发酵罐基本知识.ppt

1,生物工程设备,设备的原理、结构、功能 设备的计算、选型 设备的搭配实例,液体发酵设备 培养基制备与灭菌设备 固液分离设备 无菌空气制备设备 萃取设备 层析与离子交换设备 蒸发、结晶设备 精馏设备 干燥设备,2,参考书,生物工程设备，陈国豪，化学工业出版社，2007 生物工程设备，段开红，科学出版社，2007 生物工程设备，梁世中，中国轻工业出版社，2002 生物工程设备，郑裕国，化学工业出版社，2007 抗生素生产设备，俞俊棠，化学工业出版社，1984 生物工程设备，高平，化学工业出版社，2006,3,每次课后，课件均会发往： 密码：gjxy05 （即国际学院05） 大家可去下载,4,第一章液体发酵设备,5,提纲,第一节机械搅拌通风发酵罐 发酵罐的结构与功能 计算：数量、尺寸、换热面积、搅拌功率 发酵罐中的氧传递 发酵罐的放大设计 第二节其它类型的通风发酵罐 第三节厌氧发酵设备,6,室验室用发酵罐 1 L-50L 中试用发酵罐 50L-5000L,发酵罐的 大小的大致概念,7,生产用发酵罐的大小,抗生素发酵罐的容积以80200 米3 为主 氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150300 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,8,表 小型发酵罐技术参数,9,表 大中型发酵罐技术参数,10,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 ）,也有些要求相对简单的液体培养设备,11,多种设计结构均可完成上述功能,按供氧方式 分： 机械搅拌通风式 气升式 自吸式,还可按搅拌方式 分： 上搅拌 下搅拌,12,轴封 消泡器 联轴器 搅拌器 中间轴承 挡板 空气分布管 换热装置 人孔以及管路等 小罐与大罐有不同的设计,一、结构,第一节机械搅拌通风发酵罐,13,哪个是小罐？,14,物料罐,台面 空间 布置,15,16,发酵罐的几种工作状态,空消 装料 实消 接种 发酵 放罐 清洗,空气 蒸汽 冷却水 物料、补料管 接种管 取样、放料管,压力 温度 pH 溶氧 搅拌速度,17,与不同工作状态相应的，是各种管道和阀门的开、关不仅注意罐的结构，更要注意管道与罐的连接,18,1 罐体,罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。 由 圆柱体 + 椭圆形或碟形封头 焊接而成 对于大型发酵罐可用衬不锈钢板，衬里用的不锈钢板厚为23毫米,其它材料的液体发酵设备？,表压？,19,20,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,21,发酵罐：是 薄壁压力容器,操作不当，会造成失稳，原因较多，下面举例说明,22,内筒不锈钢，外夹套普通碳素钢,23,某厂曾因蒸汽实罐灭菌后，罐体长时间处于密封状态, 蒸汽冷凝后罐内成真空, 最后导致罐体成外压失稳。,一,24,二,湖南衡阳市,25,26,27,28,罐体的尺寸比例：以罐体直径D、搅拌器直径d为基准,通用发酵罐通常取值系数范围 搅拌器直径d =1/3D1/21/3 罐筒身高H0 =2 D 1.73 挡板宽度B =0.1D1/81/12 搅拌器间距S=2d1.52.5 下搅拌器距底间距C= d0.81.0 HL装料的液面高度 ha 封头凸出部分的高度，标准椭圆封头有： ha 0.25D Hb封头直边高度，据壁厚一般取25、 40、 50mm,29,30,椭圆封头的容积计算公式：,化工设备设计手册 在忽略hb后，有：,因标准椭圆封头，ha=1/4 D,31,公称容积：V0,V0定义为：罐圆筒部分容积底封头容积 能装液的体积 罐中实际装料体积：V 则有：v/v0=0.7-0.8，即装料系数 标准椭圆封头时， 取，再取D/H=2时，有,32,H/D的大小会影响。,随着罐体高度和液层增高，氧气的利用率增加, 但增长不是线性关系,随着罐体增高, 增长速率随之减慢。,液柱增高，进罐要求的空气压力必须提高，空压机的能耗增加 在罐底气泡受压后体积缩小，气液界面的面积减小 过高的液柱高度,虽增加了O2的分压，但同样增加CO2分压，增加了二氧化碳浓度，可能抑制某些发酵菌种 而且罐体的高度,同厂房高度密切相关。,过高会如何？,33,例1.1 发酵罐数量与尺寸的计算,现设计一年产量为400吨的链霉素车间，成品效价要求为740单位/毫克，平均发酵水平为22000单位/毫升，包括辅助时间在内的发酵周期为8天，若发酵液收率为95%，提炼总收率为65%，发酵罐总台数为16台，装料系数为75%，年工作日以300天计，求 1.每个工作日所需处理的成熟发酵液的量？ 2.发酵罐的公称容积及主要尺寸。,34,解： 每年产的链霉素总单位数为u 每年所需的发酵液体积为m3 则每个生产日所需的发酵液体积为 共16个罐，8天一个发酵周期，则每天发酵完成16/8=2罐 则，每罐的公称体积为 取为50立方米，若取高径比为2，则有 取3.1m，则H=2D=6.2m。其它参数计算代入公式。,35,2.搅拌器,搅拌器的作用是： 产生强大的总体流动：宏观均匀翻动 产生强烈的湍动：微观均匀剪切 搅拌产生三种基本流型： 切向流、 轴向流、 径向流。 三种基本流型，同时存在。 其中，轴向流与径向流对混合起主要作用 而切向流应加以抑制，可通过加入挡板来削弱。