通風發(fā)酵設備

1、通風發(fā)酵設備設備 2009.10機械攪拌通風式生物反應器光照式生物反應器大型啤酒發(fā)酵罐鄭裕國 王遠山 汪釗 陳小龍 朱勍 徐建妙2009.10鄭裕國 王遠山 汪釗 陳小龍 朱勍 徐建妙生物反應器發(fā)展歷史生物反應器發(fā)展歷史第一階段第一階段: 1900年以前，雛形，它帶有簡單的溫年以前，雛形，它帶有簡單的溫度和熱交換儀器。度和熱交換儀器。第二階段第二階段: 1900-1940年，年，出現(xiàn)了出現(xiàn)了200m33的鋼制發(fā)酵罐的鋼制發(fā)酵罐在面包酵母發(fā)酵罐中開始使用空氣分布器在面包酵母發(fā)酵罐中開始使用空氣分布器機械攪拌開始用在小型的發(fā)酵罐中。機械攪拌開始用在小型的發(fā)酵罐中。第三階段：第三階段：1940-19

2、60年，年，機械攪拌、通風、無菌操作和純種培養(yǎng)等技術機械攪拌、通風、無菌操作和純種培養(yǎng)等技術開始完善開始完善發(fā)酵工藝過程的參數(shù)檢測和控制方面已出現(xiàn)，發(fā)酵工藝過程的參數(shù)檢測和控制方面已出現(xiàn)，耐蒸汽滅菌的在線連續(xù)測定的耐蒸汽滅菌的在線連續(xù)測定的pH電極和溶氧電極和溶氧電極，計算機開始進行發(fā)酵過程的控制。電極，計算機開始進行發(fā)酵過程的控制。發(fā)酵產品的分離和純化設備逐步實現(xiàn)商品化。發(fā)酵產品的分離和純化設備逐步實現(xiàn)商品化。第四階段：第四階段：1960-1979年年機械攪拌通風生物反應器的容積增大到機械攪拌通風生物反應器的容積增大到80-150m33。壓力循環(huán)和壓力噴射型的生物反應器，壓力循環(huán)和壓力噴射型

3、的生物反應器，它可以克服一些氣體交換和熱交換問題它可以克服一些氣體交換和熱交換問題。計算機開始在生物技術工業(yè)上得到廣泛計算機開始在生物技術工業(yè)上得到廣泛應用。應用。第五階段：第五階段：1979年至今。生物工程和技術的迅年至今。生物工程和技術的迅猛發(fā)展，給生物技術工業(yè)提出了新的課題。猛發(fā)展，給生物技術工業(yè)提出了新的課題。大規(guī)模細胞培養(yǎng)生物反應器應運而生大規(guī)模細胞培養(yǎng)生物反應器應運而生胰島素，干擾素等基因工程的產品走上商品化胰島素，干擾素等基因工程的產品走上商品化酶生物反應器、膜生物反應器等新型反應器出酶生物反應器、膜生物反應器等新型反應器出現(xiàn)?，F(xiàn)。生物反應器分類生物反應器分類 生物反應包括一系列

4、的生物催化反應，可根生物反應包括一系列的生物催化反應，可根據(jù)化學反應工程的分類方法從不同角度對生據(jù)化學反應工程的分類方法從不同角度對生物反應器進行分類。物反應器進行分類。按幾何形狀或結構特征：按幾何形狀或結構特征：釜（罐）式、管式釜（罐）式、管式、塔式、膜式等類型。、塔式、膜式等類型。按催化劑類型或培養(yǎng)對象：按催化劑類型或培養(yǎng)對象：酶促反應器、微酶促反應器、微生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細胞反應器、動物細生物培養(yǎng)發(fā)酵罐、植物細胞反應器、動物細胞反應器等。胞反應器等。 按供氧：厭氧按供氧：厭氧/好氧微生物細胞反應器（發(fā)酵罐）好氧微生物細胞反應器（發(fā)酵罐）按反應器所需的混合與能量輸入方式：按反應器所需的混

5、合與能量輸入方式：過機械攪拌輸入能量的攪拌型發(fā)酵罐過機械攪拌輸入能量的攪拌型發(fā)酵罐利用氣體噴射動能的氣升式發(fā)酵罐和利用氣體噴射動能的氣升式發(fā)酵罐和用泵對液體的噴射作用使液體循環(huán)的噴射環(huán)流式用泵對液體的噴射作用使液體循環(huán)的噴射環(huán)流式發(fā)酵罐等。發(fā)酵罐等。按反應器的操作方式：間歇式生物反應器、連續(xù)按反應器的操作方式：間歇式生物反應器、連續(xù)式生物反應器和半間歇式生物反應器。式生物反應器和半間歇式生物反應器。按生物催化劑在反應器中的分布方式：可按生物催化劑在反應器中的分布方式：可以分為生物團塊反應器和生物膜反應器。以分為生物團塊反應器和生物膜反應器。按反應物系在反應器內的流動和混合狀態(tài)按反應物系在反應器

