Transcript 第二章 通风发酵设备
第二章
通风发酵设备
适用类型:
适用类型:
微生物,酶,动植物细胞
抗生素,酵母,氨基酸,有机酸,酶
常用类型: 机械搅拌式
气升环流式
鼓泡式
自吸式
设备要求: 良好的传质,传热性能
结构严密
防杂菌污染
培养基流动和混合良好
良好的检测和控制
设备简单,方便维护
第一节
第二节
第三节
第四节
第五节
机械搅拌通风发酵罐
气升式发酵罐
自吸式发酵罐
通风固相发酵设备
其他类型的通风发酵反应器简介
机械搅拌发酵罐的结构
2
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
• 大型发酵罐结构
1-轴封 ;
2、20-人孔;
3-梯;
4-联轴;
5-中间轴承;
6-温度计接口;
7-搅拌叶轮;
8-进风管;
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-取样口;
21-进料口;
22-补料口;
23-排气口;
24-回流口;
25-视镜;
图2.1 大型发酵罐结构图
动画演示
3
机械搅拌发酵罐的结构
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
• 小型发酵罐结构
图2.2 小型发酵罐结构图
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
图2.5 不锈钢搅拌发酵罐
图2.4 玻璃搅拌发酵罐
图2.3 自动玻璃发酵罐
GBQS系列气升式玻璃发酵罐
磁力搅拌不锈钢
•
搅拌器和挡板
• 搅拌器:
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等;其作用是
打碎气泡,使氧溶解于发酵液中,从搅拌程度来说,以平叶涡
轮最为激烈,功率消耗也最大,弯叶次之,箭叶最小。为了拆
装方便,大型搅拌器可做成两半型,用螺栓联成整体。
图2.6 发酵罐搅拌叶轮结构图
1-六直叶涡轮式;2-推进式3Lightnin A-315式
图2.7 不同搅拌器的流型
• 挡板:
改变液流的方向,由径向流改为轴向流,促使液
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
体激烈翻动,增加溶解氧。通常挡板宽度取(0.1~
0.12)D,装设4~6块即可满足全挡板条件。
• 所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内
附件而轴功率仍保持不变。
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
• 轴封
• 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。
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
• 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。
• 填料函轴封:由填料箱体,填料底衬套,填料压盖和
压紧螺栓待零件构成,使旋转轴达到密封的效果。
•
端面式轴封又称机械轴封:密封作用是靠弹性元件(弹
簧、波纹等)的压力使垂直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。
齿轮箱
转轴
填料压盖
传动齿轮箱
压紧螺栓
转轴
填料箱体
O形环
动环
堆焊硬质
罐体
静环
铜环
密封环
填料
搅拌轴
图2.10 填料函
图2.11 端面封轴
图2.12 双 端面封轴
空气分布器
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
有环形管式和单管式
消泡装置
两种消泡方式:加入化学消泡剂
一般是耙式消泡器
涡轮消泡器
旋风离心
叶轮离心式消泡器
碟式消泡器
刮板式消泡器
机械消泡装置
耙式消泡器
旋风离心式
叶轮离心式
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
碟片式消泡器
刮板式消泡器
• 联轴器及轴承
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
• 大型发酵罐搅拌轴较长,常分为二至三段,用
联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。
• 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。
联轴器
• 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。
法兰
• 轴承
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
• 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承;
