第9章__发酵罐放大与设计

1、第九章第九章 发酵罐放大与设计发酵罐放大与设计 2 发酵罐发酵罐 3 发酵罐放大 与设计 发酵罐设计与放大 二二 发酵罐类型与结构 一一发酵罐的类型 发酵罐的结构 四四 三三发酵罐的设计 发酵罐的放大 4 v了解发酵罐的类型了解发酵罐的类型 v 掌握通用式发酵罐的基本结构掌握通用式发酵罐的基本结构 v了解发酵罐设计的基本原则和要求了解发酵罐设计的基本原则和要求 v了解发酵罐放大设计的方法了解发酵罐放大设计的方法 5 发酵罐的基本概念 v发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业 的心脏，是连接原料和产物的桥梁。的心脏，是连接原料和产物的桥梁。 v广

2、义的发酵罐广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作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。提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指工业发酵中一般指 进行微生物深层培养的设备进行微生物深层培养的设备。 6 一、发酵罐的类型 v好氧发酵罐好氧发酵罐 (通风发酵罐通风发酵罐) 抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等 需要强烈的通风搅拌需要强烈的通风搅拌提高氧传质系数提高氧传质系数KLa v厌氧发酵罐厌氧发酵罐 (嫌气发酵罐嫌气发酵罐) 丙酮丁醇、丙酮丁醇、酒精、啤酒酒精、啤酒、乳酸等、乳酸等 不需要通气不需要通气 1、按微生物代谢类

3、型分类、按微生物代谢类型分类 7 一、发酵罐的类型 2、按供氧方式分类、按供氧方式分类 机械搅拌 非机械搅拌 （通用式发酵罐） 机械搅拌自吸式发酵罐 气升式发酵罐 塔式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 伍式发酵罐通风 发酵罐 机械搅拌通风发酵罐 8 一、发酵罐的类型 3、新型发酵罐、新型发酵罐 v膜生物反应器膜生物反应器 近年来生物工程领域的研究热点近年来生物工程领域的研究热点 反应反应 和和 分离的耦合分离的耦合 使产物及时移去，降低产物的反馈抑制作用使产物及时移去，降低产物的反馈抑制作用 9 9 q室验室用发酵罐 1 L-50L q中试用发酵罐 50L-5000L 发酵罐大小的大致概念 10 v

4、抗生素发酵罐的容积以80200 米3 为主 v 氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150300 米3 v珠海益力味精集团有限公司630 米3机械搅拌发酵罐， 是世界上最大的通用式发酵罐之一。 v越来越多的啤酒生产厂家采用 400m3 和600m3 大罐, 甚至 800m3 大罐。 v新建的酒精生产企业，其发酵罐单罐容积一般在1000- 2000米3之间 q生产用发酵罐： 5000 L 11 发酵罐放大 与设计 发酵罐设计与放大 二二 发酵罐类型与结构 一一发酵罐的类型 发酵罐的结构 四四 三三发酵罐的设计 发酵罐的放大 12 二、发酵罐的结构 1. 通用式发酵罐 v 利用机械搅拌器的作用，使无菌

5、空气和发酵液充分混利用机械搅拌器的作用，使无菌空气和发酵液充分混 合，促进氧溶解，以保证微生物的生长繁殖所需要的合，促进氧溶解，以保证微生物的生长繁殖所需要的 氧气。氧气。 v约占发酵罐总数的约占发酵罐总数的7080%，所以也称，所以也称标准式标准式或或通用通用 式式发酵罐。发酵罐。 机械搅拌通风发酵罐 13 通用式发酵罐的结构 罐体 轴封 消泡器 搅拌器 联轴器 轴承 挡板 空气分布管 换热装置 人孔、管路、测量仪表等 14 通用式发酵罐的主要部件通用式发酵罐的主要部件 (1) (1) 罐体罐体 (2) (2) 搅拌器搅拌器 (3) (3) 挡板挡板 (4)(4) 轴封轴封 (5) (5)

6、消泡器消泡器 (6) (6) 空气分布管空气分布管 (7)(7)联轴器联轴器 (8)(8)轴承轴承 (9)(9)变速装置变速装置 (10)(10)换热装置换热装置 (11)(11)人孔人孔 (12)(12)管路管路 (13)(13)测量仪表测量仪表 二、发酵罐的结构 1. 通用式发酵罐 15 (1)罐体 v罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封 头焊接而成。 v小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰 连接 v材料一般为不锈钢。 16 椭圆封头椭圆封头 筒体筒体 冷却蛇管冷却蛇管 17 18 （1）罐体 v为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手 孔。中大型发酵罐则装设有维修或清洗的人孔。 v 罐顶还装有视镜。 v

