第八章 通气发酵设备(2)
第八章_发酵过程参数的检测及控制
主要参数检测原理及仪器
•液体和气体流量测定
主要参数检测原理及仪器
• 搅拌转速
常用检测方法：磁感应式、光感应式和测速发电机等。
感应片切割磁 场或光速。
输出电压与转 速成正比。
主要参数检测原理及仪器
• pH的检测
常用pH检定仪为复合pH电极，具有
结构紧凑，可蒸汽加热灭菌的优点。
思考：pH电极如何标定？
③自适应控制：
提取有关输入、输出信息，对模型和
参数不断进行辩识，使模型逐渐完善；同
时自动修改控制器的动作，适应实际过 程。——自适应控制系统。
2、发酵自动控制系统的硬件组成
传感器 变送器 执行机构
电磁阀、气动控制阀、电动调节阀、变速电机、 正位移泵、蠕动泵。
转换器 过程接口 监控计算机
（一）温度的控制
生长阶段
生成阶段
自溶阶段
2、引起pH下降的因素
碳源过量 消泡油添加过量 生理酸性物质的存在
3、引起pH上升的因素
氮源过多
生理碱性物质的存在 中间补料，碱性物质添加过多
4、 pH的控制
调节基础培养基的配方
调节碳氮比（C/N）
添加缓冲剂 补料控制 – 直接加酸加碱 – 补加碳源或氮源
1、基本的自动控制系统
②反馈控制 反馈控制是自动控制的主要方式
控制器
被控对象
传感器
1、基本的自动控制系统
②反馈控制
开关控制：控制阀门的全开全关；
PID控制：采用比例、积分、微分控制算法；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ串联反馈控制：
两个以上控制器对一变量实施联合控制；
前馈/反馈控制：
前馈控制与反馈控制相结合。
发酵动力学
微生物发酵动力学： 是研究发酵过程中微生
物菌体的生长、营养物质消耗、产物生成的 动态平衡及其内在规律的科学。
发酵动力学中常用的几个术语:
1．得率(或产率，Y)：包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。
得率：是指被消耗的物质和所合成产物之间的量的 关系。
生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)。
∵在稳定状态下，底物增加速率 dS/dt＝0， ∴上式表现为： 又 ∵ μ＝D
D(S 0 S )YX / S X
∴ X＝YX/S（S0-S） 此式即连续培养的稳定态方程。
三、细胞浓度与稀释率的关系 已知分批发酵时： mS Ks S mS D 用于连续培养时，∵μ＝D， ∴ Ks S
发酵反应动力学的研究内容
研究反应速度及其影响因素并建 立反应速度与影响因素的关联
反应动力学模型
+
反应器特性
反 应 器 的 操 作 模 型
操作条件与反 应结果的关系， 定量地控制反 应过程
研究发酵动力学的目的：
进行最佳发酵工艺条件的控制，即发酵工 艺最优化。
第一节 发酵类型
1．固体发酵生产 固体发酵生产是将一种或多
X—细胞干重浓度(g/L) t—时间(h) μ—比生长速率(h-1)，即单位重量 菌体的瞬时增量g/(g· h)
对数期： μ 与微生物种类、培养温度、pH、培养基成分 及限制性基质浓度等因素有关。在对数生长 阶段，细胞的生长不受限制，因此比生长速 率达到最大值μ m
dX mX dt
Xt mt 经积分后 ln X0
当X=Xmax时，开始以恒定的速度补加培养基(因 为此时营养物基本耗完)。 这时，稀释率D<μ max，事实上随着流加的进行， 所有限制性营养物都很快被消耗（即流入的营养物 与细胞消耗掉的营养物相等）。因此dS/dt＝0。 尽管随时间的延长，培养液中总菌体量增加，但实 际上细胞浓度X保持不变，即dX/dt=0，因而μ ≈ D。 这种dS/dt=0, dX/dt=0, μ ≈ D的状态，就称为“准 恒定状态”。
通气发酵设备小结
第二章通气发酵设备常用的通气发酵罐：机械搅拌式、气升环流式、鼓泡式和自吸式。
一、机械搅拌通气发酵罐1.主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡剂、人孔、视镜等。
罐体：由圆柱体和椭圆形或蝶形封头焊接而成，为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130C和0.25MPa(绝压)搅拌器：常用的由平叶式或弯叶式圆盘涡轮搅拌器。
主要作用为混合和传质，同时强化传热过程。
挡板：防止液面中央形成旋涡流动，增强其湍动和溶氧传质。
轴封：防止染菌和泄漏。
大型发酵罐常用的轴封为双端面机械轴封，由三部分构成，动环和静环、弹簧加荷装置、辅助密封元件。
空气分布器：主要分为环形管式和单管式，喷气孔向下以尽可能减少培养液在环形分布管上滞留。
对机械搅拌通气发酵罐，分布管内空气流速取20m/s左右。
消泡装置：在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加入化学消泡剂，二是使用机械消泡装置。
