第五章发酵罐

1、 Review Questions1. Cite some micro-organisms used widely in food industry and their corresponding products.2. How to get an ideal strain for fermentation industry? 3. Whats the purpose of inoculum development ? Cite the process of it.GENERALIZED VIEW OF BIOPROCESSRAW MATERIALSUPSTREAM PROCESSESInoc

2、ulumPreparationEquipmentSterilizationMedia FormulationandSterilizationBIOREACTOR - FERMENTERReaction Kineticsand BioactivityTransport Phenomenaand Fluid PropertiesInstrumentationand ControlDOWNSTREAM PROCESSESSeparationRecovery andPurificationWaste Recovery,Reuse and TreatmentTHE BOTTOM LINEREGULATI

3、ONECONOMICSHEALTH AND SAFETYChapter 5 FermentorThe main function of a fermentervproviding a controlled environment for the growth of microorganisms or animal cells, to obtain a desired product. 发酵罐的定义：是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。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的

4、坑。 发酵罐的类型发酵罐的类型 v1按微生物生长代谢需要分类：v好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数；v厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。v2. 按照发酵罐设备特点分类：v机械搅拌通风发酵罐：包括循环式，如伍式发酵罐，文氏管发酵罐，以及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。mechanical agitation fermentor self priming fermentorAirlift fermentorv非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气提式、液提式发酵罐，以及非循环

5、式的排管式和喷射式发酵罐。v这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。 v3按容积分类：v一般认为500L以下的是实验室发酵罐；v500-5000L是中试发酵罐；v5000L以上是生产规模的发酵罐。Fermentor sizes for various purposesvFermenters range from simple stirred tanks to complex integrated systems involving varying levels of computer input.vFermenter design

6、 involves cooperation in Microbiology, Biochemistry, Chemical Engineering, Mechanical Engineering, EconomicsvThere are 3 groups of bioreactor currently used for industrial production;- non-stirred, non-aerated- non-stirred, aerated- stirred, aerated(Beer and wine)(Antibiotics)(Biomass, eg Pruteen)嫌气

7、发酵设备密闭厌氧发酵罐 v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。v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。v它的容积常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是锥形的。v上部有物料口，冷却水口，CO2和气体出口、人孔和压力表开口等。v温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相结合，排料管在罐的底部。 一、酒精发酵罐 v酵母将糖转化为酒精高转化率条件v(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件v(2)一定的生化反应时间v(3)及时移走在生化反应过程中

8、将释放的生物热酒精发酵罐的结构要求v满足工艺要求，有利于发酵热的排出v从结构上有利于发酵液的排出v有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。 酒精发酵罐筒体结构v为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。v在酒精发酵过程中，为了回收CO2气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。v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口管等。v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接口，对于大型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。 发酵的冷却装置v对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；v对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或

9、罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置，v为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。v采用罐外列管式喷淋冷却的方法，具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。 酒精发酵罐的洗涤v过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且CO2气体一旦未彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。v近年来，酒精发酵罐已逐步采用水力喷射洗涤装置，从而改善了工人的劳动强度和提高了操作效率。大型发酵罐采用这种水力洗涤装置尤为重要。水力喷射装置v是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成v两头喷水管弯有一定的弧度v喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔v喷水管安装时呈水平v喷水管借活接头和固定供水管相连接v它是借喷水管两头喷嘴以一定

10、喷出速度而形成的反作用力，使喷水管自动旋转。v对于120m3的酒精发酵罐，采用363mm的喷水管，管上开有4430个小孔，两头喷嘴口径为9mm。 高压强的水力喷射洗涤装置v它是一根直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中央，在垂直喷水管上按一定的间距均匀地钻有4-6mm的小孔，孔与水平呈20度角，水平喷水管借活接头，上端和供水总管，下端相垂直分配管相连接，洗涤水压为0.6-0.8MPa。v水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，使其以每分钟4856转自动旋转，并以极大的速度喷射到罐壁各处，而垂直的喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体四壁和罐底。v约5min时间即可完成洗涤作业。洗涤水若用废热水，还可提

11、高洗涤效果。 二、啤酒发酵设备 v近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。v 圆筒体锥底发酵罐v 圆简体锥底立式发酵罐(简称锥形罐)，已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。v锥形罐可单独用于前发酵或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行(一罐法)。v这种设备的优点：在于能缩短发酵时间，而且具有生产上的灵活性，故能适合于生产各种类型啤酒的要求。设备特点v这种设备一般置于室外。v已灭菌的新鲜麦汁与酵母由底部进入罐内；v发酵最旺盛时，使用全部冷却夹套，维持适宜的发酵温度。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨(直接蒸发)作冷媒；vCO 2气体由罐

