发酵工程设备培训课程

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,*,种子制备设备,主发酵设备,辅助设备,发酵液预处理设备,产品提取和精制设备,废物回收处理设备,其中主发酵设备是发酵工业的核心设备，而发酵罐又是主发酵设备的心脏。,第7章 发酵工程设备,通风发酵罐,发酵罐,是否通气,嫌气发酵罐,7.1 通风发酵罐及结构,通风发酵罐又称好气性发酵罐，如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母等发酵用的发酵罐。,好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧。,通入的空气分散程度越高，发酵液中氧的溶解也就越快。,常用的通风发酵罐的类型,机械搅拌通风发酵罐 通用式发酵罐,气升式发酵罐,自吸式发酵罐,伍式发酵罐,文氏管发酵罐,7.1.1 机械搅拌通风发酵罐,机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。,1、机械搅拌发酵罐的基本要求,发酵罐应具有适宜的高径比。,发酵罐能承受一定压力。,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。,发酵罐应具有足够的冷却面积。,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。,搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。,2、机械搅拌发酵罐的结构,好气性机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要部件包括：,罐体（身),搅拌器,挡板,消泡器,联轴器,中间轴承,轴封,空气分布管,换热装置,（1）罐体,罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成 ，材料一般为不锈钢，大型发酵罐罐顶和罐身采用焊接，小型发酵罐采用法兰连接。,法兰,为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装没有快开入孔及清洗用的快开手孔。,罐顶还装有视镜及灯镜。,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。,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。,原则上讲，罐体上的管路越少越好，能合并的尽量合并。,（2）搅拌器,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。,搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种。,轴向式搅拌器,径向式（涡轮式）搅拌器,平直叶 弯叶 箭叶,斜叶,六叶式,四叶式,三叶式,六斜叶式,六弯叶式,六直叶式,推进式,开启涡轮式,推进式,开启涡轮式,异形叶圆盘涡轮式,半圆弧圆盘涡轮式,箭叶圆盘涡轮式,折叶桨式,C型,E型,S型,椭圆底框式,锚式,花板孔桨式,框锚式,直锥底框式,螺带螺杆式,锥底螺带螺杆式,螺带螺杆式,为了装拆方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体,通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器为什么要安一个圆盘呢？,通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快，走短路，传质效果差。,而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘的阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数,。,（3 ）挡板,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。,通常，挡板宽度取(0.10.2)D，装设64块即可满足全挡板条件,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，但漩涡消失。要达到全挡板条件必须满足下式要求：,消泡器,（4）,消泡器的作用是将泡沫打破。,消泡器常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约1020毫米。,消泡器的长度约为罐径的065倍。,（5） 联轴器,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。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。,常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。,（6）轴承,为了减少震动，中型发酵罐般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦(如聚四氟乙烯等)。,（7）轴封,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,常用的轴封有填料函和端面轴封两种。,填料函式轴封是由填料箱体，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。,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，并作相对转动而达到密封。