第八章生物反应器结构与设计计算

第八章生物反应器的结构与设计计算生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一原料仓库原料制备和预处理过程控制消毒生物反应器能量能量产品回收产物热量废物空气压缩大型发酵罐搅拌装置动物细胞反应器一个优良的培养装置应具有的条件：严密的结构良好的液体混合性能高的传质和传热速率灵敏的检测和控制仪表根据反应是否需要氧气为基准微生物反应器可分为:

需氧微生物反应器（通气发酵罐）厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）酒精发酵罐酵母将糖转化为酒精高转化率条件(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件(2)一定的生化反应时间(3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）酒精发酵罐的结构要求满足工艺要求，有利于发酵的排出从结构上有利于发酵液的排出有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。酒精发酵罐筒体结构圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。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精，发酵罐宜采用密闭式。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。罐底装有排料口和排污口；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。啤酒发酵设备

厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）

高效生物反应器的特点：(1)传质和传热性能好；(2)结构密封、防杂菌污染；(3)设备简单、维修方便；(4)生产能力高(5)能耗低；(6)检测控制系统完善；(7)易放大；(8)生产安全

应用：生产酵母、单细胞蛋白、氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素、维生素等一、通风发酵罐

类型：通风发酵罐

机械搅拌发酵罐工作原理结构及几何尺寸

溶氧速率、通气与搅拌

热量传递气升式发酵罐

工作原理气升环流式发酵罐典型的气升式发酵罐

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

通风固相发酵罐机械搅拌发酵罐(TRC)

工作原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。(1)具有适宜的径高比；(2)能够承担一定压力；(3)保证必需的溶解氧；(4)具有足够的冷却面积；(5)尽量减少死角，灭菌彻底，避免染菌；(6)轴封严密。

发酵罐的基本条件：大型发酵罐结构231－轴封；2、20－人孔；3－梯；4－联轴；5－中间轴承；6－温度计接口；7－搅拌叶轮；8－进风管；9－放料口；10－底轴承；11－热电偶接口；12－冷却管；13－搅拌轴；14－取样管；15－轴承座；16－传动皮带；17－电机；18－压力表；19－取样口；21－进料口；22－补料口；23－排气口；24－回流口；25－视镜；图2.1大型发酵罐结构图动画演示机械搅拌发酵罐的结构机械搅拌发酵罐的结构小型发酵罐结构图2.2小型发酵罐结构图图2.3自动玻璃发酵罐图2.4玻璃搅拌发酵罐图2.5不锈钢搅拌发酵罐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。为了满足工业要求，在一定压力和温度下操作，罐为一个受压耐温容器，通常要求耐受130℃和0.25MPa(绝对压力)。罐体受内压的壁厚：受外压的壁厚：

搅拌器和挡板

搅拌器：

有平叶式、弯叶式、箭叶式涡轮式和推进式等；其作用是打碎气泡，使氧溶解于发酵液中，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。为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。图2.6发酵罐搅拌叶轮结构图1-六直叶涡轮式；2-推进式3-LightninA-315式图2.7不同搅拌器的流型挡板：

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。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。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：无挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型轴封

填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。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。端面式轴封又称机械轴封：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相互贴合，并作相对转动而达到密封。

常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。压紧螺栓填料箱体图2.10填料函转轴填料压盖铜环填料转轴图2.11端面封轴动环静环堆焊硬质O形环图2.12双端面封轴密封环搅拌轴罐体齿轮箱传动齿轮箱

空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管等，常用的分布装置有单管式。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。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。

通常通风管的空气流速取20m/s。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加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命

空气分布器消泡装置消泡装置就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，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，从而达到消泡的目的。两种消泡方法:(1)加入化学消泡剂；(2)使用机械消泡装置化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等；动物油脂，如猪油等；高分子化合物。机械消泡装置：最简单实用为耙式消泡器，此外还有涡轮消泡器、旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。旋风离心式叶轮离心式耙式消泡器碟片式消泡器刮板式消泡器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。

