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1、本章内容本章内容一、一、发酵罐的发展发酵罐的发展二、二、发酵罐的类型发酵罐的类型三、三、发酵罐的结构发酵罐的结构三、通用式发酵罐的设计与放大三、通用式发酵罐的设计与放大（一）（一）发酵罐设计基本原则和要求发酵罐设计基本原则和要求（二）（二）发酵罐放大设计发酵罐放大设计四、四、重组菌生物反应器重组菌生物反应器 n发酵罐：进行微生物深层培育的反应器统称为发酵罐发酵罐：进行微生物深层培育的反应器统称为发酵罐大型发酵罐大型发酵罐n发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。n 顶搅拌顶搅拌 轴封轴封n 底搅拌底搅拌 磁传动磁传动 n 气鼓式（鼓泡式）
2、气鼓式（鼓泡式）n 内循环内循环n 外循环外循环 n 管道式反应器：流淌代替搅拌管道式反应器：流淌代替搅拌n 填充床（液体循环）填充床（液体循环）n 流化床（同通气搅拌）流化床（同通气搅拌）n 自吸式发酵罐自吸式发酵罐：不须要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入：不须要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气空气n 伍式发酵罐伍式发酵罐：多用于纸浆废液发酵生产酵母：多用于纸浆废液发酵生产酵母 n 重组菌生物反应器重组菌生物反应器n n 通用式搅拌罐通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌满足供氧、通气、搅拌)气气升式发酵罐升式发酵罐 循环式循环式固固定化发酵罐定化发酵罐 1.外形、结构及几何尺寸要求外形、结构及
3、几何尺寸要求 nH/D=1.73 H筒身高度 nHL/D=22.5 HL依据装料VL=70%V总计算 nd/D=1/31/2 d搅拌器直径 nW/D=1/121/8（取0.1，并留12cm间隙，以防角）n W档板宽度nB/D=0.81.0 B下搅拌器距底间距 n(s/d)2=1.52.5 可以取相同值，1.5 s/d 2 (s/d)3=12 s搅拌器间距 2.搅拌装置搅拌装置n搅拌的目的搅拌的目的 n打碎气泡，增加气液接触面积，即打碎气泡，增加气液接触面积，即aan产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间 n造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，造成湍流，减小气泡
4、外滞流液膜的厚度，KLKLn动量传递（动量传递（N N、WsWs），有利于混合及固体物料保持悬浮状态），有利于混合及固体物料保持悬浮状态n搅拌的效果搅拌的效果:n原生流原生流圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流速圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流速V V原原n n n 挡板作用：次生流挡板作用：次生流轴向运动、翻动，确定混合好坏，轴向运动、翻动，确定混合好坏，V V次次n2n2n搅拌效果评价：传质，传热及混合效果搅拌效果评价：传质，传热及混合效果n效果的改善：转速，搅拌器（桨）的形式和数量效果的改善：转速，搅拌器（桨）的形式和数量 2.搅拌装置（续）搅拌装置（续）n搅拌器的形式搅拌器
5、的形式 ：通用式发酵罐大多接受涡轮式搅拌：通用式发酵罐大多接受涡轮式搅拌器器 ，而又以圆盘涡轮搅拌器为主，而又以圆盘涡轮搅拌器为主 。n桨叶型式：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、桨叶型式：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、n箭叶式三种。箭叶式三种。n叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。n ：弯：弯 平平 箭箭 ；：弯：弯 箭箭 平平在相同的搅拌功率在相同的搅拌功率PG下，下，粉碎气泡实力：平粉碎气泡实力：平弯弯箭箭 综合传质综合传质+混合，混合，翻动流体实力：箭翻动流体实力：箭弯弯平平 弯叶最好（对于弯叶最好（对于KLa）。）。2.搅拌装置（续）搅拌装
6、置（续）n搅拌桨的层数：依据搅拌桨的层数：依据 H/D及（及（s/d）n 的要求的要求进行计算。一般进行计算。一般34层，层，底层搅拌最重要，占轴底层搅拌最重要，占轴功率的功率的40%，所具叶片，所具叶片数最多（数最多（68片）。片）。2.搅拌装置（续）搅拌装置（续）联轴器联轴器n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坚固的刚性联接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可接受法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。2.搅拌装置（续）轴承搅拌装置（续）轴承n为了削减振动，中型发酵罐一般在罐内为了削减振动，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴装
7、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承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调整。罐内轴承不能加润滑油，应适当调整。罐内轴承不能加润滑油，应接受液体润滑的塑料轴瓦接受液体润滑的塑料轴瓦(如聚四氟乙烯如聚四氟乙烯等等)，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.40.7。为了防止轴颈磨损，可以在。为了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套。与轴承接触处的轴上增加一个轴套。2.搅拌装置（续）变速装置搅拌装置（续）变速装置n试验罐接受无级变速装试验罐接受无级变速装置。发酵罐常用的变速置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，装置有三角皮带传动
