优选发酵工程第八章发酵设备与反应器演示ppt

5 配套而又可靠的检测和控制仪表
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生物反应器设计遵循的原则
生物反应器应具有适宜的径高比 应承受一定的压力 有搅拌通风装置的反应器应能使气液固三相充分混合，满足物料
必须的溶氧需求
反应器应有恰当的冷却装置和冷却面积，满足生物体生长代 谢过程中的温度要求
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反应器应尽量减少死角，消除藏垢积污场所，保证灭菌彻底
釜式、管式、塔式、膜式等类型
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生物反应器的分类
根据细胞或组织的代谢要求
厌氧生物反应器 好氧生物反应器 光照生物反应器 膜生物反应器
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反应器的设计目标和原则
生物反应器具备的特点： 1 严密的结构；
2 良好的液体混合性能； 3 较高的传质、传热性能 4 结构简单、能耗低
1、发酵罐应具有适宜的高径比（一般高度与直径之比为1.7～4
倍），罐身越长，氧气的利用率越高。
2、发酵罐能承受一定的压力。由于发酵罐在灭菌和工作时，罐内
有一定的压力和温度，因此需要一定的强度。
3、发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵液
必须的溶解氧。
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一、机械通风搅拌发酵罐的基本要求
现小范围的充分气－液混合，然后再依靠轴向流搅拌器的主体 对流实现大范围的气－液混合；
对于组合式，根据发酵罐一般是下部通气的特点，下层搅拌器选 择径向流搅拌器，上层搅拌器选择轴向流搅拌器。
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（3）挡板
挡板的作用：
阻止液面中央部分产生下凹的旋涡，促使液体激烈翻动，增加 溶解氧。挡板宽度一般为（0.1～0.2）D，装设4～6块即可满足全
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弯曲叶片
弯曲叶片的优点：
①使其背面的漩涡减小，抑制叶片后 方形成气穴，提高载气能力；
②改善了分散和传质能力。
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弯曲非对称叶片
1998，Bakker提出上面叶片略长 于下面叶片，避免了气体过早的 从叶轮区域上升逃逸；采用抛物 线设计，能明显减少叶片后方
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1、设备的外型特点
罐体圆柱形，罐顶为椭圆封头，罐底为圆锥形。 筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。D：H＝1：1.5-6。
增加H一般为60-130°考虑到发酵中酵母自然沉降最有利，
以70°为好。
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酒精生成快，造成罐上、下部间密度差而造成对流。
③在发酵时控制罐下部温度高于上部(差1—2℃)，由于温差引
起热对流，特别在发酵后期第一、二推动力减小后，温差对流 更能发挥作用。
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圆筒体锥底发酵罐的缺点
由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一般 比传统低(只能使用5-6代)；
性能，供氧速率通常被认为是在生物反应器的选择和设计的主要问题； 2 结构严密，防杂菌污染，是必须保证的条件；能耗低，运转经
济性好； 3 必要的检测与控制仪表；
4 设备较简单，方便维护检修。
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通风发酵罐的类型
常用的通风发酵罐有
机械搅拌式
气升环流式 自吸式
鼓泡式等。 其中机械搅拌通风发酵罐占主导地位。
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机械搅拌通风发酵罐
机械搅拌通风发酵罐在生物工程占了发酵罐总数的70 ％～80％。又常称之为通用式发酵罐。
这类发酵罐大多用于通风发酵，靠通入的压缩无菌空 气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、促使氧在醪液中溶解， 以保证供给微生物生长繁殖，发酵所需要的氧气。
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一、机械通风搅拌发酵罐的基本要求
挡板条件。
全挡板条件：在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。达
到全挡板条件的要求，须满足：
W z 0.1 ~ 0.2D z 0.5
D
D
D－罐直径（mm）
z－挡板数
W－挡板宽度（mm）
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(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
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(2)搅拌器
（1）搅拌器的主要作用：混合和传质
溶氧：使通入的空气分散成小气泡并与发酵液充分混合，使气泡细碎以 增大气一液界面，获得所需要的溶氧速率，并使生物细胞悬浮分散于发 酵体系中，以维持适当的气一液一固（细胞）三相的混合与质量传递；
