第六章发酵设备

第六章发酵设备本章学习目标⏹了解常见嫌气发酵设备及其流程的类型与特点⏹掌握通风发酵设备的类型、结构及性能特性⏹了解空气过滤除菌原理、常见设备流程及其应用特点⏹掌握常见发酵设备的应用特点和选用原则目录发酵设备的类型和基本构成发酵设备的基本要求发酵设备的功能：发酵设备的要求：发酵设备的分类⏹发酵设备的功能和要求功能：按照发酵过程的要求，保证和控制各种发酵条件，主要是适宜微生物生长和形成产物的条件，促进生物体的新陈代谢，使之在低消耗(原料消耗、能量消耗、人工消耗)获得较高的产量。

要求：⏹良好的传递质量、能量、热量性能⏹结构应尽可能简单，操作方便，易于控制⏹便于灭菌和清洗，能维持不同程度的无菌度⏹能适应特定要求的各种发酵条件，以保证微生物正常的生长代谢⏹发酵设备的分类按发酵用培养基状况：固体发酵设备和液体发酵设备按微生物类型：嫌气(酒精、啤酒和丙酮、丁醇)和好气(谷氨酸、柠檬酸、酶制剂和抗生素，发酵过程中需不断通入空气)按发酵过程所使用的生物体：微生物反应器（主流）、酶反应器（固定化酶反应器和溶液酶反应器）和细胞反应器嫌气发酵设备一、间隙式发酵罐间歇式发酵是指生长缓慢期、加速期、平衡期和衰落期四个阶段的微生物培养过程全部在一个罐内完成特点：罐内环境和发酵过程易于控制。

目前在工业生产中仍然占据主要地位二、水洗装置特点，水压不大洗涤不彻底水平喷水管与水平面呈20°夹角，水流喷出时使喷水管以48～56r/min的速度自动旋转，洗涤一次约需5min三、连续发酵设备连续发酵：通过在发酵罐内连续加入培养液和取出发酵液，可使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期，同时降低代谢产物的积累，培养液浓度和代谢产品含量相对稳定，微生物在整个发酵过程中即可始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。

特点：产品产量和质量稳定、发酵周期短、设备利用率高、易对过程进行优化等优点，微生物在整个发酵过程中始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。

技术要求较高、容易造成杂菌污染，易发生微生物变异、发酵液分布与流动不均匀等。

四、单罐连续发酵设备连续搅拌发酵器连续细胞回用发酵器塔式发酵器膜式发酵器固定化细胞反应器五、连续搅拌发酵器酒精发酵时细胞浓度可达10～12ｇ/L；酒精产率达6g/(L·h)，是间歇发酵的三倍；投资可比间歇工艺降低50％；操作成本降低50％。

两只连续搅拌发酵器串联组成的发酵系统进行酒精发酵时，其酒精产率比单罐高1.3倍六、连续细胞回用发酵器使用细胞浓度增加83g/L，酒精产率达30～40g/(L·h)。

但必须配置投资较大的酵母细胞分离设备，操作成本较高。

七、塔式发酵器塔径0.9～2ｍ,径高比1：(7~10)，在两块筛孔板之间放置絮凝酵母颗粒。

糖液从底部进入，在上升过程中被发酵，而酵母逐步下沉，并被保留在发酵器内，发酵器内细胞浓度为50～80g/L，酒精产率为60~150g/(L·h)。

该发酵器的缺点是开工阶段时间较长，为了达到所需细胞浓度和稳定操作时间需要2～3周。

八、膜发酵器通过装透析膜，将发酵器内部划分为发酵器和进出料区两部分，糖液进入进料区，糖分通过透析膜进入发酵区，发酵区保持有高浓度的酵母，将糖迅速发酵，产生的酒精反向通过膜进入出料区排出器外。

