1、第十二章第十二章 发酵机械与设备发酵机械与设备3发酵工艺流程u典型的发酵生产过程包括：菌种的选育确定菌种繁殖和发酵生产所用的培养基；对培养基、发酵罐及其附属设备进行灭菌；菌种经逐级扩大培养后，作为生产种子接种于发酵罐中;控制发酵罐中微生物的生长条件，最大程度地获得人们渴望的代谢产物;产物萃取和精制;发酵过程中废弃物的处理与回收.菌种的选育菌种的选育 要想通过发酵工程获得在种类、产量和质量等方面符合人们要求的产品，最重要的是要有优良的菌种。怎样才能得到优怎样才能得到优良的菌种呢？良的菌种呢？如果生产的是微生如果生产的是微生物直接合成的产物物直接合成的产物可以从自然界中先分离出相可以从自然界中先分
2、离出相应的菌种，再用物理或化学应的菌种，再用物理或化学的方法使菌种产生突变，从的方法使菌种产生突变，从突变个体中筛选出符合生产突变个体中筛选出符合生产要求的优良菌种。要求的优良菌种。如果生产的是一般微生如果生产的是一般微生物不能合成的产品物不能合成的产品 可用基因工程、细胞工程的方法可用基因工程、细胞工程的方法对菌种的遗传特性进行定向改造，对菌种的遗传特性进行定向改造，以构建工程细胞或工程菌，从而以构建工程细胞或工程菌，从而达到生产相应产品的目的达到生产相应产品的目的 对菌种一般有以下要求：对菌种一般有以下要求：菌种能在较短的发酵过程中菌种能在较短的发酵过程中高产有价值高产有价值的发酵产品。的
3、发酵产品。菌种的发酵菌种的发酵培养基培养基应应价廉价廉，来源充足，被转化为产，来源充足，被转化为产品的效品的效率高率高。如农副产品。如农副产品。菌种对人、动物、植物和环境菌种对人、动物、植物和环境不不应该应该造成危害造成危害，还应注意，还应注意潜在的、慢性的、长期的危害，要严格防护。潜在的、慢性的、长期的危害，要严格防护。菌种发酵后，所产不需要的代谢产物少，且产品相对菌种发酵后，所产不需要的代谢产物少，且产品相对容易容易地与不需要的物质地与不需要的物质分离分离，下游技术下游技术能用于规能用于规模化生产模化生产。菌种菌种的遗传特性稳定的遗传特性稳定，而且易于进行基因操作。，而且易于进行基因操作。
4、培养基的配制培养基的配制 进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相进行发酵生产，有了优良的菌种还需要有与菌种相适应的培养基。在配制培养基时应该注意适应的培养基。在配制培养基时应该注意：（1）根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。）根据不同的菌种，应选择不同的材料配制培养基。配制的培养基应满足微生物在配制的培养基应满足微生物在碳源、氮源、生长因子、碳源、氮源、生长因子、水、无机盐水、无机盐等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的等方面的营养要求，并为微生物提供适宜的pH、渗透压等。、渗透压等。（2）培养基的）培养基的营养要协调营养要协调，以利于产物的合成。，以利于产物的合成。（3）培养基
5、在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降）培养基在满足微生物的营养需求的基础上应尽量降低生产成本，以得到更高的低生产成本，以得到更高的经济效益经济效益。灭菌灭菌 发发酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程酵工程所用的菌种大多是单一的纯种，整个发酵过程中不能混入杂菌中不能混入杂菌。在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成在发酵过程中如混入其他微生物，将与菌种形成竞争关系竞争关系，对发酵过程造成不良影响。对发酵过程造成不良影响。例如：在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的例如：在谷氨酸发酵过程中混入放线菌，则放线菌分泌的抗抗生素生素就会使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡；在青霉素生产过程就会
6、使大量的谷氨酸棒状杆菌死亡；在青霉素生产过程中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌中污染了杂菌，这些杂菌则会分泌青霉素酶青霉素酶，将合成的青霉，将合成的青霉素分解掉。素分解掉。灭菌灭菌 那如何防止杂菌的污染呢？那如何防止杂菌的污染呢？要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的要在发酵前对培养基和发酵设施进行严格的灭菌处理。灭菌处理。怎样才算灭菌彻底呢怎样才算灭菌彻底呢？用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的用高温、高压的方式，杀死所有杂菌的胞体、芽孢胞体、芽孢和孢子。和孢子。扩大培养和接种扩大培养和接种 如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短如何得到发酵生产所需要的大量菌体来缩短生产周期？生产周期？经过经过多