有利于热量传递； 加强气液之间的湍动，增加气液接触面积及延长气液接触时间。
2，罐材料 大型C.C.T均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。啤酒是酸性
液体，能造成铁的电化学腐蚀，啤酒发酵时产生的H2S、SO2对铁材料
会造成氧化还原腐蚀。
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3、冷却夹套
先进的C.C.T均采用换热片式,一次
性冷媒直接蒸发式换热， (如氨蒸
发)。
发酵罐内的冷却夹套一般分成三
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圆筒体锥底发酵罐的优点
加速发酵，C.C.T发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦汁)和
酵母对流获得强化，可加速发酵。 厂房投资节省。 冷耗节省。
C.C.T 发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易得到 保证。
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加强对流： ①发酵罐底部产生CO2气泡上升，对发酵液拖曳力大 ②在发酵阶段，由于底部酵母细胞浓度大于罐上部，底部糖降快，
填的空穴（称为气穴），气穴的存在会影响发酵罐内的气－液传
质能力。
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影响气－液传质能力的原因：
因为气体不是直接被搅拌器剪碎而分散的，而是首先在浆叶的背 面形成稳定的气穴，而后气穴在尾部破裂，这些小气泡在离心力
的作用下被甩出而分散至液体内。气穴的存在使得Rushton涡轮
的效率降低，特别在高气速下，有时整个搅拌器被气穴包围，搅拌器 近似空转，效率很低，气体穿过搅拌器直接上升到液面。
的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却 效率高等优点。
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3、发酵罐的洗涤装置 大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置
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好氧发酵设备
大多数的生化反应都是需氧的，通风发酵设备是需氧生化反应设
备的核心和基础。
1 良好传质和传热性能，培养基流动与混合良好，特别是溶氧
段，上段距发酵液面15cm向下排列，
中段在筒体的下部距支撑裙座15cm 向上排列，锥底段尽可能接近排酵 母口，向上排列。
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4，隔热层和防护层 绝热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、不
易燃等特性。
啤酒C.C.T绝热层常用聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。采 用上述两种绝热材料只需厚度150-200mm。
与Rushton涡轮相比，持气量高 80％，气体分散量提高4倍， 产量提高10％～50％，剪切力 仅为Rushton涡轮的25％。
3.Lightnin A－315式
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③组合式搅拌器
在生物反应器中，将径向流搅拌器和轴向流搅拌器组合使用， 就可利用径向流搅拌器强化小范围的主体对流扩散和涡流扩散，实
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搅拌器的结构与类型：
实现上述目的，搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度
的轴向运动。 发酵罐采用的搅拌器主要有径向流搅拌器、轴向流搅拌器和组
合式搅拌器。
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①径向流搅拌器
Rushton涡轮是最典型的径向流搅 拌器，其结构简单，通常由一个圆
盘上面带六个直叶叶片，也称为六直 叶圆盘涡轮。设置圆盘的目的是为了
气穴。
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②轴向流搅拌器
径向流搅拌器对气体分散的能力较强，但其作用的范围较小。 随着发酵规模的不断扩大，其缺点也越发明显。尤其对于要求 整罐混匀好，剪切性能温和的过程，径向流搅拌器往往无能为 力。
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②轴向流搅拌器
A315搅拌器特别适合于气－液 传质过程。
尽量减少法兰连接，防止因设备震动和热膨胀，引起法兰连接 处移位，造成污染
保证灭菌工作的顺利进行，培养系统中已灭菌部分与未灭菌 部分之间不能直接连通
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厌氧发酵罐
用于酒精、啤酒、丙酮丁醇等嫌气发酵产品的生产，由于发 酵过程中不需供氧，所以设备结构比较简单。嫌气生物反应 器也已趋向大容量发展，并实现了自动清洗。
1、主要部件有
罐体；搅拌器、挡板、传动装置、 轴封；空气分布器；消泡器；冷
却管（或夹套）；人孔、视镜、 各种接口等。
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2．发酵罐的部分部件
（1）罐体 结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊接而成，
材料为碳钢或不锈钢。 刚 度 和 强 度 ： 受 压 容 器 ， 空 消 或 实 消 ， 通 常 灭 菌 的 压 力 为
