
ch通风发酵设备实用实用教案.ppt
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(yīncǐ)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(wèi le)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(miè jūn)彻底,避免染菌6)、搅拌器的轴封应严密,尽量减少泄漏第1页/共65页第一页,共66页二、发酵罐的结构(jiégòu):•通用的机械搅拌通风发酵罐主要部件(bùjiàn)包括罐体、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2页/共65页第二页,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(diànjī) 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3页/共65页第三页,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2~3mm为了满足工艺要求,罐需承受(chéngshòu)一定温度和压力,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4页/共65页第四页,共66页 2.搅拌器和挡板(dǎnɡ bǎn)•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(dàxíng)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•挡板的作用是防止液面中央产生(chǎnshēng)漩涡,促使液体激烈翻动,提高溶解氧挡板宽度约为0.1~0.2D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5页/共65页第五页,共66页第6页/共65页第六页,共66页3.轴封•轴封的作用是防止泄漏(xièlòu)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,很难彻底灭菌(mièjūn),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7页/共65页第七页,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2—5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(jiégòu)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8页/共65页第八页,共66页4. 空气(kōngqì)分布器•一般的通气发酵罐,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(fēnsàn)效果较好,若距离过大,空气分散(fēnsàn)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5~8mm,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9页/共65页第九页,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(zhuāngzhì)常用消泡器有锯齿式、梳式、孔板式、旋桨梳式等几种,孔板式的孔径约10~20mm消泡器的长度约为罐径的0.65倍 发酵液中含有(hán yǒu)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10页/共65页第十页,共66页 三、机械搅拌通风(tōng fēng)发酵罐的通风(tōng fēng)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(ránhòu)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(xìbāo)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气泡中的氧通过气相边界层传递到气—液界面液界面上;上;2.氧分子由气相侧通过扩散穿过界面;氧分子由气相侧通过扩散穿过界面;(一)溶氧传质理论(一)溶氧传质理论第11页/共65页第十一页,共66页。
3. 在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体(zhǔtǐ);4. 在液相主体(zhǔtǐ)中进行传递;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:体积溶氧系数发酵液中溶氧浓度相应(xiāngyīng)温度、压强条件下饱和溶氧浓度第12页/共65页第十二页,共66页(二)溶氧与罐体设计(shèjì)的联系:•持气率:h=(VLG-VL)/VL通气搅拌时气(shí qi)液混合物体积不通气时溶液体积VLG VL1.因为在通气发酵过程中存在通气与起泡问题,故在发因为在通气发酵过程中存在通气与起泡问题,故在发酵罐实际装料量的设计时必须考虑装液系数,即必须酵罐实际装料量的设计时必须考虑装液系数,即必须充入培养液后留下一定空间充入培养液后留下一定空间(kōngjiān)通常装料系通常装料系数在数在0.6~0.85之间第13页/共65页第十三页,共66页2.随着通气量的增大,通气搅拌功率会降低(jiàngdī),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(pàomò)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。
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,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会出现搅拌器对液体流动和气体分散均无影响(yǐngxiǎng)的情况,因此,叶轮直径和通气量必须满足的情况,因此,叶轮直径和通气量必须满足一定关系一定关系第14页/共65页第十四页,共66页四、搅拌(jiǎobàn)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(ānzhuāng)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(xíngchéng)螺旋线流动,在中心形成(xíngchéng)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15页/共65页第十五页,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件(tiáojiàn),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16页/共65页第十六页,共66页。
