发酵工程发酵罐放大与设计解读

传热工程
产热Q1 V罐体积
传热Q2 A罐表面积
V↑，
A V
1↓
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。
5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr•℃
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
▪ 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
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)
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
1.外形、结构及几何尺寸要求
H/D=1.7－3
H—筒身高度
HL/D=2－2.5
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
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
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
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。
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
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
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 叶轮离心式
适于不易染菌的发酵工艺
通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 ) 顶搅拌 轴封 底搅拌 磁传动
气升百度文库发酵罐
气鼓式（鼓泡式） 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 固定化发酵罐 填充床（液体循环）
带有中央 吸气口
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
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
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
▪发酵罐的操作因素(传递性能)
传质效率（KLa、传氧效率） 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↓
翻动流体能力：箭>弯>平
综合传质和混合能力：弯叶最好
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
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。
搅拌效果评价：传质、传热及混合效果
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
k( PG V
)α WSβ
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭
的连接应垂直，中心线对正。
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。