ch通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備PPT課件

1、通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)發(fā)酵反應(yīng)器包括酵母發(fā)酵罐、單細(xì)胞蛋白發(fā)酵罐、氨基酸發(fā)酵罐、酶制劑發(fā)酵罐，抗生素發(fā)酵罐等等。發(fā)酵反應(yīng)器是生物工程重要的組成部分，高效反應(yīng)器的特點是設(shè)備簡單，不易染菌，體積小，電耗少，單位時間單位體積的生產(chǎn)能力高，代謝放出熱量易于移去，操作控制維修方便，生產(chǎn)安全，易于放大。第1頁/共66頁第一節(jié)、機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 一、發(fā)酵罐的基本條件 機械攪拌發(fā)酵罐在工廠廣泛采用。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，提高發(fā)酵液的溶解氧，供給微生物生長繁殖代謝過程所需的氧。發(fā)酵罐的基本條件如下：4。罐身長，氧的利用率較高。(2)、發(fā)酵罐的攪拌通風(fēng)裝置要能使氣泡分散細(xì)碎，氣液充分混備保

2、證發(fā)酵液必須的溶解氧，提高氧的利用率。第2頁/共66頁(3)、發(fā)酵罐能承受一定壓力。由于發(fā)酵罐在消毒及正常工作時，罐內(nèi)有一定的壓力和溫度，因此罐體各部件要有一定的強度，能承受一定的壓力。罐加工制造后，必須進(jìn)行水壓試驗，水壓試驗壓力為工作壓力的1.5倍。(4)、發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。微生物生長代謝過程放出大量的熱量，不同產(chǎn)品的發(fā)酵放出熱量也有不同。為了控制發(fā)酵過程不同階段所需的溫度，應(yīng)具有足夠的冷卻面積。(5)、發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)拋光，盡量減少死角，避免藏垢積污，使滅菌徹底，避免染菌。(6)、攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量減少泄漏。第3頁/共66頁二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)：通用的機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐主要部件包括罐

3、體、攪拌器、軸封、打泡器、聯(lián)軸器、中間軸承、空氣吹泡管（或空氣噴射器）、擋板、冷卻裝置、消泡器、人孔以及視鏡等。第4頁/共66頁1軸封 2、20人孔 3梯 4聯(lián)軸節(jié) 5中間軸承 6溫度計接口 7攪拌葉輪 8進(jìn)風(fēng)口 9放料口 10底軸承 11熱電偶接口 12冷卻管 13攪拌軸 14取樣管 15軸承座 16傳動皮帶 17電機 18壓力表 19取樣管 21進(jìn)料口 22補料口 23排氣口 24回流口第5頁/共66頁1. 罐體 罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼，對于大型發(fā)酵罐可用襯不銹綱或復(fù)合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚度為23mm。為了滿足工藝要求，罐需承受一定溫度和壓力，

4、通常要求耐受130和0.25 Mpa (絕對大氣壓)。罐壁的厚度取決于罐徑、材料及耐受的壓強。第6頁/共66頁 2攪拌器和擋板渦輪式攪拌器的葉片有平葉式、彎葉式、箭葉式三種，其作用主要是打碎氣泡，加速和提高溶氧。平葉式功率消耗較大，彎葉式較小，箭葉式又次之。為了拆裝方便、大型攪拌器可做成兩半型，用螺栓聯(lián)成整體。攪拌器宜用不銹鋼板制成。D。裝設(shè)6 4塊擋板，可滿足全擋板條件。所渭“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下，再增加罐內(nèi)附件，軸功率仍保持不變。第7頁/共66頁第8頁/共66頁3軸封軸封的作用是防止泄漏和染菌。常用軸封有填料函和端面軸封兩種。 填料函軸封的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單； 缺點是：(1)死角多，

5、很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；(2)軸的磨損情況較嚴(yán)重；(3)填料壓緊后摩擦功率消耗大；(4)壽命短，維修工時多。第9頁/共66頁 端面軸封的作用是靠彈性元件 (彈簧、波紋管等) 的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而達(dá)到密封。其優(yōu)點是：(1)清潔；(2)密封可靠，使用時間較長，不會泄漏：(3)無死角，可防止雜菌污染；(4)壽命長，質(zhì)量好的25年不需修理；(5)摩擦功率耗損小，一般為填料密封的10、50%；(6)軸或軸套不受磨損：(7)對軸的震動敏感性小。但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝拆不便，對動環(huán)及靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。第10頁/共66頁4. 空氣分布器 一般的通