,36,流型,径向流（流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流动。） 轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流） 切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）,37,径向式搅拌器,涡轮式搅拌器分为：平叶式、弯叶式、箭叶式三种 涡轮搅拌器要安一个圆盘 为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升,38,相同半径、转速时，功率消耗： 平叶弯叶箭叶 相同搅拌功率下，三者的粉碎气泡的能力： 平叶弯叶箭叶 相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力： 平叶弯叶箭叶,微观湍动,宏观翻动,39,轴向式搅拌器 桨叶式 旋桨式 Lightnin式,40,工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的搅拌器 上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器， 下层：以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。,以三层搅拌器为例，最下层仍采用径向型的涡轮搅拌器，其余两层改用轴向流型搅拌器时，与三层均采用径向流搅拌器相比，功率消耗可降低1530。 国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流向型搅拌器，作土霉素发酵试验表明，不但消耗功率下降，发酵指数也提高了近15。,41,3. 挡板,挡板的作用：改变液流的方向，将切向流改为轴向流,防止产生漩涡 数目通常为46块，其宽度为0.10.12 D 全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时,搅拌功率不再增加。（消除液面漩涡的最低条件）。,式中 D罐的直径（mm） Z挡板数 W挡板宽度（mm） 用来校验档板数是否够,42,一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。但冷却管为盘管时，则应设挡板。 挡板的长度自液面起到罐底为止。 挡板与罐壁之间的距离为（1/51/8）D，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。,43,4.轴封,轴封的作用：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。 形式：填料函轴封、机械轴封两种。 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。,发酵罐内是正压还是负压？,44,填料函式轴封的优点是结构简单。 用于发酵罐，它的缺点是： 死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌； 轴的磨损情况较严重； 填料压紧后摩擦功率消耗大； 寿命短，经常维修，耗工时多。 故在发酵罐上，多数不用 但在后续章节，其它设备中，它会出现,45,机械轴封,又称端面轴封，由弹性元件、动环和静环组成。 动环固定在轴上，随轴一起转动。静环装在壳体上。动环依靠弹簧的压力与静环紧密接触，阻止流体泄漏。 由两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。,46,机械轴封的密封原理：见flashmechanical_seal.swf,依靠三个密封点达到完全密封： 1动环与静环： 在相对运动的动环和静环之间的的接触面 （端面） 两端面必须高度光洁平直，这是相对旋转密封。 端面间有层极薄的液体，起密封作用,47,机械轴封的密封原理,2静环与压盖之间的密封： 用有弹性的辅助密封圈来防止液体从静环与压盖之间泄漏。 这是一静密封。 3动环与轴之间的密封： 也是用辅助密封圈来防止液体从动环与轴之间泄漏。 这也是一个相对静止的密封。,48,动环的硬度应比静环大。 动环的材料可用铸铁、硬质合金、高合金钢等 静环最常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯。,49,请看FLASH动画 1234.swf,这是一个虚拟发酵罐内机械轴封组装试验的Flash动画。你能把它组装起来吗？,50,机械轴封与填料函轴封相比:,轴不受磨损。 为什么？ 摩擦功率耗损少，约为填料函密封的1050 密封可靠，长期使用很少泄漏。 无死角，可以防止杂菌污染。 对轴的精度和光洁度没有填料函要求严格。 其缺点是：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。,51,5.联轴器及轴承,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。 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。,52,53,54,作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动 罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤可以在与轴承接触处的轴上增加一 个轴套。,轴承结构,55,其它安装形式的搅拌器,也有通风搅拌发酵罐的搅拌为下伸式 不以供氧为目的时，也有侧向搅拌,56,6.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。 电机分四级，转速分别约为： 800、1000、1400、1600 rpm； 而搅拌转速则一般为90-110 rpm。 发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。,57,一般搅拌器如三角皮带轮搅拌器，转速固定； 但是，发酵时，是否需要搅拌转速有变化呢？,在发酵中期，微生物旺盛生长，对氧的需要量较高，而在初期和后期微生物的需氧量较低 在大型发酵罐如果培养基采用实罐灭菌时,为了使灭菌时培养基的传热较为理想,因而需要开动搅拌,但此时往往不通入空气，因而使搅拌功率上升，如果操作不当,就有可能损坏电机。