第8章 发酵罐

1、第八章第八章 发酵罐发酵罐(p14-24)(p14-24)目的要求：目的要求：v了解发酵工业常用的设备了解发酵工业常用的设备v熟悉发酵罐种类及其性能熟悉发酵罐种类及其性能几个问题几个问题:v1、发酵罐、发酵罐v2、发酵罐的作用、发酵罐的作用v3、发酵罐的分类、发酵罐的分类v4、发酵罐的结构、发酵罐的结构v5、其他发酵设备、其他发酵设备本章内容：本章内容：v第一节发酵设备概述第一节发酵设备概述v第二节发酵罐的类型与结构第二节发酵罐的类型与结构v第三节固体发酵设备第三节固体发酵设备第一节第一节 发酵设备概述（发酵设备概述（p14-16p14-16）v发酵主要设备：发酵罐和种子罐。v种子罐：以确保发

2、酵罐培养所必需的菌体量为目的。v发酵罐：承担产物的生产任务。v它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条条件件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。一、发酵罐一、发酵罐v发酵罐：发酵罐：是为一个特定生物化学过程的操是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的作提供良好而满意的环境环境的容器。的容器。v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；v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坑。二、发酵罐的发展历史二、发酵罐的发展历史v 共分为五段：共分为五段：v 第一阶段第一阶段: :19001900年以前，是现代发酵罐的

3、雏形，它带有简单年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的的温度和热交换仪器温度和热交换仪器。v 第二阶段第二阶段: :1900190019401940年，出现了年，出现了200m200m3 33 3的钢制发酵罐，在面的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用包酵母发酵罐中开始使用空气分布器空气分布器，机械搅拌开始用在小，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。型的发酵罐中。v 第三阶段：第三阶段：1940194019601960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测参数检测和和控制控制方

4、面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pHpH电极和溶电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。和纯化设备逐步实现商品化。v第四阶段：第四阶段：19601979年。机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80150m33。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服一些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。v第五阶段：第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵

5、罐应运而生，胰岛素、干扰素等基因工程的产品走上商品化。 三、发酵罐的特点三、发酵罐的特点v（1 1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种纯种培养培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的此，发酵罐的严密性严密性，运行的，运行的高度可靠性高度可靠性是发酵是发酵工业的显著特点。工业的显著特点。v（2 2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向酵罐更加趋向大型化和自动化大型化和自动化发展。发展。v在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、溶解氧电极、溶

6、解CO2电极等的在线检测在国外巳相当成熟。国内目前尚处于起步阶段，发酵检测参数还只限于温度、压力、空气流量等一些最常规的参数。 四、发酵罐的种类四、发酵罐的种类（p15-16p15-16）v1按微生物生长代谢需要分类v2. 按照发酵罐设备特点分类v3按容积分类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v好氧：好氧：v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厌氧：厌氧：v丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。2. 2. 按照发酵罐设备特点分类按照发酵罐设备特点分类v机械搅拌通风发酵罐：

7、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。v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。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。 3 3按容积分类按容积分类v实验室发酵罐:v50L以下的是实验室发酵罐；v中试发酵罐：v505000L是中试发酵罐；v生产规模的发酵罐：v5000L以上是生产规模的发酵罐。五、典型发酵设备五、典型发酵设备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辅助设备辅助设备( (无菌空气和培养基

8、的制备无菌空气和培养基的制备) )v发酵液预处理设备（粉碎、除尘等）发酵液预处理设备（粉碎、除尘等）v粗产品的提取设备粗产品的提取设备v产品精制与干燥设备产品精制与干燥设备v流出物回收、利用和处理设备流出物回收、利用和处理设备第二节第二节 发酵罐的类型与结构发酵罐的类型与结构（p17-31p17-31）v根据反应是否需要氧气微生物反应器可分为根据反应是否需要氧气微生物反应器可分为: :v一、厌氧发酵罐（厌氧微生物反应器）一、厌氧发酵罐（厌氧微生物反应器）v二、通气发酵罐（需氧微生物反应器）二、通气发酵罐（需氧微生物反应器）一、一、 厌氧发酵罐（厌氧发酵罐（p30-31p30-31）v（一） 厌

