发酵过程的实验室研究中试和放大.ppt

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发酵过程的实验室研究、发酵过程的实验室研究、中试和放大中试和放大常规放大进程常规放大进程第一节小试（实验室研究）一、小试设备：

一、小试设备：

生化培养箱、摇床生化培养箱、摇床/摇瓶柜、小型发酵罐。

摇瓶柜、小型发酵罐。

（一一）、摇瓶机：

、摇瓶机：

往复式：

往复式：

80-120rpm，冲程，冲程80-120mm；用于培养细菌、酵；用于培养细菌、酵母等单细胞菌体；母等单细胞菌体；旋转式旋转式：

60-300rpm，偏心距，偏心距30-60mm。

传氧速率好、培。

传氧速率好、培养液不会溅瓶口。

（普遍采用）养液不会溅瓶口。

（普遍采用）摇瓶实验摇瓶实验影响微生物生长的物理因素：

影响微生物生长的物理因素：

1.瓶塞是氧传递的限制因素瓶塞是氧传递的限制因素2.水蒸发的影响水蒸发的影响影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变菌体产物浓度菌体产物浓度3.比表面积的影响比表面积的影响

（二）、小发酵罐10L以下罐：

以下罐：

玻璃罐较多，大多玻璃罐较多，大多2级搅拌，六平叶，一般级搅拌，六平叶，一般最大最大600rpm，环形空气分布管。

，环形空气分布管。

30-150L罐：

罐：

不锈钢罐，不锈钢罐，3级搅拌，六平叶级搅拌，六平叶/弯叶，一般最弯叶，一般最大大500-550rpm，空气分布器：

直管。

，空气分布器：

直管。

都配有都配有DO、pH、T、泡沫等传感器。

、泡沫等传感器。

（可直接检测控制温度、搅拌转速、通气流量、罐压、消泡、（可直接检测控制温度、搅拌转速、通气流量、罐压、消泡、pH、DO、发酵液体积、补料量、排气发酵液体积、补料量、排气CO2和和O2等十多个在线参数）等十多个在线参数）v发酵罐（液体发酵）的种类：

发酵罐（液体发酵）的种类：

密闭厌氧发酵罐密闭厌氧发酵罐通气搅拌发酵罐通气搅拌发酵罐机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐自吸式发酵罐自吸式发酵罐气升式发酵罐气升式发酵罐密闭厌氧发酵罐密闭厌氧发酵罐2.1机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐图6-1小型发酵罐结构图1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节；4.轴封；5.窥镜；6.取样口；7.冷却水出口；8.夹套；9.罐壁；10.温度计；11.轴；12.搅拌器；13.底轴承支架；14.放料口；15.冷水进口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板；19.接压力表；20.手孔；21.电动机；22.排气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口图6-2；大型发酵罐结构图1.轴封；2.人孔；3.梯子；4.联轴节；5.中间轴承；6.热电偶接口；7.搅拌器；8.通风管；9.放料口；10.底轴承；11.温度计；12.冷却管；13.轴；14.取样；15.轴承柱；16.三角皮带传动；17.电动机；18.压力表；19.取样口；20.人孔；21.进料口；22.补料口；23.排气口；24.回流口；25.窥镜搅拌器和挡板1搅拌器的作用，型式及特点搅拌器的作用，型式及特点搅拌器的作用打碎气泡，产生漩涡，提高氧的利用率促进传质和传热液体流型：

径向流、轴向流、切向流流型径向流（叶片对液体施以径向离心力，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。

）特点：

剪切作用较强，混合效果较差流型轴向流（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）特点：

剪切作用较弱，混合效果较好流型切向流（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，此时流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。

