第六章 发酵生产设备

达到全挡板条件的要求，须满足：
0.1 ~ 0.2D z 0.5 W z D D D－ 直 （ m m） 罐 径
z－ 板 挡 数 W－ 板 度 挡 宽 （ m m）
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。 （但冷却管为盘管时，则应设挡板。）挡板的长度自液面起到 罐底为止。 挡板与罐壁之间的距离为（1/5~1/9）W，避免形成死角，防止 物料与菌体堆积。
（一）结构
1 带轮(带动轴旋转) 2 排气阀 3 消泡器 4 冷却水管 5 电机 6 导气管 7 支架
6
1
2 3 4
7
5
（二）工作原理：
该发酵罐利用搅拌旋转时产生的抽吸力吸入空气，不 需要空气压缩机提供压缩空气，从而省去了空气系统，使 设备成本降低。 它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体由 于离心作用而被甩出，并在叶轮空心部分形成负压，从而 将罐外的空气吸到罐内。 同时空气因受到高速流动液体的摩擦剪切作用而变成 细小的气泡，均匀分散在液体之中，然后借助导轮流将气 液混合物导入发酵液中并与之混合。
（四）多用于乙酸和酵母增殖的发酵生产
应用：医药工业、酵母工业、生产葡 萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、 蛋白酶等。取得了良好的成绩。
四 塔式发酵罐
（一）结构
1 进料口 2 进气口
1
d
4
3 出料口
4 排气口
H
H:d=7:1
2
3
*塔式发酵罐 *
（二）工作原理：
利用通入培养液的无菌空气泡上升来带动液体运动，产生 混合效果的非机械搅拌式发酵罐。
* 气升发酵罐 *
（三）特点
优点： 无搅拌装置，借助培养液的密度差完成液体的 循环节能和降低了设备成本 缺点： 不适于黏度大或含有大量固体的培养液中应用
（四）适用于生产包酵母、啤酒、醋的生产，真菌培 养，白喉毒素生产和处理废水
三 自吸发酵罐
自吸式发酵罐罐体的结构大致上与通用式发酵罐相 同，主要区别在大搅拌器的形状和结构不同。自吸 式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。
• 发酵工业上最常用的是通风搅拌罐。除了通风搅 拌发酵罐外，其它型式的发酵罐如：气提式发酵 罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐等 。
发酵辅助设备
无菌空气系统 • 无菌空气的要求 灭菌系统、管道、阀门
发酵罐工艺操作条件
• 1．温度：25～40℃。 • 2．压力：0～1kg/cm3 (表压)。 • 3 ． 灭 菌 条 件 ； 温 度 100 ～ 140℃ ， 压 力 0 ～ 3kg/cm3 (表压). • 4．pH：2～11。 • 5．需氧量：0.05～0.3kmo1/m3· h。 • 6．通气量：0.3～2VVM。 • 7．功率消耗：0.5～4kW/m3 。 • 8 ．发酵热量：5 000～20 000kcal/m3 .h。
机械搅拌通风发酵罐
（三）特点
优点： 适用性强 保障氧气的供应 通入的是无菌的空气，减少杂菌污染
缺点： 成本较高
（四）适用于大多数产品的发酵
二、 气升发酵罐
包括内环流式和外环流式两种
（一）结构
1 入口 2 空气管 3 上升管 4 冷却夹管 5 压力表 6 罐体 7 气升管 8 排气阀
1
8
6
3 4 2
酒精发酵罐的结构要求
• 满足工艺要求，有利于发酵热的排出 • 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。
淀粉质原料酒精发酵工艺
•
淀粉质原料生产酒精分为原料预处理、原料蒸 煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、乙醇发酵和蒸 馏等工艺，工艺流程如下图.
