发酵工程 第八章 发酵设备与反应器

第八章 发酵设备与反应器
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发酵设备与反应器
生物反应器的分类及设计目标和原则 微生物细胞反应器——发酵罐 发酵罐的放大
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生物反应器的分类 按所用的生物催化剂的不同分类
酶催化反应器 细胞生物反应器
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生物反应器的分类
按反应器结构特征分类
釜式、管式、塔式、膜式等类型
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生物反应器的分类
根据细胞或组织的代谢要求
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厌氧发酵罐
用于酒精、啤酒、丙酮丁醇等嫌气发酵产品的生产， 由于发酵过程中不需供氧，所以设备结构比较简单。 嫌气生物反应器也已趋向大容量发展，并实现了自动 清洗。
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啤酒发酵设备
传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒 间内的贮酒罐组成的。
目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普 遍．简称露天锥形发酵罐。
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圆筒体锥底罐（C.C.T)的结构及特点
C.C.T发酵最大特点在于大型化， 容积从100-600m3(国内也有60m3 小型的)。
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1、设备的外型特点
罐体圆柱形，罐顶为椭圆封头，罐底为圆锥形。 筒体直径(D)和筒体高度(H)是主要特性参数。D：H＝1：
1.5-6。增加H有利于加速发酵，降低H有利于啤酒的自然澄 清。 发酵罐锥底角一般为60-130°考虑到发酵中酵母自然沉降 最有利，以70°为好。
下装智能型铂温度传感器。 在圆筒形下部装可清洗取样阀。 在液面上150mm 装有CIP装置。 还应装上视镜、灯镜、空气和二
氧化碳排出管等装置。 锥底有直径500mm的快开人孔。
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圆筒体锥底发酵罐的优点
加速发酵，C.C.T发酵和传统发酵相比，由于发酵基质(麦 汁)和酵母对流获得强化，可加速发酵。
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4，隔热层和防护层 绝热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、
不易燃等特性。 啤酒C.C.T绝热层常用聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫
塑料。采用上述两种绝热材料只需厚度150-200mm。 外防护层一般采用0.7-1.5mm厚的合金铝板或0.5-0.7mm
的不锈钢板
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5、罐主要附件 在上中下三段冷却介质进口位置
厌氧生物反应器 好氧生物反应器 光照生物反应器 膜生物反应器
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反应器的设计目标和原则
生物反应器具备的特点： 1 严密的结构； 2 良好的液体混合性能； 3 较高的传质、传热性能 4 结构简单、能耗低 5 配套而又可靠的检测和控制仪表
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生物反应器设计遵循的原则
生物反应器应具有适宜的径高比 应承受一定的压力 有搅拌通风装置的反应器应能使气液固三相充分混合，
厂房投资节省。 冷耗节省。 C.C.T 发酵可依赖CIP自动程序清洗消毒，工艺卫生更易
得到保证。
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加强对流： ①发酵罐底部产生CO2气泡上升，对发酵液拖曳力大 ②在发酵阶段，由于底部酵母细胞浓度大于罐上部，底部
糖降快，酒精生成快，造成罐上、下部间密度差而造成对 流。 ③在发酵时控制罐下部温度高于上部(差1—2℃)，由于温 差引起热对流，特别在发酵后期第一、二推动力减小后， 温差对流更能发挥作用。
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3、发酵罐的洗涤装置 大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置
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好氧发酵设备
大多数的生化反应都是需氧的，通风发酵设备是需氧生 化反应设备的核心和基础。
1 良好传质和传热性能，培养基流动与混合良好，特别 是溶氧性能，供氧速率通常被认为是在生物反应器的选择和 设计的主要问题；
2 结构严密，防杂菌污染，是必须保证的条件；能耗低， 运转经济性好；
要工艺条件 – 将发酵产生的热量及时移走
有利于发酵液的排出，设备的清洗、 维修以及设备制造安装方便等问题。
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酒精发酵罐的结构
1、基本结构
酒精发酵罐筒体为圆柱形； 底盖和顶盖均为碟形或锥形； 罐顶装有废汽回收管，进料管，按种
管，压力表、各种测量仪表接口管及 供观察清洗和检修罐体内部的人孔； 罐底装有排料口和排污口对于大型发 酵罐，为了便于维修和清洗，往往在 近罐底也装有人孔； 罐身上下部装有取样口和温度计接口。
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圆筒体锥底发酵罐的缺点
由于罐体比较高，酵母沉降层厚度大，酵母泥使用代数一 般比传统低(只能使用5-6代)；
贮酒时，澄清比较困难(特别在使用非凝聚性酵母)，过滤 必须强化；
若采用单酿发酵，罐壁温度和罐中心温度一致，一般要57d以上，短期贮酒不能保证温度一致
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酒精发酵设备
满足酒精发酵的工艺要求 – 满足酒精酵母生长和代谢的必
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2，罐材料 大型C.C.T均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。啤
酒是酸性液体，能造成铁的电化学腐蚀，啤酒发酵时产生 的H2S、SO2对铁材料会造成氧化还原腐蚀。
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3、冷却夹套
先进的C.C.T均采用换热片式, 一次性冷媒直接蒸发式换热， (如氨蒸发)。
发酵罐内的冷却夹套一般分成 三段，上段距发酵液面15cm向 下排列，中段在筒体的下部距 支撑裙座15cm向上排列，锥底 段尽可能接近排酵母口，向上 排列。
满足物料必须的溶氧需求 反应器应有恰当的冷却装置和冷却面积，满足生物体
生长代谢过程中的温度要求
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反应器应尽量减少死角，消除藏垢积污场所，保证灭菌彻 底
尽量减少法兰连接，防止因设备震动和热膨胀，引起法兰 连接处移位，造成污染
保证灭菌工作的顺利进行，培养系统中已灭菌部分与未灭 菌部分之间不能直接连通
3 必要的检测与控制仪表； 4 设备较简单，方便维护检修。
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通风发酵罐的类型
常用的通风发酵罐有 机械搅拌式 气升环流式 自吸式 鼓泡式等。
其中机械搅拌通风发酵罐占主导地位。
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机械搅拌通风发酵罐
机械搅拌通风发酵罐在生物工程占了发酵罐总数 的70％～80％。又常称之为通用式发酵罐。
这类发酵罐大多用于通风发酵，靠通入的压缩无 菌空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、促使氧在醪液 中溶解，以保证供给微生物生长繁殖，发酵所需要的 氧气。
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2，发酵罐的冷却装置 – 中小型发酵罐：多采用罐顶喷水
淋于罐外壁表面进行膜状冷却； – 大型发酵罐：由于罐外壁冷却面
积不能满足冷却要求，所以，罐内 装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁 喷洒联合冷却装置。 – 此外，也有采用罐外列管式喷琳 冷却的方法，此法具有冷却发酵液 均匀、冷却效率高等优点。