通常，两种方法联合使用，最简单实用的消泡装置为耙式消泡器。
2.传统的双模理论（1）气泡中的氧通过气象边界层传递到气-液界面上（2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面传递到液相侧（3）氧分子在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体（4）在液相主体中进行对流传递到生物细胞表面液膜外面（5）通过生物细胞表面的液相滞流层扩散进入生物细胞内3.体积溶氧系数KLa此值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大，则KLa值低，反之KLa值高4. 影响KLa的主要因素有：（1）操作条件，如搅拌转速、通气量等（2）发酵罐的结构及几何参数，如体积、通气方法、搅拌叶轮结构和尺寸等（3）物料的物化性能，如扩散系数、表面张力、密度、黏度、培养基成分及特性等5.增加液相中溶解氧的方法（1）提高KLa：加强液相主体紊流，加速气液界面更新，增大气液接触面积、降低液膜厚度（2）提高Cs（液相中饱和溶解氧浓度）：提高气相中的氧分压6.强化溶氧传质的新技术(1)发酵液中添加氧载体：加入不溶于培养基又五毒的物质，例如，加入10%-30%C11-C17烷烃或丁基四氟呋喃，可提高溶氧系数数倍。
生化工程设备-第一篇-第二章-通气发酵设备-第二节-第三节
(2)较高的溶氧速率和溶氧效率
气升式反应器 有较高的气含率 (gas- holdup)和比气液接触面积， 因而有较高传质速率和溶氧效率， 体积溶氧效率通常 比机械搅拌罐 高， kLa可达2000h-1且需氧功耗相 对低。例如一台25m 3的ALR，溶 氧速率2~8kg O2/ (m3· h)，溶氧效 率达1~2kg O2/ （kW· h)。
2.机械搅拌自吸式发酵罐的设计要点
(1)发酵罐的高径比 发酵罐通气和搅拌的目 的 是气液固三相充分混合与分散，强化气液传质， 为生物催化剂提供溶解氧，促进微生物与液相 中营 养成分及生成产物等的质量传递，并强化 热量传 递。由于自吸式发酵罐是靠转子转动形 成负压而实现吸气供氧，吸气装置是沉浸于液 相的，所以 为保证较高的吸气量，发酵罐的高 径比H/D 不宜取大的，且罐容增大时，H/D应 适当减 小，以保证搅拌吸气转子与液面的距离 为2- 3m。对于黏度较高的发酵液，为了保证吸 气量，应适当降低罐的高度.
(5)结构简单，易于加工制造 升式反应器罐内无机械搅 拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容 易保 证，故加ι制造方便，设备投资低。便于放大设计制 造 大 型和超大型:发酵反应器，如国际上著名的ICI 压力循 环 发酵罐体积达30003以上，另一种"BIOHOCH"反应 器也 达3000m3以上，更大的反应器如鼓泡塔式“ Bayer AG"反 应器体积高达13000m3，目前用于生化废水处理。 (6)操作和维修方便 因无机械搅拌系统，故 结构简 单， 能耗低.操作方便，特别是不易发生机械搅拌的轴封容易 出现的渗漏染菌问题; 另外，因无机械搅拌热产生，故发 酵产生的总热量较低，换热冷却和温控有保证。
(2)气升环流反应器的操作特性
发酵思考题完整答案
发酵思考题完整答案第⼋章发酵过程1，发酵过程的定义发酵过程即细胞的⽣物反应过程，是指由⽣长繁殖的细胞所引起的⽣物反应过程。
它不仅包括了以往“发酵”的全部领域，⽽且还包括固定化细胞的反应过程、⽣物法废⽔处理过程和细菌采矿等过程。
2，为何要研究发酵过程微⽣物发酵的⽣产⽔平不仅取决于⽣产菌种本⾝的性能，⽽且要赋以合适的环境条件才能使它的⽣产能⼒充分表达出来。
为此我们必须通过各种研究⽅法了解有关⽣产菌种对环境条件的要求，如培养基、培养温度、pH、氧的需求等，并深⼊地了解⽣产菌在合成产物过程中的代谢调控机制以及可能的代谢途径，为设计合理的⽣产⼯艺提供理论基础。
同时，为了掌握菌种在发酵过程中的代谢变化规律，可以通过各种监测⼿段如取样测定随时间变化的菌体浓度，糖、氮消耗及产物浓度，以及采⽤传感器测定发酵罐中的培养温度pH、溶解氧等参数的情况，并予以有效地控制，使⽣产菌种处于产物合成的优化环境之中。
3，发酵过程的主要控制参数主要分为哪三⼤类物理、化学和⽣物三类4，发酵过程中通常测定的参数有哪些⽬前较常测定的参数有温度、罐压、空⽓流量、搅拌转速、pH、溶氧、基质浓度、菌体浓度(⼲重、离⼼压缩细胞体积%)等。
5，发酵过程中参数测定的⽅法有哪两种参数测定⽅法有：在线测定，取样测定（离线测定）6，简述发酵过程的代谢变化规律。
为什么要了解这⼀规律。
1）代谢变化就是反映发酵过程中菌体的⽣长，发酵参数（培养基，培养条件等）和产物形成速率三者间的关系。
2）了解⽣产菌种在具有合适的培养基、pH、温度和通⽓搅拌等环境条件下对基质的利⽤、细胞的⽣长以及产物合成的代谢变化，有利于⼈们对⽣产的控制。