12、顶排出。v罐身和罐盖上均装有人孔，罐顶装有压力表、安全阀和玻璃视镜。v在罐底装有净化的CO2充气管。v罐身装有取样管和温度计接管。v设备外部包扎良好的保温层，以减少冷量损耗。 v优点：v（1）是能耗低，采用的管径小，生产费用可以降低。v（2）最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。 通风通风发酵罐发酵罐 Details of a fermenter unitThis unit can be run under aerobic or anaerobic conditions, and nutrient additions, sampling, and ferm

13、entation monitoring can be carried out under aseptic conditions. Biosensors and infrared monitoring can provide real-time information on the course of the fermentation. Specific substrates, metabolic intermediates, and final products can be detected.A large vesselMade of stainless steelEquipped with

14、 temperature, pH and dissolved oxygen measurement and control systems Common Features of a Fermentorv1.The vessel（容器） should be capable of being operated aseptically(无菌的） for a number of days and should be reliable in long-term operation and meet the requirements of containment regulations.v2.Adequa

15、te aeration（通风） and agitation(搅拌）should be provided to meet the metabolic（代谢作用） requirements of the micro-organism. However, the mixing should not cause damage to the organism.v3.Power consumption（能量消耗） should be as low as possible.v4.A system of temperature control should be provided.criteria for f

16、ermenter designcriteria for fermentor designv5.A system of pH control should be provided.v6.Sampling（取样） facilities should be provided.v7.Evaporation（蒸发） losses from the fermenter should not be excessive（过多）.v8.The vessel should be designed to require the minimal use of labour in operation, harvesti

17、ng, cleaning and maintenance（维护）.v9. Ideally the vessel should be suitable for a range of processes, but this may be restricted because of containment regulations.criteria for fermenter designv10. The vessel should be constructed to ensure smooth internal surface, using welds （焊接）instead of flange j

18、oints（法兰联接） whenever possible.v11.The vessel should be of similar geometry（几何学） to both smaller and larger vessels in the pilot plant（试验车间） or plant（车间） to facilitate scale-up（按比例增加）.v12. The cheapest materials which enable satisfactory results to be achieved should be used.v13. There should be adeq

19、uate service provisions（供应） for individual plants.通风发酵罐的基本条件通风发酵罐的基本条件 （1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。 （2）发酵罐能承受一定的压力。 （3）要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。 （5）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污，灭菌能彻底，避免染菌。 （6）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。Industrial fermentersvIndustrial fermenters usually consist of stirred vessels with one or mor

20、e impellers.vGas is usually sparged from the bottom (aerobic reactors), and therefore the design of the bottom impeller differs from the upper impellers.vCooling coils may be used for temperature control.大型发酵罐大型发酵罐搅拌装置搅拌装置一、标准通用式发酵罐一、标准通用式发酵罐 通用式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备 。在工业生产中，尤其是制药工业中，使用得最广泛的就是通用式发酵罐。这种

21、发酵罐既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部，也可置于其底部，其高径比为2:1-6:19 有关的重要因素是氧传递效率，功率输入、混合质量，搅拌桨形式和发酵罐的几何比例等。 二、发酵罐罐体的尺寸比例二、发酵罐罐体的尺寸比例 vH/D=1.7-3;vd/D=1/2-1/3;vW/D=1/8-1/12;vB/D=4/5-5/5;三、发酵罐的结构三、发酵罐的结构v1、罐体、罐体 v2、搅拌器和挡板、搅拌器和挡板 v3、消泡器、消泡器 v4、联轴器及轴承、联轴器及轴承 v5、变速装置、变速装置 v6、空气分布装置、空气分布装置v 7、轴封、轴封 v8、冷却装置、冷

22、却装置 Sparger:通气管 Baffle: 挡板空气搅拌Construction materialsvIn small scale for vessel construction glass or stainless steel may be used. vFor pilot and large scale process, stainless steel (4% chromium), mild steel (coated with glass or epoxy material), wood, plastic or concrete may be used as vessel const

23、ruction material. v smooth -surface, non-corner, non -toxic and corrosion-proof.v罐体 ：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，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。v为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。AGITATION vAgitation provides uniform suspension of cells in homogenous nutrient medium. T

24、his agitation provides bulk fluid and gas phase mixing, air dispersion, facilitates oxygen transfer and heat transfer and uniform environment through out the vessel. Impellerv搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种 Impeller performancevExample: gas dispersion retrofit comparison.vGas flow rate 13 vvm (vsg=0.1m/s). Rushto