这类发酵器尚待解决的问题是糖分渗透速度和膜微孔的堵塞问题。

九、固定化细胞反应器固定化酵母酒精发酵流程以日本KFE公司研制的较成功。

它利用海藻酸钠包埋酵母间歇连续糖蜜酒精发酵。

发酵液酒精度达8.5％～9.0％(体积分数)，酒精产率20ｇ/(L·h)。

十、连续发酵设备流程淀粉质原料生产酒精连续发酵设备流程顺流式连续发酵设备流程全封闭式连续发酵设备流程糖蜜原料生产酒精酒连续发酵设备流程十一、顺流式连续发酵设备流程◆糖蜜原料生产酒精连续发酵设备流程◆双浓度连续发酵设备流程◆单浓度连续发酵设备流程通风发酵设备通风发酵设备的发酵反应器：酵母发酵罐单细胞蛋白发酵罐氨基酸发酵罐酶制剂发酵罐抗生素发酵罐设备要求：设备简单，不易染菌，单位体积的生产能力高，代谢热易排出，操作易控制，易于放大●通风发酵设备的基本要求及类型衡量通风发酵设备的主要性能指标：体积溶氧速率，反映能否满足发酵耗氧的需要，直接影响到生产速率。

体积耗氧速率一般要求在1.0～10kg O2/(M3·h)单位溶氧功耗，溶解1kg氧所需的电耗，一般在0.5～5.0(kWh)/kgO2.设备类型：按发酵物料形态，固体发酵设备和液体深层发酵设备。

固体发酵设备主要为自然通风和机械通风制曲设备；液体设备有机械搅拌式，自吸式和通风搅拌式●机械搅拌发酵罐工作原理：利用机械搅拌器，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液内的溶氧量。

溶解氧增多的原因：将空气进入初期的大气泡打碎成小气泡，使气液界面面积增大，提高了体积溶氧系数； 气泡经搅拌破碎后，上浮速度下降，在搅拌形成的液流影响下，气泡由直线上浮变成曲线上浮，因移动路径的延长增加气体与液体间接触时间，提高了空气中氧的利用率；在搅拌器作用下产生强烈的液相湍流，使得液膜厚度变薄，传质系数增大，从而获得较大的体积溶氧系数●机械搅拌发酵罐的特点机械搅拌作用获得的溶氧系数较高，一般体积溶氧系数为100～1000l/h，适合于各种发酵的溶氧要求。

罐内液体和空气的混合效果较好，不易产生沉淀，可适应有固形物存在的场合，因此又叫全混式发酵罐搅拌作用形成的液体流型使氧气的利用率较高，所需要的通风量较小既有通风，又有搅拌，投资成本较大单位溶氧功耗较大，操作费用高结构复杂，清洗及维修不便●机械搅拌发酵罐的基本要求应有适宜的尺寸比例。

高径比一般为2.5～4，罐高则氧的利用率较高罐体必须要有一定的强度，能承受一定的压力。

搅拌通风装置要能使气泡细碎、分散，气液充分混合，保证发酵液必需的溶解氧量，提高氧的利用率应有足够的冷却面积，以排出微生物代谢热，控制发酵过程中不同阶段所需温度尽量减少死角，使清洗、灭菌方便、避免染菌密封必须严密，尽量减少泄漏●自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种搅拌过程中自行吸入空气的发酵罐，不需配置空气压缩机或鼓风机，广泛用于医药工业、醋酸工业、酵母工业等行业。

分类：无定子回转翼片式自吸式发酵罐有定子自吸式发酵罐溢流喷射式自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐●单层溢流喷射反应器原理：利用液体溢流时形成的抛射流，在液体表面层作用下，使靠近液体表面的气体边界层具有一定的移动速度，从而形成气体的流动和自吸作用。

