發(fā)酵工程-第九章

1、本章內(nèi)容本章內(nèi)容一、發(fā)酵罐的發(fā)展一、發(fā)酵罐的發(fā)展二、發(fā)酵罐的類型二、發(fā)酵罐的類型三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)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（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)（二）發(fā)酵罐放大設(shè)計(jì)四、重組菌生物反應(yīng)器四、重組菌生物反應(yīng)器 n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)酵罐大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐n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)。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)。 頂攪拌頂攪拌 軸封軸封 底攪拌底攪拌 磁傳動磁傳動 氣鼓式（鼓泡式）氣鼓式（

2、鼓泡式） 內(nèi)循環(huán)內(nèi)循環(huán) 外循環(huán)外循環(huán) 管道式反應(yīng)器：流動代替攪拌管道式反應(yīng)器：流動代替攪拌 填充床（液體循環(huán)）填充床（液體循環(huán)） 流化床（同通氣攪拌）流化床（同通氣攪拌） 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 ：不需要空氣壓縮機(jī)，在攪拌過程中自吸入空氣：不需要空氣壓縮機(jī)，在攪拌過程中自吸入空氣 伍伍式發(fā)酵罐式發(fā)酵罐 ：多用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母多用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母 重組菌生物反應(yīng)器重組菌生物反應(yīng)器 通用式攪拌罐通用式攪拌罐(滿足供氧、通氣、攪拌滿足供氧、通氣、攪拌 ) 氣氣升式發(fā)酵罐升式發(fā)酵罐 循環(huán)式循環(huán)式固固定化發(fā)酵罐定化發(fā)酵罐 1.外形、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸要求外形、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸要求 nH/D=1.

3、73 H筒身高度筒身高度 nHL/D=22.5 HL按照裝料按照裝料VL=70%V總計(jì)算計(jì)算 nd/D=1/31/2 d攪拌器直徑攪拌器直徑 nW/D=1/121/8（取取0.1 ，并留并留12cm間隙，以防角間隙，以防角） W檔板寬度檔板寬度nB/D=0.81.0 B下攪拌器距底間距下攪拌器距底間距 n(s/d)2=1.52.5 可以取相同值可以取相同值，1.5 s/d 2 (s/d)3=12 s攪拌器間距攪拌器間距 2. 攪拌裝置攪拌裝置n攪拌的目的攪拌的目的 n打碎氣泡，增加氣液接觸面積，即打碎氣泡，增加氣液接觸面積，即an產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時間產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的

4、停留時間 n造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，KLn動量傳遞（動量傳遞（N、Ws），有利于混合及固體物料保持懸浮狀態(tài)），有利于混合及固體物料保持懸浮狀態(tài)n攪拌的效果攪拌的效果: :n原生流原生流圓周運(yùn)動（徑向運(yùn)動）：層流及漩渦，原生流速圓周運(yùn)動（徑向運(yùn)動）：層流及漩渦，原生流速V原n 擋板作用：次生流擋板作用：次生流軸向運(yùn)動、翻動，決定混合好壞，軸向運(yùn)動、翻動，決定混合好壞，V次n2n攪拌效果評價：傳質(zhì)，傳熱及混合效果攪拌效果評價：傳質(zhì)，傳熱及混合效果n效果的改善：轉(zhuǎn)速，攪拌器（槳）的形式和數(shù)量效果的改善：轉(zhuǎn)速，攪拌器（槳）的形式和數(shù)量 2. 攪拌裝置（續(xù)

