生物工程設(shè)備-通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備課件

第二章通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備

第二章通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備

1適用類型：

微生物，酶，動(dòng)植物細(xì)胞

適用類型：

抗生素，酵母，氨基酸，有機(jī)酸，酶常用類型：

機(jī)械攪拌式氣升環(huán)流式鼓泡式自吸式設(shè)備要求：

良好的傳質(zhì)，傳熱性能結(jié)構(gòu)嚴(yán)密防雜菌污染培養(yǎng)基流動(dòng)和混合良好良好的檢測(cè)和控制設(shè)備簡(jiǎn)單，方便維護(hù)

適用類型：微生物，酶，動(dòng)植物細(xì)胞

適用類型：抗生素，2第一節(jié)機(jī)械攪拌通風(fēng)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(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備第五節(jié)其他類型的通風(fēng)發(fā)酵反應(yīng)器簡(jiǎn)介第一節(jié)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐3之機(jī)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(jì)接口；7－攪拌葉輪；8－進(jìn)風(fēng)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(dòng)皮帶；17－電機(jī)；18－壓力表；19－取樣口；21－進(jìn)料口；22－補(bǔ)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(dòng)畫演示機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)231－軸封；4之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐圖2.3自動(dòng)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐圖2.3自動(dòng)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(jī)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(jìn)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(jìn)式3-LightninA-315式圖2.7不同攪拌器的流型之機(jī)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(dòng)，增加溶解氧。通常擋板寬度取(0.1～0.12)D，裝設(shè)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(jī)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐無擋板的攪拌器形成的流型有擋9之機(jī)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(dá)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(jī)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(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。

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(dòng)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(dòng)齒輪箱之機(jī)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(xué)消泡劑

機(jī)械消泡裝置旋風(fēng)離心式葉輪離心式耙式消泡器之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐一般是耙式消泡器渦輪消泡器旋風(fēng)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(fēng)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐碟片式消泡器刮板式消泡器之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐12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。之機(jī)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(zhǎng)，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(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。之機(jī)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐軸承14之機(jī)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(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)力的溫差。缺點(diǎn)傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差。冷卻水較高時(shí)，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(jìn)行循環(huán)冷卻。之機(jī)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的溶氧系數(shù)KLa與操作變數(shù)的關(guān)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐的溶氧速率、通氣與攪拌

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

發(fā)酵過程的熱量計(jì)算生物合成熱量計(jì)算法冷卻水帶出熱量計(jì)算法發(fā)酵液溫升測(cè)量計(jì)算法之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)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(jì)算（單只攪拌槳）不通氣條件下的軸功率P0計(jì)算魯士頓(RushtonJ.H.)公式：P0－無通氣攪拌輸入的功率（W）；NP－功率準(zhǔn)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(jì)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(jì)算修正的邁凱爾公式：攪拌器軸功率的計(jì)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(jì)算攪拌器軸功率的計(jì)算（單只攪拌槳）19攪拌葉尖線速度與剪切力：攪拌剪切力對(duì)微生物細(xì)胞的損害程度取決于攪拌力的性質(zhì)，強(qiáng)度，作用時(shí)間及生物細(xì)胞的特性對(duì)耐剪切力較強(qiáng)的生物細(xì)胞，攪拌葉尖線速度不應(yīng)大于7.5m/s攪拌剪切與細(xì)胞損傷定性關(guān)系：?jiǎn)渭?xì)胞微生物>絲狀菌（動(dòng)物細(xì)胞）之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐攪拌葉尖線速度與剪切力：之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐20圖2.13機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)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(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐機(jī)械攪21例題：某酶制劑廠

10m3機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)軸承的效率是0.99，滑動(dòng)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(jī)。（已知在充分湍流狀態(tài)時(shí)，圓盤彎葉渦輪攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)NP=4.7）解：1.先求出Re：攪拌功率的計(jì)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(shí)攪拌功率P0為：例題：某酶制劑廠10m3機(jī)械攪拌發(fā)酵罐，發(fā)酵罐直徑D=1.223.求通氣時(shí)攪拌功率Pg：4.所需電動(dòng)機(jī)功率為：3.求通氣時(shí)攪拌功率Pg：4.所需電動(dòng)機(jī)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(jī)械攪拌發(fā)酵罐之機(jī)械攪拌發(fā)酵罐25之氣升式發(fā)酵罐BIOHOCH?反應(yīng)器徑向流噴射器是核心元件。空氣和水相對(duì)噴入，含極大能量的水使空氣分散成又細(xì)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(yīng)器徑向流噴射器是核心元件26BIOHOCH?反應(yīng)器的特點(diǎn)：緊湊，無噪音，無異味—因?yàn)榉磻?yīng)器很高，故占地面積小，不會(huì)受噪音和氣味侵?jǐn)_經(jīng)濟(jì)—氧利用率高保證能量節(jié)省80%可靠性—反應(yīng)器易于進(jìn)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(huì)無控制流出。BIOHOCH?反應(yīng)器處理工業(yè)廢水技術(shù)

之氣升式發(fā)酵罐BIOHOCH?反應(yīng)器的特點(diǎn)：BIOHOCH?反應(yīng)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(jìn)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(xì)碎，同時(shí)由于形成的企業(yè)混合物密度降低故向上運(yùn)動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液下沉，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)特點(diǎn)：沒有攪拌器，且有定向循環(huán)流動(dòng)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(yīng)器氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器多層空氣分布板的氣升環(huán)流式反應(yīng)器之氣升式發(fā)酵罐氣升環(huán)流式反應(yīng)器氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)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(duì)偶脈沖氣體環(huán)流發(fā)酵罐之氣升式發(fā)酵罐對(duì)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(yīng)器的操作特性：A。平均循環(huán)時(shí)間tm:由于導(dǎo)流管的存在，使培養(yǎng)液被分為導(dǎo)流管和環(huán)隙兩部分。導(dǎo)流管中的混合與溶氧均強(qiáng)于環(huán)隙，且混合剪切較強(qiáng)。這使環(huán)隙容易氣含率低，不能滿足生物的生長(zhǎng)。平均循環(huán)時(shí)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(dǎo)流管（上升管）直徑,mvm----導(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐工作原理：

之自吸式發(fā)酵罐機(jī)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(jìn)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