第七章-发酵罐的比拟放大

第七章发酵罐的比拟放大发酵设备什么是发酵设备？包括那些设备？种子制备设备主发酵设备辅助设备（无菌空气和培养基制备）发酵液预处理设备产品提取与精致设备废物回收处理设备请问核心部分是什么？主发酵设备或称为发酵罐是发酵工程中最重要的设备之一优良的发酵设备应具有的特性严密的结构良好的液体混合性能较高的传质和传热速率灵敏的检测和控制仪表本章内容§1发酵罐的结构§2搅拌器的形式和轴功率计算§3发酵罐的比拟放大发酵罐的基本概念发展过程发酵设备的类型机械搅拌发酵罐其他类型的发酵罐§1发酵罐的结构一、发酵罐的基本概念发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏广义的发酵罐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。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备在有些情况下，密闭容器，简单容器二、发展过程1）1900年以前，木制容器造酒2）1900-1940，钢制发酵罐，开始使用空气分布器，机械搅拌开始应用3）1940-1960，青霉素，通风，无菌操作，纯培养等一系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分离纯化商业化4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交换问题，计算机广泛应用5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展大生产用：日本味之素：500M3周口味精厂：200M3斗门味精厂：600M3台湾味丹：660M3三、发酵设备的类型1、按微生物生长：厌氧和好氧发酵设备2、按发酵罐能量输入方式：1）内部机械搅拌发酵罐通用式（机械搅拌）、伍式、自吸式发酵罐2）外部液体搅拌发酵罐3）空气喷射提升式发酵罐高位塔式发酵罐3、按容积分类500L以下的是实验室发酵罐500-50000L是中试发酵罐50000L以上是生产规模的发酵罐4、按操作方式分批发酵和连续发酵四、机械搅拌发酵罐（一）、基本要求：1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高2）能耐受一定的压力3）搅拌通风装置4）足够的冷却面积5）罐内要减少死角6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露标准发酵罐的几何尺寸H/D=1.7-4d/D=1/2-1/3W/D=1/8-1/12B/D=0.8-1.0(s/d)2=1.5-2.5(s/d)3=1-2※（二）、机械搅拌式发酵罐的结构：1、罐体：培养微生物的巨大容器，密闭式的，在发酵过程中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为2.5×105Pa圆柱形，两端椭圆形，受力均匀，减少死角，物料容易排除，高度与直径比1.7-4：1，有力于空气利用率已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管2、罐体表面各种装置：中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或蒸汽吹管罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、压力表接管罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管和测控仪器接口3、搅拌器※将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提高氧的传质效率使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮状态使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，希望以径向液流为主在搅拌轴上配置多个搅拌器轴向式搅拌器径向式搅拌器4)档板※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧速率从液面至罐底与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积※全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。全挡板条件下的搅拌流型竖立的列管/排管也可以起挡板作用5)消泡器※将泡沫打破锯齿式、梳状式及孔板式装于搅拌轴上，齿面略高于液面直径罐径的0.8-0.9安装在发酵罐内的消泡器最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，可直接安装在上搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适当高度。安装在发酵罐内转动轴的上部的消泡器有齿式、梳式、孔板式、旋浆梳式等消泡器的安装安装在发酵罐外的消泡器安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。旋风离心式消泡器改进的旋风离心式消泡器，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1、泡沫不多，无需加消泡剂。2、泡沫累积，触动传感器，起动消泡泵加入消泡剂。3、消泡结束后，不再触动传感器，不再加入消泡剂。碟片式消泡器碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，当泡沫溢上与碟片式消泡器接触时，泡沫受高速旋转离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐中而达到消泡目的。碟片数目为4-6个，碟片的斜角约为35度，两碟片之间的间距约为10mm，碟片上有梳状筋条高约8mm,这些碟片叠置起来组成碟片组。碟片组被通气压环压紧在空心轴上，空心轴通过传动机构转动，转速可达1400rpm,碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，转轴通过两个轴封与发酵罐及排气管连接。6、连轴器及轴承※使上下搅拌轴成牢固的刚性连接大型发酵罐的搅拌轴常分为2-3段，用连轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性连接，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，大型发酵罐还装有中间轴承7、空气分布装置※吹入无菌空气并使空气均匀分布单管及环形管式单管式空气分布装置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。