第八章 發(fā)酵罐放大和設(shè)計(jì)ppt課件

1、/jpkc本章內(nèi)容本章內(nèi)容一、發(fā)酵罐的發(fā)展一、發(fā)酵罐的發(fā)展二、發(fā)酵罐的類型二、發(fā)酵罐的類型三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)三、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)三、通用式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大三、通用式發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與放大（一發(fā)酵罐設(shè)計(jì)基本原則和要求（一發(fā)酵罐設(shè)計(jì)基本原則和要求（二發(fā)酵罐放大設(shè)計(jì)（二發(fā)酵罐放大設(shè)計(jì)四、重組菌生物反應(yīng)器四、重組菌生物反應(yīng)器 /jpkcn發(fā)酵罐：進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的反應(yīng)器統(tǒng)稱為發(fā)酵罐發(fā)酵罐：進(jìn)行微生物深層培養(yǎng)的反應(yīng)器統(tǒng)稱為發(fā)酵罐//jpkc大型發(fā)酵罐大型發(fā)酵罐n發(fā)酵罐的類型與發(fā)酵類型、工藝類型和產(chǎn)物

2、類型有關(guān)。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(guān)。n 頂攪拌頂攪拌 軸封軸封n 底攪拌底攪拌 磁傳動(dòng)磁傳動(dòng) n 氣鼓式鼓泡式）氣鼓式鼓泡式） n 內(nèi)循環(huán)內(nèi)循環(huán)n 外循環(huán)外循環(huán) n 管道式反應(yīng)器：流動(dòng)代替攪拌管道式反應(yīng)器：流動(dòng)代替攪拌n 填充床液體循環(huán)）填充床液體循環(huán)）n 流化床同通氣攪拌）流化床同通氣攪拌）n 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 ：不需要空氣壓縮機(jī)，在攪拌過程中自吸入：不需要空氣壓縮機(jī)，在攪拌過程中自吸入空氣空氣n 伍式發(fā)酵罐伍式發(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 n 重組菌生物反應(yīng)器重組菌生物反應(yīng)器n n 通用式攪拌罐通用式攪拌罐(滿足供氧、通氣、

3、攪拌滿足供氧、通氣、攪拌 ) 氣升式發(fā)酵罐 循環(huán)式固定化發(fā)酵罐固定化發(fā)酵罐 //////jpkc1.外形、結(jié)構(gòu)及幾何尺寸要求 nH/D=1.73 H筒身高度 nHL/D=22.5 HL按照裝料VL=70%V總計(jì)算 nd/D=1/31/2 d攪拌器直徑 nW/D=1/121/8取0.1 ，并留12cm間隙，以防角） n W檔板寬度nB/D=0.81.0 B下攪拌器距底間距 n(s/d)2=1.52.5

4、可以取相同值，1.5 s/d 2 (s/d)3=12 s攪拌器間距 //jpkc2. 攪拌裝置攪拌裝置n攪拌的目的攪拌的目的 n打碎氣泡，增加氣液接觸面積，即打碎氣泡，增加氣液接觸面積，即aan產(chǎn)生渦流，延長(zhǎng)氣泡在液體中的停留時(shí)間產(chǎn)生渦流，延長(zhǎng)氣泡在液體中的停留時(shí)間 n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，KLKLn動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞N N、WsWs），有利于混合及固體物料保持懸浮狀態(tài)），有利于混合及固體物料保持懸浮狀態(tài)n攪拌的效果攪拌的效果: :n原生流原生流圓周運(yùn)動(dòng)徑向運(yùn)動(dòng)）：層流及漩渦，原生流速圓

