第十章-通风发酵的设备资料课件

第十章第十章 通风发酵设备通风发酵设备第一节第一节 通风发酵罐及结构通风发酵罐及结构l常用通风发酵罐的类型：常用通风发酵罐的类型：（1）机械搅拌发酵罐）机械搅拌发酵罐 （4）伍式发酵罐）伍式发酵罐 （2）气升式发酵罐）气升式发酵罐 （5）文氏管发酵罐）文氏管发酵罐 （3）自吸式发酵罐）自吸式发酵罐 一、机械搅拌通风发酵罐一、机械搅拌通风发酵罐l1.机械搅拌通风发酵罐的基本要求机械搅拌通风发酵罐的基本要求（1）发酵罐应具有适宜的径高比，一般为）发酵罐应具有适宜的径高比，一般为1.74倍倍左右；左右；（2）发酵罐能承受一定压力；）发酵罐能承受一定压力；（3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧；证发酵液必须的溶解氧；（4）发酵罐应具有足够的冷却面积；）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）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；菌能彻底，避免染菌；（6）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。发酵罐图4l 2.机械搅拌发酵罐的结构 主要部件包括：罐身、主要部件包括：罐身、轴封、消泡器、搅拌轴封、消泡器、搅拌 器、联轴器、中间轴承、器、联轴器、中间轴承、挡板、空气分布管、换挡板、空气分布管、换热装置和人孔及管路等热装置和人孔及管路等（1）罐体 搅拌通风发酵罐的结构示意图（2）罐体的尺寸比例（3）搅拌器l搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中。触，使氧溶解于发酵液中。l搅拌器有轴向式和径向式两种。搅拌器有轴向式和径向式两种。轴向式搅拌器：桨叶式、螺旋桨式轴向式搅拌器：桨叶式、螺旋桨式 径向式（涡轮式）搅拌器（径向式（涡轮式）搅拌器（Disc turbine）：）：平直叶、弯叶、箭叶平直叶、弯叶、箭叶（4）挡板l挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。l通常挡板宽度取通常挡板宽度取(0.10.2)D，装设，装设64块即可满足块即可满足全挡板条件。全挡板条件。l全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。而轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：（5）消泡器l消泡器的作用：将泡沫打破消泡器的作用：将泡沫打破l消泡器常用的形式：消泡器常用的形式：锯齿式、梳状式、孔板式锯齿式、梳状式、孔板式l孔板式的孔径：约孔板式的孔径：约1020毫米毫米l消泡器的长度：约为罐径的消泡器的长度：约为罐径的0.65倍倍（6）联轴器）联轴器l大型发酵罐搅拌轴较长，用联轴器使上下搅拌轴大型发酵罐搅拌轴较长，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。成牢固的刚性联接。l小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。l常用的联轴器：鼓形、夹壳形常用的联轴器：鼓形、夹壳形（7）轴承）轴承（8）变速装置）变速装置 试验罐采用无级变速装置。试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置。或螺旋圆锥齿轮减速装置。（9）轴封）轴封 轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封：填料函、端面轴封常用的轴封：填料函、端面轴封 l填料函式轴封填料函式轴封 由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧由填料箱体，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。螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。