9、氧发酵罐的基本特征v（二） 酒精发酵罐v（三） 啤酒发酵设备v（四） 丙酮丁醇发酵罐（一）厌氧发酵罐的基本特征（一）厌氧发酵罐的基本特征v能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽能封闭；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。量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。v它的容积常大于它的容积常大于50m50m3 3，H:D=1H:D=12 2，罐的上、下部，罐的上、下部都是锥形的。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，COCO2 2和气体出口、人孔和气体出口、人孔和压力表开口等。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温度控

10、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。合，排料管在罐的底部。v酒精酒精和和啤酒啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵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，都比好气发酵设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。设备简单得多。（二）酒精发酵罐（二）酒精发酵罐v酵母将糖转化为酒精高转化率的条件：酵母将糖转化为酒精高转化率的条件：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将释放的生物热。酒精发酵罐的结构要求：酒精发酵罐的结构要求：v满足工艺

11、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。 酒精发酵罐的筒体结构（酒精发酵罐的筒体结构（p31）v为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。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，为了回收二氧化碳气体及其在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。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、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。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；罐底装有排料口和排污

12、口；v罐身上下部装有取样口和温度计接口，对于大型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，往往在近罐底也发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。装有人孔。 酒精发酵罐结构发酵的冷却装置发酵的冷却装置v中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却。进行膜状冷却。v大型发酵罐：罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置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

13、的洗涤酒精发酵罐的洗涤v过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且CO2气体一旦末彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。v近年来，酒精发酵罐巳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。酒精连续发酵流程酒精连续发酵流程CO2成熟发酵醪成熟发酵醪糖糖蜜蜜酒酒母母（三）啤酒发酵设备（三）啤酒发酵设备v1、啤酒发酵容器的发展v2、新型啤酒发酵设备1 1、啤酒发酵容器的发展、啤酒发酵容器的发展v（1）发酵容器材料的变化）发酵容器材料的变化v（2）开放式向密闭式转换）开放式向密闭式转换v（3）密闭容器的演变）密闭容器的演变v大型的啤酒发酵罐：大型的啤酒发酵罐：v奈坦罐、联合罐、朝日罐

14、（1 1）发酵容器材料的变化）发酵容器材料的变化v由陶器由陶器木材木材水泥水泥金属材料演变。金属材料演变。v现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。v我国大多数啤酒发酵容器为内有涂料的我国大多数啤酒发酵容器为内有涂料的钢筋水泥钢筋水泥槽槽，新建的大型容器一般使用，新建的大型容器一般使用不锈钢不锈钢。（2 2）开放式发酵容器向密闭式转变）开放式发酵容器向密闭式转变v小规模生产用小规模生产用开放式开放式。v对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。浓度的测定等比较方便。v大规模用大规模用密闭式密闭式。v从开放式转向密闭

15、发酵的最大问题是发从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的酵时被气泡带到表面的泡盖泡盖的处理。可的处理。可用吸取法分离泡盖。用吸取法分离泡盖。（3 3）密闭容器的演变）密闭容器的演变v原来：是在开放式长方形容器上面加弓形盖子的原来：是在开放式长方形容器上面加弓形盖子的密闭发酵槽；密闭发酵槽；v随着技术革新过渡到：用钢板、不锈钢或铝制的随着技术革新过渡到：用钢板、不锈钢或铝制的卧式圆筒形发酵罐（卧式圆筒形发酵罐（A）。）。v后来：是立式圆筒体锥底发酵罐（后来：是立式圆筒体锥底发酵罐（B）。）。v目前使用的大型发酵罐主要是立式罐：目前使用的大型发酵罐主要是立式罐：v如奈坦罐、联合罐、

16、朝日罐等。如奈坦罐、联合罐、朝日罐等。2、新型啤酒发酵设备、新型啤酒发酵设备v（1） 圆筒体锥底发酵罐（圆筒体锥底发酵罐（ C.C.T ）v圆简体锥底立式发酵罐（简称锥形罐），已广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。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）。前、后发酵合并在该罐进行（一罐法）。v设备的优点：设备的优点：在于能缩短发酵时间，而且具有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生产上的灵活性，故能适合于生产各种类型啤酒的

