ch通风发酵设备PPT课件

1、通风发酵设备通风发酵反应器包括酵母发酵罐、单细胞蛋白发酵罐、氨基酸发酵罐、酶制剂发酵罐，抗生素发酵罐等等。发酵反应器是生物工程重要的组成部分，高效反应器的特点是设备简单，不易染菌，体积小，电耗少，单位时间单位体积的生产能力高，代谢放出热量易于移去，操作控制维修方便，生产安全，易于放大。第1页/共66页第一节、机械搅拌通风发酵罐 一、发酵罐的基本条件 机械搅拌发酵罐在工厂广泛采用。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢过程所需的氧。发酵罐的基本条件如下：4。罐身长，氧的利用率较高。(2)、发酵罐的搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混备保

2、证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率。第2页/共66页(3)、发酵罐能承受一定压力。由于发酵罐在消毒及正常工作时，罐内有一定的压力和温度，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受一定的压力。罐加工制造后，必须进行水压试验，水压试验压力为工作压力的1.5倍。(4)、发酵罐应具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量的热量，不同产品的发酵放出热量也有不同。为了控制发酵过程不同阶段所需的温度，应具有足够的冷却面积。(5)、发酵罐内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积污，使灭菌彻底，避免染菌。(6)、搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。第3页/共66页二、发酵罐的结构：通用的机械搅拌通风发酵罐主要部件包括罐

3、体、搅拌器、轴封、打泡器、联轴器、中间轴承、空气吹泡管（或空气喷射器）、挡板、冷却装置、消泡器、人孔以及视镜等。第4页/共66页1轴封 2、20人孔 3梯 4联轴节 5中间轴承 6温度计接口 7搅拌叶轮 8进风口 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取样管 21进料口 22补料口 23排气口 24回流口第5页/共66页1. 罐体 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，对于大型发酵罐可用衬不锈纲或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚度为23mm。为了满足工艺要求，罐需承受一定温度和压力，

4、通常要求耐受130和0.25 Mpa (绝对大气压)。罐壁的厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。第6页/共66页 2搅拌器和挡板涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，其作用主要是打碎气泡，加速和提高溶氧。平叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。为了拆装方便、大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。搅拌器宜用不锈钢板制成。D。装设6 4块挡板，可满足全挡板条件。所渭“全挡板条件”是指在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。第7页/共66页第8页/共66页3轴封轴封的作用是防止泄漏和染菌。常用轴封有填料函和端面轴封两种。 填料函轴封的优点是：结构简单； 缺点是：(1)死角多，

5、很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；(2)轴的磨损情况较严重；(3)填料压紧后摩擦功率消耗大；(4)寿命短，维修工时多。第9页/共66页 端面轴封的作用是靠弹性元件 (弹簧、波纹管等) 的压力使垂直于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。其优点是：(1)清洁；(2)密封可靠，使用时间较长，不会泄漏：(3)无死角，可防止杂菌污染；(4)寿命长，质量好的25年不需修理；(5)摩擦功率耗损小，一般为填料密封的10、50%；(6)轴或轴套不受磨损：(7)对轴的震动敏感性小。但结构比较复杂，装拆不便，对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。第10页/共66页4. 空气分布器 一般的通

6、气发酵罐，空气分布装置有单管式及环形管式等。常用单管式，管口正对罐底中央，与罐底距离约40mm，这样空气分散效果较好，若距离过大，空气分散效果就较差。我们要求气泡上升时能被搅拌器打碎成小气泡，与醪液充分混合，增加气液传质效果。环形管直径为搅拌器直径的0.8倍较好，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，由于喷孔易堵，已很少采用。风管内空气流速取20m/s，在罐底中央衬上不锈钢圆板，防止空气冲击，以延长罐底寿命。第11页/共66页5消泡器 在通气发酵生产中，有两种消泡方法：一是加入化学消泡剂，如月桂基磺酸钠等；二是使用机械消泡装置。 常用消泡器有锯齿式、梳式、孔板式、旋