优点：结构简单优点：结构简单 缺点：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；缺点：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；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修，耗工时多。寿命短，经常维修，耗工时多。填料函式轴封的结构示意图填料函式轴封的结构示意图l端面式轴封端面式轴封 又称机械轴封，密封作用是靠弹性元件（弹又称机械轴封，密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静簧、波纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。到密封。端面式轴封的优点端面式轴封的优点l清洁清洁l密封可靠密封可靠l无死角，可以防止杂菌污染无死角，可以防止杂菌污染l使用寿命长使用寿命长l摩擦功率耗损小摩擦功率耗损小l轴或轴套不受磨损轴或轴套不受磨损 l它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那么严它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那么严格，对轴的震动敏感性小。格，对轴的震动敏感性小。端面式轴封的缺点端面式轴封的缺点l结构比填料密封复杂，装拆不便；结构比填料密封复杂，装拆不便；l对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。端面式轴封的结构示意图端面式轴封的结构示意图（9）发酵罐的换热装置）发酵罐的换热装置l夹套式换热装置夹套式换热装置 l优点优点 结构简单；结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。清洁灭菌工作，有利于发酵。l缺点缺点 传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。竖式蛇管换热装置竖式蛇管换热装置 l优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。l适用于冷却用水温度较低的地区适用于冷却用水温度较低的地区 l气温高的地区，应采用冷冻盐水或冷冻水冷却气温高的地区，应采用冷冻盐水或冷冻水冷却。竖式列管（排管）换热装置竖式列管（排管）换热装置 l优点优点 加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区。加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区。l缺点缺点 传热系数较蛇管低，用水量较大。传热系数较蛇管低，用水量较大。小型磁力搅拌罐小型磁力搅拌罐二、气升式发酵罐二、气升式发酵罐l1.气升式发酵罐的特点气升式发酵罐的特点（1）结构简单，冷却面积小；）结构简单，冷却面积小；（2）无搅拌传动设备，节省动力约）无搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材；，节省钢材；（3）操作时无噪音；）操作时无噪音；（4）料液装料系数达）料液装料系数达8090，而不须加消泡剂；，而不须加消泡剂；（5）维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。）维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。2.气升式发酵罐的结构及原理气升式发酵罐的结构及原理l分为：内循环、外循环l主要结构包括：罐体、上升管、空气喷嘴气升式发酵罐的结构示意图气升式发酵罐的结构示意图3.气升式发酵罐的性能指标气升式发酵罐的性能指标l气升式发酵罐是否符合工艺要求及经济指标，应气升式发酵罐是否符合工艺要求及经济指标，应从下面几方面进行考虑：从下面几方面进行考虑：（1）循环周期时间必须符合菌种发酵的需要）循环周期时间必须符合菌种发酵的需要 （2）选用适当直径的喷嘴）选用适当直径的喷嘴 三、自吸式发酵罐三、自吸式发酵罐l1.自吸式发酵罐的结构自吸式发酵罐的结构 自吸式发酵罐的主体结构包括：自吸式发酵罐的主体结构包括：（1）罐体）罐体（2）自吸搅拌器及导轮）自吸搅拌器及导轮（3）轴封）轴封（4）换热装置）换热装置（5）消泡器）消泡器自吸式发酵罐的示意图自吸式发酵罐的示意图2.