第六章发酵罐及附属设备(1)
课程设计--年产350吨土霉素发酵罐设计
内蒙古科技大学课程设计题目：年产350吨土霉素发酵罐设计学院：数理与生物工程学院班级：10级生物工程（1）班指导老师：郑春丽学生姓名：学号：土霉素是一种广谱抗生素，有一定的副作用。
目前，中国已经成为世界上最大的土霉素生产国，占世界产量70%，主要应用与畜牧业。
土霉素是微生物发酵产物，在国内土霉素提取工艺为用草酸或磷酸做酸化调节PH值，利用黄血盐-硫酸锌做净化剂协同去除蛋白质等高分子杂质，然后用122#树脂脱色进一步净化土霉素滤液,最后调pH至4.8左右结晶得到土霉素碱产品。
本次设计也按照这个工艺流程，分为三级发酵、酸化、过滤、脱色、结晶、干燥等。
由于时间有限及设计要求，此次仅设计年产350吨土霉素的发酵罐和其上相关必要设备。
第一章绪论1.1节引言 (3)1.2节设计目标任务 (4)1.3节设计基本内容 (5)第二章物料衡算2.1节总物料衡算 (6)2.2节发酵工序物料衡算 (6)第三章设备选型3.1.发酵罐的选型 (10)3.2生产能力、数量和容积 (10)第四章接管设计4.1冷却面积的计算 (12)4.2 搅拌器设计 (12)4.3 搅拌轴功率的确定 (13)4.4设备结构的工艺设计 (15)4.5发酵罐壁厚的计算 (19)第五章设计结果与讨论 (21)第六章发酵罐结构图 (22)第七章结论 (23)参考文献第一章 绪论1.1 引言：土霉素Terramycin (Oxytetracycline)是四环类抗生素，其在结构上含有四并苯的基本母核，随环上取代基的不同或位置的不同而构成不同种类的四环素类抗生素。
分子式如图一所示，化学名：6-甲基-4-（二甲氨基）-3,5,6,10,12,12a-六羟基-1,11二氧代-1,4,4a,5,5a,6，11,12a-八氢-2-并四苯甲酰胺。
土霉素属四环素类抗生素，广谱抑菌剂。
许多立克次体属、支原体属、衣原体属、螺旋体对其敏感。
其他如放线菌属、炭疽杆菌、单核细胞增多性李斯特菌、梭状芽孢杆菌、奴卡菌属、弧菌、布鲁菌属、弯曲杆菌、耶尔森菌等亦较敏感。
【发酵工艺学总论】第六章-发酵经济学
（1）菌株选育对发酵成本的影响
▪ 一般来说，菌种选育约占生产成本的20%-60%，筛选 具有优良性能的菌株和对菌株进行改良是降低生产成 本的有效途径。
a 优良生产菌株的筛选
①提高筛选效率很重要 分离一支有价值的菌株并不容易，通常要花费 较长的时间和代价，甚至花费了大量的精力仍一 无所获。
（1）菌株选育对发酵成本的影响
a 碳源（续）
▪ 在确定培养基配方时，不仅要比较它们的单耗成本，
而且还要考虑通风量与搅拌功率。 （黏度、溶氧）
▪ 工业废料的利用
▪ 优点：以此作为廉价C源，主要意义在其社会效益 显著，保护了环境 。
▪ 缺点：经济效益不如传统原料高。
（2）发酵培养基成本分析
b 矿物质（无机盐）
▪ 原材料中矿物质所占比重一般较小，其中较高的
本章内容
一、概述 二、影响发酵产品成本的主要因素的成本分析
（１）菌株选育 （２）发酵培养基 （３）无菌空气与通气搅拌 （４）动力费（加热、冷却） （５）培养方式 （６）发酵产品的分离纯化 （７）发酵规模 （８）市场经济信息分析及管理技术 三、发酵过程的经济学评价
一、概述
菌株 发酵工程原理 反应过程（代谢、工艺过程及控制）
搅拌转速亦会改变，应根据工艺要求设计，使整个运转费 最低。
（4）动力费（加热、冷却）成本分析
▪ 发酵生产中，需要加热与冷却的工序大体有： ▪ 培养基的加热灭菌（或者淀粉质原料的蒸煮糊化），
然后冷却到接种温度；
▪ 发酵罐及辅助设备的加热灭菌与冷却； ▪ 发酵热的冷却，发酵恒温； ▪ 产物提炼与纯化过程的蒸发、蒸馏、结晶、干燥等。 ▪ 节约冷却水用量的办法 ▪ 采用气升式发酵罐； ▪ 选育嗜热或耐热的生产菌株； ▪ 改变原料路线，少用烃类原料。
第六章 通风发酵设备 第一节对通风发酵设备的要求
3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保 证发酵液一定的溶解氧。
4.足够的冷却面积。 5.尽量减少死角。 6.轴封严密。 7.维修操作检测方便
（二）发酵罐的结构
好气性机械搅拌发酵罐是密闭式受压设 备，主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、 打泡器、中间轴承、空气吹管（或空气 喷射管），挡板、冷却装置、人孔等
对通风发酵设备的要求
（4）有良好的热量交换性能，以适应灭 菌操作和使发酵在最适温度下进行；
（5）尽量减少泡沫的产生或附设有效的 消沫装置，以提高装料系数；
（6）附有必要的可靠检测及控制仪表。
1. 发酵罐的结构
一机械搅拌通用式发酵罐 （一）发酵罐的基本条件 原理：利用机械搅拌器的作用，使空
优点和缺点