7、次多次的扩大培养。的扩大培养。如何对菌种进行扩大培养如何对菌种进行扩大培养？扩大培养是将培养到扩大培养是将培养到对数期对数期的菌体分开，分头进的菌体分开，分头进行培养，以促使菌体数量行培养，以促使菌体数量快速快速增加，能在增加，能在短时间短时间里得到大量的菌体。里得到大量的菌体。扩大培养和接种扩大培养和接种 扩大培养与发酵生产过程中的培养不同扩大培养与发酵生产过程中的培养不同：扩大培养是为了让扩大培养是为了让菌体菌体在短时期内在短时期内快速增殖快速增殖，而发酵过程中，而发酵过程中的培养是为了获得的培养是为了获得代谢产物代谢产物，目的不同采用的培养条件就有，目的不同采用的培养条件就有可能不同。可
8、能不同。例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速例如：在酒精发酵过程中，扩大培养是为了促使酵母菌快速增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程增殖，因此是在有氧条件下进行。而在发酵产生酒精的过程中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。中则必须在无氧条件下进行以获得大量的酒精。有了用于生产的充足的菌体，接种过程中要注意防止杂有了用于生产的充足的菌体，接种过程中要注意防止杂菌污染菌污染。发酵过程发酵过程 为什么将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还需要为什么将菌体接种到装有培养液的发酵罐中，还需要对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制？对发酵过程进行检测和对发酵条件进行控制？
9、发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此，要在发酵发酵产物主要在菌体生长的稳定期产生。因此，要在发酵过程中随时过程中随时取样检测取样检测培养液中细菌数目、产物浓度以了解培养液中细菌数目、产物浓度以了解发酵进程，及时添加必需的培养基成分发酵进程，及时添加必需的培养基成分来延长菌体生长稳来延长菌体生长稳定期的时间定期的时间，以得到更多的发酵产物。同时，还应对发酵，以得到更多的发酵产物。同时，还应对发酵条件进行严格控制。条件进行严格控制。发酵过程发酵过程 哪些条件能影响菌体的发酵？哪些条件能影响菌体的发酵？发酵生产中发酵罐发酵生产中发酵罐内部的代谢变化内部的代谢变化，如菌体形态，如菌体形态、菌体浓度
10、、营养物质的浓度、温度、菌体浓度、营养物质的浓度、温度、pH、溶、溶氧量、产物浓度、以及发酵罐氧量、产物浓度、以及发酵罐搅拌转速等搅拌转速等对发酵对发酵过程都有重大影响。过程都有重大影响。分离、提纯分离、提纯 代谢产物代谢产物 采用采用离心、过滤、沉淀离心、过滤、沉淀等方法将菌体从培养等方法将菌体从培养液中分离出来。液中分离出来。菌体本身，如酵母菌和细菌等菌体本身，如酵母菌和细菌等 采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取采用蒸馏、萃取、离子交换等方法进行提取。发酵罐发酵罐概念：概念：指工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为指工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为用不锈钢板制成的主式
11、圆筒，其容积在用不锈钢板制成的主式圆筒，其容积在1m3至数百至数百m3。发酵罐的功能：发酵罐的功能：按照发酵过程的要求，保证和控制各种发酵条件，主要按照发酵过程的要求，保证和控制各种发酵条件，主要是适宜微生物生长和形成产物的条件，促进生物体的新陈代是适宜微生物生长和形成产物的条件，促进生物体的新陈代谢，使之在低消耗下，获得较高的产量。谢，使之在低消耗下，获得较高的产量。发酵设备需要具有的条件：发酵设备需要具有的条件：（1）良好的传递性能来传递动量、质量、热量；）良好的传递性能来传递动量、质量、热量；（2）能量消耗低；）能量消耗低；（3）结构简单，操作方便，易于控制；）结构简单，操作方便，易于控
