【发酵工程_第九章_发酵罐放大与设计解读

本章小结

了解发酵罐的类型，掌握通用式发酵罐的 基本结构

了解发酵罐设计的基本原则和要求 了解发酵罐放大设计的方法 了解重组菌生物反应器的特别要求
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本章内容
一、发酵罐的概念 二、发酵罐的类型 三、发酵罐的结构 三、通用式发酵罐的设计与放大 （一）发酵罐设计基本原则和要求 （二）发酵罐放大设计 四、重组菌生物反应器
一、发酵罐的概念

发酵罐： 进行微生物深层培养的反应器统称为发酵罐
大型发酵罐
二、发酵罐的类型
发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。

搅拌桨的层数： 根据 H/D及（s/d）n 的要求进行计算。一 般3—4层，底层搅拌 最重要，占轴功率的 40% ，所具叶片数最 多（6~8片）。
联轴器


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牢固的刚性联接。 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴 的连接应垂直，中心线对正。
2.发酵罐最大生产能力的确定

考虑两方面因素

微生物生长率、产物转化率

传质效率（KLa、传氧效率） 发酵罐的操作因素(传递性能) 传热效率 混合效率 改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的 首要任务。

传质工程

随规模扩大， α ↓，KLa ↓ ，同等条件下传氧效率↓
产热Q1 V罐体积 传热Q2 A
1.外形、结构及几何尺寸要求

H/D=1.7－3 HL/D=2－2.5
H—筒身高度 HL按照装料VL=70%V总计算


d/D=1/3－1/2 d—搅拌器直径 W/D=1/12－1/8（取0.1 ，并留1—2cm间隙，以 防死角） W—档板宽度 B/D=0.8－1.0 B—下搅拌器距底间距 1.5 ≤s/d≤ 2 s—搅拌器间距
轴承



为了减少震动，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承，底轴承和 中间轴承的水平位置应能适当调节。 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑 料轴瓦(如聚四氟乙烯等)。 轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4~0.7％。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。
∴
(VVM ) 2 WS 2 P2 D1 P2 D1 WS 2 P2 D1 2 3 ( ) (VVM )1 WS 1 P P P D2 1 D 2 1 D2 W 1
S1
四、重组菌生物反应器
1. 与普通微生物发酵罐最大的区别： 带有严格防止重组菌外泄的部件 2. 重组菌泄漏途径： 1) 排气外泄 防治措施： 排出的气体应要经过加热灭菌或用微孔过滤 器除菌后才能排放到空气中。
罐表面积

传热工程

A 1 V↑， ↓ V R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关
键。
3.发酵罐设计的基本要求

发酵罐能在无杂菌污染条件下长期运转。搅拌器轴 封严密，减少泄漏；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 一定正压；取样口易于灭菌，各部分能单独灭菌。
2. 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↑ 有利于混合及固体物料保持悬浮状态 搅拌的效果: 原生流→圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流 速V原∝n 挡板作用：次生流→轴向运动、翻动，决定混合好坏， V次∝n2 搅拌效果评价：传质、传热及混合效果



几何尺寸放大 空气流量放大 VVM相等 Ws相等 KLa相等 搅拌功率及搅拌转速的放大
几何尺寸放大

放大倍数m指罐的体积增加倍数，即
V2 m V1
H1 H 2 ∵几何相似，∴ D1 D2
则

V2 D2 3 4 4 ( ) m 2 2 V1 D1 D1 H 1 D1 D1 4 4
2）端面式轴封

端面式轴封又称机械轴 封。密封作用是靠弹性 元件（弹簧、波纹管等） 的压力使垂直于轴线的 动环和静环光滑表面紧 密地相互贴合，并作相 对转动而达到密封。
3.挡板

挡板的作用：改变液流方向，由径向流→轴向流，促使 流体翻动，增加传质和混合。 档板宽 ：W/D= 1/12-1/8 (取0.1) 全档板条件：指在一定的搅拌转速下，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 失, 即要满足下式： （W/D）•Z =0.4 Z—档板数
2) 生物反应器渗漏 防治措施： 90L 以下的发酵罐可采用磁力搅拌；对于体积 较大的发酵罐应采用双端面密封,且用作润滑剂 的无菌水的压力应高于生物反应器内的压力。 3) 取样泄漏 防治措施： 采用特殊的取样系统；灭菌处理
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大肠杆菌发酵过程中，当发酵罐的通气量 为1:100，搅拌速度为400r/min时，在接种 后的4h内有511个大肠杆菌细胞从排气过 程中流出，在随后的1.5h中，有1267个大 肠杆菌细胞在排气过程中被带出。