7、桨梳式等几种，孔板式的孔径约1020mm。消泡器的长度约为罐径的0.65倍。 发酵液中含有蛋白质等发泡物质，在通气搅拌条件下会产生泡沫，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，且增加杂菌感染机会。第12页/共66页 三、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质在通风发酵中，空气中的氧首先溶解在液体中，然后才能被微生物利用。发酵设备的重要任务之一是要供给足够的溶解氧，以满足微生物的需要。氧由空气泡传递到生物细胞按双膜理论可分成几步进行：1. 气泡中的氧通过气相边界层传递到气液界面上；2. 氧分子由气相侧通过扩散穿过界面；第13页/共66页3. 在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体；4. 在液相主体中进行

8、传递；5. 扩散通过生物细胞表面的液相滞流层传递进入生物细胞内。根据上述传质理论，发酵液的溶氧传质速率为：)(*CCKOTRLKLCC*体积溶氧系数发酵液中溶氧浓度相应温度、压强条件下饱和溶氧浓度第14页/共66页（二）溶氧与罐体设计的联系： 持气率：h=(VLG-VL)/VL通气搅拌时气液混合物体积不通气时溶液体积VLG VL1. 0.85之间。第15页/共66页2. 随着通气量的增大，通气搅拌功率会降低，故为了提高溶氧传质，必须适当提高搅拌转速或增大搅拌叶轮直径，或两者均提高，以维持通气搅拌功率不变。3. 较低的通气速率和泡沫水平可使敏感的生物如动物细胞受损伤，甚至在很低的搅拌速率下也如此

9、。故在组织培养中必须注意搅拌叶轮结构的改进，使用低剪切力的叶轮。4. 当通气速率较高，而搅拌叶轮直径较小且转速较低时，会出现搅拌器对液体流动和气体分散均无影响的情况，因此，叶轮直径和通气量必须满足一定关系。第16页/共66页四、搅拌流型流型与气固液相的混合效果以及氧气的溶解、热量的传递有密切的关系。流体流动型式决定于搅拌器、附件及其安装位置。 1、螺旋桨搅拌器 垂直装的螺旋桨，在无挡板的情况下，形成螺旋线流动，在中心形成凹陷的漩涡。如装有挡板，则螺旋状流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使漩涡消失，如图所示。第17页/共66页2涡轮式搅拌器流型 图所示为罐内具有挡板时的搅拌流型。如不满足全挡板条

10、件，轴中心位置也有凹陷的漩涡。安装冷却排管，也可消除凹陷漩涡。第18页/共66页3装有套筒的搅拌流型 在罐安装套筒，可加强循环输送，并能将液面的泡沫从套筒上部吸入，增加溶氧，且有自消泡能力。如图所示。第19页/共66页 右图是涡轮在套筒内的多级乳化循环的流型。运用于烷烃类不溶于水的原料的搅拌混合，其溶氧速率很高。第20页/共66页五、发酵罐体的尺寸比例4。高位罐的高径比达10以上，虽然空气利用率较高，但压缩空气的压力需要较高，顶料与底料不易混合均匀，厂房较高。发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距S约为搅拌器直径的3倍。对于大型发酵罐以及液体深度HL较高的，可安装三组或三组以上的搅拌桨叶。

11、最下面一组搅拌器与风管出口较接近为好，与罐底的距离C一般等于搅拌器直径Di，Di，否则会影响液体的循环。常用的发酵罐各部分的比例尺寸如图。第21页/共66页B/D=1/8 1/12S/D=2 5Di/D=1/2 1/3C/Di=0.8 H0/D=2第22页/共66页第二节、气升式发酵罐（ALR） 气升式发酵罐是近30年发展起来的发酵罐，其特点是结构简单，不易污染，氧传质效率高，能耗低，安装维修方便，较适合于单细胞蛋白等的生产。 初期的气升式罐是空气通过底部的多孔板分散成小气泡与培养基混合，向上移动，最后与二氧化碳等释出，培养液处于湍流状态。随着罐的发展，罐内分为上升管和下降管，含气率多的培养基

