：圖2.13機械攪拌通風發(fā)酵罐之機械攪拌發(fā)酵罐機械攪21例題：某酶制劑廠

10m3機械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑D=1.8m，一只圓盤六彎葉渦輪攪拌器直徑D=0.6m，罐內(nèi)裝有四塊標準擋板，裝液量VL為6m3，攪拌轉(zhuǎn)速ω=168rpm，通氣量Q=1.42m3/min，醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3，三角皮帶的效率是0.92，滾動軸承的效率是0.99，滑動軸承的效率是0.98，端面軸封增加的功率為1%，求軸功率Pg和kLα，并選擇合適的電機。（已知在充分湍流狀態(tài)時，圓盤彎葉渦輪攪拌器的功率準數(shù)NP=4.7）解：1.先求出Re：攪拌功率的計算2.因Re≥104，所以發(fā)酵系統(tǒng)在充分湍流狀態(tài)，即有功率系數(shù)NP=4.7，故葉輪的不通氣時攪拌功率P0為：例題：某酶制劑廠10m3機械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑D=1.223.求通氣時攪拌功率Pg：4.所需電動機功率為：3.求通氣時攪拌功率Pg：4.所需電動機功率為：234.求kLα：①先求空截面氣速vS：②求kLα：4.求kLα：②求kLα：24之機械攪拌發(fā)酵罐之機械攪拌發(fā)酵罐25之氣升式發(fā)酵罐BIOHOCH?反應器徑向流噴射器是核心元件?？諝夂退鄬娙?，含極大能量的水使空氣分散成又細又均勻的氣泡。循環(huán)管保證流向及液體充分曝氣。之氣升式發(fā)酵罐BIOHOCH?反應器徑向流噴射器是核心元件26BIOHOCH?反應器的特點：緊湊，無噪音，無異味—因為反應器很高，故占地面積小，不會受噪音和氣味侵擾經(jīng)濟—氧利用率高保證能量節(jié)省80%可靠性—反應器易于進入，優(yōu)質(zhì)的防腐處理比混凝土更不易泄漏。一旦泄漏發(fā)生，也可立即監(jiān)控。一套完整的系統(tǒng)保證廢水不會無控制流出。BIOHOCH?反應器處理工業(yè)廢水技術

之氣升式發(fā)酵罐BIOHOCH?反應器的特點：BIOHOCH?反應器處理27氣升式發(fā)酵罐類型：

氣升環(huán)流式

鼓泡式

空氣噴射式原理：

把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發(fā)酵液中，通過汽液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，同時由于形成的企業(yè)混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)特點：沒有攪拌器，且有定向循環(huán)流動氣升式發(fā)酵罐類型：氣升環(huán)流式

28之氣升式發(fā)酵罐空氣噴射裝置漩渦式空氣噴射器之氣升式發(fā)酵罐空氣噴射裝置漩渦式空氣噴射器29之氣升式發(fā)酵罐氣升環(huán)流式反應器氣液雙噴射氣升環(huán)流反應器多層空氣分布板的氣升環(huán)流式反應器之氣升式發(fā)酵罐氣升環(huán)流式反應器氣液雙噴射氣升環(huán)流反應器多層空30之氣升式發(fā)酵罐ICI'sairliftsystemformakingsingle-cellproteinin1979注射入口ICI壓力循環(huán)氣升發(fā)酵罐之氣升式發(fā)酵罐ICI'sairliftsystemf31之氣升式發(fā)酵罐氣升式玻璃發(fā)酵罐具有外循環(huán)冷卻的氣升環(huán)流式發(fā)酵罐之氣升式發(fā)酵罐氣升式玻璃發(fā)酵罐具有外循環(huán)冷卻的32對偶脈沖氣體環(huán)流發(fā)酵罐之氣升式發(fā)酵罐對偶脈沖氣體環(huán)流發(fā)酵罐之氣升式發(fā)酵罐332）氣升環(huán)流反應器的操作特性：A。平均循環(huán)時間tm:由于導流管的存在，使培養(yǎng)液被分為導流管和環(huán)隙兩部分。導流管中的混合與溶氧均強于環(huán)隙，且混合剪切較強。這使環(huán)隙容易氣含率低，不能滿足生物的生長。平均循環(huán)時間定義：

式中：vl---發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液量，m3vc----發(fā)酵液循環(huán)流量，m3/sdc---導流管（上升管）直徑,mvm----導流管中液體平均流速m/s之自吸式發(fā)酵罐之自吸式發(fā)酵罐34之自吸式發(fā)酵罐機械攪拌自吸式發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)之自吸式發(fā)酵罐機械攪拌自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)35之自吸式發(fā)酵罐機械攪拌自吸式發(fā)酵罐工作原理：

之自吸式發(fā)酵罐機械攪拌自吸式發(fā)酵罐工作原理：36之自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐：

利用文氏罐噴射吸氣裝置或溢流噴射吸氣裝置進行混合和溶氧傳質(zhì)。文氏管自吸式發(fā)酵罐液體噴射自吸式發(fā)酵罐溢流噴射自吸式發(fā)酵罐之自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐：文氏37之自吸式發(fā)酵罐文氏管自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐之自吸式發(fā)酵罐文氏管自吸式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐38文氏吸氣管之自吸式發(fā)酵罐液體噴射吸氣裝置噴射自