微生物工程(發(fā)酵)第五章 發(fā)酵設備

1、第五章 發(fā)酵設備思考題： 好氧型發(fā)酵罐的主要類型及其主要特征（氣升氏、自吸式、伍氏、文氏管發(fā)酵罐） 通用式攪拌罐的基本結構及主要部件的作用； 生物反應器（生物反應器（Bioreactor）是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進行生化反應的裝置系統(tǒng)，它是一種生物功能模擬機，如發(fā)酵罐、固定化酶或固定化細胞反應器等； 發(fā)酵工程中的反應器即發(fā)酵罐；5.1 發(fā)酵罐的概述 發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠中主要的設備，它提供發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠中主要的設備，它提供了一個適應微生物生命活動和生物代謝的了一個適應微生物生命活動和生物代謝的場所；場所； 由于微生物分為需氧和厭氧兩大類，由于微生物分為需氧和厭氧兩大類

2、， 故供故供微生物生存和代謝的發(fā)酵罐也分為厭氧型微生物生存和代謝的發(fā)酵罐也分為厭氧型發(fā)酵罐與通風型發(fā)酵罐；發(fā)酵罐與通風型發(fā)酵罐； 不論厭氧或通風發(fā)酵設備，除了滿足微生不論厭氧或通風發(fā)酵設備，除了滿足微生物培養(yǎng)所必要的工藝要求外，還得考慮材物培養(yǎng)所必要的工藝要求外，還得考慮材質的要求以及加工制造難易程度等因素質的要求以及加工制造難易程度等因素 厭氧型發(fā)酵罐（酒精、啤酒、沼氣發(fā)酵） 通風發(fā)酵罐又稱好氣（氧）型發(fā)酵罐，如谷氨酸、檸檬酸、酶制劑、抗生素、酵母等發(fā)酵用的發(fā)酵罐 好氣性發(fā)酵需要將空氣不斷通入發(fā)酵液中，以供微生物所消耗的氧 好氧型發(fā)酵罐的類型好氧型發(fā)酵罐的類型 頂攪拌頂攪拌 軸封軸封 底攪拌

3、底攪拌 磁傳動磁傳動 氣鼓式（鼓泡式）氣鼓式（鼓泡式） 內(nèi)循環(huán)內(nèi)循環(huán) 外循環(huán)外循環(huán) 管道式反應器：流動代替攪拌管道式反應器：流動代替攪拌 填充床（液體循環(huán)）填充床（液體循環(huán)） 流化床（通氣攪拌）流化床（通氣攪拌） 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 ：不需要空氣壓縮機，在攪拌過程中自吸入空氣：不需要空氣壓縮機，在攪拌過程中自吸入空氣 伍伍式發(fā)酵罐式發(fā)酵罐 ：多用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母多用于紙漿廢液發(fā)酵生產(chǎn)酵母 重組菌生物反應器重組菌生物反應器 通用式攪拌罐通用式攪拌罐(滿足供氧、通氣、攪拌滿足供氧、通氣、攪拌 ) 氣氣升式發(fā)酵罐升式發(fā)酵罐 循環(huán)式循環(huán)式固固定化發(fā)酵罐定化發(fā)酵罐 大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐 四十

4、年代中期，青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)以及深層通風培養(yǎng)技術的出現(xiàn)，標志近代好氧型發(fā)酵工業(yè)的開始 在深層通風培養(yǎng)技術中，好氧型發(fā)酵罐是關鍵設備機械攪拌發(fā)酵罐是發(fā)酵工廠常用類型之一。它是利用機械攪拌器的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣5.2通用式攪拌罐及其結構通用式攪拌罐及其結構 5.2.1發(fā)酵罐的基本結構發(fā)酵罐的基本結構 5.2.2 罐體罐體 5.2.3 攪拌裝置攪拌裝置 5.2.4 擋板擋板 5.2.5 消泡器消泡器 5.2.6 換熱裝置換熱裝置機械攪拌發(fā)酵罐是密封機械攪拌發(fā)酵罐是密封 式受壓設式受壓設備，主要部件包括：備，主要部件包括： 罐