5、周運(yùn)動(dòng)徑向運(yùn)動(dòng)）：層流及漩渦，原生流速V V原原n n n 擋板作用：次生流擋板作用：次生流軸向運(yùn)動(dòng)、翻動(dòng)，決定混合好壞，軸向運(yùn)動(dòng)、翻動(dòng)，決定混合好壞，V V次次n2n2n攪拌效果評(píng)價(jià)：傳質(zhì)，傳熱及混合效果攪拌效果評(píng)價(jià)：傳質(zhì)，傳熱及混合效果n效果的改善：轉(zhuǎn)速，攪拌器槳的形式和數(shù)量效果的改善：轉(zhuǎn)速，攪拌器槳的形式和數(shù)量 /jpkc2. 攪拌裝置續(xù)）攪拌裝置續(xù)）n攪拌器的形式攪拌器的形式 ：通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌：通用式發(fā)酵罐大多采用渦輪式攪拌器器 ，而又以圓盤渦輪攪拌器為主，而又以圓盤渦輪攪拌器為主 。n槳葉型式：圓盤渦輪攪拌器有平葉式、彎葉式、槳葉型式：圓盤渦

6、輪攪拌器有平葉式、彎葉式、n箭葉式三種。箭葉式三種。n葉片數(shù)量：至少三個(gè)，通常六個(gè)，多至八個(gè)。葉片數(shù)量：至少三個(gè)，通常六個(gè)，多至八個(gè)。n ：彎：彎 平平 箭箭 ；：彎：彎 箭箭 平平SGLaW)VP(kK/jpkc在相同的攪拌功率在相同的攪拌功率PG下，下， 粉碎氣泡能力：平粉碎氣泡能力：平彎彎箭箭 綜合傳質(zhì)綜合傳質(zhì)+混合，混合，翻動(dòng)流體能力：箭翻動(dòng)流體能力：箭彎彎平平 彎葉最好對(duì)于彎葉最好對(duì)于KLa）。）。 //jpkc2. 攪拌裝置續(xù)）攪拌裝置續(xù)）n攪拌槳的層數(shù)：根據(jù)攪拌槳的層數(shù)：根據(jù) H/D及及s/dn

7、 的要求的要求進(jìn)行計(jì)算。一般進(jìn)行計(jì)算。一般34層，層，底層攪拌最重要，占軸底層攪拌最重要，占軸功率的功率的40% ，所具葉片，所具葉片數(shù)最多數(shù)最多68片）。片）。 /jpkc2. 攪拌裝置續(xù)）聯(lián)軸器攪拌裝置續(xù)）聯(lián)軸器n大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對(duì)正。2. 攪拌裝置續(xù)）軸承攪拌裝置續(xù)）軸承n為了減少震動(dòng)，中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)為了減少震動(dòng)，中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸

8、承和中間軸承的水平位置應(yīng)能承，底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦(如聚四氟乙烯如聚四氟乙烯等等)，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的，軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.40.7。為了防止軸頸磨損，可以在。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個(gè)軸套。與軸承接觸處的軸上增加一個(gè)軸套。2. 攪拌裝置續(xù)）變速裝置攪拌裝置續(xù)）變速裝置n試驗(yàn)罐采用無級(jí)變速裝試驗(yàn)罐采用無級(jí)變速裝置。發(fā)酵罐常用的變速置。發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動(dòng)，裝置有三角皮帶傳動(dòng)，圓柱或螺旋圓錐齒輪減圓柱或螺旋圓錐齒輪減

9、速裝置，其中以三角皮速裝置，其中以三角皮帶變速傳動(dòng)較為簡(jiǎn)便。帶變速傳動(dòng)較為簡(jiǎn)便。2. 攪拌裝置攪拌裝置(續(xù)）軸封續(xù)）軸封n軸封的作用是使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。常用的軸封有填料函和端面軸封兩種。填料函式軸封填料函式軸封n填料函式軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達(dá)到密封的效果。端面式軸封端面式軸封n端面式軸封又稱機(jī)械端面式軸封又稱機(jī)械軸封。密封作用是靠軸封。密封作用是靠彈性元件彈簧、波彈性元件彈簧、波紋管等的壓力使垂紋管等的壓力使垂直于軸線的動(dòng)環(huán)和靜直于軸線的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)互貼合，并