12、制；（4）便于灭菌和清洗，能维持不同程度的无菌度；）便于灭菌和清洗，能维持不同程度的无菌度；（5）能适应特定要求的各种发酵条件，以保证微生物正常）能适应特定要求的各种发酵条件，以保证微生物正常的生长代谢的生长代谢一、发酵罐的发展史一、发酵罐的发展史 发酵罐的发展经历了五个阶段：发酵罐的发展经历了五个阶段：第一阶段第一阶段1900年以前年以前 人们用木制容器来制造酒。这是现代发酵罐的人们用木制容器来制造酒。这是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。第二阶段第二阶段19001940年年 出现了钢制的发酵罐，开始使用空气分布器，出现了钢制的发酵罐，开始使
13、用空气分布器，在小型的发酵罐中，开始使用机械搅拌。在小型的发酵罐中，开始使用机械搅拌。第三阶段第三阶段19401960年年 第一个大规模工业生产青霉素的工厂于第一个大规模工业生产青霉素的工厂于1944年年1月月30日在美国日在美国Terre Haute投产，其发酵罐的体投产，其发酵罐的体积积 54m3。此阶段随着以青霉素为代表的抗生素工业的兴此阶段随着以青霉素为代表的抗生素工业的兴起，引起了工业发酵的一场变革。起，引起了工业发酵的一场变革。第四阶段第四阶段19601979年年 发酵罐的容积增大到发酵罐的容积增大到80150m3。出现了压力循环出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，这种发酵罐可以克
14、服气和压力喷射型的发酵罐，这种发酵罐可以克服气体交换和热交换上的问题。体交换和热交换上的问题。第五阶段第五阶段1979年至今年至今 大规模的发酵罐应运而生。大规模的发酵罐应运而生。如废水处理的发酵罐容积达到如废水处理的发酵罐容积达到27,000m3，英国英国帝国化学公司单细胞蛋白生产罐有帝国化学公司单细胞蛋白生产罐有30层楼高，达层楼高，达100m，罐容近罐容近3500m3，且自动化程度越来越高。且自动化程度越来越高。二、发酵罐的类型二、发酵罐的类型 1.按微生物生长代谢需要分为：按微生物生长代谢需要分为：通风发酵罐通风发酵罐如抗生素、酶制剂、氨基酸、如抗生素、酶制剂、氨基酸、维生素等产品的生
15、产维生素等产品的生产 嫌气发酵罐嫌气发酵罐如酒精、啤酒、丙酮、丁醇等如酒精、啤酒、丙酮、丁醇等产品的生产产品的生产 2.按发酵罐设备的特点分为：按发酵罐设备的特点分为：机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐如通用式发酵罐、自如通用式发酵罐、自吸式发酵罐、伍氏发酵罐等。吸式发酵罐、伍氏发酵罐等。非机械搅拌通风发酵罐非机械搅拌通风发酵罐如气提式、液提式、如气提式、液提式、喷射式等。喷射式等。3.按容积分为：按容积分为：实验室发酵罐实验室发酵罐100L以下以下 中试发酵罐中试发酵罐1001000L 生产规模的发酵罐生产规模的发酵罐1000L以上以上 4.按操作方式分为：按操作方式分为：分批发酵的发酵罐
16、分批发酵的发酵罐 连续发酵的发酵罐连续发酵的发酵罐 在这些众多的发酵罐中，主要给同学们介绍目前在这些众多的发酵罐中，主要给同学们介绍目前在发酵工业中应用最多的一种发酵罐在发酵工业中应用最多的一种发酵罐通用式发通用式发酵罐酵罐。（一）、通风发酵设备（一）、通风发酵设备 通风固相发酵设备通风固相发酵设备自吸式发酵罐自吸式发酵罐气升环流发酵罐气升环流发酵罐机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐常用通风发酵罐常用通风发酵罐大多数的生化反应都是需氧的，故通气发酵设备大多数的生化反应都是需氧的，故通气发酵设备是需氧生化反应设备的核心和基础。是需氧生化反应设备的核心和基础。设备需要具有的特点：设备需要具有的特点：（1
17、）良好的传质和传热性能、结构严密、防杂菌污染；）良好的传质和传热性能、结构严密、防杂菌污染；（2）培养基流动与混合良好、有配套的检测与控制、设）培养基流动与混合良好、有配套的检测与控制、设备较简单；备较简单；（3）设备较简单、方便维护检修以及能耗低等特点。）设备较简单、方便维护检修以及能耗低等特点。通风发酵罐 机械搅拌发酵罐 工作原理 结构及几何尺寸 溶氧速率、通气与搅拌 热量传递 气升式发酵罐 工作原理 气升环流式发酵罐 典型的气升式发酵罐 自吸式发酵罐 机械搅拌自吸式 喷射自吸式 溢流喷射自吸式机械搅拌发酵罐(TRC)工作原理：工作原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分利用机械搅拌
18、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。生长繁殖、发酵所需要的氧气。(1)具有适宜的径高比；具有适宜的径高比；(2)能够承担一定压力；能够承担一定压力；(3)保证必需的溶解氧；保证必需的溶解氧；(4)具有足够的冷却面积；具有足够的冷却面积；(5)尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；(6)轴封严密。轴封严密。之机械搅拌发酵罐 发酵罐的基本条件：发酵罐的基本条件：之机械搅拌发酵罐 大型发酵罐结构大型发酵罐结构231轴封轴封；2、20人孔；人孔；3梯；梯；4联轴；联轴；
