28-发酵过程的实验室研究、中试和放大

回流口；25.窥镜
搅拌器和挡板
1 搅拌器的作用，型式及特点 搅拌器的作用
打碎气泡，产生漩涡，提高氧的利用率 促进传质和传热
液体流型：径向流、轴向流、切向流
径向流（叶片对液体施以径向离心力，流体 流动的方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰 到容器壁面分成两股流体分别向上、向下流 动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、下 两个循环流动。）
3、统计学方法
一般实验 正交试验 均匀实验 响应面实验
10.2 摇瓶培养与罐培养的差异和发酵规模改变的影响 一、摇瓶和罐培养的差异 1. 体积氧传递系数（KLa）和溶解氧的差异 2. CO2浓度的差异 3. 菌丝受机械损伤的差异
圆盘弯叶涡轮搅拌器：径向流较差，轴向流较强，混 合效果较好，剪切作用不如平直叶，溶氧效果不如平 直叶，功率消耗小。 圆盘箭叶涡轮搅拌器：轴向流强，径向流差，剪切作 用小，混合效果最好，溶氧效果差，功率消耗最小。
几种涡轮搅拌器作用比较
型式 平直叶 弯叶 轴向流 + ++ 径向流 +++ ++ 剪切 +++ ++ 混合 + ++ 溶氧 +++ ++ 输出 +++ ++ 单细胞 发酵 菌丝体 发酵 应用
HL：装料的液面高度。 ha ：封头凸出部分的高度，标准椭圆封头有ha ＝ 0.25D。 Hb：封头直边高度，据壁厚一般取25、 40、 50mm。
25
机械搅拌通风发酵罐的优缺点 优点:操作弹性大，pH值和温度易于控 制；有较规范的工业放大方法；适合 连续培养。 缺点:驱动功率大；内部结构复杂，难 于彻底洗净,易造成污染；在丝状菌的 培养中由于搅拌器的剪切作用，细胞 易损伤
发酵过程的实验室研究、 中试和放大
常规放大进程
第一节 小试（实验室研究）
一、小试设备：
生化培养箱、摇床/摇瓶柜、小型发酵罐。 (一)、摇瓶机： ♣ 往复式：80-120rpm，冲程80-120mm；用于培养细菌、酵
母等单细胞菌体；
♣ 旋转式：60-300rpm，偏心距30-60mm。传氧速率好、培 养液不会溅瓶口。（普遍采用）

缺点: 进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会，且搅
拌转速甚高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。
2.3 气升式发酵罐
• 优点：能耗低，液体中的剪切作用小，结构简单，
且由于省去了机械搅拌而不需机械密封，避免了
因机械密封不良造成的杂菌污染。
• 缺点：它不适用于高粘度或含大量固体的培养液。
2.2 自吸式发酵罐
将 气 体 吸 入 。
液 体 甩 出 ， 形 成 内 部 真 空 ，
转 子 的 作 用 ： 将 转 子 内 的
打体 定 碎混 子 ，匀 的 促， 作 进甩 用 溶出 ： 氧， 将 。将 气 大体 气与 泡液

优点: 利用机械搅拌的抽吸作用将空气自吸入反应器内,
达到既通风有搅拌的目的，从而省去了压缩机。
下涡轮至罐底的距离C可取0.5~1.0D。 符合上述条件的发酵罐，用经验公式计算或实测结果 都表明，多个涡轮输出的功率近似等于单个涡轮的功 率乘以涡轮的个数。
3，通气液体机械搅拌功率的计算
迈凯尔的修正关系式
Pg 2.25(
P02 ND 3 Q
0.08
)
0.39
10
3
计算举例
某细菌醪发酵罐 罐直径T＝1.8(米) 圆盘六弯叶涡轮直径D＝0.60米，一只涡轮 罐内装四块标准挡板 搅拌器转速N＝168转／分 通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量) 罐压P＝1.5绝对大气压 醪液粘度μ＝1.96×10-3牛· 秒／米2 醪液密度ρ＝1020公斤／米3 要求计算Pg
4 空气分布管
作用：使通入的空气均匀分布 型式： 单管式 正对罐底，距罐底 40mm，罐底衬不锈 钢圆板，防空气冲击
环 式 易堵。
5 传动装置（1）变速装置
需要变速的原因： 电机的转速大于搅拌器所需转速。 电机分四级，转速分别约为： 800、1000、1400、1600 rpm； 而搅拌转速则一般为90-110rpm。 发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。
1- 弹簧 2- 动环 3- 硬质合金 4- 静环 5- O形密封圈

