发酵罐的设计与放大概要

第九章发酵罐的设计与放大•发酵罐：微生物深层培养的生物反应器•规模：实验室5-100L;中试：50-10000L；工厂5000L发酵罐的作用•①使物料混合均匀；•②使气体在液相中很好分散；•③使固体颗粒在液相中均匀悬浮；•④使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化；•⑤强化相间的传质•⑥强化传热对于均匀相反应主要是①、⑥两点，目前已广泛地用于制药、味精、酶制、食品行业等。发酵罐的组成•主要包括釜体、搅拌装置、传热装置、轴封装置。还根据需要加其他的附件，如各种接管(为了便于检修内件及加料、排料)，安装温度计、压力表、视镜、安全泄放装置(为了操作过程中有效地监视和控制物料的温度、压力)等。•釜体是由筒体和两个封头组成。作用：为物料进行化学反应提供一定的空间。•搅拌装置是由传动装置、搅拌轴和搅拌器组成，作用：参加反应的各种物料均匀混合，使物料很好地接触而加速化学反应的进行。•传热装置是在釜体内部设置蛇管或在釜体外部设置夹套，它的作用是使控制物料温度在反应所需要范围之内。•轴封装置为搅拌罐和搅拌轴间的密封，以防止反应物料的逸出和杂物的渗入。通常采用填料密封或机械密封。•发酵罐的特点必须具备足够的强度、密封性、耐蚀性及稳定性。发酵罐的工作要求清洁卫生；反应过程能保持恒定的温度，以利于发酵菌很好地进行发酵；搅拌器使物料混合均匀、加快反应速度、缩短发酵周期、强化传热；将发酵过程中产生的热量及时带走，保证反应正常进行。发酵罐的设计依据•发酵罐的容积、最大工作压力、工作温度、工作介质及腐蚀情况、传热面积、搅拌形式、转速及功率、配装那些管口等工艺要求。发酵罐的设计要求设计严格按照《钢制压力容器》的规定选材、设计、制造、检验、验收；同时力求经济、合理，从选材、制造各环节来省材。本章内容•发酵罐的分类•通用式发酵罐的设计与放大•发酵罐电机的选配一、发酵罐的分类•1按微生物生长代谢需要分类好氧和厌氧两大类。抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸、维生素等产品是好氧发酵罐中进行的；丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸采用厌氧发酵罐。差别：对无菌空气的需求不同，前者需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的体积氧传递系数KLα，后者则不需要通气。2.按照发酵设备特点分类•机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐。前者包括循环式，如伍式发酵罐、文氏管发酵罐、以及非循环式的通风发酵罐和自吸式发酵罐。后者包括循环式的气提式、液提式发酵罐以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。•特点：采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。•3.按容积分类一般认为，500L以下的实验室发酵罐，500～5000L是中试发酵罐，5000L以上是生产规模的发酵罐。4.按微生物生长环境分类•发酵罐内存在两种系统，即悬浮生长系统和支持生长系统。一般说来，大多数发酵罐都有这两种系统。悬浮生长系统中的微生物细胞是浸泡在培养液中且伴随着培养液一起流动；•在支持生长系统中，微生物细胞生长在与培养液接触的界面形成一层薄膜，然而实际上悬浮生长系统的容器内壁上和上部的罐壁上也会生长着一层菌体膜，在支持生长系统中也有菌体分散在培养液之中。5.按操作方式分类•分为分批发酵和连续发酵，不是所有的发酵罐可以同时适用于这两种发酵系统。分批发酵时，发酵工艺条件随营养液的消耗和产物的形成而变化。每批发酵结束，要放罐清洗和重新灭菌，再开始新一轮的发酵。分批发酵系统是非稳定态的过程。•分批发罐的主要优点是污染杂菌的比例小，操作灵活性强，可用来进行几种不同产品的生产。其缺点是发酵罐的非生产停留时间所占比重大，非稳态工艺过程的设计和操作困难。•连续发酵的主要的优点是可连续运行几个月的时间，非生产时间很短；缺点是容易染菌，它适用于不易染菌的产品如丙酮、丁醇、酒精、啤酒发酵等。6.其他类型•超滤发酵罐已开始在未来发酵中崭露头角。在进行时，成熟的发酵液通过一个超滤膜使产物能透过膜进行提取，酶可以通过管道返回发酵罐继续发酵，新鲜的底物可以源源不断地加入罐内。常见的发酵罐类型•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•固定化式发酵罐•管道式发酵罐1.1自吸式发酵罐•特点：不需其他气源提供压缩空气，搅拌器带有中央吸气口。搅拌过程中自吸入过滤空气，适用于需氧低的发酵。•与通用发酵罐的主要区别①有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成；②没有通气管。•设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力；•节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器等设备，减少厂房占地面积。•减少工厂发酵设备投资约30％左右，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。•设备结构简单，溶氧效果高，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70-80%的氧被利用。操作方便。•耗电量小采用不同型式、容积的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，都取得了良好的效果。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•消泡器自吸式发酵罐的充气原理•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。•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。1.2气升式发酵罐(ALR)•原理：利用空气喷嘴喷出的高速空气，以气泡式分散于液体中。在通气的一侧，液体平均密度下降，在不通气的一侧，液体密度较大，因而产生与通气侧的液体产生密度差，从而形成发酵罐内液体的环流。常见的气升式发酵罐有内循环管式，外循环管式、拉力筒式和垂直隔板式。•外循环式的循环管设计在罐体外部，内循环管是两根，设计罐体内部。