第六章 通风发酵罐

1、第六章第六章 发酵设备发酵设备 第一节第一节 发酵设备概述发酵设备概述 n发酵主要设备发酵主要设备: :发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料 （培养基）调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除 菌设备，以及搅拌器等。 n种子罐种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。 n发酵罐发酵罐：承担产物的生产任务。 它必须能够提供微生物 生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证 工艺条件的实现，从而获得高产。 发酵罐系统发酵罐系统 优良发酵罐装置要求优良发酵罐装置要求： （1）应具有严密的结构 （2）良好的液体混合特性 （3）好的传质传热速率 （4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表 发酵罐的

2、类型发酵罐的类型 1 1按微生物生长代谢需要分类按微生物生长代谢需要分类 好气好气：抗生素、酶制剂、酵母单细胞、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，提高氧在发酵液中的传质系数。 厌气：厌气：酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。 2. 按照发酵罐设备特点分类：按照发酵罐设备特点分类： 机械搅拌通风发酵罐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发酵罐和自吸发酵罐等。 非机械搅拌通风发酵罐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，以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。 这两类发酵罐是采用不同的手段使发酵罐内的气、固、

3、 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。 发酵罐的类型发酵罐的类型 3按容积分类按容积分类 实验室发酵罐 中试发酵罐 生产规模的发酵罐 发酵罐的类型发酵罐的类型 第二节第二节 通风发酵设备通风发酵设备 通用式机械搅拌发酵罐通用式机械搅拌发酵罐 n通用式机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。 n在工业生产中，尤其是制药工业中，通用式机械搅拌发酵 罐是最广泛应用的深层好气培养设备 。 n这种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。 n有关的重要因素是氧传递效率氧传递效率，功率输入功率输入、混合质量混合质量，搅搅

4、拌桨形式拌桨形式和发酵罐的几何比例发酵罐的几何比例等。 通用式机械搅拌发酵罐通用式机械搅拌发酵罐 n优点：优点：使用性好、适应性强、易放大。 n缺点：缺点：罐内的机械搅拌剪切力大，容易损伤细胞，造成 某些细胞培养过程的减产。 机械搅拌发酵罐基本条件机械搅拌发酵罐基本条件 （1）发酵罐应具有适宜的高径比。 （2）发酵罐能承受一定的压力。 （3）要保证发酵液必需的溶解氧。 （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，灭菌能彻底，避免染菌。 （6）搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。 通用型机械搅拌通用型机械搅拌发酵罐罐体的尺寸比例发酵罐罐体的尺寸比例 1.73.0 11 23 11

5、 812 0.81.0 13 L H D d D W D B D s d s B d H W D H 两 搅 拌 桨 间 的 距 离 m 下 搅 拌 桨 距 底 部 的 间 距 m 搅 拌 器 直 径 m 发 酵 罐 筒 身 高 度 m 挡 板 宽 度 m 发 酵 罐 内 径 m 罐 内 液 位 高 度 m 发酵罐发酵罐 通用型机械搅拌通用型机械搅拌发酵罐的结构发酵罐的结构 n1、罐体、罐体 n2、搅拌器和挡板、搅拌器和挡板 n3、消泡器、消泡器 n4、联轴器及轴承、联轴器及轴承 n5、变速装置、变速装置 n6、空气分布装置、空气分布装置 n 7、轴封、轴封 n8、控温装置、控温装置 n9、附

6、属设施附属设施 罐体罐体 n壳体：壳体：提供一个封闭的环境，防止杂菌污染。 n制造材料：制造材料：由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成， 材料为碳钢碳钢或不锈钢不锈钢，对于大型发酵罐可用不锈钢板 或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。 n压力要求：压力要求：为了满足工业要求，在一定压力下操作、 空消或实消，发酵罐为一个受压容器，通常灭菌的压 力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。 搅拌器搅拌器 n搅拌装置搅拌装置：多采用涡轮搅拌桨，一般在一根轴上安装多个 搅拌桨，搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。 n搅拌器种类搅拌器种类：平叶式平叶式、弯叶式弯叶式、箭叶式箭叶式 n作用：作用

7、：打碎气泡，使氧溶解于醪液中，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。 消泡装置消泡装置 n机械消泡。机械消泡装置主要有四种。 n一、锯齿式消泡桨一、锯齿式消泡桨：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。 n二、半封闭式涡轮消泡器二、半封闭式涡轮消泡器：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。 消泡装置消泡装置 n三、离心式消泡器三、离心式消泡器：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。 n四、刮板式消泡器四、刮板式消泡器：安装于发酵 罐的排气口处

8、，泡沫从气液进口进到高速 旋转的刮板中，刮板转速为10001450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用， 液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则 由汽孔排出。 挡挡 板板 n挡板作用：挡板作用：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。 n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。 挡挡 板板 nD罐的直径（mm） nZ挡板数 nW挡板宽度（mm） 所谓“全挡板条件全挡板条件”是指在一定转速下，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： 全挡板条件下的搅拌流型 挡挡 板板 n竖立的列管，排管，也可 以起挡板