17、要求。酒的要求。锥形罐锥形罐隔热层和防护层隔热层和防护层绝热层：绝热层：常用聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。常用聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。采用上述两种绝热材料只需厚度采用上述两种绝热材料只需厚度150200mm。膨胀珍。膨胀珍珠岩粉和矿渣棉价格低，因吸水性大需增加厚度珠岩粉和矿渣棉价格低，因吸水性大需增加厚度200250mm。外防护层：外防护层：一般采用一般采用0.71.5mm厚的合金铝板或厚的合金铝板或0.50.7mm的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎。的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎。 2、设备的特点v一般置于室外。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；已灭

18、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，也可发酵温度。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨使用氨( (直接蒸发直接蒸发) )作冷媒；作冷媒；vCOCO2 2气体由罐顶排出。气体由罐顶排出。v罐身和罐盖上均装有人孔，罐顶装有压力表、安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。全阀和玻璃视镜。v在罐底装有净化的在罐底装有净化的COCO2 2充气管。充气管。v罐身装有取样管和温度计接管。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。设备外部

19、包扎良好的保温层，以减少冷量损耗。 v优点：优点：v（1 1）能耗低，采用的管径小，生产费用可以降低。）能耗低，采用的管径小，生产费用可以降低。v（2 2）最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底阀门，）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。把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。 3、发展趋势、发展趋势v近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达容量已达15001500吨吨。v大型化的目的是：大型化的目的是：v由于大型化，使啤酒质量均一化；由于大型

20、化，使啤酒质量均一化；v由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低了主要设备的投资。降低了主要设备的投资。4、CIP清洗系统清洗系统v啤酒发酵罐的容量正在逐步增大，这类发酵罐大部分安装在室外，原来的清洗方法已不适用，必须采用自动化的喷洗装置。采用较多的是CIP清洗系统。vCIPCIP系统：是系统：是clean in placeclean in place的简称，即内部的简称，即内部清洗系统清洗系统。vCIP循环单位设在酒库内，包括微型开循环单位设在酒库内，包括微型开关（控制清洗液的进出）、控制盘、关（控制清洗液的进出）、控制盘、CIP供应泵、污水泵、水箱。

21、供应泵、污水泵、水箱。CIP清洗系统（流程）清洗系统（流程）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冲洗清水冲洗酸冲洗酸冲洗碱喷洗碱喷洗5 5、啤酒连续发酵罐的种类、啤酒连续发酵罐的种类v 1 1两个搅拌罐两个搅拌罐和和一个酵母一个酵母分离罐分离罐串联起来，加入酒串联起来，加入酒花的麦芽汁流加入第一个花的麦芽汁流加入第一个搅拌罐，经发酵后，成熟搅拌罐，经发酵后，成熟啤酒从分离罐中流出。这啤酒从分离罐中流出。这种流程已达到日产种流程已达到日产100m100m3 3的的规模。规模。v 2 2由数个高度由数个高度6 69m9m的塔的塔式发酵罐式发酵罐串联串联起来，附加起来

22、，附加一些酵母分离和啤酒贮藏一些酵母分离和啤酒贮藏设备。设备。v 还有一个由主发酵塔和一还有一个由主发酵塔和一个发酵塔组成，发酵周期个发酵塔组成，发酵周期4040、50h50h，连续发酵两个月，连续发酵两个月，各项经济指标均优于间歇各项经济指标均优于间歇法。法。v间歇发酵：间歇发酵：操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。设备利用率低。v连续发酵：连续发酵：培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，发酵周期短，设备利用率和生产效率高，易于自发酵周期短，设备利用率和生产效率高，易于自动化生产。动化生产。v连续发酵存在的问题：连续