这叫补强板。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。因而氧的传达室质系数也越大。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。8、换热装置※进行加热或冷却，维持发酵温度夹套式换热装置蛇管换热装置五、其他类型发酵罐1、液体深层厌气发酵设备酒精发酵罐的结构啤酒发酵设备日本的朝日罐（Asakitank,1965年），美国的通用罐（uni-tank,1968年），西班牙的球形罐（SpHerotank,1975年），迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500t。传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内的贮酒罐组成的。目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普遍．简称露天锥形发酵罐。珠江啤酒发酵罐群丹麦嘉士伯啤酒有限公司发酵罐群小型啤酒发酵设备小型啤酒实验设备中型啤酒实验设备发酵罐锥底角，考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，取排出角为73~75°(一定体积沉降酵母在锥底中占有最小比表面积时摩接力最小)，对于贮酒罐，因沉淀物很少，主要考虑材料利用率常取锥角为120~150。2、自吸式发酵罐非循环机械搅拌自吸式发酵罐的充气原理自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。转子由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形。六直叶轮四弯叶轮定子自吸式发酵罐的优点：节约空气净化系统设备(空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮聪、总过滤器等)，减少厂房占地面积。减少工厂发酵设备投资约30％左右，例如应用自吸式发酵罐生产酵母，容积酵母的产量可高达30~50克。设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵母后的废液量少。设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。缺点：罐内形成负压，增加染菌机会搅拌速度高，使菌丝容易被切断，影响丝状微生物的正常生长3、伍式发酵罐循环机械搅拌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，设备构造比较复杂，动能消耗较太。在上升管的下部装设空气喷嘴，以250-300m/s的高速喷入上升管借助喷嘴的作用将空气分散分为内环流式和外环流式两种4、气（带）升式发酵罐结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材；操作时无噪音；料液装料系数达80~90％，而不须加消泡剂；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。气升式发酵罐的特点典型气升式发酵罐气升环流式发酵罐因具有结构较简单，溶氧速率高，能耗低，便于放大设计和加工制造特大型的发酵罐，因而自20世纪70年代以来在单细胞蛋白生产、废水处理等领域应用十分广泛，几乎在上述领域占据了绝大部分市场。英国伯明翰ICI公司的压力循环发酵罐是国际上最出色的代表，公称体积达3000m3，液柱高达55m，故通气压力高，发酵液量2100m3。为了强化气液混合与溶氧，沿罐高度设有19块有下降区的筛板以防止气泡合并为大气泡，同时为使塔顶的气液部分分离排气，顶部设有气液分离部分，直径约等于塔径的1.5倍。具体的设计及主要尺寸示意图如图5、文氏管发酵罐6、塔式发酵罐非循环通气搅拌7、动植物细胞反应器§2搅拌器的形式和轴功率计算一、搅拌器（浆）的形式二、搅拌器轴功率的计算三、非牛顿型流体的搅拌轴功率一、搅拌器（浆）的形式1、搅拌器的形式轴向流搅拌器—螺旋桨式径向流搅拌器—圆盘平直叶涡轮搅拌器圆盘弯叶圆盘箭叶凹叶圆盘圆盘弯叶圆盘平直叶圆盘箭叶凹叶圆盘圆盘平直叶具有很大的循环输送量和功率输出，适用于各种流体。在混合要求特别高，溶氧速率相对要求略低时，可用圆盘弯叶。圆盘箭叶轴向流动较强烈，输出功率较低。凹叶圆盘能耗低，缩短混合时间。（二）、搅拌器的流型搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合效果及氧气的溶解、热量的传递具有密切关系。搅拌器造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受罐内的附件及其安装位置的影响。搅拌器输入搅拌液体的功率：是指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。机械搅拌发酵罐中的搅拌器轴功率与下列因素有关：搅拌器直径d(m）、搅拌转速n（r/min）、液体密度ρ（kg/m3）、液体粘度μ（Pa·s）、重力加速度g（m/s2）、搅拌罐直径D（m）、液柱高度HL（m）以及档板条件(数量、宽度和位置)等。二、搅拌器轴功率的计算1、单只涡轮不通气时的功率计算ND2ρμ=ReM（W）2、多只涡轮不通气时的功率计算3、通气情况下搅拌功率的计算三、§3发酵罐的比拟放大一、发酵罐的结构尺寸计算二、发酵罐的放大一、发酵罐的结构尺寸计算公称容积：罐身容积与一个底封头容积的和全容积：罐身容积和上下两个底封头容积的和有效容积：装料容积封头的容积的计算椭圆形封头的容积可查手册或按下式计算：罐的内径椭圆封头的直边高度准椭圆型封头椭圆短半轴长度，对标式中:::)(b4161b2426b242DhDhhDhDhDhDVaaa≌0.15D320411DHV罐身容积计算：≌0.15D3V0=¼πD2H0+0.15D3V=¼πD2H0+0.3D3罐的全容积)](2[261b024210DhHDVVV罐的公称容积发酵罐总高度)(2b0hhHHa液柱高度：高度的比例：装料高度与圆柱部分式中b0hhHHaL装料容积发酵罐的容积装料系数)(61b02421DhHDVVV0VVL’LL上节知识回顾发酵罐的结构发酵罐的放大放大倍数m指罐的体积增加倍数，即∵几何相似，∴则∴12VVm2211DHDHmDDDDDDHDHDVV31212122212122212)(444431212mDDHH二、发酵罐的放大1、几何尺寸的放大2、空气流量的放大单位培养液体积在单位时间内通入的空气量（标准态），即：0LQVVMV，m3/（m3·min）操作状态下空气的线速度gu()..()()40Lg2iLiL60Q273t9810274656VVM273tVuDpD