3°不需要调整。动环由于密封流体压力和弹 簧力等推向静环方向，密封面自动保持紧密接 触，因此不需要调整。
4°摩擦功率损耗小。由于密封端面的面积小、 摩擦系数小，故摩擦阻力小，功率消耗小。其 损耗功率仅为填料函密封的10～15％。
5°轴与轴套不受磨损。 6°结构紧凑，安装长度较短。由于不需要调
罐身：冷却水进出管，进空气管，温度 计管和测控仪表接口。排气管应尽量靠 近封头的轴封位置。
2.搅拌装置
目的：有利于液体本身的混合及气液、 气固之间的混合，
质量和热量的传递，特别是对氧的溶解 具有重要的意义，
加强气液之间的湍动，增加气液接触面 积及延长气液接触时间。
搅拌器结构
搅拌器可以使被搅拌液体形成轴向或径向的液 流。
填料函密封和机械密封（或称端面密封）
1.填料函密封
填料箱本体固定在发酵罐顶盖的开口法 兰上，将转轴通过填料函，然后放置有 弹性的密封填料，然后放上填料压盖， 拧紧压紧螺栓，填料受压后，产生弹性 变形堵塞了填料和轴之间的间隙，转轴 周围产生一定的径向压紧力，从而起到 密封介质压力的作用。
第六章-通风发酵设备-第二节搅拌器轴功率的计算
Np= K ReM m
圆盘六平直叶涡轮 Np＝0.6 圆盘六弯叶涡轮 Np≡4.7 圆盘六剪叶涡轮 Np≡3.7
（二）多只涡轮在不通气条件 下输入搅拌液体的功率计算
在相同的转速下，多只涡轮比单只涡轮输出更 多的功率，其增加程度除叶轮的个数之外，还 决定于涡轮间的距离。
Pn＝nP0
（三）通气情况下的搅拌功率 Pg的计算
同一搅拌器在相等的转速下输入通气液 体的功率比不通气流体的为低。
可能的原因是由于通气使液体的重度降 低导致搅拌功率的降低。
功率下降的程度与通气量及液体翻动量 等因素有关，主要地决定于涡轮周围气 流接触的状况。
通气准数：
Na＝Q/ND3来关联功率的下降程度 Na＜0.035 Pg/P0＝1～12.6Na Na＜0.035 Pg/P0＝1～12.6Na Q——通气量 m3/min
生物工程设备
第六章 通风发酵设备
第二节 搅拌器轴功率的计算
一、搅拌器轴功率的计算 轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率，
是指搅拌器以既定的速度运转时，用以 克服介质的阻力所需的功率。它包括机 械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不 是电动机的轴功率或耗用功率。
（一）搅拌功率计算的基本方 程式
单只涡轮在不通气条件下输送搅拌液体 的功率计算，
牛顿型流体：粘度μ只是温度的函数，与 流动状态无关。服从牛顿粘性定律。
非牛顿流体：粘度μ不仅是温度的函数， 随流动状态而变化。
（一）非牛顿型发酵醪的流变 等特性
牛顿型流体的流态式为直线，服从牛顿特性定 律：
=dw/dr
所有气体以及大多数低分子量的液体都属于牛 顿型流体，（2）彬汉塑型性流体
第六章发酵罐及附属设备
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。
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气体一旦未彻底排除，工人入 罐清洗会发生中毒事故。
目前，酒精发酵罐巳采用水力喷射洗涤 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。
水力喷射装置
是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
当压力达到罐的设计压力时，安全阀应开始开启。 安全阀最大的工作压力是设计压力加10％。
罐内真空
罐内真空主要是系列的发酵罐在密闭条件下转 罐或进行内部清洗时造成的。
大型发酵罐放料的速度很快造成一定的负压。
罐内留存一部分CO2气体，在进行清洗时，CO2 有被除去的可能，所以也可能造成真空。
优点
（1）能耗低，采用的罐径小，生产费用可 以降低。
（2）最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底
阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留作下 次待用。
影响发酵设备造价的因素
发酵设备大小、形式、操作压力及所需的冷 却工作负荷。
容器的形式主要指其单位容积所需的表面积， 以m2/100L表示，这是影响造价的主要因素。
(3)中间冲洗：用CIP循环单位的水罐的清水进 行4分钟冲洗。
发酵工程教学大纲
发酵工程》理论教学大纲一、课程说明课程编号：学时：64 学分数：4适用专业：生物技术及应用课程类型：必修课先修课程：生物化学、微生物学二、课程教学目的与要求：《发酵工程》课程是生物技术专业的必修课。
通过本课程的学习，使学生在生物化学、微生物学等课程的基础上，系统的掌握发酵工程的基本理论、基本知识和基本技能，建立较深刻的微生物学观点，形成科学的思维方式。
