发酵第五六章发酵设备(2)生物反应器

1、发酵机械与设备发酵机械与设备o徐徐 明明 芳芳 博博 士士o教教 授授o暨暨 南南 大大 学学 生生 科科 院院o2015-11-6第五章第五章 生物反应器及发酵设备生物反应器及发酵设备-2-2徐明芳博士徐明芳博士教授教授目录绪论绪论第一篇第一篇 生物质原料处理设备生物质原料处理设备第二篇第二篇 生物反应设备生物反应设备第三篇第三篇 产物分离设备产物分离设备第四篇第四篇 其他设备其他设备o第一章第一章 生物质原料预处理设备生物质原料预处理设备o第二章第二章 生物细胞培养基制备设备生物细胞培养基制备设备o第三章第三章 生物培养基灭菌设备生物培养基灭菌设备o第四章第四章 原料（物料）输送设备原料（

2、物料）输送设备底物底物生物反应器生物反应器检测控检测控制仪表制仪表培养基培养基（灭菌）（灭菌）经加工经加工原料原料酶酶细胞细胞生物催化剂生物催化剂（游离或固定化（游离或固定化）机械能机械能除除菌菌空气空气产品提取纯化产品提取纯化副产品副产品产品产品废物废物热能热能原材料原材料营养物营养物典型工业生物技术过程典型工业生物技术过程第二篇 生物反应设备生物反应设备第六章第六章生物反应器生物反应器厌氧发酵罐厌氧发酵罐第一节第一节 发酵设备概述发酵设备概述第三节第三节 自吸式发酵罐自吸式发酵罐第四节第四节 气升式发酵罐气升式发酵罐(ALR)(ALR)通风发酵罐v1 机械搅拌发酵罐 工作原理 结构及几何尺

3、寸 通气与搅拌 v3 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 v2 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v 通风固相发酵罐思考题思考题1 1、自吸式发酵罐有那些主要结构构件？自吸式发酵罐搅拌吸气装置及、自吸式发酵罐有那些主要结构构件？自吸式发酵罐搅拌吸气装置及吸气原理？吸气原理？ 自吸式发酵罐与机械搅拌罐结构差异？自吸式发酵罐与机械搅拌罐结构差异？2.2.喷射自吸式发酵罐的优点是喷射自吸式发酵罐的优点是_。A.A.空气吸入量与液体循环量之比较高空气吸入量与液体循环量之比较高 B.B.无需搅拌传动系统无需搅拌传动系统 C.C.气液固三相混合均匀气液固三相

4、混合均匀 D.D.适用好氧量较大的微生物发酵适用好氧量较大的微生物发酵3.3.自吸式发酵罐搅拌转速在自吸式发酵罐搅拌转速在 600-900 rpm 600-900 rpm 左右，而且轴是从罐下方进左右，而且轴是从罐下方进入罐内，因此应该用双端面机械轴封入罐内，因此应该用双端面机械轴封( (判断对或错判断对或错) )。4 4、自吸式发酵罐的转子的作用之一是吸入连续灭菌后的培养基。、自吸式发酵罐的转子的作用之一是吸入连续灭菌后的培养基。 ( (判判断对或错断对或错) )5.5.气升式发酵罐工作原理及特点气升式发酵罐工作原理及特点5. 气升式动物细胞培养反应器与搅拌式动物细胞反应器相比，气升式气升式

5、动物细胞培养反应器与搅拌式动物细胞反应器相比，气升式反应器中；反应器内液体循环量大，细胞和营养成反应器中；反应器内液体循环量大，细胞和营养成分能均匀分布于培养基中。分能均匀分布于培养基中。产生的湍动温和而均匀，剪切力相当小，产生的湍动温和而均匀，剪切力相当小，无泡沫形成，装料系数可以达到无泡沫形成，装料系数可以达到95% 无机械运动部件，因而细胞损伤率比较低；无机械运动部件，因而细胞损伤率比较低；反应器通过直接喷射空气供氧，氧传递速率高；反应器通过直接喷射空气供氧，氧传递速率高；通风发酵罐的通风和搅拌装置通风发酵罐的通风和搅拌装置:。o根据搅拌装置的不同可以将根据搅拌装置的不同可以将通风发酵罐