,端面轴封,填料函,填料函轴封 端面轴封,填料函式轴封的优点是结构简单。,主要缺点是：,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。,端面式轴封的优点：,清洁；,密封可靠；,无死角，可以防止杂菌污染；,使用寿命长；,摩擦功率耗损小；,轴或轴套不受磨损；,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。,端面式轴封的缺点：,结构比填料密封复杂，装拆不便；,对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。,（8）空气分散装置,也称为空气分布器，有单管式和环形管式。单管式结构简单又实用，管口正对罐底中央，与罐底距离约为40mm，为防空气冲击，在罐底中央衬上不锈钢园板，可延长罐底寿命。,环形管式由于喷孔直径为25mm，易堵，现很少使用。,（9） 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，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。,（ 10）发酵罐的换热装置,夹套式换热装置,这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐；,夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。,优点,是：结构简单；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。,缺点,是：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,竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四,组、六组或八组不等，根据管的直径大小而,定，容积5米,3,以上的发酵罐多用这种换热装,置。,优点,：冷却水在管内的流速大；传热系数高。,适用于冷却用水温度较低的地区，水的,用量较少。,但气温高的地区，冷却用水温度较高，发酵时降温困难，发酵温度经常超过40C，影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。,竖式列管(排管)换热装置,这种装置是以列管形式分组对称装于发酵罐内。,其,优点,是：加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区。,这种装置的,缺点,是：传热系数较蛇管低， 用水量较大。,1.法兰 2.进出口节管,3.壳体 4.列管,5.封头 6.进出口管,7.1.2 自吸式发酵罐,自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自动吸入空气的发酵罐。这种设备的耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能使气液分离细小，均匀地接触，吸入空气中7080%的氧被利用。,自吸式发酵罐生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成绩。,1、自吸式发酵罐的结构,罐体,自吸搅拌器及导轮,轴封,换热装置,消泡器,2、自吸式发酵罐的吸气原理,自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。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。,在转子启动前，发酵罐内的液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体和空气在离心力的作用下，被甩向叶轮边缘，在转子中心处形成负压，在大气压的作用下，净化的空气就被吸入，通过定子控制，能使气液被均匀甩出。,转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形。,7.1.3 气升式发酵罐,1、气升式发酵罐的结构及原理,分为内循环和外,循环两种。其主,要结构包括：,罐体,上升管,空气喷嘴,工作原理,：,把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液密度大则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。,7.1.4 伍式发酵罐,1、结构,伍式发酵罐的主要部件是套筒、搅拌器。,2、原理,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。设备的缺点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。,7.1.5 文氏管发酵罐,其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，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。这种设备的优点是：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，动力消耗省。,这种设备的缺点是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。,发酵罐的尺寸要满足适当的比例，其高度与直径之比一般为1.74倍左右。