19、5中间轴承；中间轴承；6温度计接口；温度计接口；7搅拌叶轮；搅拌叶轮；8进风管；进风管；9放料口；放料口；10底轴承；底轴承；11热电偶接口；热电偶接口；12冷却管；冷却管；13搅拌轴；搅拌轴；14取样管；取样管；15轴承座；轴承座；16传动皮带；传动皮带；17电机；电机；18压力表；压力表；19取样口；取样口；21进料口；进料口；22补料口；补料口；23排气口；排气口；24回流口；回流口；25视镜；视镜；图图12.1 大型发酵罐结构图大型发酵罐结构图机械搅拌发酵罐的结构机械搅拌发酵罐的结构之机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐的结构 小型发酵罐结构图图12.2 小型发酵罐结构图小型发酵罐结构图之机械
20、搅拌发酵罐图图12.3 自动玻璃发酵罐自动玻璃发酵罐 图图12.4 玻璃搅拌发酵罐玻璃搅拌发酵罐 图图12.5 不锈钢搅拌发酵罐不锈钢搅拌发酵罐 由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度钢或不锈钢。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130和和0.25MPa(绝对压力绝对压力)。之机械搅拌发酵罐 罐 体受内压的壁厚：受内压的壁厚：)(2301mmCppD)(2002mmCpDy受外压的壁厚：受外压的壁厚：)(112400
21、3mmCHDpHpD之机械搅拌发酵罐 搅拌器和挡板 搅拌器：搅拌器：有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。图图12.6 发酵罐搅拌叶轮结构图发酵罐搅拌叶轮结构图1-六直叶涡轮式；六直叶涡轮式；2-推进式推进式3-Lightni
22、n A-315式式图图12.7 不同搅拌器的流型不同搅拌器的流型 挡板：挡板：改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取(0.10.12)D，装设，装设46块即可满足全挡板条件。块即可满足全挡板条件。所谓所谓“全挡板条件全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。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：要达到全挡板条件必须满足下式要求：5.012.01.0nDDnDb之机械搅拌发酵罐 无挡板的搅拌器形成的流型无挡板的
23、搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型之机械搅拌发酵罐 轴 封 填料函轴封填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和由填料箱体，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。压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。作用：作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。防止泄露和污染杂菌。端面式轴封又称机械轴封：端面式轴封又称机械轴封：密封作用是靠弹性元件（弹密封作用是靠弹性元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地相簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环光滑表面紧密地
24、相互贴合，并作相对转动而达到密封。互贴合，并作相对转动而达到密封。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。压紧螺栓压紧螺栓填料箱体填料箱体图图12.10 填料函填料函转轴转轴填料压盖填料压盖铜环铜环填料填料转轴转轴图图12.11 端面封轴端面封轴动环动环静环静环堆焊硬质堆焊硬质O形环形环图图12.12 双双 端面封轴端面封轴密封环密封环搅拌轴搅拌轴罐体罐体齿轮箱齿轮箱传动齿轮箱传动齿轮箱之机械搅拌发酵罐 空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分分布。分布装置的形式有
