第九章 发酵罐放大与设计

实验罐、中试罐应与生产罐有相似的几何形状，以利于放大
二、发酵罐的设计与放大
1. 放大的目的和任务
2. 放大准则
3. 放大方法
1.放大的目的和任务
目的：实现生物技术成果走向产业化
生物技术产品产业研发的三个阶段：



实验室规模：菌种选育及发酵条件优化
中试规模：确定放大规律及最佳操作条件 工厂规模：通过产业化实验评价经济效益
第三节
发酵罐的结构
1. 外形、结构及几何尺寸要求 2. 搅拌装置 3. 挡板 4. 消泡器 5. 空气分布器 6. 换热装置

H/D=1.7－3 HL/D=2－2.5 HL按照装料VL=70%V总计算 d/D=1/3－1/2


W/D=1/12－1/8
取0.1 ，并留1—2cm间隙， 以防死角
竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较 蛇管大，适用于气温较高，水源充足的地区。

第四节 通用式发酵罐的设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
二、发酵罐设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
1.发酵罐设计的基本原则

能否适合于生产工艺的放大要求 能否获得最大的生产效率

2.发酵罐最大生产能力的确定
气流量、搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题， 即操作参数的放大设计。常用的放大方法有：

几何尺寸放大
操作参数的放大
1、空气流量放大（ VVM相等、 Ws相等、 KLa相等） 2、搅拌功率相等放大（P/V=常数、Pg/V=常数）
几何尺寸放大

放大倍数m指罐的体积增加倍数，即
H1 H 2 ∵几何相似，∴ D1 D2

一、发酵罐
• 发酵罐：是为一个特定生物化学过程的操作提供 良好而满意的环境的容器 • 对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时 附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来 说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只 要有一个开口的坑。
二、发酵罐系统
一个优良的发酵罐装置和组成：
（1）应具有严密的结构
以KLa相等的原则放大
K La Qg 2 H L /3 VL
( K La ) 2 VL 1 2 Qg ( K La )1 ( )1 ( H L )1 3 VL
Qg ( Q ( g VL VL )2 )1 ( H L )1 (H L ) 2
2 3 3
Fra Baidu bibliotekQ ( g
第三节
发酵罐的基本条件
发酵罐的结构
（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用 率较高。 （2）发酵罐能承受一定的压力。 （3）要保证发酵液必须的溶解氧。 （4）发酵罐应具有足够的冷却面积。 （5）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。 （6）搅拌器的轴封应严密，防病量减少泄漏。
2. 搅拌装置（续）

搅拌的效果
原生流→圆周运动（径向运动）：层流及漩涡， 原生流速V原∝n 挡板作用：次生流→轴向运动、翻动，决定混合 好坏，V次∝n2 搅拌效果评价：传质，传热及混合效果
效果的改善：转速，搅拌器（桨）的形式和数量
2. 搅拌装置（续）

搅拌器的形式
通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌器 ，而又以圆盘涡轮
以Ws（空气直线流速）相等的原则放大 ∵ ∴
WS 2 (VVM ) 2 P1 D12 VL 2 1 2 WS 1 (VVM )1 P2 D2 VL1
2 VVM 2 P2 D2 VL1 P2 D1 2 VVM 1 P1 D1 VL 2 P1 D2
操作参数的放大（续）
V2 m V1

则
V2 D2 3 4 4 ( ) m 2 2 V1 D1 D1 H 1 D1 D1 4 4
D2 H 2
2

D2 D2
2
H 2 D2 3 m ∴ H1 D1
操作参数的放大
1、空气流量放大 以VVM（单位培养液体积中空气流量）相等的原则放大 ∵ ∴
WS (VVM ) V2 (VVM ) D 2 P PD (WS ) 2 D2 P1 (WS )1 D1 P2
任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”
2.放大准则
通常根据实际发酵中主要影响因素来确定，
如：KLa、 P/V、nd等等。
3.放大方法
经验放大法
几何相似法
非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空
3. 按照发酵罐设备特点分类：
顶搅拌 通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 ) 底搅拌 气鼓式（鼓泡式） 气升式发酵罐 内循环 循环式 外循环
管道式反应器：流动代替搅拌 固定化发酵罐
轴封 磁传动
填充床（液体循环） 流化床（同通气搅拌）
自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气
伍式发酵罐 ：多用于纸浆废液发酵生产酵母

两方面因素的比较
微生物生长率、产物转化率
发酵罐的操作因素(传递性能)
传质效率（KLa、传氧效率） 传热效率 混合效率

改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵
罐设计的首要任务
2.发酵罐最大生产能力的确定（续）

传质工程
随规模扩大， α ↓，KLa ↓ ，同等条件下传氧效率↓

传热工程
全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增
加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基
本消失, 即要满足下式： （W/D）•Z =0.4 Z—档板数
3. 挡板（续）

说明
竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不 另加档板。故一般装4块档板，可满足全档板条件。 档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）

四、发酵罐的特点
（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培 养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此， 发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的 显著特点。
（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵 罐更加趋向大型化和自动化发展。
在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、 溶解氧电极、溶解二氧化碳电极等的在线检测在国外巳相当 成熟。国内目前尚处于起步阶段，发酵检测参数还只限于温 度、压力、空气流量等一些最常规的参数。
5. 空气分布器

