發(fā)酵工程第7講

第九章發(fā)酵設(shè)備

1、好氧發(fā)酵罐（通風(fēng)發(fā)酵罐）

1.1通用式發(fā)酵罐

1.2氣升式發(fā)酵罐

1.3自吸式發(fā)酵罐

2、厭氧發(fā)酵罐

生物反應(yīng)器(bioreactor)：是指有效利用生物反應(yīng)機(jī)能的系統(tǒng)（或場所）。包括發(fā)酵罐、酶反應(yīng)器、動(dòng)植物細(xì)胞反應(yīng)器、光合生物反應(yīng)器、廢水處理反應(yīng)器等。發(fā)酵罐(fermenter)：進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的設(shè)備統(tǒng)稱為發(fā)酵罐。分好氧發(fā)酵罐和厭氧發(fā)酵罐。1好氧發(fā)酵罐（通風(fēng)式發(fā)酵罐）

常用通風(fēng)發(fā)酵罐有以下幾種類型：（1）通用式發(fā)酵罐（通風(fēng)、攪拌式發(fā)酵罐）（2）氣升式發(fā)酵罐（3）自吸式發(fā)酵罐（4）伍式發(fā)酵罐

1.1通用式發(fā)酵罐：具有通氣和攪拌裝置的立式圓筒形發(fā)酵罐。是目前大生產(chǎn)中最常用的發(fā)酵罐。其容積可從幾升到幾百噸不等。包括罐體、攪拌系統(tǒng)、傳熱系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)。1.1.1

罐體：（1）大罐罐體由碳鋼或不銹鋼材料制成，長圓柱形，橢圓形或拱形封頭。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。

（2）直徑與高度之比（D/H：1：1.5~4），罐身越長，氧的利用率較高。（3）內(nèi)壁應(yīng)光滑無死角，耐腐蝕。（4）發(fā)酵罐能承受一定壓力；

（5）罐體上設(shè)人孔、示鏡、爬梯及各路接管。進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管和壓力表接管。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)管和測控儀表接口。

（6）罐體幾何尺寸：

D/H：1：1.5~4

發(fā)酵罐公稱容積：V0=Vc+Vb

Vc筒身容積，Vb底封頭容積。

Vb底封頭容積可根據(jù)封頭的形狀、直徑及壁厚查有關(guān)化工手冊(cè)求得。也可近似地用下式計(jì)算。

V0=Vc+Vb=(π/4)D2×H+0.15D3

D罐直徑，H罐筒身高

1.1.2

攪拌系統(tǒng)功能：打碎氣泡，均勻培養(yǎng)基，使液體產(chǎn)生軸向和徑向流動(dòng)。包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、攪拌軸；渦輪攪拌器、攪拌葉；擋板；軸封（端面軸封）有上、下伸軸：罐體積特別大，使用下伸軸可降低重心，縮短軸長度，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)噪音小，但軸封要求嚴(yán)格。

1.1.2.1攪拌器：攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（渦輪式）兩種。軸向式攪拌器：槳葉式、螺旋槳式徑向式（渦輪式）攪拌器（Discturbine）：平直葉、彎葉、箭葉

三種最常見類型的渦輪攪拌葉a:直葉，b:彎葉，c:箭葉。打碎氣泡能力、剪切力a>b>c，徑向攪動(dòng)量及液體翻動(dòng)的能力：a﹤

b

﹤

c，絲狀菌適合用箭葉型1.1.2.2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(dòng)，增加溶解氧。

W/D=1/8~1/12

（W/D）mb=0.4

mb

：擋板塊數(shù)擋板的長度自液面到罐底為止，擋板與罐壁之間的距離為：（1/5~1/8）W

1.1.2.3消泡器消泡器的作用是將泡沫打破。消泡器常用的形式有鋸齒式、梳狀式。消泡器的長度約為罐徑的0.65倍。1.1.2.4連軸器：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。

1.1.2.5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。有填料函密封圈和端面式軸封等。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。填料函式軸封的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。主要缺點(diǎn)是：死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；軸的磨損情況較嚴(yán)重；填料壓緊后摩擦功率消耗大；壽命短，經(jīng)常維修，耗工時(shí)多。

多采用端面式軸封：基本構(gòu)件是動(dòng)環(huán)和靜環(huán)。垂直于軸線的動(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。靜環(huán)多用浸石墨或酚醛樹脂；動(dòng)環(huán)一般用青銅。端面式軸封的優(yōu)點(diǎn)：清潔；密封可靠；無死角，可以防止雜菌污染；使用壽命長；摩擦功率耗損?。惠S或軸套不受磨損；它對(duì)軸的精度和光潔度沒有填料密封要求那么嚴(yán)格，軸的震動(dòng)敏感性小。1.1.2.6幾何尺寸：

d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1B/D=0.3~0.5

(S/d

)2=1.5~2.5(S/d

)3=1~2

d：渦輪攪拌器直徑(m)

