第七章-发酵设备及放大.ppt

第六章发酵设备 国内 外发酵设备公司 德国贝朗占中国80 以上的市场瑞士比欧美国NBS韩国日本华东理工大学江苏理工大学 二 发酵罐的发展历史 共分为五段 第一阶段 1900年以前 它带有简单的温度和热交换仪器 木质容器造酒 第二阶段 1900 1940年 出现了200m33的钢制发酵罐 在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器 机械搅拌开始用在小型的发酵罐中 第三阶段 1940 1960年 青霉素 通风 机械搅拌 无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善 计算机开始进行发酵过程的控制 发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化 第四阶段 1960 1979年 机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80 150m33 出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐 它可以克服一些气体交换和热交换问题 计算机开始在发酵工业上得到广泛应用 第五阶段 1979年至今 生物工程和技术的迅猛发展 大规模细胞培养发酵罐应运而生 胰岛素 干扰素等基因工程的产品走上商品化 5 发酵罐应该满足什么功能 可反复灭菌 耐压性能 材料要求 不易染菌 设备简单 少死角 供氧混合 通气 搅拌设备 加热和冷却功能 传热设备 加料 补料 放料 附属管道 阀门 参数检测 温度 pH 溶氧电极 也有些要求相对简单的液体培养设备 6 1罐体 罐为一个受压容器 通常灭菌的压力为2 5公斤 厘米2 绝对压力 由圆柱体 椭圆形或碟形封头焊接而成对于大型发酵罐可用衬不锈钢板 衬里用的不锈钢板厚为2 3毫米 其它材料的液体发酵设备 7 大小罐的结构区别 罐径在1米以下的小型发酵罐 罐顶和罐身采用法兰连接大中型发酵罐 整体焊接 5吨以下罐 用夹套加热和冷却5吨以上罐 用罐内的蛇管加热和冷却 8 2 搅拌器 搅拌器的作用是 产生强大的总体流动 宏观均匀翻动产生强烈的湍动 微观均匀剪切搅拌产生三种基本流型 切向流 轴向流 径向流 三种基本流型 同时存在 其中 轴向流与径向流对混合起主要作用而切向流应加以抑制 可通过加入挡板来削弱 9 流型 径向流 流体流动的方向垂直于搅拌轴 沿径向流动 碰到容器壁面分成两股流体分别向上 向下流动 再回到叶端 不穿过叶片 形成上 下两个循环流动 轴向流 流体流动方向平行于搅拌轴 流体由桨叶推动 使流体向下流动 遇到容器底面再翻上 形成上下循环流 切向流 无挡板的容器内 流体绕轴作旋转运动 流速高时液体表面会形成旋涡 此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小 混合效果很差 10 径向式搅拌器 涡轮式搅拌器分为 平叶式 弯叶式 箭叶式三种涡轮搅拌器要安一个圆盘为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升 11 相同半径 转速时 功率消耗 平叶 弯叶 箭叶相同搅拌功率下 三者的粉碎气泡的能力 平叶 弯叶 箭叶相同搅拌功率下 三者翻动流体的能力 平叶 弯叶 箭叶 微观湍动 宏观翻动 12 轴向式搅拌器桨叶式旋桨式Lightnin式 13 3 挡板 挡板的作用 改变液流的方向 将切向流改为轴向流 防止产生漩涡数目通常为4 6块 其宽度为0 1 0 12D全挡板条件 是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时 搅拌功率不再增加 消除液面漩涡的最低条件 14 4 轴封 轴封的作用 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 形式 填料函轴封 机械轴封两种 填料函轴封是由填料箱体 填料底衬套 填料压盖和压紧螺栓等零件构成 使旋转轴达到密封的效果 15 5 联轴器及轴承 大型发酵罐搅拌轴较长 常分为二至三段加工 再用联轴器组成牢固的刚性联接 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接 轴的连接应垂直 中心线对正 6 变速装置 需要变速的原因 电机的转速大于搅拌器所需转速 电机分四级 转速分别约为 800 1000 1400 1600rpm 而搅拌转速则一般为90 110rpm 发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动 16 7 18 8 消泡装置 泡沫形成的原因发酵液中含有蛋白质等发泡物质 由外界引进的气流被机械地分散形成 通风 搅拌 危害降低发酵设备的利用率增加了菌群的非均一性增加了染菌的机会导致产物的损失消泡剂会给后提取工序带来困难 19 发酵罐的冷却 主要是考虑 微生物发酵过程的发酵热机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量此外还要考虑 发酵罐空消 实消后的冷却时间 9 传热系统 发酵罐需加热还是冷却 20 换热夹套 在小型罐中往往应用夹套换热装置 优点是结构简单 加工方便 易清洗 换热系数较低 故只用于5m3以下的小罐 夹套的换热系数在400 600kJ m2 h 之间 21 立式蛇管 在罐内设4组或8组蛇管 其优点为 管内水的流速大 传热系数高 在1200 4000kJ m2 h 之间 可兼起档板的作用 缺点 罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1 5 容积 蛇管一旦发生泄漏 将造成整个罐批的发酵液染菌 且罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便 22 10测量仪表 发酵罐检测参数有 搅拌速度 罐内压力 温度 空气流量 泡沫度 此外还有pH值 溶氧值 氧化还原电位等这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生污染仪表的测量点的位置应根据罐内发酵液的流型进行合理的布点 23 11 发酵罐的管路 接口 罐体上的通道口一般有 进料口放料口接种口取样口消泡剂口补料口进气口排气口 发酵罐的工作周期空消 实消 降温 通气 接种 补料 取样 放料 清洗 进料管路有时配在罐体上封头 有时位于罐体下部与放料管路共用一个管口有时取样 放料 接种使用一个口 有没有蒸汽进口 第三节发酵过程的精确检测 工业发酵研究和开发的目标是利用微生物以较为经济的方式获得高附加值产品 物理参数 发酵工程 第六章发酵条件及过程控制 化学参数 发酵工程 第六章发酵条件及过程控制 生