联轴器及轴承小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。联轴器法兰中型发酵罐一般在罐内装有底轴承；大型发酵罐装有中间轴承。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，聚四氟乙烯等）。轴承底轴承中间轴承冷却装置夹套冷却竖式蛇管冷却竖式列管冷却适用范围5m3以下小发酵罐大型发酵罐大型发酵罐气温较高的地区优点结构简单，加工容易，罐内死角少，容易清洗灭菌流速大，传热系数大，降温效果较好。加工方便，提高传热推动力的温差。缺点传热壁较厚，冷却水流速低，降温效果差。冷却水较高时，降温困难，弯曲位置易腐蚀。用水量较大。在罐外安装板式或螺旋板式热交换器，采用无菌空气使发酵液进行循环冷却。图2.13机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积体积尺寸椭圆形封头体积：发酵罐的总体积：近似为：3机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌

溶氧传质速率OTR(OxygenTransferRate)测量体积溶氧系数的方法一、亚硫酸盐氧化法二、溶氧电极法影响KLa的主要因素操作条件；发酵罐的结构及几何参数；物料的物化性能。机械搅拌发酵罐的溶氧系数KLa与操作变数的关系为：1）增加搅拌器转速N，以提高Pg，可以有效地提高Kla；2）加大通气量VG，以提高vs；3）提高罐内操作压力或通入纯氧，提高C*。提高KLa的途径机械搅拌发酵罐的溶氧速率、通气与搅拌

或机械搅拌的剪切力影响1）单细胞微生物如球状或杆状的细菌、酵母、小球藻耐受剪切的能力强；2）丝状菌的耐受力弱；3）动物细胞对搅拌剪切力非常敏感。机械搅拌发酵罐的热量传递

发酵过程的热量计算生物合成热量计算法Q1——生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热两部分。以葡萄糖作基质时，呼吸放热为15651kJ/kg（糖），发酵热为4953kJ/kg（糖）。Q2——机械搅拌放热，Q2=3600Pgη（kJ）。Pg——搅拌功率，kW。η——功热转化率，经验值η=0.92Q3——发酵过程通过带出的水蒸气所需的汽化热及气温上升所带出的热量，以及发酵罐壁与环境存在温差而传递散失的热量。通常可近似计算Q3=20%Q1。发酵过程的热量计算除了上述的生物合成热计算方法外，还可采用实验测定方法，如冷却水带走的热量进行计算或通过发酵液的温度升高方法来计算。机械搅拌发酵罐的热量传递

发酵过程的热量计算冷却水带出热量计算法选择住发酵期产生热量最大时刻，测定发酵冷却水进出口的温度及冷却水用量，则最大的发酵过程放热为：[kJ/m3h]式中W——冷却水流量，kg/h；c——冷却水的比热容，kJ/(kg℃)；

T——冷却水进口温度，℃；T2——冷却水出口温度，℃；VL——发酵液体积，m3机械搅拌发酵罐的热量传递

发酵过程的热量计算发酵液温升测量计算法在主发酵最旺盛期发酵放热最高时期，先使罐温恒定，关闭冷却水，测定发酵液在30min液温的上升值，然后按下式计算最大发酵热量：[kJ/m3h]式中：m1、m2——发酵液和发酵罐质量，kg；c1、c2——发酵液和罐体材料比热容，kJ/(kg℃)；

ΔT——30min内发酵液的温升，℃发酵罐的换热装置（1）换热夹套：在小型罐中常用的装置。优点：结构简单，加工方便，易清洗。缺点：换热系数较低，故只用于5m3以下的小罐。夹套的换热系数在400~600kJ/m2h℃之间。发酵罐的换热装置（2）竖式蛇管在罐内设4组或6组竖式蛇管。优点：管内水的流速大，传热系数高，在1200~4000kJ/m2h℃之间。缺点：要求冷却温度较低，否则降温不易。