25、n CD-6 BT-6二、发酵罐罐体的尺寸比例二、发酵罐罐体的尺寸比例 vH/D=1.7-3;vd/D=1/2-1/3;vW/D=1/8-1/12;vB/D=4/5-5/5;Sparger:通气管 Baffle: 挡板空气搅拌v罐体 ：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，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。v为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。v 消泡方式有两种：一是加入化学消泡剂消除泡沫，但高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多；v第二种

26、方式，即机械消泡。机械消泡装置主要有四种。v一是锯齿式消泡桨它安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。v二是半封闭式涡轮消泡器，它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。机械消泡装置v在搅拌轴或罐顶另外引入的轴（指搅拌轴由罐底伸入时）上装上消泡桨；形式为锯齿形、梳状式及孔板式。底部略高于液面，消泡器的长度约为罐径的0.65倍。v三是离心式消泡器，它们置于发酵罐的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。v第四种是刮板式消泡器，它安装于发酵罐的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋转的刮板中，刮板转速为10001

27、450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用，液体被甩向壳体壁上，返回罐内，气体则由汽孔排出。v 离心力消泡将泡沫注入用网眼及筛目较大的筛子做成的筐中，通过旋转产生的离心力将泡沫分散，从而达到消泡的目的。挡板BAFFLES vBaffles are metal strips that prevent vortex formation around the walls of the vessel. 挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧挡挡 板板bafflesvThese metal strips attached radially to the wall

28、 for every 1/10 of vessel diameter. Usually 4 -3 baffles are present but when the vessel diameter is over 3dm around 6-8 baffles are used. v通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件。v所谓“全挡板条件”是指在一定转速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：vD罐的直径（mm）vZ挡板数vW挡板宽度（mm） v竖立的列管，排管，也可以起挡板作用，故一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。（但冷却管

29、为盘管时，则应设挡板。）vIf needed cooling coils may be attached to baffles. v挡板的长度自液面起到罐底为止。v挡板与罐壁之间的距离为（1/51/9）W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。 联轴器联轴器v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钢性连接。v常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。轴承轴承 bearingv为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。v罐内轴承不能加润滑油，应采用液

30、体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。v轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4-0.7%，以适应温度差的变化。v罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤其是底轴承处的磨损更为严重，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套，用紧固螺钉与轴固定，这样仅磨损轴套而轴不会磨损，检修时只要更换轴套就可以了。变速装置变速装置 v试验罐采用无级变速装置，发酵罐常用的变速装置有三角皮带变速传动，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，但加工，安装精度要求高。轴轴 封封STIRRER GLANDS v轴封的作用：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。常用的轴封有填料函轴封Stu

31、ffing box和端面机械轴封Mechanical seal 两种。空气分布装置空气分布装置 v空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。v分布装置的形式有单管及环形管等。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，管口与罐底的距离约40mm，并且空气分散效果较好。v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，v空气由分布管喷出上升时，v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。Nozzle sparger: Mostly used in large scale. It is single open/partially closed

32、pipe positioned centrally below the impeller. When air is passed through this pipe there is lower pressure loss and does not get blocked. 冷却装置冷却装置 v5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管冷却（四至八组）。带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计算即3.5Kg/厘米2（绝对压力）v夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同时对罐身起加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢制造。发酵罐装料容积发酵罐装料容积v发酵罐装料容积：在一般情况下，

33、装料高度取罐圆柱部分高度，但须根据具体情况而定。采用有效的机械消泡装置，可以提高罐的装料量。管道及阀门管道及阀门 v管道 与发酵罐连接的管道有水管、料管、空气管和蒸汽管 发酵罐内的冷却蛇管与发酵罐内直接相连的料管等，最好采用不锈钢管。 管径选取的流速是：上水管12ms；料管0.51.0ms；空气管1015ms；蒸汽1520ms。 阀门 阀门是发酵罐的重要组成，它被用于调节控制气体和液体的流量。阀门的选取应考虑：用于什么目的；阀门的材料是否耐温、耐压等；连接方式；经济成本；操作方式。 二、发酵罐罐体的尺寸比例二、发酵罐罐体的尺寸比例 vH/D=1.7-3;vd/D=1/2-1/3;vW/D=1/

34、8-1/12;vB/D=4/5-5/5;Sparger:通气管 Baffle: 挡板空气搅拌v罐体 ：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，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。v为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。v 消泡方式有两种：一是加入化学消泡剂消除泡沫，但高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多；v第二种方式，即机械消泡。机械消泡装置主要有四种。v一是锯齿式消泡桨它安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。v二是半封闭式涡轮消泡器，它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。机械消泡装置v在搅拌轴或罐顶另外引入的轴（