發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件

第八章發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)第八章發(fā)酵罐放大與設(shè)計(jì)本章內(nèi)容一、發(fā)酵罐的發(fā)展二、發(fā)酵罐的類型三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)四、通用式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大五、重組菌生物反應(yīng)器

本章內(nèi)容一、發(fā)酵罐的發(fā)展發(fā)酵罐：進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的反應(yīng)器統(tǒng)稱為發(fā)酵罐一、發(fā)酵罐的發(fā)展發(fā)酵罐：進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的反應(yīng)器統(tǒng)稱為發(fā)酵罐一、發(fā)酵罐的發(fā)大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐二、發(fā)酵罐的類型（1）通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐是指帶有通氣和機(jī)械攪拌裝置的發(fā)酵罐，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的發(fā)酵罐。（2）氣升式發(fā)酵罐此類發(fā)酵罐是依靠無(wú)菌壓縮空氣作為液體的提升力，使罐內(nèi)發(fā)酵液通過(guò)上下翻動(dòng)實(shí)現(xiàn)混合和傳質(zhì)傳熱過(guò)程。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)軸封，不易污染，氧傳質(zhì)效率高，能耗低，安裝維修方便。（3）管道式發(fā)酵罐管道式發(fā)酵罐是以發(fā)酵液的流動(dòng)代替攪拌作用，依靠液體的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通氣混合與傳質(zhì)等目的。（4）固定化發(fā)酵罐固定化發(fā)酵罐是一種在圓筒形的容器中填充固定化酶或固定化微生物進(jìn)行生物催化反應(yīng)的裝置。其優(yōu)點(diǎn)是生物利用率比較高。（5）自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種無(wú)需其他氣源供應(yīng)壓縮空氣的發(fā)酵罐，其關(guān)鍵部位是帶有中央吸氣口的攪拌器。在攪拌過(guò)程中可以自吸入過(guò)濾空氣，適合于耗氧很低的發(fā)酵類型。（6）伍式發(fā)酵罐伍式發(fā)酵罐的主要部件是套筒、攪拌器。攪拌時(shí)液體沿著套簡(jiǎn)外向上升至液面，然后由套筒內(nèi)反回罐底，攪拌器是用6根彎曲的中空的不銹鋼管子焊于圓盤上，兼作空氣分配器。這種發(fā)酵罐多應(yīng)用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母。設(shè)備的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗筒套較困難，消耗功率較高。二、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)物類型有關(guān)。

頂攪拌軸封底攪拌磁傳動(dòng)氣鼓式（鼓泡式）內(nèi)循環(huán)外循環(huán)

管道式反應(yīng)器：流動(dòng)代替攪拌填充床（液體循環(huán)）流化床（同通氣攪拌）

自吸式發(fā)酵罐：不需要空氣壓縮機(jī)，在攪拌過(guò)程中自吸入空氣

伍式發(fā)酵罐

：多用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母

重組菌生物反應(yīng)器

通用式攪拌罐(滿足供氧、通氣、攪拌)

氣升式發(fā)酵罐

循環(huán)式固定化發(fā)酵罐

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)。通用式攪拌罐發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1.外形、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸要求2.攪拌裝置3.擋板4.消泡器5.空氣分布器6.換熱裝置三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)

1.外形、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸要求

H/D=1.7－3H—筒身高度D-發(fā)酵罐直徑

HL/D=2－2.5HL按照裝料VL=70%V總計(jì)算

d/D=1/3－1/2d—攪拌器直徑

W/D=1/12－1/8（取0.1，并留1—2cm間隙，防死角）

W—檔板寬度B/D=0.8－1.0B—下攪拌器距底間距

(s/d)2=1.5－2.5可以取相同值，1.5≤s/d≤2(s/d)3=1－2s—攪拌器間距

三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)

1.外形、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸要求H/D=1.發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件2.攪拌裝置攪拌的目的

打碎氣泡，增加氣液接觸面積，即a↑產(chǎn)生渦流，延長(zhǎng)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，KL↑動(dòng)量傳遞（N、Ws），有利于混合及固體物料保持懸浮狀態(tài)攪拌的效果:原生流→圓周運(yùn)動(dòng)（徑向運(yùn)動(dòng)）：層流及漩渦，原生流速V原∝n

擋板作用：次生流→軸向運(yùn)動(dòng)、翻動(dòng)，決定混合好壞，V次∝n2攪拌效果評(píng)價(jià)：傳質(zhì)，傳熱及混合效果效果的改善：轉(zhuǎn)速，攪拌器（槳）的形式和數(shù)量