3.装有套筒的搅拌(jiǎobàn)流型在罐安装(ānzhuāng)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17页/共65页第十七页,共66页右图是涡轮在套筒内的多级乳化循环(xúnhuán)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18页/共65页第十八页,共66页五、发酵罐体的尺寸(chǐ cun)比例•罐体各部分的尺寸有一定比例,高径比约为2.5~4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最下面一组搅拌器与风管出口较接近(jiējìn)为好,与罐底的距离C一般等于搅拌器直径Di,不直小于0.8Di,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19页/共65页第十九页,共66页H/D=1.7~3.5B/D=1/8 ~1/12S/D=2 ~ 5Di/D=1/2 ~ 1/3C/Di=0.8 ~ 1.0H0/D=2第20页/共65页第二十页,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,含气率多的培养基比重小,向上升含气率少的培养基比重较大,由于在管内外(nèiwài)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21页/共65页第二十一页,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80~90%;维修、操作及清洗简便(jiǎnbiàn),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250~300m/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,加上压缩空气的动能,使液体上升,罐内液体下降(xiàjiàng)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22页/共65页第二十二页,共66页第23页/共65页第二十三页,共66页二、LeFrancois型空气(kōngqì)提升式发酵罐•这是法国人LeFrancois氏研制的发酵罐初期(chūqī)为外循环罐,70年代初改为内循环罐这种型式的罐用于处理亚硫酸纸浆废液生产酵母,废浓含总糖3.5g/100mL,每小时处理量23m3第24页/共65页第二十四页,共66页三、气升及外循环(xúnhuán)发酵罐这种罐运用于石蜡为原料的发酵罐的压力可维持(wéichí)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(huí liú)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25页/共65页第二十五页,共66页四、气升环流(huánliú)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(kěyǐ)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26页/共65页第二十六页,共66页如图是具有外循环冷却(lěngquè)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0.5~1.5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27页/共65页第二十七页,共66页•为了提高(tígāo)发酵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28页/共65页第二十八页,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(cǎiyòng)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29页/共65页第二十九页,共66页第30页/共65页第三十页,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点是:罐身高,我国土霉素等生产(shēngchǎn)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31页/共65页第三十一页,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(niándài)开始研究,60年代(niándài)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(fǔzhù)设备,减少厂房占地面积l这种设备(shèbèi)的优点为:第32页/共65页第三十二页,共66页•(2)、减少设备投资费约30%•(3)、设备便于自动化、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(fājiào)周期短,发酵(fājiào)液中酵母浓度较高。
其缺点(quēdiǎn)是:罐压较低,装料系数约40%第33页/共65页第三十三页,共66页一、机械(jīxiè)搅拌自吸发酵罐•自吸式发酵罐的构造如图所示主要构件(gòujiàn)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,叶轮均为空心形一)机械(一)机械(jīxiè)(jīxiè)自吸式发酵罐吸气自吸式发酵罐吸气原理原理第34页/共65页第三十四页,共66页第35页/共65页第三十五页,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(tóngshí)完成了充气作用。
