第七章发酵罐

1、 第七章第七章 发酵设备发酵设备 发酵设备发酵设备v什么是发酵设备？包括那些设备？什么是发酵设备？包括那些设备？v种子制备设备种子制备设备v主发酵设备主发酵设备v辅助设备（无菌空气和培养基制备）辅助设备（无菌空气和培养基制备）v发酵液预处理设备发酵液预处理设备v产品提取与精致设备产品提取与精致设备v废物回收处理设备废物回收处理设备请问核心部分是什么？请问核心部分是什么？v主发酵设备或称为发酵罐主发酵设备或称为发酵罐v是发酵工程中最重要的设备之一是发酵工程中最重要的设备之一优良的发酵设备应具有的特性优良的发酵设备应具有的特性v严密的结构严密的结构v良好的液体混合性能良好的液体混合性能v较高的传质

2、和传热速率较高的传质和传热速率v灵敏的检测和控制仪表灵敏的检测和控制仪表本章内容本章内容v发酵罐的基本概念发酵罐的基本概念v发展过程发展过程v发酵设备的类型发酵设备的类型v机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐v其他类型的发酵罐其他类型的发酵罐一、发酵罐的基本概念一、发酵罐的基本概念 发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏工业的心脏v广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的广义的发酵罐是指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。工业发酵操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指进行中一般指进行微生物深层培养微生物深层培养的设备的设

3、备v在有些情况下，密闭容器，简单容器在有些情况下，密闭容器，简单容器v二、发展过程二、发展过程1）1900年以前，木制容器造酒年以前，木制容器造酒2）1900-1940，钢制发酵罐，开，钢制发酵罐，开始使用空气分布器，机械搅拌始使用空气分布器，机械搅拌开始应用开始应用3）1940-1960，青霉素，通风，青霉素，通风，无菌操作，纯培养等一系列技无菌操作，纯培养等一系列技术开始应用，计算机用于发酵术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分离纯化商业化控制，产物分离纯化商业化 4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3，出现压力循环和压力喷射

4、型发酵罐，克服一些气，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交换问题，计算机广泛应用体交换和热交换问题，计算机广泛应用 5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展v 大生产用：日本味之素：大生产用：日本味之素：500m500m3 3v 周口味精厂：周口味精厂：200m200m3 3v 斗门味精厂：斗门味精厂：600m600m3 3v 台湾味丹：台湾味丹： 660m660m3 3三、三、 发酵设备的类型发酵设备的类型 1、 按微

5、生物生长：按微生物生长：厌氧和好氧发酵设备厌氧和好氧发酵设备 2、按发酵罐能量输入方式：、按发酵罐能量输入方式： 1）内部机械搅拌发酵罐）内部机械搅拌发酵罐 通用式（机械搅拌）、伍式、自吸式发酵罐通用式（机械搅拌）、伍式、自吸式发酵罐 2）外部液体搅拌发酵罐）外部液体搅拌发酵罐 3） 空气喷射提升式发酵罐空气喷射提升式发酵罐 高位塔式发酵罐高位塔式发酵罐3 3、 按容积分类按容积分类v500l500l以下的是实验室发酵罐以下的是实验室发酵罐v500-50000l500-50000l是中试发酵罐是中试发酵罐v50000l50000l以上是生产规模的发酵罐以上是生产规模的发酵罐4 4、 按操作方式

6、按操作方式v分批发酵和连续发酵分批发酵和连续发酵四、四、 机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐（一）、（一）、 基本要求：基本要求： 1）适宜的）适宜的径高比径高比，罐身较长，氧利用率较高，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的）能耐受一定的压力压力 3）搅拌通风搅拌通风装置装置 4）足够的）足够的冷却冷却面积面积 5）罐内要）罐内要减少死角减少死角 6）搅拌器的轴封要）搅拌器的轴封要严密严密，以减少泄露，以减少泄露 标准发酵罐的几何尺寸标准发酵罐的几何尺寸 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-