5、）攪拌裝置（續(xù)）n攪拌器的形式攪拌器的形式 ：通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌器器 ，而又以圓盤渦輪攪拌器為主而又以圓盤渦輪攪拌器為主 。n槳葉型式：圓盤渦輪攪拌器有平葉式、彎葉式、槳葉型式：圓盤渦輪攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種。箭葉式三種。n葉片數(shù)量：至少三個，通常六個，多至八個。葉片數(shù)量：至少三個，通常六個，多至八個。 ：彎：彎平平箭箭 ；：彎：彎 箭箭平平SGLaW)VP(kK在相同的攪拌功率在相同的攪拌功率PG下下， 粉碎氣泡能力：平粉碎氣泡能力：平彎彎箭箭 綜合傳質(zhì)綜合傳質(zhì)+混合，混合，翻動流體能力：箭翻動流體能力：箭彎彎平平 彎彎葉最好（對于葉最好

6、（對于KLa）。 2. 攪拌裝置（續(xù)）攪拌裝置（續(xù)）n攪拌槳的層數(shù)：根據(jù)攪拌槳的層數(shù)：根據(jù) H/D及及（s/d）n 的要求進(jìn)的要求進(jìn)行計(jì)算。一般行計(jì)算。一般34層，層，底層攪拌最重要，占軸底層攪拌最重要，占軸功率的功率的40% ，所具葉片所具葉片數(shù)最多數(shù)最多（68片片）。 2. 攪拌裝置（續(xù)）攪拌裝置（續(xù)）聯(lián)軸器聯(lián)軸器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。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。2. 攪拌裝置（續(xù)）軸承攪拌裝置（續(xù)）軸承n為了減少震動，中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)為了減少震動，中型發(fā)酵罐一般

7、在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸裝有底軸承，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)軸承不能加潤滑油，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應(yīng)采用液體潤滑的塑料軸瓦采用液體潤滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯如聚四氟乙烯等等)，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.40.7。為了防止軸頸磨損，可以在。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個軸套。與軸承接觸處的軸上增加一個軸套。2. 攪拌裝置（續(xù)）變速裝置攪拌裝置（續(xù)）變速裝置n試驗(yàn)罐采用無級變速裝試驗(yàn)罐采用無級變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速置。發(fā)酵罐常用

8、的變速裝置有三角皮帶傳動，裝置有三角皮帶傳動，圓柱或螺旋圓錐齒輪減圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮速裝置，其中以三角皮帶變速傳動較為簡便。帶變速傳動較為簡便。2. 攪拌裝置攪拌裝置(續(xù)）軸封續(xù)）軸封n軸封的作用是使罐頂軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。常用漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端的軸封有填料函和端面軸封兩種。面軸封兩種。填料函式軸封填料函式軸封n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。端面式軸封端面式軸封n端面式軸封又稱機(jī)械端面式軸封又稱機(jī)械軸封。密封作

9、用是靠軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而達(dá)到密封。動而達(dá)到密封。3.3.擋板擋板 n擋板的作用：改變液流方向，由徑向流擋板的作用：改變液流方向，由徑向流軸向流，促使流體軸向流，促使流體翻動，增加傳質(zhì)和混合。翻動，增加傳質(zhì)和混合。n檔板寬檔板寬 ：W/D= 1/12-1/8 (取取0.1) n全檔板條件：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

10、渦基本消失或其它附件時，攪拌功率不再增加，而旋渦基本消失, 即要即要滿足下式滿足下式： （W/D）Z =0.4 Z檔板數(shù)檔板數(shù) 3.3.擋板擋板( (續(xù)）續(xù)）n說明說明 n豎立的蛇管、列管、排管，可起檔板作用，此外不豎立的蛇管、列管、排管，可起檔板作用，此外不另加檔板。故一般裝另加檔板。故一般裝4塊檔板，可滿足全檔板條件。塊檔板，可滿足全檔板條件。n檔板長度：自液面起，至罐底封頭上部（圓柱底）檔板長度：自液面起，至罐底封頭上部（圓柱底）為止。為止。n檔板與罐壁間留縫隙，距離為（檔板與罐壁間留縫隙，距離為（0.20.4）W，目，目的是去除死角。的是去除死角。 4.4.消泡器消泡器 n作用：破碎氣