12、比重小，向上升。含气率少的培养基比重较大，由于在管内外的液体比重不同，而产生压力差，推动培养液在罐内循环。上升管和下降管的布置可以装在罐外，称为外循环，也可以装在罐内，称为内循环。第23页/共66页带升式发酵罐的特点为：结构简单，冷却面积较小；不需搅拌设备，节省动力约 50%；装料系数达8090%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。其工作机理是在罐外装设上升管，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嘴，空气以250300m/s的高速度喷入上升管，使空气分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵液比重较小，加上

13、压缩空气的动能，使液体上升，罐内液体下降进入上升管，形成反复的循环，如下图所示。有内循环及外循环两种。一、带升式发酵罐第24页/共66页第25页/共66页二、LeFrancois型空气提升式发酵罐 这是法国人LeFrancoisg/100mL，每小时处理量23m3。第26页/共66页三、气升及外循环发酵罐 这种罐运用于石蜡为原料的发酵。罐的压力可维持500kPa。氧的传递系数较高，可用于高浓度培养，菌体浓度可达6% (重量)以上。1发酵罐 2消泡室 3气体分布器 4培养液 5泡沫 6回流管 7喷淋嘴 8气液分离器 9循环泵 10供气管 11培养液入口 12培养液出口 13废液出口 1 4热交换

14、器 15冷却水入口 16冷却水出口 17发酵液出口 18冷却夹套第27页/共66页四、气升环流发酵罐气升环流发酵罐的型式较多，常用的有高位，低位及压力发酵罐几种。如图所示是德国Hoechst公司的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐的高度增大可以提高氧的传递能力，增大对液流的驱动力。驱动力的调节通过气体流量控制。罐的结构简单，易于放大。第28页/共66页如图是具有外循环冷却的空气提升环流式发酵罐，通气管与罐底的距离是通气管直径的倍，气体经多孔板送入罐内，多孔板之下是气液分离带，此处回流培养液的气泡率降至10%以下。从罐底引出培养液，用离心泵输送到热交换器后从上部回流入罐内。第29页/共66页为了提高发酵

15、罐氧的利用率可在发酵罐内安装两个以上的环流管，延长气液接触时间，如图所示。第30页/共66页对于培养植物或动物细胞，要求没有高度的切割力，防止对细胞的伤害，设备对培养基应能充分搅动均匀又能使气体均匀分散。细胞培养多采用气升环流式，气体从转轴通入，由底部的环形吹泡管喷出，向上与培养液均匀接触后由上部排出。气流的气泡与培养基充分混合，由旋转的推进口排出，向下流动至下部，被旋转的推进器吸入后排出，形成环流。设备对供气、氧、氮、二氧化碳均能控制。设备的特点为低转速高溶氧。第31页/共66页第32页/共66页五、塔式发酵罐塔式发酵罐又称空气搅拌高位发酵罐，此类发酵罐的用途较多，以获得推广使用。发酵罐的特

16、点是：罐身高，我国土霉素等生产用的设备，高径之比约为7，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%；设备简单，不用电机搅拌，但底部有沉淀物；温度高时降温较难。第33页/共66页第三节、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。这种发酵罐在60年代开始研究，60年代后期由联邦德国开始发展，1969年首先取得美国专利。我国醋厂、酵母厂、制药厂等均已采用这种新型设备。(1)、节省空气净化系统中的空气压缩机及其辅助设备，减少厂房占地面积。l这种设备的优点为：第34页/共66页(2)、减少设备投资费约30%。(3)、设备便于自动化

17、、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。(4)、气泡小，气液因均匀接触，溶氧系数高。(5)、酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度较高。其缺点是：罐压较低，装料系数约40%。第35页/共66页一、机械搅拌自吸发酵罐自吸式发酵罐的构造如图所示。主要构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。转子由底轴或上主轴带动，当转子转动时，空气则由导气管吸入。转子的形式有多种，如九叶轮、六叶轮、四叶轮、三叶轮等等，叶轮均为空心形。第36页/共66页第37页/共66页在转子启动前，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、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。转子旋

