第七章 发酵罐
第7章 分批发酵、补料分批发酵与高密度发酵讲解
td
ln 2
m
0.693
m
微生物细胞的倍增时间较短。细菌一般为0.25～1小时，酵母菌约为1.15～2小时，霉菌约为2～6.9小时。 动植物细胞的倍增时间较长，如哺乳动物细胞的td一般为15～100小时，植物细胞约为24～74小时。
③ 减速期 随着细胞的大量繁殖，培养基中的营养物质迅速消耗，目的产物开始大量积累的同时，有害代谢物亦逐渐积累， 细胞的生长速率逐渐下降，进入减速期。当培养液中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的比生长速率和限制性基质浓度S 的关系可用Monod方程来表示：
解淀粉芽孢杆菌LL330 L发酵体系生产γ-PGA
图 红霉素发酵前期OUR、CER 及R Q 趋势曲线图
相关参数：摄氧率( OUR)、二氧化碳释放率(CER )、呼吸商( RQ)、氧传递系数( K La)
4. 分批发酵过程的最优化 分批发酵的最优目的: 以最小的费用获得最大产量。 生产成本: 原料费 + 操作费(通气费+搅拌费)
腺嘌呤、组氨酸、亮氨酸对酵母菌（Y33::YFD71-3）生长和蛋白质合成的影响
④ 稳定期或静止期 由于营养物质耗尽或有害物质的大量积累，使细胞浓度不再增加，这一阶段称为稳定期或静止期。在 稳定期细胞的浓度达到最大值。如果这是由某种营养基质的耗尽所致，而且在细胞的生长过程中细胞的得 率系数Yx/s不变，那么，在稳定期达到的最大细胞浓度为： Xm = X0 + Y x/s S0 式中 Xm 为最大细胞浓度；X0为接种后的细胞浓度；S0为限制性基质的初始浓度。所以，Xm与限制性基质 的初始浓度成线性关系，当X0很低时X0与S0成正比。 ⑤ 哀亡期 由于环境恶化，细胞开始死亡，活细胞浓度不断下降，这一阶段称为衰亡期。有关衰亡期的研究不多， 因多数分批培养在衰亡期前就结束了。可以认为在衰亡期中：
第七章 发酵染菌及防治
无菌试验要严格取样操作，力求减少误差。
应同时用肉汤和双碟作对照，以便迅速作出判断。
当发现染菌时，要通过分辨菌型来探索菌源，并对杂菌
做耐热试验考察。
如果怀疑种子罐染菌，则种子不能轻率进发酵罐。
《发酵工程》
第七章 发酵染菌及防治
3、 无菌检查与染菌的处理
为了防止在种子培养或发酵过程中污染杂菌，在接种前 后、种子培养及发酵过程中分别进行无菌检查，以便及时 （1）无菌检查 发现染菌，并在染菌后及时进行必要处理是很重要的。 染菌通常通过3个途径发现：无菌试验、发酵液直接镜 检、发酵液的生化分析。其中无菌试验是判断染菌的主要 依据。
废弃的发酵液处理不当可以成为难以对付的污
染源。
《发酵工程》 2、 噬菌体污染与发酵异常
第七章 发酵染菌及防治
噬菌体污染后的情况因发酵工业的种类、 污染的噬菌体特性、污染时间、感染复度（即培
养物内的噬菌体与细菌的比率）、培养基成分、
发酵罐内的物理和化学条件不同而异。即使同样 的噬菌体并不一定引起同样的异常发酵情况。
《发酵工程》
项目 百分率%
进罐前未做设备严密度检查
接种违反操作规程
25.8
25.8
检修质量缺乏验收制度
操作不熟练
19.35
19.35
配料违反工艺规程
调度不当
6.45
3.25
《发酵工程》
（4）染菌的处理
第七章 发酵染菌及防治
发现染菌后，应立即根据染菌的种类及产生菌的菌龄等 具体情况分别进行处理。除据染菌时间及危害程度对污染 种子罐染菌后，种子不能再接入发酵罐中，这时可用备用 罐进行挽救或处理外，对有关设备也应进行处理。 种子接种。如无备用种子，则可选一适当培养龄的发酵罐培 养物作种子，即生产上所说的“倒种”。 发酵罐前期染菌后，如培养基中C、N含量尚高，则可重新 灭菌，接种后再运转；若染的杂菌危害性较大，则放掉部分 料液，补入新料液，重新灭菌、接种。 发酵中后期染菌或前期染菌轻微而发现较晚时，可加入适 当的杀菌剂或抗生素；或把高单位的后期发酵液压一部分到染 菌罐中，抑制杂菌生长速度；或者降低罐温，减缓杂菌繁殖速 度。
第七章 生物反应器的放大讲解
( 3.4 )5 3.58
1080
62.7KW
而实际装液量为75%，HL=8.54m,D/d=3.58,
H L 8.54 8.99 d 0.95
P10
1 3
(D)*(HL
d
d
) * P0
1 3
3.58 8.99 62.7 119KW
选用三层搅拌器，m=3,
P30 P10(0.4 0.6m) 119 (0.4 0.63) 262KW
a exp(bQg ),
a, b为与气体流速和搅拌器直径有关的系数
例题
• 采用100m3机械搅拌通风式发酵罐进行谷氨酸发酵，已知
发酵液密度＝1080Kg / m3，粘度为＝210－3 Pa s,
D 3.4m, D / d 3.58, H 10m, H L 8.54m,装液量为75%，采用 六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，三组，转数n 150r / min ， 通风比为Q＝0.2v v m, 求Pg
3、无通气时非牛顿型流体的搅拌轴功率
• 非顿型流体的，特别是高黏度流体要达到充分的湍流状态几乎是不可能的，
而功率准数总是和Re相关。
Re
Nd 2L a
• 对于细胞反应，大部分流体为拟塑性流体，又称为幂律流体，其表现粘度可 表示为：
a
K
n1, Re
Nd 2L K n1
