發(fā)酵罐的結構課件

第八章發(fā)酵罐放大與設計第八章發(fā)酵罐放大與設計本章內容一、發(fā)酵罐的發(fā)展二、發(fā)酵罐的類型三、發(fā)酵罐的結構四、通用式發(fā)酵罐的設計與放大五、重組菌生物反應器

本章內容一、發(fā)酵罐的發(fā)展發(fā)酵罐：進行微生物深層培養(yǎng)的反應器統(tǒng)稱為發(fā)酵罐一、發(fā)酵罐的發(fā)展發(fā)酵罐：進行微生物深層培養(yǎng)的反應器統(tǒng)稱為發(fā)酵罐一、發(fā)酵罐的發(fā)大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐二、發(fā)酵罐的類型（1）通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐是指帶有通氣和機械攪拌裝置的發(fā)酵罐，是工業(yè)生產中最常用的發(fā)酵罐。（2）氣升式發(fā)酵罐此類發(fā)酵罐是依靠無菌壓縮空氣作為液體的提升力，使罐內發(fā)酵液通過上下翻動實現(xiàn)混合和傳質傳熱過程。其特點是結構簡單，無軸封，不易污染，氧傳質效率高，能耗低，安裝維修方便。（3）管道式發(fā)酵罐管道式發(fā)酵罐是以發(fā)酵液的流動代替攪拌作用，依靠液體的流動，實現(xiàn)通氣混合與傳質等目的。（4）固定化發(fā)酵罐固定化發(fā)酵罐是一種在圓筒形的容器中填充固定化酶或固定化微生物進行生物催化反應的裝置。其優(yōu)點是生物利用率比較高。（5）自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種無需其他氣源供應壓縮空氣的發(fā)酵罐，其關鍵部位是帶有中央吸氣口的攪拌器。在攪拌過程中可以自吸入過濾空氣，適合于耗氧很低的發(fā)酵類型。（6）伍式發(fā)酵罐伍式發(fā)酵罐的主要部件是套筒、攪拌器。攪拌時液體沿著套簡外向上升至液面，然后由套筒內反回罐底，攪拌器是用6根彎曲的中空的不銹鋼管子焊于圓盤上，兼作空氣分配器。這種發(fā)酵罐多應用于紙漿廢液發(fā)酵生產酵母。設備的缺點是結構復雜，清洗筒套較困難，消耗功率較高。二、發(fā)酵罐的類型發(fā)酵罐的類型與發(fā)酵類型、工藝類型和產物類型有關。

頂攪拌軸封底攪拌磁傳動氣鼓式（鼓泡式）內循環(huán)外循環(huán)

管道式反應器：流動代替攪拌填充床（液體循環(huán)）流化床（同通氣攪拌）

自吸式發(fā)酵罐：不需要空氣壓縮機，在攪拌過程中自吸入空氣

伍式發(fā)酵罐

：多用于紙漿廢液發(fā)酵生產酵母

重組菌生物反應器

通用式攪拌罐(滿足供氧、通氣、攪拌)

氣升式發(fā)酵罐

循環(huán)式固定化發(fā)酵罐

發(fā)酵罐的類型與發(fā)酵類型、工藝類型和產物類型有關。通用式攪拌罐發(fā)酵罐的結構課件發(fā)酵罐的結構課件發(fā)酵罐的結構課件發(fā)酵罐的結構課件發(fā)酵罐的結構課件發(fā)酵罐的結構課件三、發(fā)酵罐的結構1.外形、結構及幾何尺寸要求2.攪拌裝置3.擋板4.消泡器5.空氣分布器6.換熱裝置三、發(fā)酵罐的結構三、發(fā)酵罐的結構

1.外形、結構及幾何尺寸要求

H/D=1.7－3H—筒身高度D-發(fā)酵罐直徑

HL/D=2－2.5HL按照裝料VL=70%V總計算

d/D=1/3－1/2d—攪拌器直徑

W/D=1/12－1/8（取0.1，并留1—2cm間隙，防死角）

W—檔板寬度B/D=0.8－1.0B—下攪拌器距底間距

(s/d)2=1.5－2.5可以取相同值，1.5≤s/d≤2(s/d)3=1－2s—攪拌器間距

三、發(fā)酵罐的結構

1.外形、結構及幾何尺寸要求H/D=1.發(fā)酵罐的結構課件2.攪拌裝置攪拌的目的

打碎氣泡，增加氣液接觸面積，即a↑產生渦流，延長氣泡在液體中的停留時間

造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度，KL↑動量傳遞（N、Ws），有利于混合及固體物料保持懸浮狀態(tài)攪拌的效果:原生流→圓周運動（徑向運動）：層流及漩渦，原生流速V原∝n