25、单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。布装置有单管式。空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分环形管的分布装置的空气分散效果不及单管式分布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。布装置。同时由于喷孔容易被堵塞，已很少采用。通常通风管的空气流速取通常通风管的空气流速取20m/s。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐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底腐蚀，在空气
26、分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命强。可延长罐底寿命 空气分布器空气分布器之机械搅拌发酵罐 消泡装置消泡装置 消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置，从而达到消泡的目的。两相的装置，从而达到消泡的目的。两种消泡方法两种消泡方法:(1)加入化学消泡剂；加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置使用机械消泡装置 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动
27、物油脂，如猪油等；高分子化合物。猪油等；高分子化合物。机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板碟片式消泡器和刮板式消泡器式消泡器等。等。旋风离心式旋风离心式叶轮离心式叶轮离心式耙式消泡器耙式消泡器碟片式消泡器碟片式消泡器刮板式消泡器刮板式消泡器之机械搅拌发酵罐 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。之机械搅拌发酵罐 联轴器及轴承
28、小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。联轴器法兰 中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；大型发酵罐装有中间轴承。大型发酵罐装有中间轴承。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。四氟乙烯等）。之机械搅拌发酵罐 轴 承底轴承中间轴承之机械搅拌发酵罐 冷却装置冷却装置夹套冷却夹套冷却竖式蛇管冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却竖式列管冷却适用范围5m3以下小发酵罐以下小发酵罐大型发
29、酵罐大型发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区气温较高的地区优点结构简单，加工容结构简单，加工容易，罐内死角少，易，罐内死角少，容易清洗灭菌容易清洗灭菌流速大，传热系数流速大，传热系数大，降温效果较好。大，降温效果较好。加工方便，提高加工方便，提高传热推动力的温传热推动力的温差。差。缺点传热壁较厚，冷却传热壁较厚，冷却水流速低，降温效水流速低，降温效果差。果差。冷却水较高时，降冷却水较高时，降温困难，弯曲位置温困难，弯曲位置易腐蚀。易腐蚀。用水量较大。用水量较大。在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液进行循环冷却。进行循环
30、冷却。图12.13 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸5.37.1 DH3121DDi0.18.0 iDC12181 DB52iDS20DHDiDB之机械搅拌发酵罐 机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积 体积 尺寸DhDhDhDVbab614642221 椭圆形封头体积：发酵罐的总体积：DhHDVb612420近似为：22015.04DHDV之机械搅拌发酵罐 机械搅拌发酵罐的热量传递 发酵过程的热量计算 生物合成热量计算法生物合成热量计算法 冷却水带出热量计算法冷却水带出热量计算法 发酵液温升测量计算法发酵液温升测量计算法4321QQQQQtL12VTTWQCtL22112VTcmcmQt 搅拌器轴功