6、內的流動和混合狀態(tài)：全混流型生物反應器和活塞流型生物反：全混流型生物反應器和活塞流型生物反應器。應器。按發(fā)酵培養(yǎng)基質的物料狀態(tài)：液態(tài)生物反按發(fā)酵培養(yǎng)基質的物料狀態(tài)：液態(tài)生物反應器與固態(tài)生物反應器。應器與固態(tài)生物反應器。 第一節(jié)第一節(jié) 機械攪拌通風發(fā)酵設備機械攪拌通風發(fā)酵設備第二節(jié)第二節(jié) 其他類型的通風發(fā)酵罐其他類型的通風發(fā)酵罐第三節(jié)第三節(jié) 通風固相發(fā)酵設備通風固相發(fā)酵設備第一節(jié)第一節(jié) 機械攪拌通風發(fā)酵罐機械攪拌通風發(fā)酵罐機械攪拌通風發(fā)酵罐的結構機械攪拌通風發(fā)酵罐的結構機械攪拌通風發(fā)酵罐的結構尺寸計算機械攪拌通風發(fā)酵罐的結構尺寸計算機械攪拌通風發(fā)酵罐的熱量和冷卻面積計算機械攪拌通風發(fā)酵罐的熱量和

7、冷卻面積計算軸功攪拌器率的計算軸功攪拌器率的計算小型機械攪拌通風發(fā)酵罐設備操作小型機械攪拌通風發(fā)酵罐設備操作 機械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一。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。一、機械攪拌發(fā)酵罐的基本要求1) 發(fā)酵罐應具有適宜的徑高比2) 發(fā)酵罐能承受一定壓力。發(fā)酵罐能承受一定壓力。3) 發(fā)酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合，發(fā)酵罐的攪拌通風裝置能使氣液充分混合，保證發(fā)酵液必需的溶解氧保證發(fā)酵液必需的溶解氧4） 發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積5）發(fā)酵罐內應盡量減少死角，避免藏垢積）發(fā)

8、酵罐內應盡量減少死角，避免藏垢積 污，污， 滅滅 菌能徹底，避免染菌菌能徹底，避免染菌6） 具有嚴密的軸封，防止泄漏。具有嚴密的軸封，防止泄漏。1. 適宜的高徑比：H：D=2.5-4; 2. 耐壓3. 良好的傳質能力;4. 足夠冷卻面積5. 拋光，死角少6. 軸封嚴密二、機械攪拌發(fā)酵罐的結構 主要部件包括： 罐身 軸封 消泡器 攪拌器 視鏡 換熱裝置 擋板 空氣分布管 人孔以及管路 進出料口 1.罐體 罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接，材料一般為不銹鋼。大型發(fā)酵罐結構大型發(fā)酵罐結構 231軸封軸封 ； 2、20人孔；人孔； 3梯；梯； 4聯(lián)軸節(jié)；聯(lián)軸節(jié)；

9、5中間軸承；中間軸承； 6溫度計接口；溫度計接口；7攪拌葉輪；攪拌葉輪； 8進風管；進風管；9放料口；放料口； 10底軸承；底軸承；11熱電偶接口；熱電偶接口；12冷卻管；冷卻管；13攪拌軸；攪拌軸； 14取樣管；取樣管；15軸承座；軸承座； 16傳動皮帶；傳動皮帶；17電機；電機； 18壓力表；壓力表；19取樣口；取樣口； 21進料口；進料口；22補料口；補料口； 23排氣口；排氣口；24回流口；回流口； 25視鏡視鏡1.罐體 罐體由罐體由罐身罐身，罐頂罐頂及及罐底罐底組成，罐組成，罐身一般為圓柱體，中大型發(fā)酵罐罐頂多身一般為圓柱體，中大型發(fā)酵罐罐頂多采用橢圓形或碟形封頭通過焊接和罐身采用橢

10、圓形或碟形封頭通過焊接和罐身連接，小型發(fā)酵罐罐底一般也采用橢圓連接，小型發(fā)酵罐罐底一般也采用橢圓形或碟形封頭通過焊接和罐身連接，形或碟形封頭通過焊接和罐身連接，罐頂卻多采用平板蓋和罐身用法蘭罐頂卻多采用平板蓋和罐身用法蘭連接。連接。 罐體各個部分材料多采用不銹鋼，為滿足罐體各個部分材料多采用不銹鋼，為滿足工藝需求，罐體必須能承受發(fā)酵工作時和滅工藝需求，罐體必須能承受發(fā)酵工作時和滅菌時的工作壓力和溫度。罐壁厚度取決于罐菌時的工作壓力和溫度。罐壁厚度取決于罐徑，材料耐受的壓強。徑，材料耐受的壓強。 為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設有清洗用為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝設有

11、快開人孔及的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝設有快開人孔及清洗用的快開手孔。清洗用的快開手孔。 在罐頂上裝有視燈及燈鏡在罐頂上裝有視燈及燈鏡,進料管、補料管、進料管、補料管、排氣管、接種管和壓力表接管排氣管、接種管和壓力表接管,排氣管應盡可排氣管應盡可能靠近罐頂中心位置。能靠近罐頂中心位置。 在罐身上的接管有冷卻水進出管、進空氣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。管、取樣管、溫度計管和測控儀表接口。小型發(fā)酵罐罐頂和罐身用法蘭連接，上設手孔用于清洗和配料 材料為碳鋼或不銹鋼，可用襯不銹鋼或復合不銹鋼，襯里不銹鋼厚度2-3mm，耐壓0.25MPa，壁厚取決于罐徑和罐壓。受

12、內壓壁厚計算：P-罐壓，D-罐徑；-焊縫系數(shù)，雙面對接0.8，無焊縫1C-腐蝕裕度，S-C10mm時，C=3mmCPPDS230 -許用應力，= 鋼板抗拉強度：35Kg/mm2；n=4 (t250)受外壓壁厚計算：nnCHDPHPDS11 2400a-系數(shù)，直立圓筒45，有焊縫取50H-圓筒高度，mm2.攪拌器 和擋板 攪拌器的主要作用是混合和傳質。1) 使通入的空氣分散成氣泡并與發(fā)使通入的空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合。酵液充分混合。 (2) 使氣泡細碎以增大氣使氣泡細碎以增大氣-液界面，以液界面，以獲得所需要的溶氧速率。獲得所需要的溶氧速率。3) 使生物細胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，使生物細