7、2（二）、机械搅拌式发酵罐的结构：（二）、机械搅拌式发酵罐的结构： 1、罐体：、罐体： 培养微生物的巨大容器，培养微生物的巨大容器，密闭式密闭式的，在发酵过程的，在发酵过程中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为2.52.510105 5papav圆柱形，两端椭圆形，受力均匀，减少死角，物圆柱形，两端椭圆形，受力均匀，减少死角，物料容易排除，料容易排除，v高度高度与直径比与直径比1.7-41.7-4：1 1，有力于空气利用率，有力于空气利用率已经加工成型的椭圆封头，正在加工已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管中的筒体以及冷却蛇管 2、罐体表面

8、各种装置：、罐体表面各种装置：v中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔v罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或蒸汽吹管蒸汽吹管v罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、压力表接管压力表接管v罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管和测控仪器接口和测控仪器接口3、 搅拌器搅拌器v将空气打碎成小气泡，增加气将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提液接触面积，提高氧的传质效率高氧的传质效率v使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮使发

9、酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮状态状态v使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，希望以径向液流为主希望以径向液流为主v在搅拌轴上配置多个搅拌器在搅拌轴上配置多个搅拌器轴向式轴向式搅拌器搅拌器径向式径向式搅拌器搅拌器圆盘弯叶圆盘弯叶圆盘平直叶圆盘平直叶圆盘箭叶圆盘箭叶凹叶圆盘凹叶圆盘 圆盘平直叶具有很大的圆盘平直叶具有很大的循环输送量和功率输出，循环输送量和功率输出，适用于各种流体。适用于各种流体。 在混合要求特别高，溶在混合要求特别高，溶氧速率相对要求略低时，氧速率相对要求略低时，可用圆盘弯叶。可用圆盘弯叶。圆盘箭叶轴向流动较强圆盘箭叶轴

10、向流动较强烈，输出功率较低。烈，输出功率较低。凹叶圆盘能耗低，缩短凹叶圆盘能耗低，缩短混合时间。混合时间。4) 4) 挡板挡板v克服搅拌器运转时液体产生的涡流克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧增加溶氧速率速率v从液面至罐底从液面至罐底v与罐壁之间的距离为与罐壁之间的距离为1/5-1/8w，避免形成死角，防，避免形成死角，防止物料与菌体堆积止物料与菌体堆积v全挡板条件：全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附是指在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。件而轴功率仍保持不变。全挡板条件下的搅拌流型全挡板条件下的搅拌流型 竖立的列管竖立的列管/排管也可以起挡板作用排管也可以起挡板作用 5

11、) 5) 消泡器消泡器v将泡沫打破将泡沫打破v锯齿式、梳状式及孔板式锯齿式、梳状式及孔板式v装于搅拌轴上，齿面略高于液面装于搅拌轴上，齿面略高于液面v直径罐径的直径罐径的0.8-0.9安装在发酵罐内的消泡器安装在发酵罐内的消泡器 v最简单实用的消泡装置为耙式消泡最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，可直接安装在搅拌的轴上，消器，可直接安装在搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适当泡耙齿底部应比发酵液面高出适当高度。安装在发酵罐内转动轴的上高度。安装在发酵罐内转动轴的上部的消泡器有齿式、梳式、孔板式、部的消泡器有齿式、梳式、孔板式、旋浆梳式等旋浆梳式等 消泡器的安装消泡器的安装 v安装在发酵罐外

12、的消泡器安装在发酵罐外的消泡器v安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等碟片式消泡器和刮板式消泡器等 。v旋风离心式消泡器旋风离心式消泡器v改进的旋风离心式消泡器，它可以和消改进的旋风离心式消泡器，它可以和消泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡沫情况自动添加消泡剂沫情况自动添加消泡剂1、泡沫不、泡沫不多，无多，无需加消需加消泡剂。泡剂。2、泡沫累、泡沫累积，触积，触动传感动传感器，起器，起动消泡动消泡泵加入泵加入消泡剂。消泡剂。3、

13、消泡结、消泡结束后，束后，不再触不再触动传感动传感器，不器，不再加入再加入消泡剂。消泡剂。v碟片式消泡器碟片式消泡器v碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，当泡沫溢碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，当泡沫溢上与碟片式消泡器接触时，泡沫受高速旋转上与碟片式消泡器接触时，泡沫受高速旋转离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐中而达到消泡目的。中而达到消泡目的。v碟片数目为碟片数目为4-64-6个，碟片的斜角约为个，碟片的斜角

