发酵工程第八章发酵设备与反应器[可修改版ppt]
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发酵设备与反应器PPT课件
最低一挡搅拌器下面，管口与罐底的距离约 40mm，气速20m/s
空气分布. 器
22
7 消泡装置 ➢ 作用：打碎泡沫，防止逃逸 ➢ 长度：约为罐径的0．65倍。 ➢ 安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵
罐排气系统上，可将泡沫打破或将泡沫破碎 分离成液态和气态两相的装置 ➢ 最简单实用的是耙式消泡器
第八章 发酵设备与反应器
主讲：鲍成满
.
1
生物反应过程示意图
.
2
一 生物反应器概述 二 微生物细胞反应器——发酵罐 三 发酵罐的放大
.
3
一 生物反应器概述
❖ 生物反应器：是利用酶或生物体（如微生 物）所具有的生物功能，在体外进行生化 反应的装置系统。
❖ 生物反应器的作用：为生物反应提供一个 体外优化的物理、化学环境，以获到更多 需要地生物量或代谢产物。
➢ 圆筒体锥底立式发酵 罐(简称锥形罐)，已 广泛用于发酵啤酒生 产。
.
37
❖ 设备外形特点
➢ 一般置于室外
➢ 罐体圆柱形，罐顶椭圆封头，锥形体底。锥 底角取排出角为73~75˚，对于贮酒罐，常取 锥角为120~150 ˚
➢ 筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数
。单酿罐一般是D：H＝1：1~2。对两罐法
❖ 相同搅拌功率下，翻动流体的能力： 箭叶式 > 弯叶 > 平叶
.
16
3 挡板 ➢ 作用：防止液面中心产生漩涡，改变液流的
方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧
(W )Z(0.1~0.1)2 DZ0.5
D
D
式中:
D—罐的直径 Z—挡板数 W—挡板宽度
.
17
➢ 通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即 可满足全挡板条件（所谓“全挡板条件”是 指在一定转速下再增加挡板或其它附件而搅 拌功率仍保持不变，漩涡基本消失
空气分布. 器
22
7 消泡装置 ➢ 作用：打碎泡沫，防止逃逸 ➢ 长度：约为罐径的0．65倍。 ➢ 安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵
罐排气系统上，可将泡沫打破或将泡沫破碎 分离成液态和气态两相的装置 ➢ 最简单实用的是耙式消泡器
第八章 发酵设备与反应器
主讲：鲍成满
.
1
生物反应过程示意图
.
2
一 生物反应器概述 二 微生物细胞反应器——发酵罐 三 发酵罐的放大
.
3
一 生物反应器概述
❖ 生物反应器：是利用酶或生物体（如微生 物）所具有的生物功能，在体外进行生化 反应的装置系统。
❖ 生物反应器的作用：为生物反应提供一个 体外优化的物理、化学环境，以获到更多 需要地生物量或代谢产物。
➢ 圆筒体锥底立式发酵 罐(简称锥形罐)，已 广泛用于发酵啤酒生 产。
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37
❖ 设备外形特点
➢ 一般置于室外
➢ 罐体圆柱形，罐顶椭圆封头，锥形体底。锥 底角取排出角为73~75˚，对于贮酒罐，常取 锥角为120~150 ˚
➢ 筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数
。单酿罐一般是D：H＝1：1~2。对两罐法
❖ 相同搅拌功率下，翻动流体的能力： 箭叶式 > 弯叶 > 平叶
.
16
3 挡板 ➢ 作用：防止液面中心产生漩涡，改变液流的
方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧
(W )Z(0.1~0.1)2 DZ0.5
D
D
式中:
D—罐的直径 Z—挡板数 W—挡板宽度
.