13、胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當?shù)臍庖跃S持適當?shù)臍?液液-固三相的混合與質量固三相的混合與質量傳遞傳遞4) 強化傳熱過程。強化傳熱過程。1 ）徑向流渦輪攪拌器 攪拌器有徑向流渦輪攪拌器. 軸向流攪拌器和組合式攪拌器三種。平直葉平直葉彎葉彎葉箭箭葉葉液體徑向流動液體徑向流動強烈，攪拌能力強烈，攪拌能力最弱最弱，消耗功率，消耗功率大大，粉碎氣泡能力，粉碎氣泡能力最強最強混合要求特別高混合要求特別高時用該種，消耗時用該種，消耗功率功率較小較小，粉碎，粉碎氣泡氣泡能力次之能力次之液體軸向流動更液體軸向流動更強烈，攪拌能力強烈，攪拌能力最強最強，消耗功率，消耗功率最最小小，粉碎氣泡能力，粉碎氣泡能力最

14、弱最弱徑向流槳整體宏觀流動場優(yōu)點優(yōu)點：氣體分散能力強：氣體分散能力強缺點缺點：功率消耗較大，作用范圍?。汗β氏妮^大，作用范圍小 通用式機械攪拌生化反應器中的直葉渦輪攪拌器為什么要安一個圓盤呢？ 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，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，從而被圓盤周邊的攪拌漿葉打碎、分散，提高了溶氧系數(shù)。2）軸向式攪拌器槳葉式槳葉式螺旋槳式螺旋槳式軸向流槳整體宏觀流動場優(yōu)點優(yōu)點：軸向混合性能較好，功耗

15、：軸向混合性能較好，功耗 低，作用范圍大低，作用范圍大缺點缺點：對氣體控制能力弱：對氣體控制能力弱3）組合式攪拌器）組合式攪拌器 1框式攪拌器2渦輪式攪拌器3刮板 多功能化攪拌設備多功能化攪拌設備 特點特點：下層攪拌器選擇徑向流：下層攪拌器選擇徑向流攪拌器，上層攪拌器采用軸向流攪攪拌器，上層攪拌器采用軸向流攪拌器。與單純采用徑向流攪拌器相拌器。與單純采用徑向流攪拌器相比，該組合形式可以提高傳質系數(shù)，比，該組合形式可以提高傳質系數(shù)，減少功率消耗，對于剪切敏感的細減少功率消耗，對于剪切敏感的細菌發(fā)酵過程還能夠減少剪切作用，菌發(fā)酵過程還能夠減少剪切作用，增加收率。增加收率。組合式攪拌器的應用： 1）

16、在一個攪拌容器內設置不同構形、不同轉速的攪拌器 以達到全罐攪拌與混合的目的。2）組合式攪拌器可減少混合時間，大量節(jié)省能耗， 提高產品質量。3）例如用于化妝品、牙膏等生產的攪拌設備，其介質為高粘物料，含有大量固體粉末，混合要求較高，常在一個容器內設有齒片式、錨式和螺桿式三個不同轉速攪拌軸。改進的攪拌器改進的攪拌器Scaba攪拌器其葉片的特殊形狀消除了葉片后面的氣穴，從而使通氣功率下降較小，因此可將電機的設計功率幾乎全部用于氣-液分散及傳質。 Prochem軸向流攪拌器，其通氣功率下降較小。 Lightnin公司的A315軸向流槳，比較適合高粘度非牛頓物系。 Intermig攪拌器有較低功率準數(shù)，

17、通氣功率值較小，在黃原膠發(fā)酵中有較好的混合性能，但存在不穩(wěn)定性問題。 新型攪拌器新型攪拌器國內研發(fā)的新型攪拌器擋板 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，擋板寬度取通常，擋板寬度取(0.10.2)D，高度自罐底起至設計的液面高度為，高度自罐底起至設計的液面高度為止。裝設止。裝設46塊即可。塊即可。 全擋板條件：全擋板條件：是指在一定轉速下再增加罐內附件而軸功率仍保持不是指在一定轉速下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變。要達到全擋板條件必須滿足下式要求：變。要達到全擋板條件必須滿足下式要求：流型流型 攪拌器在發(fā)酵罐中造成的流型，對氣固液相的混合效果及

18、氧氣的溶解、攪拌器在發(fā)酵罐中造成的流型，對氣固液相的混合效果及氧氣的溶解、熱量的傳遞具有密切關系。熱量的傳遞具有密切關系。 攪拌器造成的流體流動型式不僅決定于攪拌器本身，還受罐內的附件及攪拌器造成的流體流動型式不僅決定于攪拌器本身，還受罐內的附件及其安裝位置的影響。其安裝位置的影響。（1）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪拌流型）罐中心裝垂直螺旋槳攪拌器的攪拌流型 罐中心垂直安裝的螺槳，罐中心垂直安裝的螺槳，在無擋板的情況下，在在無擋板的情況下，在軸中心形成凹陷的旋渦。軸中心形成凹陷的旋渦。如在同一罐內安裝如在同一罐內安裝46塊塊擋板，液體的螺旋狀流擋板，液體的螺旋狀流受擋板折流，被迫向軸受擋板折流

