发酵工程-第九章

1、本章内容本章内容一、发酵罐的发展一、发酵罐的发展二、发酵罐的类型二、发酵罐的类型三、发酵罐的结构三、发酵罐的结构三、通用式发酵罐的设计与放大三、通用式发酵罐的设计与放大（一）发酵罐设计基本原则和要求（一）发酵罐设计基本原则和要求（二）发酵罐放大设计（二）发酵罐放大设计四、重组菌生物反应器四、重组菌生物反应器 n发酵罐：进行微生物深层培养的反应器统称为发酵罐发酵罐：进行微生物深层培养的反应器统称为发酵罐大型发酵罐大型发酵罐n发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。 顶搅拌顶搅拌 轴封轴封 底搅拌底搅拌 磁传动磁传动 气鼓式（鼓泡式）气鼓式（

2、鼓泡式） 内循环内循环 外循环外循环 管道式反应器：流动代替搅拌管道式反应器：流动代替搅拌 填充床（液体循环）填充床（液体循环） 流化床（同通气搅拌）流化床（同通气搅拌） 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气：不需要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气 伍伍式发酵罐式发酵罐 ：多用于纸浆废液发酵生产酵母多用于纸浆废液发酵生产酵母 重组菌生物反应器重组菌生物反应器 通用式搅拌罐通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌满足供氧、通气、搅拌 ) 气气升式发酵罐升式发酵罐 循环式循环式固固定化发酵罐定化发酵罐 1.外形、结构及几何尺寸要求外形、结构及几何尺寸要求 nH/D=1.

3、73 H筒身高度筒身高度 nHL/D=22.5 HL按照装料按照装料VL=70%V总计算计算 nd/D=1/31/2 d搅拌器直径搅拌器直径 nW/D=1/121/8（取取0.1 ，并留并留12cm间隙，以防角间隙，以防角） W档板宽度档板宽度nB/D=0.81.0 B下搅拌器距底间距下搅拌器距底间距 n(s/d)2=1.52.5 可以取相同值可以取相同值，1.5 s/d 2 (s/d)3=12 s搅拌器间距搅拌器间距 2. 搅拌装置搅拌装置n搅拌的目的搅拌的目的 n打碎气泡，增加气液接触面积，即打碎气泡，增加气液接触面积，即an产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间产生涡流，延长气泡在液体中的

4、停留时间 n造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KLn动量传递（动量传递（N、Ws），有利于混合及固体物料保持悬浮状态），有利于混合及固体物料保持悬浮状态n搅拌的效果搅拌的效果: :n原生流原生流圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流速圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流速V原n 挡板作用：次生流挡板作用：次生流轴向运动、翻动，决定混合好坏，轴向运动、翻动，决定混合好坏，V次n2n搅拌效果评价：传质，传热及混合效果搅拌效果评价：传质，传热及混合效果n效果的改善：转速，搅拌器（桨）的形式和数量效果的改善：转速，搅拌器（桨）的形式和数量 2. 搅拌装置（续

5、）搅拌装置（续）n搅拌器的形式搅拌器的形式 ：通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌器器 ，而又以圆盘涡轮搅拌器为主而又以圆盘涡轮搅拌器为主 。n桨叶型式：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、桨叶型式：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。箭叶式三种。n叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。 ：弯：弯平平箭箭 ；：弯：弯 箭箭平平SGLaW)VP(kK在相同的搅拌功率在相同的搅拌功率PG下下， 粉碎气泡能力：平粉碎气泡能力：平弯弯箭箭 综合传质综合传质+混合，混合，翻动流体能力：箭翻动流体能力：箭弯弯平平 弯弯叶最好（对于叶最好

6、（对于KLa）。 2. 搅拌装置（续）搅拌装置（续）n搅拌桨的层数：根据搅拌桨的层数：根据 H/D及及（s/d）n 的要求进的要求进行计算。一般行计算。一般34层，层，底层搅拌最重要，占轴底层搅拌最重要，占轴功率的功率的40% ，所具叶片所具叶片数最多数最多（68片片）。 2. 搅拌装置（续）搅拌装置（续）联轴器联轴器n大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。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。2. 搅拌装置（续）轴承搅拌装置（续）轴承n为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内为了减少震动，中型发酵罐一般