31、率的计算（单只搅拌桨）不通气条件下的轴功率P0计算鲁士顿(Rushton J.H.)公式：5i30DNPLPP0无通气搅拌输入的功率（W）；NP功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；涡轮转速（r/s）；L液体密度（kg/m3）；液体粘度（N.s/m2）；D 涡轮直径（m）；圆盘六平直叶涡轮 NP6圆盘六弯叶涡轮 NP4.7圆盘六箭叶涡轮 NP3.7之机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐的特点：机械搅拌发酵罐的特点：（1）机械搅拌作用获得的溶氧系数较高，一般体）机械搅拌作用获得的溶氧系数较高，一般体积溶氧系数为积溶氧系数为1001000L/h，适合于各种发酵的溶，适合于各种发酵的溶氧要求；氧要求；（2）罐
32、内液体和空气的混合效果较好，不易产生）罐内液体和空气的混合效果较好，不易产生沉淀，可适应有固形物存在的场合，因此又叫全沉淀，可适应有固形物存在的场合，因此又叫全混式发酵罐；混式发酵罐；（3）搅拌作用形成的液体流型使氧气的利用率较）搅拌作用形成的液体流型使氧气的利用率较高，所需要的通风量较小；高，所需要的通风量较小；（4）既有通风，又有搅拌，投资成本较大；）既有通风，又有搅拌，投资成本较大；（5）单位溶氧功耗较大，操作费用高；）单位溶氧功耗较大，操作费用高；（6）结构复杂，清洗及维修不便。）结构复杂，清洗及维修不便。自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，
33、而依靠特设的机械搅机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。的发酵罐。应用：应用：医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶、酵母、蛋白酶等。等。一、定义一、定义自吸式发酵罐之自吸式发酵罐充气原理：充气原理：搅拌器由罐底向上伸入的主轴搅拌器由罐底向上伸入的主轴带动。带动。叶轮旋转时叶片不断排开周围叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导的液体使其背侧形成真空，由导气管
34、吸入罐外空气。吸入的空气气管吸入罐外空气。吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。分布。之自吸式发酵罐二、二、特点特点 优点：优点：不必配备空气压缩机及其附属设备，不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积。节约设备投资，减少厂房面积。溶氧速率高，溶氧效率高、能耗低。溶氧速率高，溶氧效率高、能耗低。用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点。率高、经济效益高的优点。缺点：缺点：由于罐压较低，对
35、某些产品生产容易由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。造成染菌。必须配备低阻力损失的高效空气过滤必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。系统。之自吸式发酵罐三、常见类型三、常见类型机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐溢流喷射自吸式发酵罐溢流喷射自吸式发酵罐 之自吸式发酵罐发酵罐发酵罐1 构造构造：吸气搅拌叶轮吸气搅拌叶轮和导轮，简称为转子和定和导轮，简称为转子和定子。子。转子由箱底向上升入的主转子由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时空轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。气则由导气管吸入。转子的形式有九叶轮、六转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形
36、叶叶轮、三叶轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形。轮等，叶轮均为空心形。之自吸式发酵罐（一）机械搅拌自吸式（一）机械搅拌自吸式2 机械搅拌式发酵机械搅拌式发酵罐吸气原理罐吸气原理 它的搅拌器是一个它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分接触形成细小的气泡分散在液体之中，气液混散在液体之中，气液混合流体通过导轮流到发合流体通过导轮流到发酵液主体。酵液主体。之自吸式发酵罐（二）（二）喷射自吸式发酵罐喷射自吸式