23、发酵存在的问题：v（1）微生物的突变）微生物的突变v（2）染菌）染菌v（3）混合均匀度）混合均匀度v（4）丝状菌的输送）丝状菌的输送啤酒连续发酵流程啤酒连续发酵流程-塔式连续发酵流程塔式连续发酵流程啤酒连续发酵流程啤酒连续发酵流程-塔式发酵塔式发酵啤酒连续发酵流程啤酒连续发酵流程-多罐式连续发酵多罐式连续发酵（四）丙酮（四）丙酮丁醇发酵罐丁醇发酵罐v生产丙酮、丁醇的发酵罐比酒精发酵罐高，罐身需承受高压，罐壁较厚，用钢板制成。顶盖和底部采用球形封头，罐内表面平整光滑，无内部件，采用表面喷淋冷却。v种子罐采用夹套冷却。二、二、 通气发酵罐通气发酵罐（p17-23p17-23）v思考几个问题：思考几

24、个问题：v1、好氧发酵的含义、好氧发酵需要哪些条件？、好氧发酵的含义、好氧发酵需要哪些条件？v2、好氧发酵罐与厌氧发酵罐的主要区别？、好氧发酵罐与厌氧发酵罐的主要区别？v3、好氧发酵罐的结构应有哪些部分组成？、好氧发酵罐的结构应有哪些部分组成？对比两个图：对比两个图：图图1图图2通气发酵罐的类型通气发酵罐的类型v （一）（一） 机械搅拌通气发酵罐机械搅拌通气发酵罐v 工作原理v 几何尺寸v 结构v 通气与搅拌 v 热量传递v （二）（二）自吸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v （三）气升式发酵罐（三）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

25、v （四）（四）塔式发酵罐塔式发酵罐（一）机械搅拌通气发酵罐（一）机械搅拌通气发酵罐（p17-19p17-19）v1、机械搅拌通气发酵罐机械搅拌通气发酵罐v也称标准式或通用式发酵罐，它是利用机械搅拌器的作用，使通入的无菌空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以满足微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气，同时强化热量的传递。v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。 玻璃搅拌发酵罐玻璃搅拌发酵罐 不锈钢搅拌发酵罐不锈钢搅拌发酵罐 自动玻璃发酵罐自动玻璃发酵罐2 2、发酵罐的基本特征、发酵罐的基本特征（p16p16）v（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高

26、，氧）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。的利用率较高。v（2）发酵罐能承受一定的压力。）发酵罐能承受一定的压力。v（3）其搅拌通风装置要保证发酵液必需的溶解氧。）其搅拌通风装置要保证发酵液必需的溶解氧。v（4）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏污积垢，）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏污积垢，能彻底灭菌，避免染菌。能彻底灭菌，避免染菌。v（5）发酵罐应具有足够的冷却面积。）发酵罐应具有足够的冷却面积。v（6）搅拌器的轴封应严密，以减少泄漏。）搅拌器的轴封应严密，以减少泄漏。3 3、通用式发酵罐的特点、通用式发酵罐的特点（p17）v优点：优点：v（1）保证发酵所需要的氧气。）保证发酵

27、所需要的氧气。v（2）pH和温度容易控制。和温度容易控制。v（3）尺寸放大的方法大致已确定。）尺寸放大的方法大致已确定。v缺点：缺点：v（1）需要增加消泡剂的用量。）需要增加消泡剂的用量。v（2）搅拌功率消耗大。）搅拌功率消耗大。 v （3）因罐内结构复杂，不易清洗干净，易被）因罐内结构复杂，不易清洗干净，易被杂菌污染。此外，虽装有无菌密封装置，但在杂菌污染。此外，虽装有无菌密封装置，但在轴承处还会发生杂菌污染。轴承处还会发生杂菌污染。v （4）培养丝状菌时，常用搅拌桨叶的剪切力）培养丝状菌时，常用搅拌桨叶的剪切力致使菌丝易被切断，细胞易受损伤。致使菌丝易被切断，细胞易受损伤。4、通用式发酵罐

