第八章 发酵生产设备

1第一节厌氧发酵设备第二节通风发酵设备第三节发酵反应器的设计和自动控制第八章发酵生产的设备2发酵罐的定义：是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。室验室用发酵罐1L--50L中试用发酵罐50L--1000L工厂发酵罐5000L以上发酵罐的大小的大致概念34生产用发酵罐的大小抗生素发酵罐的容积以80～200米3为主氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150～300米3国际上最大标准式发酵罐为美国ADM公司赖氨酸发酵罐,折合公称容积为380米3越来越多的啤酒生产厂家采用400m3和600m3大罐,甚至800m3大罐。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6发酵罐的类型1．按微生物生长代谢需要分类：好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数；厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。7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）8多种设计结构均可完成上述功能按供氧方式分：厌氧发酵设备通风发酵设备气升式自吸式还可按搅拌方式分：上搅拌下搅拌第一节厌氧发酵设备9对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。10它的容积常大于50m3，H:Dt=1-1.5，罐的上、下部都是锥形的。上部有物料口，冷却水口，CO2和气体出口、人孔和压力表开口等。温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相结合，排料管在罐的底部。11一、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12酒精发酵罐的结构要求满足工艺要求，有利于发酵热的排出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。13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。在酒精发酵过程中，为了回收CO2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。141冷却水入口2取样口3压力表4CO2出口5喷淋水入口6料液及酒母入口7人孔8冷却水出口9温度计10喷淋水收集槽11喷淋水出口12发酵液及污水排出口酒精发酵罐15发酵的冷却装置对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置，为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。采用罐外列管式喷淋冷却的方法，具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。16酒精发酵罐的洗涤过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且CO2气体一旦未彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。近年来，酒精发酵罐已逐步采用水力喷射洗涤装置，从而改善了工人的劳动强度和提高了操作效率。大型发酵罐采用这种水力洗涤装置尤为重要。17水力喷射装置是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成两头喷水管弯有一定的弧度喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔喷水管安装时呈水平喷水管借活接头和固定供水管相连接它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力，使喷水管自动旋转。对于120m3的酒精发酵罐，采用36×3mm的喷水管，管上开有44×30个小孔，两头喷嘴口径为9mm。18高压强的水力喷射洗涤装置它是一根直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中央，在垂直喷水管上按一定的间距均匀地钻有4-6mm的小孔，孔与水平呈20度角，水平喷水管借活接头，上端和供水总管，下端相垂直分配管相连接，洗涤水压为0.6-0.8MPa。水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，使其以每分钟48—56转自动旋转，并以极大的速度喷射到罐壁各处，而垂直的喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体四壁和罐底。约5min时间即可完成洗涤作业。洗涤水若用废热水，还可提高洗涤效果。1920第二节通风发酵设备Detailsofafermenterunit机械搅拌式自吸式气升式高位筛板式等味精柠檬酸抗生素酶制剂氨基酸21一）基本条件6、轴封应严密，尽量减少泄漏。1、适宜的径高比。[高：直径约为2.5～4]2、能承受一定的压力。[水压试验（1.5倍）]3、搅拌通风装置要能使气泡分散细碎、气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高O2的利用率。4、应具有足够的冷却面积。[代谢产热]5、发酵罐内应抛光，尽量减少死角。[避免积污、染菌]一、机械搅拌式发酵罐22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23发酵罐的结构1、罐体碳钢、不锈钢、衬不锈钢罐壁厚度取决于罐径及罐压的大小由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成（小型罐罐顶和罐体采用法兰连接）衬不锈钢管封头封头切割2、搅拌器类型螺旋浆式涡轮浆式搅拌器六平叶六弯叶六箭叶螺旋桨涡轮桨六平叶涡轮式六弯叶涡轮式六箭叶涡轮式31RushtonCD-6BT-6二组搅拌器三组搅拌器3、挡板作用：改变液体的方向，由径向流改为轴向流，使液体激烈翻动，增加溶解氧。