19、，被迫向軸心方向流動，使旋渦消心方向流動，使旋渦消失，失，（2）渦輪式攪拌器的流型）渦輪式攪拌器的流型 上述三種渦輪攪拌器的攪拌流型基本上相同，各在渦輪平面的上下兩側形成向上和向下的兩個翻騰。如不滿足全擋板條件，軸中心位置也有凹陷的旋渦。適當?shù)陌才爬鋮s排管，也可基本消除軸中心凹陷的旋渦。（3）裝有套筒時的攪拌器攪拌流型）裝有套筒時的攪拌器攪拌流型 在罐內與垂直的攪拌器在罐內與垂直的攪拌器同中心安裝套簡，一可以同中心安裝套簡，一可以大大加強循環(huán)輸送效果，大大加強循環(huán)輸送效果，并能將液面的泡沫從套簡并能將液面的泡沫從套簡的上部入口，抽吸到液體的上部入口，抽吸到液體之中，具有自消泡能力。之中，具有自

20、消泡能力。伍氏發(fā)酵罐就是具有這種伍氏發(fā)酵罐就是具有這種中心套筒的機械攪拌罐。中心套筒的機械攪拌罐。南京匯科生物工程設備有限公司攪拌混合設備研發(fā)3. 消泡器消泡器的作用是將泡沫打破。消泡器的作用是將泡沫打破。最簡單實用的消泡裝置為耙式消泡器。消最簡單實用的消泡裝置為耙式消泡器。消泡耙齒底部應比發(fā)酵液面高出適當高度。泡耙齒底部應比發(fā)酵液面高出適當高度。消泡器的長度約為罐徑的消泡器的長度約為罐徑的0.65倍。倍。機械消泡裝置：一類置于罐內，目的是防止泡沫外溢，它是在攪拌軸或罐頂另外引入的軸（指攪拌軸由罐底伸入時）上裝上消泡槳；形式為鋸齒形、梳狀式及孔板式。消泡器的長度約為罐徑的0.65倍。另一類置于

21、罐外，能夠將從排氣中分離已溢出的泡沫使之破碎后將液體部分返回罐內。碟片式消炮機碟片式消炮機液體吹入式機械消泡把空氣及空氣與發(fā)酵液吹入發(fā)酵罐中形成的泡沫層來進行消泡 液體吹入式機械消泡裝置液體吹入式機械消泡裝置鄭裕國 王遠山 汪釗 陳小龍 朱勍 徐建妙（8）罐外機械消泡 旋轉葉片罐外機械消泡將泡沫引出罐外，利用裝置中的旋轉葉片所產生的沖擊力和剪切力進行消泡。2009.10鄭裕國 王遠山 汪釗 陳小龍 朱勍 徐建妙 離心力消泡將泡沫注入用網(wǎng)眼及篩目較大的篩子做成的筐中，通過旋轉產生的離心力將泡沫分散，從而達到消泡的目的。ADF系列全自系列全自動機械消泡器動機械消泡器 4. 聯(lián)軸器及軸承 大型發(fā)酵罐

22、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，軸的連接應垂直，中心線對正。 軸軸 承承 為了減少震動，中型發(fā)酵罐一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（如石聚四氟乙烯等），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，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個軸套。5.變速裝置變速裝置 試驗罐采用試驗罐采用無級變速裝置。無級變速裝置。發(fā)酵罐常用的發(fā)酵罐常用的變速裝置有三變速裝置有三角皮帶傳動，角皮帶傳動，

23、圓柱或螺旋圓圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝錐齒輪減速裝置，其中以三置，其中以三角皮帶變速傳角皮帶變速傳動較為簡便。動較為簡便。6，空氣分布裝置，空氣分布裝置 1、作用：吹入無菌空氣，使空氣分布均勻。 2、形式：、形式：單管單管：較常用，距：較常用，距離罐底離罐底40mm左右。左右。 環(huán)管式環(huán)管式：下部開：下部開28mm的小孔，易堵。的小孔，易堵。 7. 軸封 (Sterile seal) 作用：作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和染菌。防止泄漏和染菌。常用的軸封有常用的軸封有填料函軸封填料函軸封和和端面軸封端面軸封兩種兩種填料函軸封填料函軸封：由填

24、料箱體，填料底襯套，填料壓蓋由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓待零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。和壓緊螺栓待零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。填料函式軸封的填料函式軸封的優(yōu)點優(yōu)點是結構簡單。是結構簡單。 主要主要缺點缺點是：是： 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； 軸的磨損情況較嚴重；軸的磨損情況較嚴重； 填料壓緊后摩擦功率消耗大；填料壓緊后摩擦功率消耗大； 壽命短，經(jīng)常維修，耗工時多。壽命短，經(jīng)常維修，耗工時多。壓緊螺栓壓緊螺栓填料箱體填料箱體圖2.10 填料函轉軸轉軸填料壓蓋填料壓蓋銅環(huán)銅環(huán)填料填料端面式軸封又稱機械軸封：密封作用是靠彈性

25、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，并作相對轉動而達到密封。轉軸轉軸圖2.11 端面封軸動環(huán)動環(huán)靜環(huán)靜環(huán)堆焊硬質堆焊硬質O形環(huán)形環(huán)圖2.12 雙 端面封軸雙端面密封 （1)動環(huán)和靜環(huán)動環(huán)和靜環(huán) 應使此摩擦副（即動環(huán)和靜環(huán)）在給定應使此摩擦副（即動環(huán)和靜環(huán)）在給定的條件下，負荷最輕，密封效果最好，使用壽命最長。為的條件下，負荷最輕，密封效果最好，使用壽命最長。為此，動、靜環(huán)材料均要有良好的耐磨性，摩擦因數(shù)小，導此，動、靜環(huán)材料均要有良好的耐磨性，摩擦因數(shù)小，導熱性能好，結構緊密，且動環(huán)的硬度應比靜環(huán)大。熱性能好，結構緊密，且動環(huán)的硬度應比靜環(huán)大。（2）彈簧加荷

