發(fā)酵罐基本知識.ppt

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1、1,生物工程設備,設備的原理、結(jié)構(gòu)、功能 設備的計算、選型 設備的搭配實例,液體發(fā)酵設備 培養(yǎng)基制備與滅菌設備 固液分離設備 無菌空氣制備設備 萃取設備 層析與離子交換設備 蒸發(fā)、結(jié)晶設備 精餾設備 干燥設備,2,參考書,生物工程設備，陳國豪，化學工業(yè)出版社，2007 生物工程設備，段開紅，科學出版社，2007 生物工程設備，梁世中，中國輕工業(yè)出版社，2002 生物工程設備，鄭裕國，化學工業(yè)出版社，2007 抗生素生產(chǎn)設備，俞俊棠，化學工業(yè)出版社，1984 生物工程設備，高平，化學工業(yè)出版社，2006,3,每次課后，課件均會發(fā)往： 密碼：gjxy05 （即國際學院05） 大家可去下載,4,第一

2、章液體發(fā)酵設備,,5,提綱,第一節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐 發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)與功能 計算：數(shù)量、尺寸、換熱面積、攪拌功率 發(fā)酵罐中的氧傳遞 發(fā)酵罐的放大設計 第二節(jié)其它類型的通風發(fā)酵罐 第三節(jié)厭氧發(fā)酵設備,6,,,室驗室用發(fā)酵罐 1 L--50L 中試用發(fā)酵罐 50L--5000L,發(fā)酵罐的 大小的大致概念,7,生產(chǎn)用發(fā)酵罐的大小,抗生素發(fā)酵罐的容積以80200 米3 為主 氨基酸、檸檬酸的發(fā)酵罐較普遍使用150300 米3 國際上最大標準式發(fā)酵罐為美國ADM 公司賴氨酸發(fā)酵罐, 折合公稱容積為380 米3 越來越多的啤酒生產(chǎn)廠家采用 400m3 和600m3 大罐,甚至 800m3 大罐。 新建的酒精

3、生產(chǎn)企業(yè)，其發(fā)酵罐單罐容積一般在1000-2000米3之間,,8,表 小型發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù),,9,表 大中型發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù),,10,發(fā)酵罐應該滿足什么功能？,可反復滅菌 （耐壓性能 ，材料要求） 不易染菌 （設備簡單，少死角 ） 供氧 混合 （通氣、攪拌設備） 加熱和冷卻功能（傳熱設備 ） 加料、補料、放料 （附屬管道、閥門 ） 參數(shù)檢測 （溫度、pH、溶氧電極 ）,也有些要求相對簡單的液體培養(yǎng)設備,11,多種設計結(jié)構(gòu)均可完成上述功能,按供氧方式 分： 機械攪拌通風式 氣升式 自吸式,還可按攪拌方式 分： 上攪拌 下攪拌,12,軸封 消泡器 聯(lián)軸器 攪拌器 中間軸承 擋板 空氣分布管 換熱裝置

4、 人孔以及管路等 小罐與大罐有不同的設計,一、結(jié)構(gòu),第一節(jié)機械攪拌通風發(fā)酵罐,13,哪個是小罐？,,14,物料罐,,,臺面 空間 布置,,15,,,16,發(fā)酵罐的幾種工作狀態(tài),空消 裝料 實消 接種 發(fā)酵 放罐 清洗,空氣 蒸汽 冷卻水 物料、補料管 接種管 取樣、放料管,壓力 溫度 pH 溶氧 攪拌速度,17,與不同工作狀態(tài)相應的，是各種管道和閥門的開、關(guān)不僅注意罐的結(jié)構(gòu)，更要注意管道與罐的連接,18,1 罐體,罐為一個受壓容器，通常滅菌的壓力為2.5公斤/厘米2（絕對壓力）。 由 圓柱體 + 橢圓形或碟形封頭 焊接而成 對于大型發(fā)酵罐可用襯不銹鋼板，襯里用的不銹鋼板厚為23毫米,其它材料的