自吸式发酵罐的充气原理自吸式发酵罐的充气原理l自吸式发酵罐的主要构件：自吸搅拌器及导轮，自吸式发酵罐的主要构件：自吸搅拌器及导轮，简称转子及定子。简称转子及定子。l转子由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时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。空气则由导气管吸入。l转子的形式：九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形转子的形式：九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等叶轮等l叶轮均为空心形叶轮均为空心形3.自吸式发酵罐的类型自吸式发酵罐的类型l（1）回转翼片式自吸式发酵罐）回转翼片式自吸式发酵罐 l（2）具有转子及定子的自吸式发酵罐）具有转子及定子的自吸式发酵罐l（3）喷射式自吸式发酵罐）喷射式自吸式发酵罐4.自吸式发酵罐的优点自吸式发酵罐的优点l（1）节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、）节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮聪、总过滤器等设备，减少油水分离器、空气贮聪、总过滤器等设备，减少厂房占地面积。厂房占地面积。l（2）减少工厂发酵设备投资约）减少工厂发酵设备投资约30左右。左右。l（3）设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，）设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。减少劳动力。l（4）酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分）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。离酵母后的废液量少。l（5）设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。）设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。四、伍式发酵罐四、伍式发酵罐l1.结构结构 伍式发酵罐的主要部件：套筒、搅拌器伍式发酵罐的主要部件：套筒、搅拌器2.通气原理通气原理l搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子筒内返回罐底，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的入经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环。部下降，形成循环。l缺点：结构复杂、清洗套筒较困难、消耗功率较缺点：结构复杂、清洗套筒较困难、消耗功率较高高五、文氏管发酵罐五、文氏管发酵罐l原理是用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管原理是用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。溶解氧。l优点：吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，优点：吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。省。l缺点：气体吸入量与液体循环量之比较低，对于缺点：气体吸入量与液体循环量之比较低，对于好氧量较大的微生物发酵不适宜。好氧量较大的微生物发酵不适宜。文氏管发酵罐的结构示意图文氏管发酵罐的结构示意图六、六、通风固相发酵设备一、自然通风固体曲发酵设备一、自然通风固体曲发酵设备二、机械通风固体曲发酵设备二、机械通风固体曲发酵设备 使使用用了了机机械械通通风风鼓鼓风风机机强强化化了了通通风风效效果果，提高了曲的质量。提高了曲的质量。BMR固体发酵罐固体发酵罐转轴及转筒式卧式罐体。