同时要求学生能了解现代发酵工程理论和技术的新发展。
三、课程教学基本内容及学时分配第一章绪论（2学时）知识点：发酵工程的概念；发酵工程的发展简史；发酵工程的基本内容；发酵工程的后处理。
重点：发酵的概念；发酵工程简史；发酵工程的应用。
难点：发酵工程的一般过程。
学生掌握要点：发酵工程的发展史中四个时代和发酵工程应用领域。
第二章工业发酵菌种的选育（4 学时）知识点：菌种的来源；发酵高产菌种选育；菌种退化和菌种保藏。
重点：微生物选择性分离；自然选育和诱变育种。
难点：诱变育种的方法。
学生掌握要点：自然选育和诱变育种技术。
第三章工业发酵培养基（2 课时）知识点：发酵营养基质的组成；工业发酵中营养基质的种类；工业发酵中营养基质的选择；工业发酵中营养基质的配制方法。
重点：掌握工业发酵用培养基的要求、培养基的构成以及培养基各组分的作用；掌握影响培养基质量的因素及控制措施；熟悉淀粉糖的制备原理、方法和工艺过程。
难点：影响培养基质量的因素及控制措施；淀粉糖的制备原理、方法和工艺过程。
第四章工业发酵过程灭菌（4 课时）知识点：常用的灭菌方法；培养基与发酵设备的灭菌；空气除菌。
重点：掌握微生物热死动力学；掌握影响灭菌效果的因素及控制方法；重点掌握分批灭菌和连续灭菌的工艺过程及操作要点；掌握空气介质过滤除菌的工艺过程。
难点：无菌空气的制备方法和要点。
学生掌握要点：分批灭菌和连续灭菌的工艺过程及操作要点；无菌空气的制备方法和要点。
第五章种子扩大培养（2 课时）知识点：种子制备工艺，影响种子质量的因素重点：影响种子质量的因素，工业发酵种子扩大培养的工艺过程及操作要点。
发酵罐安全操作规程
发酵罐安全操作规程发酵罐是一种用于进行微生物发酵工艺的设备，安全操作规程对于确保人员和设备的安全至关重要。
以下是一个关于发酵罐安全操作规程的2000字篇幅。
第一章：总则1.1 目的发酵罐安全操作规程的目的是为了确保发酵过程中可以预防和控制危险，保障人员的安全和健康，保护设备的正常运行，降低事故发生的风险。
1.2 适用范围本操作规程适用于所有使用发酵罐进行微生物发酵工艺的工作人员和相关人员。
第二章：基本要求2.1 人员培训2.1.1 所有使用发酵罐的工作人员必须接受相关的安全培训，了解发酵罐的基本操作和安全要求。
2.1.2 操作人员必须具备一定的发酵技术和安全知识，并经过定期培训和考核。
2.2 安全设施2.2.1 发酵罐周围应设有明显的安全警示标识，包括发酵罐的危险性提示、禁止入内提示等。
2.2.2 发酵罐工作区域应设置围栏或其他有效的隔离措施，限制无关人员进入。
2.2.3 发酵罐操作区域应保持干净整洁，无杂物堆放。
2.3 发酵罐设计和安装2.3.1 发酵罐的设计和制造必须符合相关的安全标准和规范。
2.3.2 发酵罐在安装前必须经过严格的检查和测试，确保其正常运行和安全性。
2.4 操作前准备2.4.1 操作人员必须仔细阅读发酵罐的操作说明书，并了解发酵过程中可能遇到的风险和应急处理措施。
2.4.2 在操作前，操作人员必须进行个人防护装备的佩戴，包括防护眼镜、防护手套、工作服等。
第三章：操作流程3.1 发酵罐启动前检查3.1.1 检查发酵罐的电气设备和仪表是否正常运行。
3.1.2 检查发酵罐的液位、温度、压力等参数是否在正常范围内。
3.1.3 检查发酵罐的进料管道和排放管道是否畅通。
3.2 发酵罐运行操作3.2.1 打开发酵罐的供气阀门，保证发酵物质能够正常进行气体交换。
3.2.2 根据工艺要求，加入适量的发酵基质和营养物质。
3.2.3 控制发酵罐的搅拌速度和温度，确保发酵过程进行顺利。
3.3 发酵罐停机操作3.3.1 在停机前，逐步减少发酵罐的搅拌速度和温度。
发酵工程第六章
发酵工程
第二节 发酵过程的代谢变化
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。
发酵工程
一、发酵过程操作方式 发酵过程操作方式：
A.分批发酵 B.补料分批发酵 C.连续发酵
发酵工程
1. 分批发酵 分批发酵是指在一封闭培养系统内含
发酵工程
控制方法： （1）培养基注意适当的配比 （2）通过中间补料，控制起始浓度不要太高
发酵工程
第四节 基质对发酵的影响及其控制
一、碳源种类 速效碳源：较迅速的被利用，有利于菌体的生
长，如葡萄糖 迟效碳源：被菌体缓慢利用，有利于代谢产物
的合成，如乳糖等
发酵工程
培养基中不同糖对大肠杆菌生长速度的影响 1.单独加入葡萄糖时，菌体生长几乎没有延迟期； 单独加入乳糖时，菌体生长有明显的延迟期；2. 同 时加入葡萄糖和乳糖时，菌体呈二次生长
3）培养后期，产生热量不多，温度变化不大，且逐 渐减弱。
发酵工程
2、搅拌热Q搅拌
在机械搅拌通气发酵罐中，由于机械 搅拌带动发酵液作机械运动，造成液 体之间，液体与搅拌器等设备之间的 摩擦，产生可观的热量。
