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微生物发酵系统
时间:2020-11-16 16:10

  微生物发酵系统_农学_农林牧渔_专业资料。微生物发酵系统 发酵设备是微生物工程中最重要的设备之一,一个优良的培养装置应设计为具有严密的 结构,良好的液体混合性能,高的传质和传热速率,以及可靠的检测及控制仪表,才能获得 最大的生产效率。 按发酵

  微生物发酵系统 发酵设备是微生物工程中最重要的设备之一,一个优良的培养装置应设计为具有严密的 结构,良好的液体混合性能,高的传质和传热速率,以及可靠的检测及控制仪表,才能获得 最大的生产效率。 按发酵是否需要氧气把发酵设备分为好氧发酵罐和厌氧发酵罐。但是生产中实际应用的 主要以好氧微生物发酵为主,所以好氧发酵罐的种类最多,研究最为透砌。 一、厌氧发酵罐 主要用于酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等的生产及固定化细胞发酵。装料系数可以达 到 0.8-0.9。罐体一般为立式圆锥形,用钢板或钢筋混凝土制成,盖及底为碟形或锥形,罐 高一般为直径的 1-1.5 倍。 二.好氧发酵罐 好氧发酵罐通常采用通风和机械搅拌来增加氧的溶解速率,满足微生物的代谢和产物的 积累。 按能量输入的方式,将好氧发酵罐分成三类:内部机械搅拌型,外部液体搅拌型和空气 喷射提升式发酵罐。 ①内部机械搅拌型发酵罐:有标准式发酵罐(机械搅拌发酵罐或通用式发酵罐),伍式 发酵罐,机械搅拌自吸式发酵罐等几种类型。 ②外部液体搅拌型发酵罐:此类发酵罐是依靠外部循环泵来搅拌发酵液,或是在液体进 入发酵罐处装有文丘里管,依靠液体的高速流动,吸入空气,使气液混合。 ③空气喷射提升式发酵罐:此类发酵罐是依靠压缩空气作为能量输入,使发酵液上下翻 动混合。如高位塔式发酵罐和深井曝气污水处理罐。 以下以机械搅拌发酵罐为例,介绍其主要结构部件及其主要功能: 2.1 发酵罐的基本条件 机械搅拌发酵罐也称标准式或通用式发酵罐,它 是利用机械搅拌器的作用,使空气和发酵液充分混合, 并溶解在发酵液中,以保证微生物的生长繁殖所需要 的氧气。为了使发酵罐发挥最大的生产效率,发酵罐 必须满足几个要求: ①发酵罐必须能承受一定的压力。 ②发酵罐要有适宜的径高比。 ③发酵罐的搅拌通风设备能使气液成分混合,实现 传质传热作用,保证微生物发酵过程中所需的溶 解氧。 ④发酵罐应具有足够的冷却面积。 ⑤发酵罐内应尽量减少死角,避免藏污积垢,保证 灭菌彻底,防止染菌。 ⑥搅拌器的轴封要严密,减少泄露。 2.2 机械搅拌发酵罐的几何尺寸 其几何尺寸如下: H/D=1.7∽4, d/D=1/2∽1/3, W/D=1/8∽1/12, B/D=0.8∽1.0, (s/d)2 =1.5∽2.5,(s/d)3=1∽2 式中: H-发酵罐筒身高度(m);D-发酵罐内径(m); 图 3-6 通用型发酵罐的几何尺寸比例 d-搅拌器直径(m);W-挡板的高度(m); B-下搅拌桨距底部的间距(m);s-两搅拌桨的间距(m);HL-液位高度(m)。 三.发酵罐的结构 机械搅拌通风发酵罐主要部件包括罐身,搅拌器,挡板,冷却装置,空气分布装置。轴 封等。 3.1 罐体 是根据最大使用压力来设计。 (1) 首先罐体要密封,能承受一定的压力。 (2) 形状为圆柱状,两端用椭圆型或碟形封头焊接而成,这样发酵罐受力均匀,死角少, 物料容易排出。 (3) 材料为不锈钢或复合不锈钢制成。 (4) 高度与直径比为 1.7∽4∶1。 (5) 除此外,在罐体的上面还有一些附属设备如排气孔,接料孔等。 罐设计总的原则是罐体上接孔越少越好,能合并就合并。 3.2 搅拌器 作用:将空气打碎成小的气泡。增加气液接触界面,提高氧的传质速率,同时使发酵液充分 混合,发酵液中的固型物质保持选否浮状态。 结构:包括搅拌轴和搅拌叶,在搅拌轴的中央装有圆盘,圆盘上装有搅拌叶。 搅拌叶的形状:平叶式,弯叶式和箭叶式三种,叶片一般为六个,少至三个,多至八个。 