设备教案(7,8,9)发酵设备讲解

《设备教案(7,8,9)发酵设备讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《设备教案(7,8,9)发酵设备讲解（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第四章 通风发酵设备,2,教学目标,1、通用式发酵罐的主要部件及其作用 2、涡轮式搅拌器的叶片形式有哪些？ 3、挡板的作用及“全挡板条件” 4、常用的换热装置有哪些 5、其他发酵罐的工作原理,3,第一节 发酵设备概述,发酵主要设备为发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料(培养基)调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除菌设备，以及搅拌器等。 种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。 发酵罐：承担产物的生产任务。 它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。,4,发酵罐的定义：是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。

2、 对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。,一、发酵罐(fermenter),5,发酵罐系统,一个优良的发酵罐装置和组成 （1）应具有严密的结构 （2）良好的液体混合特性 （3）好的传质相传热速率 （4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表,6,发酵罐发展历史,第一阶段:1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。 第二阶段:1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。 第三阶段：1940-196

3、0年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。,7,第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。 第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化

4、。,8,发酵罐的特点,（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。 （2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。 在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、溶解氧电极、溶解二氧化碳电极等的在线检测在国外已相当成熟。国内目前尚处于起步阶段，发酵检测参数还只限于温度、压力、空气流量等一些最常规的参数。,9,发酵罐的种类,发酵工业上最常用的是通风搅拌罐。 除了通风搅拌发酵罐外，其它型式的发酵罐如：自吸式发酵罐、空气带升环流式发酵罐、高位塔式发酵罐等 。,10,

5、典型发酵设备,种子制备设备、主发酵设备、辅助设备(无菌空气和培养基的制备)，发酵液预处理设备，粗产品的提取设备、产品精制与干燥设备、流出物回收、利用和处理设备等。,11,发酵罐工艺操作条件,1温度：2540。 2压力：01 kgcm3(表压)。 3灭菌条件: 温度100140，压力03 kgcm3 (表压). 4pH：211。 5需氧量：0050.3 kmo1m3h。 6通气量：0.32 VVM。 7功率消耗：0.54kWm3。 8. 发酵热量：5 00020 000 kcalm3h。,12,发酵罐的类型,1按微生物生长代谢需要分类： 好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发

6、酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数； 厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。,13,2. 按照发酵罐设备特点分类： 机械搅拌通风发酵罐：包括循环式，如伍式发酵罐，文氏管发酵罐，以及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。 非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气提式、液提式发酵罐，以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。 这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。,14,3按容积分类： 一般认为500L以下的是实验室发酵罐； 500-5000L是中试发酵罐； 5000L以上是生产规模的

7、发酵罐。,15,一、机械搅拌通风发酵罐,机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。 它是利用机械搅拌器的作用，使空气和料液充分混合促使氧在料液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。 一、通用式发酵罐(stirred tank) 有机械搅拌又有压缩空气分布装置,16,发酵罐的基本条件,（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。 （2）发酵罐能承受一定的压力。 （3）要保证发酵液必须的溶解氧。 （4）发酵罐应具有足够的冷却面积。 （5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌。 （6）搅拌器的轴封应严密，防病量减少泄漏。,17,发酵罐,18,三、发酵罐的

8、结构,1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封 8、换热装置,19,组成,（三）发酵罐的结构-1、罐体,接口,H/D 高径比,材料,罐身（圆柱体）、罐顶、罐底（椭圆形或碟形封头）,大中型罐：罐顶、罐底均为焊接，有人孔 小型罐(fermentor lab)： 罐顶法兰连接、罐底焊接，有手孔 罐顶、罐底、罐身各自有接口，接口尽可能合并。,2.5-4,不锈钢(stainless steel),20,罐顶、罐底、罐身各自有接口 罐顶：视镜、灯镜、进料、补料、排气（靠近中心轴封）、接种、压力表接管 罐身：冷却水进出管、空气进管、温度计管、检测仪表

9、接口 取样：罐顶、罐侧 接口尽可能合并（接种、补料、进料）,21,2、搅拌装置,搅拌的作用： 产生强大的总体流动，达宏观均匀， 传质传热，达微观均匀。 气体分散：空气分散成气泡与发酵液充分混合，使气泡粉碎以增大气-液界面，获得所需的溶氧速率。 固-液悬浮：生物细胞悬浮分散于发酵体系中，维持三相的混合与质量传递 传热混匀：强化传热过程,22,（2）搅拌器的型式,五种：旋浆式、浆式、涡轮式、框式、锚式,按工作 原理分,涡轮式 径向流型,旋浆式 轴向流型,流量小，压头高, 用于溶解氧,流量大，压头低，用于配料,23,径向流型搅拌器的型式 六直叶圆盘蜗轮,圆盘,防止气体未经分散直接沿轴逸出液面,三种叶

