第六章 发酵生产设备

优点：由于液位高，空气利用率 高不用搅拌器，结构简单，造价低 罐内装有导流筒。 缺点： 罐体较高，需要安装在室外 适用范围较小 （三）多用于抗生素发酵
三、搅拌轴功率的计算
应考虑的因素：
发酵罐直径D（m）、搅拌器直径d（ m ）液柱 高度HL（m）、搅拌器形式、搅拌器转速n(r· -1)、 min 液体粘度µ（Pa· S）、液体密度ρ（kg/m3）、重力
常用的为单管式，管口对正罐底中央，装于 最低一挡搅拌器下面，管口与罐低的距离约 40mm，并且空气分散效果较好。 若距离过大，空气分散效果较差。该距离可 根据溶氧情况适当调整，空气由分布管喷出 上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与醪液 充分混合，增加了气液传质效果。
• 通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管 吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空 气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延 长罐底寿命。
自吸发酵罐
（三） 特点
优点： 不需要空气压缩机 降低设备成本 缺点： 进罐空气处于负压状态，杂菌容易侵染 搅拌转速高有可能切断微生物菌丝影响细胞生长
（四）多用于乙酸和酵母增殖的发酵生产
应用：医药工业、酵母工业、生产葡 萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、 蛋白酶等。取得了良好的成绩。
四 塔式发酵罐
装料高度取罐圆西半球部分高度的0.7
倍，极少泡沫的物料可达0.9,对于易
起泡的物料可取0.6倍。
二、 气升发酵罐（空气带升环流式发酵罐
包括内环流式和外环流式两种
（一）结构
1 入口 2 空气管
1
8
3 上升管
4 冷却夹管 5 压力表
6
3 4 2
5
6 罐体
7 气升管 8 排气阀
外 环 流 式
7
内循环带升式发酵罐
固体发酵
盘曲、帘曲——曲盘、帘子等，自然通风 发酵池、窖、地缸——相对密闭不通风 厚层通风制曲——曲箱，机械通风 旋转培养——转鼓型发酵罐，机械通风
液 体 发 酵
厌气发酵——厌气发酵罐，密闭不通风 标准式发酵罐 非循环 自吸式发酵罐 机械搅拌通风 伍式发酵罐，内循环 循环 文式发酵罐，外循环 好气发酵 密闭通风 非循环式 鼓泡式发酵罐 塔式发酵罐 通风搅拌 循环式——空气带升式发酵罐
10、 进出料口：是进料和出料的装置，同时还 配有补料口装置。 11、 测量系统：包括温度、酸度和溶解氧的数 据监控、传感器和测量装置
机械搅拌通风发酵罐
（三）特点
优点： 适用性强 保障氧气的供应 通入的是无菌的空气，减少杂菌污染
缺点： 成本较高
（四）适用于大多数产品的发酵
四、发酵罐装料容积的计算
第一节 需氧发酵罐
氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞 蛋白均由此方法制得。在生产过程中需通入无菌 空气，因此其设备的结构要比厌氧发酵复杂些。 生产上根据发酵罐通风和搅拌方式的不同可 将其分为四类：机械搅拌式通风发酵罐、自吸式 发酵罐、气升式发酵罐和塔式发酵罐
一 通用机械搅拌通风发酵罐
通用式发酵罐是指既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置的 发酵罐。由于这种型式的罐是目前大多数发酵工厂最常用的， 所以称为“通用式”。其容积可自20 L～200 L，有的甚至 可达500-50000 L。
* 气升发酵罐 *
（三）特点
优点： 无搅拌装置，借助培养液的密度差完成液体的 循环节能和降低了设备成本 缺点： 不适于黏度大或含有大量固体的培养液中应用
（四）适用于生产包酵母、啤酒、醋的生产，真菌培 养，白喉毒素生产和处理废水
（五）类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式。
内 环 流 气 升 式 反 应 器
三 机械搅拌自吸发酵罐
自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相同， • 它与通用发酵罐的主要区别是： ①有一个特殊的搅拌器，搅拌 器由转子和定子组成；②没有 通气管。 • 自吸式发酵罐的搅拌器有几种： ①回转翼片式自吸搅拌器；② 喷射式吸搅拌器；③具有转子 和定子的自吸搅拌器。
1 2
3
4
6
7
5
7、轴 封