17
➢ 通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即 可满足全挡板条件（所谓“全挡板条件”是 指在一定转速下再增加挡板或其它附件而搅 拌功率仍保持不变，漩涡基本消失
《发酵工程》课件
产物分离纯化的优化
分离纯化方法
常见的分离纯化方法包括过滤、离心、萃取、蒸馏、膜分离等。
优化策略
根据产物的性质和发酵液的特点，选择合适的分离纯化方法，并优化工艺参数，以提高产物的纯度和收率。
06
未来发酵工程的发展趋势
新技术应用与设备改进
生物信息学
利用生物信息学技术，对微生物基因组学、转录组学和蛋白质组学 进行深入研究，为发酵工程提供更精确的微生物代谢调控手段。
为防止发酵污染，应定期对菌种进行 纯化、复壮，严格控制培养基和设备 的灭菌温度和时间，加强发酵过程中 的监控和检测。
发酵效率的提高
影响因素
影响发酵效率的因素包括菌种特性、培养基成分、发酵温度、pH值、溶解氧浓度等。
优化方法
通过调整培养基成分、控制发酵温度、调节pH值、提高溶解氧浓度等方法，可以有效提高发酵效率。
合成生物学
利用合成生物学技术，设计和构建具有特定功能的微生物细胞工厂， 实现高效、定向的物质转化。
基因编辑技术
通过基因编辑技术，改造和优化微生物的代谢途径，提高发酵产物 的产量和品质。
可持续性与环保
1 2
节能减排
通过优化发酵工艺和设备，降低能源消耗和减少 废弃物排放，实现发酵工程的绿色可持续发展。
抗菌素
抗菌素是一类具有抗菌活性的物质，通过抑制或杀死病原微生物，达到防治病害 的目的。抗菌素在医疗、农业、食品工业等领域广泛应用。
其他发酵产物及其应用
柠檬酸
柠檬酸是发酵工程中重要的有机酸之一，主要用于食品、 化工、医药等领域。柠檬酸具有抗氧化、抗菌、提高口感 等作用。
氨基酸
氨基酸是蛋白质的基本组成单位，通过发酵工程生产出的 各种氨基酸，如谷氨酸、赖氨酸等，在食品、饲料、医药 等领域广泛应用。
《发酵设备与反应器》课件
02
选择合适的材料
03
设计合理的结构
根据工艺条件和物料特性，选择 耐腐蚀、耐高温、耐高压的材料 。
根据工艺要求和操作条件，设计 合理的进料、出料、热交换等结 构。
反应器的操作与控制
操作规程制定
制定详细的操作规程，包括开车、停车、异 常处理等。
温度控制
通过调节加热或冷却介质流量，控制反应温 度在设定范围内。
效率，同时降低了能耗和排放。
某科研机构的微生物发酵实验设备
03
采用智能控制系统，实现了对实验设备的远程监控和自动控制
，提高了实验的准确性和可重复性。
05
发酵设备与反应器的维护与 保养
日常维护
清洁设备表面
每天工作结束后，用软布擦拭设备表面，保持清洁。
检查设备运行状况
每天开机前，检查设备各部件是否正常，确保无异常 声音和振动。
。
可靠性原则
选择具有良好口碑和稳 定性能的设备，以确保 发酵过程的稳定性和可
靠性。
环保性原则
优先选择低能耗、低排 放的设备，以降低对环
境的影响。
优化方法
工艺优化
通过对发酵工艺的优化，提高设备的利用率 和生产效率。
智能控制
引入智能控制系统，实现对设备的远程监控 和自动控制，提高设备的自动化水平。
设备改造
通过对设备的局部改造或升级，提高设备的 性能和效率。
维护保养
建立完善的设备维护保养体系，确保设备的 长期稳定运行。
实际应用案例
某生物制药公司的发酵罐选型
01
根据生产规模和工艺要求，选择了适合的发酵罐类型，并通过
优化工艺参数，提高了发酵效率。
某食品企业的酒精发酵设备升级
发酵基本工艺与发酵设备介绍ppt
– 采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。
二 、发酵设备
生物反应器(发酵罐)
利用生物工程技术进行生产的过程统称生物反应过程 。 采用活细胞(包括微生物、动植物细胞)的某些特定 功能生产有用产品的生物反应过程称为发酵过程或 细胞培养过程。
采用游离或固定化酶作为生物催化剂的生物反应过 程，称为酶反应过程。 生物反应器：利用酶或生物体（如微生物）所具有的生 物功能，在体外进行生化反应的装置系统。
根据生物反应过程中所使用的生物催化剂不同可将生 物反应器分为：
酶反应器和（微）细胞生物反应器。 生物反应器应具备的条件：
➢能维持一定的温度、pH、反应物(如营养物质、溶解氧 等)浓度；
➢应具备良好的传质、传热和混合性能，以便为生物反 应的顺利进行提供适宜的环境条件；
➢细胞生物反应器除具备上述特性外，还要求有一定的 除菌及密封设备，以防止生产过程中因微生物侵入造成 的杂菌污染。
要求的优良菌种。
可用基因工程、细胞工程的方法 对菌种的遗传特性进行定向改造， 以构建工程细胞或工程菌，从而
达到生产相应产品的目的
对菌种一般有以下要求：
➢ 菌种能在较短的发酵过程中高产有价值的发酵产品。 ➢ 菌种的发酵培养基应价廉，来源充足，被转化为产品的
效率高。如农副产品。 ➢ 菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害，还应注
发 酵 基 本 工 艺与发 酵设备 介绍pp t
第二节
发酵基本工艺与发酵设备
李清华 公共卫生学院
发 酵 基 本 工 艺与发 酵设备 介绍pp t