通常发酵罐带两组搅拌器，其间距约为搅拌器直径的三倍，对于大型发酵罐以及液体深度较高的，可安装三组或三组以上的搅拌器。最下面一组搅拌器通常与风管出口较接近为好，与罐底的距离C一般等于搅拌器直径,Di,，但也不宜过小，否则会影响液体的循环。最常用的发酵罐各部分的比例尺寸如图,7.2 通风发酵罐的设计与放大,7.2.1 通用式发酵罐的尺寸比例,S,D, 3,D,i,H,0, 2,D,(,H,0,/,D,1.74),B, 0.1,D,C,D,i,h h,a,h,b,h,a,1/4,D,（标准封头）,7.2.2 通用式发酵罐设计,一、基本原则,适宜的高径比；,承压水压试验压力工作压力的1.5倍；,搅拌通气能够满足生长代谢的需要；,良好的冷却和加热系统；,抛光，减少死角，防止杂菌污染；,轴封严密；,传递效率高，能耗低；,机械消泡装置，放料、清洗、维修简单；,便于安装传感器和控制装置。,二、机械搅拌发酵罐的设计,机械搅拌发酵罐主要由搅拌装置、轴封和罐 体三部分组成。三个组成部分各起如下的作用:,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定的转速旋转 ,以实现搅拌的目的。,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。,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。,1、设计内容和步骤：,（1）设备本体的设计：, 罐体的设计,筒体的设计、计算,封头的设计、计算,罐体压力试验时应力校核及容积验算,附件的设计选取：,接管尺寸的选择,法兰的选取,开孔及开孔补强,人孔及其它,传热部件的计算,挡板、中间支承、扶梯的选取,搅拌装置的设计：,传动装置的设计、,搅拌轴的设计、,联轴器的选取、,轴承的选取及其轴承寿命的核算、,密封装置的选取、,搅拌器的设计、,搅拌轴的临界转速。,设备的强度及稳定性检验,设备承受各种载荷的计算,设备重量载荷的计算,设备地震弯矩的计算,偏心载荷的计算,塔体强度及稳定性检验,裙座的强度计算及校核,裙座计算,基础环的计算,地脚螺栓计算,裙座与筒体对接焊缝验算,2、发酵罐的结构计算,（1）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液的量，再根据这一数据确定发酵罐的容积。,例如，一年产5万柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为14%，提取总收率90%，年生产日期为300天，发酵周期为96小时。,每日的产量=50000/300=166.7 吨,每日所需发酵液的量=166.7/（0.140.9）,=1322.8 米,3,假定发酵罐的装液系数为85%,则每日所需发酵罐容积=1322.8/0.85=1556米,3,取发酵罐的公称容积为250米,3,则每日需要6个发酵罐,发酵周期为4天，考虑放罐洗罐等辅助时间，整个周期为5天。,则所需发酵罐的总数=56+1=31 个,（2）结构尺寸的计算, 发酵罐圆柱体直径的计算,根据已确定的发酵罐公称容积，可由下式计算发酵罐圆柱体的直径。,封头的容积的计算,椭圆形封头的容积可查手册或按下式计算：,罐的全容积,发酵罐总高度,液柱高度：,装料容积,发酵罐的容积装料系数,3、附属结构的计算,挡板数量和尺寸计算,搅拌器的设计计算,首先根据生产菌种和发酵类型选定搅拌器的类型，再从已计算出的发酵罐的直径计算搅拌器相应的结构尺寸。,4、冷却面积的计算,发酵过程的热量计算,通常以一年中最热的半个月中每小时放出的热量作为设计冷却面积的根据。 发酵过程中放出热量的计算方法有：,通过冷却水带走的热量进行计算；,通过发酵液的温度升高进行计算；,通过生物合成热进行计算；,通过燃烧热进行计算,通过冷却水带走的热量进行计算,根据工艺设计的要求，选定同类型的发酵罐，于气温最热的季节，选择主发酵期产生热量最快最大的时刻，测定冷却水进口的水温及出口的水温，并测定此时每小时冷却水的用量，按下式计算单位体积发酵液每小时传给冷却器的最大热量。,冷却面积的计算,根据经验： 蛇管的K值为4.186(300450)千焦米,3,小时,C，如管壁较薄，对冷却水进行强制循环时， 根据查定，及值约为4.186(8001000)千焦米,3,小时,C。,7.2.3 发酵罐放大设计,一、放大的目的,微生物产品产业化研究分三个阶段，即：,实验室小试阶段中间试验工厂化生产,实验室主要是菌种选育及发酵条件优化；,中试规模主要是确定放大规律及最佳操作条件,通过产业化实验，评价经济效益。,发酵罐放大设计不是按比例机械的放大，而是要遵守“发酵单位相似”原则，即发酵生产水平或经济效益相似。就必须认真考虑不同规模的放大设备其外部条件相似。,因为发酵罐设计在放大过程中，它的传质、传热能力、混合能力、功率消耗、剪切力等随着发酵罐的放大，会发生明显的变化（即随着体积和结构的比例放大，它们也随着变化，但不是直线相关，而是非直线关系），所以必须进行科学设计，遵循一定的放大准则，才能使放大后的设备满足工艺放大的要求。,二、放大方法,经验放大法：,a.几何相似法，即在几何相似的情况下，按照一个准则进行放大设计。如,KLa相等、单位体积功率（P/V）相等、末段剪切力（,nd,）相等。,b.非几何相似法，即在牺牲几何相似的情况下，采用两甚至多个准则进行放大设计。,量纲分析法：,时间常数法：,几何相似放大法：,.几何尺寸放大,放大倍数m=V,2,/V,1,因为几何相似那么 H,1,/D,1,=H,2,/D,2,则：,在进行几何放大的计算后，其他参数如d、B、S、W就可以根据H、D值来计算从而确定生产罐的几何尺寸。,几何尺寸确定后，就要确定放大后的操作参数：即空气流量相等的放大原则和搅拌转速相等的放大原则。