18、转的线速度愈大，流体的动能也愈大，流体离开转子时，由动能变为压力能也愈大，排出的风量也越大。当流体被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造的负压也愈大，吸风量也越大，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出，并使空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在湍流状态下混合、翻腾、扩散，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。第38页/共66页（二）机械自吸式发酵罐的设计要点1.自吸式发酵罐径高比的确定 发酸罐通气和搅拌的目的是：供给微生物氧气，强化液体湍流，使气液因三相更好地接触，增加溶解氧，提高氧的利用率，促进微生物的传质作用，强化热交换。第39页/共66页在自吸式发酵罐中，利用高速转

19、子使气液分散，减少液膜阻力，增加溶氧，液柱的高度也是传质的推动力，但是液柱过高会影响转子的吸风量。例如50m3mm3/min，0.6，由于泡沫作用，吸风量比用水作为介质时减少约50%。为了提高吸气量，降低转子的功率消耗，选用矮罐较好，或提高转子的安装高度，均有利于提高吸风量。KoBe型发酵罐容积250m3，罐直径与高度之比为2：3。粘度大、比重大的物料，也影响吸风量，如四环素发酵液的比重约为1.2。吸风量降低，应适当降低罐的高度。第40页/共66页2.转子与定子的确定三棱叶型转子的特点是转子直径较大，在较低转速时获得较大的离心力和吸气量，当罐压在一定范围内变化时，吸气量比较稳定，吸程也较大，但

20、阻力较大，消耗功率也较大。三棱叶自吸转子与定子尺寸比例见表1-2-6。三棱叶叶轮直径一般等于发酵罐直径的倍。如须提高溶氧，可减少转子直径，适当提高转速。第41页/共66页四弯叶转子的特点是，对液体的剪切作用较小，阻力小，消耗功率较小，直径小，转速高，吸气量较大，溶氧系数较高。叶轮外径和罐径比1/81/15，叶轮厚度为叶轮直径的1/41/5。对于同一种叶轮，转速增加，充气能力及压头也随之增加。有定子的工作叶轮比无定子的工作叶轮流量、压头均增加。第42页/共66页二、喷射自吸式发酵罐 文氏管发酵罐是其中的一种，如图所示。其原理是用泵将发酵液送入文氏管中，由于发酵液在文氏管的收缩段中流速增加，形成真

21、空，将空气吸入，并使气泡分散，与液体混合均匀，提高发酵液的溶解氧。(一)、喷射自吸式发酵罐第43页/共66页第44页/共66页1进料管2吸气室 3进风管 4喷嘴 5收缩段 6导流尾管 7扩散段2.液体喷射自吸式发酵罐第45页/共66页溢流喷射器是液体溢流时形成抛射流，由于液体表面层作用，使靠近液体表面的气体边界层具有一定的速率，从而形成气体的流动和自吸作用。流体处于抛射非淹没溢流状态，溢流尾管略高于液面，尾管高l2m时，吸气量较大。华南工学院生化工程研究室研究的溢流喷射反应器应用于酵母的培养效果良好，10Lkg干酵母/m3，kg干酵母(/m3h)。比能耗为0.37 kWh/kg干酵母。三、溢流喷射自吸式发酵罐第46页/共66页第47页/共66页第四节、通风固相发酵设备通风固相发酵工艺是传统的发酵生产工艺，广泛应用于酱油与酿酒生产，以及农副产品生产饲料蛋白等。通风固相发酵具有设备简单、投资省等优点。常用的有自然通风固体曲发酵设备和机械通风固体曲发酵设备。第48页/共66页一、自然通风固体曲发酵设备几千年前，我国在世界上率先使用自然通风固体制曲技术用于酱油生产和酿酒，一直沿用至今，尽管大规模发酵生产大多采用液体通风发酵技术。自然通风制曲要求空气与固体培养基密切接触，以供霉菌繁殖和带走发酵所产生的热量。原始的固体曲制备采用木制的浅盘，大的曲盘没有底板，只有几根衬条，上铺竹帘、苇帘