第七章发酵罐

第七章 发酵设备发酵设备v 什么是发酵设备？包括那些设备？v 种子制备设备v 主发酵设备v 辅助设备（无菌空气和培养基制备）v 发酵液预处理设备v 产品提取与精致设备v 废物回收处理设备请问核心部分是什么？v 主发酵设备或称为发酵罐v 是发酵工程中最重要的设备之一优良的发酵设备应具有的特性v 严密的结构v 良好的液体混合性能v 较高的传质和传热速率v 灵敏的检测和控制仪表本章内容v 发酵罐的基本概念v 发展过程v 发酵设备的类型v 机械搅拌发酵罐v 其他类型的发酵罐一、发酵罐的基本概念发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏v 广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指进行 微生物深层培养 的设备v 在有些情况下，密闭容器，简单容器v二、发展过程1） 1900年以前，木制容器造酒2） 1900-1940，钢制发酵罐，开始使用空气分布器，机械搅拌开始应用3） 1940-1960，青霉素，通风，无菌操作，纯培养等一系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分离纯化商业化4） 1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到 80-150m3， 出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交换问题，计算机广泛应用5） 1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展v 大生产用：日本味之素： 500M3v 周口味精厂： 200M3v 斗门味精厂： 600M3v 台湾味丹： 660M3三、 发酵设备的类型1、 按微生物生长： 厌氧和好氧发酵设备2、按发酵罐能量输入方式：1）内部机械搅拌发酵罐通用式（机械搅拌）、伍式、自吸式发酵罐2）外部液体搅拌发酵罐3） 空气喷射提升式发酵罐高位塔式发酵罐3、 按容积分类v 500L以下的是实验室发酵罐v 500-50000L是中试发酵罐v 50000L以上是生产规模的发酵罐4、 按操作方式v 分批发酵和连续发酵四、 机械搅拌发酵罐（一）、 基本要求：1）适宜的 径高比 ，罐身较长，氧利用率较高2）能耐受一定的 压力3） 搅拌通风 装置4）足够的 冷却 面积5）罐内要 减少死角6）搅拌器的轴封要 严密 ，以减少泄露标准发酵罐的几何尺寸H/D=1.7-4 d/D=1/2-1/3 W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2 （二）、机械搅拌式发酵罐的结构：1、罐体：培养微生物的巨大容器， 密闭式 的，在发酵过程中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为2.5 105Pav 圆柱形，两端椭圆形，受力均匀，减少死角，物料容易排除，v 高度 与直径比 1.7-4： 1，有力于空气利用率已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管 2、罐体表面各种装置：v 中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔v 罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或蒸汽吹管v 罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、压力表接管v 罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管和测控仪器接口3、 搅拌器v 将空气打碎成小气泡，增加气 -液接触面积，提高氧的传质效率v 使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮状态v 使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，希望以径向液流为主v 在搅拌轴上配置多个搅拌器轴向式搅拌器径向式搅拌器圆盘弯叶圆盘平直叶 圆盘箭叶 凹叶圆盘圆盘平直叶具有很大的循环输送量和功率输出，适用于各种流体。 在混合要求特别高，溶氧速率相对要求略低时，可用圆盘弯叶。 圆盘箭叶轴向流动较强烈，输出功率较低。凹叶圆盘能耗低，缩短混合时间。4) 挡板v 克服搅拌器运转时液体产生的涡流 ， 增加溶氧速率v 从液面至罐底v 与罐壁之间的距离为 1/5-1/8W ， 避免形成死角，防止物料与菌体堆积v 全挡板条件： 是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。全挡板条件下的搅拌流型 竖立的列管 /排管也可以起挡板作用 5) 消泡器v 将泡沫打破v 锯齿式、梳状式及孔板式v 装于搅拌轴上，齿面略高于液面v 直径罐径的 0.8-0.9安装在发酵罐内的消泡器 v 最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，可直接安装在搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适当高度。安装在发酵罐内转动轴的上部的消泡器有齿式、梳式、孔板式、旋浆梳式等 消泡器的安装 安装在发酵罐外的消泡器 安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等 。 旋风离心式消泡器 改进的旋风离心式消泡器，它可以和消泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡沫情况自动添加消泡剂1、泡沫不多，无需加消泡 剂 。2、泡沫累积 ，触动传 感器，起动 消泡泵 加入消泡 剂。3、消泡 结束后，不再触动传 感器，不再加入消泡 剂。v 碟片式消泡器v 碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，当泡沫溢上与碟片式消泡器接触时，泡沫受高速旋转离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐中而达到消泡目的。v 碟片数目为 4-6个，碟片的斜角约为 35度，两碟片之间的间距约为 10mm，碟片上有梳状筋条高约 8mm,这些碟片叠置起来组成碟片组。碟片组被通气压环压紧在空心轴上，空心轴通过传动机构转动，转速可达 1400rpm,碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，转轴通过两个轴封与发酵罐及排气管连接。6、连轴器及轴承v 使上下搅拌轴成牢固的刚性连接v 大型发酵罐的搅拌轴常分为 2-3段，用连轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性连接，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，大型发酵罐还装有中间轴承连轴器连轴器轴承7、空气分布装置v 吹入无菌空气并使空气均匀分布v 单管及环形管式单管式空气分布装置 通常通风管的空气流速取 20米 /秒。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。这叫补强板。通风量在 0.020.5 ml/sec时，气泡的直径与空气喷口直径的 1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越小。因而氧的传达室质系数也越大。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。 v 8、 换热装置v 进行加热或冷却，维持发酵温度v 夹套式换热装置v 蛇管换热装置五、其他类型的发酵罐（一）自吸式发酵罐葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素 C、酵母、蛋白酶