14、约为3535度，两度，两碟片之间的间距约为碟片之间的间距约为10mm10mm，碟片上有梳状筋，碟片上有梳状筋条高约条高约8mm,8mm,这些碟片叠置起来组成碟片组。这些碟片叠置起来组成碟片组。碟片组被通气压环压紧在空心轴上，空心轴碟片组被通气压环压紧在空心轴上，空心轴通过传动机构转动，转速可达通过传动机构转动，转速可达1400rpm,1400rpm,碟片碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，转轴通过两个式消泡器装在发酵罐的顶部，转轴通过两个轴封与发酵罐及排气管连接。轴封与发酵罐及排气管连接。6 6、连轴器及轴承、连轴器及轴承v使上下搅拌轴成牢固的刚性连接使上下搅拌轴成牢固的刚性连接v大型发酵罐的搅拌轴

15、常分为大型发酵罐的搅拌轴常分为2-32-3段，用连轴器使上下搅拌段，用连轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性连接，中型发酵罐一般在罐内装有底轴轴成牢固的刚性连接，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，大型发酵罐还装有中间轴承承，大型发酵罐还装有中间轴承连轴器连轴器连轴器连轴器轴承轴承7 7、空气分布装置、空气分布装置v吹入无菌空气并吹入无菌空气并使空气均匀分布使空气均匀分布v单管及环形管式单管及环形管式单管式空气分布装置单管式空气分布装置 通常通风管的空气流速取通常通风管的空气流速取20米米/秒。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，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

16、加焊一块不锈钢补强。可延长罐加速罐底腐蚀，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。这叫补强板。通风量在底寿命。这叫补强板。通风量在0.020.5 ml/sec时，气泡的直径与空气喷口时，气泡的直径与空气喷口直径的直径的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。因而氧的传达室质系数也越大。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因此氧的传达室质系数也越大。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。气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。 v8 8、 换热装置换热装置v进

17、行加热或冷却，维持发酵温度进行加热或冷却，维持发酵温度v夹套式换热装置夹套式换热装置v蛇管换热装置蛇管换热装置五、其他类型的发五、其他类型的发酵罐酵罐（一）自吸式发酵罐（一）自吸式发酵罐 葡萄糖酸钙、力复霉葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素素、维生素c、酵母、酵母、蛋白酶蛋白酶v最关键的部件是带有中最关键的部件是带有中央吸气口的搅拌器央吸气口的搅拌器v自吸式发酵罐的充气原理自吸式发酵罐的充气原理v自吸式发酵罐的主要的构件自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。转子由箱底为转子及定子。转子由箱底向上升入的主轴带动，当转向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则

18、由导气管吸子转动时空气则由导气管吸入。入。v转子的形式有九叶轮、六叶转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等，轮、三叶轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形。叶轮均为空心形。六直叶轮六直叶轮四弯叶轮四弯叶轮定子定子自吸式发酵罐的优点：自吸式发酵罐的优点： 节约空气净化系统设备节约空气净化系统设备( (空气压缩机、冷却器、空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮聪、总过滤器等油水分离器、空气贮聪、总过滤器等) )，减少厂，减少厂房占地面积。房占地面积。减少工厂发酵设备投资减少工厂发酵设备投资约约3030左右，例如应用自左右，例如应用自吸式发酵罐生产酵母，容积酵母的产量可高达吸式发酵罐生产酵母，容

19、积酵母的产量可高达30503050克。克。设备便于自动化、连续化，设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少降低劳动强度，减少劳动力。劳动力。酵母酵母发酵周期短发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵，发酵液中酵母浓度高，分离酵母后的废液量少。母后的废液量少。设备结构简单，溶氧效果高设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。操作方便。 v缺点：缺点：v罐内形成负压，增加染菌机会罐内形成负压，增加染菌机会v搅拌速度高，使菌丝容易被切断，影响丝状微生搅拌速度高，使菌丝容易被切断，影响丝状微生物的正常生长物的正常生长（二）（二） 空气带升环流式发空气带升环流式发酵罐（气升式发酵罐）酵罐（气升式发酵罐）v在罐

