发酵基础知识

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径向式搅拌器

涡轮式搅拌器分为：平叶式、弯叶式、箭叶式三种

涡轮搅拌器要安一个圆盘

为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升
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相同半径、转速时，功率消耗：
– 平叶＞弯叶＞箭叶

相同搅拌功率下，三者的粉碎气泡的能力：
– 平叶＞弯叶＞箭叶
微观湍动

相同搅拌功率下，三者翻动流体的能力： 宏观翻动
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轴承结构

作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响 转动

罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤可以在与轴 承接触处的轴上增加一 个轴套。
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7. 空气分布器

空气分布装置的作用是吹入无菌空 气，并使空气均匀分布。 分布装置的形式有单管及环形管等。 常用的分布装置是单管式，单管式 管口对正罐底中央，装于最低一挡 搅拌器下面，喷口朝下，管口与罐 低的距离约40mm 通常通风管的空气流速取20米/秒。 为了防止吹管吹入的空气直接喷击 罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布 器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。 可延长罐底寿命，叫补强板。
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发酵罐的几种工作状态
空消 装料 实消 接种 发酵 放罐 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
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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
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11. 发酵罐的管路、接口
发酵罐的工作周期 空消—实消—降温、通气—接种、补料、取 样—放料—清洗
罐体上的通道口一般有：
进料口 放料口 接种口 取样口 消泡剂口 补料口 进气口 排气口
进料管路有时配在罐体上封头,有时位于罐体下部与放料 管路共用一个管口 有时取样、放料、接种使用一个口 有没有蒸汽进口？
直径系数范围 d为基准
1/2－1/3 1.7－3 1/8－1/12 1.5－2.5 0.8－1.0
HL ha 封 Hb
装料的液面高度 封头凸出部分的高度，标准椭圆 头有： ha ＝0.25D 封头直边高度，据壁厚一般取25、 40、 50mm
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公称容积：V0

V0定义为：罐圆筒部分容积＋底封头容积

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％。

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3. 挡板
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 数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12 D

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 W (0.1 ~ 0.12 ) D 件）。 ( ) Z Z 0. 5 D D


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8. 消泡装置

泡沫形成的原因
– 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）


危害
降低发酵设备的利用率 增加了菌群的非均一性 增加了染菌的机会


导致产物的损失
消泡剂会给后提取工序带来困难
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9. 传热系统 （发酵罐需加热还是冷却？）
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实罐灭菌： “三路进汽”、 “非进即出”
– “三路进汽”就是在对培养基灭菌时，让蒸汽从空
气进口、排料口、取样口进入罐内，由于这三个管 都是插入到发酵醪中，若不进蒸汽就会形成灭菌死 角。

所有进入发酵罐的管道在灭菌过程中如果不进 入蒸汽就一定要进行排气，使所有管道都被蒸 汽（或二次蒸汽）通过。
大型发酵罐 搅拌装置
180M3发酵罐车间
大型空气压缩机
发酵车间的空气过滤器
3. 机械搅拌通风发酵罐
一、结构

轴封 消泡器 联轴器 搅拌器 中间轴承 挡板 空气分布管 换热装置 人孔以及管路等
小罐与大罐有不同 的设计
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哪个是小罐？
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哪个是小罐？
台面
空间
布置
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机械轴封

又称端面轴封，由弹性元件、动环和静环组成。 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。 由两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。
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5. 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。
《发酵基础知识》
生化公司
发酵车间 2013.8
主要内容
1.发酵的定义 2.发酵工程的发展历史 3.发酵罐相关知识
4.衣康酸发酵

发酵一词最初来源于拉丁语“发泡、沸涌” （fervere)的派生词，即指酵母菌在无氧条 件下利用果汁或麦芽中的糖类物质进行酒精 发酵产生CO2的现象。 现代又对发酵重新定义：发酵泛指微生物在 无氧或有氧条件下，通过分解代谢或合成代 谢或次生代谢等微生物代谢活动，大量积累 人类所需的微生物体或微生物酶或微生物代 谢产物的过程。（我公司两个产品主要就是 通过有氧代谢得到微生物代谢产物的过程）
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
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发酵罐内是正压还是负压？
4. 轴封