发酵罐的换热装置（3）竖式列管（排管）以列管分组装设于罐内。优点：有利于提高传热推动力的温差，加工方便。缺点：用水量大。发酵罐的换热装置为了提高反应器的传热效能，可在发酵罐的外部装设板式热交换器，不仅强化了热交换，而且便于检修和清洗。搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）不通气条件下的轴功率P0计算鲁士顿(RushtonJ.H.)公式：P0－无通气搅拌输入的功率（W）；NP－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；ω－涡轮转速（r/s）；ρL－液体密度（kg/m3）；μ－液体粘度（N.s/m2）；D－涡轮直径（m）；圆盘六平直叶涡轮NP≈6圆盘六弯叶涡轮NP≈4.7圆盘六箭叶涡轮NP≈3.7通气搅拌功率Pg的计算修正的迈凯尔公式：搅拌器轴功率的计算（单只搅拌桨）P0－无通气搅拌输入的功率（kW）ω－涡轮转速（r/min）Di

－涡轮直径（cm）Q－通气量（mL/min）例题：某酶制剂厂

10m3机械搅拌发酵罐，发酵罐直径D=1.8m，一只圆盘六弯叶涡轮搅拌器直径D=0.6m，罐内装有四块标准挡板，装液量VL为6m3，搅拌转速ω=168rpm，通气量Q=1.42m3/min，醪液粘度μ=1.96×10-3N·s/m2，醪液密度ρ=1020kg/m3，三角皮带的效率是0.92，滚动轴承的效率是0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封增加的功率为1%，求轴功率Pg和kLα，并选择合适的电机。（已知在充分湍流状态时，圆盘弯叶涡轮搅拌器的功率准数NP=4.7）解：1.先求出Re：搅拌功率的计算2.因Re≥104，所以发酵系统在充分湍流状态，即有功率系数NP=4.7，故叶轮的不通气时搅拌功率P0为：3.求通气时搅拌功率Pg：4.所需电动机功率为：4.求kLα：①先求空截面气速vS：②求kLα：小结热量传递工作原理结构几何尺寸通风、溶氧传质与搅拌

搅拌功率的计算气升式发酵罐(ALR)

工作原理特点及应用主要结构及操作系数典型的气升式发酵罐

工作原理类型气升环流式、塔式、空气喷射式等。工作原理把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。气液双喷射气升环流反应器特点1）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便特点及应用应用酵母生产、单细胞蛋白生产、细胞培养酶制剂和有机酸等发酵生产、废水生化处理主要结构及操作系数主要结构参数1）反应器径高比H/D2）导流筒径与罐径比DE/D3）空气喷嘴直径与反应器直径比Dl/D操作特征1）平均循环时间tm2）气液比R3）溶氧传质空气喷射装置漩涡式空气喷射器气升环流式反应器气液双喷射气升环流反应器多层空气分布板的气升环流式反应器ICI'sairliftsystemformakingsingle-cellproteinin1979注射入口ICI压力循环气升发酵罐气升式玻璃发酵罐具有外循环冷却的气升环流式发酵罐对偶脉冲气体环流发酵罐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。——生物废料处理器BIOHOCH®反应器的特点：紧凑，无噪音，无异味—因为反应器很高，故占地面积小，不会受噪音和气味侵扰经济—氧利用率高保证能量节省80%可靠性—反应器易于进入，优质的防腐处理比混凝土更不易泄漏。一旦泄漏发生，也可立即监控。一套完整的系统保证废水不会无控制流出。BIOHOCH®反应器处理工业废水技术

之气升式发酵罐小结

工作原理类型及特点主要结构及操作系数典型的气升式发酵罐

之自吸式发酵罐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。应用：

酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵、维生素等生产工作原理：自吸式发酵罐的构件主要使用自吸搅拌器和导轮，又称转子及定子。转子由罐底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入。在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，若转子的转速愈快，旋转的线速度也愈大，则流体的动能也愈大，流体离开转子时，由动能转变为压力能也愈大，排出的风量也越大。当转子空膛内的流体从中心被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮周围形成强烈的混合流（湍流），使刚离开叶轮的空气立即在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合，翻腾，扩散到整个罐中，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。之自吸式发酵罐自吸式发酵罐优点：

(1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低；(3)生产效率高、经济效率高(4)设备便于自动化、连续化。缺点：

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40％。之自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐

自吸式发酵罐的结构之自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐工作原理：

之自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐的设计要点：

(1)发酵罐的高径比(2)转子与定子的确定(3)吸气量计算之自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐：

