发酵罐放大与设计1课件.pptx

1、1发酵罐发酵罐第第1页页/共共62页页2发酵罐放大与设计发酵罐设计与放大二二发酵罐类型与结构一一发酵罐的类型发酵罐的结构四四三三发酵罐的设计发酵罐的放大第第2页页/共共62页页3v了解发酵罐的类型了解发酵罐的类型v 掌握通用式发酵罐的基本结构掌握通用式发酵罐的基本结构v了解发酵罐设计的基本原则和要求了解发酵罐设计的基本原则和要求v了解发酵罐放大设计的方法了解发酵罐放大设计的方法第第3页页/共共62页页4发酵罐的基本概念v发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。的心脏，是连接原料和产物的桥梁。v广义的发酵罐广义的发酵

2、罐是指为一个特定生物化学过程的操作是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备进行微生物深层培养的设备。第第4页页/共共62页页5一、发酵罐的类型v好氧发酵罐好氧发酵罐 (通风发酵罐通风发酵罐) 抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等 需要强烈的通风搅拌需要强烈的通风搅拌提高氧传质系数提高氧传质系数KLav厌氧发酵罐厌氧发酵罐 (嫌气发酵罐嫌气发酵罐) 丙酮丁醇、丙酮丁醇、酒精、啤酒酒精、啤酒、乳酸等、乳酸等 不需要通气不需要通气1、按微生物代谢类型分类、按

3、微生物代谢类型分类第第5页页/共共62页页6一、发酵罐的类型2、按供氧方式分类、按供氧方式分类机械搅拌非机械搅拌（通用式发酵罐）机械搅拌自吸式发酵罐气升式发酵罐塔式发酵罐喷射自吸式发酵罐伍式发酵罐通风 发酵罐机械搅拌通风发酵罐第第6页页/共共62页页7一、发酵罐的类型3、新型发酵罐、新型发酵罐v膜生物反应器膜生物反应器 近年来生物工程领域的研究热点近年来生物工程领域的研究热点 反应反应 和和 分离的耦合分离的耦合 使产物及时移去，降低产物的反馈抑制作用使产物及时移去，降低产物的反馈抑制作用第第7页页/共共62页页88q室验室用发酵罐1 L-50Lq中试用发酵罐50L-5000L 发酵罐大小的大

4、致概念第第8页页/共共62页页9v 抗生素发酵罐的容积以80200 米3 为主v 氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150300 米3 v珠海益力味精集团有限公司630 米3机械搅拌发酵罐，是世界上最大的通用式发酵罐之一。v越来越多的啤酒生产厂家采用 400m3 和600m3 大罐,甚至 800m3 大罐。v新建的酒精生产企业，其发酵罐单罐容积一般在1000-2000米3之间q生产用发酵罐： 5000 L第第9页页/共共62页页10发酵罐放大与设计发酵罐设计与放大二二发酵罐类型与结构一一发酵罐的类型发酵罐的结构四四三三发酵罐的设计发酵罐的放大第第10页页/共共62页页11二、发酵罐的结构 1.

5、通用式发酵罐v 利用机械搅拌器的作用，使无菌空气和发酵液充分混利用机械搅拌器的作用，使无菌空气和发酵液充分混合，促进氧溶解，以保证微生物的生长繁殖所需要的合，促进氧溶解，以保证微生物的生长繁殖所需要的氧气。氧气。v约占发酵罐总数的约占发酵罐总数的7080%，所以也称，所以也称标准式标准式或或通用通用式式发酵罐。发酵罐。机械搅拌通风发酵罐第第11页页/共共62页页12通用式发酵罐的结构 罐体 轴封 消泡器 搅拌器 联轴器 轴承 挡板 空气分布管 换热装置 人孔、管路、测量仪表等第第12页页/共共62页页13通用式发酵罐的主要部件通用式发酵罐的主要部件(1) (1) 罐体罐体 (2) (2) 搅拌

6、器搅拌器(3) (3) 挡板挡板 (4)(4) 轴封轴封 (5) (5) 消泡器消泡器(6) (6) 空气分布管空气分布管(7)(7)联轴器联轴器(8)(8)轴承轴承 (9)(9)变速装置变速装置(10)(10)换热装置换热装置 (11)(11)人孔人孔(12)(12)管路管路(13)(13)测量仪表测量仪表二、发酵罐的结构 1. 通用式发酵罐第第13页页/共共62页页14(1)罐体v罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成。v小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接v材料一般为不锈钢。第第14页页/共共62页页15椭圆封头椭圆封头筒体筒体冷却蛇管冷却蛇管第第15页页/共共62页页16第第16页页/共共