发酵工程
3、蒸发热Q蒸发
通气时，引起发酵液的水分蒸发，水分 蒸发所需的热量叫蒸发热。 此外，排气也会带走部分热量叫显热Q显 热，显热很小，一般可以忽略不计。
发酵工程
4、辐射热Q辐射
发酵罐内温度与环境温度不同，发酵液中有 部分热通过罐体向外辐射。辐射热的大小取 决于罐温与环境的温差。冬天大一些，夏天 小一些，一般不超过发酵热的5％。
发酵工程
第六节 发酵过程的pH控制
发酵罐及其附属设备共75页
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
ห้องสมุดไป่ตู้
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
Thank you
第六章 发酵工程 PPT课件
生物下游一般过程
§6-5 生化反应器
生化反应器类型 通用式发酵罐 气升式发酵罐 其他生物反应器形式
生化反应器类型
• 酶反应器：单相式、多相式 • 发酵反应器器：液态、固态
通用式发酵罐
通气 搅拌：传质
传热
气升式发酵罐
气升式发酵罐的优点 是能耗低，液体中的 煎切作用小，结构简 单。在同样的能耗下， 其氧传递能力比机械 搅拌式通气发酵罐要 高得多。
发酵的基本过程
发酵过程形式
• 批式发酵
• 补料发酵→带放（半连续发酵）
• 连续发酵→多级连续发酵
• 发酵-分离耦合 • ……
连续发酵
连续发酵是指以一定的速度向发酵罐内添加新 鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而 使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。
优点 ① 可提高设备利用率和产量； ② 发酵中各参数趋于恒值，便于自动控制； ③ 易于分期控制。可以在不同的罐中控制不同的条件。
• 初级、次级代谢产物 • 生物大分子（酶、多糖） • 菌体 • 利用微生物发酵进行转化反应
§6-2 工业微生物
常见种类 菌种选育与保藏
常见工业微生物种类
• 细菌 • 放线菌 • 酵母菌 • 霉菌
细菌的形态（单细胞）
• 球菌 • 杆菌 • 螺旋菌
•
细 菌 细 胞 结 构 模 式 图
放线菌
•
固态发酵罐
课外书籍资料
• 微生物与发酵基础教程，宋超先，天津大学出版社， 2007
• 发酵工艺，孙俊良，中国农业出版社，2008 • 生物反应工程原理，贾士儒，科学出版社，2008 • 微生物工程工艺原理，姚汝华，华南理工大学出版社
1996 • 生化工程，伦世仪，中国轻工业出版社，1993 • 生化反应工程，山根恒夫，西北大学出版社，1992 • 发酵工艺学原理，（英）P·F·斯坦伯里，中国医药科技
第一篇第六章 发酵罐的比拟放大
2. 罐体积 公称体积：是指罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。
底封头体积可从化工设计手册中查得。
（根据罐的形状、直径、 壁厚） 对于椭圆形封头体积：
1 V1 D hb D ha D (hb D ) 4 6 4 6
2 2 2
hb——椭圆封头的直边高度；
ha——椭圆短半轴长度，标准椭圆
—— 液体密度（kg/m2） n ——涡轮转数（r/s)
功率准数
μ ——液体粘度（N•s/m2 ）
R
em
m
D ——涡轮直径（m）
P0
为无因次数
2
NP
R
n D
3
5
搅拌雷诺数：
em
D n
功率准数NP是搅拌雷诺数Rem 的函数
雷诺数：Re =
du
d ——管道直径
流动总是层流型态; 外界条件有关，称作过渡区；
NP ≈4.7 NP ≈3.7
P0
∵
NP =
n
3
D
5
1——螺旋桨
3——圆盘弯叶涡轮
2——圆盘平直叶涡轮 4——圆盘箭叶涡轮
∴ p0 =
拌轴功率
NP ρn3D5
(w)
先算出Rem，可从图上查出NP，再由上式可计算出不通气时单只涡轮搅拌器的搅
（二）通气搅拌功率Pg 同一搅拌器在相同的转速下，通气与不通气时输入液体功率哪个低？ 通过实验， 通气时输入液体功率低，常见的解释是通气（从底部）使液体的重 度 降低。 pg 与 p0 以及通气量Q有何关系： 迈凯尔（Michel） 、福田秀雄等先后研究得经验公式：
所以发酵罐全体积为：
发酵设备发酵罐的一些操作资料
发酵设备发酵罐的一些操作资料发酵设备是在发酵工艺中起着关键作用的设备之一，发酵罐作为其中的重要组成部分，其操作资料涉及到了罐体结构、加料方式、发酵参数控制以及卫生操作等方面。
下面将详细介绍发酵罐的操作资料。
一、发酵罐的结构发酵罐一般包括罐体、罐盖、搅拌装置、换热装置、温度控制装置、通风装置等。
1.罐体：通常采用不锈钢材料制成，具有耐腐蚀、易清洗、密封性好等特点。
2.罐盖：一般采用弹性密封结构，并设有进、出料口、观测窗等，便于操作和监视发酵过程。