26、裝置）彈簧加荷裝置 此裝置的作用是產生壓緊力，使動、此裝置的作用是產生壓緊力，使動、靜環(huán)端面壓緊密切接觸，以確保密封。靜環(huán)端面壓緊密切接觸，以確保密封。（3 3）輔助密封原件）輔助密封原件 輔助密封原件有動環(huán)和靜環(huán)的密封輔助密封原件有動環(huán)和靜環(huán)的密封圈，用來密封動環(huán)與軸以及靜環(huán)與靜環(huán)座之間的縫隙。動圈，用來密封動環(huán)與軸以及靜環(huán)與靜環(huán)座之間的縫隙。動環(huán)密封圈隨軸一起旋轉，故與軸及動環(huán)是相對靜止的。靜環(huán)密封圈隨軸一起旋轉，故與軸及動環(huán)是相對靜止的。靜環(huán)密封圈是完全靜止的。常用的動環(huán)密封圈為環(huán)密封圈是完全靜止的。常用的動環(huán)密封圈為“O”“O”形環(huán)，形環(huán)，靜環(huán)密封圈為平橡膠墊片。靜環(huán)密封圈為平橡膠墊片

27、。 端面式軸封的端面式軸封的優(yōu)點：優(yōu)點： 清潔；清潔； 密封可靠；密封可靠； 無死角，可以防止雜菌污染；無死角，可以防止雜菌污染； 使用壽命長；使用壽命長； 摩擦功率耗損?。荒Σ凉β屎膿p?。?軸或軸套不受磨損；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。格，對軸的震動敏感性小。 端面式軸封的端面式軸封的缺點缺點： 結構比填料密封復雜，裝拆不便；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。對動環(huán)及靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。8. 發(fā)酵罐的換熱裝置 發(fā)酵過程中，由生物氧化產生的熱量和

28、機械攪拌產生的熱量必須及時移去，才能保證發(fā)酵在恒溫下進行。通常我們稱發(fā)酵過程中發(fā)酵液產生的凈熱量為“發(fā)酵熱”，其熱平衡方程式表示為 Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q空氣-Q輻射式中式中 Q生物生物- 生物體生命活動中產生的熱量生物體生命活動中產生的熱量 Q攪拌攪拌- 攪拌器攪動液體時，機械能轉化為熱能時的熱量攪拌器攪動液體時，機械能轉化為熱能時的熱量 Q空氣空氣- 通入發(fā)酵罐內的空氣由于發(fā)酵液中水分蒸發(fā)及空氣溫度上升帶走的熱通入發(fā)酵罐內的空氣由于發(fā)酵液中水分蒸發(fā)及空氣溫度上升帶走的熱量量 Q輻射輻射- 發(fā)酵罐外壁由于壁溫與大氣溫度差而引起的熱量傳遞發(fā)酵罐外壁由于壁溫與大氣溫度差而引起的熱量傳遞(1)

29、 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：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：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時降溫效果差。a)夾套傳熱夾套傳熱 (b)列管傳列管傳熱熱(2) 豎式蛇管換熱裝置 這種裝置是豎式的蛇管，分組安裝于發(fā)酵罐內，四組、六組或八組不等，根據(jù)管的直徑大小而定，容積5 m3以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。 優(yōu)點：冷卻水在管內的流速大；傳熱系數(shù)高。這種冷卻裝置適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。 缺點：氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)

30、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。3) 豎式列管(排管)換熱裝置 這種整置是以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內。 優(yōu)點：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)，當流速較快時，降溫速度快。 缺點：傳熱系數(shù)較蛇管低， 用水量較大。二、機械攪拌通風發(fā)酵罐的幾何尺寸及體積1. 幾何尺寸 HD 1.74.0H0D 2.03.0DiD 0.30.5CDi 0.81.0BD 0.080.1HLD 1.42.S/D 1或 S/Di 圖圖 罐體有關尺寸符號表示罐體有關尺寸符號表示2. 機械攪拌通風發(fā)酵罐的

31、容積計算（1）罐的總容積V總V總總VO2Vl（m3）式中式中 VO圓柱部分的體積，圓柱部分的體積，m3； Vl上或下封頭的體積，上或下封頭的體積，m3。對于橢圓形封頭對于橢圓形封頭：（2）罐的有效容積V有效 罐的有效容積為罐的實際裝料容積，它等于罐的總容積V總乘以罐的容積裝滿系數(shù)，即V有效有效V總總式中式中 一裝滿系數(shù)（一般取一裝滿系數(shù)（一般取0.650.75）（3）罐的公稱容積）罐的公稱容積Vn 所謂所謂“公稱容積公稱容積”是指罐的圓柱部分和底封頭容積之和，是指罐的圓柱部分和底封頭容積之和，其值為整數(shù)，一般不計入上封頭的容積，平常所說的多少其值為整數(shù)，一般不計入上封頭的容積，平常所說的多少體