,58,目前发酵罐设计时,推荐使用多极电机,可以在实消时低速搅拌,在正常发酵时搅拌全速运行,目前这种双速马达已使用于发酵过程中满足不同需氧量的搅拌操作。,59,7.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。,60,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0.020.5ml/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。,61,8.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,62,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。,63,64,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。,65,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，,66,例：,67,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。,68,刮板式消泡器,工作原理：刮板旋转时转速为10001400转/分，使泡沫产生离心力被甩向壳体四周。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气体出口排出。,69,碟片式消泡器,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。 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，气相通过通气孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐中。,70,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,71,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。,9.传热系统（发酵罐需加热还是冷却？）,72,换热夹套：在小型罐中往往应用夹套换热装置，优点是结构简单，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。,73,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。 可兼起档板的作用。 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。,74,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,75,10 测量仪表,发酵罐检测参数有:搅拌速度、罐内压力、温度、空气流量、泡沫度,此外还有pH 值、溶氧值、氧化还原电位等 这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生污染 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,76,pH电极,溶氧电极,77,11.发酵罐的管路、接口,罐体上的通道口一般有： 进料口放料口接种口取样口 消泡剂口补料口进气口排气口,发酵罐的工作周期 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,有没有蒸汽进口？,78,实罐灭菌： “三路进汽”、 “非进即出” “三路进汽”就是在对培养基灭菌时，让蒸汽从空气进口、排料口、取样口进入罐内，由于这三个管都是插入到发酵醪中，若不进蒸汽就会形成灭菌死角。 所有进入发酵罐的管道在灭菌过程中如果不进入蒸汽就一定要进行排气，使所有管道都被蒸汽（或二次蒸汽）通过。,79,蒸汽管路的分支： A ：灭罐：三路进气 通气管、取样管、放料管 B：灭分空气过滤器 C：灭旋风分离消泡器 D：灭与罐相连的管道 E：灭菌过程的预热：通入夹套,80,无菌空气管道分支： A：发酵罐的通氧 注意：止回阀（安装位置） B：对已经灭菌的管道进行压力保持,81,其它细节 A：空气流量计 B：压力表 C：取样口 每次取样均需灭菌,82,11.发酵罐的管路配置、渗漏与死角的排除,尽量减少管路 止回阀 消灭死角小辫子（在主阀门底部焊上，专门做排气用） 阀门反装 消灭渗漏 灭菌时各蒸汽进口压力均一 冷凝水及时排出、蒸汽管道保温 灭菌后的管道应汽封或无菌空气保压,83,阀门,发酵工业中由于使用高温蒸汽对发酵设备进行灭菌, 因此阀门要求是蒸汽级密封。 截止阀 发酵用阀门开启频繁, 并经常受介质腐蚀、冲刷和气蚀的损害。因此对发酵工业, 阀门阀体材料用不锈钢, 软密封关闭件用可更换的聚四氟乙烯垫片,84,85,止回阀注意：止回阀没有调节流量的需要，只是确保流向,86,止回阀,隔膜阀,截止阀,87,阀门安装,与发酵罐接触的截止阀，应保证阀座与罐相连。以防阀杆处泻露造成污染,安装于一般容器的进料阀方向,安装于发酵罐时的方向,88,对截止阀的加工：抗生素阀,发酵对接触发酵液的管道、阀门要求无菌, 因此要求对这类管道、阀门灭菌时要保持蒸汽流通,89,90,发酵罐的基本条件,（1） 发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率越高。 （2） 发酵罐能承受一定的压力。 （3）要保证发酵液必须的溶解氧。 （4）发酵罐应具有足够的冷却面积。 （5） 发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌。 （6） 搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。,