5、液體發(fā)酵設備？,表壓？,19,,,,,20,大小罐的結(jié)構(gòu)區(qū)別,罐徑在1米以下的小型發(fā)酵罐，罐頂和罐身采用法蘭連接 大中型發(fā)酵罐：整體焊接。 5噸以下罐，用夾套加熱和冷卻 5噸以上罐，用罐內(nèi)的蛇管加熱和冷卻,21,發(fā)酵罐：是 薄壁壓力容器,操作不當，會造成失穩(wěn)，原因較多，下面舉例說明,22,內(nèi)筒不銹鋼，外夾套普通碳素鋼,23,某廠曾因蒸汽實罐滅菌后，罐體長時間處于密封狀態(tài), 蒸汽冷凝后罐內(nèi)成真空, 最后導致罐體成外壓失穩(wěn)。,一,24,二,湖南衡陽市,25,26,27,28,罐體的尺寸比例：以罐體直徑D、攪拌器直徑d為基準,通用發(fā)酵罐通常取值系數(shù)范圍 攪拌器直徑d =1/3D1/21/3 罐筒身高

6、H0 =2 D 1.73 擋板寬度B =0.1D1/81/12 攪拌器間距S=2d1.52.5 下攪拌器距底間距C= d0.81.0 HL裝料的液面高度 ha 封頭凸出部分的高度，標準橢圓封頭有： ha 0.25D Hb封頭直邊高度，據(jù)壁厚一般取25、 40、 50mm,29,,,,,30,橢圓封頭的容積計算公式：,化工設備設計手冊 在忽略hb后，有：,,,因標準橢圓封頭，ha=1/4 D,31,公稱容積：V0,V0定義為：罐圓筒部分容積底封頭容積 能裝液的體積 罐中實際裝料體積：V 則有：v/v0=0.7-0.8，即裝料系數(shù) 標準橢圓封頭時， 取，再取D/H=2時，有

7、,,,,32,H/D的大小會影響。。。,隨著罐體高度和液層增高，氧氣的利用率增加, 但增長不是線性關(guān)系,隨著罐體增高, 增長速率隨之減慢。,液柱增高，進罐要求的空氣壓力必須提高，空壓機的能耗增加 在罐底氣泡受壓后體積縮小，氣液界面的面積減小 過高的液柱高度,雖增加了O2的分壓，但同樣增加CO2分壓，增加了二氧化碳濃度，可能抑制某些發(fā)酵菌種 而且罐體的高度,同廠房高度密切相關(guān)。,過高會如何？,33,例1.1 發(fā)酵罐數(shù)量與尺寸的計算,現(xiàn)設計一年產(chǎn)量為400噸的鏈霉素車間，成品效價要求為740單位/毫克，平均發(fā)酵水平為22000單位/毫升，包括輔助時間在內(nèi)的發(fā)酵周期為8天，若發(fā)酵液收率為95%，提煉

8、總收率為65%，發(fā)酵罐總臺數(shù)為16臺，裝料系數(shù)為75%，年工作日以300天計，求 1.每個工作日所需處理的成熟發(fā)酵液的量？ 2.發(fā)酵罐的公稱容積及主要尺寸。,,,,,34,解： 每年產(chǎn)的鏈霉素總單位數(shù)為u 每年所需的發(fā)酵液體積為m3 則每個生產(chǎn)日所需的發(fā)酵液體積為 共16個罐，8天一個發(fā)酵周期，則每天發(fā)酵完成16/8=2罐 則，每罐的公稱體積為 取為50立方米，若取高徑比為2，則有 取3.1m，則H=2D=6.2m。其它參數(shù)計算代入公式。。。,,,,,35,2.攪拌器,攪拌器的作用是： 產(chǎn)生強大的總體流動：宏觀均勻翻動 產(chǎn)生強烈的湍動：微觀均勻剪切 攪拌產(chǎn)生三種基本流型： 切向流、 軸向流、