8、，圆柱或螺旋圆锥齿轮减圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮速装置，其中以三角皮带变速传动较为简便。带变速传动较为简便。2.搅拌装置搅拌装置(续）轴封续）轴封n轴封的作用是使罐顶轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。常用漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端的轴封有填料函和端面轴封两种。面轴封两种。填料函式轴封填料函式轴封n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。端面式轴封端面式轴封n端面式轴封又称机械端面式轴封又称机械轴封。密封作用是靠轴封。密封作用是靠弹性元件（弹簧、水弹性
9、元件（弹簧、水纹管等）的压力使垂纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转互贴合，并作相对转动而达到密封。动而达到密封。3.3.挡板挡板 n挡板的作用：变更液流方向，由径向流挡板的作用：变更液流方向，由径向流轴向流，促使流体轴向流，促使流体翻动，增加传质和混合。翻动，增加传质和混合。n档板宽档板宽：W/D=1/12-1/8 (取取0.1)n全档板条件：指在确定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加档板全档板条件：指在确定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消逝或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本
10、消逝,即要即要满足下式：满足下式：n （W/D）Z=0.4 Z档板数档板数n 3.3.挡板挡板(续）续）n说明说明 n直立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不另直立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不另加档板。故一般装加档板。故一般装4 4块档板，可满足全档板条件。块档板，可满足全档板条件。n档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）为档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）为止。止。n档板与罐壁间留缝隙，距离为（档板与罐壁间留缝隙，距离为（0.20.40.20.4）W W，目的是，目的是去除死角。去除死角。n nn 4.4.消泡器消泡器 n作用：裂开气泡，改善供氧，防止污染。作
11、用：裂开气泡，改善供氧，防止污染。n消泡桨形式消泡桨形式 n 慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径10-20mm10-20mm）。）。n 快速：对于底搅拌，可在罐顶装半封闭涡轮消沫器，快速：对于底搅拌，可在罐顶装半封闭涡轮消沫器，n 单用电机。单用电机。n 旋风分别旋风分别 n 叶轮离心式叶轮离心式n消泡桨直径：消泡桨直径：L=L=（0.8-0.90.8-0.9）D D（罐径），以不阻碍旋转为原则（罐径），以不阻碍旋转为原则n与消泡剂合用与消泡剂合用n 内部内部外部外部 适于不易染菌的工艺适于不易染菌的工艺 5.空气分布器空气分布器n作用：吹入无菌空气，并使其分布匀整作
12、用：吹入无菌空气，并使其分布匀整n型式：型式：n 单单孔孔管管：开开口口朝朝下下，防防止止堵堵塞塞；管管口口距距罐罐底底约约40mmn 环环形形管管：适适用用于于细细度度微微小小且且易易溶溶于于水水的的固固体体发发酵原料）酵原料）6.换热装置换热装置n夹套式：夹套式：5T5T以下用外夹套式，以下用外夹套式，K K传热系数传热系数=400-600kJ/m2 hr=400-600kJ/m2 hr n竖式蛇管：竖式蛇管：5T5T以上；以上；K K传热系数传热系数=1200-1890kJ/m2hr=1200-1890kJ/m2hrn竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，竖式列管（排
13、管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，适用于气温较高，水源足够的地区。适用于气温较高，水源足够的地区。1.1.发酵罐设计的基本原则发酵罐设计的基本原则 n能否适合于生产工艺的放大要求能否适合于生产工艺的放大要求n能否获得最大的生产效率能否获得最大的生产效率2.2.发酵罐最大生产实力的确定发酵罐最大生产实力的确定 n两方面因素的比较两方面因素的比较n微生物生长率、产物转化率微生物生长率、产物转化率 传质效率传质效率（KLa、传氧效率传氧效率）传热效率传热效率 混合效率混合效率n改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的首要
14、任务首要任务 发酵罐的操作因素发酵罐的操作因素(传递性能传递性能)2.2.发酵罐最大生产实力的确定（续）发酵罐最大生产实力的确定（续）n传质工程传质工程n随规模扩大，随规模扩大，KLa KLa ，同等条件下传氧效率，同等条件下传氧效率n传热工程传热工程 n产热产热Q1 VQ1 V罐体积罐体积 n n传热传热Q2 Q2 n除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能特别关除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能特别关n 键。键。V，3.发酵罐设计的发酵罐设计的基本要求基本要求 n发酵罐能在无杂菌污染条件下，长期运转。搅拌器轴封严发酵罐能在无杂菌污染条件下，长期运转。搅拌器轴封严密，削减泄漏；结构