利用文氏罐喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合和溶氧传质。文氏管自吸式发酵罐液体喷射自吸式发酵罐溢流喷射自吸式发酵罐之自吸式发酵罐文氏管自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐文氏吸气管之自吸式发酵罐液体喷射吸气装置喷射自吸式发酵罐文氏管发酵罐工作原理：用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。优点：吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。缺点：气体吸入量与液体循环量之比降低，对于耗氧量较大的微生物发酵不适宜。图中A、B、C和D是用于发酵罐底部的喷嘴；E和F是装在发酵罐上部的喷嘴。这些喷嘴分别具有不同的特点和功能：A是气液两相自喷射喷嘴；B是两相喷嘴，中心喷嘴是液相，气体从周围吸入；之自吸式发酵罐喷射自吸式发酵罐Vobu-JZ单层溢流喷射自吸式发酵罐Vobu-JZ双层溢流喷射自吸式发酵罐自吸式发酵罐优点：①节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器设备，减少厂房占地面积。②减少工厂发酵设备投资约30％左右。③设备便于自动化、连续化，降低老定强度，减少劳动力。④设备结构简单，溶氧效率高，操作方便。缺点：由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。SBFG-B型发酵罐从种子罐到中试、生产规模的发酵罐，科学的结构设计、严格的质量把关，保证了各个零、部件到整体的稳定运行，潜心研究的优化算法及手/自动自由切换控制在保障了控制精度及速度外，更体现了方便与稳定。适用于各类疫苗、乳酸、真菌多糖、低聚糖、酵母、酶制剂、氨基酸、天然β-胡萝卜素、酪酸菌、肌苷、硫酸化多糖药物、VC、B2、鸟苷等生产。类别

说明公称体积

10L-200000L(各种规格，可按照用户要求定制)

罐体材质

不锈钢材质(内腔为316L，外部为304材质)（保温层可选）搅拌方式

顶部机械搅拌，普通为双层平叶，另有斜叶、弯叶、轴向流桨叶等可选密封方式

双端面机械密封

温度控制控制精度：±0.5℃,对水温进行实时PID调节自动消泡灵敏度100~100000ΩpH控制0~14pH，控制精度：±0.1pHDO控制0%~200%，控制精度：±1%流量测量按要求对发酵液或气体进行流量控制,控制精度:±2%罐压控制0~0.25MPa，控制精度：±1%灭菌方式

在位灭菌控制方式

采用SBFG-ControlV1.2控制系统，使用西门子PLC控制器和工业触摸屏操作界面,对温度、PH、DO使用快速优化PID(快速、精确）调节(我公司经过大量的数学计算及实际测试得出的最优控制曲线，保证发酵过程的优化及节能)。另可外接上位机及专用软件集中监控并能进行远程联网监控。控制参数

温度、PH、DO、转速、补料时间\容积、液位、泡沫等(可选压力、空气流量、重量、氧还原、二氧化碳分析等)配件选择全部选择性能稳定、质量可靠，久经验证的配件系统测试全部经过分体测试与整体测试发酵罐部分规格参数表(供参考)公称容积m3

内筒体直径Dg内筒体高度H夹套直径Dg搅拌轴转速r.p.m搅拌轴功率kw0.05300700400300-3500.550.1400800500300-3500.75-1.10.25001000600280-3400.75-1.50.35501200550280-3201.1-1.50.56001650700200-2801.5-2.20.77001700800200-2802.2-30.88001600900200-2802.2-5.51.08001900900200-2802.2-5.51.290018001000200-2803-7.51.590022001000200-2803-7.52.0100025001100200-2604-113.0120026001300200-2605.5-114.0130030001400200-2207.5-155.0140032001500180-2207.5-18.5之通风固相发酵罐通风固相发酵罐之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐卧式转盘发酵反应器光照不锈钢发酵罐之其他类型发酵罐其他类型通风发酵罐小结