说明

竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用， 此外不另加档板。 一般装4块档板，可满足全档板条件。

档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆 柱底）为止。
档板与罐壁间留缝隙，距离为（0.2—0.4） W，目的是去除死角。

4.消泡器
作用：破碎气泡，改善供氧，防止污染。 消泡桨形式 内部 慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径10-20mm）。 快速：对底搅拌可在罐顶装半封闭涡轮消沫器， 单用电机。 旋风分离 外部 适于不易染菌的发酵工艺 叶轮离心式 消泡桨直径：L=（0.8-0.9）D，以不妨碍旋转为原则 与消泡剂合用
传质效果好（传氧性能好，KLa大） 。

有足够的冷却面积（传热性能好，冷却能力强）。
功耗低（传递效率高，节能）。 采用不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。


应有基本控制系统（如T、pH、甚至DO2）。
具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂）。
具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。
要求放料、清洗、维修等操作简便，劳动消耗低。 实验罐、中试罐应与生产罐有相似的几何形状， 以利于放大。
变速装置


试验罐采用无级变速装置。 发酵罐常用的变速装置有 三角皮带传动、圆柱或螺 旋圆锥齿轮减速装置。 其中以三角皮带变速传动 较为简便。
轴封
轴封的作用是使罐顶 或罐底与轴之间的缝 隙加以密封，防止泄 漏和污染杂菌。 常用的轴封有填料函 和端面轴封两种。


1）填料函式轴封

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。
∵
∴
2 VVM 2 P2 D2 VL1 P2 D1 2 VVM 1 P1 D1 VL 2 P1 D2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
K La Qg 2 / 3 HL VL
Q ( g ) 2 (H L ) 2
2 3
( K La ) 2 VL 1 2 Q ( K La )1 ( g )1 ( H L )1 3 VL

竖式蛇管(热交换强、蛇管设于罐内，不易清洁)
5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃

竖式列管（排管）：
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，水源充足的地区。
三、通用式发酵罐的设计与放大 （一）发酵罐设计基本原则和要求 1.发酵罐设计的基本原则

发酵罐能否适合于生产工艺的放大要求 发酵罐能否获得最大的生产效率

5. 空气分布器


作用：吹入无菌空气，并使其分布均匀 型式： 单孔管：开口朝下，防止堵塞；管口距罐底约 40mm 环形管：适用于细度极小且易溶于水的固体发 酵原料）
6. 换热装置

夹套式(结构简单、易加工、易清洁，热交换差)
5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr•℃
D2 H 2
2

D2 D 2
2
∴
H 2 D2 3 m H1 D1
空气流量放大——以VVM相等的原则放大
∵
∴
(VVM ) V2 (VVM ) D WS 2 P PD
(WS ) 2 D2 P 1 (WS )1 D1 P2
空气流量放大——以Ws相等的原则放大
WS 2 (VVM ) 2 P1 D12 VL 2 1 2 WS 1 (VVM )1 P2 D2 VL1

搅拌器的形式 ：通用式发酵罐大多采用涡轮式搅 拌器 ，而又以圆盘涡轮搅拌器为主 。 桨叶类型：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、 箭叶式三种。 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
K La
PG α β k ( ) WS V
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平 综合传质和混合能力：弯叶最好

2. 放大准则
通常根据实际发酵中主要影响因素来确
定，如：KLa、 P/V、nd等等。
3. 放大方法
经验放大法
几何相似法 非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
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 大设计。常用的放大方法有：
轴封 通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 ) 顶搅拌 底搅拌 磁传动 气鼓式（鼓泡式） 气升式发酵罐 内循环 无菌压缩空气作为提升力 循环式 外循环 管道式反应器：发酵液通过管道流动代替搅拌 带有中央 吸气口 固定化发酵罐 填充床（液体循环） 流化床（同通气搅拌） 自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌器自吸入空气 伍式发酵罐 ：发酵罐内设套筒，多用于纸浆废液发酵生产酵母
（二）发酵罐的放大设计
1. 放大的目的和任务
2. 放大准则
3. 放大方法
1. 放大的目的和任务
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： 实验室规模：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 工厂规模：通过产业化实验评价经济效益 任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”。
Q ( g Q ( g VL VL )2 )1 ( H L )1 (H L ) 2
2 3 3

2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
∵ ∴
Qg WS D 2
V D3
HL D
1 WS 2 D ( 2 ) 3 D1 WS 1
又∵
(VVM ) V L (VVM ) D WS 2 P PD