5、身罐身 攪拌器攪拌器 軸封軸封 消泡器消泡器 聯(lián)軸器聯(lián)軸器 中間軸承中間軸承 空氣吹泡管空氣吹泡管(或空氣噴射器或空氣噴射器) 擋板擋板 換熱裝置換熱裝置 人孔以及管路等人孔以及管路等5.2.1發(fā)酵罐的基本結構發(fā)酵罐的基本結構5.2.2 罐體 罐體由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，小型發(fā)酵罐罐頂和罐身采用法蘭連接，材料一般為不銹鋼 為了便于清洗，小型發(fā)酵罐頂設有清洗用的手孔。中大型發(fā)酵罐則裝設有快開人孔及清洗用的快開手孔。 罐頂裝有視鏡及燈鏡。 罐頂上的接管有：進料管、補料管、排氣管、接種管和壓力表接管 在罐身上的接管有冷卻水進出管、進空氣管、取樣管、溫度計管和測控儀表接口罐體的尺寸比例罐的

6、高度與直徑之比一般為1.74。發(fā)酵罐通常裝有兩組攪拌器，兩組攪拌器的間距S約為攪拌器直徑的三倍。對于大型發(fā)酵罐以及液體深度HL較高的，可安裝三組或三組以上的攪拌器。最下面一組攪拌器通常與風管出口較接近為好，與罐底的距離C一般等于攪拌器直徑Di，不宜小于0.8Di，否則會影響液體的循環(huán)。最常用的發(fā)酵罐各部分的比例尺寸如圖。 H/D=1.74 H筒身高度筒身高度 HL/D=22.5 HL按照裝料按照裝料VL=70%V總計算計算 d/D=1/31/2 d攪拌器直徑攪拌器直徑 W/D=1/121/10（一般一般0.1 ） W檔板寬檔板寬度度 B/d=0.81.0 B下攪拌器距底間距下攪拌器距底間距 1

7、.5 s/d 2 s攪拌器間距攪拌器間距 5.2.3 攪拌裝置攪拌裝置打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)打碎氣泡，使空氣與溶液均勻接觸，使氧溶解于發(fā)酵液中；酵液中；產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時間；產(chǎn)生渦流，延長氣泡在液體中的停留時間；造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度；造成湍流，減小氣泡外滯流液膜的厚度；動量傳遞，有利于混合及固體物料保持懸浮狀動量傳遞，有利于混合及固體物料保持懸浮狀 攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式攪拌器有軸向式（槳葉式、螺旋槳式）和徑向式（渦輪式）兩種（渦輪式）兩種攪拌器類型：攪拌器類型： 軸向式：槳葉式軸向式：槳葉式 螺旋槳式螺旋槳式 徑向式：渦

8、輪式徑向式：渦輪式葉片形狀：葉片形狀： 平直葉平直葉 彎葉彎葉 箭葉箭葉在相同的攪拌功率下在相同的攪拌功率下， 粉碎氣泡能力：平粉碎氣泡能力：平彎彎箭箭 翻動流體能力：箭翻動流體能力：箭彎彎平平5.2.4 擋板擋板 擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體劇烈翻動，增加溶解氧。5.2.4 擋板擋板 通常，擋板寬度取(0.10.2)D，裝設46塊可滿足全擋板條件 全擋板條件：是指在一定轉數(shù)下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達到全擋板條件必須滿足下式要求：5.2.5 消泡器消泡器 消泡器的作用是將泡沫打破； 常用的形式有鋸齒式、梳狀式及孔板式?？装迨降目讖郊s1020毫米； 消泡