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验， 找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
3）按几何相似原则确定大罐尺寸：
取H/D=2.4,HL/D=1.5,D/d=3，有效容积60%，忽略封底 容积，则液体体积为
7第七章-微生物发酵及工艺
在分批培养过程中根据产物生成是否与 菌体生长同步的关系，将微生物产物形 成动力学分为与生长有联系的和与生长 无联系的类型。
化学工程和计算机应用的发展为发 酵工艺控制打下另一方面的基础，
研究发酵动力学，找出适于描述和真 正能反映系统的生化反应过程的数学模 型，通过现代化的试验与计算手段，相 信不久定能为发酵的优化控制开创一个 新的局面。
第一节 发酵的基本概念、基本类 型和发酵方式
A.发酵基本概念
B.发酵的基本类型
C.发酵方式 一、分批培养 二、补料分批培养（半连续培养） 三、连续培养
发酵的一般流程
培养基配制
种子扩大培养
空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
发酵工艺控制引言部分
微生物发酵的生产水平取决于生产菌种本 身的性能，和合适的环境条件、才能使 它的生产能力充分表达出来。我们通过 各种研究方法了解有关生产菌种对环境 条件的要求，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。
而产物的形成很少或全无;在第二时期，产物以 高速度形成，生长也可能出现第二个高峰:碳源 利用在这两个时期都很高。因此，这一类型其 产物形成及菌体生长一般是分开的，从生长源 来看，这一类型发酵产物不是碳源的直接氧化， 而是菌体代谢的主流产物，所以一般产量较高。 也可以分为如下两类: ①产物的形成是经过连锁反应的过程，如丙 酮丁醇、丙酸等发酵。 ②产物的形成不经过中间产物的积累，如延 胡索酸、谷氨酸等。其菌体生长与 产物积累分在两个明显的时期，如柠檬酸。
第七章 发酵过程控制
一、初级代谢的变化 二、次级代谢的变化 三、发酵过程的主要控制参数
初级代谢变化的根本原因在于菌体的代谢活 动引起环境的变化，而环境的变化又反过来影 响菌体的代谢。 在初级代谢中，菌体生长仍显示适应期、对 数生长期、静止期和衰亡期的特征。 由于菌体的生理状态与培养条件不同，各个 时期时间长短也不尽相同，且与接种微生物的 生理状态有关。
生物热的大小随培养时间的不同而不同。 实验发现抗生素高产量批号的生物热高于低产 量批号的生物热。说明抗生素合成时微生物的新陈 代谢十分旺盛。
生物热的大小与菌体的呼吸强度有对应关系，呼 吸强度越大，所产生的生物热也越大。
在四环素发酵中，还发现 生物热和菌的呼吸强度的 变化有对应关系，特别是 在80小时以前。从此实验 中还可看到，当产生的生 物热达到高峰时，糖的利 用速度也最大。另外也有 人提出，可从菌体的耗氧 率来衡量生物热的大小。
• 蒸发热的计算： Q蒸发=G（I2-I1） G：空气流量，按干重计算，kg/h I1 、I2 ：进出发酵罐的空气的热焓量，J/kg （干空气）
• 辐射热：由于发酵罐内外温度差，通过罐 体向外辐射的热量。
• 辐射热可通过罐内外的温差求得，一 般不超过发酵热的5%。
发酵热的测定
（1）通过测定一定时间内冷却水的流量和 冷却水进出口温度，由下式求得这段时间内 的发酵热。
影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶 的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；
H+或OH-在细胞内改变了胞内原有的中性状 态，影响到酶蛋白的解离度和电荷情况，从而 改变酶的结构和功能。
•
影响微生物原生质膜所带电荷的状态。改变 细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸 收和代谢产物的排泄。
发酵罐名词解释
发酵罐名词解释发酵罐是一种自动发酵设备，能连续自动地将微生物、水和作为载体的营养成分混合、制造并保持在一个合适的浓度。
发酵罐主要由传动装置、制造罐内环境的搅拌装置、控制混合液的排出装置和控制空气进入的通气装置等部分组成。
发酵罐的操作原理是利用机械搅拌使物料混合均匀，同时在物料中造成湍流，形成湍流扩散层，强化传质过程，加速单胞的增殖，加快蛋白质的合成速度，达到高速、高效、低耗、提高发酵效率的目的。
发酵罐发酵的基本工艺过程包括原料粉碎、配料、上料、预混、混合、絮凝、初发酵、主发酵、后发酵、洗涤与干燥等，可通过控制发酵罐的温度来控制所需发酵时间，从而调节菌体的生长量。
1。
发酵罐按结构形式可分为立式和卧式两类。
2。
根据混合器在罐内安装的位置不同可分为顶部搅拌式和侧面搅拌式两类。
3。
按发酵罐中物料运动的特点，发酵罐可分为填充式、喷射式和推流式三类。
4。
按照混合液输送方式不同，发酵罐可分为自吸式、压送式、离心式三类。
5。
根据混合液与空气接触的方式，发酵罐可分为开放式和封闭式两类。
6。
根据空气流动方向不同，发酵罐又可分为顺流式、逆流式、错流式、循环式四类。
7。
按罐中物料停留时间不同，发酵罐又可分为活塞式、搅拌式、转动式和离心式四类。
8。
按混合方式不同，发酵罐又可分为全混式和非全混式两类。
9。
根据所用微生物种类不同，发酵罐又可分为专一性发酵罐和通用发酵罐两类。
10。
根据发酵罐内的发酵形式不同，发酵罐又可分为好氧型、兼性型和厌氧型三类。
11。