9、徑向流。 三種基本流型，同時存在。 其中，軸向流與徑向流對混合起主要作用 而切向流應加以抑制，可通過加入擋板來削弱。,36,流型,徑向流（流體流動的方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環(huán)流動。） 軸向流（流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流） 切向流（無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運動，流速高時液體表面會形成旋渦，此時流體從漿葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。）,37,徑向式攪拌器,渦輪式攪拌器分為：平葉式、彎葉式、箭葉式三種 渦輪攪拌器要安一個圓

10、盤 為了避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿軸上升,38,相同半徑、轉(zhuǎn)速時，功率消耗： 平葉彎葉箭葉 相同攪拌功率下，三者的粉碎氣泡的能力： 平葉彎葉箭葉 相同攪拌功率下，三者翻動流體的能力： 平葉彎葉箭葉,微觀湍動,宏觀翻動,39,軸向式攪拌器 槳葉式 旋槳式 Lightnin式,40,工廠多采用在同一攪拌軸上安裝不同葉形的攪拌器 上層：以混合為主的軸流型或箭葉攪拌器， 下層：以粉碎氣泡為主的平葉渦輪攪拌器。,以三層攪拌器為例，最下層仍采用徑向型的渦輪攪拌器，其余兩層改用軸向流型攪拌器時，與三層均采用徑向流攪拌器相比，功率消耗可降低1530。 國內(nèi)醫(yī)藥行業(yè)在50m3發(fā)酵罐內(nèi)，上兩檔改裝軸流向

11、型攪拌器，作土霉素發(fā)酵試驗表明，不但消耗功率下降，發(fā)酵指數(shù)也提高了近15。,41,3. 擋板,擋板的作用：改變液流的方向，將切向流改為軸向流,防止產(chǎn)生漩渦 數(shù)目通常為46塊，其寬度為0.10.12 D 全擋板條件：是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時,攪拌功率不再增加。（消除液面漩渦的最低條件）。,式中 D罐的直徑（mm） Z擋板數(shù) W擋板寬度（mm） 用來校驗檔板數(shù)是否夠,42,,一般具有冷卻列管或排管的發(fā)酵罐內(nèi)不另設擋板。但冷卻管為盤管時，則應設擋板。 擋板的長度自液面起到罐底為止。 擋板與罐壁之間的距離為（1/51/8）D，避免形成死角，防止物料與菌體堆積。,43,4

12、.軸封,軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。 形式：填料函軸封、機械軸封兩種。 填料函軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達到密封的效果。,發(fā)酵罐內(nèi)是正壓還是負壓？,44,填料函式軸封的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。 用于發(fā)酵罐，它的缺點是： 死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌； 軸的磨損情況較嚴重； 填料壓緊后摩擦功率消耗大； 壽命短，經(jīng)常維修，耗工時多。 故在發(fā)酵罐上，多數(shù)不用 但在后續(xù)章節(jié)，其它設備中，它會出現(xiàn),45,機械軸封,又稱端面軸封，由彈性元件、動環(huán)和靜環(huán)組成。 動環(huán)固定在軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動。靜環(huán)裝在殼體上。動環(huán)依靠彈簧的壓力與

13、靜環(huán)緊密接觸，阻止流體泄漏。 由兩個環(huán)的端面互相密切貼合而達密封目的。,46,機械軸封的密封原理：見flashmechanical_seal.swf,依靠三個密封點達到完全密封： 1動環(huán)與靜環(huán)： 在相對運動的動環(huán)和靜環(huán)之間的的接觸面 （端面） 兩端面必須高度光潔平直，這是相對旋轉(zhuǎn)密封。 端面間有層極薄的液體，起密封作用,,,,,,,,,47,機械軸封的密封原理,2靜環(huán)與壓蓋之間的密封： 用有彈性的輔助密封圈來防止液體從靜環(huán)與壓蓋之間泄漏。 這是一靜密封。 3動環(huán)與軸之間的密封： 也是用輔助密封圈來防止液體從動環(huán)與軸之間泄漏。 這也是一個相對靜止的密封。,48,,動環(huán)的硬度應比靜環(huán)大。 動環(huán)的材