3.搅拌装置：用于将发酵物料进行混合均质，通常采用搅拌桨或搅拌叶片结构。
4.换热装置：用于对发酵过程中产生的热量进行控制，一般采用冷却水或蒸汽加热。
5.温度控制装置：一般通过设置传感器和温控仪表来测量和控制发酵罐内的温度。
6.通风装置：用于控制发酵罐内的气氛，通常采用空气过滤器和气体排放装置。
二、发酵罐的加料方式发酵罐的加料方式分为连续加料和间歇加料两种。
1.连续加料：适用于定量加料的发酵过程，可以通过设定流量计和阀门来控制加料的速度和量。
2.间歇加料：适用于不定量加料的发酵过程，通常按一定时间间隔进行加料，可以通过设定加料时间和加料次数来控制。
三、发酵罐的发酵参数控制发酵过程中的参数控制对于产酒效果的影响至关重要，以下是一些常见的发酵参数。
1.温度控制：根据不同的发酵物料和酵母菌的要求，设定合适的发酵温度，通常在20-30摄氏度之间。
2.pH值控制：根据发酵物料中的酸碱性成分，设定合适的pH值范围，保持酵母菌的正常生长和发酵活性。
3.氧气供应：通过调整通风装置，控制发酵罐内的氧气供应量，保证酵母菌的呼吸和代谢过程。
4.液位控制：设置液位控制装置，保持发酵罐内的发酵物料稳定，防止液位过高或过低影响发酵过程。
四、卫生操作卫生操作是保证发酵罐内发酵物料质量和食品安全的关键环节，以下是一些常见的卫生操作。
1.发酵罐清洗：在每次发酵过程结束后，清洗发酵罐内的残留物，以防止交叉污染。
第六章发酵罐操作与灭菌技术
第六章发酵罐操作与灭菌技术引言：发酵罐是微生物发酵工程中最基础且最重要的设备之一，其操作与灭菌技术对于发酵过程的成功与否有着至关重要的影响。
为了提高生产效率和产品质量，发酵罐的操作和灭菌技术需要不断地进行优化和改进。
本文将系统地介绍发酵罐的操作与灭菌技术的相关知识，并分析其在发酵过程中的应用。
一、发酵罐操作技术1.发酵罐的选择在选择发酵罐时，应根据发酵过程的具体要求和生产规模来确定罐体的尺寸和材质。
常见的发酵罐材质有不锈钢、玻璃钢等。
选择合适的发酵罐对于提高产量和降低生产成本具有重要意义。
2.发酵罐的运行参数控制发酵过程中的关键参数包括温度、pH值、氧气浓度等。
对于不同的微生物菌株和发酵产物，这些参数的范围和控制策略各有不同。
通过合理地控制这些参数，可以提高发酵产物的产量和纯度。
3.发酵罐的通气与搅拌发酵过程中需保证罐内的氧气供应与混合效果，以满足微生物的生长需求。
通气方式有机械通气和气体曝气两种。
搅拌方式可以采用机械搅拌或气体涡流搅拌，以保证菌体和培养基的均匀悬浮。
二、发酵罐灭菌技术1.发酵罐灭菌的目的发酵罐中的微生物菌种和杂菌对发酵过程有着很大的影响，因此需要进行灭菌处理。
灭菌的目的是杀灭或去除罐内的微生物，使得发酵罐内只存在我们需要的发酵菌种。
2.发酵罐灭菌方法常见的发酵罐灭菌方法包括热力灭菌、化学灭菌和生物灭菌。
热力灭菌是最常用的方法，可以通过高温蒸汽或压力高温进行。
化学灭菌则通过化学药剂的使用来实现，如过氧化氢、乙醛等。
生物灭菌是指利用其他微生物菌株对发酵罐中的有害菌进行竞争和抑制。
3.发酵罐灭菌效果评价对于发酵罐灭菌效果的评价标准包括杂菌滴数、菌落总数和菌株种类等。
通过定期对发酵罐内的样品进行采集和分析，可以评估灭菌效果，并及时采取补救措施。
结论：发酵罐的操作与灭菌技术是影响发酵过程成功与否的重要因素。
通过合理的罐体选择、运行参数控制和通气搅拌等操作技术，可以提高发酵过程的产量和质量。
发酵与酿造工程学基础及主要设备课件
发酵与酿造工程学基础及主要设备
12
每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温度、最 低温度来表征。在最适温度下，微生物生长迅速；超过最高 温度微生物即受到抑制或死亡；在最低温度范围内微生物尚 能生长，但生长速度非常缓慢，世代时间无限延长。在最低 和最高温度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加，超 过最适温度后，随温度升高，生长速率下降，最后停止生长， 引起死亡。
发酵与酿造工程学基础及主要设备
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发酵过程中有时会发生溶氧异常情况（异常下降或 升高）
异常下降原因可能有：污染好氧菌；或菌体向好氧 代谢途径迁移，或供氧设备发生故障等。
异常上升原因可能有：污染噬菌体，菌体完全北裂 解；或菌体向厌氧代谢途径迁移
发酵与酿造工程学基础及主要设备
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3. 溶氧的控制
溶氧浓度的控制可从供氧和需氧两方面着手，其中供氧时主 要的： 需氧方面：需氧量手菌体浓度，基质浓度和种类，培养条件 有关。 供氧方面：提高氧的传递推动力和液相体积氧的传递系数； 生产中常采用加大通气速率，或提高搅拌转速，或适当增加 罐压；