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。

形式：填料函轴封、机械 轴封两种。 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。
第一个转折点：非食品工业
第二个转折点：青霉素→抗菌素发酵工业
第三个转折点：切断支路代谢:酶的活力调控,酶的合成调控(反馈控制 和反馈阻遏),解除菌体自身的反馈调节, 突变株的应用 ,前体、终产物、副产物等 近代转折点：基因、动物、海洋
发酵现象的早期认识

1680年制成显微镜 ─── 微生物的存在
11. 发酵罐的管路配置、渗漏与死角的 排除



尽量减少管路 止回阀 消灭死角－－小辫子（在主阀门底部焊上，专门做 排气用） 阀门反装 消灭渗漏 灭菌时各蒸汽进口压力均一 冷凝水及时排出、蒸汽管道保温 灭菌后的管道应汽封或无菌空气保压
阀门

发酵工业中由于使用高温蒸汽对发酵设备 进行灭菌, 因此阀门要求是蒸汽级密封。 截止阀
– 发酵用阀门开启频繁, 并经常受介质腐蚀、冲刷

和气蚀的损害。因此对发酵工业, 阀门阀体材料 用不锈钢, 软密封关闭件用可更换的聚四氟乙烯 垫片

与发酵罐接触的截止阀，应保证阀座与罐相连。以防阀 杆处泻露造成污染
安装于发酵罐时的方向
安装于一般容器的进料阀方向
一 般 容 器
发 酵 罐
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发酵罐的基本条件
– 平叶＜弯叶＜箭叶
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轴向式搅拌器
桨叶式
旋桨式
Lightnin式
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工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形 的搅拌器
– 上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器，
– 下层：以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。
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15－30％。
1857年巴斯德证明了酒精是由活的酵毋发酵引起的
1897年毕希纳发现磨碎的酵母仍使糖发酵形成酒精 ─── 酶
发酵工程的早期阶段
人们的对发酵技术的认识起始于19世纪末，主要来自于 厌氧发酵，如利用酵母菌、乳酸菌生产酒精、乳酸和各种发 酵食品。 20世纪初期，1916年英国采用梭状芽孢杆菌生产丙酮丁 醇，德国采用亚硫酸盐法生产甘油（第一次世界大战）── 由食品工业向非食品工业发展 好氧发酵技术：速酿法从乙醇生产醋酸，通气法大量繁殖酵 母，用米曲霉的麸曲代替麦芽糖作糖化剂生产酒靖，用微小 毛霉生产干酪。 1933年等人发明了摇瓶培养法代替了传统的静置培养 法。生长均匀，增殖时间短。
能装液的体积
罐中实际装料体积：V 则有： 即 装料系数

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v/v0=0.7-0.8，
1 V0 D H hb D 标准椭圆封头时， 4 6

取
Vb 0.13D
3
，再取D/H=2时，有
D
3
V0 1.7
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H/D 的大小 会影响。。。

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。

发 酵 ──
简单的说利用微生物进行产品生产

发酵工程可以分为：上游工程（主要菌 种选育）；发酵工程；下游工程（主要 目标物质的提取）；我们现在所说是发 酵基本是侠义的值发酵生产工段。
2 发酵的发展历史
发酵现象→酿造食品工业→非食品工业→青霉素→抗 菌素发酵工业→氨基酸,核酸发酵（代谢控制发酵） →基因工程菌→动物细胞大规模培养→植物细胞大规 模培养→藻类细胞大规模培养→转基因动物
过高会如何？
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 在罐底气泡受压后体积缩小，气液界面的面积减小
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
而且罐体的高度,同厂房高度密切相关。
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2. 搅拌器

搅拌器的作用是： – 产生强大的总体流动：宏观均匀 – 产生强烈的湍动： 微观均匀 搅拌产生三种基本流型： – 切向流、 轴向流、 径向流。 三种基本流型，同时存在。