带外夹套,安全通气、排气及取样口。装料系数40%-60%。可控参数：温度、搅拌、湿度、通气量、罐压。第二节第二节 通气与搅拌通气与搅拌l一、搅拌器的型式及流型一、搅拌器的型式及流型l1.型式型式 机械搅拌器大致可分为：轴向推进、径向推进机械搅拌器大致可分为：轴向推进、径向推进（1）螺旋桨式搅拌器螺旋桨式搅拌器（2）圆盘平直叶涡轮搅拌器）圆盘平直叶涡轮搅拌器（3）圆盘弯叶涡轮搅拌器）圆盘弯叶涡轮搅拌器（4）圆盘箭叶涡轮搅拌器）圆盘箭叶涡轮搅拌器 2.流型流型l（1）罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型）罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型（2）涡轮式搅拌器的流型）涡轮式搅拌器的流型（3）装有套筒时的搅拌器搅拌流型）装有套筒时的搅拌器搅拌流型第三节第三节 氧的传递氧的传递 l一、氧的传递过程一、氧的传递过程 二、影响氧传递速率的主要因素二、影响氧传递速率的主要因素l氧传递速率方程：OTR=KLa（C*-CL）凡是影响氧传递推动力（C*-CL）、气液比表面积a和氧传递常数的因素都会影响氧传递速率。1.溶液的性质对氧溶解度的影响溶液的性质对氧溶解度的影响（1）温度）温度式中 ：与空气平衡的水中氧浓度（mol/m3）t：温度（）纯氧在不同温度水中的溶解（纯氧在不同温度水中的溶解（1.01105Pa）温度（）溶解度（mol/m3）温度（）溶解度（mol/m3）01015202.181.701.541.38253035401.261.161.091.03（2）酸的种类及浓度）酸的种类及浓度 25和和1.01105Pa下纯氧在不同酸溶液中的溶解度下纯氧在不同酸溶液中的溶解度 溶液浓度（kmol/m3）溶解度（mol/m3）盐酸硫酸0.00.501.01.51.261.211.161.121.261.211.121.02（3）电解质溶液的浓度电解质溶液的浓度 ：氧在电解质溶液中的溶解度：氧在电解质溶液中的溶解度(mol/m3）：电解质溶液的浓度（：电解质溶液的浓度（kmol/m3）K ：Sechenov常数常数 A.几种电解质的混合溶液几种电解质的混合溶液氧的溶解度根据溶液的离子强度计算：氧的溶解度根据溶液的离子强度计算：hi：第：第I种离子的常数（种离子的常数（m3/kmol）Ii：第：第I种离子的离子强度（种离子的离子强度（kmol/m3）B.非电解质溶液非电解质溶液 ：氧在在非电解质溶液中的溶解度（：氧在在非电解质溶液中的溶解度（mol/m3）：非电解质或有机物浓度（：非电解质或有机物浓度（kg/m3）C.同时含有电解质和非电解质同时含有电解质和非电解质 ：氧在混合溶液中的溶解度（mol/m3）氧的溶解度与盐浓度的关系氧的溶解度与盐浓度的关系 提高氧在溶液中的溶解度的方法：提高氧在溶液中的溶解度的方法：l增加罐压增加罐压 l富氧通气富氧通气 2.气气液比表面积对氧溶解度的影响液比表面积对氧溶解度的影响l氧的传递速率与气液比表面积成正比氧的传递速率与气液比表面积成正比 l影响气液比表面积的因素影响气液比表面积的因素：气体体积气体体积 气泡的大小气泡的大小 搅拌搅拌 3.影响氧传递系数的因素影响氧传递系数的因素l（1）搅拌）搅拌l搅拌以下述方式促进氧的传递：搅拌以下述方式促进氧的传递：把大的空气泡分散成细小的气泡，防止小气泡的把大的空气泡分散成细小的气泡，防止小气泡的凝聚，增加了氧与液体的接触面积；凝聚，增加了氧与液体的接触面积；使发酵液作涡流运动，延长了气泡在发酵液中的使发酵液作涡流运动，延长了气泡在发酵液中的停留时间；停留时间；使菌体分散，同时减少菌体表面液膜的厚度，有使菌体分散，同时减少菌体表面液膜的厚度，有利于氧的传递；利于氧的传递；使发酵液产生湍流，降低气使发酵液产生湍流，降低气/液接触界面的液膜厚液接触界面的液膜厚度，减小氧传递过程的阻力，增大度，减小氧传递过程的阻力，增大KLa值。值。