7、在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、 接种管和压力表接管。 19 结构结构 20 发酵罐结构图发酵罐结构图 21 （1）罐体 v在罐身上的接管有冷 却水进出管、进空气 管、取样管、温度计 管和测控仪表接口。 22 (1) 罐体的尺寸比例 v H：筒身高度 v HL：液位高度 v D：罐径 v d: 搅拌器直径 v s: 两搅拌器间距 v B：下搅拌器距底 部间距 23 (1) 罐体的尺寸比例 v H/D=1.73 v HL/D=22.5 v d/D=1/31/2 v W/D=1/121/8 v B/D=0.81.0 v (s/d)2=1.52.5 v (s/d)3=12 以罐体直径以罐体

8、直径D、搅拌器直径、搅拌器直径d为基准为基准 24 v发酵罐最重要的几何比例是发酵罐最重要的几何比例是D /Dt， ，H/Dt， Ds/Di， Db/Dt，(Di为搅拌浆直径，为搅拌浆直径，Dt为罐体为罐体 直径，直径， H 为罐体高度，为罐体高度，Ds为搅拌浆到罐底的为搅拌浆到罐底的 距离，距离， Db为挡板的宽度为挡板的宽度)；还有搅拌浆的叶；还有搅拌浆的叶 轮直径和各部分的比例。轮直径和各部分的比例。 25 (2) 搅拌器 v 搅拌器的作用搅拌器的作用 使通入的空气分散成小气泡，使通入的空气分散成小气泡， 增加气液接触，促进氧溶解于增加气液接触，促进氧溶解于 发酵液中。发酵液中。 26

9、(2) 搅拌器 v 搅拌器的类型搅拌器的类型 径向式（涡轮式）径向式（涡轮式） 轴向式轴向式 平叶式、弯叶式和箭叶式平叶式、弯叶式和箭叶式 螺旋桨式、浆叶式螺旋桨式、浆叶式 类类 型型 轴向轴向 径向径向 27 轴向式搅拌器 螺旋桨式 桨叶式 28 六平叶搅拌器六箭叶搅拌器六弯叶搅拌器 径向式(涡轮式)搅拌器 n涡轮搅拌器要安一个圆盘？ q为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿 轴上升 29 30 在相同的搅拌功率在相同的搅拌功率PG下下， 粉碎气泡粉碎气泡能力：平能力：平弯弯箭箭 翻动流体翻动流体能力：箭能力：箭弯弯平平 v工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的工厂多采用在同一搅拌轴上安装

10、不同叶形的 搅拌器搅拌器 上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器 下层：以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。 31 (3) 挡板 挡板挡板 空气分布器空气分布器 挡板挡板 32 v挡板的作用：挡板的作用： 改变液流的方向，由径向流改变液流的方向，由径向流轴向流，促使液轴向流，促使液 体激烈翻动，体激烈翻动，增加溶解氧增加溶解氧。 防止防止搅拌过程中搅拌过程中漩涡漩涡的产生，而导致搅拌器露的产生，而导致搅拌器露 在料液以上，起不到搅拌作用。在料液以上，起不到搅拌作用。 无挡板的搅拌器形成的流型无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型 33 v挡板的宽度： W/D=1/

11、121/8(取0.1) v全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增 加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基 本消失。一般要满足下式： （W/D）Z =0.4 Z档板数 一般装四块挡板 34 发酵罐内的列管、排 管或蛇管也可起相应 的挡板作用。 35 v一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另 设挡板。 v挡板的长度自液面起到罐底为止。 v挡板与罐壁之间的距离为（0.20.4）W， 避免形成死角，防止物料与菌体堆积。 36 (4) 轴封 v作用：使罐顶或罐底与 轴之间的缝隙加以密封， 防止泄露和污染杂菌。 v形式： 填料函轴封 端面轴封(机械轴封) 37 v填料函轴封是由填料箱体、填料

12、底衬套、填料压 盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的 效果。 38 n填料函式轴封的优点是结构简单。填料函式轴封的优点是结构简单。 n用于发酵罐，它的缺点是：用于发酵罐，它的缺点是： q死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌； q轴的磨损情况较严重；轴的磨损情况较严重； q填料压紧后摩擦功率消耗大；填料压紧后摩擦功率消耗大； q寿命短，经常维修，耗工时多。寿命短，经常维修，耗工时多。 n故在发酵罐上，多数不用故在发酵罐上，多数不用 39 机械轴封机械轴封 n又称端面轴封 v组成组成 1 1）动环和静环动环和静环 2 2）弹性元件弹性元件 3 3）辅助密

