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  1、第八章发酵罐放大与设计本章内容一、发酵罐的发展二、发酵罐的类型三、发酵罐的结构四、通用式发酵罐的设计与放大五、重组菌生物反应器 发酵罐：进行微生物深层培养的反应器统称为发酵罐一、发酵罐的发展大型发酵罐二、发酵罐的类型（1）通用式发酵罐通用式发酵罐是指带有通气和机械搅拌装置的发酵罐，是工业生产里最常用的发酵罐。（2）气升式发酵罐此类发酵罐是依靠无菌压缩空气作为液体的提升力，使罐内发酵液通过上下翻动实现混合和传质传热过程。其特点是结构相对比较简单，无轴封，不易污染，氧传质效率高，能耗低，安装维修方便。（3）管道式发酵罐管道式发酵罐是以发酵液的流动代替搅拌作用，依靠液体的流动，实现通气混合与传质等目的。（4

  2、）固定化发酵罐固定化发酵罐是一种在圆筒形的容器中填充固定化酶或固定化微生物进行生物催化反应的装置。其优点是生物利用率比较高。（5）自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种无需其他气源供应压缩空气的发酵罐，其关键部位是带有中央吸气口的搅拌器。在搅拌过程中可以自吸入过滤空气，适合于耗氧很低的发酵类型。（6）伍式发酵罐伍式发酵罐的主要部件是套筒、搅拌器。搅拌时液体沿着套简外向上升至液面，然后由套筒内反回罐底，搅拌器是用6根弯曲的中空的不锈钢管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。这种发酵罐多应用于纸浆废液发酵生产酵母。设备的缺点是结构较为复杂，清洗筒套较困难，消耗功率较高。发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。

  3、 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） 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 重组菌生物反应器 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 三、发酵罐的结构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. 换热装置三、发酵罐的结构1.外形、结构及几何尺寸要求 H/D=1.73 H筒身高度 D-发酵罐直径 HL/D=22.5 HL按照装料VL=70%V总计算 d/D=1/3

  4、1/2 d搅拌器直径 W/D=1/121/8（取0.1 ，并留12cm间隙，防死角） W档板宽度B/D=0.81.0 B下搅拌器距底间距 (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动量传递（N、Ws），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，传热及混合效果效果的改善：转速，搅

  5、拌器（桨）的形式和数量 2. 搅拌装置（续）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 。桨叶型式：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。 ：弯平箭 ；：弯 箭平在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平弯箭翻动流体能力：箭弯平综合传质+混合，弯叶最好。 2. 搅拌装置（续）搅拌桨的层数：根据 H/D及（s/d）n 的要求做计算。一般34层，底层搅拌最重要，占轴功率的40% ，所具叶片数最多（68片）。 2. 搅拌装置（续）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

  6、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. 搅拌装置（续）轴承为减少震动，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0.40.7。为避免轴颈磨损，可以在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。2. 搅拌装置(续）轴封轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加

  7、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。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。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

  8、 3.挡板(续）说明 竖立的蛇管、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（0.20.4）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 慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径10-20mm）。 快速：对于底搅拌，可在罐顶装半封闭涡轮消沫器， 单用电机。 旋风分离 叶轮离心式消泡桨直径：L=（0.8-0.9）D（罐径），以不妨碍旋转为原则与消泡剂合用 内部外部 适于不易染菌的工艺 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，

  9、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：5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr 竖式蛇管：5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2hr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。四、发酵罐的设计与放大1.发酵罐设计的根本原则 2.发酵罐最大生产能力的确定 3.发酵罐设计的基础要求 4.发酵罐的放大设计四、发酵罐的设计与放大1.发酵罐设计的根本原则 能否适合于生产的基本工艺的放大要求能否获得最大的生产效率2.发酵罐最大生产能力的确定 两方面因素的比较微生物生长率

  10、、产物转化率 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）是发酵罐设计的第一个任务 发酵罐的操作因素(传递性能)2.发酵罐最大生产能力的确定（续）传质工程随规模扩大， （比表面积），KLa ，同等条件下传氧效率传热工程 产热Q1 V罐体积 传热Q2 除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关 键。V， 3.发酵罐设计的基础要求 （1）发酵罐应具有适宜的高径比，罐身长，氧的利用率相比来说较高。（2）发酵罐能承受一定的压力。（3）发酵罐的搅拌通气装置要能使气泡破碎并分散良好，气液混合充分，保证发酵液有充足的溶解氧，以利于好氧菌的生长代谢的需要。（4）发酵

  11、罐应拥有非常良好的循环冷却和加热系统。（5）发酵罐内壁应抛光到一定精度，最好能够降低死角，避免藏垢积污，易于彻底灭菌，防止杂菌污染。基础要求（续）（6）搅拌器的轴封应严密，尽可能的避免泄漏。（7）发酵罐传递效率高，能耗低。（8）具有机械消泡装置，要求放料、清洗、维修等操作简单便捷。（9）根据发酵生产的实际要求，可以为发酵罐安装必要的温度、pH、液位、溶解氧、搅拌转速、及通气流量等传感器及补料控制装置，以提高发酵水平。4.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

  12、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”（2）. 放大准则通常结合实际发酵中主要影响因素来确定，如：KLa、 P/V（单位体积功率）、nd（末端剪切力）等等。（3）. 放大方法经验放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经验放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：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

  13、寸放大 放大倍数m指罐的体积增加倍数，即 几何相似，则 空气流量放大空气流量放大以VVM相等的原则放大空气流量放大以Ws相等的原则放大空气流量放大以KLa相等的原则放大 又 空气流量放大以KLa相等的原则放大空气流量放大的比较按搅拌功率相等的准则放大n2=n1(d1/d2)0.667p2=p1(d2/d1)3n2=n1(d1/d2)0.745(ws2/ws1)0.08p2=p1(d2/d1)2.765(ws2/ws1)0.24非几何放大多用于菌株对剪切力敏感的发酵放大设计。五、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

  14、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。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：采取了特殊的取样系统；灭菌处理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。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根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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