第四章 发酵设备

酒精发酵罐的洗涤
过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而 且 CO2气体一旦末彻底排除，工人入罐清洗会 发生中毒事故。 近年来，酒精发酵罐巳逐步采用水力喷射 洗涤装置，从而改善了工人的劳动强度和提高 了操作效率。大型发酵罐采用这种水力洗涤装 置尤为重要。 所谓CIP系统，是 clean in place的简称， 意即内部清洗系统。
搅拌速度越快，搅拌雷诺准数增加，增加了传 氧速率。
挡板的作用：
改变液流的方向，由径向流改为轴向流， 促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 全挡板条件是指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：
0.1 ~ 0.2D W z 0.5 z D D D－ 罐 直 径 （ mm）
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。
为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底 部沿罐体四周装有集水槽。 采用罐外列管式喷淋冷却的方法，具有冷却发 酵液均匀，冷却效率高等优点。
杯式补料系统
生产车间计算机控制室
三、自吸式发酵罐
自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而 在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。 应用： 医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力 复霉素、维生素 C 、酵母、蛋白酶等。取得了良 好的成绩。
原理：
当搅拌器叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体 或被甩出而使其背侧形成真空，使导气管吸入罐外 气体。吸入的空气与发酵液完全混合后在叶轮末端 排除，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌 向液面而均匀分布。
阀门的选取应考虑： ①用于什么目的； ②阀门的材料是否耐温、耐压等； ③连接方式； ④经济成本； ⑤操作方式。
发酵罐上常用的阀门有：闸阀、球阀、活 塞阀、针型阀、蝶形阀、球心阀、隔膜阀，单 向阀(止逆阀)、安全阀、压力控制阀等。 隔膜阀既严密可靠，阀杆又不与物料接触， 因此在发酵罐上的用处很大。隔膜由氯丁橡胶 与天然胶混合制成，可耐高温，价格也高。使 用时，隔膜阀需要定期检查和更换。
第二节 发酵罐的分类介绍
根据反应是否需要氧气为基准，微生物反应器 可分为: 需氧微生物反应器（通气发酵罐） 厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
一、厌氧微生物反应器——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
环形管的分布装置： 以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径 为φ5 ～ 8mm ，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通 风管的截面积。空气流速取：20m/sec
④ 轴封
填料函式轴封的优点是结构简单。
主要缺点是：
死角多，很难彻底灭菌，易渗漏和灭菌 轴的磨损较严重 填料压紧后摩擦功率消耗大 寿命短
水力喷射装置
由一根两头装有喷嘴的洒水管组成 两头喷水管弯有一定的弧度 喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔 喷水管安装时呈水平 喷水管借活接头和固定供水管相连接 它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速 度而形成的反作用力，使喷水管自动 旋转。 对 于 120m3 的 酒 精 发 酵 耀 ， 采 用 36×3mm 的喷水管，管上开有 44×30 个小孔，两头喷嘴口径为9mm。
1、配料罐
2、加热设备： 在配料罐里培养基被加热到70℃，然后，用 泵送到加热设备，在20秒的时间内继续加热到 130～140℃。常用的加热设备有塔式和喷射式两 种。 塔式加热设备又称连消塔，塔的有效高度 2～3m，料液在塔中的流速是0.1m／s，因此料液 在塔内的滞留时间为2～30s。它是有—多孔导入 管和一外套管组成，多孔管的孔径是5～8mm。 喷射式加热器有一喷嘴，蒸汽由喷嘴喷出， 料液从侧面进入加热器而被蒸汽加热。
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 管借活接头，上端和供水总管，下端相垂直分 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。
约5min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。
啤酒发酵设备
二、通气搅拌发酵罐
通气搅拌罐有下列优点： pH和温度容易控制 尺寸放大的方法大致已确定 适用于连续搅拌反应罐（CSTR）等。
通气搅拌罐的缺点： 搅拌功率消耗大 因罐内结构复杂，不易清洗干净，易被杂菌污 染。此外，虽装有无菌密封装置，但在轴承处 还会发生杂菌污染。 培养丝状菌时，常用搅拌桨叶的剪切力致使菌 丝易被切断，细胞易受损伤。
空气压缩机原理图
2、过滤器： 空气过滤器的类型很多，有棉花活性炭过 滤器、管式过滤器和接送式过滤器等。
3、过滤介质： 空气除菌用的过滤介质有：棉花、活性炭 玻璃纤维，超细玻璃纤维纸，石棉滤板、烧结 材料、聚乙烯醇(PVA)等多孔合成树脂、素烧陶 瓷筒和聚碳酸酯等。
（二）培养基灭菌设备
连消塔—喷淋冷却连续灭菌流程
1、管道 与发酵罐连接的管道有水管、料管、空 气管和蒸汽管 发酵罐内的冷却蛇管与发酵罐内直接相 连的料管等，最好采用不锈钢管。 管径选取的流速是：上水管 1 ～ 2m ／ s ；料 管 0.5 ～ 1.0m ／ s ；空气管 10 ～ 15m ／ s ；蒸汽 15～20m／s。
2、阀门 阀门是发酵罐的重要组成，它被用于调节控制 气体和液体的流量。
发酵罐的部分部件
① 搅拌器和挡板 搅拌器分平叶式、弯叶式、箭叶式三种，国外 多用平叶，我国多用弯叶。 前者搅拌程度最 激烈，后者次之。
搅拌的作用： 液体通风后进入的气泡在搅拌中随着液体旋转 使之所走路程延长，使发酵液中保持的空气数 量增加，实际上是增加了传质量。 通过搅拌，大气泡被搅拌器打碎，增加比表面 积。
z－ 挡 板 数 W－ 挡 板 宽 度 （ mm）