28、的几何尺寸（、通用式发酵罐的几何尺寸（p17）v H/D=1.74v d/D=1/21/3v W/D=1/81/12v B/D=0.81.0v (s/d)2=1.52.5v (s/d)3=12v 式中：式中：v H：发酵罐筒身高度，：发酵罐筒身高度，mv D：发酵罐内径，：发酵罐内径，mv d：搅拌器直径，：搅拌器直径，mv W ：挡板的宽度，：挡板的宽度，mv B：下搅拌桨距底部的间距，：下搅拌桨距底部的间距，mv s：两搅拌桨的间距，：两搅拌桨的间距，mv 其容积从几升到几百上千立其容积从几升到几百上千立v 方米的都有。方米的都有。5 5、简单的通用式发酵罐的结构、简单的通用式发酵罐的结构

29、1、罐体罐体 2、搅拌器和挡板搅拌器和挡板 3、消泡器消泡器 4、联轴器及轴承联轴器及轴承 5、空气分布装置空气分布装置6、轴封轴封 7、冷却装置冷却装置 通气发酵罐的结构通气发酵罐的结构v 1轴封轴封 ； 2、20人孔；人孔； v 3梯；梯； 4联轴；联轴；v 5中间轴承；中间轴承； 6温度计接口；温度计接口；v 7搅拌叶轮；搅拌叶轮； 8进风管；进风管；v 9放料口；放料口； 10底轴承；底轴承；v 11热电偶接口；热电偶接口；12冷却管；冷却管；v 13搅拌轴；搅拌轴； 14取样管；取样管；v 15轴承座；轴承座； 16传动皮带；传动皮带；v 17电机；电机； 18压力表；压力表；v 1

30、9取样口；取样口； 21进料口；进料口；v 22补料口；补料口； 23排气口；排气口；v 24回流口；回流口； 25视镜；视镜； 发酵罐顶部的结构发酵罐顶部的结构（1）罐）罐 体体v材料为碳钢或不锈钢。材料为碳钢或不锈钢。v为了满足工业要求，在一定压力和温度下为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐体为一个受压耐温容器，通常要操作，罐体为一个受压耐温容器，通常要求耐受求耐受130和和0.25MPa（绝对压力）。（绝对压力）。v罐体的顶部设有：人孔、窥镜、压力表接管、进料管、补料管、排气管、接种管、取样管等。v罐身上设有：冷却水进出管、空气进管、温度计管、测控仪器接口等。分类：分类：涡轮式和

31、推进式等。涡轮式和推进式等。作用：作用：打碎空气气泡，增加气液接触界面，以提高气液间的打碎空气气泡，增加气液接触界面，以提高气液间的传质速率，传质速率， 使氧溶解于发酵液中，同时也是为了使发酵液使氧溶解于发酵液中，同时也是为了使发酵液充分混合，液体中的固形物料保持悬浮状态。充分混合，液体中的固形物料保持悬浮状态。（2）搅拌器搅拌器的流向：径向流动搅拌器的流向：径向流动（为主）、轴向流动（兼顾）（为主）、轴向流动（兼顾）v 通用式发酵罐大多采用通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器，为了避免气泡在阻力较小的，为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部位沿着轴周边上升逸出，在搅拌器中央带有搅拌器中

32、心部位沿着轴周边上升逸出，在搅拌器中央带有圆盘圆盘。v 常用的涡轮搅拌器有：平叶式、弯叶式和箭叶式。常用的涡轮搅拌器有：平叶式、弯叶式和箭叶式。v 在相同的搅拌功率下粉碎气泡的能力的大小是：平叶搅拌器大于弯在相同的搅拌功率下粉碎气泡的能力的大小是：平叶搅拌器大于弯叶搅拌器，弯叶搅拌器大于箭叶式搅拌器；但其翻动流体的能力则叶搅拌器，弯叶搅拌器大于箭叶式搅拌器；但其翻动流体的能力则与上述情况相反。与上述情况相反。（3）挡）挡 板板v 改变液流的方向，由改变液流的方向，由径向径向流改为流改为轴向轴向流，促使液体激烈翻流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。通常挡板宽度取动，增加溶解氧。通常挡板宽度取(0.

