微生物工程(发酵)第五章 发酵设备

5.2.1发酵罐的基本结构
机械搅拌发酵罐是密封 式受压设 备，主要部件包括：
• 罐身 • 搅拌器 • 轴封 • 消泡器 • 联轴器 • 中间轴承 • 空气吹泡管(或空气喷射器) • 挡板 • 换热装置 • 人孔以及管路等
5.2.2 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
• H/D=1.7－4
H—筒身高度
• HL/D=2－2.5 HL按照装料VL=70%V总计算
• d/D=1/3－1/2 d—搅拌器直径
• W/D=1/12－1/10（一般0.1 ） W—档板宽 度
• B/d=0.8－1.0 B—下搅拌器距底间距
• 1.5 ≤s/d≤ 2 s—搅拌器间距
5.2.3 搅拌装置
冷却面积的设计。
– 优点：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备， 死角少，容易进行清洁灭菌工作，有利于发酵。
– 其缺点是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时 降温效果差，
• 竖式蛇管换热装置
– 竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，四组、六 组或八组不等，根据管的直径大小而定，容 积5米3以上的发酵罐多用这种换热装置。
• 为了便于清洗，小型发酵罐顶 设有清洗用的手孔。中大型发 酵罐则装设有快开人孔及清洗 用的快开手孔。
• 罐顶装有视镜及灯镜。
• 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
✓ 罐的高度与直径之比一般为 1.7~4。
• 在深层通风培养技术 中，好氧型发酵罐是 关键设备
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
5.2通用式搅拌罐及其结构
• 5.2.1发酵罐的基本结构 • 5.2.2 罐体 • 5.2.3 搅拌装置 • 5.2.4 挡板 • 5.2.5 消泡器 • 5.2.6 换热装置
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
填充床（液体循环） 流化床（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
重组菌生物反应器
大型发酵罐
• 四十年代中期，青霉 素的工业化生产以及 深层通风培养技术的 出现，标志近代好氧 型发酵工业的开始
第五章 发酵设备
思考题：
• 好氧型发酵罐的主要类型及其主要特征（ 气升氏、自吸式、伍氏、文氏管发酵罐）
• 通用式搅拌罐的基本结构及主要部件的作 用；
5.1 发酵罐的概述
• 生物反应器（Bioreactor）是利用酶 或生物体（如微生物）所具有的生物 功能，在体外进行生化反应的装置系 统，它是一种生物功能模拟机，如发 酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器 等；
– 以列管形式分组对称装于发酵罐内。
– 优点：加工方便，适用于气温较高，水源充足 的地区。
– 缺点：传热系数较蛇管低， 用水量较大。
5.3 其它通风发酵罐的类型
• 发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产 物类型有关
5.3.2气升式发酵罐
• 利用空气喷嘴喷出高 速的空气，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；
打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发 酵液中；
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； 动量传递，有利于混合及固体物料保持悬浮状
搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式 （涡轮式）两种
▪ 搅拌器类型：
轴向式：桨叶式 螺旋桨式
径向式：涡轮式 叶片形状：
✓ 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 D液i，体不的宜循小环于。0.8Di，否则会影响
✓ 最常用的发酵罐各部分的比例尺 寸如图。
– 优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高 。适用于冷却用水温度较低的地区，水的用 量较少。
– 但是气温高的地区，冷却用水温度较高，则 发酵时降温困难，发酵温度超过40˚C，会影 响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水 冷却，如此则增加了设备投资及生产成本。 此外，弯曲位置比较容易蚀穿。
• 竖式列管(排管)换热装置
• 厌氧型发酵罐（酒精、啤酒、沼气发酵）
• 通风发酵罐又称好气（氧）型发酵罐，如 谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母 等发酵用的发酵罐
• 好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中 ，以供微生物所消耗的氧
• 好氧型发酵罐的类型
通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 )
顶搅拌 轴封 底搅拌 磁传动
气鼓式（鼓泡式）
平直叶
弯叶
箭叶
在相同的搅拌功率下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平
5.2.4 挡板
• 挡板的作用是改变液流的方向，由径向 流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增 加溶解氧。
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5.2.4 挡板
• 通常，挡板宽度取(0.1~0.2)D，装设4~6块 可满足全挡板条件
• 全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐 内附件而轴功率仍保持不变。要达到全挡 板条件必须满足下式要求：
• 发酵工程中的反应器即发酵罐；
• 发酵罐是发酵工厂中主要的设备，它提供 了一个适应微生物生命活动和生物代谢的 场所；
• 由于微生物分为需氧和厌氧两大类， 故供 微生物生存和代谢的发酵罐也分为厌氧型 发酵罐与通风型发酵罐；
• 不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生 物培养所必要的工艺要求外，还得考虑材 质的要求以及加工制造难易程度等因素
5.2.5 消泡器
• 消泡器的作用是将泡沫打破； • 常用的形式有锯齿式、梳状式
及孔板式。孔板式的孔径约 10~20毫米； • 消泡器的长度约为罐径的0.65 倍；
5.2.6 换热装置
• 夹套式换热装置
– 这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐； – 夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行