第36页/共65页第三十六页,共66页(二)机械自吸式发酵罐的设计(shèjì)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(chuánzhì)作用,强化热交换第37页/共65页第三十七页,共66页•在自吸式发酵罐中,利用高速转子使气液分散,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50m3罐,当液柱高2.55m时,吸风量达32.4m3/min,若再增加液柱高度,吸风量则下降通风后发酵液的比重降低,约为0.5~0.6,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(gōnglǜ)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KoBeⅢ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38页/共65页第三十八页,共66页2.转子与定子(dìngzǐ)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0.35倍如须提高溶氧,可减少(jiǎnshǎo)转子直径,适当提高转速第39页/共65页第三十九页,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(zhuànsù)高,吸气量较大,溶氧系数较高叶轮外径和罐径比1/8~1/15,叶轮厚度为叶轮直径的1/4~1/5对于同一种叶轮,转速(zhuànsù)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40页/共65页第四十页,共66页二、喷射(pēnshè)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,形成真空,将空气吸入,并使气泡分散,与液体(yètǐ)混合均匀,提高发酵液的溶解氧•(一)、喷射(pēnshè)自吸式发酵罐1.文氏管发酵罐第41页/共65页第四十一页,共66页第42页/共65页第四十二页,共66页•1—进料管•2—吸气(xīqì)室•3—进风管•4—喷嘴•5—收缩段•6—导流尾管•7—扩散段2.液体(yètǐ)喷射自吸式发酵罐第43页/共65页第四十三页,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(biǎomiàn)层作用,使靠近液体表面(biǎomiàn)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l~2m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,10L罐应用于培养酵母,酵母浓度高达50.5kg干酵母/m3,对数生长期高达7.9kg干酵母(/m3•h)比能耗为0.37~0.61kW•h/kg干酵母三、溢流(yìliú)喷射自吸式发酵罐第44页/共65页第四十四页,共66页第45页/共65页第四十五页,共66页第四节、通风固相发酵(fājiào)设备•通风固相发酵工艺是传统(chuántǒng)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46页/共65页第四十六页,共66页一、自然通风固体(gùtǐ)曲发酵设备•几千年前,我国在世界上率先使用自然通风(tōngfēng)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(tōngfēng)发酵技术。
•自然通风(tōngfēng)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、或柳条,或把帘子铺在架上,这扩大了固体培养基于空气的接触面积第47页/共65页第四十七页,共66页•自然通风的曲室设计要求如下:易于保温、散热、排除湿气以及清洁消毒等;曲室四周墙高3~4m,不开窗或有少量细窗口,四壁均用夹墙结构,中间填充保温材料;房顶向两边倾斜,使冷凝的汽水沿顶向两边下流,避免(bìmiǎn)滴落在曲上;为方便散热和排湿气,房顶开有天窗第48页/共65页第四十八页,共66页二、机械(jīxiè)通风固体曲发酵设备•机械通风固体(gùtǐ)曲发酵设备采用鼓风机进行机械通风,与自然通风固体(gùtǐ)曲发酵设备相比,强化了发酵系统的通风,使曲层厚度大大增加,不仅使制曲生产效率大大提高,而且便于控制曲层发酵温度,提高了曲的质量第49页/共65页第四十九页,共66页第50页/共65页第五十页,共66页第51页/共65页第五十一页,共66页第52页/共65页第五十二页,共66页第五节、其它类型的通风(tōngfēng)生物反应器•除了(chúle)上述的机械搅拌通风发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐和固相通风发酵设备外,还有多种通风发酵设备在生产上应用。
如:固定床生物反应器、卧式转盘发酵反应器、中空纤维生物反应器等等第53页/共65页第五十三页,共66页第54页/共65页第五十四页,共66页第55页/共65页第五十五页,共66页第56页/共65页第五十六页,共66页第57页/共65页第五十七页,共66页第58页/共65页第五十八页,共66页第59页/共65页第五十九页,共66页第60页/共65页第六十页,共66页第61页/共65页第六十一页,共66页第62页/共65页第六十二页,共66页第六节、发酵罐设计(shèjì)基本原则•1.在发酵系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不应直接连通因为曾发现细菌能穿过关闭的阀门而繁殖•2.尽量减少法兰连接,因为设备震动和热膨胀,会引起法兰连接处移位,而导致污染•3.尽可能采用全部焊接结构所有焊接点必须切实磨光,消除蓄积(xùjī)耐火菌的固体物质的场所•4.防止死角、裂缝,因为固体物质可在这些地方蓄积(xùjī),为污染菌提供避开灭菌的绝热环境•5.发酵系统的某些部分能单独灭菌第63页/共65页第六十三页,共66页•6.与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封,如采样口的阀门在不使用时,其出口处应有流动蒸汽通过。
•7.所用阀门应易于清洗、维修和灭菌•8.发酵罐应始终保持正压以排除渗漏(对病原菌不适用)•9.几乎(jīhū)所有的发酵罐都由玻璃或不绣钢制成玻璃只限用在小于20、30L的发酵罐•10.多数发酵罐的底部和顶部都是碟形或椭圆形,小于500L的发酵罐也可用平顶,但必须符合压力标准的规定•11.由罐顶部进入的轴由于轴较长容易颤抖,因而往往采用底式搅拌轴,近年来采用钨—碳等密封装置解决浸漏及污染等问题第64页/共65页第六十四页,共66页感谢您的欣赏(xīnshǎng)!第65页/共65页第六十五页,共66页内容(nèiróng)总结(3)、发酵罐能承受(chéngshòu)一定压力3. 在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体h=(VLG-VL)/VL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吸风量降低,应适当降低罐的高度三棱叶自吸转子与定子尺寸比例见表1-2-61.在发酵系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不应直接连通感谢您的欣赏第六十六页,共66页。