带有机械搅拌的通风发酵罐其搅拌器与氧传递带有机械搅拌的通风发酵罐其搅拌器与氧传递速率常数速率常数KLa的关系的关系 Pg：通气时搅拌器的轴功率：通气时搅拌器的轴功率(W)V：发酵罐中发酵液的体积：发酵罐中发酵液的体积(m3)Vs：空气的线速度：空气的线速度(m/s)k：常数：常数Pg/V指数发酵设备规模的关系指数发酵设备规模的关系 规规 模模Pg/V的指数的指数实验室规模实验室规模中试规模中试规模生产规模生产规模0.950.670.50（2）空气线速度）空气线速度 表观空气速度与氧传递系数表观空气速度与氧传递系数KLa的关系的关系（3）空气分布管）空气分布管l型式l喷口直径l管口与罐底距离的相对位置 （4）发酵液性质）发酵液性质l 粘度、表面张力、离子浓度、密度、扩散系数等粘度、表面张力、离子浓度、密度、扩散系数等l（5）表面活性剂）表面活性剂l消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的表面活性消泡用的油脂等具有亲水端和疏水端的表面活性物质物质 表面活性剂月桂基磺酸钠浓度对氧传递系数表面活性剂月桂基磺酸钠浓度对氧传递系数KLa、KL和和dB的影响的影响（6）离子强度）离子强度 电解质溶液的浓度对电解质溶液的浓度对KLa的影响的影响（7）菌体浓度）菌体浓度 菌体浓度对菌体浓度对KLa的影响的影响 四、溶氧传递系数的测定方法四、溶氧传递系数的测定方法l1.亚硫酸盐氧化法亚硫酸盐氧化法 测定在铜催化下亚硫酸钠转化为硫酸钠的反测定在铜催化下亚硫酸钠转化为硫酸钠的反应速率：应速率：OTRKLaC*OTR为氧传递速率、为氧传递速率、C*为溶液中氧的饱和浓度为溶液中氧的饱和浓度 测定过程：测定过程：l 在发酵罐中加入含0.5M的亚硫酸钠，10-3M的CuSO4溶液，并以固定的速率进行通气和搅拌，然后在一定的时间间隔内取样(间隔时间根据通气和搅拌速率而决定)，在样品中，加入过量的碘溶液与已被氧化的亚硫酸钠反应，再用标定的硫代硫酸钠反滴定，以测定残余的碘量。从中推算出未被空气氧化的亚硫酸钠。以滴定消耗的硫代硫酸钠体积与取样时间作图，则其斜率即为氧传递速率。2.取样极谱法取样极谱法l原理：当在发酵液中加入电解电压为0.61.0V时，扩散电流的大小与发酵液中溶解氧的浓度成正比，通过测定扩散电流的大小来测定氧的传递系数。极谱法工作曲线极谱法工作曲线 l曲线斜率的负数为微生物的摄氧率rl用外推的方法求出发酵液中氧的饱和浓度C*l按下式计算氧传递系数KLa：3.物料衡算法物料衡算法l当培养液中的溶氧供需不平衡时，溶氧浓度的变当培养液中的溶氧供需不平衡时，溶氧浓度的变化速率为：化速率为：l处于稳态时，处于稳态时，在大型发酵罐中，可用平均推动力在大型发酵罐中，可用平均推动力(C*-CL)m代替代替C*-CL：与进气氧分压平衡的液相氧浓度：与进气氧分压平衡的液相氧浓度 ：与排气氧分压平衡的液相氧浓度：与排气氧分压平衡的液相氧浓度4.动态法动态法溶解氧浓度与通气变化的关系溶解氧浓度与通气变化的关系 KLa的求值的求值 5.排气法排气法l非发酵状态下 l在不稳定情况下，发酵液中没有微生物细胞时，氧分子从气体主流扩散至液体主流的传递速率可表示为：当t=0时，CL=0，对上式积分得：排气法测定氧传递系数的曲线排气法测定氧传递系数的曲线 6.复膜电极测定复膜电极测定KLa和氧分析仪测定和氧分析仪测定KGal极谱型复膜电极：将阴极、阳极和电解质溶液装极谱型复膜电极：将阴极、阳极和电解质溶液装入壳体，用能透过氧分子的高分子薄膜封闭起来，入壳体，用能透过氧分子的高分子薄膜封闭起来，并使阴极紧贴薄膜而成。并使阴极紧贴薄膜而成。l以压力作为氧的推动力以压力作为氧的推动力 p：罐压（：罐压（Pa）、）、p*：溶液中氧的分压（：溶液中氧的分压（Pa）五、发酵液中溶解氧的测定和控制五、发酵液中溶解氧的测定和控制l1.溶解氧连续检测的意义溶解氧连续检测的意义l2.发酵液中溶解氧的测定方法发酵液中溶解氧的测定方法 （1）化学法）化学法 （2）电极法）电极法 （3）压力法）压力法（1）化学法）化学法 MnSO4+2NaOH Mn(OH)2+Na2SO4 2Mn(OH)2+O2 2MnO(OH)2 MnO(OH)2+Mn(OH)2 MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI 2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+NaS2O3 