第七章-发酵设备及放大ppt课件.ppt

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1、第六章 发酵设备国内、外发酵设备公司国内、外发酵设备公司德国贝朗德国贝朗 占中国占中国80%以上的市场以上的市场瑞士比欧瑞士比欧美国美国NBS韩国韩国日本日本华东理工大学华东理工大学江苏理工大学江苏理工大学(二)发酵罐的发展历史共分为五段：共分为五段：第一阶段第一阶段: :19001900年以前，它带有简单的年以前，它带有简单的温度和热交温度和热交换仪器，木质容器造酒。换仪器，木质容器造酒。第二阶段第二阶段: :1900190019401940年，出现了年，出现了200m200m3 33 3的钢制发酵的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器空气分布器，机

2、，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。械搅拌开始用在小型的发酵罐中。第三阶段：第三阶段：1940194019601960年，年，青霉素，通风、机械搅青霉素，通风、机械搅拌、无菌操作和纯种培养拌、无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，等一系列技术开始完善，计算机计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。和纯化设备逐步实现商品化。第四阶段：第四阶段：1960196019791979年。机械搅拌通风发酵罐的年。机械搅拌通风发酵罐的容容积增大积增大到到8080150m150m3 33 3。出现了出现了压力循环和压力喷射型压力循环和压力喷射

3、型的发酵罐，它可以克服一些气体交换和热交换问题。的发酵罐，它可以克服一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。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：第五阶段：19791979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，年至今。生物工程和技术的迅猛发展，大规模大规模细胞培养细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素、干扰素等发酵罐应运而生，胰岛素、干扰素等基因工程的产品走上商品化。基因工程的产品走上商品化。 5发酵罐应该满足什么功能？n可反复灭菌可反复灭菌 （耐压性能耐压性能 ，材料要求，材料要求）n不易染菌不易染菌 （设备简单，少死角设备简单，少死角 ）n供氧供氧n混合混合 （通气、搅拌

4、设备通气、搅拌设备）n加热和冷却功能（加热和冷却功能（传热设备传热设备 ）n加料、补料、放料加料、补料、放料 （附属管道、阀门附属管道、阀门 ）n参数检测参数检测 （温度、温度、pH、溶氧电极、溶氧电极 ）也有些要求相对简单的液体培养设备61 1 罐体罐为一个受压容器罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为，通常灭菌的压力为2.52.5公斤公斤/ /厘米厘米2 2（绝对压力）。（绝对压力）。由由 圆柱体圆柱体 + + 椭圆形或碟形封头椭圆形或碟形封头 焊接而成焊接而成对于大型发酵罐可用衬不锈钢板，衬里用的不锈对于大型发酵罐可用衬不锈钢板，衬里用的不锈钢板厚为钢板厚为2323毫米毫米其它材料的液体发酵

5、设备？7大小罐的结构区别罐径在罐径在1 1米以下的小型发酵罐，罐顶和罐身米以下的小型发酵罐，罐顶和罐身采用法兰连接采用法兰连接大中型发酵罐：整体焊接。大中型发酵罐：整体焊接。5 5吨以下罐，用夹套加热和冷却吨以下罐，用夹套加热和冷却5 5吨以上罐，用罐内的蛇管加热和冷却吨以上罐，用罐内的蛇管加热和冷却82.搅拌器搅拌器的作用是：搅拌器的作用是：产生强大的总体流动：宏观均匀翻动产生强大的总体流动：宏观均匀翻动产生强烈的湍动：微观均匀剪切产生强烈的湍动：微观均匀剪切搅拌产生三种基本流型：搅拌产生三种基本流型：切向流、切向流、 轴向流、轴向流、 径向流。径向流。三种基本流型，同时存在。三种基本流型，

6、同时存在。其中，轴向流与径向流对混合起主要作用其中，轴向流与径向流对混合起主要作用而切向流应加以抑制，可通过加入挡板来削弱。而切向流应加以抑制，可通过加入挡板来削弱。9流型径向流（流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，径向流（流体流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再碰到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流动。）回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流动。）轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上动，使