14、料可用鑄鐵、硬質(zhì)合金、高合金鋼等 靜環(huán)最常用浸漬石墨或填充聚四氟乙烯。,49,請看FLASH動畫 1234.swf,這是一個虛擬發(fā)酵罐內(nèi)機械軸封組裝試驗的Flash動畫。你能把它組裝起來嗎？,50,機械軸封與填料函軸封相比:,軸不受磨損。 為什么？ 摩擦功率耗損少，約為填料函密封的1050 密封可靠，長期使用很少泄漏。 無死角，可以防止雜菌污染。 對軸的精度和光潔度沒有填料函要求嚴格。 其缺點是：結(jié)構(gòu)復雜，需要一定的加工精度和安裝技術(shù)。,51,5.聯(lián)軸器及軸承,大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段加工，再用聯(lián)軸器組成牢固的剛性聯(lián)接。 小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應垂直，中心線對

15、正。,52,53,,,54,作用：對軸固定，防止擺動，同時又不影響轉(zhuǎn)動 罐內(nèi)軸承接觸處的軸頸極易磨損，尤可以在與軸承接觸處的軸上增加一 個軸套。,軸承結(jié)構(gòu),55,其它安裝形式的攪拌器,,也有通風攪拌發(fā)酵罐的攪拌為下伸式 不以供氧為目的時，也有側(cè)向攪拌,56,6.變速裝置,需要變速的原因： 電機的轉(zhuǎn)速大于攪拌器所需轉(zhuǎn)速。 電機分四級，轉(zhuǎn)速分別約為： 800、1000、1400、1600 rpm； 而攪拌轉(zhuǎn)速則一般為90-110 rpm。 發(fā)酵罐常用的變速裝置有三角皮帶傳動。,57,一般攪拌器如三角皮帶輪攪拌器，轉(zhuǎn)速固定； 但是，發(fā)酵時，是否需要攪拌轉(zhuǎn)速有變化呢？,在發(fā)酵中期，微生物旺盛生長，對

16、氧的需要量較高，而在初期和后期微生物的需氧量較低 在大型發(fā)酵罐如果培養(yǎng)基采用實罐滅菌時,為了使滅菌時培養(yǎng)基的傳熱較為理想,因而需要開動攪拌,但此時往往不通入空氣，因而使攪拌功率上升，如果操作不當,就有可能損壞電機。,58,目前發(fā)酵罐設計時,推薦使用多極電機,可以在實消時低速攪拌,在正常發(fā)酵時攪拌全速運行,目前這種雙速馬達已使用于發(fā)酵過程中滿足不同需氧量的攪拌操作。,59,7.空氣分布器,空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。 分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等。 常用的分布裝置是單管式，單管式管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，噴口朝下，管口與罐低的距離約40mm 通常通風管的

17、空氣流速取20米/秒。為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補強?？裳娱L罐底壽命，叫補強板。,,60,環(huán)形管的分布裝置 噴孔直徑向下，噴孔的總截面積約等于通風管的截面積。 空氣分散效果不及單管式分布裝置。同時由于噴孔容易被堵塞，已很少采用。,通風量在0.020.5ml/sec時，氣泡的直徑與空氣噴口直徑的1/3次方成正比。也就是說，噴口直徑越小，氣泡直徑也越小。 但是生產(chǎn)實際的通風量均超過上述范圍，因此氣泡直徑僅與通風量有關(guān)，而與噴口直徑無關(guān)。,61,8.消泡裝置,泡沫形成的原因 發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)。 由外界引進的氣流被機械地分散形成（

