发酵罐放大与设计--课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第九章 发酵罐放大与设计,2,发酵罐,3,发酵罐放大与设计,发酵罐设计与放大,二,发酵罐类型与结构,一,发酵罐的类型,发酵罐的结构,四,三,发酵罐的设计,发酵罐的放大,2024/9/8,4,了解发酵罐的类型,掌握通用式发酵罐的基本结构,了解发酵罐设计的基本原则和要求,了解发酵罐放大设计的方法,2024/9/8,5,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，是连接原料和产物的桥梁。,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,。,2024/9/8,6,一、发酵罐的类型,好氧发酵罐,(,通风发酵罐,),抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等,需要强烈的通风搅拌,提高氧传质系数,K,L,a,厌氧发酵罐,(,嫌气发酵罐,),丙酮丁醇、,酒精、啤酒,、乳酸等,不需要通气,1,、按微生物代谢类型分类,2024/9/8,7,一、发酵罐的类型,2,、按供氧方式分类,机械搅拌,非机械搅拌,（通用式发酵罐）,机械搅拌,自吸式,发酵罐,气升式,发酵罐,塔式发酵罐,喷射,自吸式,发酵罐,伍式发酵罐,通风 发酵罐,机械搅拌通风发酵罐,2024/9/8,8,一、发酵罐的类型,3,、新型发酵罐,膜生物反应器,近年来生物工程领域的研究热点,反应 和 分离的耦合,使产物及时移去，降低产物的反馈抑制作用,2024/9/8,9,9,室验室用发酵罐,1 L-50L,中试用发酵罐,50L-5000L,发酵罐大小的大致概念,2024/9/8,10,抗生素发酵罐的容积以,80,200,米,3,为主,氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用,150,300,米,3,珠海益力味精集团,有限公司,630,米,3,机械搅拌发酵罐，是世界上最大的通用式发酵罐之一。,越来越多的啤酒生产厂家采用,400m,3,和,600m,3,大罐,甚至,800m,3,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,生产用发酵罐：, 5000 L,11,发酵罐放大与设计,发酵罐设计与放大,二,发酵罐类型与结构,一,发酵罐的类型,发酵罐的结构,四,三,发酵罐的设计,发酵罐的放大,2024/9/8,12,二、发酵罐的结构,1.,通用式发酵罐,利用机械搅拌器的作用，使无菌空气和发酵液充分混合，促进氧溶解，以保证微生物的生长繁殖所需要的氧气。,约占发酵罐总数的7080%,，所以也称,标准式,或,通用式,发酵罐。,机械搅拌通风发酵罐,2024/9/8,13,通用式发酵罐的结构,罐体,轴封,消泡器,搅拌器,联轴器,轴承,挡板,空气分布管,换热装置,人孔、管路、测量仪表等,2024/9/8,14,通用式发酵罐的主要部件,(1),罐体,(2),搅拌器,(3),挡板,(4),轴封,(5),消泡器,(6),空气分布管,(,7),联轴器,(8),轴承,(9),变速装置,(10),换热装置,(11),人孔,(12),管路,(13),测量仪表,二、发酵罐的结构,1.,通用式发酵罐,2024/9/8,15,(1),罐体,罐体由,圆柱体,及,椭圆形或碟形封头,焊接而成。,小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接,材料一般为不锈钢。,2024/9/8,16,椭圆封头,筒体,冷却蛇管,2024/9/8,17,2024/9/8,18,（,1,）罐体,为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的,手孔,。中大型发酵罐则装设有维修或清洗的,人孔,。,罐顶还装有,视镜,。,在罐顶上的接管有：,进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管,。,2024/9/8,19,结构,2024/9/8,20,发酵罐结构图,2024/9/8,21,（,1,）罐体,在罐身上的接管有,冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口,。,2024/9/8,22,(1),罐体的尺寸比例,H,：筒身高度,H,L,：液位高度,D,：罐径,d:,搅拌器直径,s:,两搅拌器间距,B,：下搅拌器距底部间距,2024/9/8,23,(1),罐体的尺寸比例,H/D=1.7,3,H,L,/D=2,2.5,d/D=1/3,1/2,W/D=1/12,1/8,B/D=0.8,1.0,(s/d),2,=1.5,2.5,(s/d),3,=1,2,以罐体直径,D,、搅拌器直径,d,为基准,2024/9/8,24,(2),搅拌器,搅拌器的作用,使通入的空气分散成小气泡，增加气液接触，促进氧溶解于发酵液中。,2024/9/8,25,(2),搅拌器,搅拌器的类型,径向式（涡轮式）,轴向式,平叶式、弯叶式和箭叶式,螺旋桨式、浆叶式,类型,轴向,径向,2024/9/8,26,轴向式搅拌器,螺旋桨式,桨叶式,2024/9/8,27,六平叶,搅拌器,六,箭叶搅拌器,六,弯叶搅拌器,径向式,(,涡轮式,),搅拌器,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,2024/9/8,28,2024/9/8,29,在相同的搅拌功率,PG,下,，,粉碎气泡,能力：平,弯,箭,翻动流体,能力：箭,弯,平,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。,2024/9/8,30,(3),挡板,挡板,空气分布器,挡板,2024/9/8,31,挡板的作用：,改变液流的方向，由径向流轴向流，促使液体激烈翻动，,增加溶解氧,。,防止,搅拌过程中,漩涡,的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。