通风固相发酵罐

机械搅拌发酵罐

气升式发酵罐

自吸式发酵罐二、嫌气发酵设备

酒精发酵设备

啤酒发酵设备

连续发酵设备酒精发酵设备酒精发酵罐动画演示洗涤装置酒精发酵设备酒精发酵设备酒精发酵罐的计算发酵罐结构尺寸的确定

带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐全容积为:式中V—发酵罐的代表容积（m3）；V0—进入发酵罐的发酵液量（m3）—装液系数，一般取=0.85~0.90发酵罐全容积按下列计算:酒精发酵设备酒精发酵罐的计算罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系：酒精发酵设备酒精发酵罐的计算发酵罐罐数的确定

对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：式中N－发酵罐个数；n－每24小时内进行加料单发酵罐数目；t－一次发酵周期所需时间，h发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定，即：酒精发酵设备酒精发酵罐的计算发酵罐冷却面积计算式中A—冷却面积（m2）;Q—总的发酵热（J/h）；K—传热总系数（J/m2

.h)；△Tm—对数平均温度差酒精发酵设备总的发酵热Q对数平均温度差△Tm传热总系数K冷却水耗量的计算酒精发酵设备例题某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24t/h，每4h装满一罐，发酵周期为72h，冷却水的初、终温分别为20℃和25℃，若罐内采用蛇管冷却，试确定发酵罐的罐数、结构尺寸、冷却水耗量、冷却面积和冷却装置的主要结构尺寸。（糖化醪密度为1076kg/m3)解：(1)确定发酵罐个数酒精发酵设备(2)确定发酵罐体积及结构尺寸发酵罐体积发酵罐几何尺寸选取结构尺寸比例：H=1.2D，h1＝h2＝0.1Dh2h1H则发酵罐表面积(圆柱体表面积A1和罐底、罐顶表面积A2、A3）酒精发酵设备(3)冷却面积和冷却装置主要结构尺寸①总的发酵热Q②冷却水耗量③对数平均温度差△Tm酒精发酵设备④传热总系数K值⑤冷却面积酒精发酵设备⑥冷却装置主要结构尺寸列管总长度L每圈蛇管长度l蛇管总圈数蛇管总高度酒精发酵设备啤酒发酵设备啤酒酿造工艺啤酒发酵设备

啤酒发酵容器的发展1.发酵容器材料的变化2.开放式向密闭式转换3.密闭容器的发展

大型的啤酒发酵罐奈坦罐、联合罐、朝日罐

前发酵设备啤酒发酵设备前发酵槽

啤酒前、后发酵设备及计算啤酒发酵设备

前发酵设备前发酵室

啤酒前、后发酵设备及计算啤酒发酵设备

前发酵槽的计算啤酒前、后发酵设备及计算(1)发酵槽数目的确定(2)前发酵槽体积的确定(3)前发酵槽冷却面积计算啤酒发酵设备卧式后发酵槽立式后发酵槽

后发酵设备啤酒前、后发酵设备及计算啤酒发酵设备后发酵槽的计算啤酒前、后发酵设备及计算(1)后发酵槽数目的确定(2)后发酵槽全体积的确定啤酒发酵设备新型啤酒发酵设备

圆筒体锥底发酵槽圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐）。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，适合于生产各种类型啤酒的要求。目前，锥形发酵罐成为国内外啤酒工厂使用较多的设备。啤酒发酵设备HH0D60°H/D=1.5～6:1

锥形罐的几何尺寸H0/D=0.866新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备新型啤酒发酵设备

锥形罐的冷却装置新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备

锥形罐新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备

联合罐新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备

朝日罐优点：可加速啤酒的成熟。发酵时罐的装量达96％，提高设备利用率，减少了排除酵母时发酵液的损失。缺点：动力消耗大。

新型啤酒发酵设备啤酒发酵设备CIP清洗系统预冲洗碱预洗中间清洗固定喷头喷洗清水冲洗酸冲洗碱喷洗啤酒发酵设备啤酒工厂典型设备澜沧江啤酒厂和KK啤酒厂典型设备啤酒发酵工艺