6、分为通风发酵罐分为两大两大类类：o机械搅拌通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐 机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐 、自吸式发酵罐。、自吸式发酵罐。o空气搅拌通风发酵罐空气搅拌通风发酵罐 鼓泡式、气升式、喷射自吸式、溢流喷射自吸式鼓泡式、气升式、喷射自吸式、溢流喷射自吸式等多种类型。等多种类型。发酵罐工艺操作条件发酵罐工艺操作条件 1温度温度： 2540。2压力压力： 01 kgcm3(表压)。3灭菌条件灭菌条件； 温度100140，压力03 kgcm3 (表压).4pH： 211。5需氧量：需氧量： 0.050.3 kmo1m3h。6通气量：通气量： 0.32 VVM。7功率消耗功率消耗： 0.54kWm

7、3。8. 发酵热量发酵热量： 5 00020 000 kcalm3h。生生 物物 反反 应应 器器 小型发酵罐生产车间小型发酵罐生产车间镇江东方生物工程设备技术有限责任公司镇江东方生物工程设备技术有限责任公司 大型发酵罐制造车间大型发酵罐制造车间 镇江东方生物工程设备技术有限责任公司镇江东方生物工程设备技术有限责任公司江苏达森发酵设备工程有限公司江苏达森发酵设备工程有限公司生产的发酵罐生产的发酵罐思考题思考题1 1、自吸式发酵罐有那些主要结构构件？自吸式发酵罐搅拌吸气装置及、自吸式发酵罐有那些主要结构构件？自吸式发酵罐搅拌吸气装置及吸气原理？吸气原理？ 自吸式发酵罐与机械搅拌罐结构差异？自吸式

8、发酵罐与机械搅拌罐结构差异？2.2.喷射自吸式发酵罐的优点是喷射自吸式发酵罐的优点是_。A.A.空气吸入量与液体循环量之比较高空气吸入量与液体循环量之比较高 B.B.无需搅拌传动系统无需搅拌传动系统 C.C.气液固三相混合均匀气液固三相混合均匀 D.D.适用好氧量较大的微生物发酵适用好氧量较大的微生物发酵3.3.自吸式发酵罐搅拌转速在自吸式发酵罐搅拌转速在 600-900 rpm 600-900 rpm 左右，而且轴是从罐下方进左右，而且轴是从罐下方进入罐内，因此应该用双端面机械轴封入罐内，因此应该用双端面机械轴封( (判断对或错判断对或错) )。4 4、自吸式发酵罐的转子的作用之一是吸入连续

9、灭菌后的培养基。、自吸式发酵罐的转子的作用之一是吸入连续灭菌后的培养基。 ( (判判断对或错断对或错) )5.5.气升式发酵罐工作原理及特点气升式发酵罐工作原理及特点5. 气升式动物细胞培养反应器与搅拌式动物细胞反应器相比，气升式气升式动物细胞培养反应器与搅拌式动物细胞反应器相比，气升式反应器中；反应器内液体循环量大，细胞和营养成反应器中；反应器内液体循环量大，细胞和营养成分能均匀分布于培养基中。分能均匀分布于培养基中。产生的湍动温和而均匀，剪切力相当小，产生的湍动温和而均匀，剪切力相当小，无泡沫形成，装料系数可以达到无泡沫形成，装料系数可以达到95% 无机械运动部件，因而细胞损伤率比较低；无

10、机械运动部件，因而细胞损伤率比较低；反应器通过直接喷射空气供氧，氧传递速率高；反应器通过直接喷射空气供氧，氧传递速率高；自吸式发酵罐是自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机一种不需要空气压缩机，而在，而在。应用：应用： 这种发酵罐在这种发酵罐在60年代开始研究，年代开始研究，60年代后期由联邦年代后期由联邦开始发展，开始发展，1969年首先取得美国专利年首先取得美国专利。我国我国厂等均已采用这种新型设备。厂等均已采用这种新型设备。医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素维生素C、酵母、蛋白酶、酵母、蛋白酶等，取得了良好的成绩。等，取得了良好

