梁世中主编生物工程设备第二版第一章.ppt

通风发酵罐,机械搅拌发酵罐(TRC),工作原理： 利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。 发酵罐的基本条件： (1) 具有适宜的径高比； (2) 能够承担一定压力； (3) 保证必需的溶解氧； (4) 具有足够的冷却面积； (5) 尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌； (6) 轴封严密。,机械搅拌发酵罐的结构 大型发酵罐结构 1轴封 ； 2人孔； 3梯； 4联轴器； 5中间轴承； 6温度计接口； 7搅拌叶轮； 8进风管； 9放料口； 10底轴承； 11热电偶接口；12冷却管； 13搅拌轴； 14取样管； 15轴承座； 16传动皮带； 17电机； 18压力表； 19取样口； 21进料口； 22补料口； 23排气口； 24回流口； 25视镜；,小型发酵罐结构,罐体 由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130和0.25MPa(绝对压力)。 受内压的壁厚： 受外压的壁厚：,搅拌器： 有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，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。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。,图2.7 不同搅拌器的流型,图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图 1-六直叶涡轮式；2-推进式3-Lightnin A-315式,挡板： 改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。,有挡板的搅拌器形成的流型,无挡板的搅拌器形成的流型,通常挡板宽度取(0.10.12)D，装设46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。 要达到全挡板条件必须满足下式要求：,轴封 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：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。,压紧螺栓,填料箱体,图2.10 填料函轴封,转轴,填料压盖,铜环,填料,端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。,空气分布器 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。 分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。 通常通风管的空气流速取20m/s。 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。,消泡装置 消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相，从而达到消泡的目的的装置。 两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。 机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。,叶轮离心式,旋风离心式,耙式消泡器,刮板式消泡器,碟片式消泡器,联轴器 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，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。,法兰,联轴器,轴承 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承； 大型发酵罐装有中间轴承。 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）。,冷却装置 竖式蛇管冷却和竖式列管冷却器可以起到档板的作用。,搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）,在具有挡板且满足全挡板的情况下，搅拌准数是搅拌雷诺准数的函数。即： 式中：Np-功率准数；ReM-雷诺准数；K 搅拌常数 雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。,当液体处于湍流状态，此时,表6-1 不同搅拌器的K值,不通气条件下的轴功率P0计算 鲁士顿(Rushton J. H.)公式： P0无通气搅拌输入的功率（W）； NP功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数； 涡轮转速（r/s）； L液体密度（kg/m3）； Di 涡轮直径（m）； 圆盘六平直叶涡轮 NP6 圆盘六弯叶涡轮 NP4.7 圆盘六箭叶涡轮 NP3.7,通气搅拌功率Pg的计算 修正的迈凯尔公式： P0无通气搅拌输入的功率（kW） 涡轮转速（r/min） Di 涡轮直径（cm） Q通气量（mL/min）,搅拌功率的计算举例,例题：某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ，罐内装有四块标准挡板，装液量VL为6m3，搅拌转速 =168rpm，通气量Q=1.42 m3 /min，醪液粘度=1.9610-3 Ns/ m2，醪液密度 =1020 kg/ m3 ，三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封增加的功率为 1%，求轴功率Pg和kL，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 ） 解：1.先求出Re： 2.因Re104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数NP = 4.7 ，故叶轮的不通气时搅拌功率P0为：,3.求通气时搅拌功率Pg： 4.所需电动机功率为：,4. 求kL ： 先求空截面气速vS： 求kL ：,气升式发酵罐(ALR),工作原理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，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降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。 类型 气升环流式、塔式、空气喷射式等。,特点 1）反应溶液分布均匀 2）较高的溶氧速率和溶氧效率 3）剪切力小 4）传热良好 5）结构简单 6）能耗小 7）不易染菌 8）操作和维修方便 应用 单细胞蛋白生产、细胞培养、酶制剂、有机酸等发酵生产、废水生化处理,自吸式发酵罐,自吸式发酵罐： 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。 应用： 酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维生素等生产 。