发酵罐的设计与放大

原理
• 搅拌时液体沿着套筒外向上升至液 面，然后由套筒内返回罐底，搅拌
器是用六根弯曲的空气管子焊于圆
盘上，兼作空气分配器。空气由空 心轴导入经过搅拌器的空心管吹出， 与被搅拌器甩出的液体相混合，发 酵液在套筒外侧上升，由套筒内部
下降，形成循环。设备的缺点是结
构复杂，清洗套筒较困难，消耗功 率较高。
1.7.2 机械搅拌发酵罐的结构
机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要部件 • 罐身 • 轴封 • 消泡器 • 搅拌器 • 联轴器 • 中间轴承 • 挡板 • 空气分布管 • 换热装置 • 人孔以及管路等
• 发酵罐最重要的几何比例是D ｉ/Dt，H/Dt，
Ds/Di， Db/Dt，(Di为搅拌浆直径，Dt为罐体
• 轴封装置为搅拌罐和搅拌轴间的密封，以防
止反应物料的逸出和杂物的渗入。通常采用 填料密封或机械密封。
• 发酵罐的特点 必须具备足够的强度、密封性、耐蚀性及稳定性。 发酵罐的工作要求 清洁卫生；反应过程能保持恒定的温度，以利于发 酵菌很好地进行发酵；搅拌器使物料混合均匀、加快反 应速度、缩短发酵周期、强化传热；将发酵过程中产生 的热量及时带走，保证反应正常进行。
拌采用螺旋桨，用以加强轴向流动；下搅拌采用
涡轮桨分散气体，可以提高氧传递效率。这种设
计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长。
• (3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效 地提高氧传递效率的发酵罐。混合时间短，即使 对十分黏稠的液体也有同样效果，消除了罐顶的 空间，空气在罐内的滞留时间比通气搅拌罐长。 改良型通风式发酵虽然有一些改进，但是它 的实际应用却远没有通风发酵广泛。
公称容 筒体直径 (Dgm 积 (M3) m) 10 15 20 30 40 50 1800 2000 2200 2400 2600 2800
和产物的形成而变化。每批发酵结束，要
放罐清洗和重新灭菌，再开始新一轮的发
酵。分批发酵系统是非稳定态的过程。
• 分批发罐的主要优点是污染杂菌的比 例小，操作灵活性强，可用来进行几 种不同产品的生产。其缺点是发酵罐 的非生产停留时间所占比重大，非稳 态工艺过程的设计和操作困难。
• 连续发酵的主要的优点是可连续运行几
◆无菌操作可靠性高，该设备没有动密封装置，无 泄露，且设备内无死区，灭菌彻底，染杂菌的机 会大幅度减少。 ◆传热和传氧效率高，可满足各种好氧性微生物在 任何地区和季节里的发酵生产。 广泛用于大规模生产单细胞蛋白质。但不适 用于高黏度或含大量固体的培养液。
1.3 伍式发酵罐
结构 • 伍式发酵罐的主要部件是套筒、搅拌器。
个月的时间，非生产时间很短；缺点是
容易染菌，它适用于不易染菌的产品如 丙酮、丁醇、酒精、啤酒发酵等。
6.其他类型
• 超滤发酵罐已开始在未来发酵中崭露头 角。在进行时，成熟的发酵液通过一个
超滤膜使产物能透过膜进行提取，酶可
以通过管道返回发酵罐继续发酵，新鲜
的底物可以源源不断地加入罐内。
常见的发 酵 罐 类 型
• 外循环式的循环管设计在罐体外部， 内循环管是两根，设计罐体内部。
• 在气升式发酵罐中，循环管的高度一
般不高于罐内液面。
气升式发酵罐的结构 分为内循环和外循环两种。 主要结构包括： • 罐体 • 上升管 • 空气喷嘴
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。
1.4 文氏管发酵罐
• 其原理是用泵将发酵液 压入文氏管中，由于文 氏管的收缩段中液体的 流速增加，形成真空将 空气吸入，并使气泡分 散与液体混合，增加发 酵液中的溶解氧。
优缺点
• 优点：吸氧的效率高，气、液、 固三相 均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及 搅拌器，动力消耗省。 • 缺点：气体吸入量与液体循环量之比较低，
直径， H 为罐体高度，Ds为搅拌浆到罐底的
距离， Db为挡板的宽度)；还有搅拌浆的叶
轮直径和各部分的比例。
（1）罐体 • 罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成， 小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，材料一 般为不锈钢。 • 对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢 制成，衬里用的不锈钢板厚为2~3毫米。为了 满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实 消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为 2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
1.7 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。
1.7.1机械搅拌发酵罐的基本要求
• 发酵罐应具有适宜的径高比。 • 发酵罐能承受一定压力. • 发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合， 保证发酵液必须的溶解氧。 • 发酵罐应具有足够的冷却面积。 • 发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污， 灭菌能彻底，避免染菌。 • 搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
• 3.按容积分类 一般认为，500L以下的实验室发酵罐，
500～5000L是中试发酵罐，5000L以
上是生产规模的发酵罐。
4.按微生物生长环境分类
• 发酵罐内存在两种系统，即悬浮生长系统 和支持生长系统。一般说来，大多数发酵
罐都有这两种系统。悬浮生长系统中的微
生物细胞是浸泡在培养液中且伴随着培养
• 罐顶还装有视镜及源自文库镜。
• 在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气
管、接种管和压力表接管。
• 在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、
取样管、温度计管和测控仪表接口。
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 1.7~3左右。(为何不能再高？氧 利用率高) 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。（实灌举例）
发酵罐的设计依据