7、在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。罐内轴承不能加润滑油，应适当调节。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦采用液体润滑的塑料轴瓦(如聚四氟乙烯如聚四氟乙烯等等)，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.40.7。为了防止轴颈磨损，可以在。为了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套。与轴承接触处的轴上增加一个轴套。2. 搅拌装置（续）变速装置搅拌装置（续）变速装置n试验罐采用无级变速装试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速置。发酵罐常用

8、的变速装置有三角皮带传动，装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。带变速传动较为简便。2. 搅拌装置搅拌装置(续）轴封续）轴封n轴封的作用是使罐顶轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端的轴封有填料函和端面轴封两种。面轴封两种。填料函式轴封填料函式轴封n填料函式轴封是由填料箱体，填料底衬套，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。端面式轴封端面式轴封n端面式轴封又称机械端面式轴封又称机械轴封。密封作

9、用是靠轴封。密封作用是靠弹性元件（弹簧、波弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力使垂纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转互贴合，并作相对转动而达到密封。动而达到密封。3.3.挡板挡板 n挡板的作用：改变液流方向，由径向流挡板的作用：改变液流方向，由径向流轴向流，促使流体轴向流，促使流体翻动，增加传质和混合。翻动，增加传质和混合。n档板宽档板宽 ：W/D= 1/12-1/8 (取取0.1) n全档板条件：全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加档板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

10、涡基本消失或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失, 即要即要满足下式满足下式： （W/D）Z =0.4 Z档板数档板数 3.3.挡板挡板( (续）续）n说明说明 n竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不另加档板。故一般装另加档板。故一般装4块档板，可满足全档板条件。块档板，可满足全档板条件。n档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）为止。为止。n档板与罐壁间留缝隙，距离为（档板与罐壁间留缝隙，距离为（0.20.4）W，目，目的是去除死角。的是去除死角。 4.4.消泡器消泡器 n作用：破碎气

11、泡，改善供氧，防止污染。作用：破碎气泡，改善供氧，防止污染。n消泡桨形式消泡桨形式 慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径10-20mm）。 快速：对于底搅拌，可在罐顶装半封闭涡轮消沫器，快速：对于底搅拌，可在罐顶装半封闭涡轮消沫器， 单用电机。单用电机。 旋风分离旋风分离 叶轮离心式叶轮离心式消泡桨直径消泡桨直径：L=（0.8-0.9）D（罐径），以不妨碍旋转为原则罐径），以不妨碍旋转为原则与消泡剂合用与消泡剂合用 内部内部外部外部 适于不易染菌的工艺适于不易染菌的工艺 5. 空气分布器空气分布器n作用：吹入无菌空气，并使其分布均匀作用：吹入无菌空气，并使其分布均匀n型

12、式：型式： 单孔管：开口朝下，防止堵塞；管口距罐底约单孔管：开口朝下，防止堵塞；管口距罐底约40mm 环形管：适用于细度极小且易溶于水的固体发酵环形管：适用于细度极小且易溶于水的固体发酵原料）原料）6. 换热装置换热装置n夹套式：夹套式：5T以下用外夹套式以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr n竖式蛇管竖式蛇管：5T以上以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2hrn竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，适用于气温较高，水源充足的地区。适用于气温较高，水源充足的地区。1.1.发酵罐设计的基本

13、原则发酵罐设计的基本原则 n能否适合于生产工艺的放大要求能否适合于生产工艺的放大要求n能否获得最大的生产效率能否获得最大的生产效率2.2.发酵罐最大生产能力的确定发酵罐最大生产能力的确定 n两方面因素的比较两方面因素的比较n微生物生长率、产物转化率微生物生长率、产物转化率 传质效率传质效率（KLa、传氧效率传氧效率） 传热效率传热效率 混合效率混合效率n改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的首要任务首要任务 发酵罐的操作因素发酵罐的操作因素( (传递性能传递性能) )2.2.发酵罐最大生产能力的确定（续）发酵罐最大生产能力的