10、片形式,平叶式 弯叶式 箭叶式,24,搅拌器的型式,25,径向流型搅拌器的型式,粉碎气泡能力,平叶式弯叶式箭叶式,翻动液体能力,平叶式弯叶式箭叶式,三层搅拌组合,上层为箭叶（强化混合效果） 下层为平叶（粉碎气泡）,26,上下不对称的结构,上升气体被长叶片盖住，避免气体过早逃逸,27,轴向流型搅拌器,剪切力小，适合对剪切敏感的微生物。,28,组合式搅拌器,29,栅栏多棍式搅拌器：粘稠培养液 变速搅拌与不变速搅拌 上伸轴与下伸轴,30,挡 板,挡板的作用防止液面中央形成旋涡，使液体剧烈翻动，增加溶解氧，提高混合效果。（改变被搅拌液体的流动方向，产生纵向运动，消除下凹旋涡） 通常挡板宽度取（0.1-

11、0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件。 所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。,31,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。（但冷却管为盘管时，则应设挡板。） 挡板的长度自液面起到罐底为止。 挡板与罐壁之间的距离为（1/51/9）D，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。,32,33,消泡装量 消泡：发酵液中含有大量蛋白质等发泡物质，强烈通气搅拌会产生大量泡沫，增加染菌机会,消泡 方式,化学消泡,机械消泡,加入化学消泡剂antifoam（泡敌）消除泡沫，但高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多；,机械

12、消泡装置主要有四种。,34,机械消泡装置,耙式消泡浆 安装于搅拌轴上，齿面略高于液面。直径为（0.8-0.9) D，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。,35,二是半封闭式涡轮消泡器，它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。 三是离心式消泡器，它们置于发酵罐的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。 第四种是刮板式消泡器，它安装于发酵罐的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋转的刮板中，刮板转速为10001450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用，液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则由汽孔排出。,36,联轴器及轴承,大型发酵罐搅拌轴较长，常分为

13、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。,37,为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承(an axle bearing) ，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（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。 轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4-0.7%，以适应温度差的变化。,38,罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤其是底轴承处的磨损更为严重，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套，用紧固螺钉与轴固定，这样仅磨损轴套而轴不会

14、磨损，检修时只要更换轴套就可以了。,39,变速装置,试验罐采用无级变速装置，发酵罐常用的变速装置有三角皮带伸展动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动效率较高，但加工，安装精度要求高。,40,采用变极电动机作阶段变速，即在需氧高峰时采用高转速，而在不需较高溶解氧的阶段适当降低转速。这样，发酵产率并不降低，而动力消耗则有所节约。 自动化程度较高的发酵罐，采用可控硅变频装置，根据溶氧测定仪连续测定发酵液中溶解氧浓度的情况，并按照微生物生长需要的耗氧及发酵情况，随时自动变更转速，这种装置进一步节约了动力消耗，并可相应提高发酵产率，但其装置颇为复杂。,41,作用：将无菌空气引入到发酵液中

15、，并使空气均匀分布。,分布装置的形式,单孔管,多孔分布器,常用的为单孔管，管口正对罐底中央，装于最低一挡搅拌器正下方，开口朝下，管口与罐低的距离约40mm （保护板） ，并且空气分散效果较好。,多孔环管或多孔分布器 ：开孔直径宜大。过小的开孔，易被物料堵塞，造成空气分布不均匀，甚至造成染菌。,空气分布装置,42,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。 若距离过大，空气分散效果较差。该距离可根据溶氧情况适当调整，空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与料液充分混合，增加了气液传质效果

16、。,43,轴 封,轴封的作用：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。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。,44,传热装置,5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管冷却（四至八组）。带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计算即3.5Kg/厘米2（绝对压力）,45,传热装置,夹套 或蛇管,46,发酵罐装料容积,发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱部分高度,但须根据具体情况而定。采用有效的机械消涣装置，可以提高罐的装料量。 （一）几何尺寸 H/D 高径比（特性尺寸），取值与罐的用途、发酵菌种有关。 （二）装料容积 装料系数0.7-0.8,47,标准通用式发酵罐 (fermenter),通用式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备 。 在工业生产中，尤其是制药工业中，使用得最广泛的就是通用式发酵罐。 这种发酵罐既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装置。