1
• 主要内容
一、发酵工艺流程
二、常见发酵设备
1、发酵罐的设计原则
2、微生物细胞反应器
3、动物细胞培养反应
二 、发酵设备
生物反应器(发酵罐)
利用生物工程技术进行生产的过程统称生物反应过程 。 采用活细胞(包括微生物、动植物细胞)的某些特定 功能生产有用产品的生物反应过程称为发酵过程或 细胞培养过程。
采用游离或固定化酶作为生物催化剂的生物反应过 程，称为酶反应过程。 生物反应器：利用酶或生物体（如微生物）所具有的生 物功能，在体外进行生化反应的装置系统。
根据生物反应过程中所使用的生物催化剂不同可将生 物反应器分为：
酶反应器和（微）细胞生物反应器。 生物反应器应具备的条件：
➢能维持一定的温度、pH、反应物(如营养物质、溶解氧 等)浓度；
➢应具备良好的传质、传热和混合性能，以便为生物反 应的顺利进行提供适宜的环境条件；
➢细胞生物反应器除具备上述特性外，还要求有一定的 除菌及密封设备，以防止生产过程中因微生物侵入造成 的杂菌污染。
要求的优良菌种。
可用基因工程、细胞工程的方法 对菌种的遗传特性进行定向改造， 以构建工程细胞或工程菌，从而
达到生产相应产品的目的
对菌种一般有以下要求：
➢ 菌种能在较短的发酵过程中高产有价值的发酵产品。 ➢ 菌种的发酵培养基应价廉，来源充足，被转化为产品的
效率高。如农副产品。 ➢ 菌种对人、动物、植物和环境不应该造成危害，还应注
发 酵 基 本 工 艺与发 酵设备 介绍pp t
第二节
发酵基本工艺与发酵设备
李清华 公共卫生学院
发 酵 基 本 工 艺与发 酵设备 介绍pp t
1
• 主要内容
一、发酵工艺流程
二、常见发酵设备
1、发酵罐的设计原则
2、微生物细胞反应器
3、动物细胞培养反应
发酵工程 ppt课件
4.1 主要发酵类型
微生物菌体发酵
以获得具有某种用途的菌体为目的。 例如：①酵母的生产。
②生物防治。 鳞翅目、双翅目害虫 苏云金杆菌、蜡样芽胞杆菌、 侧孢芽孢杆菌 松毛虫——白僵菌、绿僵菌
问题草莓
据中国之声《新闻纵横》报道，日前一则关于草莓的报道让不 少消费者感到担心 —— 报道说，记者随机在北京新发地农产品 批发市场、美廉美超市、昌平采摘园以及路边的草莓摊购买了 8 份草莓样品，送到北京农学院检测，结果都检出了乙草胺成分， 它被列为 b － 2 类致癌物。但对于这个结果，很多业内人士都觉 得不可思议，理论上，乙草胺不应该出现在草莓里。
利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来 制备微生物菌体或其代谢产物的过程。
路易斯· 巴斯德（Louis Pasteur)
近代微生物奠基人 巴氏消毒法
每一种发酵作用都是由于一种微菌的发展。 每一种传染病都是一种微菌在生物体内的发展。
传染病的微菌，在特殊的培养之下可以减轻毒
力，病菌可以被改造成防病的疫苗。
连续发酵的优缺点
优点
能维持基质浓度 可以提高设备利用率和单位时间的产量 便于自动控制 菌种发生变异的可能性较大 要求严格的无菌条件
缺点
4.3.1.3 补料分批发酵
又称半连续发酵，是介于分批发酵和连续发 酵之间的一种发酵技术，是指在微生物分批 发酵中，以某种方式向培养系统补加一定物 料的培养技术。
进作用，也有可能有抑制作用。
4.3.2.4 CO2 对发酵的影响
CO2对菌体具有抑制作用，当排气中CO2的浓度 高于4%时，微生物的糖代谢和呼吸速率下降。 例如，发酵液中CO2的浓度达到1.6×10-1mol，就 会严重抑制酵母的生长；当进气口CO2的含量占混 合气体的80%时，酵母活力与对照相比降低20%。
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器 ppt课件
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
9
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
反应器应尽量减少死角，消除藏垢积污场所，保证灭菌彻 底
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
13
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
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有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄 清。 发酵罐锥底角一般为60-130°考虑到发酵中酵母自然沉降 最有利，以70°为好。
14
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
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。
35
发酵工程 第八章 发酵设备与反应 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
40