32、積的發(fā)酵罐是指罐的體積的發(fā)酵罐是指罐的“公稱容積公稱容積”。 V 公稱公稱=V0+V底底例題 現(xiàn)設計一年產量G為200噸的鏈霉素車間，成品效價Up為740U/mg，平均發(fā)酵水平Um為22000U/ml，包括輔助時間在內的發(fā)酵周期t為8d，若發(fā)酵液收率為95%，提煉總收率p為65%，發(fā)酵罐臺數(shù)n為8臺（每天一罐），裝料系數(shù)0為75%，年工作日m為300d，求發(fā)酵罐的公稱容積。33m0mpp0m50m42.482200075. 095. 065. 0800387402001000UnmU1000 取整為解：tGV3、發(fā)酵罐數(shù)量的計算、發(fā)酵罐數(shù)量的計算 物料平衡的原則，對于一定的生產能力，所需發(fā)酵罐

33、物料平衡的原則，對于一定的生產能力，所需發(fā)酵罐的個數(shù)（的個數(shù)（N）可表示為）可表示為 N=（n Vd /V總總）+ 1 式中式中 n- 每個發(fā)酵周期相當?shù)奶鞌?shù)，周期（小時數(shù)）每個發(fā)酵周期相當?shù)奶鞌?shù)，周期（小時數(shù)）/24 - 發(fā)酵罐的裝滿系數(shù)（0.650.75) V- 每個發(fā)酵罐的總體積，m Vd-每個需要生產的發(fā)酵液量，、m /d三三.機械攪拌通風發(fā)酵罐的熱量和冷卻面積計算機械攪拌通風發(fā)酵罐的熱量和冷卻面積計算通?？山朴?Q3+Q420%Q11 發(fā)酵過程的熱量計算發(fā)酵過程的熱量計算發(fā)酵所產生的發(fā)酵所產生的發(fā)酵熱發(fā)酵熱Q，可用下式計算，可用下式計算 Q=Q1+Q2-Q3-Q4 式中式中 Q1-

34、 生物合成熱，包括生物呼吸放熱和發(fā)酵熱兩部分生物合成熱，包括生物呼吸放熱和發(fā)酵熱兩部分 Q2 - 機械攪拌放熱機械攪拌放熱 Pg -攪拌功能攪拌功能 - 功率轉化率功率轉化率 Q3- 發(fā)酵過程通氣帶出的水蒸氣所的汽化熱及氣溫上升所帶出的熱量發(fā)酵過程通氣帶出的水蒸氣所的汽化熱及氣溫上升所帶出的熱量 Q4- 發(fā)酵罐壁與環(huán)境存在溫差而傳遞散失的熱量發(fā)酵罐壁與環(huán)境存在溫差而傳遞散失的熱量2 換熱裝置傳熱面積的計算 1)溫差計算 tm=(T-t1)-(T-t2) /ln (T-t1)(T-t2) T、t1 、t2 分別為醪溫、冷卻水進出口溫度2)傳熱面積的計算 F=Q總/Ktm () 式中 Q總-主發(fā)酵

35、期發(fā)酵液每小時放出最大的熱量（發(fā)酵熱） K -換熱裝置的傳熱系數(shù)四四 攪拌器軸功率計算攪拌器軸功率計算魯士頓魯士頓(Rushton J. H.)公式：公式：（一）不通氣條件下的軸功率（一）不通氣條件下的軸功率P0計算計算P0無通氣攪拌輸入的功率無通氣攪拌輸入的功率（W）；NP功率準數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)功率準數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；的函數(shù)；渦輪轉速渦輪轉速（r/s）；L液體密度（液體密度（kg/m3）；）； 液體粘度（液體粘度（N.s/m2）；）；D i渦輪直徑（渦輪直徑（m）；）；攪拌器的攪拌器的Np-ReM線圖線圖圓盤六平直葉渦輪圓盤六平直葉渦輪 NP6圓盤六彎葉渦輪圓盤六彎葉渦輪 NP4

36、.7圓盤六箭葉渦輪圓盤六箭葉渦輪 NP3.72）通氣液體機械攪拌功率的計算）通氣液體機械攪拌功率的計算 邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測量其輸出功率，邁凱爾用六平葉渦輪將空氣分散于液體中，測量其輸出功率，在雙對數(shù)坐標上將在雙對數(shù)坐標上將Pg標繪成渦輪直徑標繪成渦輪直徑D，轉速，空氣流量，轉速，空氣流量Q和和P0的函數(shù)，得出以下關系式：的函數(shù)，得出以下關系式： 同一攪拌器在相等的轉速下輸入于通氣液體的攪拌功率比同一攪拌器在相等的轉速下輸入于通氣液體的攪拌功率比不通氣液體的低。這可以解釋為：通氣使液體的重度降低。不通氣液體的低。這可以解釋為：通氣使液體的重度降低。 功率的降低，不僅與液體平

37、均重度的降低有關，而且主要功率的降低，不僅與液體平均重度的降低有關，而且主要取決于渦輪周圍氣液接觸的狀況。取決于渦輪周圍氣液接觸的狀況。五、小型機械攪拌通風發(fā)酵設備操作五、小型機械攪拌通風發(fā)酵設備操作（一）小型機械攪拌通風發(fā)酵設備組成（一）小型機械攪拌通風發(fā)酵設備組成小型機械攪拌通風發(fā)酵設備一般由電熱鍋爐、空氣壓縮機、小型機械攪拌通風發(fā)酵設備一般由電熱鍋爐、空氣壓縮機、發(fā)酵罐、控制柜，管道組成。發(fā)酵罐、控制柜，管道組成。（二）小型機械攪拌通風發(fā)酵設備操作方法（二）小型機械攪拌通風發(fā)酵設備操作方法 1、準備工作、準備工作 （1）電熱鍋爐）電熱鍋爐 （2）空壓機）空壓機 （3）pH電極和電極和DO