发酵与酿造工程学基础及主要设备
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❖ （5）产物浓度（µg（u）/ml） ❖ 检验发酵是否正常与否的重要参数，
❖ 是决定发酵周期长短的根据. ❖ （6）废气中的氧浓度（Pa） ❖ 废气中的氧浓度与发酵微生物的摄氧率和KLa有关，
以此确定发的供氧能力。
❖ （7）废气中的CO2浓度（%） ❖ 根据废气中的氧浓度和CO2浓度，以此计算产生菌
发酵与酿造工程学基础及主要设备
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溶氧大小对菌体生长和产物的性质和产量产生不同 影响；例如，谷氨酸发酵时，通气不足会积累大量乳酸 和琥珀酸；
不同微生物或同一微生物的不同生长阶段对通风量 的要求也不相同。例如，天氡酰胺酶发酵，前期为好气 培养，后期为厌氧培养，产酶能力会大大提高。
100L发酵罐操作规范V01
100L发酵罐及附属设备操作使用规程一、使用前的技术准备1-1上岗前的技术培训：发酵罐是机电一体化的高科技设备，因此，操作人员上岗前必须经过技术培训，使他们熟悉整个系统的工作原理以及管路、阀门的操作程序。
并对空压机、蒸汽发生器能正确安全操作使用。
未经培训的人员，不得单独上岗操作。
1-2设备使用之前，应先检查电源是否正常，空压机、蒸汽发生器、冷却水循环系统是否能正常工作。
1-3检查系统上的阀门、接头及紧固螺钉是否拧紧。
1-4pH电极、溶氧电极、补料等系统应根据使用说明检查、校正。
1-5在进行发酵生产之前最好进行LB空培养，验证设备的无菌性能是否达到标准。
1-6检查电机能否正常运转。
电磁阀能否正常吸合。
1-7发酵罐及管路灭菌时，涉及到蒸汽的使用，蒸汽管道和阀门要做出特殊标示，灭菌过程中要时刻注意各设备及管道压力表数值，不要超过0.15Mpa。
保证人员安全。
二、发酵前准备2-1罐内清洗及严密度检查1.关闭罐上空气入罐阀，开启排气阀，使罐内压力放至零点。
2.开启罐盖，关闭罐上排气阀。
3.开启空气进气阀置换罐内气体后，用水冲洗罐内，并保持各个部位冲洗干净。
4.盖紧罐盖，开启空气入罐阀，关闭罐上排气阀，使罐压升至0.15Mpa以上进行压水。
5.开启压出管放水阀，向罐外放水。
放水结束后，关闭放水阀。
利用罐内空气压力，进行罐上各法兰、焊缝、阀门连接等处的严密度检查。
先半开转子流量计前蓝色阀门A229，再全开转子流量计后蓝色阀门A222，关闭空气过滤器排污阀V261及灭菌阀，打开空气进罐阀A221，关闭发酵罐尾气阀V461、V413，全开电磁阀V412，将罐压升至0.15-0.2Mpa 后，关闭空气进罐阀A221，保压时间至少1h。
确认发酵罐及管路无泄漏即可正常使用。
2-2罐内设备检查1.关闭空气入罐阀，开启排气阀，使罐压放至零点，打开罐盖，关闭排气阀。
2.检查空气分布管、罐内管路是否牢固，罐内是否有杂物，搅拌浆叶连接是否牢固，机封与大轴间是否漏油，搅拌浆支架连接是否牢固。
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（8）减速装臵
• 减速装臵一般采用三角皮带传动、齿轮减 速机传动及无级变速器装臵等来控制发酵 过程中的搅拌速率。 • 三角皮带传动：结构简单，成本低，操作 灵活，噪声小，但转速控制不准确。 • 齿轮传速机：结构复杂，安装麻烦。传动 速率高，且稳定 • 无级变速器：操作简单，自动化，成本高
（9）联轴器
（5）空气分布装置
把无菌空气引入发酵罐 并分布均匀的装臵。
① 单管
② 环形管
dI = 0.8Di dI —环径 Di —浆叶直径
（6）空气过滤器
• 空气除菌的方法 • 空气除菌的一般原理
• 空气除菌的一般流程
（7）消泡器 • 消泡器的作用是将泡沫打破。 • 消泡器常用的形式有锯齿式、梳状式及 孔板式。孔板式的孔径约10-20毫米。 • 消泡器的长度约为罐径的0.65倍。
通气搅拌罐的缺点
• ⑴搅拌功率消耗大 • ⑵因罐内结构复杂，不易清洗干净， 易被杂菌污染。
• ⑶培养丝状菌时，常因搅拌桨叶的剪
切力致使菌丝易被切断，细胞易受损 伤。
大型发酵罐 搅拌装置
搅拌电机
搅拌桨
上封 头
一个优良的培养装臵应具有：
• 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
①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。
②通过搅拌，大气泡被搅拌器打碎，增加比 表面积。 ③搅拌速度越快，搅拌雷诺准数增加，增加 了传氧速率。
• 搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式） 和径向式（涡轮式）两种。