1、酒精发酵罐筒体结构
第六章 发酵罐及其附属设备
发酵的一般流程
培养基配制 种子扩大培养 空气除菌 发酵设备源自培养基灭菌发酵生产
下游处理
典型发酵设备
• • • • • 种子制备设备和主发酵设备 辅助设备(无菌空气和培养基的制备) 发酵液预处理设备 粗产品的提取、精制与干燥设备 流出物回收、利用和处理设备
发酵罐的种类
• 由于发酵时采用的菌种不同、产物不同或发酵类 型不同，培养或发酵条件也就各不相同。因此， 需要根据发酵过程的特点和要求来设计和选择不 同结构和形式的发酵罐。
• 为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 • 在酒精发酸过程中，为了回收CO2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，对于大型发酵罐， 为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。
要求罐体承受的压力至 少在0.3MPa以上
2 搅拌器与挡板
搅拌器：是由安装在一根轴上的多个涡轮式搅拌浆组成， 它可以使被搅拌的物料产生轴向和径向流动，从而使罐内 物料混合良好，液体中的固形物保持悬浮状态，有利于固 体和营养物质充分接触，便于营养吸收；另一方面，可以 打碎气泡，增加气液接触面积，提高气液间的传质速率， 加强氧的传递效果及消除泡沫。
挡板的作用：
•由于搅拌器在搅拌过程中使培养液产生漩涡，因此可 以在发酵罐的壁面上安装适当宽度及数量的挡板，使 沿罐壁旋转流动的液体折向中心，达到消除漩涡的目 的；还可以使接近罐壁的液体的剪切速度增加，有利 于物料混合均匀。
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。
全挡板条件是指在一定转数下再增加罐内附件 而轴功率仍保持不变。
7、轴 封
• 安装在旋转轴与设备之间的部件。 • 轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，阻 止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处，防止 泄露和污染杂菌。 • 常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 • 填料函轴封是由填料箱体，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。
4、空气过滤器
5、消泡器
消泡器的作用是将泡沫打破。最常用的形式有锯齿式、梳 状式及孔板式。 孔板式的孔径约10～20mm。
6、变速装置
• 试验罐采用无级变速装置，发酵罐常用的变速装置有三角 皮带伸展动，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。 • 采用变极电动机作阶段变速，即在需氧高峰时采用高转速， 而在不需较高溶解氧的阶段适当降低转速。这样，发酵产 率并不降低，而动力消耗则有所节约。 • 自动化程度较高的发酵罐，采用可控硅变频装置，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 生物生长需要的耗氧及发酵情况，随时自动变更转速，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。
(三)自吸式发酵罐
• 它与通用发酵罐的主要区 别是：①有一个特殊的搅 拌器，搅拌器由转子和定 子组成；②没有通气管。 • 自吸式发酵罐的搅拌器有 几种：①回转翼片式自吸 搅拌器；②喷射式吸搅拌 器；③具有转子和定子的 自吸搅拌器。
自吸发酵罐
（三） 特点
优点： 不需要空气压缩机 降低设备成本 缺点： 进罐空气处于负压状态，杂菌容易侵染 搅拌转速高有可能切断微生物菌丝影响细胞生长
• 通常通风管的空气流速取20米/秒。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。
• 通风量在0.02~0.5ml/sec时，气泡的直径与空气 喷口直径的1/3次方成正比。也就是说，喷口直径 越小，气泡直径也越小。因而氧的传质系数也越 大。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因 此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。
• （2）船用螺旋搅拌器，它具有比涡轮桨更为强烈的 轴向流动，但是氧传递效率低。 • （3）振动混合器，但剪切力较低。 • （4）多棒搅拌桨，已用于粘稠的丝状链霉菌发酵的 发酵罐中。 • （5）气体导入式搅拌器，适应于低粘度的发酵液。
大型发酵罐 搅拌装置
搅拌器轴功率的计算
• 1、求搅拌雷诺准数 • 2、在不通气条件下一只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输 入搅拌功率 • 3、在不通气条件下两只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输 入搅拌功率 • 4、求通气条件下两只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输入 搅拌功率 • 5、选用电机
第一节 需氧发酵罐
氨基酸、有机酸、酶制剂、抗生素和单细胞 蛋白均由此方法制得。在生产过程中需通入无菌 空气，因此其设备的结构要比厌氧发酵复杂些。 生产上根据发酵罐通风和搅拌方式的不同可 将其分为四类：机械搅拌式通风发酵罐、自吸式 发酵罐、气升式发酵罐和塔式发酵罐
一 通用机械搅拌通风发酵罐
通用式发酵罐是指既具有机械搅拌又有压缩空气分布装置的 发酵罐。由于这种型式的罐是目前大多数发酵工厂最常用的， 所以称为“通用式”。其容积可自20 L～200 L，有的甚至 可达500-50000 L。
一、发酵罐的结构
• • • • • • • • 1、罐体（材料为碳钢或不锈钢） 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封 8、冷却装置
• 1. 罐体结构
• • • • • •
标准发酵罐的几何尺寸
H/D=1.7~4 d/D=1/2~1/3 W/D=1/8~1/12 B/D=0.8~1.0 (s/d)2=1.5~2.5 (s/d)3=1~2
3 空气分布器与空气过滤器 是从罐的底部向罐内通入无菌空气，一般入口处 的压力为0.1-0.2MPa ，罐顶部有空气出口。空气 分布器一般用单孔管，开口向下，避免培养液中 的固体物料在管口堆积而增加污染的机会。
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，管口与罐低的距离约 40mm，并且空气分散效果较好。 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，空气由分布管喷出 上升时，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。