气升式发酵罐PPT课件.ppt

气升式发酵罐 班级 姓名 学号 1 一气升式发酵罐简介 气升式发酵罐是上世纪末开始发展应用的一种新型生物反应器 无机械搅拌机构最大限度的减少了染菌率 减少了机械剪切力 对长菌丝的各种真菌尤为适宜 气体提升充分的气液混合使氧气的传递利用极大提高 特别适合高粘度培养基和对于溶氧要求高的产品 气升式发酵罐有多种形式 较常见的有内循环管式 外循环管式 拉力筒式和垂直隔板式 外循环式的循环管设计在罐体外部 内循环管是两根 设计罐体内部 2 气升式发酵罐的发展 在发酵罐发展史中 机械搅拌式发酵罐算是较为先进的 但是其中仍存在些不利因素 消耗功率过大 剪切作用影响某些微生物的菌丝生长形态 生产制造和运行费用较高等 由于存在不易解决的传热 混合 反应等问题 罐容积受到限制 3 为克服机械搅拌罐存在的缺点 人们对气升式发酵罐的研究开发日益重视 主要实现的目标是 生产水平要高于或等于机械搅拌罐 要节省能源 从而降低发酵成本 提高产品的竞争力 4 气升式 空气带升环流式 发酵罐 气升式发酵罐 ALR 是应用最广泛的生物反应设备 这类反应器具有结构简单 不易染菌 溶氧效率高 能耗低等优点 设备特点气升式发酵罐的工作原理是利用空气喷嘴喷出高速的空气 空气以气泡式分散于液体中 在通气的一侧 液体平均密度下降 在不通气的一侧 液体密度较大 因而产生与通气侧的液体产生密度差 从而形成发酵罐内液体的环流 5 气升式反应器有多种类型 常见的有气升环流式 鼓泡式 空气喷射式等 生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐 气液双喷射气升环流发酵罐 设有多层分布板的塔式气升发酵罐 6 气升式发酵罐与鼓泡塔式发酵罐相似 所不同的是气升式罐含有导流筒 鼓泡塔式罐没有 导流筒内置称内循环式 外置称外循环式 内循环气升式发酵罐是以压缩空气鼓泡与罐内导流装置作用实现气液混合 有关这类罐型的功耗指标 一般是内循环气升式发酵罐功耗为3 5kw m3 而机械搅拌罐的功耗为5一lOkw m3 目前 世界上最大的工业发酵罐是气升式发酵罐 1984年英国ICI公司以导流筒内多孔板分布结构的超大型内循环罐型用于烃类发酵生产酵母取得成功 该公司气升式发酵罐高200英尺 直径25英尺 容积800多立方米 7 8 9 10 典型的气升环流发酵罐 a 高位筛板式发酵罐b 用于培养单细胞蛋白的气升式发酵罐 ab 11 12 二工作原理 气升式发酵罐的工作原理是利用空气喷嘴喷出高速 250 300m s 的空气 空气以气泡式分散于液体中 在通气的一侧 液体平均密度下降 在不通气的一侧 液体密度较大 因而产生与通气侧的液体产生密度差 从而形成发酵罐内液体的环流 在气升式发酵罐中 循环管的高度一般不高于罐内液面不高于循环管出口 且不低于环流出口 气升式发酵罐广泛用于大规模生产单细胞蛋白质 但不适用于高黏度或含大量固体的培养液 13 三气升式发酵罐的用途 设备可广泛用于抗生素 氨基酸 酶制剂 维生素 有机酸等好氧性发酵过程 在化工方面可用于气 液 气 液 固反应过程 在环保方面可用于污水处理 目前该设备在国内用于谷氨酸 抗生素 黄原胶 糖化酶 柠檬酸生产 设备体积已达到140m3 投入使用后取得了非常显著的经济效益 发酵所必须的空气在静态混合元件内外上下流动 带动发酵液循环 促进气 液充分混合 14 四气升式发酵罐的特点 与机械搅拌式发酵罐相比节电70 80 降低成本 无菌操作可靠性高 该设备没有动密封装置 无泄露 且设备内无死区 灭菌彻底 