特点：结构简单，省去了复杂的空压机及其附属设备，电耗少，生产率较大，溶氧速率高，输送发酵液效果较好●浮布双层发酵罐采用双层溢流。

醪液从罐底抽出，经气液分离泵提升到罐顶的溢流口，流入上层发酵罐，吸入新鲜空气，再流至下层发酵罐，再吸入新鲜空气。

●喷射自吸式发酵罐◆是从水力真空泵发展而来的一种新型发酵罐，它以文氏管作为分散元件。

工作时利用泵将发酵液送入文氏管，发酵液在文氏管的收缩段处流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡均匀分散到液体中，分散效果好，溶氧速率高。

●气升式发酵罐近几十年来发展起来的新型发酵罐。

空气由罐底进入后，通过罐内底部安装的分散元件(如多孔板)分散成小气泡，在向上移动过程中与培养液混合进行供氧，最后经液面与二氧化碳等一起释出。

在液体密度差异而产生的压力差的推动下，培养液呈湍流状态在罐内循环。

特点：结构简单，无机械搅拌装置，设备需要空压机或鼓风机来完成气流搅拌，有时还需有循环泵。

因无机械搅拌装置，能耗低。

减少了杂菌污染的危险，安装维修方便，氧传质效率高，常用于单细胞蛋白、酵母、细胞培养、土霉素分类：带升式、塔式、气升环流式、气升及外循环式●塔式发酵罐原理：空气从空气分配器进入后，经多孔筛板多次分割，不断形成新的气液界面，使空气泡一直能保持细小，液膜阻力下降，液相氧的传递系数增大，提高了体积溶氧系数。

另外，多孔筛板减缓了气泡的上升速度，延长空气于液体的接触时间，从而提高了体积溶氧系数。

应用：主要用于微生物的培养及水杨酸的生产特点：占地面积小，装料系数较大，通风比和溶氧系数的值范围较广。

第四节、通风发酵发酵罐的比拟放大方法：找出表征着系统的各种参数，将他们组成若干个具有一定物理意义的无因次数，形成比拟放大准则，再依放大准则选取发酵罐结构参数、运动参数及其他工艺参数。

比拟放大准则：体积溶氧系数，单位体积搅拌功耗，搅拌器线速度，搅拌液流量发酵罐设计的基本原则已灭菌部分于未灭菌部分之间不得直接连通，防止细菌繁殖进入尽量减少法兰连接，以免法兰连接处因设备振动和热膨胀移位而导致污染防止形成死角、裂缝等，这些地方容易藏有不被热破坏的污染菌部分结构可单独灭菌与发酵罐相通的然后活动连接都应利用蒸汽进行密封所有阀门应易于清洗、维修和灭菌发酵罐结构应能够始终保持正压，以防止向罐内渗漏发酵罐使用不锈钢制造，小于30L的小型发酵罐可用玻璃制造第六节、通风发酵附属设备空气除菌设备消泡装置发酵罐的冷却装置空气除菌装置过滤除菌原理：微生物微粒在随气流通过滤层时，在改变运动速度和运动方向，绕过纤维前进的过程中，将因滤层行为产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面典型空气过滤除菌流程：环境污染比较严重的地方要改变吸风的条件，以降低过滤器的负荷，提高空气的无菌程度。

温暖潮湿的地方要加强除水措施以确保和发挥过滤器的最大除菌效率；在压缩机耗油严重的设备流程中则要强调消除油雾的污染等最简单，适合于气候寒冷，相对湿度很低的地区或季节使用比较完善的空气除菌流程，能充分分离油水，使空气达到低的相对湿度后进入过滤器，提高过滤效率，可适应各种气候条件，尤其适用于潮湿的南方地区消泡装置形成原因：微生物的菌体代谢过程产生的气体聚结而成，通入的空气被搅拌器打散而成；与培养液的固形物性质有关，含蛋白质高的原料易产生泡沫，含糊精、糖蜜多的发酵液易有泡沫；在发酵过程中，由于蛋白质含量高，衰老的微生物菌体自溶形成稳定的泡沫，使泡沫增加。

消泡方法：化学消泡：在发酵液中添加消泡剂机械消泡：离心式、耙式、刮板式、涡轮式、射流式、碟片式。