9、器的長度約為罐徑的0.65倍；5.2.6 換熱裝置換熱裝置 夾套式換熱裝置 這種裝置多應用于容積較小的發(fā)酵罐、種子罐； 夾套的高度比靜止液面高度稍高即可，無須進行冷卻面積的設計。 優(yōu)點：結構簡單；加工容易，罐內(nèi)無冷卻設備，死角少，容易進行清潔滅菌工作，有利于發(fā)酵。 其缺點是：傳熱壁較厚，冷卻水流速低，發(fā)酵時降溫效果差， 豎式蛇管換熱裝置 豎式的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，四組、六組或八組不等，根據(jù)管的直徑大小而定，容積5米3以上的發(fā)酵罐多用這種換熱裝置。 優(yōu)點：冷卻水在管內(nèi)的流速大；傳熱系數(shù)高。適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。 但是氣溫高的地區(qū)，冷卻用水溫度較高，則發(fā)酵時降溫困難，發(fā)酵

10、溫度超過40C，會影響發(fā)酵產(chǎn)率，因此應采用冷凍鹽水或冷凍水冷卻，如此則增加了設備投資及生產(chǎn)成本。此外，彎曲位置比較容易蝕穿。 豎式列管(排管)換熱裝置 以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)。 優(yōu)點：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。 缺點：傳熱系數(shù)較蛇管低， 用水量較大。5.3 其它通風發(fā)酵罐的類型 發(fā)酵罐的類型與發(fā)酵類型、工藝類型和產(chǎn)發(fā)酵罐的類型與發(fā)酵類型、工藝類型和產(chǎn)物類型有關物類型有關5.3.2氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐 利用空氣噴嘴噴出高速的空氣，空氣以氣泡式分散于液體中，在通氣的一側，液體平均密度下降，在不通氣的一側，液體密度較大，因而產(chǎn)生與通氣側的液體產(chǎn)生密度差，從而形成發(fā)酵罐內(nèi)液

11、體的環(huán)流；氣升式發(fā)酵罐的特點 結構簡單，冷卻面積??； 無攪拌傳動設備，節(jié)省動力約50%，節(jié)省鋼材； 操作時無噪音； 料液裝料系數(shù)達8090，而不須加消泡劑； 維修、操作及清洗簡便，減少雜菌感染 但不能代替好氣量較小的發(fā)酵罐，對于粘度較大的發(fā)酵液溶氧系數(shù)較低。 氣升式發(fā)酵罐的結構及原理 分為內(nèi)循環(huán)和外 循環(huán)兩種。其主 要結構包括： 罐體 上升管 空氣噴嘴5.3.3 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐l自吸式發(fā)酵罐是一種不需專門為發(fā)酵罐內(nèi)導入壓縮空氣的適用于好氣發(fā)酵的發(fā)酵罐。它裝有一種特殊設計的機械攪拌裝置，當這種攪拌槳轉動時，緊密貼在槳底的導氣管可借槳葉排出液體時所產(chǎn)生的局部真空把空氣吸入罐內(nèi)。l采用了不

12、同型式、容積的自吸式發(fā)酵罐生產(chǎn)葡萄糖酸鈣、力復雷素、維生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的效果。發(fā)自吸式發(fā)酵罐的罐體結構大致與機械攪拌式發(fā)酵罐相同，主要區(qū)別在于攪拌器的形狀和結構不同。自吸式發(fā)酵罐使用的是帶中央吸氣口的攪拌器。攪拌器由從罐底向上伸入的主軸帶動，葉輪旋轉時葉片不斷排開周圍的液體使其背部形成真空，于是將罐外空氣通過攪拌器中心的吸氣管而吸人罐內(nèi)，吸入的空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。 5.3.4 伍伍式發(fā)酵罐式發(fā)酵罐 攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上，攪拌器是用六根彎曲的空氣管子焊于圓盤上，兼作空氣分配器。空氣由空心軸導入，經(jīng)過攪兼作空氣分配器?？諝庥煽招妮S導入，經(jīng)過攪拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相拌器的空心管吹出，與被攪拌器甩出的液體相混合，發(fā)酵液在套筒外側上升，由套筒內(nèi)部下混合，發(fā)酵液在套筒外側上升，由套筒內(nèi)部下降，形成循環(huán)；降，形成循環(huán)； 多用于紙漿廢液多用于紙漿廢液 發(fā)酵生產(chǎn)酵母發(fā)酵生產(chǎn)酵母 攪拌時液體沿著套筒外向上升至液面，然后由套筒內(nèi)返回罐