•在气升式发酵罐中，循环管的高度一般不高于罐内液面。气升式发酵罐的结构分为内循环和外循环两种。主要结构包括：•罐体•上升管•空气喷嘴气升式发酵罐的性能指标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。•循环周期时间必须符合菌种发酵的需要。•选用适当直径的喷嘴。具有适当直径的喷嘴才能保证气泡分割细碎，与发酵液均匀接触，增加溶氧系数。气升式发酵罐的特点•结构简单，冷却面积小；•无搅拌传动设备，能耗低，液体中剪切力小，节省动力约50%，节省钢材；•操作时无噪音；•料液装料系数达80~90％，而不须加消泡剂；•维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。◆无菌操作可靠性高，该设备没有动密封装置，无泄露，且设备内无死区，灭菌彻底，染杂菌的机会大幅度减少。◆传热和传氧效率高，可满足各种好氧性微生物在任何地区和季节里的发酵生产。广泛用于大规模生产单细胞蛋白质。但不适用于高黏度或含大量固体的培养液。1.3伍式发酵罐结构•伍式发酵罐的主要部件是套筒、搅拌器。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。1.4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。优缺点•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，动力消耗省。•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。1.5固定化发酵罐•圆筒形的容器中填充固定化酶或固定化微生物的设备。•生物利用率高1.6管道式发酵罐•利用液体的流动代替搅拌作用，实现混合和传质的目的。处于试验阶段。改良通风式发酵罐•(1)瓦尔德夫发酵罐，有独特的消泡装置。•(2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐。上搅拌采用螺旋桨，用以加强轴向流动；下搅拌采用涡轮桨分散气体，可以提高氧传递效率。这种设计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长。•(3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效地提高氧传递效率的发酵罐。混合时间短，即使对十分黏稠的液体也有同样效果，消除了罐顶的空间，空气在罐内的滞留时间比通气搅拌罐长。改良型通风式发酵虽然有一些改进，但是它的实际应用却远没有通风发酵广泛。•由于发酵产品固定的和可变的成本是随工厂生产规模的增大而减少的，因此现代发酵罐的大型化给通气搅拌罐带来一系列难以克服的困难：大于1000kW的机械搅拌；大量的冷却水和排除热量；能量的均匀分布；溶解氧、碳源和其他营养与pH控制等。需要发展在经济上、工艺上、生物因素等方面更先进的新型生化反应器。1.7通用式发酵罐•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。1.7.1机械搅拌发酵罐的基本要求•发酵罐应具有适宜的径高比。•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。1.7.2机械搅拌发酵罐的结构机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要部件•罐身•轴封•消泡器•搅拌器•联轴器•中间轴承•挡板•空气分布管•换热装置•人孔以及管路等•发酵罐最重要的几何比例是Dｉ/Dt，H/Dt，Ds/Di，Db/Dt，(Di为搅拌浆直径，Dt为罐体直径，H为罐体高度，Ds为搅拌浆到罐底的距离，Db为挡板的宽度)；还有搅拌浆的叶轮直径和各部分的比例。（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。•对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2~3毫米。为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，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）。•1帕斯卡=1牛顿/平方米(1N/㎡)•1兆帕=1000000帕•大气压：压强的一种计量单位。其值等于101325Pa•2立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，大中型发酵罐大多是整体焊接•为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装有快开人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。罐体的尺寸比例罐体各部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为1.7~3左右。(为何不能再高？氧利用率高)发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距S约为搅拌器直径的三倍。？对于大型发酵罐以及液体深度HL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，但也不宜小于0.8Di，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。（实灌举例）公称容积(M3)筒体直径(Dgmm)筒体高度H(mm)换热面积M2搅拌轴转速r.p.m搅拌轴功率KW101800380014160-26017-22152000480018166-26022-30202200500022180-26030-37302400660034150-25045-55402600750045150-25055-75502800800058150-25055-90603000830065150-25060-115753200880084150-25090-14510036009400114150-250120-125150420010800165150-250165-275200460011500220140-240215-360（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。轴向式搅拌器桨叶式螺旋桨式•通用发酵罐