• 发酵罐的容积、最大工作压力、 工作温度、工作介质及腐蚀情况、 传热面积、搅拌形式、转速及功 率、配装那些管口等工艺要求。
发酵罐的设计要求
设计严格按照《钢制压力容器》的 规定选材、设计、制造、检验、验
收；同时力求经济、合理，从选材、
制造各环节来省材。
本章内容
• 发酵罐的分类
• 通用式发酵罐的设计与放大
• 1帕斯卡=1牛顿/平方米(1N/㎡)
• 1兆帕=1000000帕
• 大气压：压强的一种计量单位。其值等于
101 325 Pa
• 2立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用
法兰连接，大中型发酵罐大多是整体焊接
• 为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的 手孔。中大型发酵罐则装有快开人孔及清洗
用的快开手孔。
2.按照发酵设备特点分类
• 机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐。
前者包括循环式，如伍式发酵罐、文氏管发酵罐、
以及非循环式的通风发酵罐和自吸式发酵罐。后
者包括循环式的气提式、液提式发酵罐以及非循
环式的排管式和喷射式发酵罐。
• 特点：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。
• • • • • • • 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 固定化式发酵罐 管道式发酵罐
1.1 自吸式发酵罐
• 特点：不需其他气源提供压缩空气，搅拌 器带有中央吸气口。搅拌过程中自吸入过 滤空气，适用于需氧低的发酵。 • 与通用发酵罐的主要区别
①有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定
第九章 发酵罐的设计与放大
• 发酵罐：微生物深层培养的生物反应器
• 规模：实验室5-100L;
中试：50-10000L；
工厂>5000L
发 酵 罐 的 作
• ①使物料混合均匀；
• ②使气体在液相中很好分散； • ③使固体颗粒在液相中均匀悬浮；
用
• ④使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化；
• ⑤强化相间的传质
• ⑥强化传热
对于均匀相反应主要是①、⑥两点， 目前已广泛地用于制药、味精、酶制、食
品行业等。
发
酵
罐
的
组
成
• 主要包括釜体、搅拌装置、传热装置、轴封 装置。还根据需要加其他的附件，如各种接 管(为了便于检修内件及加料、排料)，安装 温度计、压力表、视镜、安全泄放装置(为了
操作过程中有效地监视和控制物料的温度、
• 循环周期时间必须符合菌种发酵的需要。 • 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。
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，能耗低，液体中剪切力小， 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。
子组成；②没有通气管。
• 设备便于自动化、连续化，降低劳动强度， 减少劳动力；
• 节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却 器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器等 设备，减少厂房占地面积。
• 减少工厂发酵设备投资约30％左右，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，能保证发酵 所需的空气，并能使气液分离细小，均匀 地接触，吸入空气中70-80%的氧被利用。 操作方便。 • 耗电量小 采用不同型式、容积的自吸式发酵罐 生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵 母、蛋白酶等，都取得了良好的效果。
对于好氧量较大的微生物发酵不适宜。
1.5 固定化发酵罐
• 圆筒形的容器中填充固定化酶或固定化微
生物的设备。
• 生物利用率高
1.6 管道式发酵罐
• 利用液体的流动代替搅拌
作用，实现混合和传质的
目的。处于试验阶段。
改良通风式发酵罐
• (1)瓦尔德夫发酵罐，有独特的消泡装置。
• (2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐。上搅
压力)等。
• 釜体是由筒体和两个封头组成。
作用：为物料进行化学反应提供一定的空间。
• 搅拌装置是由传动装置、搅拌轴和搅拌器组 成，作用：参加反应的各种物料均匀混合， 使物料很好地接触而加速化学反应的进行。
• 传热装置是在釜体内部设置蛇管或在釜体外
部设置夹套，它的作用是使控制物料温度在
反应所需要范围之内。
• 发酵罐电机的选配
一、发 酵 罐 的 分 类
• 1按微生物生长代谢需要分类 好氧和厌氧两大类。
抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸、维生素等产品是好 氧发酵罐中进行的；
丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸采用厌氧发酵罐。
差别：对无菌空气的需求不同， 前者需要强烈的通风搅拌，目的是 提高氧在发酵液中的体积氧传递系 数KLα，后者则不需要通气。
液一起流动；
• 在支持生长系统中，微生物细胞生长
在与培养液接触的界面形成一层薄膜，
然而实际上悬浮生长系统的容器内壁
上和上部的罐壁上也会生长着一层菌
体膜，在支持生长系统中也有菌体分
散在培养液之中。
5.按操作方式分类
• 分为分批发酵和连续发酵，不是所有的发
酵罐可以同时适用于这两种发酵系统。分
批发酵时，发酵工艺条件随营养液的消耗
• 由于发酵产品固定的和可变的成本是随工厂生产 规模的增大而减少的，因此现代发酵罐的大型化 给通气搅拌罐带来一系列难以克服的困难：大于 1000kW的机械搅拌；大量的冷却水和排除热量； 能量的均匀分布；溶解氧、碳源和其他营养与pH
控制等。需要发展在经济上、工艺上、生物因素
等方面更先进的新型生化反应器。
自吸式发酵罐的结构 • 罐体 • 自吸搅拌器及导轮 • 轴封 • 换热装置 • 消泡器
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。
1.2
气升式发酵罐(ALR)
• 原理：利用空气喷嘴喷出的高速空气，以气泡式
分散于液体中。在通气的一侧，液体平均密度下 降，在不通气的一侧，液体密度较大，因而产生 与通气侧的液体产生密度差，从而形成发酵罐内 液体的环流。常见的气升式发酵罐有内循环管式， 外循环管式、拉力筒式和垂直隔板式。