7，分批发酵、补料分批发酵和连续发酵的定义。
对这三种发酵⽅式进⾏⽐较。
分批发酵(Batch fermentation)是指在⼀封闭系统内含有初始限量基质的发酵⽅式。
在这⼀过程中，除了氧⽓、消泡剂及控制pH的酸或碱外，不再加⼊任何其它物质。
发酵过程中培养基成分减少，微⽣物得到繁殖。
通风发酵设备
精品资料
3. 消泡器
消泡器的作用是将泡沫 (pàomò)打破。 机械消泡装置：一类置于罐内，目的是防止泡沫外溢， 它是在搅拌轴或罐顶另外引入的轴（指搅拌轴由罐底伸 入时）上装上消泡桨；形式为锯齿形、梳状式及孔板式。 消泡器的长度约为罐径的0.65倍。另一类置于罐外，能够 将从排气中分离已溢出的泡沫使之破碎后将液体部分返 回罐内。
到全挡板条件必须满足下式要求：
流型
• 搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合效果及氧气的溶解、热量的传递具有 密切关系。 • 搅拌器造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受罐内的附件及其安装位置的影 响。
精品资料
（1）罐中心装垂直(chuízhí)螺旋桨搅 拌器的搅拌流型
• 罐中心垂直
安装的螺桨，
适当的气-液-固三相的混合与质量传递
4) 强化传热过程。
精品资料
搅拌器有径向(jìnɡ xiànɡ)流涡轮搅拌器. 轴向流搅拌器和组合式搅拌器三种。
1 ）径向(jìnɡ xiànɡ)流涡轮搅拌器
平直叶
液体径向流动 强烈，搅拌能力 最弱，消耗功率大 ，粉碎气泡能力 最强
弯叶
混合要求特别高 时用该种，消耗
罐体各个部分材料多采用(cǎiyòng)不锈钢，为 满足工艺需求，罐体必须能承受发酵工作时和灭菌 时的工作压力和温度。罐壁厚度取决于罐径，材料 耐受的压强。
精品资料
• 小型(xiǎoxíng)发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔 用于清洗和配料
• 材料为碳钢或不锈钢，可用衬不锈钢或复合不锈钢，衬 里不锈钢厚度2-3mm，耐压0.25MPa，壁厚取决于罐径 和罐压。
受内压壁厚计算(jìsuàn)：
S23[ P 0]D PC
发酵工程 (第8章)
3、主要结构参数（自习）
4、主要性能指标（自习）
5、典型的气升环流发酵罐
BIOHOCH多气升管废水处理生化反应器
（三）机械搅拌自吸发酵罐
四弯叶自吸式叶轮转子
六直叶自吸式叶轮转子
转子（叶轮、自吸搅拌器）
定子（导轮）
三、固体培养设备
（一）自然通风固体曲发酵设备
曲架、曲盘、帘子
（二）机械通风固体曲发酵设备
1一输送带 2一高位料斗 3一送料小车 4一曲料室 5一进出料机 6一料斗 7一输送带 8一鼓风机 9一空调室 10一循环风道 11-室闸门
四、动植物细胞培育反应器
（一）动物细胞培养生物反应器
1、动物细胞悬浮培养反应器
双臂磁搅拌細胞培养瓶 双侧臂Celstir瓶
四臂磁搅拌細胞培养瓶 四侧臂Celstir瓶
10－空气排放口 11－空气，CO2混合室
12－收集（取样）口
密闭式光生物反应器优点： （1）无污染，能实现单种、纯种培养 （2）培养条件易于控制
（3）培养密度高，易收获
（4）适合于所有微藻的光自养培养，尤其适 合于微藻代谢产物的生产 （5）有较高的光照面积与培养体积之比，光能 和CO2利用率较高等突出优点
全挡板条件下 的搅拌流型
c、轴封
单端面机械轴封示意图
1 静环与罐体之间的密封：通常用 各种形状有弹性的辅助密封圈来防 止液体从静环与罐体之间泄漏。这 是一静密封。
单端面机械轴封 1- 弹簧 2- 动环 3- 硬质合金 4- 静环 5- O形密封圈
单端面机械轴封示意图
2 动环与轴之间的密封：也是用 各种形状有弹性的辅助密封圈来 防止液体从动环与轴之间泄漏。 这是一个相对静止的密封。但当 端面磨损时，允许其作补偿磨损 的轴向移动，这个补偿移动是靠 弹簧或波纹板来实现的。
通气发酵设备小结
通⽓发酵设备⼩结第⼆章通⽓发酵设备常⽤的通⽓发酵罐：机械搅拌式、⽓升环流式、⿎泡式和⾃吸式。
⼀、机械搅拌通⽓发酵罐1.主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空⽓分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡剂、⼈孔、视镜等。
罐体：由圆柱体和椭圆形或蝶形封头焊接⽽成，为满⾜⼯艺要求，罐体必须能承受⼀定压⼒和温度，通常要求耐受130C和0.25MPa(绝压)搅拌器：常⽤的由平叶式或弯叶式圆盘涡轮搅拌器。
主要作⽤为混合和传质，同时强化传热过程。
挡板：防⽌液⾯中央形成旋涡流动，增强其湍动和溶氧传质。
轴封：防⽌染菌和泄漏。
⼤型发酵罐常⽤的轴封为双端⾯机械轴封，由三部分构成，动环和静环、弹簧加荷装置、辅助密封元件。
空⽓分布器：主要分为环形管式和单管式，喷⽓孔向下以尽可能减少培养液在环形分布管上滞留。