10、作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。動(dòng)而達(dá)到密封。3.3.擋板擋板 n擋板的作用：改變液流方向，由徑向流擋板的作用：改變液流方向，由徑向流軸向流，促使流體軸向流，促使流體翻動(dòng)，增加傳質(zhì)和混合。翻動(dòng)，增加傳質(zhì)和混合。n檔板寬檔板寬 ：W/D= 1/12-1/8 (取取0.1) n全檔板條件：指在一定的攪拌轉(zhuǎn)速下，在攪拌罐中增加檔板全檔板條件：指在一定的攪拌轉(zhuǎn)速下，在攪拌罐中增加檔板或其它附件時(shí)，攪拌功率不再增加，而旋渦基本消失或其它附件時(shí)，攪拌功率不再增加，而旋渦基本消失, 即要即要滿足下式：滿足下式：n （W/D）Z =0.4 Z檔板數(shù)檔板數(shù)n /jpkc3.3.擋板擋板( (續(xù)）

11、續(xù)）n闡明闡明 n豎立的蛇管、列管、排管，可起檔板作用，此外不另豎立的蛇管、列管、排管，可起檔板作用，此外不另加檔板。故一般裝加檔板。故一般裝4 4塊檔板，可滿足全檔板條件。塊檔板，可滿足全檔板條件。n檔板長(zhǎng)度：自液面起，至罐底封頭上部圓柱底為檔板長(zhǎng)度：自液面起，至罐底封頭上部圓柱底為止。止。n檔板與罐壁間留縫隙，距離為檔板與罐壁間留縫隙，距離為0.4W W，目的是，目的是去除死角。去除死角。 n nn /jpkc4.4.消泡器消泡器 n作用：破碎氣泡，改善供氧，防止污染。作用：破碎氣泡，改善供氧，防止污染。n消泡槳形式消泡槳形式 n 慢速：鋸齒，梳

12、狀，孔板式孔徑慢速：鋸齒，梳狀，孔板式孔徑10-20mm10-20mm）。）。n 快速：對(duì)于底攪拌，可在罐頂裝半封閉渦輪消沫器，快速：對(duì)于底攪拌，可在罐頂裝半封閉渦輪消沫器，n 單用電機(jī)。單用電機(jī)。n 旋風(fēng)分離旋風(fēng)分離 n 葉輪離心式葉輪離心式n消泡槳直徑：消泡槳直徑：L=L=（0.8-0.90.8-0.9D D罐徑），以不妨礙旋轉(zhuǎn)為原則罐徑），以不妨礙旋轉(zhuǎn)為原則n與消泡劑合用與消泡劑合用n 內(nèi)部?jī)?nèi)部外部外部 適于不易染菌的工藝適于不易染菌的工藝 ////jpkc5.

13、 空氣分布器空氣分布器n作用：吹入無菌空氣，并使其分布均勻作用：吹入無菌空氣，并使其分布均勻n型式：型式：n 單孔管：開口朝下，防止堵塞；管口距罐底約單孔管：開口朝下，防止堵塞；管口距罐底約40mmn 環(huán)形管：適用于細(xì)度極小且易溶于水的固體發(fā)環(huán)形管：適用于細(xì)度極小且易溶于水的固體發(fā)酵原料）酵原料）/jpkc6. 換熱裝置換熱裝置n夾套式：夾套式：5T5T以下用外夾套式，以下用外夾套式，K K傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)=400-600kJ/m2 hr =400-600kJ/m2 hr n豎式蛇管：豎式蛇管：5T5T以上；以上；K K傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)=1200-1890kJ/m2h

14、r=1200-1890kJ/m2hrn豎式列管排管）：傳熱系數(shù)較蛇管低，但冷卻水流速較蛇管大，豎式列管排管）：傳熱系數(shù)較蛇管低，但冷卻水流速較蛇管大，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。/jpkc1.1.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本原則 n能否適合于生產(chǎn)工藝的放大要求能否適合于生產(chǎn)工藝的放大要求n能否獲得最大的生產(chǎn)效率能否獲得最大的生產(chǎn)效率/jpkc2.2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定 n兩方面因素的比較兩方面因素的比較n微生物生長(zhǎng)率、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率微生物生長(zhǎng)率、產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率n 傳質(zhì)效率傳質(zhì)效

