新型高密度发酵设备介绍
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江苏尚昆生物设备有限公司
影响高密度发酵生产的因素
5 温度 细胞密度较高时，呼吸作用释放大量热量导致发酵液
的温度升高，因此发酵设备需要更快速有效的降温散热系 统。对于温控诱导表达的基因工程菌来说，诱导时机和持 续时间对于重组蛋白的产量由很大影响，因此对温度的稳 定性要求也更高。 6 其他
随着菌体浓度上升，发酵液粘度大大增加，需要减小 搅拌桨叶的剪切，并增加发酵液循环能力。
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二、发酵自动化控制系统
发酵过程的常规监控
1．温度 3. DO值 5. 补料 7．空气流量
2．pH值 4．泡沫 6．罐压 8．搅拌转速
江苏尚昆生物设备有限公司
发酵自动化控制
1.温度控制
常规温度控制是由温度传感器检测，根据温度 设定值通入冷水降温或通入热水加热。控制原理简 单，但热水或冷水直接进入夹套容易造成罐内局部 过热或过冷，控温精度差。
发酵自动化控制
2.pH值控制
pH传感器检测，加酸碱调pH值。由于 从加入酸碱到pH传感器检测到数值变化有 一个滞后，必须采用PID算法控制，预留 出一个混合时间，防止补加过量。
另外设备上也要加强发酵液的循环混 合能力，使加入的酸碱液快速溶解。
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发酵自动化控制
3.溶氧控制
影响溶氧的因素比较多，可以进行关 联控制的有空气流量、罐内压力、搅拌转 速等。罐压增加不利于CO2的排出，一般发 酵压力都是固定的0.05～0.06MPa，不进 行调控。
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高密度发酵设备的不同
6 补料方式的改进 采用流加补料方式，始终保持合适的浓度，根据细菌生
长速度进行变速补料操作。 采用流加补料也起到限制副产物的积累作用，比如控制
碳源以减少乙酸的产生。同时新鲜物料的持续加入也有利于 CO2排出。
补料成分和补料量大小一般由大量的工艺摸索试验得出， 也可每过一段时间取样，根据检测结果调整补料速率。
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影响高密度发酵生产的因素
3 pH 随着细菌的生长，pH值会发生变化，需要补酸碱来保
持pH值在合适的范围内。
4 溶氧浓度 随着细菌生长，耗氧加大。特别是高密度发酵后期，
由于菌体密度的扩增，耗氧量极大，如不能满足对氧的供 给，会导致菌体生长极为缓慢，外源蛋白的表达量也较差。
但通气气流过大，会使发酵液产生大量泡沫，使罐的 有效利用率降低。
常规手动发酵罐进气流量手动设定， DO值跟转速关联控制，全自动发酵罐DO值 跟进气流量关联控制。
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发酵自动化控制
4.泡沫控制
罐内配置消泡桨来打碎泡沫，但有 些高营养的培养基容易起气泡，通气量 变大时泡沫也会多到没过消泡桨。
罐顶泡沫传感器检测，泡沫上升碰 触到传感器时进行流加消泡剂。采用 PID算法控制，防止补加过量。
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高密度发酵设备的不同
5 通气方式的改进 小型发酵罐主要是配置纯氧旁路，可通
入纯氧来增加溶氧。 大型发酵罐主要是利用文丘里管的引射
产生真空的原理，利用压缩空气的原有动能， 经喷咀（10mm—18mm）高速射出所产生 的负压和卷吸作用将罐中的液体吸入混合器 （文丘里管）中，在混合器中与气体剧烈混 合并达到乳化的效果。从而增大了气体与液 体的接触面积，减缓了气体在液体中逸出时 间，气体溶解效率得到极大提高。
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发酵自动化控制
5.补料控制
发酵补料根据菌种的同，补料量和补 料方式也有所不同。
有的菌种发酵时间短，不需补料；有的 发酵中途定量补加一次即可。对于发酵时间 较长的菌种和现在多数新出基因工程菌，一 般采用流加补料。以前的补料多采用计量杯 或计量罐补料，其操作复杂，且补料为脉冲 控制。由于可耐灭菌的高精度液体流量计的 普及，现在多采用流量计反馈调节阀控制连 续补料，其补料平缓且速度可控。
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高密度发酵设备的特点
1 加大高径比 高径比越大，氧气利用率越高，高密度发酵罐体高径
比加大到2.5～3：1
2 加大换热面积、增强换热效果 细菌密度增大时，产热快，需要快速有效的降温。