• 大型发酵罐装有中间轴承。
• 罐内轴承不能加润滑油,应采用液体
润滑的塑料轴瓦(如石棉酚醛塑料,聚
四氟乙烯等)。
中间轴承
底轴承
• 冷却装置
夹套冷却
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
适
用
范
围
5m3以下小发酵罐
竖式蛇管冷却
竖式列管冷却
大型发酵罐
大型发酵罐
气温较高的地区
结构简单,加工容
加工方便,提高
优
流速大,传热系数
易,罐内死角少,
传热推动力的温
点
大,降温效果较好。
容易清洗灭菌
差。
传热壁较厚,冷却
冷却水较高时,降
缺 水流速低,降温效
温困难,弯曲位置
点 果差。
易腐蚀。
用水量较大。
在罐外安装板式或螺旋板式热交换器,采用无菌空气使发酵液
进行循环冷却。
机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
• 机械搅拌发酵罐的溶氧系数
KLa与操作变数的关系为:
Pg
K L a K
V
vs
或
Pg
K L a K '
V
'
VG
VL
'
提高KLa的途径
1)增加搅拌器转速N,以提高Pg,可以有效地提高Kla;
2)加大通气量VG,以提高vs;
3)提高罐内操作压力或通入纯氧,提高C*。
• 机械搅拌的剪切力影响
1)单细胞微生物如球状或杆状的细菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力强;
2)丝状菌的耐受力弱;
3)动物细胞对搅拌剪切力非常敏感。
机械搅拌发酵罐的热量传递
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
• 发酵过程的热量计算
生物合成热量计算法
Qt Q1 Q2 Q3 Q4
冷却水带出热量计算法
WC T2 T1
Qt
VL
发酵液温升测量计算法
Qt
2m1c1 m2c2 △T
VL
搅拌器轴功率的计算(单只搅拌桨)
• 不通气条件下的轴功率P0计算
鲁士顿(Rushton J. H.)公式:
P0 N P L D
3
5
i
P0-无通气搅拌输入的功率(W);
NP-功率准数,是搅拌雷诺数ReM的函数;
ω-涡轮转速(r/s);
圆盘六平直叶涡轮 NP≈6
ρL-液体密度(kg/m3);
μ -液体粘度(N.s/m2);
圆盘六弯叶涡轮
NP≈4.7
D -涡轮直径(m);
圆盘六箭叶涡轮
NP≈3.7
搅拌器轴功率的计算(单只搅拌桨)
• 通气搅拌功率Pg的计算
修正的迈凯尔公式:
3
Pg 2.2510(
P02Di3
Q0.08
)0.39
P0-无通气搅拌输入的功率(kW)
ω-涡轮转速(r/min)
Di -涡轮直径(cm)
Q-通气量(mL/min)
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
搅拌叶尖线速度与剪切力:
搅拌剪切力对微生物细胞的损害程度取决于
搅拌力的性质,强度,作用时间及生物细
胞的特性
对耐剪切力较强的生物细胞,搅拌叶尖线速
度不应大于7.5m/s
搅拌剪切与细胞损伤定性关系:单细胞微生
物>丝状菌(动物细胞)
机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
↑
B
↑
↑
D
↑
• 尺寸
H D 1.7~3.5
B D 1 8~1 12
S Di 2~5
Di D 1 2 ~1 3
C Di 0.8~1.0
H0 D 2
• 体积
• 椭圆形封头体积:
Di
π 2
π 2
π 2
1
V1 D hb D ha D hb D
4
6
4
6
• 发酵罐的总体积:
↑
V0
↑
图2.13 机械搅拌通风发酵罐
的几何尺寸
π 2
1
D H 2 hb D
4
6
近似为:
V0
π 2
D H 0.15 D 2
4
搅拌功率的计算
例题:某酶制剂厂 10m3机械搅拌发酵罐,发酵罐直径D=1.8m,
一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D =0.6m ,罐内装有四块标准
挡板,装液量VL为6m3,搅拌转速 ω=168rpm,通气量Q=1.42
m3 /min,醪液粘度μ=1.96×10-3 N·s/ m2,醪液密度 ρ=1020 kg/
m3 ,三角皮带的效率是 0.92,滚动轴承的效率是 0.99,滑动
轴承的效率是0.98,端面轴封增加的功率为 1%,求轴功率Pg
和kLα,并选择合适的电机。(已知在充分湍流状态时,圆盘
弯叶涡轮搅拌器的功率准数 NP = 4.7 )
解:1.先求出Re:
Di L (168/ 60) 0.62 1020
4
Re
5
.
25
10
1.96 10 3
2.因Re≥104,所以发酵系统在充分湍流状态,即有功率系数
NP = 4.7 ,故叶轮的不通气时搅拌功率P0为:
3
168
5
P0 N P L D =4.7
(kW)
1020 0.6 =8.07
60
3
5
i
3.求通气时搅拌功率Pg:
3
Pg 2.25 10 (
P02Di3
Q
0.08
)
0.39
2
3
8
.