,优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房； (2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高； (4)设备便于自动化、连续化。 缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40。,通风固相发酵罐,嫌气发酵设备,酒精发酵罐结构,酒精发酵罐的计算,发酵罐结构尺寸的确定 发酵罐全容积按下列计算: 式中 V发酵罐的代表容积（m3）；V0进入发酵罐的发酵液量（m3） 装液系数， 一般取=0.850.90 带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为:,罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系：,酒精发酵设备,发酵罐罐数的确定 对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算： 式中N发酵罐个数； n 每24小时内进行加料的发酵罐数目； t 一次发酵周期所需时间，h,发酵罐冷却面积计算 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即： 式中 A冷却面积（m2） ;Q总的发酵热（J/h） ； K传热总系数（J/m2 .h) ；Tm对数平均温度差,总的发酵热Q 对数平均温度差Tm 传热总系数K 冷却水耗量的计算,例题 某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24t/h，每4h装满一罐，发酵周期为72h，冷却水的初、终温分别为20和25，若罐内采用蛇管冷却，试确定发酵罐的罐数、结构尺寸、冷却水耗量、冷却面积和冷却装置的主要结构尺寸。（糖化醪密度为1076kg/m3) 解： (1) 确定发酵罐个数,(2) 确定发酵罐体积及结构尺寸 发酵罐体积 发酵罐几何尺寸 选取结构尺寸比例：H = 1.2D，h1 h20.1D 发酵罐表面积(圆柱体表面积A1和罐底、罐顶表面积A2、 A3）,(3) 冷却面积和冷却装置主要结构尺寸 总的发酵热Q, 冷却水耗量 对数平均温度差Tm,传热总系数K值 冷却面积, 冷却装置主要结构尺寸 列管总长度L 每圈蛇管长度l 蛇管总圈数 蛇管总高度,新型啤酒发酵设备 圆筒体锥底发酵槽 圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐 ）。这种设备的优点在于能缩短发酵时间,而且具有生产上的灵活性，适合于生产各种类型啤酒的要求。目前，锥形发酵罐成为国内外啤酒工厂使用较多的设备。 大型锥罐设计中的问题： 压力； 真空； 热交换及发酵液循环。,联合罐 朝日罐 优点：可加速啤酒的成熟。发酵时罐的装量达96，提高设备利用率，减少了排除酵母时发酵液的损失。 缺点：动力消耗大。,连续发酵设备,间歇发酵：操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。 连续发酵：培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，发酵周期短，设备利用率和生产效率高，易于自动化生产。 缺点： （1）微生物的突变（2）污染杂菌（3）混合均匀度不理想（4）丝状菌的输送困难,植物细胞（组织）培养反应器,植物细胞培养(plant cell culture),植物细胞培养与微生物的区别： 细胞的大小 细胞块的形状 培养液的黏度 需氧量 需要的KLa值比微生物培养的KLa值小得多 对剪切力敏感 需CO2和光照,植物细胞培养反应器,植物细胞培养分为悬浮培养和固定化培养两种方式,动物细胞培养反应器,动物细胞培养的特点,动物细胞培养的特点 1. 细胞生长缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生素； 2. 动物细胞较微生物大得多，无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差； 3. 培养过程需氧量少，且不耐受强力通风与搅拌； 4. 在机体中，细胞相互粘连以集群形式存在； 5. 培养过程产物分布于细胞内外，成本高，产品价格昂贵； 6. 大规模培养时，不可套用微生物反应的经验； 7. 原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡。,通气搅拌式细胞培养反应器 Cell-lift 双筛网搅拌系统 气升式细胞培养反应器 中空纤维细胞培养反应器 大载体细胞培养反应器 空间生物反应器 波浪反应器,微藻培养反应器,微藻生物技术的优点,微藻生物技术的优点： （1）光能利用率高； （2）生物量易于收获、加工和利用； （3）能产生高浓度、有价值的产物； （4）细胞分裂周期短。,微藻大规模培养的特点,微藻大规模培养的特点： （1）需要足够的光照； （2）需要供应大量的CO2和排放大量的O2； （3）混合均匀，防止细胞沉降，且使细胞受光均匀； （4）微藻的培养基多采用海水配制，除淡水藻外。,敞开式培养反应器 密闭式培养反应器 管道式光培养反应器 浅层溢流光培养反应器,生物反应器的检测及控制,生化工程用传感器应具有的要求： （1）传感器能经受高压蒸汽灭菌； （2）传感器及其二次仪表具有长期稳定性； （3）最好能在过程中随时校正； （4）探头材料不易老化，使用寿命长； （5）探头安装使用和维修方便； （6）解决探头敏感部位被物料（反应液）粘住、堵塞问题； （7）价格合理，便于推广使用。,生物传感器( Biosensor),传感器：能感受(或响应)一种信息并变换成可测量信号(一般指电学量)的器件。 生物传感器：将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。,生物传感器的基本组成 组成：敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件 敏感器件（分子识别元件)：酶电极，微生物电极，免疫电极，组织传感器,生物传感器的工作原理： 将化学信号转变成电信号 将热能变化转换为电信号 将光效应转换为电信号 直接产生电信号,生物传感器的特点： 由选择性好的主体材料构成的分子识别元件，一般不需进行样品的预处理； 利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体； 由于它的体积小、可以实现连续在位监测； 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。,生物传感器的信号转换器 生物传感器中的信号转换器是将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号的装置。常用的生物传感器换能器件有电化学电极、热敏器件、半导体器件、光电原理器件等，目前以电化学电极应用最广且比较成熟。 电化学电极可用作生物传感器的信号转换器的电化学电极一般可以分为两种类型。电位型电极和电流型电极。,生物热敏器件 基于温度测量原理，把生物功能材料和高性能检测器件结合而成，如酶热敏电阻。 酶热敏电阻可分为密接型和反应器型。,酶热敏电阻检测系统,光生物电极 光生物电极的测量原理：生物发光反应的测量原理；生物物质的光吸收、光激发；生物反应物质对光传播对干扰原理。 竞争结合型、光吸收型