染杂菌的机会大幅度减少 传热和传氧效率高 可满足各种好氧性微生物在任何地区和季节里的发酵生产 提高产率 转化率 设备机械剪切力对微生物的伤害小 加上溶氧充分 热量移走及时 为微生物提供了一个良好的生长环境 有效地促进了新陈代谢 加速产品积累 使产品的产率和转化率均有明显提高 容易实现大型化和自动化 设备体积可从0 02m3到200m3 没有制造 安装 操作和维修困难 设备的控制因素比搅拌罐少 容易实现自动化控制 15 1 气升环式反应器的特点 前面已经简单提到气升环式反应器的特点 由于气升环流反应器内没有搅拌器 并且有定向循环流动 下面具体说明 1 反应溶液分布均匀 气液固三相的均匀混合与溶液成分的混合分散良好是生物反应器的普遍要求 因其流动 混合与停留时间分布均受到影响 对许多间歇或连续加料的通气发酵 基质和溶氧尽可能均匀分散 以保证其基质在发酵罐内各处的浓度都落在0 1 1 范围内 溶解氧为10 一30 这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利 此外 还需避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层 以免生物细胞积聚于上而受损害甚至死亡 还有培养基成分尤其是有淀粉类易沉降的颗粒物料 更应能悬浮分散 气升环流反应器能很好地满足这些要求 16 2020 3 20 17 2 较高的溶氧速率和溶氧效率 气升式反应器有较高的气含率和气液接触介面 因而有高传质速率和溶氧效率 体积溶氧效率通常比机械搅拌罐高 3 剪切力小 对生物细胞损伤小 由于气升式反应器没有机械搅拌叶轮 故对细胞的剪切损伤可减至最低 尤其适合植物细胞及组织的培养 18 4 传热良好 好气发酵均产生大量的发酵热 如酵母培养旺盛期发酵热高达3 0 4 0 105kJ m3 h 而传热温差则只有几度 尤其夏季 若使用非冷冻水 则只有3 10 左右 故需很大的换热面积与传热系数 气升式反应器因液体综合循环速率高 同时便于在外循环管路上加装换热器 以保证除去发酵热以控制适宜的发酵温度 其示意图如图 具有外循环冷却的气升环流式发酵罐1一发酵罐2一通气管3一发酵液进口4一空气分布器5一空气进口6一循环泵7一发酵液出口8一热交换器9一喷嘴10一发酵液出料口12一排气管 19 5 结构简单 易于加工制造 气升式反应器罐内无机械搅拌器 故不需安装结构复杂的搅拌系统 密封也容易保证 所以加工制造方便 设备投资低 同时大型和超大型发酵反应器放大设计制造也已实现 实验用气升式玻璃发酵罐 实物 BIOTECH实验用气升式发酵罐 20 6 操作和维修方便 因气升式发酵罐无机械搅拌系统 所以结构较简单 能耗低 操作方便 特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏染菌问题 另外因无机械搅拌热产生 所以发酵总热量较低 便于换热冷却系统的装设 21 五内循环气升式发酵罐 空气自通气管 进入发酵罐底部后 经导向筒 导向 推动发酵液没上升管上升 由于发酵罐上部升管的空间不足以完全气液分离提供条件 因此高流速的循环发酵液凭借自身的重度沿降管下降 当到达拉力筒 底部时 又受到来自罐底部空气的推动 重新沿升管上升 开始下一个气液混合循环过程 在循环过程中 气液达到必要的混合 搅拌并取得充分溶氧 夹套等冷却器的作用是在不同发酵阶段对发酵液的温度实施合乎工艺要求的调节与控制 多孔板使布气均匀一致 22 内循环气升式罐分为三个区域 气体上升区 液体下降区 气液分离区 