微生物工程(發(fā)酵)第五章 發(fā)酵設(shè)備

1、第五章 發(fā)酵設(shè)備思考題： 好氧型發(fā)酵罐的主要類型及其主要特征（氣升氏、自吸式、伍氏、文氏管發(fā)酵罐） 通用式攪拌罐的基本結(jié)構(gòu)及主要部件的作用； 生物反應(yīng)器（生物反應(yīng)器（Bioreactor）是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，它是一種生物功能模擬機(jī)，如發(fā)酵罐、固定化酶或固定化細(xì)胞反應(yīng)器等； 發(fā)酵工程中的反應(yīng)器即發(fā)酵罐；5.1 發(fā)酵罐的概述 發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠中主要的設(shè)備，它提供發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠中主要的設(shè)備，它提供了一個(gè)適應(yīng)微生物生命活動(dòng)和生物代謝的了一個(gè)適應(yīng)微生物生命活動(dòng)和生物代謝的場所；場所； 由于微生物分為需氧和厭氧兩大類，由于微生物分為需氧和厭氧兩大類

2、， 故供故供微生物生存和代謝的發(fā)酵罐也分為厭氧型微生物生存和代謝的發(fā)酵罐也分為厭氧型發(fā)酵罐與通風(fēng)型發(fā)酵罐；發(fā)酵罐與通風(fēng)型發(fā)酵罐； 不論厭氧或通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備，除了滿足微生不論厭氧或通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備，除了滿足微生物培養(yǎng)所必要的工藝要求外，還得考慮材物培養(yǎng)所必要的工藝要求外，還得考慮材質(zhì)的要求以及加工制造難易程度等因素質(zhì)的要求以及加工制造難易程度等因素 厭氧型發(fā)酵罐（酒精、啤酒、沼氣發(fā)酵） 通風(fēng)發(fā)酵罐又稱好氣（氧）型發(fā)酵罐，如谷氨酸、檸檬酸、酶制劑、抗生素、酵母等發(fā)酵用的發(fā)酵罐 好氣性發(fā)酵需要將空氣不斷通入發(fā)酵液中，以供微生物所消耗的氧 好氧型發(fā)酵罐的類型好氧型發(fā)酵罐的類型 頂攪拌頂攪拌 軸封軸封 底攪拌

3、底攪拌 磁傳動(dòng)磁傳動(dòng) 氣鼓式（鼓泡式）氣鼓式（鼓泡式） 內(nèi)循環(huán)內(nèi)循環(huán) 外循環(huán)外循環(huán) 管道式反應(yīng)器：流動(dòng)代替攪拌管道式反應(yīng)器：流動(dòng)代替攪拌 填充床（液體循環(huán)）填充床（液體循環(huán)） 流化床（通氣攪拌）流化床（通氣攪拌） 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 ：不需要空氣壓縮機(jī)，在攪拌過程中自吸入空氣：不需要空氣壓縮機(jī)，在攪拌過程中自吸入空氣 伍伍式發(fā)酵罐式發(fā)酵罐 ：多用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母多用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母 重組菌生物反應(yīng)器重組菌生物反應(yīng)器 通用式攪拌罐通用式攪拌罐(滿足供氧、通氣、攪拌滿足供氧、通氣、攪拌 ) 氣氣升式發(fā)酵罐升式發(fā)酵罐 循環(huán)式循環(huán)式固固定化發(fā)酵罐定化發(fā)酵罐 大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐 四十

4、年代中期，青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)以及深層通風(fēng)培養(yǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志近代好氧型發(fā)酵工業(yè)的開始 在深層通風(fēng)培養(yǎng)技術(shù)中，好氧型發(fā)酵罐是關(guān)鍵設(shè)備機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一。它是利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣5.2通用式攪拌罐及其結(jié)構(gòu)通用式攪拌罐及其結(jié)構(gòu) 5.2.1發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu) 5.2.2 罐體罐體 5.2.3 攪拌裝置攪拌裝置 5.2.4 擋板擋板 5.2.5 消泡器消泡器 5.2.6 換熱裝置換熱裝置機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是密封機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是密封 式受壓設(shè)式受壓設(shè)備，主要部件包括：備，主要部件包括： 罐

5、身罐身 攪拌器攪拌器 軸封軸封 消泡器消泡器 聯(lián)軸器聯(lián)軸器 中間軸承中間軸承 空氣吹泡管空氣吹泡管(或空氣噴射器或空氣噴射器) 擋板擋板 換熱裝置換熱裝置 人孔以及管路等人孔以及管路等5.2.1發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)5.2.2 罐體 罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接，材料一般為不銹鋼 為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設(shè)有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝設(shè)有快開人孔及清洗用的快開手孔。 罐頂裝有視鏡及燈鏡。 罐頂上的接管有：進(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管和壓力表接管 在罐身上的接管有冷卻水進(jìn)出管、進(jìn)空氣管、取樣管、溫度計(jì)管和測控儀表接口罐體的尺寸比例罐的

6、高度與直徑之比一般為1.74。發(fā)酵罐通常裝有兩組攪拌器，兩組攪拌器的間距S約為攪拌器直徑的三倍。對于大型發(fā)酵罐以及液體深度HL較高的，可安裝三組或三組以上的攪拌器。最下面一組攪拌器通常與風(fēng)管出口較接近為好，與罐底的距離C一般等于攪拌器直徑Di，不宜小于0.8Di，否則會(huì)影響液體的循環(huán)。最常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖。 H/D=1.74 H筒身高度筒身高度 HL/D=22.5 HL按照裝料按照裝料VL=70%V總計(jì)算計(jì)算 d/D=1/31/2 d攪拌器直徑攪拌器直徑 W/D=1/121/10（一般一般0.1 ） W檔板寬檔板寬度度 B/d=0.81.0 B下攪拌器距底間距下攪拌器距底間距 1