13、封元件辅助密封元件 “ “O”O”形环和平橡胶垫片形环和平橡胶垫片 40 n动环固定在轴上，随轴一 起转动。 n静环装在壳体上。 n动环依靠弹簧的压力与静 环紧密接触 n通过相对运动，两个环的 端面互相密切贴合而达密 封目的。 n辅助密封圈防止液体从动环 与轴之间泄漏 41 (5) 消泡器 化学消泡：植物油脂，动物油脂，高分子化合物。化学消泡：植物油脂，动物油脂，高分子化合物。 机械消泡装置机械消泡装置：耙式消泡器，涡轮消泡器耙式消泡器，涡轮消泡器；旋风离心式和旋风离心式和 叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。等。 旋风离心式旋风离心式

14、叶轮离心式叶轮离心式 耙式消泡器耙式消泡器 罐内消泡罐内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 旋风式旋风式 消泡器消泡器 略高于液面，长度略高于液面，长度 约为约为0.80.9D 43 安装在罐外的安装在罐外的消泡装置消泡装置接于罐的排气口接于罐的排气口 旋风式消泡器 n其工作原理与 旋风分离器相 同。 n右图为改进的 旋风式消泡器， 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。 44 (6) 空气分布器 v 作用作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。 v 形式形式：单管；环形管单管；环形管 v 空

15、气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气 泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。 45 v 单管：常用，简单实用， 单次通入量大 通风管通风管 v 单管式管口对正罐底中央，装于最低 一挡搅拌器下面，喷口朝下喷口朝下，管口与 罐低的距离约40mm。 v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，叫补强板。 46 v 环形管：属于多孔管式。空气分布均匀，效果 不如单管式，且喷气孔容易被堵塞。现很少采用。 47 (7) 联轴器 v 大型发酵

16、罐搅拌轴较长，常 分为二至三段加工，再用联轴 器组成牢固的刚性联接。 v小型的发酵罐可采用法兰将搅 拌轴连接，轴的连接应垂直， 中心线对正。 法兰 联轴器 48 联轴器示意图联轴器示意图 49 50 51 (8) 轴承 v中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中 间轴承。 中间轴承 底轴承 52 n作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响 转动 53 (9) 变速装置 需要变速的原因： 电机的转速大于搅拌器所需转速。 v电机分四级，转速分别约为： 800、1000、1400、1600 rpm； v而搅拌转速则一般为90-110 rpm。 v发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。 54 (9) 变速装

17、置 三角皮带三角皮带 55 (10) 传热装置 发酵罐的冷却,主要是考虑： v微生物发酵过程的发酵热 v机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量 v此外还要考虑,发酵罐空消、实消后的冷却 时间。 56 57 v夹套夹套：在小型罐中往往应用 夹套换热装置，优点是结构 简单，加工方便，易清洗。 换热系数较低，故只用于5m3以 下的小罐。夹套的换热系数在 400600kJ(m2h)之间。 58 v立式蛇管：在罐内设4组或8组蛇管。其优点为：管 内水的流速大，传热系数高，在12004000kJ (m2h)之间。 v可兼起档板的作用。 v缺点：罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1.5 %容积， 蛇管一旦发生泄漏，

18、将造成整个罐批的发酵液染菌， 且罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便。 59 v近来新型发酵罐的 冷却面移至罐外,采 用半圆形外蛇管 v优点 罐体容易清洗 增强罐体强度,因而 可大大降低罐体壁 厚,使整个发酵罐造 价降低 提高了发酵罐的容 积,增大放罐体积 60 (11) 人孔 v人孔：中大型发酵罐顶装设有人孔，用于 发酵罐的维修或清洗。 61 (12) 发酵罐的管路、接口 n罐体上的通道口一般有： 进料口放料口放料口接种口取样口取样口 消泡剂口补料口进气口进气口排气口 发酵罐的工作周期 n空消实消降温、通气接种、补料、取 样放料清洗 进料管路有时配在罐体上封头,有时位于罐体下部与 放料管路共用一个管口 有时取样、放料、接种使用一个口 62 (13) 测量仪表 v发酵罐检测参数有: pH 值、温度、溶氧值、 搅拌速度、罐内压力、空气流量、泡沫度 等 v这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能 对发酵液产生污染 v仪表的测量点的位置应根据罐内发酵液的 流型进行合理的布点 63 通用式发酵罐