11、的成绩。1）、自吸式发酵罐的主要构件是）、自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器（自吸搅拌器（叶轮叶轮、）及导轮（及导轮（），简称为转子及定子。，简称为转子及定子。2）、）、由底轴或主轴带动，由底轴或主轴带动，当转子转动时，空气则由导当转子转动时，空气则由导气管吸入。气管吸入。3）、）、的形式有多种，的形式有多种，如九叶轮六叶轮、四叶轮、三如九叶轮六叶轮、四叶轮、三叶轮等等，叶轮等等，。 4）、自吸式发酵罐是一）、自吸式发酵罐是一，而在搅拌过，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。程中自吸入空气的发酵罐。 2、 搅拌吸气装置搅拌吸气装置搅拌部件：搅拌部件：转子转子-叶轮，关键部件，分三棱叶，四弯叶；叶

12、轮，关键部件，分三棱叶，四弯叶；定子定子-导轮，叶片数为导轮，叶片数为1616、3232导气管导气管轴封轴封浸没在浸没在中，转动时由于中，转动时由于把液体把液体甩出，使甩出，使，通过，通过吸入吸入空气，转子不断把气液混合物甩向外缘，并通空气，转子不断把气液混合物甩向外缘，并通过定子分散。过定子分散。在搅拌的同时完成了充气。在搅拌的同时完成了充气。注意：注意：，。4.o在转子启动前，先用液体将在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动电机使转子浸没，然后启动电机使转子转动，转子转动，由于转子高速旋由于转子高速旋转，液体、空气在离心力的转，液体、空气在离心力的作用下作用下，被甩向叶轮外缘，被甩向叶

13、轮外缘，在这个过程中，流体便获得在这个过程中，流体便获得能量。能量。，流，流体的体的也愈大，流体离开也愈大，流体离开转子时，转子时，由由，排出的风量也越大，排出的风量也越大。六叶轮转子六叶轮转子o当流体被甩向外缘时，在当流体被甩向外缘时，在转子中心处形成负压转子中心处形成负压，转，转子转速愈大，子转速愈大，所形成的负所形成的负压也愈大，吸风量也越大，压也愈大，吸风量也越大，o通过导向通过导向而使而使气液气液，并使，并使空气在循环的发酵液中分空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在湍流裂成细微的气泡，在湍流状态下混合、翻腾、扩散，状态下混合、翻腾、扩散，o因此自吸式充气装置在因此自吸式充气装置在

14、和和的同时完成对空的同时完成对空气的气的作用作用。通过导向叶轮通过导向叶轮(定子定子)而使而使气液均匀分布甩出气液均匀分布甩出自吸式发酵罐自吸式发酵罐十字形转子十字形转子1 1、主要部件差异：搅拌器与机械罐有区别、主要部件差异：搅拌器与机械罐有区别机械罐：机械罐：敞开式叶轮敞开式叶轮，只起搅拌作用，转速较慢，只起搅拌作用，转速较慢（150-180min150-180min），另需通风；），另需通风；自吸罐：自吸罐：闭式叶轮闭式叶轮，是一个搅拌吸气装置，转速，是一个搅拌吸气装置，转速高（高（1000-1500/min1000-1500/min），自吸空气），自吸空气2 2、供氧装置差异、供氧装置

15、差异自吸式发酵罐是自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机一种不需要空气压缩机自吸式发酵罐与机械搅拌罐结构差异自吸式发酵罐与机械搅拌罐结构差异自吸式发酵罐的特点自吸式发酵罐的特点优点：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，节省空气净化系节省空气净化系统中的空气压缩机及其辅设备，减少厂房占地面积；统中的空气压缩机及其辅设备，减少厂房占地面积；节约投资；节约投资；设备简单，设备简单，减少设备投资费约减少设备投资费约30；溶氧速率高，溶氧速率高，能耗较低；能耗较低；用于用于生产效率高生产效率高；设备便于自动化、连续化；设备便于自动化、连续化；缺点：缺点：罐压较低罐压较低, ,