15、紧凑，附件少；无死角，内壁光滑；密，削减泄漏；结构紧凑，附件少；无死角，内壁光滑；管道等尽可能焊接，少用法兰；可维持确定正压；取样口管道等尽可能焊接，少用法兰；可维持确定正压；取样口易于灭菌，各部分能单独灭菌。易于灭菌，各部分能单独灭菌。n传质效果好（传氧性能好，传质效果好（传氧性能好，KLaKLa大）大）。n有足够的冷却面积（传热性能好，冷却实力强）。有足够的冷却面积（传热性能好，冷却实力强）。n功耗低（传递效率高，节能）。功耗低（传递效率高，节能）。n接受不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。接受不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。n4.4.基本要求（续）基本要求（续）n应有基本限制系统（如应有基本限制
16、系统（如T T、pHpH、甚至、甚至DO2DO2）。）。n具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂）。具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂）。n具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。n要求放料、清洗、修理等操作简便，劳动消耗低。要求放料、清洗、修理等操作简便，劳动消耗低。n试验罐、中试罐应与生产罐有相像的几何形态，以利于放大。试验罐、中试罐应与生产罐有相像的几何形态，以利于放大。nnn（五）发酵罐的放大设计（五）发酵罐的放大设计1.放大的目的和任务放大的目的和任务2.放大准则放大准则3.放大方法放大方法1.放大的目的和任务放大的目的和任务目的：实现生物技术成果走向
17、产业化目的：实现生物技术成果走向产业化 生物技术产品产业研发的三个阶段：生物技术产品产业研发的三个阶段：试验室规模：菌种选育及发酵条件优化试验室规模：菌种选育及发酵条件优化 中试规模：确定放大规律及最佳操作条件中试规模：确定放大规律及最佳操作条件 工厂规模：通过产业化试验评价经济效益工厂规模：通过产业化试验评价经济效益任务：力求保持全部规模的发酵过程中有最佳的任务：力求保持全部规模的发酵过程中有最佳的外部条件，确保外部条件，确保“发酵单位相像发酵单位相像”2.放大准则放大准则通常依据实际发酵中主要影响因素来确通常依据实际发酵中主要影响因素来确定，如：定，如：KLa、P/V、nd等等。等等。3.
18、放大方法放大方法阅历放大法阅历放大法几何相像法几何相像法非几何相像法非几何相像法量纲（因次）分析法量纲（因次）分析法时间常数法时间常数法数学模型法数学模型法几何相像法几何相像法在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空气流量、在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空气流量、搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题，即操作参数的放大搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题，即操作参数的放大设计。常用的放大方法有：设计。常用的放大方法有：几何尺寸放大几何尺寸放大空气流量放大空气流量放大v VVM相等相等v Ws相等相等v KLa相等相等搅拌功率及搅拌转速的放大搅拌功率及搅拌转速的放大几何尺寸放大几何尺寸放大 n
19、放大倍数放大倍数m指罐的体积增加倍数，即指罐的体积增加倍数，即n 几何相像，几何相像，n则则n n 空气流量放大空气流量放大以以VVM相等的原则放大相等的原则放大空气流量放大空气流量放大以以Ws相等的原则放大相等的原则放大空气流量放大空气流量放大以以KLa相等的原则放大相等的原则放大 又 空气流量放大空气流量放大以以KLa相等的原则放大相等的原则放大四、重组菌生物反应器四、重组菌生物反应器 1.与一般微生物发酵罐最大的区分：与一般微生物发酵罐最大的区分：带有严格防止重组菌外泄的部件带有严格防止重组菌外泄的部件2.重组菌泄漏途径：重组菌泄漏途径：1)排气外泄排气外泄防防治治措措施施：排排出出的的
20、气气体体应应要要经经过过加加热热灭灭菌菌或或用用微微孔过滤器除菌后才能排放到空气中。孔过滤器除菌后才能排放到空气中。2)生物反应器渗漏生物反应器渗漏防防治治措措施施：90L以以下下的的发发酵酵罐罐可可接接受受磁磁力力搅搅拌拌；对对于于体体积积较较大大的的发发酵酵罐罐应应接接受受双双端端面面密密封封,且且用用作作润润滑滑剂剂的的无无菌菌水水的的压压力力应应高高于于生生物物反反应应器器内内的压力。的压力。3)取取样样泄泄漏漏防防治治措措施施：接接受受特特殊殊的的取取样样系系统统；灭灭菌处理菌处理n大肠杆菌发酵过程中，当发酵罐的通气大肠杆菌发酵过程中，当发酵罐的通气量为量为1:100，搅拌速度为，搅
21、拌速度为400r/min时，在时，在接种后的接种后的4h内有内有511个大肠杆菌细胞从排个大肠杆菌细胞从排气过程中流出，在随后的气过程中流出，在随后的1.5h中，有中，有1267个大肠杆菌细胞在排气过程中被带个大肠杆菌细胞在排气过程中被带出。出。本章小结本章小结n了解发酵罐的类型，驾驭通用式发酵罐的基本了解发酵罐的类型，驾驭通用式发酵罐的基本结构结构n了解发酵罐设计的基本原则和要求了解发酵罐设计的基本原则和要求n了解发酵罐放大设计的方法了解发酵罐放大设计的方法n了解重组菌生物反应器的特殊要求了解重组菌生物反应器的特殊要求人有了学问，就会具备各种分析实力，明辨是非的实力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富学问，培育逻辑思维实力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培育文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的学问面。有很多书籍还能培育我们的道德情操，给我们巨大的精神力气，鼓舞我们前进。