通风发酵设备讲解课件

1、第二章 通风发酵设备第一节 机械搅拌通风发酵设备机械搅拌通风发酵罐的结构机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性机械搅拌通风发酵罐的热量传递机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积发酵罐利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液混合并溶解在发酵液中，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？发酵罐的结构及装配观看发酵罐结构的动画罐体 培养微生物的巨大容器，密闭式的，为满足一定的工艺要求，罐体必须能够承担一定的压强和温度。通常要求耐受130度和0.25MPa罐

2、壁的厚度取决于罐径、材料和耐受的压强受内压时，壁厚计算 1= + C p 耐受压强，MPa 表压D 罐径，mm 焊缝系数 ,双面对焊=0.8，无焊缝=1 C 腐蚀系数，当1-C10 mm时，C = 3 mm 许用应力 pD230-p封头壁厚按碟形封头计算2= + C式中y开孔系数,一般取2.3 pDy2302立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，大中型发酵罐大多是整体焊接。法兰连接就是把两个管道、管件或器材，先各自固定在一个法兰盘上，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固在一起，完成了连接。 形状，圆柱形，两端椭圆形？受力均匀，减少死角，物料容易排除 高度与直径比1.73.5，有利空气

3、利用率搅拌器主要作用混合和传质使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮状态将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提高氧的传质效率同时可以强化传热为了更好的传质，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搅拌叶轮的分类圆盘涡轮搅拌器（径向流型搅拌器） 旋桨式搅拌器 推进式搅拌器（轴向流型搅拌器） Lightnin式搅拌器（高效轴向流型搅拌器） 圆盘涡轮搅拌器圆盘涡轮搅拌器平叶式、弯叶式、箭叶式三种，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。 为什么存在圆盘？涡轮搅拌器如果没有圆盘，空气气泡沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，气泡大，气

4、泡总表面积减少，溶氧系数降低；大气泡上升速度快，走短路，传质效果差。安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数。圆盘有何弊端？径向型涡轮搅拌器由于圆盘的存在，使罐内的流动分成上、下两个循环区。虽然区域内能充分混合，但两个区域间则混合不均 旋桨式搅拌器推进式搅拌器（轴向流型搅拌器）P32：图1-2-2 Lightnin式搅拌器（高效轴向流型搅拌器）推进式的特点 将罐内液体向前或向后推进（或向下或向上推进），使流体形成螺旋状运动的圆柱流，它的混合效果较好，对液体的剪切作用较小。 高效轴向流型搅拌器 四宽叶旋桨具有循环能力大，宽叶

5、下可存些气体，使气体分散较为平稳 特点圆盘涡轮搅拌器 剪切力大，气泡分散更细，提高溶氧传质。功耗高。旋桨式搅拌器 剪切力小，循环能力大，使物料混匀更好。功耗低。 一般采用涡轮式和旋桨式共用的搅拌系统。同时为了防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍动和溶氧传质增加挡板挡板挡板的作用是防止液面中央产生漩涡促使液体激烈翻动，增加溶解氧改变液流的方向，由径向流改为轴向流。从液面至罐底竖立的列管，排管，也可以起挡板作用，故一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。 与罐壁之间的距离为1/51/8D，避免形成死角，防止物料与菌体堆积挡板数量？（通常4-6块）不同搅拌器的搅拌流型观看动画轴封轴封的作用主要是防

6、止染菌和泄露主要有填料函轴封和端面机械轴封常用的为端面机械轴封作用原理 靠压力元件的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地贴和在一起，并作相对运动，从而密封的特别紧密。轴封设计原理动画端面机械轴封动环和静环弹簧加荷装置辅助密封元件动环和静环要求：负荷最轻、密封效果好、使用寿命长。 采取措施： 材料具有良好的耐磨性，摩擦系数小，导热性能好，结构紧密，动环硬度比静环大。 动环碳化钢，静环聚四氟乙烯，而且端面宽度适中（宽散热和润滑效果不好，窄强度不足易损坏）弹簧加荷装置 作用产生压力，使动静环端面压紧密切接触，以确保密封。 根据所要求的压力，选择计算弹簧的规格及根数。辅助密封元件 密封圈 用来密