33、1(0.10.12)D0.12)D，装设，装设4 46 6块即可满足全挡板条件。块即可满足全挡板条件。v 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附件而是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。轴功率仍保持不变。 无挡板的搅拌器形成的流型无挡板的搅拌器形成的流型 有挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型（4）轴）轴 封封v 作用：作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封加以密封，防止泄露，防止泄露和污染杂菌。和污染杂菌。v 常用的轴封有两种：常用的轴封有两种：v 填料函轴封：填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧由填料箱体

34、，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。压紧螺栓压紧螺栓填料箱体填料箱体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v 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（弹簧、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互贴合，并作相对转动而达到密封。相互贴合，并作相对转动而达到密封。转轴转轴 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（5）空气分布器）空气分布器v 空气分布器的作用：吹入无菌空气，

35、并使空气均匀分布。空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。v 分布装置的形式：分布装置的形式：单管单管及及环形管环形管等，常用的分布装置有等，常用的分布装置有单管式。单管式。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。v 空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并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。与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。v 通常通风管的空气流速取通常通风管的空气流速取20m/s。v 为了防止从分布管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底为了防止从分布管吹入的空气直接喷击罐底，加

36、速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强不锈钢补强。可延长罐底寿命。可延长罐底寿命。（6）消泡装置）消泡装置v 消泡装置：安装在发酵罐内消泡装置：安装在发酵罐内转动轴的上部转动轴的上部，齿面略高于齿面略高于液面，液面，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两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。相的装置。当少量泡沫上升时，转动的耙齿就可以把泡当少量泡沫上升时，转动的耙齿就可以把泡沫打碎，达到消泡的目的。沫打碎，达到消泡的目的。v 机械消泡装置：最简单实用为机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器耙式消泡器，此外还有涡，此外还有涡轮消泡

37、器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、刮片式消轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、刮片式消泡器等。泡器等。耙式消泡器耙式消泡器旋风离心式旋风离心式叶轮离心式叶轮离心式（7）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。v 常用的联轴器形式：鼓形、夹壳形。常用的联轴器形式：鼓形、夹壳形。v 小型发酵罐：采用法兰将搅拌轴连接。小型发酵罐：采用法兰将搅拌轴连接。联轴器法兰（8 8）轴）轴 承承v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；v大型发酵罐

38、：还装有中间轴承。大型发酵罐：还装有中间轴承。v罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑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，聚四氟乙的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。烯等）。中间轴承中间轴承底轴承底轴承（9）传热装置）传热装置v发酵用的传热装置：发酵用的传热装置：v夹套：夹套：一般小型发酵罐多采用外夹套作为一般小型发酵罐多采用外夹套作为传热装置。传热装置。v排管：排管：大中型发酵罐多采用排管换热器。大中型发酵罐多采用排管换热器。v这是因为罐的容积愈大，其单位体积培养液具有的周壁表面愈小，排管同时还可起挡板的作用。 夹套传热夹套传热 排管传排管传热热发酵罐的冷却

39、装置发酵罐的冷却装置 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适用用范范围围5m3以下小发酵罐以下小发酵罐大型发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优点点结构简单，加工容易，结构简单，加工容易，罐内死角少，容易清罐内死角少，容易清洗灭菌洗灭菌流速大，传热系数大，流速大，传热系数大，降温效果较好。降温效果较好。加工方便，提高传加工方便，提高传热推动力的温差。热推动力的温差。缺缺点点传热壁较厚，冷却水传热壁较厚，冷却水流速低，降温效果差流速低，降温效果差。冷却水较高时，降温冷却水较高时，降温困难，弯曲位置易腐困难，弯曲位置易腐蚀。蚀。用水量较

40、大。用水量较大。思考题：思考题：v通用式发酵罐在结构上比厌氧发酵罐多了通用式发酵罐在结构上比厌氧发酵罐多了哪些部分？哪些部分？（二）机械搅拌自吸式发酵罐（二）机械搅拌自吸式发酵罐（p19-21p19-21） v自吸式发酵罐：自吸式发酵罐：不需空气压缩机提供加压空气，而不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。v它与通用发酵罐的主要区别是：它与通用发酵罐的主要区别是：有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成；没有通气管。v应用：应用：医