6、氣發(fā)酵罐，空氣分布裝置有單管式及環(huán)形管式等。常用單管式，管口正對罐底中央，與罐底距離約40mm，這樣空氣分散效果較好，若距離過大，空氣分散效果就較差。我們要求氣泡上升時能被攪拌器打碎成小氣泡，與醪液充分混合，增加氣液傳質(zhì)效果。環(huán)形管直徑為攪拌器直徑的0.8倍較好，噴孔直徑為58mm，噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風(fēng)管的截面積，由于噴孔易堵，已很少采用。風(fēng)管內(nèi)空氣流速取20m/s，在罐底中央襯上不銹鋼圓板，防止空氣沖擊，以延長罐底壽命。第11頁/共66頁5消泡器 在通氣發(fā)酵生產(chǎn)中，有兩種消泡方法：一是加入化學(xué)消泡劑，如月桂基磺酸鈉等；二是使用機械消泡裝置。 常用消泡器有鋸齒式、梳式、孔板式、旋

7、槳梳式等幾種，孔板式的孔徑約1020mm。消泡器的長度約為罐徑的0.65倍。 發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)，在通氣攪拌條件下會產(chǎn)生泡沫，發(fā)泡嚴(yán)重時會使發(fā)酵液隨排氣而外溢，且增加雜菌感染機會。第12頁/共66頁 三、機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的通風(fēng)與溶氧傳質(zhì)在通風(fēng)發(fā)酵中，空氣中的氧首先溶解在液體中，然后才能被微生物利用。發(fā)酵設(shè)備的重要任務(wù)之一是要供給足夠的溶解氧，以滿足微生物的需要。氧由空氣泡傳遞到生物細(xì)胞按雙膜理論可分成幾步進(jìn)行：1. 氣泡中的氧通過氣相邊界層傳遞到氣液界面上；2. 氧分子由氣相側(cè)通過擴(kuò)散穿過界面；第13頁/共66頁3. 在界面液相側(cè)通過液相滯流層傳遞到液相主體；4. 在液相主體中進(jìn)行

8、傳遞；5. 擴(kuò)散通過生物細(xì)胞表面的液相滯流層傳遞進(jìn)入生物細(xì)胞內(nèi)。根據(jù)上述傳質(zhì)理論，發(fā)酵液的溶氧傳質(zhì)速率為：)(*CCKOTRLKLCC*體積溶氧系數(shù)發(fā)酵液中溶氧濃度相應(yīng)溫度、壓強條件下飽和溶氧濃度第14頁/共66頁（二）溶氧與罐體設(shè)計的聯(lián)系： 持氣率：h=(VLG-VL)/VL通氣攪拌時氣液混合物體積不通氣時溶液體積VLG VL1. 0.85之間。第15頁/共66頁2. 隨著通氣量的增大，通氣攪拌功率會降低，故為了提高溶氧傳質(zhì)，必須適當(dāng)提高攪拌轉(zhuǎn)速或增大攪拌葉輪直徑，或兩者均提高，以維持通氣攪拌功率不變。3. 較低的通氣速率和泡沫水平可使敏感的生物如動物細(xì)胞受損傷，甚至在很低的攪拌速率下也如此

9、。故在組織培養(yǎng)中必須注意攪拌葉輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使用低剪切力的葉輪。4. 當(dāng)通氣速率較高，而攪拌葉輪直徑較小且轉(zhuǎn)速較低時，會出現(xiàn)攪拌器對液體流動和氣體分散均無影響的情況，因此，葉輪直徑和通氣量必須滿足一定關(guān)系。第16頁/共66頁四、攪拌流型流型與氣固液相的混合效果以及氧氣的溶解、熱量的傳遞有密切的關(guān)系。流體流動型式?jīng)Q定于攪拌器、附件及其安裝位置。 1、螺旋槳攪拌器 垂直裝的螺旋槳，在無擋板的情況下，形成螺旋線流動，在中心形成凹陷的漩渦。如裝有擋板，則螺旋狀流受擋板折流，被迫向軸心方向流動，使漩渦消失，如圖所示。第17頁/共66頁2渦輪式攪拌器流型 圖所示為罐內(nèi)具有擋板時的攪拌流型。如不滿足全擋板條