2.攪拌裝置攪拌的目的2.攪拌裝置（續(xù)）攪拌器的形式：通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌器，而又以圓盤渦輪攪拌器為主。槳葉型式：圓盤渦輪攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種。葉片數(shù)量：至少三個(gè)，通常六個(gè)，多至八個(gè)。

α

：彎>平>箭；β：彎>箭>平2.攪拌裝置（續(xù)）攪拌器的形式：通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪在相同的攪拌功率PG下，

粉碎氣泡能力：平>彎>箭翻動(dòng)流體能力：箭>彎>平綜合傳質(zhì)+混合，彎葉最好。

在相同的攪拌功率PG下，發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件2.攪拌裝置（續(xù)）攪拌槳的層數(shù)：根據(jù)

H/D及（s/d）n

的要求進(jìn)行計(jì)算。一般3—4層，底層攪拌最重要，占軸功率的40%，所具葉片數(shù)最多（6~8片）。

2.攪拌裝置（續(xù)）攪拌槳的層數(shù)：根據(jù)H/D及（s/d）n2.攪拌裝置（續(xù)）－聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對(duì)正。2.攪拌裝置（續(xù)）－聯(lián)軸器大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，常分為二至2.攪拌裝置（續(xù)）－軸承為了減少震動(dòng)，中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯等)，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4~0.7％。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個(gè)軸套。2.攪拌裝置（續(xù)）－軸承為了減少震動(dòng)，中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)2.攪拌裝置（續(xù)）－變速裝置試驗(yàn)罐采用無(wú)級(jí)變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動(dòng)，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動(dòng)較為簡(jiǎn)便。2.攪拌裝置（續(xù)）－變速裝置試驗(yàn)罐采用無(wú)級(jí)變速裝置。發(fā)酵罐2.攪拌裝置(續(xù)）－軸封軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。2.攪拌裝置(續(xù)）－軸封填料函式軸封填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。填料函式軸封填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和端面式軸封端面式軸封又稱機(jī)械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。端面式軸封端面式軸封又稱機(jī)械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧3.擋板

擋板的作用：改變液流方向，由徑向流→軸向流，促使流體翻動(dòng)，增加傳質(zhì)和混合。檔板寬

：W/D=1/12-1/8(取0.1)全檔板條件：指在一定的攪拌轉(zhuǎn)速下，在攪拌罐中增加檔板或其它附件時(shí)，攪拌功率不再增加，而旋渦基本消失,即要滿足下式：（W/D）?Z

=0.4Z—檔板數(shù)

3.擋板擋板的作用：改變液流方向，由徑向流→軸向流，促使流3.擋板(續(xù)）說(shuō)明

豎立的蛇管、列管、排管，可起檔板作用，此外不另加檔板。故一般裝4塊檔板，可滿足全檔板條件。檔板長(zhǎng)度：自液面起，至罐底封頭上部（圓柱底）為止。檔板與罐壁間留縫隙，距離為（0.2—0.4）W，目的是去除死角。

3.擋板(續(xù)）說(shuō)明4.消泡器

作用：破碎氣泡，改善供氧，防止污染。消泡槳形式

慢速：鋸齒，梳狀，孔板式（孔徑10-20mm）。

快速：對(duì)于底攪拌，可在罐頂裝半封閉渦輪消沫器，單用電機(jī)。旋風(fēng)分離葉輪離心式消泡槳直徑：L=（0.8-0.9）D（罐徑），以不妨礙旋轉(zhuǎn)為原則與消泡劑合用

內(nèi)部外部

適于不易染菌的工藝

4.消泡器作用：破碎氣泡，改善供氧，防止污染。內(nèi)部外部適發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)課件5.空氣分布器作用：吹入無(wú)菌空氣，并使其分布均勻型式：?jiǎn)慰坠埽洪_(kāi)口朝下，防止堵塞；管口距罐底約40mm

環(huán)形管：適用于細(xì)度極小且易溶于水的固體發(fā)酵原料）5.空氣分布器作用：吹入無(wú)菌空氣，并使其分布均勻6.換熱裝置夾套式：5T以下用外夾套式，K傳熱系數(shù)=400-600kJ/m2hr?℃

豎式蛇管：5T以上；K傳熱系數(shù)=1200-1890kJ/m2?hr?℃豎式列管（排管）：傳熱系數(shù)較蛇管低，但冷卻水流速較蛇管大，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。6.換熱裝置夾套式：5T以下用外夾套式，K傳熱系數(shù)=400四、發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大1.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定3.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本要求4.發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)四、發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大四、發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大

1.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則

能否適合于生產(chǎn)工藝的放大要求能否獲得最大的生產(chǎn)效率四、發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大

1.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則能否適合于2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定

兩方面因素的比較微生物生長(zhǎng)率、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率傳質(zhì)效率（KLa、傳氧效率）