18、通風、攪拌） 危害 降低發(fā)酵設備的利用率 增加了菌群的非均一性 增加了染菌的機會 導致產(chǎn)物的損失 消泡劑會給后提取工序帶來困難,62,,物理消泡法：靠機械力引起強烈振動或者壓力變化，促使泡沫破裂。 消泡器安裝在發(fā)酵罐內(nèi)轉(zhuǎn)動軸的上部或安裝在發(fā)酵罐排氣系統(tǒng)上的，可將泡沫打破、分離成液態(tài)和氣態(tài)兩相的裝置。,化學消泡法：加入消泡劑，使泡沫失穩(wěn)，發(fā)酵時多用豆油。,63,64,安裝在罐內(nèi)的消泡裝置,安裝在發(fā)酵罐內(nèi)、轉(zhuǎn)動軸的上部，齒面略高于液面，直徑為0.8-0.9D。 若其由攪拌軸帶動，則轉(zhuǎn)速不高，效果不佳。 下圖為耙式消泡器。,65,安裝在罐外的消泡裝置接于罐的排氣口,旋風式消泡器 其工作原理與旋風分離

19、器相同。 右圖為改進的旋風式消泡器，它可以和消泡劑盒配合使用，并根據(jù)發(fā)酵罐內(nèi)的泡沫情況自動添加消泡劑，,66,,,例：,67,離心式消泡器 是一種離心式氣液分離裝置。離心式消泡器裝于排氣口上，夾帶液沫的氣流以切線方向進入分離器中，由于離心力的作用，液滴被甩向器壁，經(jīng)回流管返回發(fā)酵罐，氣體則自中間管排出。,68,刮板式消泡器,工作原理：刮板旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速為10001400轉(zhuǎn)/分，使泡沫產(chǎn)生離心力被甩向殼體四周。消泡后的液體及部分泡沫集中于殼體的下端，經(jīng)回流管返回發(fā)酵罐，而被分離后的氣體則通過氣體出口排出。,,69,碟片式消泡器,碟片式消泡器裝在發(fā)酵罐的頂部，轉(zhuǎn)軸通過兩個軸封與發(fā)酵罐及排氣管連接。 當

20、泡沫溢上與碟片式消泡器接觸時，泡沫受高速旋轉(zhuǎn)離心碟的離心力作用，將泡沫破碎分離成液態(tài)及氣態(tài)兩相，氣相通過通氣孔沿空心軸向上排出，液體則補甩回發(fā)酵罐中。,70,罐外消泡器總結(jié),可分為： 無動力，泡沫切線進入： 旋風式消泡器 離心式消泡器 外加動力（電機）： 刮板式消泡器 碟片式消泡器,71,發(fā)酵罐的冷卻,主要是考慮： 微生物發(fā)酵過程的發(fā)酵熱 機械攪拌消耗的功率移送給培養(yǎng)基的熱量 此外還要考慮,發(fā)酵罐空消、實消后的冷卻時間。,9.傳熱系統(tǒng)（發(fā)酵罐需加熱還是冷卻？）,72,換熱夾套：在小型罐中往往應用夾套換熱裝置，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，易清洗。 換熱系數(shù)較低，

21、故只用于5m3以下的小罐。夾套的換熱系數(shù)在400600kJ(m2h)之間。,,73,立式蛇管：在罐內(nèi)設4組或8組蛇管。其優(yōu)點為：管內(nèi)水的流速大，傳熱系數(shù)高，在12004000kJ(m2h)之間。 可兼起檔板的作用。 缺點：罐內(nèi)立式蛇管體積約占發(fā)酵罐的1.5 %容積，蛇管一旦發(fā)生泄漏，將造成整個罐批的發(fā)酵液染菌，且罐內(nèi)蛇管也給罐體清洗帶來了不便。,74,近來新型發(fā)酵罐的冷卻面移至罐外,采用半圓形外蛇管 優(yōu)點 罐體容易清洗 增強罐體強度,因而可大大降低罐體壁厚,使整個發(fā)酵罐造價降低 提高了發(fā)酵罐的容積,增大放罐體積,75,10 測量儀表,發(fā)酵罐檢測參數(shù)有:攪拌速度、罐內(nèi)壓力、溫度、空氣流量、泡沫度