15、率KLaKLa、傳氧效率）、傳氧效率）n 傳熱效率傳熱效率n 混合效率混合效率n改善發(fā)酵罐的傳遞性能傳質(zhì)、傳熱、混合是發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的改善發(fā)酵罐的傳遞性能傳質(zhì)、傳熱、混合是發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的首要任務(wù)首要任務(wù) n 發(fā)酵罐的操作因素發(fā)酵罐的操作因素( (傳遞性能傳遞性能) )/jpkc2.2.發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定續(xù)）發(fā)酵罐最大生產(chǎn)能力的確定續(xù)）n傳質(zhì)工程傳質(zhì)工程n隨規(guī)模擴(kuò)大，隨規(guī)模擴(kuò)大， ，KLa KLa ，同等條件下傳氧效率，同等條件下傳氧效率n傳熱工程傳熱工程 n產(chǎn)熱產(chǎn)熱Q1 VQ1 V罐體積罐體積 n n傳熱傳熱Q2 Q2 n除了篩選耐高溫菌株外，改善發(fā)酵罐的傳熱性能十分

16、關(guān)除了篩選耐高溫菌株外，改善發(fā)酵罐的傳熱性能十分關(guān)n 鍵。鍵。 罐表面積AV， R1VA/jpkc3.發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本要求發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的基本要求 n發(fā)酵罐能在無雜菌污染條件下，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。攪拌器軸封嚴(yán)發(fā)酵罐能在無雜菌污染條件下，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。攪拌器軸封嚴(yán)密，減少泄漏；結(jié)構(gòu)緊湊，附件少；無死角，內(nèi)壁光滑；密，減少泄漏；結(jié)構(gòu)緊湊，附件少；無死角，內(nèi)壁光滑；管道等盡可能焊接，少用法蘭；可維持一定正壓；取樣口管道等盡可能焊接，少用法蘭；可維持一定正壓；取樣口易于滅菌，各部分能單獨(dú)滅菌。易于滅菌，各部分能單獨(dú)滅菌。n傳質(zhì)效果好傳氧性能好，傳質(zhì)效果好傳氧性能好，KLaKLa大）大） 。

17、n有足夠的冷卻面積傳熱性能好，冷卻能力強(qiáng)）。有足夠的冷卻面積傳熱性能好，冷卻能力強(qiáng)）。n功耗低傳遞效率高，節(jié)能）。功耗低傳遞效率高，節(jié)能）。n采用不銹鋼，耐腐蝕及可以高溫滅菌。采用不銹鋼，耐腐蝕及可以高溫滅菌。 n /jpkc4.4.基本要求續(xù)）基本要求續(xù)）n應(yīng)有基本控制系統(tǒng)如應(yīng)有基本控制系統(tǒng)如T T、pHpH、甚至、甚至DO2DO2）。）。n具有消泡功能機(jī)械消泡或補(bǔ)消泡劑）。具有消泡功能機(jī)械消泡或補(bǔ)消泡劑）。n具有取樣裝置和冷卻裝置防止水分損失）。具有取樣裝置和冷卻裝置防止水分損失）。n要求放料、清洗、維修等操作簡(jiǎn)便，勞動(dòng)消耗低。要求放料、清洗、維修等操作簡(jiǎn)便，勞動(dòng)