根据发酵罐的用途不同，发酵罐又可分为一般发酵罐、培养发酵罐和灭菌发酵罐三类。
12。
根据发酵罐混合液流动特征，发酵罐又可分为强制循环和自然循环两类。
13。
根据对发酵罐废气处理方式不同，发酵罐又可分为酸碱废气处理和洗涤废气处理两类。
发酵罐有一次性和周期式两种操作方法： 1。
一次性发酵罐即一次性发酵罐。
该罐的发酵完毕，只需打开搅拌桨阀门，停止通风，罐中发酵液即自行下降至较底部位，此时用虹吸法或泵抽出发酵液，可直接倒入罐外容器。
发酵罐的原理
发酵罐的原理
发酵罐是一种用于发酵过程的设备，它在食品加工和酿造过程中起着至关重要
的作用。
发酵罐的原理涉及到微生物的生长和代谢过程，以及发酵条件的控制和调节。
下面将详细介绍发酵罐的原理及其在实际应用中的作用。
首先，发酵罐的原理涉及到微生物的生长和代谢过程。
在发酵过程中，微生物（如酵母菌、乳酸菌等）通过吸收营养物质和水分，进行生长和代谢，产生各种有益的物质，如酒精、乳酸、氨基酸等。
发酵罐通过提供适宜的温度、湿度和氧气等条件，促进微生物的生长和代谢，从而实现发酵过程。
其次，发酵罐的原理涉及到发酵条件的控制和调节。
发酵过程需要适宜的温度、湿度、氧气和营养物质等条件，才能保证微生物的正常生长和代谢。
发酵罐通过控制加热、通风、湿度和营养物质的补给，实现对发酵条件的精确控制和调节，从而保证发酵过程的顺利进行。
此外，发酵罐的原理还涉及到发酵过程中产生的热量和气体的排放。
在发酵过
程中，微生物的生长和代谢会产生大量的热量和气体，如果不及时排放，会影响发酵过程的进行。
因此，发酵罐通常配备有排热设备和气体排放管道，以保证发酵过程中热量和气体的有效排放，保持发酵罐内部的适宜环境。
总的来说，发酵罐的原理是通过提供适宜的环境条件和精确的控制，促进微生
物的生长和代谢，实现发酵过程。
在食品加工和酿造过程中，发酵罐起着至关重要的作用，能够有效地控制发酵过程，保证产品的质量和口感。
因此，深入理解发酵罐的原理对于提高食品加工和酿造的效率和品质具有重要意义。
发酵过程中的终点判断
c、通气与搅拌的差异 d、热传递的影响
相等进行放大。 发酵过程对传感器的特殊要求
① 和过程的未来状态相联系的控制目的或目标（如要求控制的温度、pH值、生物量浓度等）；
发酵时间长短对后步提取工艺和产品质量有很大的影响。
第七章发酵过程中的终点判断
• 以保持相等K a或溶解氧浓度为基础进行 以溶解氧为基础进行工艺放大，可通过改变罐形状，或调节工艺条件，及培养基的组成来达到。
② 用图形和列表方式显示存贮的数据；
的组成来达到。 还有一个问题是传感器易被培养基和细胞沾污
③ 对存贮的数据进行各种处理和分析；
对需氧发酵来说，液相体积氧传质系数或单位体积输入功率作为放大的依据。
三、发酵过程检测与自控
• 人工控制与自动控制 • 自动控制包括：
① 和过程的未来状态相联系的控制目的或目标（如 要求控制的温度、pH值、生物量浓度等）；
一般要求传感器能与发酵液同时进行高压蒸汽灭菌
以溶解氧为基础进行工艺放大，可通过 ③ 对存贮的数据进行各种处理和分析；
发酵过程对传感器的特殊要求 c、菌丝受机械损伤的差异
改变罐形状，或调节工艺条件，及培养基 早期采用几何相似和单位体积输入功率相等进行放大。
（2）不同规模发酵罐之间的差异 放大过程中菌体所处的环境完全相同
c、菌丝受机械损伤的差异
Lபைடு நூலகம்
1、不同规模发酵间的差异
放大 发酵末期有些产生菌还会发生自溶。
③ 一种能够预测控制动作对过程状态影响的模型（如用加入基质的浓度和速率控制细胞生长速率时需要能表达它们之间相关关系的数
学式）。
主要考虑微生物生理活动条件的一致性 c、菌丝受机械损伤的差异
采用生产力高而成本又低的发酵时间作为放罐时间。 最适发酵时间：以能最大限度地降低成本和最大限度地取得最大生产能力的发酵时间
第七章发酵工艺控制
如：许多抗生素和色素的发酵
第二节
一、物理参数
工业发酵过程的主要 控制参数
1、温度 与温度有关的因素： 氧在培养液中的溶解度和传递速率 菌体生长速率和产物合成速率 测量工具：铂电阻或热敏电阻
• 2、压力（Pa）
与压力高低有关的因素： 罐压高低与氧和CO2在培养液中的溶解度有关 罐压一般范围： 0.2×105～0.5×105 Pa 测量工具： 隔膜法压力表或压敏电阻压力表
1、分批发酵
概念：
分批发酵：指将微生物和营养物一次性加入发酵 罐中，经过培养生长，最后一次收获的培养方式， 中间除了空气进入和尾气排出，没有物料交换。 在分批发酵中，培养基是一次性加入，不再 补充，随着微生物的生长繁殖活跃，营养物质逐 渐消耗，有害代谢产物不断积累，因此其生长速 度将随时间发生有规律性的变化。
2.补料分批培养的优缺点 优点：与分批培养相比
① 解除底物抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。 ② 可以避免在分批发酵中因一次投料过多造成 细胞大量生长所引起的一切影响；
③ 可用作为控制细胞质量的手段，以提高发芽 孢子的比例； ④ 可作为理论研究的手段，为自动控制和最优 控制提供实验基础。
与连续培养相比优点
④ 衰亡期
细胞死亡率增加，明显超过新生率，进入 衰亡期。多数发酵在到达衰亡期前就结束。 特点：活的细胞数目以对数速率急剧下降、 细胞裂解或自溶。衰亡期比其它期相对较 长。
分批发酵优缺点：
•
① ② ③ ④
优点：
操作简单 周期短 染菌机会少 产品质量易于控制
•
缺点：
① 生产能力不是很高 ② 非生产周期较长，使得发酵成本高
三、生物参数