宽度（W)：一般取(0.1～0.2)D片数：4～6长度：自液面至罐底与罐壁的间距：（1/5～1/8)W(避免形成死角，防止物料和菌体堆积）4、空气分布装置作用：通入无菌空气并使分散均匀类型：1）环形管环径=0.8d;多喷孔，向下；易堵2）单管式普遍采用向下的管口距罐底约30～60mm分散器（防止空气喷击、蚀穿罐底）位置：罐底中央36空气分布器空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等。常用的分布装置是单管式，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，管口与罐低的距离约40mm通常通风管的空气流速取20米/秒。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。37环形管的分布装置喷孔直径向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。空气分散效果不及单管式分布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。通风量在0.02~0.5ml/sec时，气泡的直径与空气喷口直径的1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越小。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。空气分布装置空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。39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。（发酵罐需加热还是冷却？）5、换热装置夹套式竖式蛇管竖式列管小型罐夹套式换热装置夹套式换热装置应用：小型罐、种子罐高度：比静止时液面稍高优点：结构简、加工易、死角少、易清洁灭菌缺点：传热壁较厚、冷却水流速低、降温效果差竖式蛇管换热装置分组安装（3～8不等）大型罐多用优点：冷却水流速大、传热系数高缺点：弯曲处易蚀穿竖立列管换热装置以列管形式对称安装于罐内优点：加工方便缺点：传热系数较蛇管低用水量大44近来新型发酵罐的冷却面移至罐外,采用半圆形外蛇管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,增大放罐体积456、轴封、联轴器和轴承上传动下传动1）轴封作用：使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封；防止泄漏和染菌类型：填料函端面轴封填料函1转轴2填料压盖3压紧螺栓4填料箱体5铜环6填料（石棉等）构成优点：结构简单、价格低缺点：易渗漏，寿命短对轴磨损较重摩擦功率消耗大端面轴封构成：动环应比静环硬O形圈密封环隙弹簧使两平面压紧1、弹簧2、动环3、堆焊硬质合金4、静环5、O形圈优点：密封可靠，寿命长摩擦功率消耗小无死角，有效防杂菌缺点：结构复杂、装拆不便对两环表面的光洁度、平直度要求高49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50物理消泡法：靠机械力引起强烈振动或者压力变化，促使泡沫破裂。消泡器安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破、分离成液态和气态两相的装置。化学消泡法：加入消泡剂，使泡沫失稳，发酵时多用豆油。5152安装在罐内的消泡装置安装在发酵罐内、转动轴的上部，齿面略高于液面，直径为0.8-0.9D。若其由搅拌轴带动，则转速不高，效果不佳。下图为耙式消泡器。53安装在罐外的消泡装置——接于罐的排气口旋风式消泡器其工作原理与旋风分离器相同。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，54离心式消泡器是一种离心式气液分离装置。离心式消泡器装于排气口上，夹带液沫的气流以切线方向进入分离器中，由于离心力的作用，液滴被甩向器壁，经回流管返回发酵罐，气体则自中间管排出。55罐外消泡器总结可分为：无动力，泡沫切线进入：旋风式消泡器离心式消泡器外加动力（电机）：刮板式消泡器碟片式消泡器7、消泡装置梳齿式打泡器耙式打泡器半封闭涡轮消泡器直接连在轴上因转速低，强度不大离心式消泡器碟片式消泡器装于罐顶；适于下伸轴罐二、气升式发酵罐近20多年发展起来。没有搅拌器，罐内或罐外设液体循环管（上升管）空气由特殊结构的喷嘴以250～300m/s的高速喷出二气升发酵罐23471856（一）结构1入口2空气管3上升管4冷却夹管5压力表6罐体7气升管8排气阀包括内环流式和外环流式两种外环流式内循环带升式发酵罐外循环带升式发酵罐罐内或罐外装设上升管，两端与罐底部和罐上部相连通，构成循环系统；上升管的下部装有空气喷嘴，空气以250-300m/s高速喷入上升管，借喷嘴的作用将空气泡分割成细泡，与上升管内发酵液密切接触；由于上升管内发酵液含气多、比重小，加上压缩空气的喷流动能，因此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，使氧气溶解于发酵液中。原理：特点：结构简单、不易污染、能耗低三、自吸式发酵罐不需空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气20世纪60年代我国某些醋厂、酵母厂已采用优点：1、省却空气压缩机及其辅助设备，减少厂房，减少设备投资约30%。2、设备便于自动化、连续化。3、气泡小、气液均匀接触，溶氧系数高。缺点：装液系数较低（约0.4）进罐空气处于负压，增加了染菌的机会。自吸发酵罐（一）结构1带轮(带动轴旋转)2排气阀3消泡器4冷却水管5电机6导气管7支架4256713自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同，主要区别在大搅拌器的形状和结构不同。自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。自吸式发酵罐转子（叶轮）定子（导轮）转子（叶轮）定子（导轮）转子（叶轮；有3、4、6、9叶；空心；带有中央吸气口；直径为罐径的三分之一）定子（导轮）关键部件：71自吸式发酵罐的充气原理：启动前转子被液体浸没；转子高速旋转，液体、空气在离心力作用下被甩向外缘，在转子的中心处形成负压；于是将罐外的空气通过搅拌器中心的吸入管而被吸入罐内；通过导轮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。自吸式发酵罐在搅拌的同时完成了充气作用。四塔式发酵罐Hd1