）特点：

剪切作用和混合效果很差螺螺旋旋桨桨搅搅拌拌器器轴向流的代表优点：

混合效果好缺点：

剪切作用差，不能阻止气流沿搅拌轴上升，不能打碎气泡，不利于溶氧，只用于培养基的配制，料液的混合。

轴向流搅拌器的型式和特点径向流搅拌器的型式与特点径向流搅拌器的型式与特点圆盘平直叶涡轮搅拌器：

是径向流的代表，在圆盘上焊有六片平直叶，圆盘可阻止气体沿搅拌轴上升，轴向流差，不利于混合，剪切作用强，有利于打碎气泡，溶氧效果好，功率消耗大。

圆盘弯叶涡轮搅拌器：

径向流较差，轴向流较强，混合效果较好，剪切作用不如平直叶，溶氧效果不如平直叶，功率消耗小。

圆盘箭叶涡轮搅拌器：

轴向流强，径向流差，剪切作用小，混合效果最好，溶氧效果差，功率消耗最小。

+箭叶+弯叶+平直叶输出溶氧混合剪切径向流轴向流型式菌丝体发酵单细胞发酵应用几种涡轮搅拌器作用比较几种涡轮搅拌器作用比较2挡板挡板（a）（b）（c）（a）周边无档板；（b）螺旋桨搅拌器周边有垂直档板；（c）涡轮搅拌器周边有垂直档板43p挡板的作用：

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。

提高搅拌混合效果，提高湍流强度.p数目通常为数目通常为46块，其宽度为块，其宽度为0.10.12D。

p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，搅拌：

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）。

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3消泡器消泡器作用：

打碎泡沫，防止逃逸型式：

锯齿状，梳状，孔板状，一般安装在搅拌轴上高出液面的部位，随搅拌轴转动而转动，将泡沫打碎。

长度：

L=0.65D4空气分布管作用：

使通入的空气均匀分布型式：

单管式正对罐底，距罐底40mm，罐底衬不锈钢圆板，防空气冲击环式易堵。

p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。

电机分四级，转速分别约为：

800、1000、1400、1600rpm；而搅拌转速则一般为90-110rpm。

发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。

5传动传动装置装置

（1）变速装置）变速装置

（2）搅拌轴：

）搅拌轴：

v有上悬式和下伸式两种n作用：

对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动轴承结构轴承结构6.轴封轴封v轴封的作用：

使罐顶或罐底与轴与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。

v形式：

填料函轴封、机械轴封两种。

1-轴2-填料压盖3-压紧螺栓4-填料箱体5-铜环6-填料填料函轴封机械轴封机械轴封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。

依靠依靠三个密封点三个密封点达到完全密封：

达到完全密封：

11动环与静环之间的密封动环与静环之间的密封22静环与压盖之间的密封静环与压盖之间的密封33动环与轴之间的密封动环与轴之间的密封1-弹簧2-动环3-硬质合金4-静环5-O形密封圈搅拌器轴功率的计算搅拌器轴功率的计算全档板条件下，对于牛顿型流体通过因次分析，全档板条件下，对于牛顿型流体通过因次分析，得：

得：

式中式中P0：

不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦）不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦）：

液体的密度（公斤液体的密度（公斤/米米3）：

液体的粘度（牛液体的粘度（牛.秒秒/米米2）D：

涡轮直径（米）涡轮直径（米）N：

涡轮转数（转涡轮转数（转/秒）秒）K，m：

决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及流体的流流体的流态态1.单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算是一个无因次数，可定义为是一个无因次数，可定义为功率准数功率准数NP。