7、62页页17（1）罐体v为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装设有维修或清洗的人孔。v 罐顶还装有视镜。v在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。第第17页页/共共62页页18结构结构第第18页页/共共62页页19发酵罐结构图发酵罐结构图第第19页页/共共62页页20（1）罐体v在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。第第20页页/共共62页页21(1) 罐体的尺寸比例v H：筒身高度v HL：液位高度v D：罐径v d: 搅拌器直径v s: 两搅拌器间距v B：下搅拌器距底部间距第第21页页/共共62页页22(1)

8、罐体的尺寸比例v H/D=1.73v HL/D=22.5v d/D=1/31/2v W/D=1/121/8v B/D=0.81.0v (s/d)2=1.52.5 v (s/d)3=12以罐体直径以罐体直径D、搅拌器直径、搅拌器直径d为基准为基准第第22页页/共共62页页23(2) 搅拌器v 搅拌器的作用搅拌器的作用 使通入的空气分散成小气泡，使通入的空气分散成小气泡，增加气液接触，促进氧溶解于增加气液接触，促进氧溶解于发酵液中。发酵液中。第第23页页/共共62页页24(2) 搅拌器v 搅拌器的类型搅拌器的类型 径向式（涡轮式）径向式（涡轮式）轴向式轴向式平叶式、弯叶式和箭叶式平叶式、弯叶式和箭

9、叶式螺旋桨式、浆叶式螺旋桨式、浆叶式类类型型轴向轴向径向径向第第24页页/共共62页页25轴向式搅拌器螺旋桨式桨叶式第第25页页/共共62页页26六平叶搅拌器六箭叶搅拌器六弯叶搅拌器径向式(涡轮式)搅拌器n涡轮搅拌器要安一个圆盘？q为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升第第26页页/共共62页页27第第27页页/共共62页页28在相同的搅拌功率在相同的搅拌功率PG下下， 粉碎气泡粉碎气泡能力：平能力：平弯弯箭箭 翻动流体翻动流体能力：箭能力：箭弯弯平平v工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的搅拌器搅拌器 上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器 下层：

10、以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。第第28页页/共共62页页29(3) 挡板挡板挡板空气分布器空气分布器挡板挡板第第29页页/共共62页页30v挡板的作用：挡板的作用： 改变液流的方向，由径向流改变液流的方向，由径向流轴向流，促使液轴向流，促使液体激烈翻动，体激烈翻动，增加溶解氧增加溶解氧。 防止防止搅拌过程中搅拌过程中漩涡漩涡的产生，而导致搅拌器露的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。在料液以上，起不到搅拌作用。 无挡板的搅拌器形成的流型无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型第第30页页/共共62页页31v挡板的宽度： W/D=1/121/8(取

11、0.1)v全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。一般要满足下式： （W/D）Z =0.4 Z档板数 一般装四块挡板第第31页页/共共62页页32发酵罐内的列管、排管或蛇管也可起相应的挡板作用。第第32页页/共共62页页33v一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。v挡板的长度自液面起到罐底为止。v挡板与罐壁之间的距离为（0.20.4）W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。第第33页页/共共62页页34(4) 轴封v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。v形式： 填料函轴封 端面轴封(机械轴封)第第34页页

12、/共共62页页35v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。第第35页页/共共62页页36n填料函式轴封的优点是结构简单。填料函式轴封的优点是结构简单。n用于发酵罐，它的缺点是：用于发酵罐，它的缺点是：q死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；q轴的磨损情况较严重；轴的磨损情况较严重；q填料压紧后摩擦功率消耗大；填料压紧后摩擦功率消耗大；q寿命短，经常维修，耗工时多。寿命短，经常维修，耗工时多。n故在发酵罐上，多数不用故在发酵罐上，多数不用第第36页页/共共62页页37机械轴封机械轴封n又称端面轴封v组成组成

13、 1 1）动环和静环动环和静环 2 2）弹性元件弹性元件 3 3）辅助密封元件辅助密封元件 “O O”形环和平橡胶垫片形环和平橡胶垫片 第第37页页/共共62页页38n动环固定在轴上，随轴一起转动。n静环装在壳体上。n动环依靠弹簧的压力与静环紧密接触n通过相对运动，两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。n辅助密封圈防止液体从动环与轴之间泄漏第第38页页/共共62页页39(5) 消泡器1. 化学消泡：植物油脂，动物油脂，高分子化合物。化学消泡：植物油脂，动物油脂，高分子化合物。2. 机械消泡装置机械消泡装置：耙式消泡器，涡轮消泡器耙式消泡器，涡轮消泡器；旋风离心式和旋风离心式和叶轮式离心消泡器、