2NaI+Na2S4O6（2）电极法）电极法l原理：对浸在液体中的贵金属阴极和参考电极原理：对浸在液体中的贵金属阴极和参考电极(阳阳极极)加上电压，记录在不同的电压下通过的电流，加上电压，记录在不同的电压下通过的电流，得到的电流得到的电流-电压曲线在电压曲线在0.6-0.8V间出现平坦部分，间出现平坦部分，这时发生溶解氧被还原成这时发生溶解氧被还原成H2O2的反应：的反应：酸性时：酸性时：O2+2H+2e H2O2 中性或碱性时：中性或碱性时：O2+2H2O+2e H2O2+2OH-l当氧的扩散过程达到稳定状态时，扩散电流为：当氧的扩散过程达到稳定状态时，扩散电流为：i：扩散电流（：扩散电流（A）F：Faraday常数常数 A：阴极表面积（：阴极表面积（m2）CL：阴极表面溶氧浓度（：阴极表面溶氧浓度（mol/m3）L：液膜厚度（：液膜厚度（m）lCc实际上可视为零实际上可视为零 i=KDLCL（3）压力法）压力法 压力法测定气体溶解度装置压力法测定气体溶解度装置 3.控制发酵液中溶解氧的工艺手段控制发酵液中溶解氧的工艺手段l调节发酵液中溶解氧含量从两个方面去考虑：调节发酵液中溶解氧含量从两个方面去考虑：供氧：供氧：需氧：需氧：r=Qo2X 影响供氧效果的主要因素：影响供氧效果的主要因素：空气流量空气流量(通风量通风量)罐压罐压 搅拌转速搅拌转速 温度温度 气体组分中的氧分压气体组分中的氧分压 培养基的物理性质培养基的物理性质 影响需氧的因素：影响需氧的因素：菌体的生理特性菌体的生理特性 培养基的丰富程度培养基的丰富程度 温度温度 控制发酵液中溶解氧的工艺手段：控制发酵液中溶解氧的工艺手段：l（1）改变通气速率）改变通气速率(增大通风量增大通风量)改变改变KLal（2）改变搅拌速度）改变搅拌速度 用下式来表示用搅拌方式控制溶氧系统的特性：用下式来表示用搅拌方式控制溶氧系统的特性：OUR：摄氧率：摄氧率 K：调节对象放大倍数：调节对象放大倍数 n：搅拌器转速：搅拌器转速 A、：设备系数：设备系数 l（3）改变气体组成中的氧分压）改变气体组成中的氧分压 l（4）改变罐压）改变罐压l（5）改变发酵液的理化性质）改变发酵液的理化性质l（6）加入氧载体）加入氧载体 常用的氧载体有：常用的氧载体有：血红蛋白、血红蛋白、烃类碳氢化合烃类碳氢化合物物(煤油、石蜡、甲苯与水等煤油、石蜡、甲苯与水等)、含氟碳化物含氟碳化物 溶氧控制方法的比较溶氧控制方法的比较 方方 法法作用于作用于投投 资资运转成本运转成本效果效果对生产作用对生产作用备备 注注气体成分气体成分C*中到低中到低高高高高好好气相中高氧可能会爆气相中高氧可能会爆炸，炸，适用于小规模适用于小规模搅拌速度搅拌速度KLa高高低低高高好好在一定限度内，要避免过在一定限度内，要避免过分剪切分剪切档板档板KLa中中低低高高好好设备上须改装设备上须改装通气速率通气速率C*a低低低低低低可能引起泡沫可能引起泡沫罐压罐压C*中到高中到高低低中中好好罐强度要求高，对密封，罐强度要求高，对密封，探头有影响探头有影响基质浓度基质浓度需需氧氧中中低低高高不一定不一定响应较慢须及早行动响应较慢须及早行动温度温度需氧需氧低低低低变化变化不一定不一定不是常应用不是常应用表面活性剂表面活性剂KL低低低低变化变化不一定不一定需试验确定需试验确定第三节第三节 机械搅拌发酵罐的设计机械搅拌发酵罐的设计l机械搅拌发酵罐主要由三部分组成：机械搅拌发酵罐主要由三部分组成：（1）搅拌装置：由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成，）搅拌装置：由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成，由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一定的转速旋转，以实现搅拌的目的。定的转速旋转，以实现搅拌的目的。（2）轴封：为搅拌罐和搅拌轴之间的动密封，以封）轴封：为搅拌罐和搅拌轴之间的动密封，以封住罐内的流体不致泄漏。住罐内的流体不致泄漏。（3）罐体：罐体、加热装置及附件，它是盛放反应）罐体：罐体、加热装置及附件，它是盛放反应物料和提供传热量的部件。物料和提供传热量的部件。一、设计内容和步骤一、设计内容和步骤l设备本体的设计设备本体的设计 （1）罐体的设计）罐体的设计 （2）附件的设计选取）附件的设计选取 （3）搅拌装置的设计）搅拌装置的设计 （4）设备的强度及稳定性检验）设备的强度及稳定性检验二、发酵罐的结构计算二、发酵罐的结构计算l1.