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
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。
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。
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
9
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
反应器应尽量减少死角，消除藏垢积污场所，保证灭菌彻 底
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
13
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
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有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄 清。 发酵罐锥底角一般为60-130°考虑到发酵中酵母自然沉降 最有利，以70°为好。
14
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
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。
35
发酵工程 第八章 发酵设备与反应 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
40
发酵工程 第八章 发酵设备与反应器
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。
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。
发酵工程 ppt课件
100%
酵母菌
单细胞真菌，具有真核细胞结构 ，有产孢子繁殖和水生、好气性 生长及醇发酵和糖发酵等类型。
80%
霉菌
丝状真菌的俗称，意即多细胞的 真菌，在自然界中广泛存在。
微生物的营养需求
水
微生物细胞的主要组成部分， 是良好的溶剂，能维持酶活性 ，参与代谢反应。
无机盐
参与细胞构成和代谢反应，对 细胞的渗透压平衡和酸碱平衡 起着重要作用。
利用发酵技术生产面包、啤酒 、酸奶等食品。
医药工业
生产抗生素、疫苗、干扰素等 生物药物。
化学工业
生产燃料、化学品、塑料等物 质。
环境治理
利用微生物处理废水、废气， 实现环境保护和治理。
02
发酵工程的基本原理
微生物的种类与特性
80%
细菌
根据形态可分为球菌、杆菌、螺 旋菌等，根据对人类的关系可分 为致病菌、条件致病菌和益生菌 。
细胞分离
通过离心、过滤等技术将菌体从发酵液中分离出 来。
产物纯化
通过一系列的分离纯化技术，如蒸馏、结晶、色 谱等，将产物纯化至所需的规格和纯度。
04
发酵工程的应用实例
酒精发酵Βιβλιοθήκη 010203
酒精发酵简介
酒精发酵是一种通过酵母 菌将糖类物质转化为乙醇 的过程，广泛应用于酒精 饮料、化工等领域。
酒精发酵工艺流程
提高产物的产量与质量
代谢工程
通过代谢工程手段，对微生物的代谢途径进行优化，提高目标产 物的产量和纯度。
过程控制
采用先进的传感器和在线监测技术，实时监测发酵过程，实现精 准控制，提高产物质量。
降低生产成本与环境污染
节能减排技术
采用新型发酵设备，提高设备利用率和能源利用效率，降低能耗和碳排放。
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。
2019年-第八章发酵设备与反应器-PPT精选文档
气升式反应器与机械搅拌通风反应器的不同
在于无机械搅拌
特点
反应溶液分布均匀 较高的溶氧速率和溶氧效率 剪切力小，对生物细胞损伤小 传热良好 结构简单，易于加工制造。
气升式反应器有多种形式，比较典型的两种
形式
气升内环流发酵罐
气升外环流发酵罐
典型的气升环流发酵罐
ICI压力循环气升发酵罐
酶反应器 发酵罐
光合生物反应器开发
二 微生物细胞反应器——发酵罐
发酵罐：微生物细胞反应器，是为微生物
生长和产物形成提供良好环境的容器。
按微生物对氧的需求
好氧发酵罐 厌氧发酵罐
（一） 好氧发酵罐—机械搅拌式发酵罐
机械搅拌式发酵罐（通用型发酵罐）
大型发酵罐
利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵 液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以 保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的 氧气。 机械搅拌通风发酵罐占主导地位，约为总 发酵罐的７０－８０％。
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。
相同搅拌功率下，三者的粉碎气泡的能力：
平叶＞弯叶＞箭叶
相同搅拌功率下，翻动流体的能力：
