1 生物工程设备 n设备的原理、结构、功 能 n设备的计算、选型 n设备的搭配实例 n液体发酵设备 n培养基制备与灭菌设备 n固液分离设备 n无菌空气制备设备 n萃取设备 n层析与离子交换设备 n蒸发、结晶设备 n精馏设备 n干燥设备 2 参考书 n生物工程设备，陈国豪，化学工业出版社，2007 n生物工程设备，段开红，科学出版社，2007 n生物工程设备，梁世中，中国轻工业出版社，2002 n生物工程设备，郑裕国，化学工业出版社，2007 n抗生素生产设备，俞俊棠，化学工业出版社，1984 n生物工程设备，高平，化学工业出版社，2006 3 每次课后，课件均会发往： bioequipment 密码：gjxy05 （即国际学院05） 大家可去下载 4 第一章 液体发酵设备 5 提纲 n第一节 机械搅拌通风发酵罐 q发酵罐的结构与功能 q计算：数量、尺寸、换热面积、搅拌功率 q发酵罐中的氧传递 q发酵罐的放大设计 n第二节 其它类型的通风发酵罐 n第三节 厌氧发酵设备 6 q室验室用发酵罐 1 L-50L q中试用发酵罐 50L-5000L 发酵罐的 大小的大致概念 7 生产用发酵罐的大小 n 抗生素发酵罐的容积以80200 米3 为主 n 氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150300 米3 n国际上最大标准式发酵罐为美国ADM 公司赖氨酸发酵 罐, 折合公称容积为380 米3 n越来越多的啤酒生产厂家采用 400m3 和600m3 大罐, 甚至 800m3 大罐。 n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 8 表 小型发酵罐技术参数 公称容积筒体高度筒体直径夹套直径转速电机功率 H(mm)D1(mm)D2(mm)r/minKW 50L8133004003400.55 200L11105006003400.75 500L1400700800321 1.5 800L16008009002002.2 1000L160090010002802.3 1200L180090010002003 2000L2100110012002504 3000L2200120013002005.5 5000L3000140015001807.5 9 表 大中型发酵罐技术参数 公称容 量 m3 筒体高度 H(mm) 筒体直径 mm 换热面积 m2 转速 r/min 电机功 率 kw 1032001800121507.5 21 4700220021 15430 30660024003418045 5070002800-300038-6016055 6080003000-32006516065 758000320084165100 10094003600114170130 200115004600221 142215 10 发酵罐应该满足什么功能？ n可反复灭菌 （耐压性能 ，材料要求） n不易染菌 （设备简单，少死角 ） n供氧 n混合 （通气、搅拌设备） n加热和冷却功能 （传热设备 ） n加料、补料、放料 （附属管道、阀门 ） n参数检测 （温度、pH、溶氧电极 ） 也有些要求相对简单的液体培养设备 11 多种设计结构均可完成上述功能 n按供氧方式 分： q机械搅拌通风式 q气升式 q自吸式 n还可按搅拌方式 分： q上搅拌 q下搅拌 12 n轴封 n消泡器 n联轴器 n搅拌器 n中间轴承 n挡板 n空气分布管 n换热装置 n人孔以及管路等 小罐与大罐有不同 的设计 一、结构 第一节 机械搅拌通风发酵罐 13 哪个是小罐？ 14 物 料 罐 台面 空间 布置 15 16 发酵罐的几种工作状态 n空消 n装料 n实消 n接种 n发酵 n放罐 n清洗 空气 蒸汽 冷却水 物料、补料管 接种管 取样、放料管 压力 温度 pH 溶氧 搅拌速度 17 与不同工作状态 相应的，是各种 管道和阀门的开 、关 不仅注意罐的结 构，更要注意管 道与罐的连接 18 1 罐体 n罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2 （绝对压力）。 n由 圆柱体 + 椭圆形或碟形封头 焊接而成 n对于大型发酵罐可用衬不锈钢板，衬里用的不锈钢板 厚为23毫米 其它材料的液体发酵设备？ 表压？ 19 20 大小罐的结构区别 n罐径在1米以下的小型发酵罐，罐顶和罐身采 用法兰连接 n大中型发酵罐：整体焊接。 n5吨以下罐，用夹套加热和冷却 n5吨以上罐，用罐内的蛇管加热和冷却 21 发酵罐：是 薄壁压力容器 操作不当，会造成失稳，原因较多， 下面举例说明 22 内筒不锈钢，外夹套普通碳素钢 23 n某厂曾因蒸汽实罐灭菌后，罐体长时间处于密 封状态, 蒸汽冷凝后罐内成真空, 最后导致罐体 成外压失稳。 一 24 二 湖南衡阳市 25 26 27 28 罐体的尺寸比例：以罐体直径D、搅拌器直径d为基准 n通用发酵罐 通常取值 系数范围 n搅拌器直径 d =1/3D1/21/3 n罐筒身高 H0 =2 D 1.73 n挡板宽度 B =0.1D1/81/12 n搅拌器间距 S=2d1.52.5 n下搅拌器距底间距C= d0.81.0 nHL 装料的液面高度 nha 封头凸出部分的高度，标准椭圆封 头有： ha 0.25D nHb 封头直边高度，据壁厚一般取25、 40、 50mm 29 30 椭圆封头的容积计算公式： 化工设备设计手册 在忽略hb后，有： 因标准椭圆封头，ha=1/4 D 31 公称容积：V0 nV0定义为：罐圆筒部分容积底封头容积 能装 液的体积 n罐中实际装料体积：V 则有： v/v0=0.7-0.8，即 装料系数 n标准椭圆封头时， n取 ，再取D/H=2时，有 32 H/D 的大小 会影响。 n随着罐体高度和液层增高，氧气的利用率增加, 但增 长不是线性关系,随着罐体增高, 增长速率随之减慢。 n液柱增高，进罐要求的空气压力必须提高，空压机的能耗增加 n在罐底气泡受压后体积缩小，气液界面的面积减小 n过高的液柱高度,虽增加了O2的分压，但同样增加CO2分压，增加 了二氧化碳浓度，可能抑制某些发酵菌种 n而且罐体的高度,同厂房高度密切相关。 过高会如何？ 