41、药工业、酵母工业、葡萄糖酸钙、维生素医药工业、酵母工业、葡萄糖酸钙、维生素C C、酵母、蛋白酶、食醋发酵、生化曝气等。、酵母、蛋白酶、食醋发酵、生化曝气等。v类型类型：弗盖布氏（弗盖布氏（Vogebusch）发酵罐、文氏管发）发酵罐、文氏管发酵罐。酵罐。自吸式发酵罐的结构自吸式发酵罐的结构1、工作原理、工作原理v 具有转子和定子的搅拌器的吸气原理：具有转子和定子的搅拌器的吸气原理： 浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空气在离心力的浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘。这时，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

42、的负压也愈大。由于转子的空膛转子转速愈大，所造成的负压也愈大。由于转子的空膛与大气相通，与大气相通，发酵罐外的空气通过过滤器不断地被吸入，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，再通过异向叶轮使气液均匀分布甩随即甩向叶轮外缘，再通过异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成强烈的混合出。转子的搅拌，又使气液在叶轮周围形成强烈的混合流，空气泡被粉碎，气液充分混合。流，空气泡被粉碎，气液充分混合。 2、自吸式发酵罐优点、缺点、自吸式发酵罐优点、缺点v优点：优点：v(1)(1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减

43、少厂房面积；投资，减少厂房面积；v(2)(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；v(3)(3)生产效率高、经济效率高；生产效率高、经济效率高；v(4)(4)设备便于自动化、连续化。设备便于自动化、连续化。v缺点：缺点：v较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为过滤系统，罐压较低，装料系数约为4040。3、文氏管自吸式发酵罐、文氏管自吸式发酵罐利用文氏利用文氏罐罐喷射吸喷射吸气装置气装置进进行混合和行混合和溶氧传质溶氧传质。文氏吸气管文氏吸气管液体喷射吸气装置液体喷射吸气装置（三）气

44、升式发酵罐（空气（三）气升式发酵罐（空气带升式发酵罐）带升式发酵罐）p21-22p21-22v气升式发酵罐：气升式发酵罐：也称为气流搅拌发酵罐，也称为气流搅拌发酵罐，不用机械搅拌，借不用机械搅拌，借通风通风起到搅拌作用并供起到搅拌作用并供给氧气。给氧气。v原理：原理：它是利用空气的动力使液体在循环罐中上升，并沿一定路线循环的发酵罐。 v类型：类型：气升环流式、塔式、空气喷射式等。气升环流式、塔式、空气喷射式等。1、工作原理（、工作原理（P21）v 在罐外装设上升管，上升管两在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统。成一个循环系统。v 在上升管

45、的在上升管的下部装设空气喷咀下部装设空气喷咀，空气喷咀以空气喷咀以250250300m/s300m/s的速度的速度喷入上升管，借喷咀的作用使喷入上升管，借喷咀的作用使空气泡分割细碎，与上升管的空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于发酵液密切接触。由于上升管上升管内的发酵液轻内的发酵液轻，加上压缩空气，加上压缩空气的喷流动能，使上升管的液体的喷流动能，使上升管的液体上升上升，罐内液体，罐内液体下降下降而进入上而进入上升管，形成反复的循环，供给升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解氧量，使发发酵液所耗的溶解氧量，使发酵正常进行。酵正常进行。 2、特点及应用、特点及应用v特点：特点：v结

46、构简单，冷却面积小，无搅拌传动设备，料结构简单，冷却面积小，无搅拌传动设备，料液充满系数大，无须加消泡剂，维修、操作及液充满系数大，无须加消泡剂，维修、操作及清洗简便，节省动力，减少染菌等。清洗简便，节省动力，减少染菌等。v缺点：缺点：v不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低。发酵液溶氧系数较低。v应用：应用：v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、细胞培养v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。3、气升式发酵罐的类型、气升式发酵罐的类型G泵LGGFG气升环流式反应器气升

