第9章發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)

1、第九章第九章 發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)2發(fā)酵罐發(fā)酵罐3發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)與放大二二發(fā)酵罐類型與結(jié)構(gòu)一一發(fā)酵罐的類型發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)四四三三發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)發(fā)酵罐的放大4v了解發(fā)酵罐的類型了解發(fā)酵罐的類型v 掌握通用式發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)掌握通用式發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)v了解發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則和要求了解發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則和要求v了解發(fā)酵罐放大設(shè)計(jì)的方法了解發(fā)酵罐放大設(shè)計(jì)的方法5發(fā)酵罐的基本概念v發(fā)酵設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè)的心臟，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。的心臟，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。v廣義的發(fā)酵罐廣義的發(fā)酵罐是指為一個(gè)特定生物化學(xué)過(guò)

2、程的操作是指為一個(gè)特定生物化學(xué)過(guò)程的操作提供良好而滿意的環(huán)境的容器。提供良好而滿意的環(huán)境的容器。工業(yè)發(fā)酵中一般指工業(yè)發(fā)酵中一般指進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備。6一、發(fā)酵罐的類型v好氧發(fā)酵罐好氧發(fā)酵罐 (通風(fēng)發(fā)酵罐通風(fēng)發(fā)酵罐) 抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸，維生素等抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸，維生素等 需要強(qiáng)烈的通風(fēng)攪拌需要強(qiáng)烈的通風(fēng)攪拌提高氧傳質(zhì)系數(shù)提高氧傳質(zhì)系數(shù)KLav厭氧發(fā)酵罐厭氧發(fā)酵罐 (嫌氣發(fā)酵罐嫌氣發(fā)酵罐) 丙酮丁醇、丙酮丁醇、酒精、啤酒酒精、啤酒、乳酸等、乳酸等 不需要通氣不需要通氣1、按微生物代謝類型分類、按微生物代謝類型分類7一、發(fā)酵罐的類型2、按供氧方式

3、分類、按供氧方式分類機(jī)械攪拌非機(jī)械攪拌（通用式發(fā)酵罐）機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐噴射自吸式發(fā)酵罐伍式發(fā)酵罐通風(fēng) 發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐8一、發(fā)酵罐的類型3、新型發(fā)酵罐、新型發(fā)酵罐v膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器 近年來(lái)生物工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)近年來(lái)生物工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 反應(yīng)反應(yīng) 和和 分離的耦合分離的耦合 使產(chǎn)物及時(shí)移去，降低產(chǎn)物的反饋抑制作用使產(chǎn)物及時(shí)移去，降低產(chǎn)物的反饋抑制作用99q室驗(yàn)室用發(fā)酵罐1 L-50Lq中試用發(fā)酵罐50L-5000L 發(fā)酵罐大小的大致概念10v 抗生素發(fā)酵罐的容積以80200 米3 為主v 氨基酸、檸檬酸的發(fā)酵罐較普遍使用150300 米3 v珠海益力

4、味精集團(tuán)有限公司630 米3機(jī)械攪拌發(fā)酵罐，是世界上最大的通用式發(fā)酵罐之一。v越來(lái)越多的啤酒生產(chǎn)廠家采用 400m3 和600m3 大罐,甚至 800m3 大罐。v新建的酒精生產(chǎn)企業(yè)，其發(fā)酵罐單罐容積一般在1000-2000米3之間q生產(chǎn)用發(fā)酵罐： 5000 L11發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)與放大二二發(fā)酵罐類型與結(jié)構(gòu)一一發(fā)酵罐的類型發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)四四三三發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)發(fā)酵罐的放大12二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 1. 通用式發(fā)酵罐v 利用機(jī)械攪拌器的作用，使無(wú)菌空氣和發(fā)酵液充分混利用機(jī)械攪拌器的作用，使無(wú)菌空氣和發(fā)酵液充分混合，促進(jìn)氧溶解，以保證微生物的生長(zhǎng)繁殖所需要的合，促進(jìn)氧溶解，以保證微生物的生長(zhǎng)繁殖所