10、件，軸中心位置也有凹陷的漩渦。安裝冷卻排管，也可消除凹陷漩渦。第18頁/共66頁3裝有套筒的攪拌流型 在罐安裝套筒，可加強循環(huán)輸送，并能將液面的泡沫從套筒上部吸入，增加溶氧，且有自消泡能力。如圖所示。第19頁/共66頁 右圖是渦輪在套筒內(nèi)的多級乳化循環(huán)的流型。運用于烷烴類不溶于水的原料的攪拌混合，其溶氧速率很高。第20頁/共66頁五、發(fā)酵罐體的尺寸比例4。高位罐的高徑比達(dá)10以上，雖然空氣利用率較高，但壓縮空氣的壓力需要較高，頂料與底料不易混合均勻，廠房較高。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3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槳葉。

11、最下面一組攪拌器與風(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，Di，否則會影響液體的循環(huán)。常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖。第21頁/共66頁B/D=1/8 1/12S/D=2 5Di/D=1/2 1/3C/Di=0.8 H0/D=2第22頁/共66頁第二節(jié)、氣升式發(fā)酵罐（ALR） 氣升式發(fā)酵罐是近30年發(fā)展起來的發(fā)酵罐，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，不易污染，氧傳質(zhì)效率高，能耗低，安裝維修方便，較適合于單細(xì)胞蛋白等的生產(chǎn)。 初期的氣升式罐是空氣通過底部的多孔板分散成小氣泡與培養(yǎng)基混合，向上移動，最后與二氧化碳等釋出，培養(yǎng)液處于湍流狀態(tài)。隨著罐的發(fā)展，罐內(nèi)分為上升管和下降管，含氣率多的培養(yǎng)基

12、比重小，向上升。含氣率少的培養(yǎng)基比重較大，由于在管內(nèi)外的液體比重不同，而產(chǎn)生壓力差，推動培養(yǎng)液在罐內(nèi)循環(huán)。上升管和下降管的布置可以裝在罐外，稱為外循環(huán)，也可以裝在罐內(nèi)，稱為內(nèi)循環(huán)。第23頁/共66頁帶升式發(fā)酵罐的特點為：結(jié)構(gòu)簡單，冷卻面積較??；不需攪拌設(shè)備，節(jié)省動力約 50%；裝料系數(shù)達(dá)8090%；維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染。但對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。其工作機理是在罐外裝設(shè)上升管，上升管兩端與罐底及罐上部相連接，構(gòu)成一個循環(huán)系統(tǒng)。在上升管的下部裝設(shè)空氣噴嘴，空氣以250300m/s的高速度噴入上升管，使空氣分割細(xì)碎，與上升管的發(fā)酵液密切接觸。由于上升管內(nèi)的發(fā)酵液比重較小，加上

13、壓縮空氣的動能，使液體上升，罐內(nèi)液體下降進(jìn)入上升管，形成反復(fù)的循環(huán)，如下圖所示。有內(nèi)循環(huán)及外循環(huán)兩種。一、帶升式發(fā)酵罐第24頁/共66頁第25頁/共66頁二、LeFrancois型空氣提升式發(fā)酵罐 這是法國人LeFrancoisg/100mL，每小時處理量23m3。第26頁/共66頁三、氣升及外循環(huán)發(fā)酵罐 這種罐運用于石蠟為原料的發(fā)酵。罐的壓力可維持500kPa。氧的傳遞系數(shù)較高，可用于高濃度培養(yǎng)，菌體濃度可達(dá)6% (重量)以上。1發(fā)酵罐 2消泡室 3氣體分布器 4培養(yǎng)液 5泡沫 6回流管 7噴淋嘴 8氣液分離器 9循環(huán)泵 10供氣管 11培養(yǎng)液入口 12培養(yǎng)液出口 13廢液出口 1 4熱交換

14、器 15冷卻水入口 16冷卻水出口 17發(fā)酵液出口 18冷卻夾套第27頁/共66頁四、氣升環(huán)流發(fā)酵罐氣升環(huán)流發(fā)酵罐的型式較多，常用的有高位，低位及壓力發(fā)酵罐幾種。如圖所示是德國Hoechst公司的石蠟培養(yǎng)酵母用的發(fā)酵罐，罐的高度增大可以提高氧的傳遞能力，增大對液流的驅(qū)動力。驅(qū)動力的調(diào)節(jié)通過氣體流量控制。罐的結(jié)構(gòu)簡單，易于放大。第28頁/共66頁如圖是具有外循環(huán)冷卻的空氣提升環(huán)流式發(fā)酵罐，通氣管與罐底的距離是通氣管直徑的倍，氣體經(jīng)多孔板送入罐內(nèi)，多孔板之下是氣液分離帶，此處回流培養(yǎng)液的氣泡率降至10%以下。從罐底引出培養(yǎng)液，用離心泵輸送到熱交換器后從上部回流入罐內(nèi)。第29頁/共66頁為了提高發(fā)酵