一般而言,在相同搅拌功率下比较粉碎气泡的能力,平叶搅拌器大于弯叶搅拌器,弯叶 搅拌器大于箭叶搅拌器,但是翻动液体的能力与以上相反。 一般而言,在轴上多配置几个搅拌器对发酵有好处,但是配置的数量是根据罐内液位高 度,发酵液的特性和搅拌器直径等因素来决定。 一般公式为:P∝n2d2 式中:P 为搅拌器的功率,n 为搅拌器的转速,d 为搅拌器的直径。 3.3 挡板 作用:克服搅拌器运转时液体产生的涡流,将径向流动改为轴向流动,促使液体激烈翻动, 增加溶氧速率。 全挡板条件:指在一定转速下再增加罐内挡板或其它附件时,而搅拌功率保持不变,旋涡基 本消失。挡板宽度一般取 0.1-0.2D,装设 4-6 块即可满足全挡板条件。满足全 挡板条件的挡板数及宽度,可由下式计算: (W/D)*mb=0.4 式中:W-挡板宽度(m);D-罐直径(m);mb-挡板数。 但是在实际中,罐中的挡板数一般安装四快,这主要是因为发酵罐内除挡板外,立式冷 却蛇管等装置也起到了一定挡板的作用。挡板的宽度为 1/8-1/12 已足够满足全挡板条件。 3.4 机械消泡器 作用:将泡沫打碎。 因为发酵液中的蛋白质等发泡物质量很多,在强烈的通气搅拌下会产生大量的炮沐,导 致发酵液外溢和增加染菌机会。 类型:按分布的位置分:发酵罐内的消泡器和发酵罐外的消泡器 发酵罐内的有锯齿式,梳状式及孔板式。发酵罐外的一般是利用离心力将泡沫粉碎, 液体仍然返回罐内,如离心式消泡器,也可采用电极带动的碟片式离心消泡器。 按消泡器形状分:靶式消泡器,半封闭式涡轮消泡器,离心式消泡器和碟片式离心消 泡器等。 3.5 连轴器及轴承 类型:鼓型和夹壳型 连接方式:大的发酵罐搅拌轴长,分 2-3 段,中间还装有中间轴承,用连轴器使上下搅拌轴 成牢固的刚性连接,中间轴承和底轴承的水平位置应能适当调节。中型的发酵罐一般在 罐底装有底轴承。小的发酵罐采用发兰将搅拌器连接。 罐内轴承不能加润滑油,应采用液体润滑的塑料轴瓦,轴瓦与轴瓦之间的间隙常取轴径 的 0.4%-0.7%。 3.6 空气分布装置 作用:吹入空气,并使空气均匀分布。 分布装置的形式:单管式和环形管式。 单管式的管口正对罐底中央,罐口与罐底的距离越为 40nm,这样空气分散效果好。 环形管式的分布装置以环径为搅拌器的 0.8 倍较有效,罐口向下,但是这种空气分布装 置空气分散效果不及单管式分布装置,同时由于喷口容易堵塞,故现在很少用这种类型的空 气分布装置。 分散器:在空气分布装置下部,为不锈纲,是为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底,加速 罐底腐蚀,起到延长罐底寿命的作用。 一般而言,喷口的直径越小,气泡直径越小,而氧的传质系数也越大。 3.7 轴封 作用:是发酵罐与转动的搅拌轴之间能够密封,防止泄露及杂菌污染。 类型: (1).填料函式轴封:有填料箱底,填料底承套,填料压盖等不见构成。 优点:结构简单 缺点:死角多,很难彻底灭菌,容易泄露及染菌轴的磨损情况严重,功率消耗大,寿命短, 耗工时多,需经常维修。 (2).端面轴封:(机械轴封)密封作用是靠弹性元件如弹簧的压力是垂直于轴线的动环和静 环光滑表面紧密配合,并做相对运动起到密封作用。 优点:清洁,密封可靠,无死角,不易发生泄露和染菌的现象,使用寿命长,功率消耗少。 3.8 换热装置 类 型: 夹层式换热装置:多用于容积较小的发酵罐和种子罐。夹层的高度比静止液面高度高即可, 无须进行冷却面积的设计。 优点:结构简单,加工容易,罐内无冷却装置,死角少,容易进行清洁灭菌工作。 缺点:传热壁较厚,冷却水流速低,降温效果差。 蛇形管换热装置:容积在 5m3(50 升)以上的发酵罐采用。分组分装在发酵罐内,一般 分四组,六组或八组。 优点:冷却水流速大,传热系数高。 3.9 连续灭菌的保温和冷却设备 保温设备:罐式保温设备和管式保温设备(常用)。 冷却设备:喷淋冷却设备,真空冷却器,板式冷却器,螺旋板冷却器等。 3.10 附属系统:包括视镜,进料和出料口,同时还有补料口等。 标准发酵罐的结构示意图

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