罐容积的计算罐容积的计算 根据生产规模和发酵水平计算每日所需发酵根据生产规模和发酵水平计算每日所需发酵液的量，再根据这一数据确定发酵罐的容积。液的量，再根据这一数据确定发酵罐的容积。例：一年产例：一年产5万柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平万柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为平均为14%，提取总收率，提取总收率90%，年生产日期为，年生产日期为300天，发酵周期为天，发酵周期为96小时。小时。每日的产量每日的产量=50000/300=166.7 吨吨 每日所需发酵液的量每日所需发酵液的量=166.7/（0.140.9）=1322.8米米3 假定发酵罐的装液系数为假定发酵罐的装液系数为85%则每日所需发酵罐容积则每日所需发酵罐容积=1322.8/0.85=1556米米3 取发酵罐的公称容积为取发酵罐的公称容积为250米米3 则每日需要则每日需要6个发酵罐个发酵罐 发酵周期为发酵周期为4天，考虑放罐洗罐等辅助时间，整个天，考虑放罐洗罐等辅助时间，整个周期为周期为5天。天。则所需发酵罐的总数则所需发酵罐的总数=56+1=31个个2.结构尺寸的计算结构尺寸的计算l（1）发酵罐圆柱体的直径）发酵罐圆柱体的直径l（2）封头的容积的计算）封头的容积的计算 椭圆形封头的容积椭圆形封头的容积 l（3）罐的全容积）罐的全容积l（4）发酵罐总高度）发酵罐总高度l（5）液柱高度）液柱高度l（6）装料容积）装料容积l（7）发酵罐的容积装料系数）发酵罐的容积装料系数三、附属结构的计算三、附属结构的计算l1.挡板数量和尺寸计算挡板数量和尺寸计算 l2.搅拌器的设计计算搅拌器的设计计算 根据生产菌种和发酵类型选定搅拌器的类型，根据生产菌种和发酵类型选定搅拌器的类型，从已计算出的发酵罐的直径计算搅拌器相应的结从已计算出的发酵罐的直径计算搅拌器相应的结构尺寸。构尺寸。四、冷却面积的计算四、冷却面积的计算l1.发酵过程的热量计算发酵过程的热量计算 发酵过程中放出热量的计算方法有：发酵过程中放出热量的计算方法有：（1）通过冷却水带走的热量进行计算）通过冷却水带走的热量进行计算 （2）通过发酵液的温度升高进行计算）通过发酵液的温度升高进行计算 （3）通过生物合成热进行计算）通过生物合成热进行计算 （4）通过燃烧热进行计算）通过燃烧热进行计算（1）通过冷却水带走的热量进行计算）通过冷却水带走的热量进行计算（2）通过发酵液的温度升高进行计算）通过发酵液的温度升高进行计算（3）通过生物合成进行计算）通过生物合成进行计算 搅拌器所产生的热量可用近似公式计算：搅拌器所产生的热量可用近似公式计算：汽化热汽化热Q3的计算：的计算：（4）通过燃烧热进行计算）通过燃烧热进行计算l根据赫斯定律：热效应决定于系统的初态和终态，而与变化的途径无关。反应的热效应，等于产物的生成热的总和减去作用物的生成热的总和。2.2.冷却面积的计算冷却面积的计算根据经验：根据经验：蛇管的蛇管的K K值为值为4.186(300450)4.186(300450)千焦千焦/米米33小时小时，如管壁较薄，对冷却水进行强制循环时，如管壁较薄，对冷却水进行强制循环时，根据查定，根据查定，及值约为及值约为4.186(8001000)4.186(8001000)千焦千焦/米米3 3 小时小时。冷却排管的传热系数可按下式计算：冷却排管的传热系数可按下式计算：第四节第四节 发酵生产辅助设备发酵生产辅助设备 发酵辅助设备主要包括：无菌空气系统，培养基配制和灭菌系统、发酵车间的管道及阀门等。一、管道与发酵罐连接的管道有水管、料管、空气管和蒸汽管。发酵罐内的冷却蛇管与发酵罐内直接相连的料管等，最好采用不锈钢管。管径选取的流速是：上水管12m/s；料管0.51.0m/s；空气管1015m/s；蒸汽1520m/s。用于什么目的；阀门的材料是否耐温、耐压等；连接方式；经济成本；操作方式。二、阀门阀门是发酵罐的重要组成，它被用于调节控制气体和液体的流量。阀门的选取应考虑：发酵罐上常用的阀门有：闸阀、球阀、活塞阀、针型阀、蝶形阀、球心阀、隔膜阀，单向阀(止逆阀)、安全阀、压力控制阀等。隔膜阀既严密可靠，阀杆又不与物料接触，因此在发酵罐上的用处很大。隔膜由氯丁橡胶与天然胶混合制成，可耐高温，价格也高。使用时，隔膜阀需要定期检查和更换。