9、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 管为盘管时，则应设挡板。 n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。 思考题思考题 n优良发酵罐装置要求是什么？优良发酵罐装置要求是什么？ n机械搅拌发酵罐基本条件？机械搅拌发酵罐基本条件？ 联轴器及轴承联轴器及轴承 n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。 n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。 n什么是刚性连接什么是刚性连接？ 联轴器及轴承联轴器及轴承 n为了减少震动，中型发酵罐

10、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。 n罐内轴承不能加润滑油，应采用液体 润滑的塑料轴瓦（如聚四氟乙烯等）。 n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 变速装置变速装置 n发酵罐采用无级变速装置，发酵 罐常用的变速装置有三角皮带三角皮带， 圆柱圆柱或圆锥齿轮变速装置圆锥齿轮变速装置，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。 变速装置变速装置 n自动化程度较高的发酵罐，采用可控变频装置可控变频装置，根据 溶氧测定仪连续测定发酵液中溶解氧浓度的情况，并 按照微生物生长的耗氧情况及发酵情况，随时

11、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。 空气分布装置空气分布装置 n空气分布装置作用空气分布装置作用：吹入无菌空气，并使空 气均匀分布。 n分布装置形式：分布装置形式：空气分布器有带孔的平板、 带孔的盘管或只用单孔管等。常用的为单管单管 式式，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，开口 往下，可尽量避免固体物料在管口堆积或在 罐底沉降。 n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。 轴轴 封封 n轴封的作用：轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防 止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填

12、料函轴封填料函轴封和端面轴封端面轴封 两种。 n安装在旋转轴与设备之间 的部件，它的作用是阻止工 作介质（液体、气体）沿转 动轴伸出设备之处泄漏。 控温装置控温装置 n控温部分：控温部分：在发酵罐上装有测温的传感 仪及冷却和加热用的夹套或盘管。 n5M3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）。 n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。 n进出料口：进出料口：主要为进料和出料用，同时还有补料 口等。 n测量系统：测量系统：传感系统，用以测量pH、溶氧等，传 感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。

13、 n附属系统：附属系统：视镜。 发酵罐装料容积发酵罐装料容积 n发酵罐装料容积：发酵罐装料容积： n在一般情况下，装料高度取决于罐圆柱部分高度， 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。 第三节发酵罐类型第三节发酵罐类型 通用式机械搅拌发酵罐通用式机械搅拌发酵罐 n1、罐体罐体 n2、搅拌器和挡板搅拌器和挡板 n3、消泡器消泡器 n4、联轴器及轴承联轴器及轴承 n5、变速装置变速装置 n6、空气分布装置空气分布装置 n 7、轴封轴封 n8、控温装置控温装置 n9、附属设施附属设施 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 分类：分类： 回转翼片式自吸搅拌器； 喷射式自吸搅拌器； 具

14、有转子和定子的自吸搅拌器。 优点：优点：不需要压缩机提供压缩空气，节省 设备费。 缺点缺点：进罐空气处于负压，增加染菌机会， 且搅拌转速很高，有可能使菌丝被切 断，使正常生长受到影响。 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 n具有转子和定子搅拌器的吸气原理：具有转子和定子搅拌器的吸气原理： 浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体 和空气在离心力离心力的作用下，被甩向叶轮 外缘。这时，转子中心处形成负压转子中心处形成负压，转 子转速愈大，所造成的负压也愈大。由 于转子的空膛与大气相通，发酵罐外的 空气通过过滤器不断地被吸入，随即甩 向叶轮外缘，再通过导向叶轮使气液均 匀分布甩出。转子的搅拌，又使气液在 叶轮周围形

15、成强烈的混合流，空气泡被 粉碎，气液充分混合。 四弯叶自吸式叶轮转子模型 定子模型 四弯叶自吸式叶轮转子和定子 结构 六直叶自吸式叶轮转子模型 塔式发酵罐塔式发酵罐 n塔式发酵罐：塔式发酵罐： 直立长圆筒，筒内安装孔板，有的还在罐内安 装搅拌器，罐壁四周装挡板。与分批的机械搅拌 发酵罐类似，有的塔顶横截面扩大，可以降低流 速并截留液体夹带的悬浮物。发酵液和空气可以 并流，也可逆流。 n 罐的特点：罐的特点： 罐身高，高径比为6；土霉素等生产用的设备， 高径比达到7。由于液位高，空气利用率高，节 省空气约5%，节省动力约30%，但底部存在沉淀 现象。 气升式发酵罐气升式发酵罐 n气升式发酵罐：气升式发酵罐：称为气流搅拌发酵罐， 不用机械搅拌，借通风起到搅拌作用 并