作用：吹入无菌空气，并使其分布均匀 型式： 单孔管：开口朝下，防止堵塞；管口距罐底 约40 mm 环形管：适用于细度极小且易溶于水的固体 发酵原料）
6. 换热装置

夹套式：5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr•℃

竖式蛇管：5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃

传质效果好（传氧性能好，KLa大）


有足够的冷却面积（传热性能好，冷却能力强）
功耗低（传递效率高，节能）
采用不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌
3.发酵罐设计的基本要求（续）

应有基本控制系统（如T、pH、甚至DO2） 具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂） 具有取样装置和冷却装置（防止水分损失） 要求放料、清洗、维修等操作简便，劳动消耗低
第二节
发酵罐的类型
1．按微生物生长代谢需要分类：

好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等 产品是在好气发酵罐中进行的；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 厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发 酵罐。不需要通气

2．按容积分类： 一般认为500 L以下的是实验室发酵罐； 500-5000 L是中试发酵罐； 5000 L以上是生产规模的发酵罐。
搅拌器为主 。 桨叶型式：有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
K La
PG α β k ( ) WS V
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平
综合传质+混合， 弯叶最好（对于KLa）。
五、典型发酵设备

种子制备设备、主发酵设备、辅助设备(无菌空气
和培养基的制备)，发酵液预处理设备，粗产品的
提取设备、产品精制与干燥设备、流出物回收、 利用和处理设备等
六、发酵罐工艺操作条件
1．温度：25～40℃。 2．压力：0～1 kg／cm3(表压)。 3．灭菌条件；温度100～140℃，压力0～3 kg／ cm3 (表压). 4．pH：2～11。 5．需氧量：0.05～0.3 kmol／m3 · h。 6．通气量：0.3～2 VVM。 7．功率消耗：0.5～4 kW／m3。 8. 发酵热量：5 000～20 000 kcal／m3 ．h。
（2）良好的液体混合特性
（3）好的传质与传热速率
（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表
三、发酵罐发展历史

第一阶段：1900年以前，是现代发酵罐的雏形， 它带有简单的温度和热交换仪器

第二阶段：1900-1940年，出现了200 m3 的钢 制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分
布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中
为止。
档板与罐壁间留缝隙，距离为（0.2-0.4）W，目 的是去除死角。
4. 消泡器

作用：破碎气泡，改善供氧，防止污染。 消泡桨形式
内部
慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径10-20 mm）。 快速：对于底搅拌，可在罐顶装半封闭涡轮消沫器，
单用电机。
外部
旋风分离
叶轮离心式
适于不易染菌的工艺
消泡桨直径：L=（0.3-0.5）D（罐径），以不妨碍旋转为原则 与消泡剂合用

第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无 菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵 工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽 灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算 机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和 纯化设备逐步实现商品化

第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的 容积增大到80-150 m3。由于大规模生产单细胞蛋 白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵 罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算 机开始在发酵工业上得到广泛应用 第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发 展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细 胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工 程的产品走上商品化
第八章 发酵罐放大与设计
第一节 发酵设备概述
第二节 发酵罐的类型
第三节 发酵罐的结构
第四节 通用式发酵罐的设计与放大
第一节

发酵设备概述
发酵主要设备为发酵罐和种子罐，它们各自都附有 原料(培养基)调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气 调节和除菌设备，以及搅拌器等。 种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。 发酵罐：承担产物的生产任务。 它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求 的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现， 从而获得高产。
产热 Q1
V罐体积
传热 Q2 A罐表面积
A 1 V↑， = ↓ V R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十 分关键。
3.发酵罐设计的基本要求

发酵罐能在无杂菌污染条件下，长期运转。搅拌器轴封严 密，减少泄漏；结构紧凑，附件少；无死角，内壁光滑；
管道等尽可能焊接，少用法兰；可维持一定正压；取样口 易于灭菌，各部分能单独灭菌


B/D=0.8－1.0
(s/d)2=1.5－2.5

(s/d)3=1－2
可以取相同值，1.5 ≤s/d≤ 2
2. 搅拌装置

搅拌的目的
打碎气泡，增加气液接触面积，即a↑ 产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间 造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KL↑
动量传递（N、Ws），有利于混合及固体物料保 持悬浮状态
2. 搅拌装置（续）

搅拌桨的层数
根据 H/D及（s/d）n 的要求进行计算。一般3-4层， 底层搅拌最重要，占轴功率的40% ，所具叶片数最多 （6-8片）
3. 挡板

挡板的作用：改变液流方向，由径向流→轴向流，促 使流体翻动，增加传质和混合


档板宽 ：W/D= 1/12-1/8 (取0.1)
) 2 (H L ) 2
2
3
2
操作参数的放大（续）
以KLa相等的原则放大 ∵ ∴
Q g WS D 2
V D3
HL D
1 WS 2 D2 ( ) 3 D1 WS 1
(VVM ) V L (VVM ) D 又∵ WS 2 P PD (VVM ) 2 WS 2 P2 D1 P2 D1 WS 2 P2 D1 2 3 ( ) ∴ (VVM )1 WS 1 P D 2 P D2 W P D2 1 1 1