对机械搅拌通⽓发酵罐，分布管内空⽓流速取20m/s左右。
消泡装置：在通⽓发酵⽣产中有两种消泡⽅法，⼀是加⼊化学消泡剂，⼆是使⽤机械消泡装置。
通常，两种⽅法联合使⽤，最简单实⽤的消泡装置为耙式消泡器。
2.传统的双模理论（1）⽓泡中的氧通过⽓象边界层传递到⽓-液界⾯上（2）氧分⼦由⽓相侧通过扩散穿过界⾯传递到液相侧（3）氧分⼦在界⾯液相侧通过液相滞流层传递到液相主体（4）在液相主体中进⾏对流传递到⽣物细胞表⾯液膜外⾯（5）通过⽣物细胞表⾯的液相滞流层扩散进⼊⽣物细胞内3.体积溶氧系数KLa此值表⽰在曝⽓过程中氧的总传递性，当传递过程中阻⼒⼤，则KLa值低，反之KLa值⾼4. 影响KLa的主要因素有：（1）操作条件，如搅拌转速、通⽓量等（2）发酵罐的结构及⼏何参数，如体积、通⽓⽅法、搅拌叶轮结构和尺⼨等（3）物料的物化性能，如扩散系数、表⾯张⼒、密度、黏度、培养基成分及特性等5.增加液相中溶解氧的⽅法（1）提⾼KLa：加强液相主体紊流，加速⽓液界⾯更新，增⼤⽓液接触⾯积、降低液膜厚度（2）提⾼Cs（液相中饱和溶解氧浓度）：提⾼⽓相中的氧分压6.强化溶氧传质的新技术(1)发酵液中添加氧载体：加⼊不溶于培养基⼜五毒的物质，例如，加⼊10%-30%C11-C17烷烃或丁基四氟呋喃，可提⾼溶氧系数数倍。
发酵工厂设备 (2)汇总
发酵工厂设备第一章、物料的处理与输送设备一、筛选：磁铁分离器、筛选机1、磁铁分离器用途：清除磁性金属杂质，避免对机器造成损害。
2、筛选机用途:清除杂质；物料分级。
二、粉碎机:锤式粉碎机、盘磨机、两辊式粉碎机)1、锤式粉碎机用途:中等硬度的物料的中碎与细碎作业，尤其适用于脆性物料。
锤式粉碎机粉碎机理:锤刀的冲击力、挤压、研磨。
2、盘磨机用途：广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料。
主要构件:两个带沟纹的圆盘：两种方式：①一个和轴一起转动，另一个固定在外壳上；②两圆盘同时反向旋转3、两辊式粉碎机辊筒分为光辊及丝辊两种。
一个固定，一个可移动。
推力弹簧的作用：调节两辊间隙及对超载荷起保险作用；保护机器。
三、气流输送1、颗粒在输料管中的运动状态在垂直管中， u=ut，流态化状态：颗粒自由悬浮在气流中；u>ut，气流输送状态：颗粒均匀分布于气流中，随气流而流动。
在水平管中,悬浮流状态：当气流速度很大时；两相流状态：当气流速度降低时；团块流状态：当气速进一步降低时。
2、气流输送流程：真空输送流程、压力输送流程、混合式输送流程3、气流输送的适用性：①适合输送大米、大麦等松散的粒状物料；②适合用于输送量大且能连续运行的操作；③从几个不同地点，向一个送料点送料时，采用吸入式最合适；④从一个加料点向几个不同的地方送料时，采用压送式最合适；⑤短距离输送，选择低压压送；⑥长距离输送，高压压送。
4、物料分离装置：①旋风分离器：是一种利用离心力沉降原理自气流中分离出固体颗粒的设备。
②重力式分离器：又称沉降器。
5、空气除尘装置：旋风分离器、袋滤器、湿式除尘器湿式除尘器就是利用水来捕集气流中的粉尘。
加料装置常用漏斗式加料器和螺旋式加料器。
6真空输送流程：1吸嘴；2软管；3固定管；4分离器；5旋转加料器；6排料斗；7吸风管；8除尘器；9风机；10排风管；四、输送机械：带式输送机、斗式提升机、螺旋输送机1、螺旋输送机的构造：机槽1螺旋叶片3 轴2传动装置5轴承4吊架6止推轴承—装在轴的两端，以承受螺旋推送物料时所产生的轴向力。
发酵设备培训讲义
温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷 淋相结合，排料管在罐的底部。
一、酒精发酵罐
酵母将糖转化为酒精高转化率条件 (1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 (2)一定的生化反应时间 (3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物
热
酒精发酵罐的结构要求
满足工艺要求，有利于发酵的排出 从结构上有利于发酵液的排出 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方
便等问题。
酒精发酵罐筒体结构
为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及
其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。 罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料
约5分钟时间即可完成洗涤作业。洗涤水若用 废热水，还可提高洗涤效果。
二、酒精发酵罐的计算
(一)发酵罐结构尺寸的确定 发酵罐全容积可按下式计算：
(二)发酵罐罐数的确定 对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算