11、泡，改善供氧，防止污染。作用：破碎氣泡，改善供氧，防止污染。n消泡槳形式消泡槳形式 慢速：鋸齒，梳狀，孔板式（孔徑慢速：鋸齒，梳狀，孔板式（孔徑10-20mm）。 快速：對于底攪拌，可在罐頂裝半封閉渦輪消沫器，快速：對于底攪拌，可在罐頂裝半封閉渦輪消沫器， 單用電機(jī)。單用電機(jī)。 旋風(fēng)分離旋風(fēng)分離 葉輪離心式葉輪離心式消泡槳直徑消泡槳直徑：L=（0.8-0.9）D（罐徑），以不妨礙旋轉(zhuǎn)為原則罐徑），以不妨礙旋轉(zhuǎn)為原則與消泡劑合用與消泡劑合用 內(nèi)部內(nèi)部外部外部 適于不易染菌的工藝適于不易染菌的工藝 5. 空氣分布器空氣分布器n作用：吹入無菌空氣，并使其分布均勻作用：吹入無菌空氣，并使其分布均勻n型

12、式：型式： 單孔管：開口朝下，防止堵塞；管口距罐底約單孔管：開口朝下，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）原料）6. 換熱裝置換熱裝置n夾套式：夾套式：5T以下用外夾套式以下用外夾套式，K傳熱系數(shù)=400-600kJ/m2 hr n豎式蛇管豎式蛇管：5T以上以上；K傳熱系數(shù)=1200-1890kJ/m2hrn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，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)。適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。1.1.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本

13、原則發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則 n能否適合于生產(chǎn)工藝的放大要求能否適合于生產(chǎn)工藝的放大要求n能否獲得最大的生產(chǎn)效率能否獲得最大的生產(chǎn)效率2.2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定 n兩方面因素的比較兩方面因素的比較n微生物生長率、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率微生物生長率、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率 傳質(zhì)效率傳質(zhì)效率（KLa、傳氧效率傳氧效率） 傳熱效率傳熱效率 混合效率混合效率n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)首要任務(wù) 發(fā)酵罐的操作因素發(fā)酵罐的操作因素( (傳遞性能傳遞性能) )2.2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定（續(xù)）發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的

14、確定（續(xù)）n傳質(zhì)工程傳質(zhì)工程n隨規(guī)模擴(kuò)大，隨規(guī)模擴(kuò)大， ，KLa ，同等條件下傳氧效率，同等條件下傳氧效率n傳熱工程傳熱工程 n產(chǎn)熱產(chǎn)熱Q Q1 1 V V罐體積罐體積 n傳熱傳熱Q Q2 2 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)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) 鍵鍵。 罐表面積AV， R1VA3.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本要求基本要求 n發(fā)酵罐能在無雜菌污染條件下，長期運(yùn)轉(zhuǎn)。攪拌器軸封嚴(yán)發(fā)酵罐能在無雜菌污染條件下，長期運(yùn)轉(zhuǎn)。攪拌器軸封嚴(yán)密，減少泄漏；結(jié)構(gòu)緊湊，附件少；無死角，內(nèi)壁光滑；密，減少泄漏；結(jié)構(gòu)緊湊，附件少；無死角，內(nèi)壁光滑；管道等盡可能焊接，少用法蘭；

15、可維持一定正壓；取樣口管道等盡可能焊接，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。易于滅菌，各部分能單獨(dú)滅菌。n傳質(zhì)效果好（傳氧性能好，傳質(zhì)效果好（傳氧性能好，KLa大）大） 。 n有足夠的冷卻面積（傳熱性能好，冷卻能力強(qiáng)）。有足夠的冷卻面積（傳熱性能好，冷卻能力強(qiáng)）。n功耗低（傳遞效率高，節(jié)能）。功耗低（傳遞效率高，節(jié)能）。n采用不銹鋼，耐腐蝕及可以高溫滅菌。采用不銹鋼，耐腐蝕及可以高溫滅菌。 n 4.4.基本要求（續(xù)）基本要求（續(xù)）n應(yīng)有基本控制系統(tǒng)（如應(yīng)有基本控制系統(tǒng)（如T、pH、甚至甚至DO2）。）。n具有消泡功能（機(jī)械消泡或補(bǔ)消泡劑）。具有消泡功能（機(jī)械消泡或補(bǔ)消泡