外防护层一般采用0.7-1.5mm厚的合金铝板或0.5-0.7mm的不锈
钢板
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5、罐主要附件 在上中下三段冷却介质进口位置下装
智能型铂温度传感器。
在圆筒形下部装可清洗取样阀。 在液面上150mm 装有CIP装置。
还应装上视镜、灯镜、空气和二氧化碳 排出管等装置。
锥底有直径500mm的快开人孔。
罐身上下部装有取样口和温度计接口。
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2，发酵罐的冷却装置
– 中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋
于罐外壁表面进行膜状冷却；
– 大型发酵罐：由于罐外壁冷却面 积不能满足冷却要求，所以，罐内装 有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒 联合冷却装置。
– 此外，也有采用罐外列管式喷琳冷却
4、发酵罐应具有足够的冷却面积。 5、发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污，
底。
6、搅拌器轴封应严密，尽量减少泄漏。
灭菌能彻
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机械搅拌型发酵罐
主要组成部分有
罐体、控温部分、搅拌部 分、通气部分、进出料 口、测量系统和附属系 统等。
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二、机械搅拌通风发酵罐的结构
，防止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端面轴
封两种。
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填料函式轴封
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。填料室的 宽度可根据轴的直径决定。
（优选）发酵工程第八章发酵设备与反应 器
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发酵设备与反应器
生物反应器的分类及设计目标和原则 微生物细胞反应器——发酵罐 发酵罐的放大
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生物反应器的分类
按所用的生物催化剂的不同分类
酶催化反应器 细胞生物反应器
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生物反应器的分类
按反应器结构特征分类
修以及设备制造安装方便等问题。
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酒精发酵罐的结构
1、基本结构
酒精发酵罐筒体为圆柱形；
底盖和顶盖均为碟形或锥形； 罐顶装有废汽回收管，进料管，按种管，
压力表、各种测量仪表接口管及供观察清 洗和检修罐体内部的人孔；
罐底装有排料口和排污口对于大型发酵 罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐 底也装有人孔；
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啤酒发酵设备
传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内 的贮酒罐组成的。
目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普遍．简 称露天锥形发酵罐。
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圆筒体锥底罐（C.C.T)的结构及特点
C.C.T发酵最大特点在于大型化，容积
从100-600m3(国内也有60m3小型的)。
贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤必须
强化；
若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要5-7d以上， 短期贮酒不能保证温度一致
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酒精发酵设备
满足酒精发酵的工艺要求
– 满足酒精酵母生长和代谢的必要 工艺条件
– 将发酵产生的热量及时移走 有利于发酵液的排出，设备的清洗、维
防止气体未经分散直接从轴周围 溢出液面。
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大型发酵罐搅 拌装置
搅拌电机
上封头
搅拌桨
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①径向流搅拌器
随着发酵规模的扩大，这种结构并不是适用于气－液分散的最优
结构。Smith等发现，当用六直叶圆盘涡轮式搅拌器把气体分散于
低黏流体时，在每片浆叶的背面都有一对高速转动的漩涡，漩涡内 负压较大，从叶片下部供给的气体立即被卷入漩涡，形成气体充
2.5Kgf/cm3。
小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。顶部设有清洗用的手孔。
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封头、封底
椭圆形封头（底盖） 碟形封头（底盖）
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接管
罐顶：进料管，补料管， 排气管和压力表管等。
罐底：出料管，进气管 等。
罐身：冷却水进出管， 进空气管，温度计管和 测控仪表接口。