7、流体向下流动，遇到容器底面再翻上，形成上下循环流）下循环流）切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周速高时液体表面会形成旋涡，此时流体从浆叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。）10径向式搅拌器径向式搅拌器n涡轮式搅拌器分为：平叶式、弯叶式、箭叶式三种涡轮式搅拌器分为：平叶式、弯叶式、箭叶式三种n涡轮搅拌器要安一个圆盘涡轮搅拌器要安一个圆盘q为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升11相同半径、

8、转速时，功率消耗：相同半径、转速时，功率消耗：平叶弯叶箭叶平叶弯叶箭叶相同搅拌功率下，三者的相同搅拌功率下，三者的粉碎气泡粉碎气泡的能力：的能力：平叶弯叶箭叶平叶弯叶箭叶相同搅拌功率下，三者相同搅拌功率下，三者翻动流体翻动流体的能力：的能力：平叶弯叶箭叶平叶弯叶箭叶微观湍动宏观翻动12轴向式搅拌器轴向式搅拌器b桨叶式桨叶式b旋桨式旋桨式bLightninLightnin式式133. 3. 挡板挡板的作用：改变液流的方向，将切向流改为轴向流挡板的作用：改变液流的方向，将切向流改为轴向流, ,防止产生漩涡防止产生漩涡数目通常为数目通常为4 46 6块，其宽度为块，其宽度为0.10.10.12 D0

9、.12 D全挡板条件全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时：是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时, ,搅拌功率不再增加。（消除液面漩涡的最低条件）。搅拌功率不再增加。（消除液面漩涡的最低条件）。144.4.轴封 轴封的作用：使罐顶或罐轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。防止泄露和污染杂菌。形式：填料函轴封、机械轴形式：填料函轴封、机械轴封两种。封两种。 填料函轴封是由填料箱体，填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。轴达到密封的效

10、果。155.联轴器及轴承 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。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。6.变速装置需要变速的原因：需要变速的原因： 电机的转速大于搅拌器所需转速。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：电机分四级，转速分别约为： 800800、10001000、14001400、1600 rpm1600 rpm；而搅拌转速则一般为而搅拌转速则一般为90-110 rpm90-110 rpm。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。16（7）188.消泡装置泡沫形成的原因泡沫

11、形成的原因发酵液中含有蛋白质等发泡物质。发酵液中含有蛋白质等发泡物质。由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）由外界引进的气流被机械地分散形成（通风、搅拌）危害危害v降低发酵设备的利用率降低发酵设备的利用率v增加了菌群的非均一性增加了菌群的非均一性v增加了染菌的机会增加了染菌的机会v导致产物的损失导致产物的损失v消泡剂会给后提取工序带来困难消泡剂会给后提取工序带来困难19发酵罐的冷却发酵罐的冷却, ,主要是考虑：主要是考虑：微生物发酵过程的发酵热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机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量此外还要考虑此外还要考虑, ,发酵罐空消、实消后的

12、冷却发酵罐空消、实消后的冷却时间。时间。9.传热系统（发酵罐需加热还是冷却？）20换热夹套换热夹套：在小型罐中往往应：在小型罐中往往应用夹套换热装置，优点是结构用夹套换热装置，优点是结构简单，加工方便，易清洗。简单，加工方便，易清洗。换热系数较低，故只用于换热系数较低，故只用于5m5m3 3以下以下的小罐。夹套的换热系数在的小罐。夹套的换热系数在400400600kJ600kJ(m(m2 2h h) )之间。之间。21立式蛇管：在罐内设立式蛇管：在罐内设4 4组或组或8 8组蛇管。其组蛇管。其优点为：管内水的流速大，传热系数高，优点为：管内水的流速大，传热系数高，在在120012004000k