14、确定（续）n传质工程传质工程n随规模扩大，随规模扩大， ，KLa ，同等条件下传氧效率，同等条件下传氧效率n传热工程传热工程 n产热产热Q Q1 1 V V罐体积罐体积 n传热传热Q Q2 2 除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关 键键。 罐表面积AV， R1VA3.发酵罐设计的发酵罐设计的基本要求基本要求 n发酵罐能在无杂菌污染条件下，长期运转。搅拌器轴封严发酵罐能在无杂菌污染条件下，长期运转。搅拌器轴封严密，减少泄漏；结构紧凑，附件少；无死角，内壁光滑；密，减少泄漏；结构紧凑，附件少；无死角，内壁光滑；管道等尽可能焊接，少用法兰；

15、可维持一定正压；取样口管道等尽可能焊接，少用法兰；可维持一定正压；取样口易于灭菌，各部分能单独灭菌。易于灭菌，各部分能单独灭菌。n传质效果好（传氧性能好，传质效果好（传氧性能好，KLa大）大） 。 n有足够的冷却面积（传热性能好，冷却能力强）。有足够的冷却面积（传热性能好，冷却能力强）。n功耗低（传递效率高，节能）。功耗低（传递效率高，节能）。n采用不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。采用不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。 n 4.4.基本要求（续）基本要求（续）n应有基本控制系统（如应有基本控制系统（如T、pH、甚至甚至DO2）。）。n具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂）。具有消泡功能（机械消泡或补消泡

16、剂）。n具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。n要求放料、清洗、维修等操作简便，劳动消耗低。要求放料、清洗、维修等操作简便，劳动消耗低。n实验罐、中试罐应与生产罐有相似的几何形状，以利于放大实验罐、中试罐应与生产罐有相似的几何形状，以利于放大。 （五）发酵罐的放大设计（五）发酵罐的放大设计1. 放大的目的和任务放大的目的和任务2. 放大准则放大准则3. 放大方法放大方法1. 放大的目的和任务放大的目的和任务目的：实现生物技术成果走向产业化目的：实现生物技术成果走向产业化 生物技术产品产业研发的三个阶段：生物技术产品产业研发的三个阶段： 实验室规模：菌种

17、选育及发酵条件优化实验室规模：菌种选育及发酵条件优化 中试规模：确定放大规律及最佳操作条件中试规模：确定放大规律及最佳操作条件 工厂规模：通过产业化实验评价经济效益工厂规模：通过产业化实验评价经济效益n任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的外部条件，确保外部条件，确保“发酵单位相似发酵单位相似”2. 放大准则放大准则通常根据实际发酵中主要影响因素来确通常根据实际发酵中主要影响因素来确定，如：定，如：KLa、 P/V、nd等等。等等。3. 放大方法放大方法经验放大法经验放大法几何相似法几何相似法非几何相似法非几何相似法量纲（因次）分析法量纲（因次）分

18、析法时间常数法时间常数法数学模型法数学模型法几何相似法几何相似法在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空气流量、在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空气流量、搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题，即操作参数的放搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题，即操作参数的放大设计。常用的放大方法有：大设计。常用的放大方法有：几何尺寸放大几何尺寸放大空气流量放大空气流量放大v VVM相等相等v Ws相等相等v KLa相等相等搅拌功率及搅拌转速的放大搅拌功率及搅拌转速的放大几何尺寸放大几何尺寸放大 n放大倍数放大倍数m指罐的体积增加倍数，即指罐的体积增加倍数，即 几何相似，几何相似，则则 12VVm 2211D

19、HDHmDDDDDDHDHDVV31212122212122212)(444431212mDDHH空气流量放大空气流量放大以以VVM相等的原则放大相等的原则放大PDVVMPDVVVMWS)()(22211212)()(PPDDWWSS空气流量放大空气流量放大以以Ws相等的原则放大相等的原则放大1)()(122222111212LLSSVVDPDPVVMVVMWW21122121221212DDPPVVDDPPVVMVVMLL空气流量放大空气流量放大以以KLa相等的原则放大相等的原则放大3/2LLgLaHVQK1)()()()()()(3211322212LLgLLgLaLaHVQHVQKK32232112)()()()(LLLgLgHHVQVQ2DWQSg3DV DHL 311212)(DDWWSS又PDVVMPDVVVMWLS)()(23221121221122112212)()()(1DDPPWWDDPPDPWDPWVVMVVMSSSS 空气流量放大空气流量放大以以KLa相等的原则放大相等的原则放大四、重组菌生物反应器四、重组菌生物反应器 1. 与普通微生物发酵罐最大的区别：与普通微