5、需要的氧氣。氧氣。v約占發(fā)酵罐總數(shù)的約占發(fā)酵罐總數(shù)的7080%，所以也稱，所以也稱標(biāo)準(zhǔn)式標(biāo)準(zhǔn)式或或通用通用式式發(fā)酵罐。發(fā)酵罐。機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐13通用式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 罐體 軸封 消泡器 攪拌器 聯(lián)軸器 軸承 擋板 空氣分布管 換熱裝置 人孔、管路、測(cè)量?jī)x表等14通用式發(fā)酵罐的主要部件通用式發(fā)酵罐的主要部件(1) (1) 罐體罐體 (2) (2) 攪拌器攪拌器(3) (3) 擋板擋板 (4)(4) 軸封軸封 (5) (5) 消泡器消泡器(6) (6) 空氣分布管空氣分布管(7)(7)聯(lián)軸器聯(lián)軸器(8)(8)軸承軸承 (9)(9)變速裝置變速裝置(10)(10)換熱裝置換熱裝置 (11)(11)

6、人孔人孔(12)(12)管路管路(13)(13)測(cè)量?jī)x表測(cè)量?jī)x表二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 1. 通用式發(fā)酵罐15(1)罐體v罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成。v小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接v材料一般為不銹鋼。16橢圓封頭橢圓封頭筒體筒體冷卻蛇管冷卻蛇管1718（1）罐體v為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設(shè)有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝設(shè)有維修或清洗的人孔。v 罐頂還裝有視鏡。v在罐頂上的接管有：進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管和壓力表接管。19結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)20發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖21（1）罐體v在罐身上的接管有冷卻水進(jìn)出管、進(jìn)空氣管、取樣管、溫度計(jì)管和測(cè)控儀表接口。22(1) 罐體的尺寸比例v H

7、：筒身高度v HL：液位高度v D：罐徑v d: 攪拌器直徑v s: 兩攪拌器間距v B：下攪拌器距底部間距23(1) 罐體的尺寸比例v H/D=1.73v HL/D=22.5v d/D=1/31/2v W/D=1/121/8v B/D=0.81.0v (s/d)2=1.52.5 v (s/d)3=12以罐體直徑以罐體直徑D、攪拌器直徑、攪拌器直徑d為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)24v發(fā)酵罐最重要的幾何比例是發(fā)酵罐最重要的幾何比例是D /Dt，H/Dt， Ds/Di， Db/Dt，(Di為攪拌漿直徑，為攪拌漿直徑，Dt為罐體為罐體直徑，直徑， H 為罐體高度，為罐體高度，Ds為攪拌漿到罐底的為攪拌漿到罐底的距離

8、，距離， Db為擋板的寬度為擋板的寬度)；還有攪拌漿的葉；還有攪拌漿的葉輪直徑和各部分的比例。輪直徑和各部分的比例。25(2) 攪拌器v 攪拌器的作用攪拌器的作用 使通入的空氣分散成小氣泡，使通入的空氣分散成小氣泡，增加氣液接觸，促進(jìn)氧溶解于增加氣液接觸，促進(jìn)氧溶解于發(fā)酵液中。發(fā)酵液中。26(2) 攪拌器v 攪拌器的類型攪拌器的類型 徑向式（渦輪式）徑向式（渦輪式）軸向式軸向式平葉式、彎葉式和箭葉式平葉式、彎葉式和箭葉式螺旋槳式、漿葉式螺旋槳式、漿葉式類類型型軸向軸向徑向徑向27軸向式攪拌器螺旋槳式槳葉式28六平葉攪拌器六箭葉攪拌器六彎葉攪拌器徑向式(渦輪式)攪拌器n渦輪攪拌器要安一個(gè)圓盤？q

9、為了避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿軸上升2930在相同的攪拌功率在相同的攪拌功率PG下下， 粉碎氣泡粉碎氣泡能力：平能力：平彎彎箭箭 翻動(dòng)流體翻動(dòng)流體能力：箭能力：箭彎彎平平v工廠多采用在同一攪拌軸上安裝不同葉形的工廠多采用在同一攪拌軸上安裝不同葉形的攪拌器攪拌器 上層：以混合為主的軸流型或箭葉攪拌器 下層：以粉碎氣泡為主的平葉渦輪攪拌器。31(3) 擋板擋板擋板空氣分布器空氣分布器擋板擋板32v擋板的作用：擋板的作用： 改變液流的方向，由徑向流改變液流的方向，由徑向流軸向流，促使液軸向流，促使液體激烈翻動(dòng)，體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧增加溶解氧。 防止防止攪拌過(guò)程中攪拌過(guò)程中漩渦漩渦的產(chǎn)生，