• 安装在旋转轴与设备之间的部件。 • 轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，阻 止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处，防止 泄露和污染杂菌。 • 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 • 填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧 螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。
8、连轴器及轴承 • 连轴器：连接上下搅拌轴 • 轴承：减少震动。
9、发酵罐的换热装置
保证发酵过程在恒温条件下进行，并将生物 氧化和机械搅拌产生的热量及时除去。 一般的发酵罐上通常装有测温的传感器及冷 却和加热用的夹套或盘管。 容积小于50000L的发酵罐一般采用外夹套作 为传热装置；容积大于50000L的发酵罐则 采用立式蛇管作为传热装置
• 通风量在0.02~0.5ml/sec时，气泡的直径与空气 喷口直径的1/3次方成正比。也就是说，喷口直径 越小，气泡直径也越小。因而氧的传质系数也越 大。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因 此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。
5、消泡器
• 机械消泡方法
罐内消泡：在发酵罐内消除泡沫
• 耙式消泡桨、碟式消泡器等
外循环带升式发酵罐
循环管高度是影响循环效率的主要因素，实践证明不应少于4m。
（二）工作原理：
喷入环流管，使气泡分散在培养基中。
* 气升发酵罐 *
借助在环流管底部的喷嘴将空气以250-300m/s的高速 由于环流管内部的液体溶有大量气泡，其密度明显小于反 应器主体中培养液的密度。该反应器正是借助这两者之间 的密度差使培养液在环流关于反应主体间作循环式运动， 把反应主体中由于菌体代谢而溶氧量低的培养液送入环流 管，待培养液补充氧气后再送回反应主体，从而为菌体生 长提供良好充足的氧气供应。
（一）结构
1 带轮(带动轴旋转) 2 排气阀
3 消泡器
4 冷却水管 5 电机 6 导气管 7 支架
（二）工作原理：
该发酵罐利用搅拌旋转时产生的抽吸力吸入空气，不 需要空气压缩机提供压缩空气，从而省去了空气系统，使 设备成本降低。 它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体由 于离心作用而被甩出，并在叶轮空心部分形成负压，从而 将罐外的空气吸到罐内。 同时空气因受到高速流动液体的摩擦剪切作用而变成 细小的气泡，均匀分散在液体之中，然后借助导轮流将气 液混合物导入发酵液中并与之混合。
（一）结构
1 进料口
2 进气口 3 出料口 4 排气口
H:d=7:1
（二）工作原理：
d 利用通入培养液的无菌 空气泡上升来带动液体 运动，产生混合效果的 非机械搅拌式发酵罐。
1 4
*塔式发酵罐 *
H
2
3
高位塔式发酵罐
a—高位筛板式 发酵罐
b—用于培养 单细胞蛋白的 气升式发酵罐
a
b
（二）特点
*塔式发酵罐 *
0.1 ~ 0.2D z 0.5 W z D D D－罐直径（ mm） z－挡板数
W－挡板宽度（ mm）
4 空气分布器
是从罐的底部向罐内通入无菌空气，一般入口处 的压力为0.1-0.2MPa ，罐顶部有空气出口。空气 分布器一般用单孔管，开口向下，避免培养液中 的固体物料在管口堆积而增加污染的机会。
（二）、发酵罐的结构
• • • • • • • • 1、罐体（材料为碳钢或不锈钢） 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封 8、冷却装置
• 发 酵 罐 的 基 本 结 构
1、罐体
见P282
2 搅拌器
通风发酵的搅拌装置包括电动机、传动装置、搅拌轴、轴 密封装置和搅拌桨。机械搅拌的目的是迅速分散气泡和混 合加入物料。 搅拌器：是由安装在一根轴上的多个涡轮式搅拌浆组成，它 可以使被搅拌的物料产生轴向和径向流动，从而使罐内物料 混合良好，液体中的固形物保持悬浮状态，有利于固体和营
罐外消泡：将泡沫引出发酵罐外，消泡后再
返回罐内
• 旋转叶片消泡器、离心式消泡器等 消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳 状式及孔板式。直径红为罐径的0.8-0.9.