制麦工序：收割好的啤酒麦，至少得先经过6～8周储藏，等养足发芽力后才能用于啤酒制造。先用精选机将杂质去掉，再用筛选机选出颗粒均匀的大麦。啤酒发酵工艺〔浸麦〕

将大麦放在麦槽里，使其吸收发芽所需的足够水分。〔发芽〕

通过浸麦槽的网状底部下面连续送4～6天的湿空气，当大麦的麦根长到麦粒的1.5倍时，麦芽长到麦粒长度的2/3左右。在这期间，芽内的糖化酶形成并充满活力。这时生成的麦芽叫绿麦芽。〔烘干〕

用热风将绿麦芽烘干，使其停止生长，产生出啤酒所需的色素。然后用除根机去掉麦芽根部，放到筒仓里储藏起来。麦芽分淡色啤酒用的淡色麦芽和做黑啤酒、stout啤酒用的浓色麦芽。这主要通过调节烘干温度和时间制成。啤酒发酵工艺酿造工序啤酒发酵工艺酿造工序〔装料〕

先将麦芽粉碎，再加入大米等辅料和温水搅拌，加热到适当温度。由于麦芽里的梅的作用，麦芽和辅料中的淀粉被糖化变成麦芽糖。麦芽里的蛋白质也被分解，糖化醪液就作成了。将其过滤后得到的澄清的麦汁（糖汁）灌到煮沸锅内。再加入啤酒花，一起煮沸，让啤酒花特有的清香和苦味融入麦汁里。根据啤酒种类的不同，装料时所用的温度和时间也不同。这一切操作都由计算机控制完成。做好的热麦汁在完全无菌的状态下被送入发酵室进行冷却（一般冷却到5～6℃）。

啤酒发酵工艺酿造工序〔发酵·储酒〕

在冷却后的麦汁里加入啤酒酵母。酵母开始发酵将麦汁中的糖分分解成酒精和碳酸气。经过1周的低温发酵，就生成了嫩啤酒。这1周的发酵叫做“主发酵”或“前发酵”。嫩啤酒的口感和香味比较粗，把嫩啤酒放在0℃以下的低温下储藏几十天，让它慢慢熟化。我们称这个过程叫“后发酵”或“储酒”。储酒期间发酵时生成的碳酸气逐渐融入酒内。

连续发酵间歇发酵：操作简单，发酵周期长，发酵罐数多，设备利用率低。连续发酵：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，易于自动化生产。连续发酵存在的问题：（1）微生物的突变（2）污菌（3）混合均匀度（4）丝状菌的输送连续发酵连续发酵时间的确定连续发酵连续发酵理论罐数的确定物料平衡方程式：连续发酵酒精连续发酵流程淀粉质原料制酒精连续发酵流程连续发酵酒精连续发酵流程连续发酵啤酒连续发酵流程塔式连续发酵流程连续发酵啤酒连续发酵流程塔式发酵连续发酵啤酒连续发酵流程多罐式连续发酵小结