16、装料系数约装料系数约40。对某些产品生产对某些产品生产第四节第四节 气升式发酵罐气升式发酵罐(ALR)(ALR)：。气升环流式发酵罐的几种类型：气升环流式发酵罐的几种类型：1）外循环）外循环 2）内循环）内循环 3）内外循环）内外循环 对偶脉冲气体环流发酵罐之气升式发酵罐之气升式发酵罐BIOHOCH 反应器径向流喷射器是核心元件。空气和水相对喷入，含极大能量的水使空气分散成又细又均匀的气泡。循环管保证流向及液体充分曝气。工作原理：工作原理： 在罐外在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空

17、气喷咀，在上升管的下部装设空气喷咀，空气喷咀以空气喷咀以250300m/sm/s的速度喷入上升管的速度喷入上升管，借喷咀的作用使空气泡分，借喷咀的作用使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，使上升管的液体上升，使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，罐内液体下降而进入上升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解气量形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解气量，使发，使发酵正常进行。酵正常进行。 2 2、典型的气升环流发酵罐、典型的气升环流发酵罐 （1 1） I

18、CIICI压力循环气升发酵罐压力循环气升发酵罐 （2 2） BIOHOCHBIOHOCH多气升管废水处理生化反应器多气升管废水处理生化反应器反应溶液分布均匀反应溶液分布均匀较高的溶氧速率和溶氧效率较高的溶氧速率和溶氧效率剪切力小，对生物细胞损伤小剪切力小，对生物细胞损伤小。传热良好传热良好结构简单，易于加工制造。结构简单，易于加工制造。操作和维修方便。操作和维修方便。 v 酒精发酵设备酒精发酵设备v 啤酒发酵设备啤酒发酵设备v 连续发酵设备连续发酵设备思考题思考题1 1、酒精发酵罐的结构？、酒精发酵罐的结构？ 2 2、大型酒精发酵罐采用何种洗涤装置、大型酒精发酵罐采用何种洗涤装置 及工作原理？

19、及工作原理？3 3、新型啤酒发酵设备结构？、新型啤酒发酵设备结构？4 4、啤酒、啤酒C.C.TC.C.T绝热层与防护层采用什么材料？绝热层与防护层采用什么材料？5.5.为何酒精发酵罐的冷却装置多用蛇管为何酒精发酵罐的冷却装置多用蛇管, ,而机械搅拌而机械搅拌通风发酵罐多用列管通风发酵罐多用列管? ?6 6、简述大型简述大型啤酒发酵设备啤酒发酵设备发酵罐发酵罐CIPCIP清洗流程。清洗流程。 。一、 酒精发酵设备o满足满足酒精发酵酒精发酵的工的工艺要求艺要求 1、酒精发酵罐的结构 1，基本结构，基本结构o酒精发酵罐筒体为酒精发酵罐筒体为圆柱形圆柱形o底盖底盖和和顶盖均为碟形或锥形顶盖均为碟形或锥

20、形的的立式金属容器立式金属容器 o罐顶罐顶装有装有进料管进料管，按种管按种管，压压力表力表、各种各种测量仪表接口管、测量仪表接口管、废汽回收管废汽回收管及供及供观察清洗和检观察清洗和检修罐体内部的修罐体内部的人孔人孔等等 o罐底罐底装有装有对于对于大型发酵罐，为了便于维修和大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人清洗，往往在近罐底也装有人孔孔o罐身上下部罐身上下部装有装有取样口和温度取样口和温度计计接口接口 。 酒精发酵罐 (1)中小型发酵罐中小型发酵罐：多采用罐顶：多采用罐顶喷水淋于罐外壁喷水淋于罐外壁表面进行膜表面进行膜状冷却；状冷却；(2)大型发酵罐：大型发酵罐：由于罐外壁冷