搅拌器轴功率的计算
1.单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率的计算
全档板条件下，对于牛顿型流体通过因次分析， 得：
P0
3
N D
5
K(
D 2 N m

)
式中 P0：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦） ρ：液体的密度（公斤/米3） μ：液体的粘度（牛.秒/米2） D：涡轮直径（米） N：涡轮转数（转/秒） K，m：决定于搅拌器的型式，挡板的尺寸及 流体的流态
W ( 0 . 1 ~ 0 . 12 ) D ( ) Z Z 0 . 5 D D
式中： D—罐的直径（mm） Z—挡板数 W—挡板宽度（mm） 用来校验档板数是否够
43
பைடு நூலகம்
3 消泡器
作用：打碎泡沫，防止逃逸
型式：锯齿状，梳状，孔板状，一般安装在搅拌轴上高出液面的部位，
随搅拌轴转动而转动，将泡沫打碎。 长度： L=0.65D
密闭厌氧发酵罐
2.1 机械搅拌通风发酵罐
图6-1 小型发酵罐结构图 1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节； 4. 轴封；5. 窥镜；6. 取样口；7. 冷却水出口； 8.夹套；9.罐壁；10.温度计；11.轴；12.搅 拌器；13.底轴承支架；14.放料口；15.冷水 进口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板； 19. 接压力表； 20.手孔； 21. 电动机； 22.排 气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接 口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口
S总
W v
V——冷却水流速
W——冷却水体积流量
S总 d总 0.785
罐体的尺寸比例（重点）
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 通用发酵罐 通常取值 搅拌器直径 d =1/3D 罐筒身高 H0 =2 D 挡板宽度 B =0.1D 搅拌器间距 S=2d 下搅拌器距底间距 C= d 挡板与罐壁的距离 （1/5-1/8）B 系数范围 1/2－1/3 1.7－3 1/8－1/12 1.5－2.5 0.8－1.0
流 型
特点：剪切作用较强，混合效果较差
轴向流（流体流动方向平行于搅拌轴，流体 由桨叶推动，使流体向下流动，遇到容器底 面再翻上，形成上下循环流）
流 型
特点：剪切作用较弱，混合效果较好
流 型
切向流（无挡板的容器内，流体绕轴作旋转 运动，流速高时液体表面会形成旋涡，此时 流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很 小，混合效果很差。）
最大500-550rpm，空气分布器：直管。
都配有DO、pH、T、泡沫等传感器。
（可直接检测控制温度、搅拌转速、通气流量、罐压、消泡、 pH、DO、 发酵液体积、补料量、排气 CO2 和 O2 等十多个在线参数）
发酵罐（液体发酵）的种类：
密闭厌氧发酵罐 通气搅拌发酵罐
机械搅拌通风发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐
（三）实验室研究和统计学方法
1、实验室研究的目的：
菌种保藏 菌种在固体培养基上培养和繁殖的条件 研究培养基最适组分 实验室规模的培养技术
三. 实验室研究和统计学方法
2、研究的步骤
先确定培养基组分
通气强度
影响代谢产物产量的关键因素
摇瓶实验：提供基本信息和初步发酵工艺数据
(1)计算ReM ReM=5.25× 104 (2)由NP~ ReM查NP ， NP =4.7 (3)计算P0 P0=NPD5N3ρ= 8.07（千瓦） (4)计算Pg
Pg 2.25(
P02 ND 3 0.39 Q 0.08
)
10
3
6.55(千瓦)
7 换热装置
（1）作用：实消时预热和冷却，发酵过程中的冷却 和加热。 （2）型式：夹套、竖式蛇管、列管 夹套：5m3以下的罐子采用，冷却水流速低，传热 系数小，换热效果差。但能减少罐内附件，减少死 角。 冷却蛇管：罐内装4-6组，水流速度快，但管径小， 流量小，适用于冷却水温度低的地区。 冷却列管：罐内装4-6组，管径大，耗水量大，降 温快，适用于冷却水温度高的地区。
（2）搅拌轴：
有上悬式和下伸式两种
轴承结构