1、菌体形态 菌体形态是衡量种子质量、区分发酵阶段、控 制发酵过程的代谢变化和决定发酵周期的依据之 一。 用显微镜观察菌体形态 2、菌体浓度 概念：菌体浓度是指单位体积培养液中菌体的 含量。 根据菌体浓度的大小决定适合的补料量和供氧 量，同时可判断目的产物的产量是否达到最大量。
发酵罐工作原理
发酵罐工作原理
发酵罐是一种用于发酵过程的设备，通常用于食品、饮料和生物制药工业。
它通过提供适当的温度、湿度和氧气，使微生物在有利的环境中快速繁殖，从而实现发酵过程。
发酵罐的工作原理涉及多个方面，下面将详细介绍。
首先，发酵罐的温度控制是其工作原理的关键。
发酵过程需要适宜的温度才能进行，一般来说，微生物的生长速度随温度的升高而加快。
因此，发酵罐通常配备有温度控制系统，可以根据不同的发酵过程进行调节，确保温度始终在适宜的范围内。
其次，发酵罐的通风和氧气供应也是其工作原理的重要组成部分。
微生物在发酵过程中需要氧气进行呼吸作用，同时也需要排出二氧化碳等废气。
因此，发酵罐内部通常设置有通风系统，以保持适当的氧气供应和二氧化碳排放，从而维持发酵过程的正常进行。
此外，发酵罐的搅拌设备也对其工作原理起着重要作用。
搅拌可以使发酵物料均匀混合，有利于微生物的生长和代谢过程。
同时，搅拌还可以帮助维持发酵物料的温度和pH值均匀分布，从而保证发酵过程的稳定性和高效性。
除此之外，发酵罐的pH值和营养物质的供给也是其工作原理的重要方面。
微生物对环境的pH值和营养物质需求有一定的要求，因此发酵罐通常配备有pH值控制系统和营养物质供给系统，以确保发酵过程中微生物的生长和代谢能够顺利进行。
总的来说，发酵罐的工作原理是通过控制温度、通风和氧气供应、搅拌设备、pH值和营养物质的供给等多个方面的综合作用，为微生物提供一个适宜的生长环境，从而实现发酵过程。
发酵罐的工作原理的理解对于发酵工艺的优化和控制具有重要意义，也为相关行业的发展提供了重要的技术支持。
第七章发酵染菌及防治
（3）发酵后期染菌 空气，补料，设备渗漏，泡沫
五、染菌隐患的处理
染菌可造成严重后果，在正式发酵前，必须做到以下几点：
①严格按照生产工艺要求的各项指标、参数、条件进行操作； ②投产前济宁整个发酵系统的无菌测试； ③严格工人的管理，实行操作记录制度；
④加强在线监测技术手段，各种生物传感器、探头要定期校正； ⑤定期对设备进行检修。
噬菌体 ；杂菌 。
理化指标异常 如：氨基酸发酵或某些抗生素发酵中感染杂菌，
培养液pH下降很快，生物热产生多。
代谢 异常
糖、氨基氮等变化不正常，如感染噬菌体。
2.发酵异常
（1）菌体浓度异常 偏离固有规律，种子质量的影响；导致代谢
缓慢；感染噬菌体或杂菌。
（2）pH异常
培养基质量、灭菌效果、补糖等影响；是所有代 谢反应的综合反映。
常见的设备、管道“死角”
渣滓在罐底与用环式空气分布管所形成的死角
定期除垢
管道安装不当形成的死角
发酵工厂的管路要保持光滑、通畅、密封性好。以减少和 避免管道染菌的机会。
不锈钢衬里的死角
大型发酵罐，一般都采用 不锈钢衬里的方法，即在碳钢 制造的壳体内加衬一层薄的不 锈钢板(厚约1~3毫米)。 不锈钢衬里设备加工时应该 尽可能增加衬里的刚度，减少鼓 起的可能性。操作时要注意避免 罐内发生真空现象。
发酵工艺流程各环节漏洞
发 酵 染 菌 原 因
发酵染菌率
总染菌率：指一年内发酵染菌的批次与总投料批次数之
比乘以100得到的百分率。
设备染菌率：统计发酵罐或其他设备的染菌率，有利于 查找因设备缺陷而造成的染菌原因。 不同品种发酵的染菌率：统计不同品种发酵的染菌率， 有助于查找不同品种发酵染菌的原因。
发酵罐
通气式机械搅拌发酵罐
罐身 搅拌器和挡板 空气分布器 冷却装置 联轴器及承轴
1
发酵罐的 径高 比例适当
2
发酵罐能够 承受一定的 压力
Hale Waihona Puke 1合理有效的 搅拌通风 装置
2
搅拌轴轴封， 应严密，严防泄漏 以免造成染菌损失
变速装置
轴封
5
罐体内表面 高度抛光
6
快捷有效的 冷却装置
气 升 式 发 酵 罐
气升式发酵罐（ALR）是 应用最广泛的生物反应设备。 这类反应器具有结构简单、不 易染菌、溶氧效率高、能耗低 等优点。 有多种类型，常见的 有气升环流式、鼓泡式、空气 喷射式等，生物工业已经大量 应用的气升式发酵罐有气升内 环流发酵罐、气液双喷射气升 环流发酵罐、设有多层分布板 的塔式气升发酵罐。而鼓泡罐 则是最原始的通气发酵罐，当 然鼓泡式反应器内没有设置导 流筒，故未控制液体的主体定 向流动。
18
应用范围：可用于生产药用酵母、饲料酵母、活性干酵母、液体曲、 谷氨酸、柠檬酸、抗生素、维生素、酶制剂、食用醋、赖氨酸等。
主要参数： (1)发酵罐公称容积为:3L-100KL，装液系数 70%。（单级） (2)外形尺寸与动力：3-15L为台式，15-30 0L为预装落地式。500升以上容积的发酵罐 需现场安装。 (3)材质：采用SUS321/SUS304/SUS316L/ SUS316材质，内外抛光。 (4)自动控制系数：DF系列自动控制系统， 最多可以控制13种参数。 (5)使用电压：220V/380V50Hz； (6)系统额定功率：0.5kW以上。
发酵罐
2016.05.28 P o w e r P o i n t l e a d s t o a b e t t e r m e
精选发酵工程07第七章发酵生产的设备
一、发酵罐
发酵罐的定义：是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。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。