21、由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，却面积不能满足冷却要求，所以，所以，罐内装有冷却蛇管罐内装有冷却蛇管或或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却冷却装置。装置。(3) 有有采用罐外列管式喷琳冷采用罐外列管式喷琳冷却的方法却的方法，此法具有冷却发，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效率高等优酵液均匀、冷却效率高等优点。点。 2、发酵罐的冷却装置、发酵罐的冷却装置发酵的冷却装置发酵的冷却装置中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外表面中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外表面进行膜状冷却；进行膜状冷却；对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或罐外壁罐外壁喷洒联合冷却

22、。喷洒联合冷却。 3 3. 洗涤装置洗涤装置 ：水力喷射洗涤装置水力喷射洗涤装置。 大型酒精发酵罐采用水力喷射洗涤装置水力喷射洗涤装置 (1)120m3的酒精发酵罐，的酒精发酵罐，采用采用363mm的喷的喷水管，管上开有水管，管上开有430的小孔，的小孔，两头两头喷嘴喷嘴口径为口径为9mm。(2)水力喷射洗涤装置水力喷射洗涤装置(3)大型发酵罐应采用大型发酵罐应采用高压高压强的水力喷射洗涤装置强的水力喷射洗涤装置。洗涤水压力为洗涤水压力为0.6- 0.8MPa。洗涤剂入口洗涤剂入口水力喷射洗涤装置水力喷射洗涤装置C O2成成 熟熟 发发 酵酵 醪醪糖糖蜜蜜酒酒母母123456789连续发酵 酒

23、精连续发酵流程酒精连续发酵流程连续发酵 酒精连续发酵流程酒精连续发酵流程 啤酒酿造工艺o大型大型C.C.T均采用均采用碳钢加涂料碳钢加涂料或或不不锈钢锈钢两种材料制成。两种材料制成。，能造成铁的电，能造成铁的电化学腐蚀，化学腐蚀，啤酒发酵时产生的啤酒发酵时产生的H2S、SO2对铁材料会造成氧化对铁材料会造成氧化还原腐蚀。还原腐蚀。 o啤酒发酵容器的变迁过程啤酒发酵容器的变迁过程由向演变发 酵 容 器 材 料容 器 材 料 的 变 化 。现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。我 国 大 多 数 啤 酒 发 酵 容 器为，新建的大型容器一般使用。o 。啤酒发酵设备啤酒酿造工艺啤酒发酵设备 新型啤酒发

24、酵设备 圆筒体锥底发酵槽圆筒体锥底发酵槽 新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备 锥形罐锥形罐 (2)圆柱体圆柱体+锥锥底底+冷却套冷却套 锥底：便于酵母锥底：便于酵母沉淀回收沉淀回收 冷却套：冷却套：分为分为2-32-3段，很大的罐可分段，很大的罐可分为四段为四段（一）（一）新型啤发酵设备新型啤发酵设备 HH0D60H/D = 1.56:1 锥形罐的几何尺寸锥形罐的几何尺寸H0/D = 0.866啤酒发酵设备 新型啤酒发酵设备 锥形罐的冷却装置锥形罐的冷却装置o绝热层材料应具有：导热系数低、绝热层材料应具有：导热系数低、体积质量低、吸水小、不易燃等体积质量低、吸水小、不易燃等特性。特性。常用如下材料常用如下材料（1）聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料烯泡沫塑料。采用上述两种绝热。采用上述两种绝热材料只需厚度材料只需厚度150200mm。o（2) 膨胀珍珠岩粉和矿渣棉价格膨胀珍珠岩粉和矿渣棉价格低，因吸水性大需增加厚度低，因吸水性大需增加厚度200250mm。一般采用一般采用0.71.5mm厚的合金铝板厚的合金铝板或或0.50.7mm的的不锈钢板，特别是不锈钢板，特别是更受更受欢迎欢迎。 新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备- CIP清洗系统清洗系统预冲洗预冲洗碱预洗碱预洗中间清洗中间清洗固定喷头喷洗固定喷头喷洗清水