10、而導(dǎo)致攪拌器露的產(chǎn)生，而導(dǎo)致攪拌器露在料液以上，起不到攪拌作用。在料液以上，起不到攪拌作用。 無(wú)擋板的攪拌器形成的流型無(wú)擋板的攪拌器形成的流型 有擋板的攪拌器形成的流型有擋板的攪拌器形成的流型33v擋板的寬度： W/D=1/121/8(取0.1)v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。一般要滿足下式： （W/D）Z =0.4 Z檔板數(shù) 一般裝四塊擋板34發(fā)酵罐內(nèi)的列管、排管或蛇管也可起相應(yīng)的擋板作用。35v一般具有冷卻列管或排管的發(fā)酵罐內(nèi)不另設(shè)擋板。v擋板的長(zhǎng)度自液面起到罐底為止。v擋板與罐壁之間的距離為（0.20.4）W，避免形成

11、死角，防止物料與菌體堆積。36(4) 軸封v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。v形式： 填料函軸封 端面軸封(機(jī)械軸封)37v填料函軸封是由填料箱體、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。38n填料函式軸封的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。填料函式軸封的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。n用于發(fā)酵罐，它的缺點(diǎn)是：用于發(fā)酵罐，它的缺點(diǎn)是：q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；q軸的磨損情況較嚴(yán)重；軸的磨損情況較嚴(yán)重；q填料壓緊后摩擦功率消耗大；填料壓緊后摩擦功率消耗大；q壽命短，經(jīng)常維修，耗工時(shí)多。壽命短，經(jīng)常維修，耗工時(shí)多。n故在發(fā)

12、酵罐上，多數(shù)不用故在發(fā)酵罐上，多數(shù)不用39機(jī)械軸封機(jī)械軸封n又稱端面軸封v組成組成 1 1）動(dòng)環(huán)和靜環(huán)動(dòng)環(huán)和靜環(huán) 2 2）彈性元件彈性元件 3 3）輔助密封元件輔助密封元件 “ “O”O(jiān)”形環(huán)和平橡膠墊片形環(huán)和平橡膠墊片 40n動(dòng)環(huán)固定在軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。n靜環(huán)裝在殼體上。n動(dòng)環(huán)依靠彈簧的壓力與靜環(huán)緊密接觸n通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)環(huán)的端面互相密切貼合而達(dá)密封目的。n輔助密封圈防止液體從動(dòng)環(huán)與軸之間泄漏41(5) 消泡器1. 化學(xué)消泡：植物油脂，動(dòng)物油脂，高分子化合物。化學(xué)消泡：植物油脂，動(dòng)物油脂，高分子化合物。2. 機(jī)械消泡裝置機(jī)械消泡裝置：耙式消泡器，渦輪消泡器耙式消泡器，渦輪消泡器；旋風(fēng)離心

13、式和旋風(fēng)離心式和葉輪式離心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器葉輪式離心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。等。旋風(fēng)離心式旋風(fēng)離心式葉輪離心式葉輪離心式耙式消泡器耙式消泡器罐內(nèi)消泡罐內(nèi)消泡罐外消泡罐外消泡罐外消泡罐外消泡42耙式消耙式消泡器泡器旋風(fēng)式旋風(fēng)式消泡器消泡器略高于液面，長(zhǎng)度略高于液面，長(zhǎng)度約為約為0.80.9D43安裝在罐外的安裝在罐外的消泡裝置消泡裝置接于罐的排氣口接于罐的排氣口旋風(fēng)式消泡器n其工作原理與旋風(fēng)分離器相同。n右圖為改進(jìn)的旋風(fēng)式消泡器，它可以和消泡劑盒配合使用，并根據(jù)發(fā)酵罐內(nèi)的泡沫情況自動(dòng)添加消泡劑。44(6) 空氣分布器v 作用作用：吹入無(wú)菌空氣，并使空氣均勻分布。：