② 消泡器 机械消泡装置主要有四种。 1）锯齿式消泡桨 它安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定 在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。 2)半封闭式涡轮消泡器 它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡 轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。
3)离心式消泡器 它们置于发酵罐的顶部，利用高速旋转产 生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。
第四章 生物反应器（发酵设备）
第一节 发酵罐简介 第二节 发酵罐的分类介绍
生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
第一节 发酵罐简介
1、基本概念 发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发 酵工业的心脏
广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程 的操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵 中一般指进行微生物深层培养的设备
⑤ 冷却装置 见兼气发酵罐部分
发酵辅助设备 发酵辅助设备主要包括：无菌空气系统， 培养基配制和灭菌系统、发酵车间的管 道及阀门等。
（一） 空气除菌流程和设备
空气预过滤 空气压缩机 冷却器 析水器 加热器 空气贮罐 空气过滤器 发酵罐。
1、空气压缩机： 工业发酵用的压缩空气是 2 ～ 3kg ／ cm2 的低压 空气。目前常用的是往复式空压机，最好选用水冷 式和无油润滑的。涡轮空压机能提供大量2～ 3kg／ cm2的压缩空气，耗电省，是最理想的设备。
固体发酵设备分类
按照固体培养方式来区分 1、浅盘式： 国内广大农村的个体生产中，采用曲盘、帘 子和曲架就可以进行生产。工业上是用多层铝制 浅盘放在架子上进行培养，培养室保持一定的温 度和湿度。 2、旋转式： 旋转式固体发酵罐有鼓形和管形，培养过程 中，整个发酵罐以低速间歇旋转，罐内的小固体 颗粒会沿着罐壁滑动，达到散热和与空气接触之 目的。
机械搅拌自吸式发酵罐的优点： 减少空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、 油水分离器、空气储罐、总过滤器等；
设备易自动化、连续化，降低劳动强度；
气-液接触良好，气泡分散均匀，溶氧系数高； 缺点：
罐内为负压，增加染菌机会； 搅拌转数高，易切断菌丝
四、固体发酵
微生物在具有一定温度和湿度的固体表面 进行生长和繁殖就称作为固体发酵。 固体发酵主要适合于霉菌。
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 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。
大型发酵罐 搅拌装置
动物细胞反应器
pH检测及 控制设备
小型通用式 发酵罐结构
小型通用式发酵罐顶视图
大中型通用式 发酵罐结构
大中型通用式发酵罐顶视图
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=1.5~2.5 (s/d)3=1~2
3、维持设备 维持设备使加热后的培养基保温—定的时 间，从而达到灭菌的目的。 维持设备有两种：罐式和管式。罐式的是 一个带有上下开口用于进出料的立式密封容器； 管式的是用无缝钢管焊成，管内流速可取0.3～ 0.6m／s。
4、培养基冷却设备 喷淋冷却器 套管冷却器 板式换热器 螺旋板换热器
（三）、管道及阀门
固体发酵的优缺点
1、原料来源广，价格低廉。 2、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。 3、能耗低。 4、固体发酵的产物回收—般步骤少，费用也省。
固体发酵存在的主要工程问题：
大规模生产时的散热比较困难，参数检测如pH值、 温度、菌体增殖量、产物生成量等是很难实现的。 因此，实现固体发酵的最优化困难重重。
1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、 干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向 大型化和自动化发展
3、一个优良的培养装置应具有： 严密的结构 良好的液体混合性能 高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表
发酵罐的基本条件：
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） ② 发酵罐能承受一定的压力： 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。 ④ 发酵罐应具有足够的冷却面积。这是因为微生 物生长代谢过程放出大量的热量必须通过冷却 来调节不同发酵阶段所需的温度。 ⑤ 发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌 能彻底。 ⑥ 搅拌器轴封应严密，尽量减少泄漏。
在有些情况下，密闭容器，简单容器
2、发展过程 1900年以前，木制容器造酒 1900-1940，钢制发酵罐，开始使用空气分布 器，机械搅拌开始应用 1940-1960，青霉素，通风，无菌操作，纯培养 等一系列技术开始应用，计算机用于发酵控 制，产物分离纯化商业化
1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大 到80-150m3，出现压力循环和压力喷射型发酵 罐，克服一些气体交换和热交换问题，计算机 广泛应用
4)刮板式消泡器 它安装于发酵罐的排气口处，泡沫从气液 进口进到高速旋转的刮板中，刮板转速为 1000—1450 rpm，泡沫迅速Байду номын сангаас打碎，由于离心 力作用，液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气 体则由汽孔排出。
③ 空气分布装置 单管式分布装置：
管口正对罐底中央，与罐底的距离约 40mm ，这 样的空气分散效果较好。
端面式轴封又叫机械轴封。
优点：
清洁 密封可靠，在较长地使用期中，不会泄漏或很少 泄漏 无死角，可以防止杂菌污染 使用寿命长，质量好的可用2～5年不需维修。 摩擦功率耗损小，一般为填料函式的10～50％。 轴或轴套不受磨损 它对轴的精度和光洁度没有填料函那么要求严格， 对轴的震动敏感性小。