13、J4000kJ(m(m2 2h h) )之间。之间。可兼起档板的作用。可兼起档板的作用。缺点：罐内立式蛇管体积约占发酵罐的缺点：罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1.5 %1.5 %容积，蛇管一旦发生泄漏，将造容积，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。也给罐体清洗带来了不便。2210 测量仪表发酵罐检测参数有发酵罐检测参数有: :搅拌速度、罐内压力、搅拌速度、罐内压力、温度、空气流量、泡沫度温度、空气流量、泡沫度, ,此外还有此外还有pH pH 值、值、溶氧值、氧化还原电位等溶氧值、氧化还原电位等这些检测元件必须能满足蒸汽

14、灭菌和不能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流型进行合理的布点2311.发酵罐的管路、接口n罐体上的通道口一般有：罐体上的通道口一般有：进料口放料口接种口取样口进料口放料口接种口取样口消泡剂口补料口进气口消泡剂口补料口进气口排气口排气口发酵罐的工作周期发酵罐的工作周期n空消空消实消实消降温、通气降温、通气接种、补料、取接种、补料、取样样放料放料清洗清洗进料管路有时配在罐体上封头进料管路有时配在罐体上封头,有时位于罐体下部与放料有时位于罐体下部与放料管路共用一个管口管路共用

15、一个管口有时取样、放料、接种使用一个口有时取样、放料、接种使用一个口有没有蒸汽进口？有没有蒸汽进口？第三节 发酵过程的精确检测 工业发酵研究和开发的目标是利用微生物以工业发酵研究和开发的目标是利用微生物以较为经济的方式获得高附加值产品。较为经济的方式获得高附加值产品。物理参数物理参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响影响温度温度铂电阻铂电阻 热敏电阻热敏电阻 qP c*罐压罐压(0.20.5105Pa)隔膜传感器隔膜传感器压敏电阻压敏电阻Pa保持正压，防止染菌保持正压，防止染菌O2 及及 CO2 的溶解度的溶解度 搅拌转数搅拌转数频率计数器频率计数器 r/min Kla 发酵液的

16、均匀性发酵液的均匀性 搅拌功率搅拌功率(2 -4KW/m3)功率计功率计KwKla空气流量空气流量浮子流量计浮子流量计 孔板差压计孔板差压计 m3 h-1vvm Kla粘度粘度旋转粘度计旋转粘度计 Pa s Kla浊度浊度浊度计浊度计%反映单细胞的生长反映单细胞的生长 料液的流量料液的流量蠕动泵蠕动泵 荷重传感器荷重传感器量筒量筒 L h-1 S 发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制化学参数化学参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响及作用影响及作用pH复合玻璃电极复合玻璃电极 菌体和产物合成速度菌体和产物合成速度酶促反应的方向酶促反应的方向基质浓度

17、基质浓度产物浓度产物浓度HPLC 离子选择电极离子选择电极 生物传感器生物传感器 取样取样g L-1 qP发酵周期的长短发酵周期的长短氧化还原电位氧化还原电位氧化还原电位电极氧化还原电位电极 mV 生长和生化活性生长和生化活性溶氧浓度溶氧浓度覆膜氧电极覆膜氧电极 % qo2气相气相O2含量含量 顺磁氧分析仪顺磁氧分析仪 Pa反映反映OUR 和和 Kla气相气相CO2含量含量 红外气体分析仪红外气体分析仪 %反映反映OUR 和和 Kla发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制生物参数生物参数检测参数检测参数检测方法检测方法 单位单位 影响影响菌丝形态菌丝形态摄像显微镜摄像显微镜 取样镜检取样镜检 反映菌体发育阶段反映菌体发育阶段和正常与否和正常与否菌体浓度菌体浓度取样取样 ：干重、浊度、：干重、浊度、活菌计数、离心沉降活菌计数、离心沉降g L-1 影响菌体的生化反应影响菌体的生化反应Kla发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制 （比生长速率）、 qP（产物合成速率） 、 qS（基质消耗速率） 、 qo2 (OUR)（摄氧率）、 CER(Co2释放速率) 、RQ(呼吸商: CER/ OUR) 、体积溶氧系数体积溶氧系数(KLa)等等间接状态参数间接状态参数发酵工程发酵工程 第六章第六章 发酵条件及过程控制发酵条件及过程控制