38、電極電極 （4）發(fā)酵罐的接種口蓋）發(fā)酵罐的接種口蓋2、空消、空消 投料前，發(fā)酵罐內壁及其附屬管路閥門必須用蒸汽進行滅菌，保投料前，發(fā)酵罐內壁及其附屬管路閥門必須用蒸汽進行滅菌，保證系統(tǒng)處于無菌狀態(tài)。證系統(tǒng)處于無菌狀態(tài)。 3、實消、實消 實消是當罐內加入培養(yǎng)基后，用蒸汽對培養(yǎng)基進行滅菌的過程。實消是當罐內加入培養(yǎng)基后，用蒸汽對培養(yǎng)基進行滅菌的過程。 4、接種培養(yǎng)、接種培養(yǎng) 5、清洗和保養(yǎng)、清洗和保養(yǎng) （1）發(fā)酵結束出料完畢后，關閉空壓機?？刂瓢迕婧碗娔X，及時）發(fā)酵結束出料完畢后，關閉空壓機?？刂瓢迕婧碗娔X，及時清洗發(fā)酵罐，排盡罐內、管道內、蒸汽發(fā)生器內積水。清洗發(fā)酵罐，排盡罐內、管道內、蒸汽發(fā)生

39、器內積水。 （2）從發(fā)酵罐取下）從發(fā)酵罐取下pH電極和電極和DO電極，用蒸餾水沖洗干凈，在用電極，用蒸餾水沖洗干凈，在用吸水紙擦干。吸水紙擦干。pH電極保存在電極保存在pH4的緩沖液中，的緩沖液中，DO電極保存在墊有海電極保存在墊有海綿的盒中。綿的盒中。2009.10鄭裕國 王遠山 汪釗 陳小龍 朱勍 徐建妙小型發(fā)酵罐生產車間鎮(zhèn)江東方生物工程設備技術有限責任公司 2009.10鄭裕國 王遠山 汪釗 陳小龍 朱勍 徐建妙大型發(fā)酵罐制造車間 鎮(zhèn)江東方生物工程設備技術有限責任公司2009.10鄭裕國 王遠山 汪釗 陳小龍 朱勍 徐建妙江蘇達森發(fā)酵設備工程有限公司生產的發(fā)酵罐第二節(jié) 其他類型的通風發(fā)酵

40、罐二、二、空空氣帶升環(huán)式發(fā)酵罐氣帶升環(huán)式發(fā)酵罐一、機械攪拌自吸式發(fā)酵罐一、機械攪拌自吸式發(fā)酵罐三、高位塔式發(fā)酵罐三、高位塔式發(fā)酵罐四、噴射自吸式發(fā)酵罐四、噴射自吸式發(fā)酵罐一、機械攪拌自吸式發(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。1. 機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的結構機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的結構罐體罐體自吸攪拌器及導輪自吸攪拌器及導輪軸封軸封換熱裝置換熱裝置消泡器消泡器圖圖1 機械攪拌自吸式發(fā)酵罐機械攪拌自吸式發(fā)酵罐1-人孔人孔 2-進風管進風管 3-軸封軸封

41、 4-轉子轉子 5-電機電機 6-聯(lián)軸器聯(lián)軸器 7-軸封軸封 8-攪拌軸攪拌軸 9-定子定子 l0-冷卻蛇管冷卻蛇管 11-消泡器消泡器 12-排氣管排氣管 13-消泡轉軸消泡轉軸 2. 機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的充氣原理 攪拌裝置與通用式發(fā)酵罐不同。其攪拌器是空心葉輪，稱為轉子，轉子外緣是導輪，稱為定子。轉子的形式有多種，可以根據(jù)需要做成九葉輪、三葉輪、四葉輪等。葉輪在未啟動前首先被發(fā)酵液浸滿。葉輪啟動后，高速旋轉的葉輪將其中心的液體甩出，使中央形成負壓，從而將罐外的空氣通過空氣導管導入罐內，并與高速流動的液體密切接觸形成細小的氣泡分散在液體中。 氣液混合體隨后在離心力作用下，被甩向葉輪外緣，從

42、葉輪末端排出后，立即通過導輪向罐壁分散，經(jīng)擋板斥向涌動的液面，在湍流狀態(tài)下實現(xiàn)混和、翻騰、擴散，使空氣在發(fā)酵液中均勻分布，實現(xiàn)氣液固三相的良好接觸。轉子速度越大，形成的負壓也越大，吸風量也越大。3. 機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的特點優(yōu)點： (1) 不必配備空氣壓縮機及其附屬設備，節(jié)約不必配備空氣壓縮機及其附屬設備，節(jié)約設備投資，減少廠房面積設備投資，減少廠房面積 (2) 溶氧速率、效率高，能耗較低。溶氧速率、效率高，能耗較低。 (3) 用于酵母生產和醋酸發(fā)酵具有生產效率高、經(jīng)濟效益高的優(yōu)點。用于酵母生產和醋酸發(fā)酵具有生產效率高、經(jīng)濟效益高的優(yōu)點。 （4）設備便于自動化，連續(xù)化，降低勞動強度，減少勞動

