第九章-发酵罐放大与设计.ppt

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1、第八章发酵罐放大与设计第一节发酵设备概述第二节发酵罐的类型第三节发酵罐的结构第四节通用式发酵罐的设计与放大第一节发酵设备概述发酵主要设备为发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料(培养基)调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除菌设备，以及搅拌器等。种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。发酵罐：承担产物的生产任务。它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。一、发酵罐发酵罐：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器

2、，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。二、发酵罐系统一个优良的发酵罐装置和组成：（1）应具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传质与传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表三、发酵罐发展历史第一阶段：1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器第二阶段：1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵

3、过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化四、发酵罐的特点（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。（2）现代发酵工

4、业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、溶解氧电极、溶解二氧化碳电极等的在线检测在国外巳相当成熟。国内目前尚处于起步阶段，发酵检测参数还只限于温度、压力、空气流量等一些最常规的参数。五、典型发酵设备种子制备设备、主发酵设备、辅助设备(无菌空气和培养基的制备)，发酵液预处理设备，粗产品的提取设备、产品精制与干燥设备、流出物回收、利用和处理设备等六、发酵罐工艺操作条件1．温度：25～40℃。2．压力：0～1kg／cm3(表压)。3．灭菌条件；温度100～140℃，压力0～3kg／cm3(表压).4．pH：2～11。5．需氧量：

5、0.05～0.3kmol／m3·h。6．通气量：0.3～2VVM。7．功率消耗：0.5～4kW／m3。8.发酵热量：5000～20000kcal／m3．h。第二节发酵罐的类型1．按微生物生长代谢需要分类：好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气一般认为500L以下的是实验室发酵罐；500-5000L是中试发酵罐；5000L以上是生产规模的发酵罐。2．按容积分类：顶搅拌轴封底搅拌磁传动气鼓式（鼓泡式）内循环外循环管道式反应器：流动代替搅拌填充床（液体循环

6、）流化床（同通气搅拌）自吸式发酵罐：不需要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气伍式发酵罐：多用于纸浆废液发酵生产酵母通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌)气升式发酵罐循环式固定化发酵罐3.按照发酵罐设备特点分类：（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。（2）发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必须的溶解氧。（4）发酵罐应具有足够的冷却面积。（5）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。（6）搅拌器的轴封应严密，防病量减少泄漏。第三节发酵罐的结构发酵罐的基本条件1.外形、结构及几何尺寸要求2.搅拌装置3.挡板4.消泡器5.空气分布器6.换热装置第三节发酵罐

7、的结构H/D=1.7－3HL/D=2－2.5HL按照装料VL=70%V总计算d/D=1/3－1/2W/D=1/12－1/8取0.1，并留1—2cm间隙，以防死角B/D=0.8－1.0(s/d)2=1.5－2.5(s/d)3=1－2可以取相同值，1.5≤s/d≤22.搅拌装置搅拌的目的打碎气泡，增加气液接触面积，即a↑产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KL↑动量