作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响 转动
6. 轴封 轴封的作用：使罐顶或罐 底与轴之间的缝隙加以密 封，防止泄露和污染杂菌。 形式：填料函轴封、机械 轴封两种。
1- 轴 2- 填料压盖 3- 压紧螺栓 4- 填料箱体 5-铜环 6- 填料
多数发酵罐搅拌器在此范围，故Np=常数＝K，查图得Np 。
ReM＞104，达到充分湍流之后
P0=NPD5N3ρ
2，多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算
使用多个涡轮时，两者间的距离S，
对非牛顿型流体可取为2D， 对牛顿型流体可取2.5~3.0D；
静液面至上涡轮的距离可取0.5~2D，
填料函轴封
机械轴封

又称端面轴封，由弹性元件、动环和静环组成。 动环固定在轴上，随轴一起转动。静环装在壳体 上。动环依靠弹簧的压力与静环紧密接触，阻止 流体泄漏。 由两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。


依靠三个密封点达到完全密封： 1 2 3 动环与静环之间的密封 静环与压盖之间的密封 动环与轴之间的密封
摇瓶实验
影响微生物生长的物理因素：
1. 瓶塞是氧传递的限制因素
2. 水蒸发的影响
影响培养液的体积，改变氧传递效率，改变 菌体产物浓度
3. 比表面积的影响
(二）、小发酵罐
♣ 10L以下罐：玻璃罐较多，大多2级搅拌，六平叶，一般
最大600rpm，环形空气分布管。
♣ 30-150L罐：不锈钢罐，3级搅拌，六平叶/弯叶，一般
图6-2；大型发酵罐结构图 1.轴封；2.人孔；3.梯子；4.联轴节； 5. 中间轴承； 6. 热电偶接口； 7. 搅拌器； 8. 通风管； 9. 放料口； 10. 底轴承； 11.
温度计； 12. 冷却管； 13. 轴； 14. 取样；
15.轴承柱；16.三角皮带传动；17.电动 机；18.压力表；19.取样口；20.人孔； 21.进料口；22.补料口；23.排气口；24.
箭叶
+++
+
+
+++
+
+
2 挡板
（a） （b） （c） （a）周边无档板；（b）螺旋桨搅拌器周边有垂直档板； （c）涡轮搅拌器周边有垂直档板
挡板的作用：改变液流的方向，将切向流改为轴向流,防止产 生漩涡。提高搅拌混合效果，提高湍流强度.
数目通常为4～6块，其宽度为0.1～0.12 D。 全挡板条件：是指在搅拌罐中再增加挡板或其它附件时，搅拌 功率不再增加。（消除液面漩涡的最低条件）。
特点：剪切作用和混合效果很差
轴向流搅拌器的型式和特点
轴向流的代表
螺 旋 桨 搅 拌 器
优点：混合效果好
缺点：剪切作用差，不能阻止气流沿搅拌 轴上升，不能打碎气泡，不利于溶氧，只 用于培养基的配制，料液的混合。
径向流搅拌器的型式与特点
圆盘平直叶涡轮搅拌器：是径向流的代表，在圆盘上 焊有六片平直叶，圆盘可阻止气体沿搅拌轴上升，轴 向流差，不利于混合，剪切作用强，有利于打碎气泡， 溶氧效果好，功率消耗大。
K(
d 2 N m

)
N 3 D 5 是一个无因次数，称为 功率准数 NP 。
d 2 N


是一个无因次数，称为 搅拌雷诺数 ReM
NP ~ ReM 的关系：实测找出规律，即经验系数 K，m
当ReM＜10时，液体为层流状态，m=-1；
当ReM＞104时，液体为湍流状态， m=0；
P0
N
3
D5
是一个无因次数，可定义为功率准数NP。该准数表征着机械 搅拌所施与单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌
液体的惯性之比。
NP
单位体积液体所受外力 单位体积液体的惯性力

P0 / V ma / V
式中 ω：涡轮线速度 a：加速度 V：液体体积 m：液体质量
P0
N d
P0
3 5
冷却面积的计算
T、t1、t2 分别为醪温、冷却水进出口温度 传热系数的经验值或计算 夹套 K 为4.187*（150-250）kJ/m2 h K 蛇管 K 为4.187*（300-450）kJ/m2 h K
Q总 W c P t 2 t1
Q总——每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总 体积的乘积 cp——冷却水的比热容 t2——冷却水终温，t2=27℃ t1——冷却水初温，t1=20℃