7、.5 s/d 2 s攪拌器間距攪拌器間距 5.2.3 攪拌裝置攪拌裝置打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)酵液中；酵液中；產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時(shí)間；產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時(shí)間；造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度；造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度；動(dòng)量傳遞，有利于混合及固體物料保持懸浮狀動(dòng)量傳遞，有利于混合及固體物料保持懸浮狀 攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（渦輪式）兩種（渦輪式）兩種攪拌器類型：攪拌器類型： 軸向式：槳葉式軸向式：槳葉式 螺旋槳式螺旋槳式 徑向式：渦

8、輪式徑向式：渦輪式葉片形狀：葉片形狀： 平直葉平直葉 彎葉彎葉 箭葉箭葉在相同的攪拌功率下在相同的攪拌功率下， 粉碎氣泡能力：平粉碎氣泡能力：平彎彎箭箭 翻動(dòng)流體能力：箭翻動(dòng)流體能力：箭彎彎平平5.2.4 擋板擋板 擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動(dòng)，增加溶解氧。5.2.4 擋板擋板 通常，擋板寬度取(0.10.2)D，裝設(shè)46塊可滿足全擋板條件 全擋板條件：是指在一定轉(zhuǎn)數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求：5.2.5 消泡器消泡器 消泡器的作用是將泡沫打破； 常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式?？装迨降目讖郊s1020毫米； 消泡

9、器的長度約為罐徑的0.65倍；5.2.6 換熱裝置換熱裝置 夾套式換熱裝置 這種裝置多應(yīng)用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐； 夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進(jìn)行冷卻面積的設(shè)計(jì)。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易進(jìn)行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。 其缺點(diǎn)是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時(shí)降溫效果差， 豎式蛇管換熱裝置 豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，四組、六組或八組不等，根據(jù)管的直徑大小而定，容積5米3以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。 優(yōu)點(diǎn)：冷卻水在管內(nèi)的流速大；傳熱系數(shù)高。適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。 但是氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)酵時(shí)降溫困難，發(fā)酵

10、溫度超過40C，會(huì)影響發(fā)酵產(chǎn)率，因此應(yīng)采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，如此則增加了設(shè)備投資及生產(chǎn)成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。 豎式列管(排管)換熱裝置 以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)。 優(yōu)點(diǎn)：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。 缺點(diǎn)：傳熱系數(shù)較蛇管低， 用水量較大。5.3 其它通風(fēng)發(fā)酵罐的類型 發(fā)酵罐的類型與發(fā)酵類型、工藝類型和產(chǎn)發(fā)酵罐的類型與發(fā)酵類型、工藝類型和產(chǎn)物類型有關(guān)物類型有關(guān)5.3.2氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐 利用空氣噴嘴噴出高速的空氣，空氣以氣泡式分散于液體中，在通氣的一側(cè)，液體平均密度下降，在不通氣的一側(cè)，液體密度較大，因而產(chǎn)生與通氣側(cè)的液體產(chǎn)生密度差，從而形成發(fā)酵罐內(nèi)液

11、體的環(huán)流；氣升式發(fā)酵罐的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積??； 無攪拌傳動(dòng)設(shè)備，節(jié)省動(dòng)力約50%，節(jié)省鋼材； 操作時(shí)無噪音； 料液裝料系數(shù)達(dá)8090，而不須加消泡劑； 維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染 但不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。 氣升式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及原理 分為內(nèi)循環(huán)和外 循環(huán)兩種。其主 要結(jié)構(gòu)包括： 罐體 上升管 空氣噴嘴5.3.3 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐l自吸式發(fā)酵罐是一種不需專門為發(fā)酵罐內(nèi)導(dǎo)入壓縮空氣的適用于好氣發(fā)酵的發(fā)酵罐。它裝有一種特殊設(shè)計(jì)的機(jī)械攪拌裝置，當(dāng)這種攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，緊密貼在槳底的導(dǎo)氣管可借槳葉排出液體時(shí)所產(chǎn)生的局部真空把空氣吸入罐內(nèi)。l采用了不

12、同型式、容積的自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復(fù)雷素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的效果。發(fā)自吸式發(fā)酵罐的罐體結(jié)構(gòu)大致與機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐相同，主要區(qū)別在于攪拌器的形狀和結(jié)構(gòu)不同。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。攪拌器由從罐底向上伸入的主軸帶動(dòng)，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片不斷排開周圍的液體使其背部形成真空，于是將罐外空氣通過攪拌器中心的吸氣管而吸人罐內(nèi)，吸入的空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。 5.3.4 伍伍式發(fā)酵罐式發(fā)酵罐 攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上，攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上，兼作空氣分配器?？諝庥煽招妮S導(dǎo)入，經(jīng)過攪兼作空氣分配器?？諝庥煽招妮S導(dǎo)入，經(jīng)過攪拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相混合，發(fā)酵液在套筒外側(cè)上升，由套筒內(nèi)部下混合，發(fā)酵液在套筒外側(cè)上升，由套筒內(nèi)部下降，形成循環(huán)；降，形成循環(huán)； 多用于紙漿廢液多用于紙漿廢液 發(fā)酵生產(chǎn)酵母發(fā)酵生產(chǎn)酵母 攪拌時(shí)液體沿著套筒外向上升至液面，然后由套筒內(nèi)返回罐