37、发酵罐文氏管吸气自吸式发酵罐文氏管吸气自吸式发酵罐液体喷射自吸式发酵罐液体喷射自吸式发酵罐之自吸式发酵罐文氏管吸气自吸式发酵罐文氏管吸气自吸式发酵罐原理：用泵使发原理：用泵使发酵液通过文氏管酵液通过文氏管吸气装置，由于吸气装置，由于液体在文氏管的液体在文氏管的收缩段流速增加收缩段流速增加，形成真空而将，形成真空而将空气吸入，并使空气吸入，并使气泡分散与液体气泡分散与液体均匀混合，实现均匀混合，实现溶氧传质。溶氧传质。之自吸式发酵罐（三）溢流喷射自吸式发酵罐（三）溢流喷射自吸式发酵罐 吸气原理吸气原理 液体溢流时形成抛射流，由于液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体液体的表面层与其
38、相邻的气体的动量传递，使边界层的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸作用。的流动形成自吸作用。之自吸式发酵罐之气升式发酵罐气升式发酵罐(ALR)工作原理 特点及应用 主要结构及操作系数 典型的气升式发酵罐 工作原理工作原理之气升式发酵罐 类型类型带升式发酵罐、环流式发酵罐、塔式发酵罐等。带升式发酵罐、环流式发酵罐、塔式发酵罐等。工作原理工作原理 把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物
39、碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。动，实现混合与溶氧传质。G泵LG气液双喷射气升环流反应器 特点特点1 1）反应溶液分布均匀）反应溶液分布均匀2 2）较高的溶氧速率和溶氧效率）较高的溶氧速率和溶氧效率3 3）剪切力小）剪切力小4 4）传热良好）传热良好5 5）结构简单）结构简单6 6）能耗小）能耗小7 7）不易染菌）不易染菌8 8）操作和维修方便）操作和维修方便 特点及应用特点及应用之气升式发酵罐 应用应用酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养酵母生产、单细胞蛋白生产、
40、细胞培养酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理主要结构及操作系数主要结构及操作系数之气升式发酵罐主要结构参数主要结构参数1 1）反应器径高比）反应器径高比H/DH/D2 2）导流筒径与罐径比）导流筒径与罐径比D DE E/D/D3 3）空气喷嘴直径与反应器直径比）空气喷嘴直径与反应器直径比D Dl l/D/D 操作特征操作特征1 1）平均循环时间）平均循环时间t tmm2 2）气液比）气液比R R3 3）溶氧传质）溶氧传质之气升式发酵罐 空气喷射装置漩涡式空气喷射器G泵LG之气升式发酵罐GFG气升环流式反应器气液双喷射气升环流反应器多层空气分布板的气升环流
41、式反应器之气升式发酵罐ICIs air lift system for making single-cell protein in 1979冷却水GG培养基AAB注射入口ICI压力循环气升发酵罐123456711891012之气升式发酵罐气升式玻璃发酵罐具有外循环冷却的气升环流式发酵罐对偶脉冲气体环流发酵罐之气升式发酵罐 酒精发酵设备酒精发酵设备 啤酒发酵设备啤酒发酵设备 连续发酵设备连续发酵设备（二）、嫌气发酵设备（二）、嫌气发酵设备一、酒精发酵罐 酵母将糖转化为酒精高转化率条件：(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件(2)一定的生化反应时间(3)及时移走在生化反应过程中所释放的生物热酒精发
42、酵罐筒体结构 一一、传统酒精发酵罐传统酒精发酵罐圆柱形，底盖和顶盖均为锥形。圆柱形，底盖和顶盖均为锥形。在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。采用密闭式。罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。口管等。罐底装有排料口和排污口。罐底装有排料口和排污口。罐身上下部装有取样口和温度计接口，罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，对于大型发酵罐，为了便于维修
43、和清洗，往往在近罐底也装有人孔。往往在近罐底也装有人孔。温度控制：中小型罐采用罐外喷淋冷却；大型罐采用罐内蛇温度控制：中小型罐采用罐外喷淋冷却；大型罐采用罐内蛇管或与罐外喷淋相结合的冷却方式。管或与罐外喷淋相结合的冷却方式。清洗方式：人工清洗、机械清洗清洗方式：人工清洗、机械清洗水力清洗装置水力清洗装置：喷水管两头弯成一定的弧度并装有喷嘴，管上：喷水管两头弯成一定的弧度并装有喷嘴，管上开有小孔，当喷嘴以一定的速度喷出水时，反作用力使喷水管开有小孔，当喷嘴以一定的速度喷出水时，反作用力使喷水管旋转，从而达到对罐内各个部位水力洗涤的目的。旋转，从而达到对罐内各个部位水力洗涤的目的。缺点是水压不大时