16、劑）。n具有取樣裝置和冷卻裝置（防止水分損失）。具有取樣裝置和冷卻裝置（防止水分損失）。n要求放料、清洗、維修等操作簡便，勞動消耗低。要求放料、清洗、維修等操作簡便，勞動消耗低。n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。 （五）發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)（五）發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)1. 放大的目的和任務(wù)放大的目的和任務(wù)2. 放大準(zhǔn)則放大準(zhǔn)則3. 放大方法放大方法1. 放大的目的和任務(wù)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)的三個階段：生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)研發(fā)的三個階段： 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模：菌種

17、選育及發(fā)酵條件優(yōu)化實(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：通過產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)評價經(jīng)濟(jì)效益工廠規(guī)模：通過產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)評價經(jīng)濟(jì)效益n任務(wù)：力求保持所有規(guī)模的發(fā)酵過程中有最佳的任務(wù)：力求保持所有規(guī)模的發(fā)酵過程中有最佳的外部條件，確保外部條件，確?！鞍l(fā)酵單位相似發(fā)酵單位相似”2. 放大準(zhǔn)則放大準(zhǔn)則通常根據(jù)實(shí)際發(fā)酵中主要影響因素來確通常根據(jù)實(shí)際發(fā)酵中主要影響因素來確定，如：定，如：KLa、 P/V、nd等等。等等。3. 放大方法放大方法經(jīng)驗(yàn)放大法經(jīng)驗(yàn)放大法幾何相似法幾何相似法非幾何相似法非幾何相似法量綱（因次）分析法量綱（因次）分

18、析法時間常數(shù)法時間常數(shù)法數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法幾何相似法幾何相似法在發(fā)酵罐的放大中，主要解決放大后生產(chǎn)罐的空氣流量、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問題，即操作參數(shù)的放攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率消耗等三個問題，即操作參數(shù)的放大設(shè)計(jì)。常用的放大方法有：大設(shè)計(jì)。常用的放大方法有：幾何尺寸放大幾何尺寸放大空氣流量放大空氣流量放大v VVM相等相等v Ws相等相等v KLa相等相等攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)速的放大攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)速的放大幾何尺寸放大幾何尺寸放大 n放大倍數(shù)放大倍數(shù)m指罐的體積增加倍數(shù)，即指罐的體積增加倍數(shù)，即 幾何相似，幾何相似，則則 12VVm 2211D

19、HDHmDDDDDDHDHDVV31212122212122212)(444431212mDDHH空氣流量放大空氣流量放大以以VVM相等的原則放大相等的原則放大PDVVMPDVVVMWS)()(22211212)()(PPDDWWSS空氣流量放大空氣流量放大以以Ws相等的原則放大相等的原則放大1)()(122222111212LLSSVVDPDPVVMVVMWW21122121221212DDPPVVDDPPVVMVVMLL空氣流量放大空氣流量放大以以KLa相等的原則放大相等的原則放大3/2LLgLaHVQK1)()()()()()(3211322212LLgLLgLaLaHVQHVQKK32232112)()()()(LLLgLgHHVQVQ2DWQSg3DV DHL 311212)(DDWWSS又PDVVMPDVVVMWLS)()(23221121221122112212)()()(1DDPPWWDDPPDPWDPWVVMVVMSSSS 空氣流量放大空氣流量放大以以KLa相等的原則放大相等的原則放大四、重組菌生物反應(yīng)器四、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：與普通微