18、消耗低。n實(shí)驗(yàn)罐、中試罐應(yīng)與生產(chǎn)罐有相似的幾何形狀，以利于放大。實(shí)驗(yàn)罐、中試罐應(yīng)與生產(chǎn)罐有相似的幾何形狀，以利于放大。n n n /jpkc（五發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)（五發(fā)酵罐的放大設(shè)計(jì)1. 放大的目的和任務(wù)放大的目的和任務(wù)2. 放大準(zhǔn)則放大準(zhǔn)則3. 放大方法放大方法/jpkc1. 放大的目的和任務(wù)放大的目的和任務(wù)目的：實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)成果走向產(chǎn)業(yè)化目的：實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)成果走向產(chǎn)業(yè)化 生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)研發(fā)的三個(gè)階段：生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)研發(fā)的三個(gè)階段： 實(shí)驗(yàn)室規(guī)模：菌種選育及發(fā)酵條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室規(guī)模：菌種選育及發(fā)酵條件優(yōu)化 中試規(guī)模：確定放大規(guī)律及最佳操作條件

19、中試規(guī)模：確定放大規(guī)律及最佳操作條件 工廠規(guī)模：通過產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益工廠規(guī)模：通過產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益義務(wù)：力求保持所有規(guī)模的發(fā)酵過程中有最佳的義務(wù)：力求保持所有規(guī)模的發(fā)酵過程中有最佳的外部條件，確保外部條件，確?！鞍l(fā)酵單位相似發(fā)酵單位相似”/jpkc2. 放大準(zhǔn)則放大準(zhǔn)則通常根據(jù)實(shí)際發(fā)酵中主要影響因素來確通常根據(jù)實(shí)際發(fā)酵中主要影響因素來確定，如：定，如：KLa、 P/V、nd等等。等等。/jpkc3. 放大方法放大方法經(jīng)驗(yàn)放大法經(jīng)驗(yàn)放大法幾何相似法幾何相似法非幾何相似法非幾何相似法量綱因次分析法量綱因次分析法時(shí)間常數(shù)法時(shí)間常數(shù)法數(shù)學(xué)

20、模型法數(shù)學(xué)模型法/jpkc幾何相似法幾何相似法在發(fā)酵罐的放大中，主要解決放大后生產(chǎn)罐的空氣流量、在發(fā)酵罐的放大中，主要解決放大后生產(chǎn)罐的空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率消耗等三個(gè)問題，即操作參數(shù)的放攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌功率消耗等三個(gè)問題，即操作參數(shù)的放大設(shè)計(jì)。常用的放大方法有：大設(shè)計(jì)。常用的放大方法有：幾何尺寸放大幾何尺寸放大空氣流量放大空氣流量放大 VVM相等相等 Ws相等相等 KLa相等相等攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)速的放大攪拌功率及攪拌轉(zhuǎn)速的放大/jpkc幾何尺寸放大幾何尺寸放大 n放大倍數(shù)放大倍數(shù)m指罐的體積增加倍數(shù)，即指罐的體積增加倍數(shù)，即n 幾何相似

21、，幾何相似，n那么那么n n 12VVm 2211DHDHmDDDDDDHDHDVV31212122212122212)(444431212mDDHH/jpkc空氣流量放大空氣流量放大以以VVM相等的原則放大相等的原則放大PDVVMPDVVVMWS)()(22211212)()(PPDDWWSS/jpkc空氣流量放大空氣流量放大以以Ws相等的原則放大相等的原則放大nn1)()(122222111212LLSSVVDPDPVVMVVMWW21122121221212DDPPVVDDPPVVMVVMLL/jpkc空氣流量

22、放大空氣流量放大以以KLa相等的原則放大相等的原則放大3/2LLgLaHVQK1)()()()()()(3211322212LLgLLgLaLaHVQHVQKK32232112)()()()(LLLgLgHHVQVQ/jpkc2DWQSg3DV DHL 311212)(DDWWSS又PDVVMPDVVVMWLS)()(23221121221122112212)()()(1DDPPWWDDPPDPWDPWVVMVVMSSSS 空氣流量放大空氣流量放大以以KLa相等的原則放大相等的原則放大/jpkc四、重組菌生物反應(yīng)器四、重組菌生物反應(yīng)器 1. 與普通微生物發(fā)酵罐最大的