20、外装设上升管，上升管两端在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统，个循环系统，设备构造比较复杂，设备构造比较复杂，动能消耗较太。动能消耗较太。v在上升管的下在上升管的下 部装设空气喷嘴，部装设空气喷嘴，以以250-300 m/s的高速喷入上升管的高速喷入上升管v借助喷嘴的作用将空气分散借助喷嘴的作用将空气分散v分为内环流式和外环流式两种分为内环流式和外环流式两种v结构简单，冷却面积小结构简单，冷却面积小；v无搅拌传动设备，无搅拌传动设备，节省动力节省动力约约50%50%，节省钢材；，节省钢材；v操作时无噪音操作时无噪音；v料液装料系数达料液

21、装料系数达80908090，而，而不须加消泡剂；不须加消泡剂；v维修、操作及清洗简便，维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染减少杂菌感染。v但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。较大的发酵液溶氧系数较低。 气升式发酵罐的特点气升式发酵罐的特点典型气升式发酵罐典型气升式发酵罐v气升环流式发酵罐因具有结构较简气升环流式发酵罐因具有结构较简单，溶氧速率高，能耗低，便于放单，溶氧速率高，能耗低，便于放大设计和加工制造特大型的发酵罐，大设计和加工制造特大型的发酵罐，因而自因而自2020世纪世纪7070年代以来在单细胞年代以来在单细胞蛋白生产

22、、废水处理等领域应用十蛋白生产、废水处理等领域应用十分广泛，几乎在上述领域占据了绝分广泛，几乎在上述领域占据了绝大部分市场。英国伯明翰大部分市场。英国伯明翰iciici公司公司的压力循环发酵罐是国际上最出色的压力循环发酵罐是国际上最出色的代表，公称体积达的代表，公称体积达3000m3000m3 3，液柱，液柱高达高达55m55m，故通气压力高，发酵液，故通气压力高，发酵液量量2100m2100m3 3。为了强化气液混合与溶。为了强化气液混合与溶氧，沿罐高度设有氧，沿罐高度设有1919块有下降区的块有下降区的筛板以防止气泡合并为大气泡，同筛板以防止气泡合并为大气泡，同时为使塔顶的气液部分分离排气

23、，时为使塔顶的气液部分分离排气，顶部设有气液分离部分，直径约等顶部设有气液分离部分，直径约等于塔径的于塔径的1.51.5倍。具体的设计及主倍。具体的设计及主要尺寸示意图如图要尺寸示意图如图 六、密闭厌氧发酵罐六、密闭厌氧发酵罐 v对这类发酵罐的要求是：能对这类发酵罐的要求是：能封闭封闭；能承受一定压；能承受一定压力；有力；有冷却设备冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。便于清洗灭菌。v酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不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、制需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制

24、造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。v它的容积常大于它的容积常大于50m3，h:d=1-2，罐的上、下，罐的上、下部都是锥形的。部都是锥形的。v上部有物料口，冷却水口，上部有物料口，冷却水口，co2和气体出口、和气体出口、入孔和压力表开口等。入孔和压力表开口等。v温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相结合，排料管在罐的底部。结合，排料管在罐的底部。 （一）酒精发酵罐（一）酒精发酵罐v1 1、结构要求、结构要求v满足工艺要求，有利于发酵的排出满足工艺要求，有利于发酵的排出有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问

25、有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。题。 2 2、罐筒体结构、罐筒体结构v为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。或锥形。v在酒精发酸过程中，为了回收二在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。精，发酵罐宜采用密闭式。v罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。表和测量仪表接口管等。v罐底装有排料口和排污口；罐底装有排料口和排污口；v罐身上下部装有取样口和温度计罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型发酵罐，为了便接口，对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也于维修和清洗，往往在近罐底也装有入孔。装有入孔。 3 3、发酵的冷却装置、发酵的冷却装置v中小型中小型发酵罐：多采用发酵罐：多采用罐顶喷水罐顶喷水淋于罐外壁表面淋于罐外壁表