7、封动环与轴及静环与静环座之间的缝隙。轴封组装 观看动画端面式轴封又叫机械轴封优点：使用寿命长，质量好的可用25年不需维修。摩擦功率耗损小，一般为填料函式的1050。 它对轴的精度和光洁度没有填料函那么要求严格 ，对轴的震动敏感性小。轴或轴套不受磨损常用于大型和搅拌轴装于罐底的发酵罐，常用的轴封为双端面机械轴封。空气分布装置作用 吹入无菌空气并使空气均匀分布分类 单管管口对罐底中央，与罐底距离约为40mm 环形管环管上的空气喷孔应在搅拌叶内边之下，同时喷孔向下，减少培养液在环形管的滞留。 直径取2-5mm为好，喷孔总面积等于分布管截面积，空气流速取20m/s左右 消泡装置泡沫的产生？ 由于发酵液

8、中存在蛋白质表面活性剂存在，在通气的条件下，培养液就形成了泡沫。 一方面与通风搅拌相关，另一方面与培养基性质有关。采取的措施 调整培养基的组成 机械消泡 加入消泡剂降低泡沫的机械强度和表面黏度。 常用的消泡剂有GPE（聚氧乙烯氧丙烯甘油）和天然油脂类（豆油、玉米油）消泡器锯齿式、梳状式及孔板式装于搅拌轴上，齿面略高于液面直径罐径的0.80.9机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧发酵罐的通风供氧是十分重要的 工业发酵常用的微生物的呼吸速率约为0.10.4kg(O2)/h.kg(干细胞)，由糖转化为微生物细胞的，则需1kg(O2)/kg(增值细胞)。 在常压室温条件下，纯水中的氧的饱和溶解度只有0.25

9、mol/m3(? kg(O2)/m3A 0.025 B 0.008 C 0.0025 D 0.08气-液相间的溶氧传质理论1.气泡中的氧通过气相边界层传递到气-液界面上2.氧分子由气相侧通过扩散穿过界面3.在界面液相侧通过液相滞留传递到液相主体4.在液相主体中进行传递5.通过生物细胞表面的液相滞留层传递进入生物细胞内溶氧传递速率OTR = kLa (c*-c) kLa 体积溶氧系数C发酵液中的溶氧浓度C*相应条件下的饱和溶氧浓度影响体积溶氧系数kLa的主要因素1. 操作条件（搅拌转速，通气量）2. 发酵罐的结构和几何参数3. 物料的物化性质Pg对液体的搅拌功率VL发酵液的装液量VG通气量Vs空

10、截面气速机械搅拌通风发酵罐的通风量持气率的定义 h=(VLG-VL)/VL 牛顿型培养液 h=1.8(Pg/VL)0.14Vs0.75由于发酵系统存在持气和起泡问题，所以装液系数一般在0.60.85之间通气速率（一般用Vs表示） 强化溶氧传质，提高KLa，是不是单纯提高Vs即可？P0Pg无通风和通气时的搅拌功率Di 搅拌叶的直径 n 搅拌叶的转速Vg通气量随着通气量的增加，Pg会降低，为了强化溶氧传质，必须采取一定措施适当提高Pg？提高转速，或增加搅拌叶的直径通气压强提高罐压，可以提高溶氧速率压强过高，导致功耗增加，同时对细胞生长不利一般选择罐顶压0.05Mpa。OTR = kLa (c*-c

11、)富氧通风 通入纯度较高的氧气可以提高溶氧速率成本？大规模的发酵不能应用溶速率OTR = kLa (c*-c)通风发酵罐的搅拌与流变特性剪切力和叶轮的尺寸类型发酵培养液的流变特性剪切力和叶轮的尺寸类型一般搅拌叶直径与罐径之比为 Di/D=0.330.45 如果发酵液粘度较大或者动物培养可选择Di/D比较大的搅拌叶圆盘涡轮优点: 搅拌功率高，具有良好的气液分散功能，因而溶氧速度高缺点：剪切力较大推进式：能耗低，轴向混合好注意：单细胞生物如球状或杆状的细菌、酵母、等耐受剪切力比较强；丝状菌的耐受能力弱；动物细胞对剪切特别敏感。所以要注意搅拌叶的剪切速率，因为剪切力随着剪切速率的增大而增大。P42:

12、 图1-2-10,11牛顿型 黏度不随剪切速率和剪应力而变化 剪应力 剪切速率 黏度 拟塑性和涨塑性 拟塑性黏度随着剪切速率的增加而 减小 涨塑性黏度随着剪切速率的增加而 增加 拟塑性，n1一般酵母和细菌的发酵，粘度较低，属于牛顿型流体许多丝状真菌的发酵液，如青霉素等属于拟塑性流体宾汉型黑曲霉等丝状真菌的发酵液可属于宾汉型 发酵罐的换热装置换热夹套竖式蛇管竖式列管换热夹套 结构简单，加工方便，换热系数较低，故适用于5m3以下的发酵罐竖式蛇管 管内水流速度大，换热系数高 要求：冷却水温度较低，否则降温不易竖式列管 用水量较大发酵罐的尺寸p44：1-2-13H/D=2.03.5Di/D=2/53/

13、10B/D=1/81/12C/Di=0.81.0S/Di=25H0/D=2气升式发酵罐工作原理 把无菌的空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度较低故向上运动，而上部的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合和传质。特点反应溶液分布均匀 综合循环速率高较高的溶氧速率和溶氧效率 较高的气含量和比气液接触面积剪切力小 没有机械搅拌叶轮，故剪切力小传热良好 液体循环速率高结构简单操作维修方便操作特性平均循环时间tm 需氧强度大的发酵，要求循环速度大，平均循环时间小 需氧强度小的发酵，要求循环速度小，平均循环时间大液气比R R=Vc/VG

14、通气量对发酵罐的混合和溶氧起决定作用，而通气的压强差对发酵液的流动和溶氧也有相当的影响。溶氧传质 反应溶液的气含率与空截面气速的关系 h=KVsn K,n经验常数2.3自吸式发酵罐p55：图1-2-20自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射装置吸入空气并同时实现混合搅拌传质的发酵罐。特点：不必配备空气压缩机及附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗低；用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的特点。缺点：负压吸入空气，不能保持正压，易产生杂菌污染。同需配低阻力损失的高效过滤系统。第2章通风发酵设备2.3自吸式发酵

15、罐设计特点： 高径比；转子与定子的确定；吸气量计算第2章通风发酵设备2.3自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐文氏管吸气自吸式发酵罐液体喷射自吸式发酵罐溢流喷射自吸式发酵罐通风固相发酵设备 p60固相发酵：微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称 作为固体发酵。 固体发酵主要适合于霉菌，浅盘。 特点： 1、原料来源广，价格低廉。 2、能耗低。 3、固体发酵的产物回收般步骤少，费用也省。 4、固体发酵存在的主要工程问题是大规模生产时的散热比较困难，参数检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等是很难实现的。因此，实现固体发酵的最优化困难重重。通风固相发酵设备 按照固体培养方式来区分1浅盘式：国内广大农村的个体生产中，采用曲盘、帘子和曲架就可以进行生产。工业上是用多层铝制浅盘放在架子上进行培养，培养室保持一定的温度和湿度。2旋转式：旋转式固体发酵罐有鼓形和管形，培养过程中，整个发酵罐以低速间歇旋转，罐内的小固体颗粒会沿着罐壁滑动，达到散热 和与空气接触之目的。 3厚层式：固体发酵床的底部为多孔筛板，风道倾斜形，可使平行流动的气流变成垂直流动。曲层厚度可以是300-350mm。无菌的压 缩空气需调节好温度和湿度，空气的相对湿度一般为92，空气风压常为200mmHg，这种装置的进出料和翻曲可以实现机械化和自动化，在工业生产上已有