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 Thank you for your join