15、罐氧的利用率可在發(fā)酵罐內(nèi)安裝兩個以上的環(huán)流管，延長氣液接觸時間，如圖所示。第30頁/共66頁對于培養(yǎng)植物或動物細(xì)胞，要求沒有高度的切割力，防止對細(xì)胞的傷害，設(shè)備對培養(yǎng)基應(yīng)能充分?jǐn)噭泳鶆蛴帜苁箽怏w均勻分散。細(xì)胞培養(yǎng)多采用氣升環(huán)流式，氣體從轉(zhuǎn)軸通入，由底部的環(huán)形吹泡管噴出，向上與培養(yǎng)液均勻接觸后由上部排出。氣流的氣泡與培養(yǎng)基充分混合，由旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)口排出，向下流動至下部，被旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)器吸入后排出，形成環(huán)流。設(shè)備對供氣、氧、氮、二氧化碳均能控制。設(shè)備的特點為低轉(zhuǎn)速高溶氧。第31頁/共66頁第32頁/共66頁五、塔式發(fā)酵罐塔式發(fā)酵罐又稱空氣攪拌高位發(fā)酵罐，此類發(fā)酵罐的用途較多，以獲得推廣使用。發(fā)酵罐的特

16、點是：罐身高，我國土霉素等生產(chǎn)用的設(shè)備，高徑之比約為7，罐內(nèi)裝有導(dǎo)流筒。由于液位高，空氣利用率高，節(jié)省空氣約50%，節(jié)省動力約30%；設(shè)備簡單，不用電機攪拌，但底部有沉淀物；溫度高時降溫較難。第33頁/共66頁第三節(jié)、自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。這種發(fā)酵罐在60年代開始研究，60年代后期由聯(lián)邦德國開始發(fā)展，1969年首先取得美國專利。我國醋廠、酵母廠、制藥廠等均已采用這種新型設(shè)備。(1)、節(jié)省空氣凈化系統(tǒng)中的空氣壓縮機及其輔助設(shè)備，減少廠房占地面積。l這種設(shè)備的優(yōu)點為：第34頁/共66頁(2)、減少設(shè)備投資費約30%。(3)、設(shè)備便于自動化

17、、連續(xù)化，降低勞動強度，減少勞動力。(4)、氣泡小，氣液因均勻接觸，溶氧系數(shù)高。(5)、酵母發(fā)酵周期短，發(fā)酵液中酵母濃度較高。其缺點是：罐壓較低，裝料系數(shù)約40%。第35頁/共66頁一、機械攪拌自吸發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐的構(gòu)造如圖所示。主要構(gòu)件是自吸攪拌器及導(dǎo)輪，簡稱為轉(zhuǎn)子及定子。轉(zhuǎn)子由底軸或上主軸帶動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，空氣則由導(dǎo)氣管吸入。轉(zhuǎn)子的形式有多種，如九葉輪、六葉輪、四葉輪、三葉輪等等，葉輪均為空心形。第36頁/共66頁第37頁/共66頁在轉(zhuǎn)子啟動前，先用液體將轉(zhuǎn)子浸沒，然后啟動馬達(dá)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，液體、空氣在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，在這個過程中，流體便獲得能量。轉(zhuǎn)子旋

18、轉(zhuǎn)的線速度愈大，流體的動能也愈大，流體離開轉(zhuǎn)子時，由動能變?yōu)閴毫δ芤灿螅懦龅娘L(fēng)量也越大。當(dāng)流體被甩向外緣時，在轉(zhuǎn)子中心處形成負(fù)壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速愈大，所造的負(fù)壓也愈大，吸風(fēng)量也越大，通過導(dǎo)向葉輪而使氣液均勻分布甩出，并使空氣在循環(huán)的發(fā)酵液中分裂成細(xì)微的氣泡，在湍流狀態(tài)下混合、翻騰、擴(kuò)散，因此自吸式充氣裝置在攪拌的同時完成了充氣作用。第38頁/共66頁（二）機械自吸式發(fā)酵罐的設(shè)計要點1.自吸式發(fā)酵罐徑高比的確定 發(fā)酸罐通氣和攪拌的目的是：供給微生物氧氣，強化液體湍流，使氣液因三相更好地接觸，增加溶解氧，提高氧的利用率，促進(jìn)微生物的傳質(zhì)作用，強化熱交換。第39頁/共66頁在自吸式發(fā)酵罐中，利用高速轉(zhuǎn)

