第9章__发酵罐放大与设计

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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
工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的 搅拌器
上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器 下层：以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。
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(3) 挡板
挡板
挡板
空气分布器
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挡板的作用： ——改变液流的方向，由径向流→轴向流，促使液 体激烈翻动，增加溶解氧。 ——防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露 在料液以上，起不到搅拌作用。
发酵罐的基本概念
发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业 的心脏，是连接原料和产物的桥梁。 广义的发酵罐是指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。工业发酵中一般指
进行微生物深层培养的设备。
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一、发酵罐的类型
1、按微生物代谢类型分类
好氧发酵罐 (通风发酵罐)
抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等 需要强烈的通风搅拌→提高氧传质系数KLa
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(1) 罐体的尺寸比例
H：筒身高度 HL：液位高度
D：罐径
d: 搅拌器直径 s: 两搅拌器间距 B：下搅拌器距底 部间距
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(1) 罐体的尺寸比例
以罐体直径D、搅拌器直径d为基准 H/D=1.7－3 HL/D=2－2.5
d/D=1/3－1/2
W/D=1/12－1/8 B/D=0.8－1.0 (s/d)2=1.5－2.5 (s/d)3=1－2
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(7) 联轴器
大型发酵罐搅拌轴较长，常 分为二至三段加工，再用联轴 器组成牢固的刚性联接。
联轴器
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。
法兰
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联轴器示意图
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(8) 轴承
中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中 间轴承。
中间轴承
底轴承
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轴承结构
发酵罐设计与放大
三 四
发酵罐的设计 发酵罐的放大
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二、发酵罐的结构
1. 通用式发酵罐
机械搅拌通风发酵罐
利用机械搅拌器的作用，使无菌空气和发酵液充分混
合，促进氧溶解，以保证微生物的生长繁殖所需要的
氧气。
约占发酵罐总数的70~80%，所以也称标准式或通用
式发酵罐。
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通用式发酵罐的结构
• • • • • • • • • • 罐体 轴封 消泡器 搅拌器 联轴器 轴承 挡板 空气分布管 换热装置 人孔、管路、测量仪表等
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安装在罐外的消泡装置——接于罐的排气口 旋风式消泡器 其工作原理与 旋风分离器相 同。

右图为改进的 旋风式消泡器， 它可以和消泡 剂盒配合使用， 并根据发酵罐 内的泡沫情况 自动添加消泡 剂。
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(6) 空气分布器
作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。 形式：单管；环形管 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气 泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。
发酵液中。
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(2) 搅拌器
搅拌器的类型
类 型
径向式（涡轮式） 轴向式 平叶式、弯叶式和箭叶式 螺旋桨式、浆叶式
轴向
径向
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轴向式搅拌器
桨叶式
螺旋桨式
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径向式(涡轮式)搅拌器
六平叶搅拌器

六弯叶搅拌器
六箭叶搅拌器
涡轮搅拌器要安一个圆盘？ 为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿 轴上升
(10)换热装置
(11)人孔 (12)管路 (13)测量仪表
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思考题
什么是通用式发酵罐？其基本结构包括哪些部 件？各有什么作用？
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立式蛇管：在罐内设4组或8组蛇管。其优点为：管 内水的流速大，传热系数高，在1200～4000kJ／ (m2〃h〃℃)之间。 可兼起档板的作用。 缺点：罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1.5 %容积， 蛇管一旦发生泄漏，将造成整个罐批的发酵液染菌， 且罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便。
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发酵罐最重要的几何比例是D ｉ/Dt，H/Dt，
Ds/Di， Db/Dt，(Di为搅拌浆直径，Dt为罐体
直径， H 为罐体高度，Ds为搅拌浆到罐底的
距离， Db为挡板的宽度)；还有搅拌浆的叶
轮直径和各部分的比例。
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(2) 搅拌器
搅拌器的作用
使通入的空气分散成小气泡，
增加气液接触，促进氧溶解于
第九章 发酵罐放大与设计
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√ √
√
√ √ √
发酵罐
√
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发酵罐放大 与设计
一 发酵罐类型与结构 二 发酵罐的类型 发酵罐的结构
发酵罐设计与放大
三 四
发酵罐的设计 发酵罐的放大
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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
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机械轴封