发酵罐系统
一个优良的发酵罐装置和组成（1）应具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传质相传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表
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：
2．冷却面积和冷却装置主要结构尺寸
假定罐壁不包扎保温层，壁温最高可达35t，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℃。
第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。
Q3=全罐总表面积× ac ×(t2-t1)
主发酵控制发酵液温度tw为30℃，按题意冷却水进出口温度分别为t1＝20℃，t2＝25℃
(4)传热总系数K值的确定选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为53/60mm，则管的横截面积为
考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内流速为：
啤酒发酵容器的变迁过程
（2）开放式发酵容器向密闭式转变。小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理。可用吸取法分离泡盖。
第七章发酵染菌与防治案例
三、染菌污染后的挽救和处理 （一）种子培养期染菌的处理：若发现种子罐被 杂菌污染，应立即停止向发酵罐内在输送种子， 进行灭菌后排放，然后对种子罐连接的物料管道 、供气管道进行彻底的灭菌，与此同时，采用未 受污染的正常种子接入发酵罐中，以保证生产的 连续性，如无备用的种子，则可以选择一个适当 菌领的发酵罐中的发酵液作为种子，接入新鲜的 培养基中进行发酵，从而保证生产的正常进行。
四、污染的防治策略 （一）强化空气处理过程：1、空气净化 流程2、过滤介质选择3、过滤介质的填 装4、空气净化系统的管理
（二）严格培养原料及设备的灭菌 1、原料预处理 原料除杂目的：为了清除谷物或水果原料中的土块 、石块、掉落的铁质零件，以免使机械收到磨损， 发生故障。影响后面的发酵工序 粉碎的目的：为了增大原料的比表面积，减少固体 的团块 浸泡的目的：为了使原料与水充分接触，进而使营 养物质便于菌体的利用
个别发酵染菌：大都是由于设备渗漏造成， 应仔细检查阀门、罐体、管路是否清洁。 3、不同污染阶段分析：1、染菌发生在种子 培养阶段，或称种子培养期染菌2、在发酵 过程中的初始阶段发生染菌，或称发酵前期 染菌3、发酵后期染菌大部分由空气过滤不 彻底，中间补料染菌，设备渗漏、泡沫顶盖 以及操作问题引起。
1、症状：发酵液光密度不上升或回降；PH逐 渐上升，氨利用停止、糖耗、温升缓慢或停止 ，产生大量的泡沫，使发酵液呈黏胶状 2、原因是环境污染为主。环境污染噬菌体是 造成噬菌体感染的只要根源 3、防治：1、定期检查噬菌体并采取有效措施 消灭噬菌体2、检查生产系统，消除各种不安 全因素3、选育抗噬菌体菌株和轮换使用生产 菌株
1. 染菌的检查与判断
第七章 发酵过程的控制
1、发酵温度
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 三．发酵过程中CO2的控制 • CO2浓度受到许多因素的影响，如细胞的 呼吸强度、通气搅拌程度、设备规模、罐 压大小、温度等。通气搅拌程度越大，体 系中CO2浓度越低。 • 工业发酵中，CO2的影响远比溶解氧的影 响要小得多，因此，一般不单独进行控制。
5、基质浓度的影响及补料控 制
压力法
覆膜氧电极 法
极普法
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 一．二氧化碳对发酵过程的影响 CO2影响发酵液的酸碱平衡，使发酵液的 pH值下降，或与其他化学物质发生化学反 应，或与生长必需金属离子形成碳酸盐沉 淀等原因，造成间接作用而影响菌体生长 和产物合成。
4、CO2和呼吸商的影响及控制
• 二．呼吸商与发酵的关系 • 微生物的耗氧速度常用单位质量的细胞(干 重)在单位时间内消耗氧的量，即呼吸商或 比耗氧速率(或呼吸强度)。单位体积培养液， 在单位时间内消耗的氧量称为摄氧率。 • Q氧气 = γ/ Cc 在菌体浓度一定的情况下，摄氧率越大， 呼吸商越大，发酵就越旺盛。
主要内容
由于发酵过程的复杂性，使得发酵过程的控制较为复杂， 目前生产中较常见的参数主要包括：温度、pH值、溶解氧、 空气流量、基质浓度、泡沫、搅拌速率、罐压、效价等。
9 发酵参数和发酵终点的监测与控制 10 发酵过程的计算机控制 设备及管道清洗与消毒的控制
发酵罐名词解释
发酵罐名词解释发酵罐，它是一种以液体为传热介质的生物反应器。
它采用了人工加热方式使罐内维持微生物活性。
在发酵罐中要加入底物液、菌种悬浮液及培养基，通过搅拌混合并使之保持均匀状态，使反应物迅速而彻底地混合起来，从而得到均匀的混合液。
然后再将这种混合液灌装到发酵罐中，密封后使其发酵。
【发酵罐的结构】由料液泵、布液器、搅拌器、温度控制仪表、循环泵和计算机控制柜组成。
料液泵：它是向罐内输送料液的动力设备，包括齿轮泵和螺杆泵两种。