19、子使氣液分散，減少液膜阻力，增加溶氧，液柱的高度也是傳質(zhì)的推動力，但是液柱過高會影響轉(zhuǎn)子的吸風(fēng)量。例如50m3mm3/min，0.6，由于泡沫作用，吸風(fēng)量比用水作為介質(zhì)時減少約50%。為了提高吸氣量，降低轉(zhuǎn)子的功率消耗，選用矮罐較好，或提高轉(zhuǎn)子的安裝高度，均有利于提高吸風(fēng)量。KoBe型發(fā)酵罐容積250m3，罐直徑與高度之比為2：3。粘度大、比重大的物料，也影響吸風(fēng)量，如四環(huán)素發(fā)酵液的比重約為1.2。吸風(fēng)量降低，應(yīng)適當(dāng)降低罐的高度。第40頁/共66頁2.轉(zhuǎn)子與定子的確定三棱葉型轉(zhuǎn)子的特點是轉(zhuǎn)子直徑較大，在較低轉(zhuǎn)速時獲得較大的離心力和吸氣量，當(dāng)罐壓在一定范圍內(nèi)變化時，吸氣量比較穩(wěn)定，吸程也較大，但

20、阻力較大，消耗功率也較大。三棱葉自吸轉(zhuǎn)子與定子尺寸比例見表1-2-6。三棱葉葉輪直徑一般等于發(fā)酵罐直徑的倍。如須提高溶氧，可減少轉(zhuǎn)子直徑，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速。第41頁/共66頁四彎葉轉(zhuǎn)子的特點是，對液體的剪切作用較小，阻力小，消耗功率較小，直徑小，轉(zhuǎn)速高，吸氣量較大，溶氧系數(shù)較高。葉輪外徑和罐徑比1/81/15，葉輪厚度為葉輪直徑的1/41/5。對于同一種葉輪，轉(zhuǎn)速增加，充氣能力及壓頭也隨之增加。有定子的工作葉輪比無定子的工作葉輪流量、壓頭均增加。第42頁/共66頁二、噴射自吸式發(fā)酵罐 文氏管發(fā)酵罐是其中的一種，如圖所示。其原理是用泵將發(fā)酵液送入文氏管中，由于發(fā)酵液在文氏管的收縮段中流速增加，形成真

21、空，將空氣吸入，并使氣泡分散，與液體混合均勻，提高發(fā)酵液的溶解氧。(一)、噴射自吸式發(fā)酵罐第43頁/共66頁第44頁/共66頁1進(jìn)料管2吸氣室 3進(jìn)風(fēng)管 4噴嘴 5收縮段 6導(dǎo)流尾管 7擴(kuò)散段2.液體噴射自吸式發(fā)酵罐第45頁/共66頁溢流噴射器是液體溢流時形成拋射流，由于液體表面層作用，使靠近液體表面的氣體邊界層具有一定的速率，從而形成氣體的流動和自吸作用。流體處于拋射非淹沒溢流狀態(tài)，溢流尾管略高于液面，尾管高l2m時，吸氣量較大。華南工學(xué)院生化工程研究室研究的溢流噴射反應(yīng)器應(yīng)用于酵母的培養(yǎng)效果良好，10Lkg干酵母/m3，kg干酵母(/m3h)。比能耗為0.37 kWh/kg干酵母。三、溢流噴射自吸式發(fā)酵罐第46頁/共66頁第47頁/共66頁第四節(jié)、通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)固相發(fā)酵工藝是傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)工藝，廣泛應(yīng)用于醬油與釀酒生產(chǎn)，以及農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)飼料蛋白等。通風(fēng)固相發(fā)酵具有設(shè)備簡單、投資省等優(yōu)點。常用的有自然通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備和機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備。第48頁/共66頁一、自然通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備幾千年前，我國在世界上率先使用自然通風(fēng)固體制曲技術(shù)用于醬油生產(chǎn)和釀酒，一直沿用至今，盡管大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)大多采用液體通風(fēng)發(fā)酵技術(shù)。自然通風(fēng)制曲要求空氣與固體培養(yǎng)基密切接觸，以供霉菌繁殖和帶走發(fā)酵所產(chǎn)生的熱量。原始的固體曲制備采用木制的淺盤，大的曲盤沒有底板，只有幾根襯條，上鋪竹簾、葦簾