擋板作用：次生流→軸向運動、翻動，決定混合好壞，V次∝n2攪拌效果評價：傳質，傳熱及混合效果效果的改善：轉速，攪拌器（槳）的形式和數(shù)量

2.攪拌裝置攪拌的目的2.攪拌裝置（續(xù)）攪拌器的形式：通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌器，而又以圓盤渦輪攪拌器為主。槳葉型式：圓盤渦輪攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種。葉片數(shù)量：至少三個，通常六個，多至八個。

α

：彎>平>箭；β：彎>箭>平2.攪拌裝置（續(xù)）攪拌器的形式：通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪在相同的攪拌功率PG下，

粉碎氣泡能力：平>彎>箭翻動流體能力：箭>彎>平綜合傳質+混合，彎葉最好。

在相同的攪拌功率PG下，發(fā)酵罐的結構課件2.攪拌裝置（續(xù)）攪拌槳的層數(shù)：根據(jù)

H/D及（s/d）n

的要求進行計算。一般3—4層，底層攪拌最重要，占軸功率的40%，所具葉片數(shù)最多（6~8片）。

2.攪拌裝置（續(xù)）攪拌槳的層數(shù)：根據(jù)H/D及（s/d）n2.攪拌裝置（續(xù)）－聯(lián)軸器大型發(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，軸的連接應垂直，中心線對正。2.攪拌裝置（續(xù)）－聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至2.攪拌裝置（續(xù)）－軸承為了減少震動，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(如聚四氟乙烯等)，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4~0.7％。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。2.攪拌裝置（續(xù)）－軸承為了減少震動，中型發(fā)酵罐一般在罐內2.攪拌裝置（續(xù)）－變速裝置試驗罐采用無級變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動較為簡便。2.攪拌裝置（續(xù)）－變速裝置試驗罐采用無級變速裝置。發(fā)酵罐2.攪拌裝置(續(xù)）－軸封軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。2.攪拌裝置(續(xù)）－軸封填料函式軸封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成，使旋轉軸達到密封的效果。填料函式軸封填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和端面式軸封端面式軸封又稱機械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(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。端面式軸封端面式軸封又稱機械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧3.擋板

擋板的作用：改變液流方向，由徑向流→軸向流，促使流體翻動，增加傳質和混合。檔板寬

：W/D=1/12-1/8(取0.1)全檔板條件：指在一定的攪拌轉速下，在攪拌罐中增加檔板或其它附件時，攪拌功率不再增加，而旋渦基本消失,即要滿足下式：（W/D）?Z

=0.4Z—檔板數(shù)

3.擋板擋板的作用：改變液流方向，由徑向流→軸向流，促使流3.擋板(續(xù)）說明

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4塊檔板，可滿足全檔板條件。檔板長度：自液面起，至罐底封頭上部（圓柱底）為止。檔板與罐壁間留縫隙，距離為（0.2—0.4）W，目的是去除死角。

3.擋板(續(xù)）說明4.消泡器

作用：破碎氣泡，改善供氧，防止污染。消泡槳形式

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，單用電機。旋風分離葉輪離心式消泡槳直徑：L=（0.8-0.9）D（罐徑），以不妨礙旋轉為原則與消泡劑合用

內部外部

適于不易染菌的工藝

4.消泡器作用：破碎氣泡，改善供氧，防止污染。內部外部適發(fā)酵罐的結構課件發(fā)酵罐的結構課件發(fā)酵罐的結構課件5.空氣分布器作用：吹入無菌空氣，并使其分布均勻型式：單孔管：開口朝下，防止堵塞；管口距罐底約40mm

環(huán)形管：適用于細度極小且易溶于水的固體發(fā)酵原料）5.空氣分布器作用：吹入無菌空氣，并使其分布均勻6.換熱裝置夾套式：5T以下用外夾套式，K傳熱系數(shù)=400-600kJ/m2hr?℃

豎式蛇管：5T以上；K傳熱系數(shù)=1200-1890kJ/m2?hr?℃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)。6.換熱裝置夾套式：5T以下用外夾套式，K傳熱系數(shù)=400四、發(fā)酵罐的設計與放大1.發(fā)酵罐設計的基本原則2.發(fā)酵罐最大生產能力的確定3.發(fā)酵罐設計的基本要求4.發(fā)酵罐的放大設計四、發(fā)酵罐的設計與放大四、發(fā)酵罐的設計與放大