14、碟片式消泡器和刮板式消泡器叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。等。旋风离心式旋风离心式叶轮离心式叶轮离心式耙式消泡器耙式消泡器罐内消泡罐内消泡罐外消泡罐外消泡罐外消泡罐外消泡第第39页页/共共62页页40耙式消耙式消泡器泡器旋风式旋风式消泡器消泡器略高于液面，长度略高于液面，长度约为约为0.80.9D第第40页页/共共62页页41安装在罐外的安装在罐外的消泡装置消泡装置接于罐的排气口接于罐的排气口旋风式消泡器n其工作原理与旋风分离器相同。n右图为改进的旋风式消泡器，它可以和消泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡沫情况自动添加消泡剂。第第41页页/共共62页页42(6) 空气分布器v

15、作用作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。v 形式形式：单管；环形管单管；环形管v 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。第第42页页/共共62页页43v 单管：常用，简单实用，单次通入量大通风管通风管v 单管式管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，喷口朝下喷口朝下，管口与罐低的距离约40mm。v为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命，叫补强板。第第43页页

16、/共共62页页44v 环形管：属于多孔管式。空气分布均匀，效果不如单管式，且喷气孔容易被堵塞。现很少采用。第第44页页/共共62页页45(7) 联轴器v 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。v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。法兰联轴器第第45页页/共共62页页46联轴器示意图联轴器示意图 第第46页页/共共62页页47第第47页页/共共62页页48第第48页页/共共62页页49(8) 轴承v中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承。 中间轴承底轴承第第49页页/共共62页页50n作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动第

17、第50页页/共共62页页51(9) 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。v电机分四级，转速分别约为： 800、1000、1400、1600 rpm；v而搅拌转速则一般为90-110 rpm。v发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。第第51页页/共共62页页52(9) 变速装置 三角皮带三角皮带第第52页页/共共62页页53(10) 传热装置发酵罐的冷却,主要是考虑：v微生物发酵过程的发酵热v机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量v此外还要考虑,发酵罐空消、实消后的冷却时间。第第53页页/共共62页页54第第54页页/共共62页页55v夹套夹套：在小型罐中往往应用夹套换热装置，优

18、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400600kJ(m2h)之间。第第55页页/共共62页页56v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12004000kJ(m2h)之间。v可兼起档板的作用。v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。第第56页页/共共62页页57v近来新型发酵罐的冷却面移至罐外,采用半圆形外蛇管v优点 罐体容易清洗 增强罐体强度,因而可大大降低罐体壁厚,使整个发酵罐造价降低 提高了发酵罐的容积,增

19、大放罐体积第第57页页/共共62页页58(11) 人孔v人孔：中大型发酵罐顶装设有人孔，用于发酵罐的维修或清洗。第第58页页/共共62页页59(12) 发酵罐的管路、接口n罐体上的通道口一般有：进料口放料口放料口接种口取样口取样口消泡剂口补料口进气口进气口排气口发酵罐的工作周期n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、接种使用一个口第第59页页/共共62页页60(13) 测量仪表v发酵罐检测参数有: pH 值、温度、溶氧值、搅拌速度、罐内压力、空气流量、泡沫度等v这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生

20、污染v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第第60页页/共共62页页61通用式发酵罐的主要部件通用式发酵罐的主要部件(1) (1) 罐体罐体 (2) (2) 搅拌器搅拌器(3) (3) 挡板挡板 (4)(4) 轴封轴封 (5) (5) 消泡器消泡器(6) (6) 空气分布管空气分布管(7)(7)联轴器联轴器(8)(8)轴承轴承 (9)(9)变速装置变速装置(10)(10)换热装置换热装置 (11)(11)人孔人孔(12)(12)管路管路(13)(13)测量仪表测量仪表二、发酵罐的结构 1. 通用式发酵罐第第61页页/共共62页页62思考题v 什么是通用式发酵罐？其基本结构包括哪些什么是通用式发酵罐？其基本结构包括哪些部件？各有什么作用？部件？各有什么作用？第第62页页/共共62页页