孔板式的孔径约10～20mm。
• 耙式消泡桨
• 碟片式消泡器ห้องสมุดไป่ตู้
• 优点：消泡能力强，功耗 小 缺点：结构复杂，维护麻 烦
发酵罐的基本条件
① 发酵罐应具有适宜的高径比（一般高度与直径之比为 1.7～4倍） ② 发酵罐能承受一定的压力： ③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。 ④发酵罐应具有足够的冷却面积。这是因为微生物生长 代谢过程放出大量的热量必须通过冷却来调节不同发酵阶 段所需的温度。 ⑤发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底 。 ⑥ 搅拌器轴封应严密，尽量减少泄漏。
养物质充分接触，便于营养吸收；另一方面，可以打碎气泡，
增加气液接触面积，提高气液间的传质速率，加强氧的传递 效果及消除泡沫。
搅拌器分平叶式、弯叶式、箭叶式三种，国外多用 平叶，我国多用弯叶。
叶片数量： 一般6片，最少3片，最多6片
大型发酵罐 搅拌装置
搅拌器轴功率的计算
• 1、求搅拌雷诺准数 • 2、在不通气条件下一只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输 入搅拌功率 • 3、在不通气条件下两只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输 入搅拌功率 • 4、求通气条件下两只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输入 搅拌功率 • 5、选用电机
发酵罐工艺操作条件
• 1．温度：25～40℃。 • 2．压力：0～1kg/cm3 (表压)。 • 3 ． 灭 菌 条 件 ； 温 度 100 ～ 140℃ ， 压 力 0 ～ 3kg/cm3 (表压). • 4．pH：2～11。 • 5．需氧量：0.05～0.3kmo1/m3· h。 • 6．通气量：0.3～2VVM。 • 7．功率消耗：0.5～4kW/m3 。 • 8 ．发酵热量：5 000～20 000kcal/m3 .h。
第19章 发酵罐及其附属设备
发酵的一般流程
培养基配制 种子扩大培养 空气除菌 发酵设备
培养基灭菌
发酵生产
下游处理
典型发酵设备
• • • • • 种子制备设备和主发酵设备 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、精制与干燥设备 流出物回收、利用和处理设备
发酵类型和设备
(3) 挡板
• 作用：克服涡流，将经向改变为轴向流 动，增加溶氧速率。 大小：宽，0.1-0.12D；长，液面至罐底。 位置：与罐壁的间距，1/5-1/8W。 数量：4-6块，竖式蛇管换热装置也起一定 挡板作用。
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。
达到全挡板条件的要求，须满足：
密闭厌氧发酵罐
• 对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定 压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭 死角，便于清洗灭菌。 • 酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因 不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、 制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。
• 旋转叶片罐外消泡
•离心力罐外消泡
一、机械搅拌通风发酵罐
• 离心力罐外消泡
6、变速装置
• 发酵罐常用的变速装置有三角皮带伸展动，圆柱或螺旋圆 锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动效率较高。 • 采用变极电动机作阶段变速，即在需氧高峰时采用高转速， 而在不需较高溶解氧的阶段适当降低转速。这样，发酵产 率并不降低，而动力消耗则有所节约。 • 自动化程度较高的发酵罐，采用可控硅变频装置，根据溶 氧测定仪连续测定发酵液中溶解氧浓度的情况，并按照微 生物生长需要的耗氧及发酵情况，随时自动变更转速，这 种装置进一步节约了动力消耗，并可相应提高发酵产率， 但其装置颇为复杂。
• （一）. 标准式发酵罐的几何尺寸
• • • • H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12
•
•
B/D=0.8~1.0
(s/d)2=1.5~2.5
•
(s/d)3=1~2
V0 VC Vb

4
D H 0.15D
2
2
V0发酵罐的公称体积 VC筒身体积 Vb底封头容积
加速度g（m/s2）以及有无档板等。
轴功率（W）： P = Ø（n、 d、 ρ、 µ 、g ）
目前，一般每立方米发酵培养液的功率吸收为
1-3.5KW。
第二节 嫌气发酵设备
厌氧发酵也称静止培养，因其不需供氧，所以设 备和工艺都较好氧发酵简单。严格的厌氧液体深 层发酵的主要特色是排除发酵罐中的氧。罐内的 发酵液应尽量装满，以便减少上层气相的影响， 有时还需充人非氧气体。发酵罐的排气口要安装 水封装置，培养基应预先还原。