箭叶式 > 弯叶 > 平叶
3挡板 作用：防止液面中心产生漩涡，改变液流的 方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧
W ( 0 . 1 ~ 0 . 12 ) D ( ) Z Z 0 . 5 D D
式中:
露天式锥底发酵罐
圆筒体锥底立式发酵 罐(简称锥形罐)，已 广泛用于发酵啤酒生 产。
发酵工程与设备第八章第二讲发酵过程控制
● 温度除了直接影响发酵过程中各种反应速率外，还通过改 变发酵液的物理性质，间接影响菌的生物合成。
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。
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。
《发酵工程》PPT演示课件
应的压力降也较小。
35
36
❖ 过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入0.20.4 Mpa的蒸汽，灭菌45min后用压缩空气吹 干备用。总过滤器约每月灭菌一次。
37
2). 滤纸过滤器：
❖ 介质:超细玻璃纤维纸。 ❖ 孔径:1-1.5μm ❖厚度: 0.25-0.4mm ❖ 实密度:2600Kg/m3 ❖ 填充率:14.8%。
❖ 求灭菌失败几率为0.001 时所需要的灭菌时间
❖
解：N0 = 40 X106 X 2 X105 = 8X 1012个
❖
Nt= 0.001个
❖
K = 1.8 min-1
❖
灭菌时间：t = 2.303 /1.8 lg （8X
1012/0.001） = 20.34min
15
❖ 例2.若将例1中的培养基采用连续灭菌，灭菌温度 131℃，此温度下灭菌速率为15min-1。求灭菌所 需的维持时间。
连续
便于自 动控制
蒸汽负 荷均衡
22
23
24
25
6.3 空气过滤除菌 一、发酵用无菌空气的质量标准: 发酵用的无菌空气,就是将自然界的空气 经过压缩,冷却,减湿,过滤等过程达到:
26
1
❖连续提供一定流量的压缩空气。
2
空气的压强为0.2-0.4Mpa
3
进入过滤器之前，空气的相对湿度≤ 70%
31
32
❖
2．空气的过滤除菌
绝对过滤
介质的空隙 小于被拦截的 微生物大小， 如用聚四氟乙 烯或纤维素酯 材料做成的微 孔滤膜。
过滤 拦截的微生物 大小，但介质有 一定厚度，机理 是静电，扩散， 惯性及拦截作用。 如棉花过滤器， 超细玻璃纤维纸， 金属烧结管等。
35
36
❖ 过滤器进行灭菌时，一般是自上而下通入0.20.4 Mpa的蒸汽，灭菌45min后用压缩空气吹 干备用。总过滤器约每月灭菌一次。
37
2). 滤纸过滤器：
❖ 介质:超细玻璃纤维纸。 ❖ 孔径:1-1.5μm ❖厚度: 0.25-0.4mm ❖ 实密度:2600Kg/m3 ❖ 填充率:14.8%。
❖ 求灭菌失败几率为0.001 时所需要的灭菌时间
❖
解：N0 = 40 X106 X 2 X105 = 8X 1012个
❖
Nt= 0.001个
❖
K = 1.8 min-1
❖
灭菌时间：t = 2.303 /1.8 lg （8X
1012/0.001） = 20.34min
15
❖ 例2.若将例1中的培养基采用连续灭菌，灭菌温度 131℃，此温度下灭菌速率为15min-1。求灭菌所 需的维持时间。
连续
便于自 动控制
蒸汽负 荷均衡
22
23
24
25
6.3 空气过滤除菌 一、发酵用无菌空气的质量标准: 发酵用的无菌空气,就是将自然界的空气 经过压缩,冷却,减湿,过滤等过程达到:
26
1
❖连续提供一定流量的压缩空气。
2
空气的压强为0.2-0.4Mpa
3
进入过滤器之前，空气的相对湿度≤ 70%
31
32
❖
2．空气的过滤除菌
绝对过滤
介质的空隙 小于被拦截的 微生物大小， 如用聚四氟乙 烯或纤维素酯 材料做成的微 孔滤膜。
过滤 拦截的微生物 大小，但介质有 一定厚度，机理 是静电，扩散， 惯性及拦截作用。 如棉花过滤器， 超细玻璃纤维纸， 金属烧结管等。
发酵工艺与设备PPT课件
灭菌
• 发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发 酵过程中不能混入杂菌。
– 在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争 关系，对发酵过程造成不良影响。
– 例如：在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分 泌的抗生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡；在青 霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉 素酶，将合成的青霉素分解掉。
精选
3、气升式环流反应器 ➢类型：内环流式、外环流式
气升式发酵罐不具有任何机械搅拌系统，仅利用空气在 发酵罐内（外）循环以搅拌培养物，这一相对柔和的混 合系统适用于植物细胞和动物细胞培养。 原理基于含气量高的培养物和含气量少的培养物之间比 重的差异。在发酵罐通气过程中，含气量较低的培养基 产生一上流的推力，导致培养基的循环。