又称端面轴封

组成
1）动环和静环 2）弹性元件 3）辅助密封元件 “O”形环和平橡胶垫片
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动环固定在轴上，随轴一 起转动。 静环装在壳体上。 动环依靠弹簧的压力与静 环紧密接触 通过相对运动，两个环的 端面互相密切贴合而达密 封目的。 辅助密封圈防止液体从动环 与轴之间泄漏
这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能 对发酵液产生污染 仪表的测量点的位置应根据罐内发酵液的 流型进行合理的布点
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二、发酵罐的结构
1. 通用式发酵罐
通用式发酵罐的主要部件
(1) 罐体 (7)联轴器
(2) 搅拌器
(3) 挡板
(8)轴承
(9)变速装置
(4) 轴封
(5) 消泡器 (6) 空气分布管
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冷却蛇管
椭圆封头
筒体
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（1）罐体 为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手 孔。中大型发酵罐则装设有维修或清洗的人孔。 罐顶还装有视镜。 在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、 接种管和压力表接管。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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结构
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发 酵 罐 结 构 图
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（1）罐体 在罐身上的接管有冷 却水进出管、进空气 管、取样管、温度计 管和测控仪表接口。
管或蛇管也可起相应
的挡板作用。
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一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另 设挡板。 挡板的长度自液面起到罐底为止。 挡板与罐壁之间的距离为（0.2~0.4）W， 避免形成死角，防止物料与菌体堆积。
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(4) 轴封
作用：使罐顶或罐底与 轴之间的缝隙加以密封， 防止泄露和污染杂菌。 形式：
填料函轴封 端面轴封(机械轴封)
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单管：常用，简单实用， 单次通入量大
单管式管口对正罐底中央，装于最低 一挡搅拌器下面，喷口朝下，管口与 罐低的距离约40mm。 为了防止吹管吹入的空气直接喷击 罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布 器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。 可延长罐底寿命，叫补强板。
通风管
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环形管：属于多孔管式。空气分布均匀，效果 不如单管式，且喷气孔容易被堵塞。现很少采用。
近来新型发酵罐的 冷却面移至罐外,采 用半圆形外蛇管
优点
罐体容易清洗 增强罐体强度,因而 可大大降低罐体壁 厚,使整个发酵罐造 价降低 提高了发酵罐的容 积,增大放罐体积
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(11) 人孔
人孔：中大型发酵罐顶装设有人孔，用于 发酵罐的维修或清洗。
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(12) 发酵罐的管路、接口
三角皮带
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(10) 传热装置
发酵罐的冷却,主要是考虑：
微生物发酵过程的发酵热 机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量 此外还要考虑,发酵罐空消、实消后的冷却 时间。
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夹套：在小型罐中往往应用 夹套换热装置，优点是结构 简单，加工方便，易清洗。
换热系数较低，故只用于5m3以 下的小罐。夹套的换热系数在 400～600kJ／(m2〃h〃℃)之间。
厌氧发酵罐 (嫌气发酵罐)
丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等 不需要通气
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一、发酵罐的类型
2、按供氧方式分类
机械搅拌通风发酵罐 （通用式发酵罐） 机械搅拌自吸式发酵罐 伍式发酵罐 气升式发酵罐 非机械搅拌 喷射自吸式发酵罐 塔式发酵罐
机械搅拌 通风 发酵罐
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一、发酵罐的类型
3、新型发酵罐
膜生物反应器
发酵罐的工作周期 空消—实消—降温、通气—接种、补料、取 样—放料—清洗
罐体上的通道口一般有：
进料口 放料口 接种口 取样口 消泡剂口 补料口 进气口 排气口
进料管路有时配在罐体上封头,有时位于罐体下部与 放料管路共用一个管口
有时取样、放料、接种使用一个口
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(13) 测量仪表
发酵罐检测参数有: pH 值、温度、溶氧值、 搅拌速度、罐内压力、空气流量、泡沫度 等
近年来生物工程领域的研究热点
反应 和 分离的耦合 使产物及时移去，降低产物的反馈抑制作用
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发酵罐大小的大致概念

室验室用发酵罐
1 L--50L

中试用发酵罐
50L--5000L
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生产用发酵罐：> 5000 L
抗生素发酵罐的容积以80～200 米3 为主
氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150～300 米3

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(5) 消泡器
1. 化学消泡：植物油脂，动物油脂，高分子化合物。
2. 机械消泡装置：耙式消泡器，涡轮消泡器；旋风离心式和 叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。
罐内消泡
罐外消泡
罐外消泡
耙式消泡器 旋风离心式 叶轮离心式
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旋风式 消泡器
耙式消 泡器
略高于液面，长度 约为0.8~0.9D
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
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挡板的宽度： 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。一般要满足下式： （W/D）•Z =0.4 一般装四块挡板 Z—档板数
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发酵罐内的列管、排
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二、发酵罐的结构
1. 通用式发酵罐
通用式发酵罐的主要部件
(1) 罐体 (7)联轴器
(2) 搅拌器
(3) 挡板
(8)轴承
(9)变速装置
(4) 轴封
(5) 消泡器 (6) 空气分布管
(10)换热装置
(11)人孔 (12)管路 (13)测量仪表
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(1)罐体
罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封 头焊接而成。 小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰 连接 材料一般为不锈钢。

作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响 转动
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(9) 变速装置
需要变速的原因： 电机的转速大于搅拌器所需转速。 电机分四级，转速分别约为： 800、1000、1400、1600 rpm； 而搅拌转速则一般为90-110 rpm。 发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。
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(9) 变速装置
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填料函轴封是由填料箱体、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。
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填料函式轴封的优点是结构简单。 用于发酵罐，它的缺点是：




死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌； 轴的磨损情况较严重； 填料压紧后摩擦功率消耗大； 寿命短，经常维修，耗工时多。

故在发酵罐上，多数不用
珠海益力味精集团有限公司630 米3机械搅拌发酵罐， 是世界上最大的通用式发酵罐之一。 越来越多的啤酒生产厂家采用 400m3 和600m3 大罐, 甚至 800m3 大罐。 新建的酒精生产企业，其发酵罐单罐容积一般在 1000-2000米3之间
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发酵罐放大 与设计
一 发酵罐类型与结构 二 发酵罐的类型 发酵罐的结构