第八章 发酵设备

第八章 生物反应器,生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一,大型发酵罐搅拌装置,动物细胞反应器,一个优良的培养装置应具有：严密的结构良好的液体混合性能高的传质和传热速率灵敏的检测和控制仪表,根据反应是否需要氧气为基准微生物反应器可分为: 需氧微生物反应器（通气发酵罐） 厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）,酒精发酵罐,酵母将糖转化为酒精高转化率条件(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件(2)一定的生化反应时间(3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热,厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）,酒精发酵罐的结构要求,满足工艺要求，有利于发酵的排出从结构上有利于发酵液的排出有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。,酒精发酵罐筒体结构,为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。罐底装有排料口和排污口；罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。,啤酒发酵设备,厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）,1.通气搅拌罐,通气搅拌罐有下列优点：pH和温度容易控制 尺寸放大的方法大致已确定 适用于CSTR等。,通气搅拌罐的缺点：搅拌功率消耗大 因罐内结构复杂，不易清洗干净，易被杂菌污染。此外，虽装有无菌密封装置，但在轴承处还会发生杂菌污染。 培养丝状菌时，常用搅拌桨叶的剪切力致使菌丝易被切断，细胞易受损伤。,一、机械搅拌发酵罐搅拌的作用：液体通风后进入的气泡在搅拌中随着液体旋转使之所走路程延长，使发酵液中保持的空气数量增加，实际上是增加了传质量。通过搅拌，大气泡被搅拌器打碎，增加比表面积。搅拌速度越快，搅拌雷诺准数增加，增加了传氧速率。,1 发酵罐的基本条件发酵罐应具有适宜的高径比（一般高度与直径之比为1.74倍） 发酵罐能承受一定的压力：发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧。发酵罐应具有足够的冷却面积。这是因为微生物生长代谢过程放出大量的热量必须通过冷却来调节不同发酵阶段所需的温度。发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底。搅拌器轴封应严密，尽量减少泄漏。,标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.74 d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 B/D=0.81.0 (s/d)2=1.52.5 (s/d)3=12,2、发酵罐的部分部件搅拌器和挡板搅拌器分平叶式、弯叶式、箭叶式三种，国外多用平叶，我国多用弯叶。 其作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于醪液中。,挡板的作用： 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。 全挡板条件是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。,达到全挡板条件的要求，须满足：,消泡器消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约1020mm。,空气分布装置单管式分布装置： 管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气分散效果较好。环形管的分布装置： 以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为58mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。空气流速取：,轴封,填料函式轴封的优点是结构简单。主要缺点是：死角多，很难彻底灭菌，易渗漏和灭菌 轴的磨损较严重 填料压紧后摩擦功率消耗大 寿命短,端面式轴封又叫机械轴封。优点：清洁密封可靠，在较长地使用期中，不会泄漏或很少 泄漏无死角，可以防止杂菌污染 使用寿命长，质量好的可用25年不需维修。 摩擦功率耗损小，一般为填料函式的1050。 轴或轴套不受磨损 它对轴的精度和光洁度没有填料函那么要求严格 ，对轴的震动敏感性小。,、二、自吸式发酵罐 自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。应用： 医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等。取得了良好的成绩。,自吸式发酵罐优点： 节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分 离器、空气贮罐、总过滤器设备，减少厂房占地面积。 减少工厂发酵设备投资约30左右。 设备便于自动化、连续化，降低老定强度，减少劳动 力。 设备结构简单，溶氧效率高，操作方便。缺点：由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。,工作原理： 自吸式发酵罐的构件主要使自吸搅拌器和导轮，又称转子及定子。转子由罐底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，若转子的转速愈快，旋转的线速度也愈大，则流体的动能也愈大，流体离开转子时，由动能转变为压力能也愈大，排出的风量也越大。当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮周围形成强烈的混合流（湍流），使刚离开叶轮的空气立即在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合，翻腾，扩散到整个罐中，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。,三、带升式发酵罐带升式罐特点：结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备，节约动了约50，节约钢材；操作无噪音；料液可充满达8090，而不需加消泡剂；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。缺点：不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低。,工作原理： 在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷咀，空气喷咀以250300m/s的速度喷入上升管，借喷咀的作用使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解气量，使发酵正常进行。,四、伍式发酵罐 主要部件是套筒、搅拌器。,工作原理：搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入，经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。这种发酵罐多应用纸浆废液发酵生产酵母。设备的缺点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。,五、文氏管发酵罐 工作原理： 用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。,优点：吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。缺点：气体吸入量与液体循环量之比降低，对于耗氧量较大的微生物发酵不适宜。,图中A、B、C和D是用于发酵罐底部的喷嘴；E和F是装在发酵罐上部的喷嘴。这些喷嘴分别具有不同的特点和功能：A是气液两相自喷射喷嘴；B是两相喷嘴，中心喷嘴是液相，气体从周围吸入；,六、塔式发酵罐 特点： 罐子高，高：径=6左右，罐内装有导流筒。由于液位高，空气利用率高，节省空气约50，节省动力约30，不用搅拌器，设备简单，但底部有沉淀物；温度高时降温较难。,2.发酵罐的比拟放大比拟放大的基本方法，首先是必须找出系统中的各有关参数，把这些参数组成几个具有一定物理含义的无因次数，并且建立它们之间的函数式，然后用实验的方法在试验设备里求出函数式中所