第十章_发酵过程的实验室研究、中试和放大
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养液不会溅瓶口。（普遍采用）
摇瓶实验 影响微生物生长的物理因素：
1. 瓶塞是氧传递的限制因素 2. 水蒸发的影响
影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变 菌体产物浓度
3. 比表面积的影响
(二）、小发酵罐
♣ 10L以下罐：玻璃罐较多，大多2级搅拌，六平叶，一般
最大600rpm，环形空气分布管。
♣ 30-150L罐：不锈钢罐，3级搅拌，六平叶/弯叶，一般
随搅拌轴转动而转动，将泡沫打碎。 长度： L=0.65D
4 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。
5 传动装置（1）变速装置
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、1600 rpm；
最大500-550rpm，空气分布器：直管。
都配有DO、pH、T、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、 pH、DO、 发酵液体积、补料量、排气 CO2 和 O2 等十多个在线参数）
❖ 发酵罐（液体发酵）的种类：
➢ 密闭厌氧发酵罐 ➢ 通气搅拌发酵罐
机械搅拌通风发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐
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
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）。
(W )Z(0.1~0.1)2 DZ0.5
D
D
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
43
3 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，
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
1.单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算
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
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。
依靠三个密封点达到完全密封： 1 动环与静环之间的密封 2 静环与压盖之间的密封 3 动环与轴之间的密封
+++
弯叶
++
++
箭叶
+++
+
++
++
++
+
+++
+
++ 单细胞 发酵
+ 菌丝体 发酵
2 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
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.
数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12 D。
密闭厌氧发酵罐
2.1 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
流 型
特点：剪切作用较强，混合效果较差
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）
流 型
特点：剪切作用较弱，混合效果较好
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
✓ 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。
（2）搅拌轴： ❖ 有上悬式和下伸式两种
轴承结构
作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响 转动
6. 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。
搅拌器和挡板
1 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
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。）
发酵过程的实验室研究、 中试和放大
常规放大进程
第一节 小试（实验室研究）
一、小试设备：
生化培养箱、摇床/摇瓶柜、小型发酵罐。
(一)、摇瓶机： ♣ 往复式：80-120rpm，冲程80-120mm；用于培养细菌、酵
母等单细胞菌体； ♣ 旋转式：60-300rpm，偏心距30-60mm。传氧速率好、培
流 小，混合效果很差。） 型
特点：剪切作用和混合效果很差
轴向流搅拌器的型式和特点
轴向流的代表
螺
优点：混合效果好
旋
缺点：剪切作用差，不能阻止气流沿搅拌
桨
轴上升，不能打碎Байду номын сангаас泡，不利于溶氧，只
搅
用于培养基的配制，料液的混合。
拌
器
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。
几种涡轮搅拌器作用比较
型式 轴向流 径向流 剪切
混合
溶氧
输出
应用
平直叶
+
+++
+++
+
+++
摇瓶实验 影响微生物生长的物理因素：
1. 瓶塞是氧传递的限制因素 2. 水蒸发的影响
影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变 菌体产物浓度
3. 比表面积的影响
(二）、小发酵罐
♣ 10L以下罐：玻璃罐较多，大多2级搅拌，六平叶，一般
最大600rpm，环形空气分布管。
♣ 30-150L罐：不锈钢罐，3级搅拌，六平叶/弯叶，一般
随搅拌轴转动而转动，将泡沫打碎。 长度： L=0.65D
4 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。
5 传动装置（1）变速装置
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、1600 rpm；
最大500-550rpm，空气分布器：直管。
都配有DO、pH、T、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、 pH、DO、 发酵液体积、补料量、排气 CO2 和 O2 等十多个在线参数）
❖ 发酵罐（液体发酵）的种类：
➢ 密闭厌氧发酵罐 ➢ 通气搅拌发酵罐
机械搅拌通风发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐
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
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）。
(W )Z(0.1~0.1)2 DZ0.5
D
D
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
43
3 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，
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
1.单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算
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
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。
依靠三个密封点达到完全密封： 1 动环与静环之间的密封 2 静环与压盖之间的密封 3 动环与轴之间的密封
+++
弯叶
++
++
箭叶
+++
+
++
++
++
+
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+
++ 单细胞 发酵
+ 菌丝体 发酵
2 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
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.
数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12 D。
密闭厌氧发酵罐
2.1 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
流 型
特点：剪切作用较强，混合效果较差
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）
流 型
特点：剪切作用较弱，混合效果较好
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
✓ 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。
（2）搅拌轴： ❖ 有上悬式和下伸式两种
轴承结构
作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响 转动
6. 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。
搅拌器和挡板
1 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
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。）
发酵过程的实验室研究、 中试和放大
常规放大进程
第一节 小试（实验室研究）
一、小试设备：
生化培养箱、摇床/摇瓶柜、小型发酵罐。
(一)、摇瓶机： ♣ 往复式：80-120rpm，冲程80-120mm；用于培养细菌、酵
母等单细胞菌体； ♣ 旋转式：60-300rpm，偏心距30-60mm。传氧速率好、培
流 小，混合效果很差。） 型
特点：剪切作用和混合效果很差
轴向流搅拌器的型式和特点
轴向流的代表
螺
优点：混合效果好
旋
缺点：剪切作用差，不能阻止气流沿搅拌
桨
轴上升，不能打碎Байду номын сангаас泡，不利于溶氧，只
搅
用于培养基的配制，料液的混合。
拌
器
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。
几种涡轮搅拌器作用比较
型式 轴向流 径向流 剪切
混合
溶氧
输出
应用
平直叶
+
+++
+++
+
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