该准数表征着机械该准数表征着机械搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性之比。

液体的惯性之比。

式中式中：

涡轮线速度涡轮线速度a：

加速度加速度V：

液体体积液体体积m：

液体质量液体质量v是一个无因次数，称为是一个无因次数，称为功率准数功率准数NP。

v是一个无因次数，称为是一个无因次数，称为搅拌雷诺数搅拌雷诺数ReMvNPReM的关系：

实测找出规律，即经验系数的关系：

实测找出规律，即经验系数K，m当当ReM10时，液体为层流状态，时，液体为层流状态，m=-1；当当ReM104时，液体为湍流状态，时，液体为湍流状态，m=0；多数发酵罐搅拌器在此范围，故多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数常数K，查图得查图得Np。

vReM104，达到充分湍流之后达到充分湍流之后P0=NPD5N32，多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算，多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算v使用多个涡轮时，两者间的距离使用多个涡轮时，两者间的距离S，对非牛顿型流体可取为对非牛顿型流体可取为2D，对牛顿型流体可取对牛顿型流体可取2.53.0D；静液面至上涡轮的距离可取静液面至上涡轮的距离可取0.52D，下涡轮至罐底的距离下涡轮至罐底的距离C可取可取0.51.0D。

v符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果都表明，都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功率乘以涡轮的个数。

率乘以涡轮的个数。

v迈凯尔的修正关系式迈凯尔的修正关系式3，通气液体机械搅拌功率的计算，通气液体机械搅拌功率的计算计算举例计算举例v某细菌醪发酵罐某细菌醪发酵罐罐直径罐直径T1.8（米米）圆盘六弯叶涡轮直径圆盘六弯叶涡轮直径D0.60米，一只涡轮米，一只涡轮罐内装四块标准挡板罐内装四块标准挡板搅拌器转速搅拌器转速N168转分转分通气量通气量Q1.42米米3分分（已换算为罐内状态的流量已换算为罐内状态的流量）罐压罐压P1.5绝对大气压绝对大气压醪液粘度醪液粘度1.9610-3牛牛秒米秒米2醪液密度醪液密度1020公斤米公斤米3v要求计算要求计算Pg

（1）计算计算ReMReM=5.25104

（2）由由NPReM查查NP，NP=4.7（3）计算计算P0P0=NPD5N3=8.07（千瓦）千瓦）（4）计算计算Pg7换热装置

（1）作用：

实消时预热和冷却，发酵过程中的冷却和加热。

（2）型式：

夹套、竖式蛇管、列管夹套：

5m3以下的罐子采用，冷却水流速低，传热系数小，换热效果差。

但能减少罐内附件，减少死角。

冷却蛇管：

罐内装4-6组，水流速度快，但管径小，流量小，适用于冷却水温度低的地区。

冷却列管：

罐内装4-6组，管径大，耗水量大，降温快，适用于冷却水温度高的地区。

冷却面积的计算冷却面积的计算传热系数的经验值或计算传热系数的经验值或计算夹套夹套K为为4.187*（150-250）kJ/m2hK蛇管蛇管K为为4.187*（300-450）kJ/m2hKT、t1、t2分别为醪温、冷却水进出口温度分别为醪温、冷却水进出口温度Q总每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积cp冷却水的比热容t2冷却水终温，t2=27t1冷却水初温，t1=20W冷却水体积流量V冷却水流速25罐体的尺寸比例（重点）罐体的尺寸比例（重点）p通用发酵罐通用发酵罐通常取值通常取值系数范围系数范围搅拌器直径d=1/3D1/21/3罐筒身高H0=2D1.73挡板宽度B=0.1D1/81/12搅拌器间距S=2d1.52.5下搅拌器距底间距C=d0.81.0挡板与罐壁的距离（1/5-1/8）BHL：

装料的液面高度。

ha：

封头凸出部分的高度，标准椭圆封头有ha0.25D。

Hb：

封头直边高度，据壁厚一般取25、40、50mm。

机械搅拌通风发酵罐的优缺点机械搅拌通风发酵罐的优缺点优点优点:

操作弹性大，操作弹性大，pHpH值和温度易于控值和温度易于控制；有较规范的工业放大方法；适合制；有较规范的工业放大方法；适合连续培养。

连续培养。

缺点缺点:

驱动功率大；内部结构复杂，难驱动功率大；内部结构复杂，难于彻底洗净于彻底洗净,易造成污染；在丝状菌的易造成污染；在丝状菌的