3 加大搅拌功率 随着菌体浓度上升，发酵液粘度大大增加，需要相应
增大搅拌功率，并增加发酵液的循环混合能力。
新的温度控制方法一是引入PID算法，由调节阀 控制进水流量连续调节，进水速度快慢由温差决定 ，使温度控制平稳，增加控温精度。二是配置一个 小的循环泵让夹套内的水进行内部循环，冷水或热 水对夹套内的水进行加热或冷却。由于采用间接控 温，而且夹套内的水一直在循环，温差小且均匀， 控温精度非常高。
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高密度发酵设备的特点
4 搅拌桨叶的改进 将多年累积的经验和现代CFD模拟技术
相结合，摸索出一种适合高密度发酵的、新 型组合搅拌桨叶。
下层采用六抛物线搅拌桨，其气液分散 能力可达六平叶涡轮桨的5倍，气液传质系 数比涡轮可提高60%，上层采用轴流式四宽 叶，强制发酵液在罐内循环，增强混合能力， 其宽大的叶片也增加了空气在液体中的滞留 时间，并且其剪切温和。
为了达到高密度，需要大量的基质浓度保障，但浓度 过高会抑制细菌生长。而且碳源、氮源及微量元素对细菌 的生长繁殖和外源蛋白的表达也有很大影响。
2 代谢副产物 乙酸、CO2等代谢副产物对细菌生长有抑制和毒害作
用。一般采用流加补料来限制副产物的积累，比如控制碳 源以减少乙酸的产生。新鲜物料的加入也有利于CO2排出。
发酵设备简述
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目录
一、高密度液体发酵工艺 二、自动化控制简述 三、发酵设备选型 四、发酵设备零部件配置
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一、高密度液体发酵工艺
高密度发酵：是指应用一定的培养技术和装置提高菌 体的发酵密度， 使菌体密度比普通发酵培养有显著的提 高，培养液中工程菌的菌体浓度在30g（DCW/L）以上，理 论上的最高值可达160～200g（DCW/L），不同发酵产品、 不同的发酵菌种之间差异是很大的。
高密度发酵的优势在于可以提高发酵罐内的菌体密度， 最终提高产物的比生产率，相应的减少了发酵罐的体积， 提高单位体积设备生产能力，并且降低生物量的分离、纯 化费用，缩短生产周期，从而达到降低生产成本，提高生 产效率。
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影响高密度发酵生产的因素
主要为：培养基；溶氧； pH；温度；代谢副产物 1 培养基：
影响高密度发酵生产的因素
5 温度 细胞密度较高时，呼吸作用释放大量热量导致发酵液
的温度升高，因此发酵设备需要更快速有效的降温散热系 统。对于温控诱导表达的基因工程菌来说，诱导时机和持 续时间对于重组蛋白的产量由很大影响，因此对温度的稳 定性要求也更高。 6 其他
随着菌体浓度上升，发酵液粘度大大增加，需要减小 搅拌桨叶的剪切，并增加发酵液循环能力。
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二、发酵自动化控制系统
发酵过程的常规监控
1．温度 3. DO值 5. 补料 7．空气流量
2．pH值 4．泡沫 6．罐压 8．搅拌转速
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发酵自动化控制
1.温度控制
常规温度控制是由温度传感器检测，根据温度 设定值通入冷水降温或通入热水加热。控制原理简 单，但热水或冷水直接进入夹套容易造成罐内局部 过热或过冷，控温精度差。
发酵自动化控制
2.pH值控制
pH传感器检测，加酸碱调pH值。由于 从加入酸碱到pH传感器检测到数值变化有 一个滞后，必须采用PID算法控制，预留 出一个混合时间，防止补加过量。
另外设备上也要加强发酵液的循环混 合能力，使加入的酸碱液快速溶解。
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发酵自动化控制
3.溶氧控制
影响溶氧的因素比较多，可以进行关 联控制的有空气流量、罐内压力、搅拌转 速等。罐压增加不利于CO2的排出，一般发 酵压力都是固定的0.05～0.06MPa，不进 行调控。
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高密度发酵设备的不同
6 补料方式的改进 采用流加补料方式，始终保持合适的浓度，根据细菌生
长速度进行变速补料操作。 采用流加补料也起到限制副产物的积累作用，比如控制
碳源以减少乙酸的产生。同时新鲜物料的持续加入也有利于 CO2排出。
补料成分和补料量大小一般由大量的工艺摸索试验得出， 也可每过一段时间取样，根据检测结果调整补料速率。
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影响高密度发酵生产的因素