14、吹入無(wú)菌空氣，并使空氣均勻分布。v 形式形式：?jiǎn)喂埽画h(huán)形管單管；環(huán)形管v 空氣由分布管噴出上升時(shí)，被攪拌器打碎成小氣空氣由分布管噴出上升時(shí)，被攪拌器打碎成小氣泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。泡，并與發(fā)酵液充分混合，增加了氣液傳質(zhì)效果。45v 單管：常用，簡(jiǎn)單實(shí)用，單次通入量大通風(fēng)管通風(fēng)管v 單管式管口對(duì)正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，噴口朝下噴口朝下，管口與罐低的距離約40mm。v為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)?？裳娱L(zhǎng)罐底壽命，叫補(bǔ)強(qiáng)板。46v 環(huán)形管：屬于多孔管式?？諝夥植季鶆颍Ч蝗鐔喂苁?，且噴氣孔容易被堵塞?，F(xiàn)

15、很少采用。47(7) 聯(lián)軸器v 大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，常分為二至三段加工，再用聯(lián)軸器組成牢固的剛性聯(lián)接。v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。法蘭聯(lián)軸器48聯(lián)軸器示意圖聯(lián)軸器示意圖 495051(8) 軸承v中型發(fā)酵罐裝有底軸承，大型發(fā)酵罐裝有中間軸承。 中間軸承底軸承52n作用：對(duì)軸固定，防止擺動(dòng)，同時(shí)又不影響轉(zhuǎn)動(dòng)53(9) 變速裝置需要變速的原因： 電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于攪拌器所需轉(zhuǎn)速。v電機(jī)分四級(jí)，轉(zhuǎn)速分別約為： 800、1000、1400、1600 rpm；v而攪拌轉(zhuǎn)速則一般為90-110 rpm。v發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動(dòng)。54(9) 變速裝置 三角皮帶

16、三角皮帶55(10) 傳熱裝置發(fā)酵罐的冷卻,主要是考慮：v微生物發(fā)酵過(guò)程的發(fā)酵熱v機(jī)械攪拌消耗的功率移送給培養(yǎng)基的熱量v此外還要考慮,發(fā)酵罐空消、實(shí)消后的冷卻時(shí)間。5657v夾套夾套：在小型罐中往往應(yīng)用夾套換熱裝置，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，易清洗。 換熱系數(shù)較低，故只用于5m3以下的小罐。夾套的換熱系數(shù)在400600kJ(m2h)之間。58v立式蛇管：在罐內(nèi)設(shè)4組或8組蛇管。其優(yōu)點(diǎn)為：管內(nèi)水的流速大，傳熱系數(shù)高，在12004000kJ(m2h)之間。v可兼起檔板的作用。v缺點(diǎn)：罐內(nèi)立式蛇管體積約占發(fā)酵罐的1.5 %容積，蛇管一旦發(fā)生泄漏，將造成整個(gè)罐批的發(fā)酵液染菌，且罐內(nèi)蛇管也給罐體清洗帶來(lái)

17、了不便。59v近來(lái)新型發(fā)酵罐的冷卻面移至罐外,采用半圓形外蛇管v優(yōu)點(diǎn) 罐體容易清洗 增強(qiáng)罐體強(qiáng)度,因而可大大降低罐體壁厚,使整個(gè)發(fā)酵罐造價(jià)降低 提高了發(fā)酵罐的容積,增大放罐體積60(11) 人孔v人孔：中大型發(fā)酵罐頂裝設(shè)有人孔，用于發(fā)酵罐的維修或清洗。61(12) 發(fā)酵罐的管路、接口n罐體上的通道口一般有：進(jìn)料口放料口放料口接種口取樣口取樣口消泡劑口補(bǔ)料口進(jìn)氣口進(jìn)氣口排氣口發(fā)酵罐的工作周期n空消實(shí)消降溫、通氣接種、補(bǔ)料、取樣放料清洗進(jìn)料管路有時(shí)配在罐體上封頭,有時(shí)位于罐體下部與放料管路共用一個(gè)管口有時(shí)取樣、放料、接種使用一個(gè)口62(13) 測(cè)量?jī)x表v發(fā)酵罐檢測(cè)參數(shù)有: pH 值、溫度、溶氧值、攪拌速度、罐內(nèi)壓力、空氣流量、泡沫度等v這些檢測(cè)元件必須能滿足蒸汽滅菌和不能對(duì)發(fā)酵液產(chǎn)生污染v儀表的測(cè)量點(diǎn)的位置應(yīng)根據(jù)罐內(nèi)發(fā)酵液的流型進(jìn)行合理的布點(diǎn)63通用式發(fā)酵罐的主要部件