43、力。）設備便于自動化，連續(xù)化，降低勞動強度，減少勞動力。 缺點缺點：1)發(fā)酵系統(tǒng)不能保持一定的正壓，較易產生雜菌污染。同時，發(fā)酵系統(tǒng)不能保持一定的正壓，較易產生雜菌污染。同時， 必須配備低阻力損失的高效空氣過濾系統(tǒng)。必須配備低阻力損失的高效空氣過濾系統(tǒng)。 2)這類發(fā)酵罐攪拌轉速較高，有可能使菌絲被攪拌器切這類發(fā)酵罐攪拌轉速較高，有可能使菌絲被攪拌器切 斷，使斷，使正常生長受到影響。正常生長受到影響。 3) 自吸式發(fā)酵罐裝量系數(shù)較低，約自吸式發(fā)酵罐裝量系數(shù)較低，約40%左右。左右。 4) 攪拌軸為下伸式，其軸封要求更苛刻，多采用雙端面軸封，攪拌軸為下伸式，其軸封要求更苛刻，多采用雙端面軸封，安裝

44、、安裝、 維修較繁瑣。維修較繁瑣。二、氣升環(huán)式發(fā)酵罐(air lift reactor, ALR)1. 氣升環(huán)式發(fā)酵罐的工作原理 將無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射將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)酵液則向上運動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質。溶氧傳質。特點：沒有攪拌器，且有定向特點：沒有攪拌器，且有定向循環(huán)流動循環(huán)流動圖圖 河南蓮花味精集團公司

45、使用的氣升式發(fā)酵罐照片河南蓮花味精集團公司使用的氣升式發(fā)酵罐照片 2. 氣升環(huán)式發(fā)酵罐的結構 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、下降管 空氣噴嘴內循環(huán)式內循環(huán)式外循環(huán)式外循環(huán)式 氣升式發(fā)酵罐的性能指標氣升式發(fā)酵罐的性能指標 氣升式發(fā)酵罐是否符合工藝要求及氣升式發(fā)酵罐是否符合工藝要求及經(jīng)濟指標，應從下面幾方面進行考經(jīng)濟指標，應從下面幾方面進行考慮。慮。 循環(huán)周期時間必須符合菌種發(fā)酵的循環(huán)周期時間必須符合菌種發(fā)酵的需要。需要。 選用適當直徑的噴嘴。具有適當直選用適當直徑的噴嘴。具有適當直徑的噴嘴才能保證氣泡分割細碎，徑的噴嘴才能保證氣泡分割細碎，與發(fā)酵液均勻接觸，增加溶氧系數(shù)

46、。與發(fā)酵液均勻接觸，增加溶氧系數(shù)。1)循環(huán)周期:指培養(yǎng)液在環(huán)流管內循環(huán)一次 所需的時 間 公式表示為:24dVQVLCLQQAc循環(huán)周期，循環(huán)周期，s； VL培養(yǎng)液體積，培養(yǎng)液體積，m3； QC培養(yǎng)液環(huán)流量，培養(yǎng)液環(huán)流量，m3.s-1； 培養(yǎng)液在環(huán)流管內流速，培養(yǎng)液在環(huán)流管內流速，m.s-1； d環(huán)流管內徑，環(huán)流管內徑，m.2)氣液比氣液比:指培養(yǎng)液的環(huán)流量指培養(yǎng)液的環(huán)流量QC與通風量與通風量Q之比。之比。公式表示為公式表示為:3）噴嘴直徑的計算）噴嘴直徑的計算 環(huán)流管的高度應大于4m 、罐內發(fā)酵液液面不能低于環(huán)流管出口 ! 1）低于環(huán)流管出口，發(fā)酵液的循環(huán)量及循環(huán)效率將明顯下降；）低于環(huán)流管

47、出口，發(fā)酵液的循環(huán)量及循環(huán)效率將明顯下降； 2）發(fā)酵液面與環(huán)流管出口相平時，發(fā)酵液的環(huán)流量及環(huán)流效率達到）發(fā)酵液面與環(huán)流管出口相平時，發(fā)酵液的環(huán)流量及環(huán)流效率達到最大值。最大值。 3）罐內發(fā)酵液超過環(huán)流管出口過多，造成不利）罐內發(fā)酵液超過環(huán)流管出口過多，造成不利 影響，有可能出現(xiàn)影響，有可能出現(xiàn)罐內液體旋轉混合不均勻罐內液體旋轉混合不均勻 的的“循環(huán)短路循環(huán)短路”現(xiàn)象，使罐內的溶解氧分布現(xiàn)象，使罐內的溶解氧分布不不 均勻而使傳氧效率下降。均勻而使傳氧效率下降。 d/d0Aug/u1d0:噴嘴孔徑d:環(huán)流管內徑A:氣液比ug/u1:分別為空氣和液體的粘度3. 氣升環(huán)式發(fā)酵罐的特點(1) 反應溶液分布均勻;(2) 較高的溶氧速(3) 剪切力小，對生物細胞損傷小;(4) 傳熱良好;(5) 結構簡單，易于加工制造;(6) 操作和維修方便。 廣泛用于大規(guī)模廣泛用于大規(guī)模生產單細胞蛋白質生產單細胞蛋白質，但不適用于，但不適用于高黏度或含大量固體的培養(yǎng)液。高黏度或含大量固體的培養(yǎng)液。4. 氣升環(huán)式發(fā)酵罐的應用范圍氣升環(huán)式發(fā)酵罐的應用范圍三三 高位塔式發(fā)酵罐高位塔式發(fā)酵罐 塔式發(fā)酵罐是塔式發(fā)酵罐是20世紀世紀60年代發(fā)展起來的年代發(fā)展起來的一種新型發(fā)酵罐，高徑比大，一般一種新型發(fā)酵罐，高徑比大，一般H/D10，最大高徑比達最大高徑比達20以上。罐內裝有多塊多孔以上。罐內裝有多塊多孔板，對通過