3 pH 随着细菌的生长，pH值会发生变化，需要补酸碱来保
持pH值在合适的范围内。
4 溶氧浓度 随着细菌生长，耗氧加大。特别是高密度发酵后期，
由于菌体密度的扩增，耗氧量极大，如不能满足对氧的供 给，会导致菌体生长极为缓慢，外源蛋白的表达量也较差。
但通气气流过大，会使发酵液产生大量泡沫，使罐的 有效利用率降低。
常规手动发酵罐进气流量手动设定， DO值跟转速关联控制，全自动发酵罐DO值 跟进气流量关联控制。
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发酵自动化控制
4.泡沫控制
罐内配置消泡桨来打碎泡沫，但有 些高营养的培养基容易起气泡，通气量 变大时泡沫也会多到没过消泡桨。
罐顶泡沫传感器检测，泡沫上升碰 触到传感器时进行流加消泡剂。采用 PID算法控制，防止补加过量。
江苏尚昆生物设备有限公司
高密度发酵设备的不同
5 通气方式的改进 小型发酵罐主要是配置纯氧旁路，可通
入纯氧来增加溶氧。 大型发酵罐主要是利用文丘里管的引射
产生真空的原理，利用压缩空气的原有动能， 经喷咀（10mm—18mm）高速射出所产生 的负压和卷吸作用将罐中的液体吸入混合器 （文丘里管）中，在混合器中与气体剧烈混 合并达到乳化的效果。从而增大了气体与液 体的接触面积，减缓了气体在液体中逸出时 间，气体溶解效率得到极大提高。
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发酵自动化控制
5.补料控制
发酵补料根据菌种的同，补料量和补 料方式也有所不同。
有的菌种发酵时间短，不需补料；有的 发酵中途定量补加一次即可。对于发酵时间 较长的菌种和现在多数新出基因工程菌，一 般采用流加补料。以前的补料多采用计量杯 或计量罐补料，其操作复杂，且补料为脉冲 控制。由于可耐灭菌的高精度液体流量计的 普及，现在多采用流量计反馈调节阀控制连 续补料，其补料平缓且速度可控。
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高密度发酵设备的特点
1 加大高径比 高径比越大，氧气利用率越高，高密度发酵罐体高径
比加大到2.5～3：1
2 加大换热面积、增强换热效果 细菌密度增大时，产热快，需要快速有效的降温。
3 加大搅拌功率 随着菌体浓度上升，发酵液粘度大大增加，需要相应
增大搅拌功率，并增加发酵液的循环混合能力。
新的温度控制方法一是引入PID算法，由调节阀 控制进水流量连续调节，进水速度快慢由温差决定 ，使温度控制平稳，增加控温精度。二是配置一个 小的循环泵让夹套内的水进行内部循环，冷水或热 水对夹套内的水进行加热或冷却。由于采用间接控 温，而且夹套内的水一直在循环，温差小且均匀， 控温精度非常高。
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江苏尚昆生物设备有限公司
高密度发酵设备的特点
4 搅拌桨叶的改进 将多年累积的经验和现代CFD模拟技术
相结合，摸索出一种适合高密度发酵的、新 型组合搅拌桨叶。
下层采用六抛物线搅拌桨，其气液分散 能力可达六平叶涡轮桨的5倍，气液传质系 数比涡轮可提高60%，上层采用轴流式四宽 叶，强制发酵液在罐内循环，增强混合能力， 其宽大的叶片也增加了空气在液体中的滞留 时间，并且其剪切温和。
为了达到高密度，需要大量的基质浓度保障，但浓度 过高会抑制细菌生长。而且碳源、氮源及微量元素对细菌 的生长繁殖和外源蛋白的表达也有很大影响。
2 代谢副产物 乙酸、CO2等代谢副产物对细菌生长有抑制和毒害作
用。一般采用流加补料来限制副产物的积累，比如控制碳 源以减少乙酸的产生。新鲜物料的加入也有利于CO2排出。
发酵设备简述
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目录
一、高密度液体发酵工艺 二、自动化控制简述 三、发酵设备选型 四、发酵设备零部件配置
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一、高密度液体发酵工艺
高密度发酵：是指应用一定的培养技术和装置提高菌 体的发酵密度， 使菌体密度比普通发酵培养有显著的提 高，培养液中工程菌的菌体浓度在30g（DCW/L）以上，理 论上的最高值可达160～200g（DCW/L），不同发酵产品、 不同的发酵菌种之间差异是很大的。
高密度发酵的优势在于可以提高发酵罐内的菌体密度， 最终提高产物的比生产率，相应的减少了发酵罐的体积， 提高单位体积设备生产能力，并且降低生物量的分离、纯 化费用，缩短生产周期，从而达到降低生产成本，提高生 产效率。
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影响高密度发酵生产的因素
主要为：培养基；溶氧； pH；温度；代谢副产物 1 培养基：