精选
（一） 发酵罐设计的原则
发酵罐的主要功能： 为菌体生长，或为某一特定的微生物混合发酵剂提供一 个便于控制的环境，以获得人们所期望的产物 。
➢发酵罐设计的原则
1、发酵器应能在无菌条件下工作数天，且应在长时间 运转过程中保持稳定；
2、通气和充分搅拌，以满足微生物代谢的需要，但不 应损伤菌体；
精选
3、尽可能低的功率消耗； 4、发酵罐上应配备有温度和pH值控制系统以及采样 装置 ； 5、发酵罐内的蒸发损失不应太多； 6、在放料、清洗和维修等操作过程中具有最低的劳 动力消耗；
精选
4、高位塔式生物反应器
是一种罐体的高与直径比值较大，利用通入培养液的无 菌空气泡上升来带动液体运动，产生混合效果的非机械 搅拌式生物反应器，适用于培养液黏度低、固体含量少 和需氧量较低的发酵培养过程。
精选
➢与机械搅拌式生物反应器相比，塔式生物反应 器不设机械搅拌桨的优点是：
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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。
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、 维修以及设备制造安装方便等问题。
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； 罐身上下部装有取样口和温度计接口。
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
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 5 配套而又可靠的检测和控制仪表
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，
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。 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
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。
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。
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，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。
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)；
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57d以上，短期贮酒不能保证温度一致
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
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。
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
反应器应尽量减少死角，消除藏垢积污场所，保证灭菌彻 底
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
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)。
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有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄 清。 发酵罐锥底角一般为60-130°考虑到发酵中酵母自然沉降 最有利，以70°为好。
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。
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。
发酵工程第八章发 酵设备与反应器
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
生物反应器的分类
按反应器结构特征分类
釜式、管式、塔式、膜式等类型
生物反应器的分类
根据细胞或组织的代谢要求
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。
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 冷却的方法，此法具有冷却发酵液 均匀、冷却效率高等优点。
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