44、，水力喷射强度和均匀度都不理想。若缺点是水压不大时，水力喷射强度和均匀度都不理想。若在原有水力喷射装置的基础上，安装一根直立的喷水管，在原有水力喷射装置的基础上，安装一根直立的喷水管，管上钻有小孔，洗涤水压在管上钻有小孔，洗涤水压在0.60.60.8MPa0.8MPa，洗涤效果可大大，洗涤效果可大大提高。提高。二、新型大容量酒精发酵罐（1500m3）筒体H/D=1.5左右，采用斜底或锥底，顶部为锥顶，罐直径11米左右，夹套冷却。由于罐太大，因此中心部位降温和底部循环困难。可采用两种不同的措施：1、采用中心降温水柱对罐中心醪液进行降温，或采用罐外螺旋板换热器循环来解决降温问题；2、侧搅拌或连通器
45、加泵循环来改善混合和滞留问题；（一）发酵罐结构尺寸的确定（一）发酵罐结构尺寸的确定(二二)罐数的确定罐数的确定(三三)发酵罐冷却面积计算发酵罐冷却面积计算三三 酒精发酵罐的计算酒精发酵罐的计算四四 代谢终产物抑制消除方法代谢终产物抑制消除方法消除或减轻代谢终产物的抑制是提高生产效率的关键因素。消除或减轻代谢终产物的抑制是提高生产效率的关键因素。对于酒精发酵来说：酒精浓度大于对于酒精发酵来说：酒精浓度大于2%2%时，即表现出抑制作用；时，即表现出抑制作用；酒精浓度大于酒精浓度大于8%8%时，酵母的繁殖就停止了。要保持发酵的快速时，酵母的繁殖就停止了。要保持发酵的快速进行，通常认为反应器内酒精浓度
46、控制在进行，通常认为反应器内酒精浓度控制在3%3%以内，这就要求不以内，这就要求不断地分离移去酒精。断地分离移去酒精。消除方法有：真空发酵、萃取发酵、膜蒸发发酵、二氧化碳消除方法有：真空发酵、萃取发酵、膜蒸发发酵、二氧化碳气提发酵等。气提发酵等。1 1、真空发酵：、真空发酵：原理：发酵过程中保持一定的真空度，发酵液处于沸腾状态，原理：发酵过程中保持一定的真空度，发酵液处于沸腾状态，酒精被蒸馏出来。酒精被蒸馏出来。主要设备有发酵罐、发酵蒸发器、总凝器、分凝器、收集器、主要设备有发酵罐、发酵蒸发器、总凝器、分凝器、收集器、真空泵。真空泵。优点：糖浓度提高优点：糖浓度提高3 3倍，发酵时间缩短倍，发
47、酵时间缩短1/31/3；酒糟、水、蒸汽；酒糟、水、蒸汽都有减少；生产能力、设备利用率提高；酒精浓度可达都有减少；生产能力、设备利用率提高；酒精浓度可达33%33%。缺点：能耗大、设备真空操作负荷大、操作费用高、负压操缺点：能耗大、设备真空操作负荷大、操作费用高、负压操作容易引起杂菌污染。作容易引起杂菌污染。2 2、萃取发酵：、萃取发酵：具有能耗低、操作简便易行的优点。发酵和萃取在同一反应具有能耗低、操作简便易行的优点。发酵和萃取在同一反应器中进行：采用固定化细胞技术，选择合适无毒的萃取剂。器中进行：采用固定化细胞技术，选择合适无毒的萃取剂。发酵和萃取分开进行：发酵和萃取分开进行：（1 1）膜萃
48、取：将发酵液取出，以三聚磷酸丁酯为萃取相，在中）膜萃取：将发酵液取出，以三聚磷酸丁酯为萃取相，在中空纤维膜反应器中萃取。空纤维膜反应器中萃取。（2 2）二氧化碳超临界萃取：发酵液逆向通过超临界二氧化碳萃）二氧化碳超临界萃取：发酵液逆向通过超临界二氧化碳萃取柱，富含酒精的超临界流体通过活性炭柱吸附分离酒精。取柱，富含酒精的超临界流体通过活性炭柱吸附分离酒精。3 3、吸附法、吸附法 将吸附剂直接加到发酵液中或让发酵液循环通过一个疏水将吸附剂直接加到发酵液中或让发酵液循环通过一个疏水性的分子筛吸附柱来吸附酒精。性的分子筛吸附柱来吸附酒精。一般可采用疏水性硅沸石作为吸附剂，采用这种方法发酵一般可采用疏
49、水性硅沸石作为吸附剂，采用这种方法发酵时间可缩短时间可缩短30%30%。4 4、透析膜法、透析膜法 采用对酒精有选择性透过的多孔性膜，分离发酵液中的酒采用对酒精有选择性透过的多孔性膜，分离发酵液中的酒精来降低发酵液中的酒精浓度。精来降低发酵液中的酒精浓度。5 5、二氧化碳气提法、二氧化碳气提法 利用发酵过程中产生的二氧化碳，通过循环压缩机加压后，利用发酵过程中产生的二氧化碳，通过循环压缩机加压后，送回发酵罐气提发酵产生的酒精，在送回发酵罐气提发酵产生的酒精，在00冷却饱和了酒精和水冷却饱和了酒精和水蒸气的二氧化碳，再由活性炭填充柱吸附酒精，纤维素填充柱蒸气的二氧化碳，再由活性炭填充柱吸附酒精，
50、纤维素填充柱吸附水。生产能力提高吸附水。生产能力提高27%27%。6 6、膜蒸发法、膜蒸发法 由发酵循环和膜蒸发两个独立的循环回路组成，两个回由发酵循环和膜蒸发两个独立的循环回路组成，两个回路通过一个可调优的内回路连接。路通过一个可调优的内回路连接。二、啤酒发酵设备二、啤酒发酵设备 啤酒发酵设备趋于向大型化、露天化、联合的方向发展。啤酒发酵设备趋于向大型化、露天化、联合的方向发展。变迁过程：变迁过程：1 1、材料由陶器到木材、水泥、金属；、材料由陶器到木材、水泥、金属；2 2、开放式向密闭式转变；、开放式向密闭式转变；3 3、卧式方形槽向立式圆筒锥底罐转变；、卧式方形槽向立式圆筒锥底罐转变；一