(三)发酵罐冷却面积计算
1．总的发酵热Q
微生物在嫌气发醉过程中总的发酵热，一般由 生物合成热Q1，蒸发热损失Q2，罐壁向用围 散失的热损失Q3等三部分热量所组成。
管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。 罐底装有排料口和排污口； 罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大
型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐 底也装有人孔。
发酵的冷却装置
对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外 壁表面进行膜状冷却；
对于大型发酵罐，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，
发酵罐的种类
发酵工业上最常用的是通风搅拌罐。除了通风 搅拌发酵罐外，其它型式的发酵罐如：气提式 发酵罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐 等。
《生物工程设备》教学大纲
《生物工程设备》课程教学大纲一、课程的性质和目的本课程是大学本科生物工程专业的专业课，通过本课程学习，结合认识实习和发酵工程等专业课程的学习，使学生掌握生物工程企业的工作流程、设备结构及其工作原理，主要设备的设计计算及选型，初步了解设备的安装与维护。
在此基础上，了解国内外生物工程与设备的新技术、新设备及发展动向。
通过本课程的学习，使学生初步具有独立分析和解决生产及试验研究上的工程设备问题的能力。
二、课程的基本要求通过本课程的教学，要求学生掌握生物工程生产过程中常用设备的结构、特点、工作原理、设计计算、选型及保养。
通过本课程学习使学生掌握常见生物工程设备的结构原理，能进行设计和选型的能力。
三、课程内容与要求第一章物料输送系统设备（4学时）1、学习目的和要求通过本章学习，了解生物工程工厂常用的固体物料和液体物料的输送设备，掌握斗式提升机、皮带输送机、螺旋输送机和气力输送系统的构造、原理及相关计算。
2、课程内容（1）斗式提升机；（2）皮带输送机；（3）螺旋输送机；（4）气力输送系统；（5）液体物料的输送设备。
3、考核知识点和考核要求（1）识记：斗式提升机、皮带输送机、螺旋输送机的构造及工作原理，气力输送流程、主要配套设备；（2）领会：气流输送的原理；（3）综合应用：气力输送系统的设计。
第二章物料处理与培养基制备（4学时）1、学习目的和要求通过本章学习，掌握固体物料的筛选、除杂及粉碎设备的构造、工作原理，液体培养基的制备及杀菌所涉及的设备构造、工作原理、工作流程及相关计算与设备选型。
2、课程内容（1）固体物料的筛选除杂设备；（2）固体物料的粉碎设备；（3）糖蜜原料的稀释与澄清设备；（4）淀粉质原料的蒸煮糖化设备；（5）啤酒生产中麦芽汁的制备。
3、考核知识点和考核要求（1）识记：振动筛、磁力除铁器、碟片式精选机、滚筒精选机、平板分级筛、圆筒分级筛、锤式粉碎机、辊式粉碎机、圆盘钢磨机、钢片式粉碎机、湿法粉碎机的构造及工作原理，糖蜜原料的稀释与澄清设备的构造及工作原理，淀粉质原料蒸煮糖化流程、啤酒生产中麦芽汁的制备流程中相关设备的构造及工作原理；（2）领会：固体物料粉碎的力学分析，培养基热灭菌的动力学；（3）综合运用：液体培养基的制备及杀菌工艺流程的设计。
第八章 发酵设备
前发酵槽的底略有倾斜，利于废水排出
离槽底10-15cm处，伸出有嫩啤酒放出管
为了维持发酵槽内醪液的低温，在槽中 装有冷却蛇管或排管。
前发酵槽的冷却面积，根据经验，对下 面啤酒发酵取每立方米发酵液约为0.2平 方米冷却面积，蛇管内通入0-2度的冰水。
注意CO2的排放，防止中毒。
密闭式发酵槽
n=24/4=6 N=6× 72/24+1=19
发酵罐容积
发酵罐采用圆柱形器身，底和顶为锥形 盖，选取结构尺寸的比例关系如下：
由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐表面 积．罐体圆柱部分表面积F1和罐底罐顶表面积 F2，F3分别为：
冷却面积和冷却装置主要结构尺寸
假定罐壁无夹套保温层，壁温最高可达35℃ ，生产厂所 在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为32℃。
度而形成的反作用力，使喷水管自动 旋转。
高压强的水力喷射洗涤装置
它是一根直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中 央，在垂直喷水管上按一定的间距均匀地钻有 4-6mm的小孔，孔与水平呈20度角，水平喷水 管接活接头，上端和供水总管，下端和相垂直 分配管相连接，洗涤水压为0.6~0.8MPa。