1.發(fā)酵罐設計的基本原則

能否適合于生產工藝的放大要求能否獲得最大的生產效率四、發(fā)酵罐的設計與放大

1.發(fā)酵罐設計的基本原則能否適合于2.發(fā)酵罐最大生產能力的確定

兩方面因素的比較微生物生長率、產物轉化率傳質效率（KLa、傳氧效率）

傳熱效率

混合效率改善發(fā)酵罐的傳遞性能（傳質、傳熱、混合）是發(fā)酵罐設計的首要任務

發(fā)酵罐的操作因素(傳遞性能)2.發(fā)酵罐最大生產能力的確定兩方面因素的比較發(fā)酵罐的操作因2.發(fā)酵罐最大生產能力的確定（續(xù)）傳質工程隨規(guī)模擴大，（比表面積）↓，KLa↓

，同等條件下傳氧效率↓傳熱工程

產熱Q1V罐體積

傳熱Q2∴除了篩選耐高溫菌株外，改善發(fā)酵罐的傳熱性能十分關鍵。V↑，↓2.發(fā)酵罐最大生產能力的確定（續(xù)）傳質工程V↑，3.發(fā)酵罐設計的基本要求

（1）發(fā)酵罐應具有適宜的高徑比，罐身長，氧的利用率相對較高。（2）發(fā)酵罐能承受一定的壓力。（3）發(fā)酵罐的攪拌通氣裝置要能使氣泡破碎并分散良好，氣液混合充分，保證發(fā)酵液有充足的溶解氧，以利于好氧菌的生長代謝的需要。（4）發(fā)酵罐應具有良好的循環(huán)冷卻和加熱系統(tǒng)。（5）發(fā)酵罐內壁應拋光到一定精度，盡量減少死角，避免藏垢積污，易于徹底滅菌，防止雜菌污染。

3.發(fā)酵罐設計的基本要求（1）發(fā)酵罐應具有適宜的高徑比，罐基本要求（續(xù)）（6）攪拌器的軸封應嚴密，盡量避免泄漏。（7）發(fā)酵罐傳遞效率高，能耗低。（8）具有機械消泡裝置，要求放料、清洗、維修等操作簡便。（9）根據(jù)發(fā)酵生產的實際要求，可以為發(fā)酵罐安裝必要的溫度、pH、液位、溶解氧、攪拌轉速、及通氣流量等傳感器及補料控制裝置，以提高發(fā)酵水平。

基本要求（續(xù)）（6）攪拌器的軸封應嚴密，盡量避免泄漏。4.發(fā)酵罐的放大設計（1）.放大的目的和任務（2）.放大準則（3）.放大方法4.發(fā)酵罐的放大設計（1）.放大的目的和任務（1）.放大的目的和任務目的：實現(xiàn)生物技術成果走向產業(yè)化生物技術產品產業(yè)研發(fā)的三個階段：實驗室規(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)律及最佳操作條件工廠規(guī)模：通過產業(yè)化實驗評價經濟效益任務：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?！鞍l(fā)酵單位相似”（1）.放大的目的和任務目的：實現(xiàn)生物技術成果走向產業(yè)化（2）.放大準則通常根據(jù)實際發(fā)酵中主要影響因素來確定，如：KLa、

P/V（單位體積功率）、nd（末端剪切力）等等。（2）.放大準則通常根據(jù)實際發(fā)酵中主要影響因素來確定，如：（3）.放大方法經驗放大法幾何相似法非幾何相似法量綱（因次）分析法時間常數(shù)法數(shù)學模型法（3）.放大方法經驗放大法經驗放大法

幾何相似法在發(fā)酵罐的放大中，主要解決放大后生產罐的空氣流量、攪拌轉速和攪拌功率消耗等三個問題，即操作參數(shù)的放大設計。常用的放大方法有：幾何尺寸放大空氣流量放大

VVM相等

Ws相等

KLa相等攪拌功率及攪拌轉速的放大經驗放大法

幾何相似法在發(fā)酵罐的放大中，主要解決放大后生產罐幾何尺寸放大

放大倍數(shù)m指罐的體積增加倍數(shù)，即∵幾何相似，∴則

∴幾何尺寸放大放大倍數(shù)m指罐的體積增加倍數(shù)，即空氣流量放大空氣流量放大空氣流量放大——以VVM相等的原則放大∵∴空氣流量放大——以VVM相等的原則放大∵空氣流量放大——以Ws相等的原則放大∵∴空氣流量放大——以Ws相等的原則放大空氣流量放大——以KLa相等的原則放大空氣流量放大——以KLa相等的原則放大∵

∴

又∵∴

空氣流量放大——以KLa相等的原則放大∵∴又∵∴空氣流量放大——以KLa相等的原則放大空氣流量放大的