► 涡轮式搅拌器的类型:
发酵用的发酵罐。
• 好气性发酵需要将空气不断通入发酵液
中，以供微生物所消耗的氧。
需氧发酵罐的类型
• • • • • 通用式发酵罐 气升式发酵罐 自吸式发酵罐 伍式发酵罐 文氏管发酵罐
通气搅拌罐的优点
• ⑴ pH和温度容易控制 • ⑵尺寸放大的方法大致已确定 • ⑶适用于CSTR（Continuous stirredtank reactor）等。
• 合适的气液比
选用适当直径的喷嘴。具有适当直径的喷嘴
才能保证气泡分割细碎，与发酵液均匀接触，增
加溶氧系数。
（1）循环周期
• 培养液在环流管内循环一次所需的 时间。可按下式计算：
（2）气液比
• 指发酵液的环流量Qc与通风量Q之比， 用A来表示，即有：
气升式发酵罐的尺寸
公称容积m3 筒体直径m 筒体高度m 换热面积m2
• 竖式蛇管换热装臵
–这种装臵是竖式的蛇管分组安装于 发酵罐内，有四组、六组或八组不 等，根据管的直径大小而定，容积 5m3以上的发酵罐多用这种换热装臵。 –这种装臵的优点是：冷却水在管内 的流速大；传热系数高。这种冷却 装臵适用于冷却用水温度较低的地 区，水的用量较少。 –但是气温高的地区，冷却用水温度 较高，则发酵时降温困难，发酵温 度经常超过40˚C，影响发酵产率， 因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却， 这样就增加了设备投资及生产成本。 此外，弯曲位臵比较容易蚀穿。
一、通用式发酵罐
• 机械搅拌发酵罐是发酵 工厂常用类型之一。它 是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。
1、通用发酵罐的基本要求
• 发酵罐应具有适宜的径高比。
罐身越长，氧的利用率越高，一般的高度 与直径之比为1.7～4倍左右。
• 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， 容易渗漏及染菌； – 轴的磨损情况较严重；
– 填料压紧后摩擦功率消 耗大； – 寿命短，经常维修，耗 工时多。
• 端面式轴封的优点：
–清洁； –密封可靠； –无死角，可以防止杂菌污染； –使用寿命长； –摩擦功率耗损小； –轴或轴套不受磨损； –它对轴的精度和光洁度没有填料密 封要求那么严格，对轴的震动敏感 性小。
（2）罐体的尺寸比例 罐体各部分的尺寸有一定的比例， 罐的高度与直径之比一般为1.7 ～4左右。 发酵罐通常装有两组搅拌器，两 组搅拌器的间距S约为搅拌器直 径的三倍。对于大型发酵罐以及 液体深度HL较高的，可安装三组 或三组以上的搅拌器。最下面一 组搅拌器通常与风管出口较接近 为好，与罐底的距离C一般等于 搅拌器直径Di，但也不宜小于 0.8Di，否则会影响液体的循环。 最常用的发酵罐各部分的比例尺 寸如图。
（11）轴封 • 轴封的作用是使罐顶或罐底 与轴之间的缝隙加以密封， 防止泄漏和污染杂菌。 • 常用的轴封有填料函和端面 轴封两种。
–填料函式轴封是由填料箱体， 填料底衬套，填料压盖和压紧 螺栓等零件构成，使旋转轴达 到密封的效果。 –端面式轴封又称机械轴封。密 封作用是靠弹性元件（弹簧、 波纹管等）的压力使垂直于轴 线的动环和静环光滑表面紧密 地相互贴合，并作相对转动而 达到密封。
• （2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，
发酵罐的类型
• 发酵工业最常用的是通风搅拌罐。 除了通风搅拌发酵罐外，也有其它 型式的发酵罐。
（1）按微生物生长代谢需要分类
• 好氧：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸， 维生素等产品是在好氧发酵罐中进行的； 需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发 酵液中的传质系数； • 厌氧：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采 用厌氧发酵罐。不需要通气。
3、主要的结构参数
• 影响性能的结构参数主要有：高径 比，环流管高度与发酵罐高度之比， 环流管直径与发酵罐直径之比、环 流管顶部与罐顶的距离、环流管底
部与罐底的距离以及喷嘴直径等。
4、气升式发酵罐的性能指标
气升式发酵罐是否符合工艺要求及经济指标，应 从下面几方面进行考虑。
• 循环周期时间
必须符合菌种发酵的需要。
• 端面式轴封的缺点：
–结构比填料密封复杂，装拆不便； –对动环及静环的表面光洁度及平直 度要求高。
（12）发酵罐的换热装臵
• 夹套式换热装臵