齿轮泵一般用于小型容器中，特别适用于排出高粘度、含固量大的悬浮液，但是它不能输送易结晶的料液和具有润滑性的料液。
螺杆泵多用于较大容器中，且对料液具有良好的剪切作用。
布液器：用于分布、引流料液。
它的种类很多，其中板式布液器是使用最广泛的一种。
布液器的主要部件是分散头，其形式有侧槽式、旋转式、升降式、管道式等几种。
【发酵罐的作用】利用酶制剂进行食品生产，生产各种酒类、饮料和药品。
在发酵罐中要加入底物液、菌种悬浮液及培养基，通过搅拌混合并使之保持均匀状态，使反应物迅速而彻底地混合起来，从而得到均匀的混合液。
然后再将这种混合液灌装到发酵罐中，密封后使其发酵。
蛋白质，原核生物。
原核生物由于无细胞壁而又称无壁生物。
植物原生质体（ somatic soma）、真菌原生质体（ actinon soma）和蓝藻原生质体（鞭毛藻soma）均属于原核生物。
酵母菌和乳酸菌为原核微生物，即非细胞型微生物，细胞核完全消失，无成形的细胞核，缺乏核膜和染色体。
原核微生物没有线粒体等有机体，主要以二氧化碳、水、无机盐等简单化合物作为能源。
电子显微镜下观察，只见到一个很小的圆形区域（ rDNA）。
它们都没有由膜围成的细胞器。
它们也没有核糖体，核糖体由细胞质内的一种特殊的蛋白质（ ribonuclease）催化产生。
在电子显微镜下，无细胞壁的微生物也可以看到类似细胞的结构，例如人的红细胞。
所以原核生物可以视为细胞型微生物的一个子类。
微生物工程发酵第七章发酵中的参数检测及自动控制
7.1.1 物理参数
⑦浊度 能及时反映单细胞生长状况；
7.1.2 化学参数
① pH • 发酵过程中各种产酸，产碱生化反应的综
合结果，与菌体生长和产物合成有重要的 关系； • pH的高低与菌体生长和产物合成有着重要 的关系；
7.1.2 化学参数
② 基质浓度 • 指发酵液中糖，氮，磷与重要营养物质的
• 不常测定的参数有氧化还原电位、粘度、 尾气中的O2和CO2含量等。
• 参数测定方法有： • – 在线测定 • – 取样测定（离线测定）
7.2.1参数在线检测
• 在线检测必须用专门的传感器（也叫电极 或探头）放入发酵系统，将发酵的一些信 息传递出来，为发酵控制提供依据；
发酵用传感器及探头
发酵所用传感器的要求
• 发酵是一个较复杂的生化反应过程，大滞 后和时变性是其主要特征；
传感器 • – 不能蒸汽灭菌； • – 会和产品发生反应； • – 过分敏感；
7.3.4基本的自动控制系统(control loop)
7.3.4.1 前馈控制(feedforward control) 7.3.4.2 后（反）馈控制(feedback control ) 7.3.4.3 自适应控制(adaptive control)
动控制功能的自控系统。
7.3.2 自动化控制的优缺点
• 提高产品的得率； • 改进产品的质量； • 降低后续加工过程的损耗； • 在整个操作过程中能稳定的保持最优条件； • 提高对原料质量波动的适应性； • 减少人为因素的影响； • 提高工厂的生产效率； • 降低能耗； • 降低分析和操作成本；
7.3.3 存在的问题
化学或物理信号
电信号
放大
记录显示仪
控制器（与设定参数比较） 发出调节信号控制器动作
发酵罐名词解释
发酵罐名词解释发酵罐是指在自控温条件下，通过加入相应的微生物种群来实现对有机物的降解，从而达到对物料进行后续处理目的的装置。
本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核。
发酵罐分类发酵罐的工作原理是根据生物发酵过程中产酸、产气、降温这一生物学特性，采用不同的发酵罐结构设计。
可以按照所处理的物料进行分类。
1、按发酵产物形态分：有氧发酵罐、无氧发酵罐、有氧-无氧发酵罐等； 2、按操作方式分：间歇式发酵罐和连续式发酵罐。
3、按发酵罐结构特征分：开放式发酵罐、密闭式发酵罐；4、按发酵罐体积大小分：小型发酵罐、中型发酵罐、大型发酵罐。
5、按功能分：好氧发酵罐、厌氧发酵罐、兼性厌氧发酵罐。
6、按操作压力分：常压发酵罐、真空发酵罐、负压发酵罐。
7、按工艺流程分：间歇式发酵罐、连续式发酵罐。
发酵罐的选型与参数发酵罐的选型与使用要考虑的因素很多，除了了解一些基本知识外，还要根据被处理物料的特性，物料发酵的阶段，发酵罐的性质，发酵过程的控制精度，人员的配置情况，设备维修保养费用，建厂投资和日常运行费用等来确定，需要综合分析，择优选取。
选型时应注意以下几点。
发酵罐广泛用于有机酸的制造和一些药品的生产。
当前，随着食品，化工，制药业的发展，各种菌种对其生长环境及产品质量的要求也越来越高。
1、发酵液的粘度对微生物活性的影响：一般来说，粘度低的发酵液利于微生物的繁殖和代谢。
但粘度高会增加机械阻力，并且在搅拌条件下，发酵液易结块，故必须控制好发酵液的粘度。
在适宜的发酵温度范围内，粘度与微生物的生长密切相关。
例如：将牛肉膏蛋白胨(以生产优质的蛋白胨)和葡萄糖的混合溶液(30% )与一定浓度的蜂蜜(10%)和酵母膏(5%)的混合物(体积比为10： 1： 100)分别进行三次发酵，经测定结果表明：当蜂蜜与酵母膏的用量之比为2： 1时，发酵液最具有生产优质蛋白胨的潜力。
8、厌氧发酵罐：在大气式发酵罐的基础上加上一个半密封厌氧罐，组成二联罐或三联罐。
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作业
简述机械搅拌式发酵罐的结构及各结构的作 用
四弯叶轮
定子
六直叶轮