07
168
60
0.39
2.25 10 3 (
)
14200000.08
6.55(k W)
4.所需电动机功率为:
6.55
(1 1%) 7.(
4 kW )
0.92 0.99 0.98
4. 求kLα :
①先求空截面气速vS:
Q
4
D2 vS
4Q 4 1420000
vS
55.8(cm / min)
2
2
D
180
②求kLα :
k L (2.36 3.3n)Pg / VL 0.56 v S0.7 0.7 109
(2.36 3.3) 6.55/6
0.56
55.80.7 1680.7 109
1.911 106 mol O 2 /(mL min atm)(pO2 )
之
机
械
搅
拌
发
酵
罐
BIOHOCH® 反应器
之
气
升
式
发
酵
罐
径向流喷射器是核心元
件。空气和水相对喷入,
含极大能量的水使空气
分散成又细又均匀的气
泡。循环管保证流向及
液体充分曝气。
BIOHOCH® 反应器处理工业废水技术
BIOHOCH® 反应器的特点:
之
气
升
式
发
酵
罐
紧凑,无噪音,无异味 — 因为反应器很高,故占地
面积小,不会受噪音和气味侵扰
经济 — 氧利用率高保证能量节省80%
可靠性 — 反应器易于进入,优质的防腐处理比混凝
土更不易泄漏。一旦泄漏发生,也可立即监控。一
套完整的系统保证废水不会无控制流出 。
气升式发酵罐类型:
气升环流式
鼓泡式
空气喷射式
原理:
把无菌空气通
过喷嘴或喷孔喷射进发酵
液中,通过汽液混合物的
湍流作用而使空气泡分割
细碎,同时由于形成的企
业混合物密度降低故向上
运动,而气含率小的发酵
液下沉,形成循环流动,
实现混合与溶氧传质
特点:
没有搅拌器,且有定向
循环流动
↑
G
↑
G
泵
L
•
空气喷射装置
之
气
升
式
发
酵
罐
漩涡式空气喷射器
之
气
升
式
发
酵
罐
↑
↑
G
气
液
双
喷
射
气
升
环
流
反
应
器
G
↑
G
↑
G
泵
L
↑
气升环流式反应器
F
多层空气分布板的
气升环流式反应器
G
↑
之
气
升
式
发
酵
罐
A
注射入口
↑↑
A
B
ICI压力循环气升发酵罐
冷却水
G
↑
培养基 ↑
ICI's air lift system for making single-cell protein in 1979
12
之
气
升
式
发
酵
罐
1
9
10
3
↑
8
2
4
5
11
7
6
具有外循环冷却的
气升环流式发酵罐
气升式玻璃发酵罐
之
气
升
式
发
酵
罐
对偶脉冲气体环流发酵罐
2)气升环流反应器的操作
特性:
之
自
吸
式
发
酵
罐
A。平均循环时间tm:
由于导流管的存在,使培养
液被分为导流管和环隙两部分。
导流管中的混合与溶氧均强于环
隙,且混合剪切较强。这使环隙
容易气含率低,不能满足生物的
生长。
平均循环时间定义:
tm
VL
VL
VC
2
DE
vm
4
式中:vl---发酵罐内培养液量,m3
3
vc----发酵
液循环流量,m /s
dc---导流管(上升管)直径,m vm----导流管中液
体平均流速m/s
机械搅拌自吸式发酵罐
之
自
吸
式
发
酵
罐
自
吸
式
发
酵
罐
的
结
构
机械搅拌自吸式发酵罐
之
自
吸
式
发
酵
罐
工作原理:
喷射自吸式发酵罐
之
自
吸
式
发
酵
罐
喷射自吸式发酵罐:
利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行
混合和溶氧传质。
• 文氏管自吸式发酵罐
• 液体喷射自吸式发酵罐
• 溢流喷射自吸式发酵罐
喷射自吸式发酵罐
之
自
吸
式
发
酵
罐
1
7
2
3
6
5
4
文氏管自吸式发酵罐
喷射自吸式发酵罐
1
之
自
吸
式
发
酵
罐
7
2
3
6
5
4
↓
→
→
↑
文氏吸气管
液体喷射吸气装置
喷射自吸式发酵罐
之
自
吸
式
发
酵
罐
↓
9
8
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
出水
排气
↑
↓
1
冷却水
↑
↓
↓
7
↓
6
2
3
排水
冷却水
↓4
5
Vobu-JZ单层溢流
喷射自吸式发酵罐
Vobu-JZ双层溢流
喷射自吸式发酵罐
应用于酱油与酿酒生产,饲料蛋白
常分为:
自然通风固体曲设备
机械通风固体曲发酵设备
一。自然通风固体曲发酵设备
要求空气与固体培养基密切接触,以供霉菌繁殖和带走所产
生的生物合成热
二。机械通风固体曲发酵设备
用鼓风机强化发酵系统通风,使曲层厚度增加,温度易控
通风固相发酵罐
之
通
风
固
相
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
卧式转盘发酵反应器
其他类型通风发酵罐
之
其
他
类
型
发
酵
罐
光照不锈钢发酵罐
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