酒精发酵设备酒精发酵罐结构酒精发酵罐的计算啤酒发酵设备新型啤酒发酵罐CIP清洗系统

连续发酵设备酒精连续发酵啤酒连续发酵三、植物细胞（组织）培养反应器植物细胞（组织）培养

植物细胞培养反应器植物组织培养反应器植物细胞培养技术包括植物器官（根、枝叶、发根、胚和冠瘿组织等）、组织、细胞以及原生质体培养，并以此发展起来的各种植物细胞培养技术。植物细胞培养GottleibHaberlandt1902年德国植物学家Haberlandt在营养液中成功地培育了单个植物细胞，尽管未能使其分裂生长，但为植物细胞培养翻开了新的一页。Haberlandt提出植物细胞的“全能性”学说，植物细胞的全能性：植物的体细胞具有母体植株全部遗传信息并发育成为完整个体的潜力，因而每一个植物细胞可以像胚胎细胞那样，经离体培养再生成植株。一般采用植物的体细胞(二倍体细胞)，先经纤维素酶处理去掉细胞壁(原生质体)。将原生质体放在合适的培养基上，经过诱导分化可以重新长成植株。原生质体也可用于植物细胞融合，然后诱导形成新的植株。原生质体培养植物原生质体培养植物组织培养(planttissueculture)植物组织培养：离体的植物器官、组织、细胞植物体愈伤组织脱分化根芽再分化脱分化：由高度分化的植物器官、组织或细胞产生愈伤组织的过程，称为植物细胞的脱分化。再分化：脱分化产生的愈伤组织继续进行培养又可以重新分化成根或芽等器官，这一过程称为植物细胞的再分化。植物组织培养(1)(1)(3)植物体细胞杂交(5)植物A细胞植物B细胞去壁原生质体A原生质体B原生质体融合融合体再生壁杂种细胞细胞分裂愈伤组织杂种植株(2)(4)植物细胞培养与微生物的区别：细胞的大小细胞块的形状培养液的黏度需氧量Kla值比微生物培养的Kla值小得多对剪切力敏感需CO2和光照植物细胞培养(plantcellculture)植物细胞培养具有的优点：（1）代谢产物的生产完全在人工控制条件下进行，可以通过改变培养条件和选择优良培养体系得到超整株植物产量的代谢产物；（2）培养在无菌条件下进行，可排除病菌和虫害侵扰；（3）可以进行特定的生物转化反应；（4）可以探索新的合成路线和获得新的有用物质等。植物细胞培养(plantcellculture)植物细胞培养反应器StirredTankBioreactors植物细胞培养反应器机械搅拌式反应器优点：混合性能好传氧效率高操作弹性大可用于细胞高密度培养；缺点：剪切力大。

悬浮培养生物反应器植物细胞培养反应器机械搅拌式反应器非搅拌式反应器所产生的剪切力较小，结构简单。其主要类型有鼓泡式反应器、气升式反应器等气体搅拌式反应器

植物细胞培养反应器非机械搅拌式反应器BubbleColumnBioreactor植物细胞培养反应器非机械搅拌式反应器Air-liftBioreactor植物细胞培养反应器紫草细胞培养紫草种子无菌幼根LS培养基愈伤组织诱导培养悬浮细胞悬浮培养细胞增殖培养一级培养利用“优势互补”原则，将两种反应器结合起来研究出组合式反应器。带有低速搅拌的气升式发酵罐可弥补低气速时混合性差的弱点。植物细胞培养反应器组合式反应器光生物反应器植物细胞培养反应器

固定化细胞生物反应器填充床反应器流化床反应器植物细胞培养反应器流化床反应器植物细胞培养反应器流化床反应器植物细胞培养反应器固定化细胞膜反应器中空纤维螺旋卷绕反应器植物组织培养反应器

发状根大规模培养1:反应器；2：空气出口；3：空气入口；4：空气过滤器；5：流量计；6：空气储罐；7：蠕动泵；8：无菌水入口；9：无菌水储槽；10：荧光灯流化床反应器培养黄花蒿发状根流程植物组织培养反应器

小植物的大规模快速繁殖浅层循环式植株快速繁殖器1—温度传感器；2—出口管；3—反应器体；4—托板；5—进口管；6—排气口；7—空气分布管；8—温度调节器；9—转换器植物组织培养反应器