自吸式发酵罐的优点： 节约空气净化系统设备(空气压缩机、冷却器、 油水分离器、空气贮聪、总过滤器等)，减少厂 房占地面积。 减少工厂发酵设备投资约30％左右，例如应用自 吸式发酵罐生产酵母，容积酵母的产量可高达 30~50克。 设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少 劳动力。 酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵 母后的废液量少。 设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。
2、按发酵罐能量输入方式：
1）内部机械搅拌发酵罐 通用式（机械搅拌）、伍式、自吸式发酵罐 2）外部液体搅拌发酵罐 3） 空气喷射提升式发酵罐
高位塔式发酵罐
3、 按容积分类
500L以下的是实验室发酵罐 500-50000L是中试发酵罐 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
分批发酵和连续发酵
珠江啤酒发酵罐群
丹麦嘉士伯啤酒有限公司发酵罐群
小型啤酒发酵设备
小型啤酒实验设备
中型啤酒实验设备
发酵罐锥底角，考虑到发酵 中酵母自然沉降最有利，取 排出角为73~75°(一定体积沉 降酵母在锥底中占有最小比 表面积时摩接力最小)，对于 贮酒罐，因沉淀物很少，主 要考虑材料利用率常取锥角 为120~150。
2、罐体表面各种装臵：
中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔 罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或 蒸汽吹管
罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、 压力表接管 罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管 和测控仪器接口
3、 搅拌器 ※将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提
高氧的传质效率 使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮 状态 使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言， 希望以径向液流为主 在搅拌轴上配臵多个搅拌器
轴向式 搅拌器
径向式 搅拌器
圆盘平直叶
圆盘弯叶
圆盘箭叶
凹叶圆盘
圆盘平直叶具有很大的 循环输送量和功率输出， 适用于各种流体。 在混合要求特别高，溶 氧速率相对要求略低时， 可用圆盘弯叶。
体交换和热交换问题，计算机广泛应用
5）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
大生产用：日本味之素：500M3 周口味精厂：200M3 斗门味精厂：600M3 台湾味丹： 660M3
三、 发酵设备的类型
1、 按微生物生长：厌氧和好氧发酵设备
※（二）、机械搅拌式发酵罐的结构：
1、罐体：
培养微生物的巨大容器，密闭式的，在发酵过程 中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为 2.5×105Pa
圆柱形，两端椭圆形，受力均匀，减少死角，物 料容易排除， 高度与直径比1.7-4：1，有力于空气利用率
已经加工成型的椭圆封头，正在加 工中的筒体以及冷却蛇管
3、发酵的冷却装臵
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：罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐 外壁喷洒联合冷却装臵 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。
（二）、啤酒发酵设备
消泡器的安装
安装在发酵罐外的消泡器
安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、 旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、 碟片式消泡器和刮板式消泡器等 。 旋风离心式消泡器 改进的旋风离心式消泡器，它可以和消 泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡 沫情况自动添加消泡剂
1、泡沫不 多，无 需加消 泡剂。
2、泡沫累 3、消泡结 积，触 束后， 动传感 不再触 器，起 动传感 动消泡 器，不 泵加入 再加入 消泡剂。 消泡剂。
日本的朝日罐（Asaki tank,1965年），美国的通 用罐（uni-tank,1968年），西班牙的球形罐 （SpHero tank,1975年），迄今为止，使用的大 型发酵罐容量已达1500t。
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。
二、发展过程
1）1900年以前，木制容器造酒 2）1900-1940，钢制发酵罐，开 始使用空气分布器，机械搅拌
开始应用
3）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