水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出， 使其以每分钟48~56转自动旋转，并以极大的 速度喷射到罐壁各处，而垂直的喷水管也以同 样的水流速度喷射到罐体四壁和罐底。
如果发酵液不进行冷却，则发酵温度可升高 10℃。
此外，对于小型试验罐，也可在发酵最旺盛时， 测定其冷却水的进出口温度和单位时间内的耗 水量，从而得出小罐的放热量Q’1。
代谢气体带走的蒸发热量Q2与糖浓度、发 酵程度好坏有关，除间接测定外，目前还 难具体计算，一般计算时可取Q1的5～6％ 左右。
优点
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
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。
3、冷却夹套
先进的C.C.T均采用换热片式, 一次却夹套一般分成 三段，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。
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。
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。
优点：结构简单 缺点：
①死角多，很难彻底灭菌，易渗漏和染菌 ②轴的磨损较严重 ③填料压紧后摩擦功率消耗大 ④寿命短
端面式轴封
优点 清洁 密封可靠。 无死角。 使用寿命长。 摩擦功率耗损小。 轴或轴套不受磨损。 对轴的精度和光洁度没有填料函要 求严格 ，对轴的震动敏感性小。
缺点
结构比填料函复杂，装拆不便，对动环和静环的表 面光洁度及平直度要求高，否则易泄漏。
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。
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 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。
W z 0.1 ~ 0.2D z 0.5
第八章通气发酵设备（1）
第八章通气发酵设备（1）第八章通气发酵设备 8.1 机械搅拌通风发酵罐8.2 气升式发酵罐8.3 自吸式发酵罐8.4 通风固相发酵设备8.5 其他类型的通风发酵设备8.1 机械搅拌通风发酵罐一、机械搅拌通风发酵罐的结构二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性四、机械搅拌通风发酵罐的的热量传递五、机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积六、机械搅拌通风发酵罐的放大设计举例●通风发酵设备概述需氧生物化学反应及设备的核心应具有的特点：良好的传质和传热性能；结果严密，防杂菌污染性好；流体流动与混合性能良好；易进行参数检测与控制；设备较简单；方便维修，能耗抵。
●机械搅拌通风发酵罐在发酵工业中占据主导地位；占发酵罐总数的70%-80%；又称为通用发酵罐；我国最大的发酵罐630m3,谷氨酸发酵；一、机械搅拌通风发酵罐的结构主要部件：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管（或夹套）、消泡器、人（或）孔、视镜；结构示意图1、罐体圆柱体和椭圆形或碟形封头；以不锈钢为材料；耐受130℃温度和0.25MPa（表压）压力；罐壁厚度：罐直径、材料及耐受的压强；●受内压，壁厚由下式计算：式中p：耐受的压强，MPa，表压；D：罐直径，mm；Φ：焊缝系数，双面对焊为0.8，无焊缝为1.0；C：腐蚀裕度，δ- C﹤10mm，为3mm；[σ]：许用应力。
●封头壁厚按碟形封头，由下式计算：式中y：开孔系数，可取2.3（发酵罐）；式中p：外受压力，Pa；α：系数，直立圆筒取45，有焊缝取50；H：圆筒高度，mm。
●对小型发酵罐罐顶和罐体用法兰连接；上开手孔；●对中大型发酵罐装设人孔，罐顶装设视镜及光照灯孔，进料管、排气管、接种管、压力表；排气管尽可能靠近罐顶中心位置；●罐体上设冷却水进出管、进气管、温度、pH、溶氧等检测装置接口；取样管可设在罐顶或罐侧；●注意点罐体上的接口和管路越少越好；如进料、补料和接种可共用一个接口。
发酵工程与设备第八章第二讲发酵过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
2）温度可能会影响终产物的质量
例如： 苏云金杆菌的发酵，一般在30-31℃进行，这样形成的晶体
毒力强。若发酵温度提高到37℃以上，虽然菌体生长繁殖较快， 最终含菌数也较高，但生物毒力较低，直接影响产品的质量。
K值可由下式求得： K = (MCp)发酵液 + (MCp)容器 + (MCp)附件 M — 以每升发酵液计的发酵液、容器、附件的重量 Cp — 代表各自的比热