–这种装臵多应用于容积较小的 发酵罐、种子罐； –夹套的高度比静止液面高度稍 高即可，无须进行冷却面积的 设计。 –这种装臵的优点是：结构简单； 加工容易，罐内无冷却设备， 死角少，容易进行清洁灭菌工 作，有利于发酵。 –其缺点是：传热壁较厚，冷却 水流速低，发酵时降温效果差
第六章 发酵罐及附属设备
• 四十年代中期，青霉素 的工业化生产，或深层 通风培养技术的出现， 标志近代通风发酵工业 的开始。 • 在深层通风培养技术中， 发酵罐是关键设备。在 发酵罐中，微生物在适 当的环境中进行生长、 新陈代谢和形成发酵产 物。
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环境的容器。
（2） 按照发酵罐设备特点分类
• 机械搅拌通风发酵罐：包括循环式，如伍 式发酵罐，文氏管发酵罐，以及非循环式 的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。
• 非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气 升式发酵罐，以及非循环式的排管式和喷 射式发酵罐。 这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵 罐内的气、固、液三相充分混合，从而满 足微生物生长和产物形成对氧的需求。
• 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三 段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚 性联接。 • 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小 型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接， 轴的连接应垂直，中心线对正。
（10）轴承
• 为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内 装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴 承，底轴承和中间轴承的水平位臵应能 适当调节。 • 为了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触 处的轴上增加一个轴套。
缺点。
气升式发酵罐的工作原理
• 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射 进发酵液中，通过气液混合物的 湍流作用使空气泡分割细碎，同 时，由于形成的气液混合物密度 降低而向上运动，气含率小的发 酵液则下沉，从而形成循环流动， 实现混合与溶氧传质。
分类
• 气升环流式
内环流式
外环流式
• 鼓泡式 • 空气喷射式
发酵罐的类型
（3）按容积分类
一般认为500L以下的是实验室发酵罐；
500-5000L是中试发酵罐；
5000L以上是生产规模的发酵罐。
本章讲述的内容
•第一节 需氧发酵罐
•第二节
•第三节
嫌气发酵罐
表面培养设备
•第四节 修 •第五节
发酵设备的清洗和检 发酵罐选型注意事项
第一节 需氧发酵罐
• 需氧发酵罐又称好气性发酵罐，如谷氨 酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母等
2、气升式发酵罐的结构及原理 分为内循环和外循环两种
其主要结构包括： • 罐体 • 上升管 • 空气喷嘴
1、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。
罐体各部分的比例尺寸
•通用式发酵罐的比例尺寸 •Di＝1/3D •H0＝2D •B＝0.1Di •ha＝0.25Di
•S＝3Di
•C＝ Di
• 发酵罐的“公称容积V0”
V0= Vc+ Vb
Vc——筒身容积
Vb——）搅拌器
搅拌叶轮的相对位臵及影响
• 搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液 均匀接触，使氧溶解于发酵液中。
（1）圆盘平直叶涡轮 （2）圆盘弯叶涡轮
（3）圆盘箭叶涡轮
轴向式搅拌器
桨叶式 螺旋桨式
径向式（涡轮式）搅拌器
平直叶 弯叶 箭叶
（4）挡板 • 挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为 轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。 • 通常，挡板宽度取(0.1~0.2)D，装设6~4块即可 满足全挡板条件 • 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。要达到全挡板条件必 须满足下式要求：