,无挡板的搅拌器形成的流型,有挡板的搅拌器形成的流型,2024/9/8,32,挡板的宽度：,W/D=1/12,1/8(,取,0.1),全档板条件：,指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。一般要满足下式：,（,W/D,）,Z,=0.4 Z,档板数,一般装四块挡板,2024/9/8,33,发酵罐内的列管、排管或蛇管也可起相应的挡板作用。,2024/9/8,34,一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。,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（,0.20.4,）,W,，,避免形成死角,，防止物料与菌体堆积。,2024/9/8,35,(4),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。,形式,：,填料函轴封,端面轴封(,机械轴封,),2024/9/8,36,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。,2024/9/8,37,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,2024/9/8,38,机械轴封,又称,端面轴封,组成,1,）,动环和静环,2,）,弹性元件,3,）,辅助密封元件,“,O,”,形环和平橡胶垫片,2024/9/8,39,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,通过相对运动，两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。,辅助密封圈,防止液体从动环与轴之间泄漏,2024/9/8,40,(5),消泡器,化学消泡：植物油脂，动物油脂，高分子化合物。,机械消泡装置,：,耙式消泡器，涡轮消泡器,；,旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器,等。,旋风离心式,叶轮离心式,耙式消泡器,罐内消泡,罐外消泡,罐外消泡,2024/9/8,41,耙式消泡器,旋风式消泡器,略高于液面，长度约为,0.80.9D,2024/9/8,42,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。,2024/9/8,43,(6),空气分布器,作用,：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。,形式,：,单管；环形管,空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。,2024/9/8,44,单管,：常用，简单实用，单次通入量大,通风管,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,。,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,。,2024/9/8,45,环形管,：属于多孔管式。空气分布均匀，效果不如单管式，且喷气孔容易被堵塞。现很少采用。,2024/9/8,46,(7),联轴器,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。,法兰,联轴器,2024/9/8,47,联轴器示意图,2024/9/8,48,2024/9/8,49,2024/9/8,50,(8),轴承,中型发酵罐装有,底轴承,，大型发酵罐装有,中间轴承,。,中间轴承,底轴承,2024/9/8,51,作用,：对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动,轴承结构,2024/9/8,52,(9),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。,2024/9/8,53,(9),变速装置,三角皮带,2024/9/8,54,(10),传热装置,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。,2024/9/8,55,2024/9/8,56,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5m,3,以下的小罐。夹套的换热系数在,400,600kJ,(m,2,h,)之间。,2024/9/8,57,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,1200,4000kJ,(m,2,h,)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。,2024/9/8,58,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,2024/9/8,59,(11),人孔,人孔：中大型发酵罐顶装设有人孔，用于发酵罐的维修或清洗。,2024/9/8,60,(12),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,2024/9/8,61,(13),测量仪表,发酵罐检测参数有,: pH,值、温度、溶氧值、搅拌速度、罐内压力、空气流量、泡沫度等,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,2024/9/8,62,通用式发酵罐的主要部件,(1),罐体,(2),搅拌器,(3),挡板,(4),轴封,(5),消泡器,(6),空气分布管,(,7),联轴器,(8),轴承,(9),变速装置,(10),换热装置,(11),人孔,(12),管路,(13),测量仪表,二、发酵罐的结构,1.,通用式发酵罐,2024/9/8,63,思考题,什么是通用式发酵罐？其基本结构包括哪些部件？各有什么作用？,