4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80150m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气
第七章 发酵设备
发酵设备
什么是发酵设备？包括那些设备？ 种子制备设备 主发酵设备 辅助设备（无菌空气和培养基制备） 发酵液预处理设备 产品提取与精致设备 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
主发酵设备或称为发酵罐
是发酵工程中最重要的设备之一
优良的发酵设备应具有的特性
气升式发酵罐的特点
结构简单，冷却面积小； 无搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材； 操作时无噪音； 料液装料系数达80~90％，而不须加消泡剂； 维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。 但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度 较大的发酵液溶氧系数较低。
典型气升式发酵罐
缺点： 罐内形成负压，增加染菌机会 搅拌速度高，使菌丝容易被切断，影响丝状微生 物的正常生长
（二） 空气带升环流式发 酵罐（气升式发酵罐）
在罐外装设上升管，上升管两端 与罐底及罐上部相连接，构成一 个循环系统，设备构造比较复杂， 动能消耗较太。 在上升管的下 部装设空气喷嘴， 以250-300 m/s的高速喷入上升管 借助喷嘴的作用将空气分散 分为内环流式和外环流式两种
竖立的列管/排管也可以起挡板作用
5)
消泡器
※将泡沫打破 锯齿式、梳状式及孔板式 装于搅拌轴上，齿面略高于液面 直径罐径的0.8-0.9
安装在发酵罐内的消泡器
最简单实用的消泡装置为耙式消泡 器，可直接安装在搅拌的轴上，消 泡耙齿底部应比发酵液面高出适当 高度。安装在发酵罐内转动轴的上 部的消泡器有齿式、梳式、孔板式、 旋浆梳式等
气升环流式发酵罐因具有结构较简 单，溶氧速率高，能耗低，便于放 大设计和加工制造特大型的发酵罐， 因而自20世纪70年代以来在单细胞 蛋白生产、废水处理等领域应用十 分广泛，几乎在上述领域占据了绝 大部分市场。英国伯明翰ICI公司 的压力循环发酵罐是国际上最出色 的代表，公称体积达3000m3，液柱 高达55m，故通气压力高，发酵液 量2100m3。为了强化气液混合与溶 氧，沿罐高度设有19块有下降区的 筛板以防止气泡合并为大气泡，同 时为使塔顶的气液部分分离排气， 顶部设有气液分离部分，直径约等 于塔径的1.5倍。具体的设计及主 要尺寸示意图如图
严密的结构 良好的液体混合性能 较高的传质和传热速率 灵敏的检测和控制仪表
本章内容
发酵罐的基本概念 发展过程 发酵设备的类型 机械搅拌发酵罐 其他类型的发酵罐
一、发酵罐的基本概念
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 在有些情况下，密闭容器，简单容器
8、 换热装臵 ※进行加热或冷却，维持发酵温度 夹套式换热装臵 蛇管换热装臵
五、其他类型的发 酵罐
（一）自吸式发酵罐
葡萄糖酸钙、力复霉 素、维生素C、酵母、 蛋白酶
最关键的部件是带有中 央吸气口的搅拌器
自吸式发酵罐的充气原理 自吸式发酵罐的主要的构件 是自吸搅拌器及导轮，简称 为转子及定子。转子由箱底 向上升入的主轴带动，当转 子转动时空气则由导气管吸 入。 转子的形式有九叶轮、六叶 轮、三叶轮、十字形叶轮等， 叶轮均为空心形。
（一）酒精发酵罐
1、结构要求 满足工艺要求，有利于发酵的排出 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问 题。
2、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，对于大型发酵罐，为了便 于维修和清洗，往往在近罐底也 装有入孔。
圆盘箭叶轴向流动较强 烈，输出功率较低。
凹叶圆盘能耗低，缩短 混合时间。
4) 挡板
※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧
速率
从液面至罐底 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防 止物料与菌体堆积
※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。
全挡板条件下的搅拌流型
六、密闭厌氧发酵罐
对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压 力；有冷却设备；罐内尽量减少装臵，消灭死角， 便于清洗灭菌。
酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不 需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制 造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。
它的容积常大于 50m3， H:D=1-2，罐的上、下 部都是锥形的。 上部有物料口，冷却水口， CO2和气体出口、 入孔和压力表开口等。 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。