22、,此外還有pH 值、溶氧值、氧化還原電位等 這些檢測元件必須能滿足蒸汽滅菌和不能對發(fā)酵液產(chǎn)生污染 儀表的測量點的位置應根據(jù)罐內(nèi)發(fā)酵液的流型進行合理的布點,76,pH電極,溶氧電極,77,11.發(fā)酵罐的管路、接口,罐體上的通道口一般有： 進料口放料口接種口取樣口 消泡劑口補料口進氣口排氣口,發(fā)酵罐的工作周期 空消實消降溫、通氣接種、補料、取樣放料清洗,進料管路有時配在罐體上封頭,有時位于罐體下部與放料管路共用一個管口 有時取樣、放料、接種使用一個口,有沒有蒸汽進口？,78,,實罐滅菌： “三路進汽”、 “非進即出” “三路進汽”就是在對培養(yǎng)基滅菌時，讓蒸汽從空氣進口、排料口、取樣口進入罐內(nèi)，由于

23、這三個管都是插入到發(fā)酵醪中，若不進蒸汽就會形成滅菌死角。 所有進入發(fā)酵罐的管道在滅菌過程中如果不進入蒸汽就一定要進行排氣，使所有管道都被蒸汽（或二次蒸汽）通過。,79,,蒸汽管路的分支： A ：滅罐：三路進氣 通氣管、取樣管、放料管 B：滅分空氣過濾器 C：滅旋風分離消泡器 D：滅與罐相連的管道 E：滅菌過程的預熱：通入夾套,80,無菌空氣管道分支： A：發(fā)酵罐的通氧 注意：止回閥（安裝位置） B：對已經(jīng)滅菌的管道進行壓力保持,81,其它細節(jié) A：空氣流量計 B：壓力表 C：取樣口 每次取樣均需滅菌,82,11.發(fā)酵罐的管路配置、滲漏與死角的排除,盡量減少管路 止回閥 消滅死角小辮子（在主閥

24、門底部焊上，專門做排氣用） 閥門反裝 消滅滲漏 滅菌時各蒸汽進口壓力均一 冷凝水及時排出、蒸汽管道保溫 滅菌后的管道應汽封或無菌空氣保壓,83,閥門,發(fā)酵工業(yè)中由于使用高溫蒸汽對發(fā)酵設備進行滅菌, 因此閥門要求是蒸汽級密封。 截止閥 發(fā)酵用閥門開啟頻繁, 并經(jīng)常受介質(zhì)腐蝕、沖刷和氣蝕的損害。因此對發(fā)酵工業(yè), 閥門閥體材料用不銹鋼, 軟密封關(guān)閉件用可更換的聚四氟乙烯墊片,84,85,止回閥注意：止回閥沒有調(diào)節(jié)流量的需要，只是確保流向,86,止回閥,,隔膜閥,截止閥,87,閥門安裝,與發(fā)酵罐接觸的截止閥，應保證閥座與罐相連。以防閥桿處瀉露造成污染,安裝于一般容器的進料閥方向,安裝于發(fā)酵罐時的方向,88,對截止閥的加工：抗生素閥,發(fā)酵對接觸發(fā)酵液的管道、閥門要求無菌, 因此要求對這類管道、閥門滅菌時要保持蒸汽流通,,89,90,發(fā)酵罐的基本條件,（1） 發(fā)酵罐應具有適宜的徑高比。罐身越高，氧的利用率越高。 （2） 發(fā)酵罐能承受一定的壓力。 （3）要保證發(fā)酵液必須的溶解氧。 （4）發(fā)酵罐應具有足夠的冷卻面積。 （5） 發(fā)酵罐內(nèi)應盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌。 （6） 攪拌器的軸封應嚴密，減少泄漏。,