进入上升区的空气被分散 上升的气泡引起液体向上流动 气泡在分离区逸出液体 液体向上的力被抵消 转而向下流动 由此导致液体循环并促进混合 导流筒的主要功能 一是增强罐内整个液体的混合 二是降低气泡的聚并 三是平均了整个罐内的剪切力 这最后一条被认为是气升式罐产出高于机械搅拌罐的主要理由 分离区的作用 增加液体体积 降低泡沫量 使下降液体的含气量最小 内循环气升式罐运转特点 23 24 六外循环气升式发酵罐应用 外循环气升发酵罐用于酒精发酵中 通入压缩的CO2鼓泡CO2和挥发的乙醇在塔顶出口处压缩并冷凝收集乙醇 压缩的CO2循环回发酵罐进物鼓泡 减少产物抑制 在下降管内沉降下来的细胞随循环发酵液返回上升管 以达到一定的细胞密度 提高发酵速率 有助于提高酒精产量 25 气升式发酵罐 指标及配置 1温度温度控制冷却水温度 5 80 0 2 发酵过程顺序控制 根据发酵时间 温度自动变量控制 至少10段 2pH显示范围 0 00 14 00 0 01全自动控制范围 2 00 12 00 0 05发酵过程顺序控制 根据发酵时间 pH自动变量控制 至少10段 3DO0 200 3 显示精度0 1 根据需要可以与转速或补料及罐压关联控制发酵过程顺序控制 根据发酵时间 DO自动变量控制 至少10段 4泡沫全自动PID控制与报警灵敏度100 100000 发酵过程顺序控制 根据发酵时间 泡沫自动变量控制 至少10段 5补料全自动设定控制发酵过程分段控制 根据发酵时间 补料自动变量控制 至少10段 6压力手动控制 仪表显示7空气流量手动控制 仪表显示 26 我国在这方面的成果 YZ型气升筛板式发酵罐 用于利福霉素发酵生产的YZ型气升筛板式发酵罐 是由多年从事发酵生产工作的技术人员研究设计的 参考了国内外已有的气升式发酵罐的结构 结合发酵生产实际 经多次改进 取长补短 优化结构 在生产应用中取得了良好的效果 27 YZ型气升筛板式发酵罐的几何尺寸与标准的机械搅拌酵罐基本相同 罐内中央安装有若干节导流筒 筒内装有混合元件 压缩空气由罐底通入 罐底有空气分布器 分布器喷出的气泡与发酵液混合 带动发酵液上升 上升的发酵液进入导流筒内 经与混合元件作用后冲向发酵液液面 此时 参与完细胞代谢的气泡从发酵液中逸出 被排出罐外 由于比重较大和气液混合形成的升力造成导流筒外侧负压的原因 气泡逸出后的发酵液 沿导流筒外侧空间快速下降至发酵罐底部 再经气液混合上升 发酵液在气体的推动下在发酵罐内形成了循环 导流筒内侧为富氧区 其外侧为乏氧区 28 该气升罐的独特之处在于 1 导流筒内设计了特殊的混合元件 利用混合元件强化传质 2 独特的空气分布器 3 导流筒的节数 直径 罐体高度 罐径的参数合理 发酵液的循环适应菌体的生理活动 4 混合元件的结构简洁流畅 无死角 不积垢 29 导流筒内混合元件具有如下功用 l 反复破碎气泡 阻止气泡聚合并发生最大限度地保持气液接触面积 具有较强的传氧能力 2 使气泡不断地改变运动的方向和路径 延长气液接触时间 促使形成湍流 达到强制混合的效果 3 免除了机械搅拌罐存在的机械剪切力对细胞的损伤 有利于细胞的生长 30 YZ型气升式发酵罐经生产实践检验表明 优势明显 l 比机械搅拌罐节省电能 降低生产动力成本 2 可增加放罐体积 提高单罐批产量 3 罐体无轴封 减少泄漏 降低了染菌率 4 去除了电机及传动机构 既有利于安全生产又消除了噪声污染 5 结构简单稳固 不需要维修 运行费用低 6 容易操作 物料采用连消 实消都可以 31 对气升式发酵罐的看法 对于 节能 观念很强的现