小植物的大规模快速繁殖双层板径向流生物反应器植物组织培养反应器

小植物的大规模快速繁殖内环喷雾生物反应器A：培养容器；B：内管；C：转能器；D：超声波发生器；E：计时器；F：液体培养基；G：荧光灯；H：支架；I:不锈钢网；J：植物材料；K：空气出口；L：空气过滤器LABJIHFCDEGK植物细胞培养的应用西洋参细胞培养无菌根愈伤组织悬浮细胞发酵液乙醇消毒诱导培养悬浮培养大量培养西洋参根细胞过滤西洋参细胞干粉成品干燥植物细胞的生产药物的生产植物细胞产物产物作用紫草细胞紫草宁抗炎剂、食用色素苦瓜细胞类胰岛素治疗糖尿病长春花细胞长春花碱治疗白血病药红豆杉细胞紫杉醇抗癌药物毛地黄细胞毛地黄毒素强心剂紫草种子无菌幼根愈伤组织悬浮细胞细胞增殖培养LS培养基诱导培养悬浮培养一级培养产物培养二级培养发酵液细胞收集过滤产物提取分离成品干燥紫草细胞培养生产紫草宁(Shikonin)植物细胞培养的应用代谢产物的生产植物细胞培养的应用植物细胞培养工业化生产需解决的难题缩短生产周期、降低生产成本提高培养细胞中的有效成分含量防止细胞集聚成块防止细胞株的种性退化和变异研制更能适合植物细胞生长的生物反应器四、动物细胞融合杂交瘤技术动物细胞培养反应器动物细胞培养方法动物细胞培养技术的应用动物细胞培养的特点细胞培养的操作方式细胞培养反应器体外培养的动物细胞根据它们在培养器皿是否能贴附于支持物上生长特征，可分为贴附型生长和悬浮型生长两大类。贴附型细胞在培养时能贴附在支技物表面生长。大多数动物细胞属于贴壁型细胞，如Hela、Vero、BHK、CHO细胞系。悬浮型细胞在培养中悬浮生长。来源于血液、淋巴组织的细胞，许多肿瘤细胞和某些转化细胞。动物细胞培养方法动物细胞培养方法贴壁培养(单层细胞培养)

分散的细胞悬浮在培养瓶中很快(几十分钟至几小时)就贴附在瓶壁上，

称为细胞贴壁，

贴壁后的细胞形态形成多态性，

呈单层生长，

所以此法又叫单层细胞培养。悬浮培养

细胞在培养器中自由悬浮生长的过程，不贴壁，主要用于悬浮型细胞培养，如淋巴细和肿瘤细胞的培养。固定化培养一种包埋培养。对两类细胞都适用，细胞生长密度高，抗剪切力和抗污染能力强。悬浮型细胞常用海藻酸钙包埋，贴壁型细胞常用胶原包埋。动物细胞培养方法动物细胞培养可生产的生物制品1.病毒疫苗：口蹄疫(FMD)、狂犬疫苗等2.非抗体免疫调节剂：干扰素(IFN)、白介素(IL)等3.多肽生长因子：神经生长因子(NGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)4.酶：组织血纤维溶酶原激活剂(t-PA)5.激素：红细胞生成素(EPO)、促黄体生成素(LH)6.病毒杀虫剂7.肿瘤特异性抗原：癌胚抗原(CEA)8.单克隆抗体9.皮肤重植10.细胞动物细胞培养技术的应用动物细胞培养技术的应用动物细胞培养生产生物制品工艺实例1.组织纤溶酶激活剂生产工艺流程细胞单层细胞悬液细胞培养物培养培养液提取液层析液浓缩液层析液tPA成品分散分离提取层析纯化浓缩层析精制冻干2.抗HBsAS的单克隆抗体生产工艺流程培养液杂种细胞混合物大鼠骨髓瘤＋免疫大鼠脾淋巴细胞融合融合混合物筛选克隆化杂交瘤克隆系种质培养细胞种质扩大培养分离粗制McAb精制层析液超虑浓缩液冻干McAb精品动物细胞培养的特点1.细胞生长缓慢，易受微生物污染，培养时需要抗生素；2.动物细胞较微生物大得多，无细胞壁，机械强度低，适应环境能力差；3.培养过程需氧量少，且不耐受强力通风与搅拌；4.在机体中，细胞相互粘连以集群形式存在；5.培养过程产物分布于细胞内外，成本高，产品价格昂贵；6.大规模培养时，不可套用微生物反应的经验；7.原代培养细胞一般繁殖50代即退化死亡。动物细胞培养的特点无论是贴壁细胞还是悬浮细胞，深层培养的操作方式可分细胞培养的操作方式分批式、流加式、半连续式、连续式和灌注式。分批式操作操作简单、是最常用的操作方式。分批式培养过程中，细胞的生长可分为延迟期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期分批式培养细胞生长曲线流加式操作半连续式操作细胞培养的操作方式能够调节培养环境中营养物质的浓度。连续操作能提高细胞密度，应用于培养悬浮型细胞。灌注培养大大提高细胞密度，有助于产物的表达和纯化。动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器通气搅拌式细胞培养反应器动物细胞培养反应器通气搅拌式细胞培养反应器