D：罐內(nèi)徑(m)

W：擋板寬度(m)

B：底層攪拌葉到罐底的距離(m)

S：兩攪拌葉之間的間距(m)

攪拌器的檔數(shù)根據(jù)液體的深度（H）確定，凡H≤D時(shí)用一檔，當(dāng)H﹥D時(shí)用多檔，但S﹤D

1.1.2.7攪拌器功率的計(jì)算：

攪拌的輸出功率P(W)與流體的性質(zhì)、容器的結(jié)構(gòu)尺寸、液位高度、重力加速度(g)、攪拌器的形式、攪拌器的速度及有無檔板等有關(guān)。

P=f(n,d,ρ,μ,g)

P攪拌功率（W），n攪拌器轉(zhuǎn)速（r/min），d攪拌器直徑，ρ液體密度（kg/m3），μ液體粘度(pa．s)

通過因次分析和實(shí)驗(yàn)證實(shí)：

P/(n3·d5·

ρ)=K(n·d2

·

ρ/μ)x

(n2

·

d/g)y

式中

P/(n3

·

d5·

ρ)=NP稱為攪拌功率準(zhǔn)數(shù)（外力與慣性力比）

n

·

d2·

ρ/μ=Re稱為攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)（慣性力與黏性力比）

n2·

d/g=Fr稱為攪拌弗魯特準(zhǔn)數(shù)

（慣性力與重力比）

K與攪拌器的形式，容器的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的常數(shù)在有全檔板的條件下，液面未出現(xiàn)旋渦，y=0NP=K

·

Rex

即功率準(zhǔn)數(shù)是雷諾準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)1.1.3傳熱系統(tǒng)：1.1.3.1夾層傳熱（V<5T）夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進(jìn)行冷卻面積的設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。缺點(diǎn)是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差。夾層的傳熱系數(shù)一般是400～630kj/m2·h·℃

1.1.3.2蛇管傳熱（一般有4組、6組、8組）。優(yōu)點(diǎn)是：冷卻水在管內(nèi)的流速大；傳熱系數(shù)高但彎曲位置比較容易蝕穿(試漏）。

蛇管的傳熱系數(shù)則為1200～1890kj/m2·h·℃1.1.4

通氣系統(tǒng)：制備的無菌空氣通過單孔管、多孔環(huán)管進(jìn)罐。

單孔管空氣出口（離罐底約4cm)位于底層攪拌葉的正下方，斜截面開口向下。

以環(huán)徑為攪拌器直徑的0.8倍較有效，噴孔直徑為φ5～8mm，噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風(fēng)管的截面積。1.2通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐（氣升式）：

外循環(huán)型

外循環(huán)型內(nèi)循環(huán)型

通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐：通氣（250～300m/s)不僅提供微生物所需氧氣，而且還用來攪拌培養(yǎng)基。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，無攪拌裝置節(jié)省動(dòng)力50%，操作時(shí)噪音小。減少死角。但攪拌效果不及機(jī)械攪拌式。選用適當(dāng)直徑的噴嘴。具有適當(dāng)直徑的噴嘴才能保證氣泡分割細(xì)碎，與發(fā)酵液均勻接觸，增加溶氧系數(shù)。

1.3自吸式發(fā)酵罐：一般為下伸型攪拌軸，在攪拌過程中通過攪拌器上的空心葉輪吸入無菌空氣，當(dāng)空心葉輪里的培養(yǎng)基被甩出后，葉輪里形成局部真空，從而將外面的空氣吸到罐內(nèi)。攪拌器：

三棱型空心體葉輪（轉(zhuǎn)子），具有16塊有一定曲率的導(dǎo)向葉片，葉片上下有固定圈固定（定子）。攪拌速度比通用式的發(fā)酵罐快，剪切力大，發(fā)酵罐一般不宜過大。在葡萄糖酸鈣、維生素C、酵母、蛋白酶等發(fā)酵,

生化暴氣方面的有應(yīng)用實(shí)例

2厭氧發(fā)酵罐厭氧發(fā)酵也稱靜止培養(yǎng)，其設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡單。2.1

酒精發(fā)酵罐：2.1.1罐體：D/H1：1.3~1.4

蓋和底為圓錐成碟形。1：糖化醪進(jìn)口2：成熟醪排出口3：CO2排出回收口4，5：人孔6：蛇管7：溫包8：取樣口9：安全閥2.1.2傳熱系統(tǒng)：蛇管、表面冷卻，一般0.25m2/m3

2.2

啤酒發(fā)酵罐：主、后酵共用。啤酒發(fā)酵罐均采用碳鋼加涂料或不銹鋼兩種材料制成。啤酒是酸性液體，能造成鐵的電化學(xué)腐蝕