一般微生物发酵过程中的最大发酵热约为 4.186× (3000～8000) kJ / m3 ·h
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
三、温度与发酵的关系
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
A 温度；B 开始时机；C 冲击时间
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
A比B好
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
五、温度的控制
方法： 罐壁调温
夹层调温 罐内调温
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
变温培养的正交设计
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
发酵工程与设备第八章第二讲发酵 过程控制
结论：前60h按31℃控制，缩短了适应期使发酵提前转入
生产阶段，同时菌丝体已有相当量的积累，为大量分泌抗 生素提供了物质基础 60小时后将罐温降至3O℃使与抗生素合成有关的酶的活性 增强，抗生素分泌量有所增加，同时因分泌期的延长有利 于进一步积累抗生素 发酵进入后期罐温再回升至31℃ 使生产菌在生命的最后阶 段最大限度的合成和排出次级代谢产物。
《通风发酵设备》 (2)幻灯片
〔1〕动环和静环 〔2〕弹簧加荷装置 〔3〕辅助密封原件
8.传热装置：夹套(<5m3)、内蛇管、外盘管
Q 发 酵 Q 生 物 Q 搅 拌 Q 空 气 Q 辐 射
发酵热因品种、发酵时间不同而异，不能通过简单的计 算求得，要靠实验测定。
Q 发 酵 W c(tV 2 t1 )
K Q 发 酵 V A tm
1
I C r 1 8 N i 9 T i
2
I C r 1 8 N i 9 T i
6
I C r 1 8 N i 9 T i
2
组 合 件
2 2 5
I C r 1 8 N i 9 T i I C r 1 8 N i 9 T i
1
I C r 1 8 N i 9 T i
1
I C r 1 8 N i 9 T i
4.1 机械搅拌通风发酵罐
7.轴封装置：
搅拌轴一般从罐顶深入罐内，但对容积 大于100m3的大型发酵罐，采用下伸轴以降 低发酵罐重心，缩短轴的长度，降低传动噪声 。同时顶部空间可以安装高效的机械消沫器及 其他自控部件。
采用下伸轴时要求双端面轴封，轴封要 设计可用蒸汽灭菌，用无菌空气保压防漏及冷 却。而上伸轴可采用单端面轴封。
D
D 2 3 D 8 12
B0.8~1; S1.5~2.5; S11~2
D
D
D
种子罐：H/D=1.7~2.0 发酵罐：H/D=2.0~2.5
高径比要保证传质效果好、空气利用率高， 保证综合经济指标合理和使用方便。
影响因素：发酵菌种、发酵工艺条件、厂房 的土建等。
发酵罐的装料容积：筒身体积+底 封头体积
视 镜
1 9
电 动 机 座
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8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
机械搅拌通风发酵罐 气升式发酵罐 自吸式酵罐
一、机械搅拌通风发酵罐的结构 二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧 三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性 四、机械搅拌通风发酵罐m的3 的热量传递 五、机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积 六、机械搅拌通风发酵罐的放大设计举例
2、100m3大型发酵罐的设计 ●主要用于抗生素、氨基酸发酵
大型发酵罐搅拌装置（内部结构）
大型发酵罐搅拌装置（罐顶部外观）
小型搅拌发酵罐装置
8.2 气升式发酵罐(ALR)
1、概述 ●工作原理
把无菌空气通过喷嘴或喷孔以250～300m/s的速度喷 射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用使气泡 碎裂，同时形成的气液混合物由于密度较低向上运 动，而气含率小的发酵液则向下运动，形成循环流 动，实现混合与传质。
●剪切力小，对细胞损伤小 适合植物细胞和组织培养；
●传热良好 液体综合循环速率高； 便于在外循环管路上进行换热；
●结果简单，易于加工制造 无搅拌器，不需安装结构复杂的搅拌系统； 容易保证密封； 加工制造方便，设备投资较低； 易于放大制造大型反应器；