,2、空气流量相等准则放大,发酵过程中空气流量一般有两种表示方法。,表示一：VVM,通入空气量（以标准状态计）,单位培养液体积，单位时间,m,3,/(m,3,min),Q,0,V,L,表示二：,Ws,通入空气量（操作状态下）,单位罐截面积，单位时间,m,3,/(m,2,h),Ws(空气直线速度),两种表示关系换算如下：,空气流量的放大又有三类准则可选：,a. 以单位培养液体积中空气流量相同的原则，,即VVM一定；,b. 以空气直线速度相同原则，即,Ws一定,；,c. 以K,L,a相等的原则。,7.3 嫌气发酵罐,7.3.1 酒精发酵罐,7.3.2 新型啤酒发酵罐,7.3.1 酒精发酵设备,一、酒精发酵设备的基本要求,1、满足酒精发酵的工艺要求；,2、满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。,（1）将发酵产生的热量及时移走；,（2）有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。,二、酒精发酵设备的结构,酒精发酵罐：,筒体为圆柱形，底盖和顶盖为碟形或锥形的立式金属容器。,罐顶接口：,CO,2,回收管、,进料管、接种管、视镜、人孔、压力表和测量仪表接口管,罐身接口：,取样口、温度计接口,罐底接口：,排料口、排污口（人孔）,1. 罐体,南阳天冠酒精集团公司,（图中中央两个罐为酒精发酵罐）,2. 冷却装置,中小型发酵罐：罐顶喷水淋于罐外表面进行膜状冷却；,大型发酵罐： 罐内装有冷却蛇管，或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却。,（注：罐体底部沿罐体四周装有集水池）,3.洗涤装置,水力喷射洗涤装置,由一根两头装有喷嘴的洒水管组成,两头喷水管弯有一定的弧度,喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔,喷水管安装时呈水平,喷水管借活接头和固定供水管相连接,它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力，使喷水管自动旋转。,7.3.2 新型啤酒发酵设备,传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内的贮酒罐组成的。,目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普遍简称露天锥形发酵罐。,圆筒体锥底立式发酵罐,目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普遍，简称露天锥形发酵罐。,一、设备的结构特点,C.C.T发酵最大特点在于大型化，容积从100600m,3,(国内也有60m,3,小型的)。,1、设备的外型特点,外筒体蝶形或拱形盖，锥形底，罐筒体壁和锥底有各种形式的冷却夹套。,2、罐材料,大型C.C.T均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。啤酒是酸性液体，能造成铁的电化学腐蚀，啤酒发酵时产生的H,2,S、SO,2,对铁材料会造成氧化还原腐蚀。,不锈钢是一种含铬较多的合金，它之所以能够抗腐蚀，原因在于其表面能形成铬含量高、化学性质稳定的氧化层。,3、发酵罐锥底角,考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，取排出角为7375(一定体积沉降酵母在锥底中占有最小比表面积时摩接力最小)，对于贮酒罐，因沉淀物很少，主要考虑材料利用率常取锥角为120150 。,4、冷却夹套,发酵罐或单酿罐内的冷却夹套一般分成三段，上段距发酵液面15cm向下排列，中段在筒体的下部距支撑裙座15cm向上排列，锥底段尽可能接近排酵母口，向上排列。,二、圆筒体锥底发酵罐发酵的优点,（1）加速发酵,C.C.T发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。,C.C.T发酵由于罐高度要大于传统510倍，发酵液对流的三个推动力得到强化。发酵罐底部产生CO2汽泡上升；在发酵阶段，由于底部酵母细胞浓度大于罐上部，酒精生成快，造成罐上、下部间密度差而造成对流。在发酵时控制罐下部温度高于上部(差12)，由于温差引起热对流。,在C.C.T发酵技术中，主发酵结束不排酵母，全部酵母参于后发酵中的还原，大大缩短了还原时间。,传统发酵酿造周期，低温发酵需50d以上，快速发酵需2530d，而C.C.T发酵如单酿罐发酵，酿造周期一般为1622d。,（2）厂房投资节省,传统发酵必须在有绝热层的冷藏库内发酵和贮酒。 C.C.T发酵可以大部分或全部在户外，而且罐数、罐总容积减少，厂房投资节省。,（3）冷耗节省,C.C.T发酵冷却是直接冷却发酵罐和酒液，而且冷却介质在强制循环下，传热系数高。传统发酵和贮酒，冷量多消耗在冷却厂房、空气、操作人员和机器(如泵、电动机)、发酵罐支座等。,（4）发酵罐清洗、消毒,传统发酵罐和贮酒罐基本上依赖人工清洗和消毒，根本无法实现自动化程序化。 C.C.T发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到保证。,三、圆筒体锥底发酵罐的缺点,由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般比传统低(只能使用56代)；,贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须强化；,若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要57d以上，短期贮酒不能保证温度一致,