傳熱效率

混合效率改善發(fā)酵罐的傳遞性能（傳質(zhì)、傳熱、混合）是發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的首要任務(wù)

發(fā)酵罐的操作因素(傳遞性能)2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定兩方面因素的比較發(fā)酵罐的操作因2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定（續(xù)）傳質(zhì)工程隨規(guī)模擴(kuò)大，（比表面積）↓，KLa↓

，同等條件下傳氧效率↓傳熱工程

產(chǎn)熱Q1V罐體積

傳熱Q2∴除了篩選耐高溫菌株外，改善發(fā)酵罐的傳熱性能十分關(guān)鍵。V↑，↓2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定（續(xù)）傳質(zhì)工程V↑，3.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本要求

（1）發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比，罐身長(zhǎng)，氧的利用率相對(duì)較高。（2）發(fā)酵罐能承受一定的壓力。（3）發(fā)酵罐的攪拌通氣裝置要能使氣泡破碎并分散良好，氣液混合充分，保證發(fā)酵液有充足的溶解氧，以利于好氧菌的生長(zhǎng)代謝的需要。（4）發(fā)酵罐應(yīng)具有良好的循環(huán)冷卻和加熱系統(tǒng)。（5）發(fā)酵罐內(nèi)壁應(yīng)拋光到一定精度，盡量減少死角，避免藏垢積污，易于徹底滅菌，防止雜菌污染。

3.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本要求（1）發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的高徑比，罐基本要求（續(xù)）（6）攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量避免泄漏。（7）發(fā)酵罐傳遞效率高，能耗低。（8）具有機(jī)械消泡裝置，要求放料、清洗、維修等操作簡(jiǎn)便。（9）根據(jù)發(fā)酵生產(chǎn)的實(shí)際要求，可以為發(fā)酵罐安裝必要的溫度、pH、液位、溶解氧、攪拌轉(zhuǎn)速、及通氣流量等傳感器及補(bǔ)料控制裝置，以提高發(fā)酵水平。

基本要求（續(xù)）（6）攪拌器的軸封應(yīng)嚴(yán)密，盡量避免泄漏。4.發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)（1）.放大的目的和任務(wù)（2）.放大準(zhǔn)則（3）.放大方法4.發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)（1）.放大的目的和任務(wù)（1）.放大的目的和任務(wù)目的：實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)成果走向產(chǎn)業(yè)化生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)研發(fā)的三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室規(guī)模：菌種選育及發(fā)酵條件優(yōu)化中試規(guī)模：確定放大規(guī)律及最佳操作條件工廠規(guī)模：通過(guò)產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益任務(wù)：力求保持所有規(guī)模的發(fā)酵過(guò)程中有最佳的外部條件，確?！鞍l(fā)酵單位相似”（1）.放大的目的和任務(wù)目的：實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)成果走向產(chǎn)業(yè)化（2）.放大準(zhǔn)則通常根據(jù)實(shí)際發(fā)酵中主要影響因素來(lái)確定，如：KLa、

P/V（單位體積功率）、nd（末端剪切力）等等。（2）.放大準(zhǔn)則通常根據(jù)實(shí)際發(fā)酵中主要影響因素來(lái)確定，如：（3）.放大方法經(jīng)驗(yàn)放大法幾何相似法非幾何相似法量綱（因次）分析法時(shí)間常數(shù)法數(shù)學(xué)模型法（3）.放大方法經(jīng)驗(yàn)放大法經(jīng)驗(yàn)放大法

幾何相似法在發(fā)酵罐的放大中，主要解決放大后生產(chǎn)罐的空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率消耗等三個(gè)問(wèn)題，即操作參數(shù)的放大設(shè)計(jì)。常用的放大方法有：幾何尺寸放大空氣流量放大

VVM相等

Ws相等

KLa相等攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)速的放大經(jīng)驗(yàn)放大法

幾何相似法在發(fā)酵罐的放大中，主要解決放大后生產(chǎn)罐幾何尺寸放大

放大倍數(shù)m指罐的體積增加倍數(shù)，即∵幾何相似，∴則

∴幾何尺寸放大放大倍數(shù)m指罐的體積增加倍數(shù)，即空氣流量放大空氣流量放大空氣流量放大——以VVM相等的原則放大∵∴空氣流量放大——以VVM相等的原則放大∵空氣流量放大——以Ws相等的原則放大∵∴空氣流量放大——以Ws相等的原則放大空氣流量放大——以KLa相等的原則放大空氣流量放大——以KLa相等的原則放大∵

∴

又∵∴

空氣流量放大——以KLa相等的原則放大∵∴又∵∴空氣流量放大——以KLa相等的原則放大空氣流量放大的