47、环流式反应器气液双喷射气升环流反应器气液双喷射气升环流反应器多层空气分布板的多层空气分布板的气升环流式反应器气升环流式反应器气液双喷射气升环流反应器气液双喷射气升环流反应器v也即液提发酵罐，是也即液提发酵罐，是液体借助于一个液体液体借助于一个液体泵进行输送，泵进行输送，同时同时气气体在液体的喷嘴处被体在液体的喷嘴处被吸入吸入发酵罐发酵罐v喷嘴是这类发酵罐的喷嘴是这类发酵罐的一个特殊部件，制造一个特殊部件，制造要求精密。要求精密。BIOHOCH 反应器处理废水过程（反应器处理废水过程（P22）径向流喷射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

48、保证流向及液体充分曝气。（四）塔式发酵罐（四）塔式发酵罐（p22-23p22-23）v塔式发酵罐：塔式发酵罐：是一种类似塔式反应器的发酵罐，是一种类似塔式反应器的发酵罐，其高径比约其高径比约7左右。左右。罐内装有若干块筛板。罐内装有若干块筛板。有的还有的还在罐内安装搅拌器，罐壁四周装挡板。在罐内安装搅拌器，罐壁四周装挡板。v与分批的机械搅拌发酵罐类似，有的塔顶横截面与分批的机械搅拌发酵罐类似，有的塔顶横截面扩大，供以降低流速，截留液体夹带的悬浮物。扩大，供以降低流速，截留液体夹带的悬浮物。发酵液和空气可以并流，也可逆流。发酵液和空气可以并流，也可逆流。v特点：特点：罐身高，高径比为罐身高，高径

49、比为6；土霉素等生产；土霉素等生产用的设备，高径比达到用的设备，高径比达到7。由于液位高，空。由于液位高，空气利用率高，节省空气约气利用率高，节省空气约5，节省动力约，节省动力约30，但底部存在沉淀现象；温度高时降，但底部存在沉淀现象；温度高时降温较难。温较难。v应用：应用：国外有用由此罐生产国外有用由此罐生产SCP的。的。v原理：原理：v压缩空气由罐底导入，压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升，经过筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而用的降液管下降而形成循

50、环形成循环。塔式发酵罐塔式发酵罐其它类型通风发酵设备：卧式转盘发酵反应器其它类型通风发酵设备：卧式转盘发酵反应器第三节第三节 固体发酵设备固体发酵设备 v固体发酵：固体发酵：微生物在具有一定温度和湿度的固体微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称作为固体发酵。表面进行生长和繁殖就称作为固体发酵。v含水量为含水量为40%80%。v培养基原料：培养基原料：小麦麸皮等小麦麸皮等。v设备：设备：较浅的曲盘、较深的大池、能旋转的转鼓较浅的曲盘、较深的大池、能旋转的转鼓和通风曲槽等和通风曲槽等。v适用：适用：霉菌。霉菌。v其他固体发酵：其他固体发酵：我国传统的白酒生产、食用菌的我国传统的白酒

51、生产、食用菌的栽培。栽培。固体发酵实例：固体发酵实例：v酱油生产酱油生产v食醋生产食醋生产v固体曲、酶制剂的生产固体曲、酶制剂的生产v传统白酒生产传统白酒生产v食用菌生产食用菌生产v堆肥堆肥v有机酸生产有机酸生产v污水处理污水处理一、通风固体发酵设备分类一、通风固体发酵设备分类（p29-30p29-30）v1根据固态发酵通风方式与物料所处的状态不同，根据固态发酵通风方式与物料所处的状态不同，通风固态发酵可分为：通风固态发酵可分为：v（1）静止培养用发酵设备）静止培养用发酵设备v（2）通风培养用固态发酵设备）通风培养用固态发酵设备v（3）流化床式固态发酵设备）流化床式固态发酵设备v2根据操作方式的不同可分为：根据操作方式的不同可分为：v（1）分批式）分批式v（2）连续式）连续式二、通风固态发酵设备二、通风固态发酵设备 v（一）分批式固态发酵设备（一）分批式固态发酵设备v（二）连续式通风发酵设备（二）连续式通风发酵设备（一）分批式固态发酵设备一）分批式固态发酵设备v分批式固态发酵设备可分为以下几种：分批式固态发酵设备可分为以下几种：v、制盘曲的曲盘、