●优缺点 结构简单，冷却面积小； 无搅拌传动设备，节约动了约50％，节约钢材； 操作无噪音； 料液可充满达80～90％，而不需加消泡剂； 维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。 缺点： 不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵 液溶氧系数较低；
●类型 气升环流式、鼓泡式、空气喷射式；
2、气升环流式反应器的特点 ●发酵液分布均匀
三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性
1、搅拌叶轮尺寸与类型 ●叶轮尺寸与罐直径比
Di/D=0.33~0.45 选用较大的叶轮或Di/D：
多糖发酵， 动物细胞培养； ●叶轮类型的选择 功率准数、混合特性， 产生的液流作用力的大小；
2、搅拌叶尖速度与剪应力 ●细胞与剪切作用
损害程度：
细胞特性、搅拌力的性质、强度、作用时间；
20L罐试验数据： 细胞浓度，产物浓度，得率系数； 培养条件：温度、pH、μ； 大罐生产目标：细胞浓度50g/L（干）；
培养基； 发酵工艺；
发酵液流体类型； 产物收率； 生产天数，24小时连续生产； （2）设计计算 ●物料衡算、热量衡算、反应器体积： 产物总产量； 细胞年产量，发酵总量； 每天应生产的发酵液量； 反应器体积； 溶氧速率OTR；
V1=πD2hb/4+πD2ha/6 ha：椭圆封头的直边高度，m； hb：椭圆短半轴长度，标准椭圆hb=D/4；
罐的全体积：
V0=πD2[(H0+2(hb+D/6)]/4
≈ πD2 /4+0.15D3
（m3）
六、机械搅拌通风发酵罐的放大设计举例
1、基因工程菌发酵罐的设计 （1）设计任务与要求 ●年产量， ●现有（中试）发酵工艺参数
基质均匀分散； 避免液面形成稳定的泡沫层； 使淀粉类易沉降的物料悬浮分散； ●较高的溶氧速率和溶氧效率 较高的气含率（gas-holdup)和气液接触界面； 溶氧速率比机械搅拌罐高：kLa可达2000h－1； 比如25m3的气升式反应器：
溶氧速率：2~8kg/(m3·h)；
溶氧效率： 1~2kg/(kW·h)；
要求水温较低； ●竖式列（排）管
传热推动力大，用水量大；
五、机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
标准发酵罐的几何尺寸
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
H0/D=2
●公称体积
指罐的筒身（圆柱）体积与底封头体积之和。
椭圆形封头体积：
发酵过程的最大放热：
Q发酵=[Wc(T2－T1)]/VL
[kJ/(m3·℃)]
W:冷却水流量，kg/h；
c：水的比热容， kJ/(kg·℃)；
T1、T2:冷却水进出口温度，℃； VL：发酵液体积，m3; ●发酵液温升测量计算
旺盛期，先使罐温恒定，关闭冷却水，
30min后测定发酵液的温度：
Q发酵=[ (w1c1+w2c2) △T]/VL
n：流体状态特性指数，
拟塑性： 0﹤n﹤1 涨塑性： n﹥1
如丝状菌（青霉素）、液体曲、多糖；
四、机械搅拌通风发酵罐的的热量传递
1、发酵过程的热量计算
●生物反应热的计算
Q发酵=Q生物+Q搅拌－Q散
Q搅拌： 与搅拌功率Pg有关， η功热转化率，取η=0.92；
Q散发：Q蒸发、Q显、Q辐射， Q散发=0.2 Q生物； ●冷却水带出的热量计算
τ=F/A=μ(du/dy)=μγ
τ为剪应力，Pa或N/m2； F为切向力，A 为流体面积；
μ为流体黏度Pa·s，γ为剪切速率（速度梯度，s－1 )；
非牛顿型流体 （2）宾汉塑性流体
τ=τ0+μsγ
τ0为屈服应力，Pa;
μs为表观黏度,Pa·s;
如黑曲霉发酵液； （3）拟塑性和涨塑性流体
τ=Kγn K：均匀系数，稠度系数， Pa·sn；
[kJ/(m3·℃)]
w1、w2：发酵液和发酵罐的质量，kg；
c1、c2：发酵液和发酵罐的比热容， kJ/(kg·℃)；
△T： 30min内发酵液的温升，℃；
2、发酵罐的换热装置 ●换热夹套
换热系数低：400~600 kJ/(m3·h·℃)；
适应：5m3发酵罐； ●竖式蛇管
4~6组 换热系数高：1200~4000 kJ/(m3·h·℃)；
●发酵罐初步设计 搅拌功率、Di/D、通气线速度； 选择搅拌桨叶； 由上述数据得到初步计算结果；
●发酵工艺改进 所得的溶氧速率OTR低于要求的OTR： 采用改进取得供应； 以计算得到的OTR计算， 得到发酵特征参数； 解决低OTR问题，在后期通富氧；
●综合考虑，进行优化设计， 得到改进的反应器计算结果；
定性关系：
球状和杆状细胞：耐受力强，
丝状、动物细胞：耐受力弱；
●关于搅拌剪切的反应器设计准则
以搅拌叶尖线速度v为基准： v≤7.5m/s
例外： 谷氨酸发酵
3、发酵液的流变特性 液体流变特性的影响： 传质、传热、混合； 发酵罐设计与运转；
●发酵液流变特性的类型： （1）牛顿型流体
黏度不随搅拌剪切速率和剪应力而改变（粘性定律）； 剪应力与剪切速率的关系：