33 例1.1 发酵罐数量与尺寸的计算 n现设计一年产量为400吨的链霉素车间，成品效价要求为 740单位/毫克，平均发酵水平为22000单位/毫升，包括辅助 时间在内的发酵周期为8天，若发酵液收率为95%，提炼总 收率为65%，发酵罐总台数为16台，装料系数为75%，年 工作日以300天计，求 1.每个工作日所需处理的成熟发酵液的量？ 2.发酵罐的公称容积及主要尺寸。 34 n解： 每年产的链霉素总单位数为 u 每年所需的发酵液体积为 m3 则每个生产日所需的发酵液体积为 共16个罐，8天一个发酵周期，则每天发酵完成16/8=2罐 则，每罐的公称体积为 取为50立方米，若取高径比为2，则有 取3.1m，则 H=2D=6.2m。其它参数计算代入公式。 35 2. 搅拌器 n搅拌器的作用是： q产生强大的总体流动：宏观均匀 翻动 q产生强烈的湍动： 微观均匀 剪切 n搅拌产生三种基本流型： q切向流、 轴向流、 径向流。 n三种基本流型，同时存在。 q其中，轴向流与径向流对混合起主要作用 q而切向流应加以抑制，可通过加入挡板来削弱。 36 流型 n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， 再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下两个循环流动 。） n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 下循环流） n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 向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。） 37 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 n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 38 n相同半径、转速时，功率消耗： q平叶弯叶箭叶 n相同搅拌功率下，三者的粉碎气泡的能力： q平叶弯叶箭叶 n相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力： q平叶弯叶箭叶 微观湍动 宏观翻动 39 轴向式搅拌器 b桨叶式 b旋桨式 bLightnin式 40 n工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的搅 拌器 q上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器， q下层：以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。 q以三层搅拌器为例，最下层仍采用径向型的涡轮搅拌器 ，其余两层改用轴向流型搅拌器时，与三层均采用径向 流搅拌器相比，功率消耗可降低1530。 q国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流向型 搅拌器，作土霉素发酵试验表明，不但消耗功率下降， 发酵指数也提高了近15。 41 3. 挡板 n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 n数目通常为46块，其宽度为0.10.12 D n全挡板条件：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）。 式中 D罐的直径（mm） Z挡板数 W挡板宽度（mm） 用来校验档板数是否够 42 n一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡 板。但冷却管为盘管时，则应设挡板。 n挡板的长度自液面起到罐底为止。 n挡板与罐壁之间的距离为（1/51/8）D，避免 形成死角，防止物料与菌体堆积。 43 4. 轴封 n 轴封的作用：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。 n形式：填料函轴封、机械轴 封两种。 n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。 发酵罐内是正压还是负压？ 44 n填料函式轴封的优点是结构简单。 n用于发酵罐，它的缺点是： q死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌； q轴的磨损情况较严重； q填料压紧后摩擦功率消耗大； q寿命短，经常维修，耗工时多。 n故在发酵罐上，多数不用 n但在后续章节，其它设备中，它会出现 45 机械轴封 n又称端面轴封，由弹性元件、动环和静环组成。 n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，阻止 流体泄漏。 n由两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。 46 机械轴封的密封原理：见flash mechanical_seal.swf 依靠三个密封点达到完全 密封： 1 动环与静环： 在相对运动的动环和静环 之间的的接触面 （端面） q两端面必须高度光洁平直， 这是相对旋转密封。 q端面间有层极薄的液体，起 密封作用 47 机械轴封的密封原理 2 静环与压盖之间的密封： n用有弹性的辅助密封圈来防止液体从 静环与压盖之间泄漏。 n这是一静密封。 3 动环与轴之间的密封： n也是用辅助密封圈来防止液体从动环 与轴之间泄漏。 n这也是一个相对静止的密封。 48 n动环的硬度应比静环大。 n动环的材料可用铸铁、硬质合金、高合金钢等 n静环最常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯。 49 请看FLASH动画 1234.swf n这是一个虚拟发酵罐内机械轴封组装试验的Flash动画。你能把 它组装起来吗？ 50 机械轴封与填料函轴封相比: n 轴不受磨损。 为什么？ n摩擦功率耗损少，约为填料函密封的10