第五章 通风发酵设备
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发酵设备 第五章 通风发酵设备
图34 碟片式消泡器
图33 旋风离心式消泡器
• （3）刮板式消泡器
• 刮板式消泡器由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流 口、气体出口组成。刮板的中心与壳体的中心有一个偏心 距。工作原理是，刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳 体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为 1000~1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的 下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气 体出口排出。见图35
1110 1400 1600 1600 1800 2100 2200 3000
φ500 φ700 φ800 φ900 φ900 φ1100 φ1200 φ1400
φ600 φ800 φ900 φ1000 φ1000 φ1200 φ1300 φ1500
340 321 200 280 200 250 200 180
第一节 通风发酵罐
•
•
形状，圆柱形，两端椭圆形？？受力均匀，减 少死角，物料容易排除，比其他型式的封头在 同样使用压力下可用较薄的钢板，见图8。 高度与直径比1.7~4：1，有利空气利用率
图8 已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管
发酵罐的壁厚及封头厚度的计算
图10 大中型发酵罐上封头
自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 文氏发酵罐
气升式发酵罐 伍氏发酵罐 塔式发酵罐
第一节 通风发酵罐
Ⅰ
机械搅拌发酵罐
• 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一，它是 利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合 促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁 殖、发酵所需要的氧气。
第一节 通风发酵罐
一.发酵罐的基本条件
100 200
筒体 高度 H(mm) 3200 4700 6600 7000 8000 8000 9400 11500
图33 旋风离心式消泡器
• （3）刮板式消泡器
• 刮板式消泡器由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流 口、气体出口组成。刮板的中心与壳体的中心有一个偏心 距。工作原理是，刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳 体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为 1000~1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的 下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气 体出口排出。见图35
1110 1400 1600 1600 1800 2100 2200 3000
φ500 φ700 φ800 φ900 φ900 φ1100 φ1200 φ1400
φ600 φ800 φ900 φ1000 φ1000 φ1200 φ1300 φ1500
340 321 200 280 200 250 200 180
第一节 通风发酵罐
•
•
形状，圆柱形，两端椭圆形？？受力均匀，减 少死角，物料容易排除，比其他型式的封头在 同样使用压力下可用较薄的钢板，见图8。 高度与直径比1.7~4：1，有利空气利用率
图8 已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管
发酵罐的壁厚及封头厚度的计算
图10 大中型发酵罐上封头
自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 文氏发酵罐
气升式发酵罐 伍氏发酵罐 塔式发酵罐
第一节 通风发酵罐
Ⅰ
机械搅拌发酵罐
• 机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一，它是 利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合 促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁 殖、发酵所需要的氧气。
第一节 通风发酵罐
一.发酵罐的基本条件
100 200
筒体 高度 H(mm) 3200 4700 6600 7000 8000 8000 9400 11500
发酵工程设备课件 第五章嫌气发酵设备
②罐容量 罐有效容积一般为罐总量的80%左右。 ③锥角 一般在60°～90°之间， 常用60°～ 75°（不锈钢罐常用锥角60°，内有涂 料的钢罐锥角为75°），以利于酵母的沉 降与分离。
④冷却夹套
锥形发酵罐冷却常采用间接冷却。国内一般采用半圆 管、槽钢、弧形管夹套，或米勒板氏夹套在低温低压 （－3℃、0.03MPa）下用液态二次冷媒冷却，国外 多采用换热片式（爆炸成型）一次性冷媒直接蒸发式 冷却。一次性冷媒（如液氨蒸发温度为－3～－4℃） 蒸发后的压力为1.0MPa～1.2MPa,对夹套耐压性要求 较高。由于啤酒冰点温度一般为－2.0～－2.7℃,为防 止啤酒在罐内局部结冰，冷媒温度应在－3℃左右。 国内常采用20%～30%的酒精水溶液，或20%丙二醇 水溶液作为冷媒。
二、新型啤酒发酵设备
二、新型啤酒发酵设备
——圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）
锥形罐结构图
（一）圆柱锥底发酵罐的特点
（1）该罐具有锥底，主发酵后回收酵母方便。 （2）圆柱锥形罐具有相当高度，凝聚力较强 的酵母可以沉淀，凝聚性差的酵母就需要离 心分离。 （3）圆柱锥底罐是密闭罐，既可以作发酵罐， 也可以作贮酒罐（二罐法）;也可将发酵和贮 酒合二为一（一罐法）。由于是密闭罐，可 以回收二氧化碳，CO2气体由罐顶排出罐外 并收集。
酒精发酵罐一般不配置机械搅拌装置
酒精发酵罐工作时罐内不同高度的发酵液中 CO2含量有所不同，一般罐底CO2气泡密集程 度高，醪液相对密度小，罐上部CO2气泡密集 程度低，醪液相对密度大，于是相对密度小的 底部发酵液具有上浮的提升力，同时上升的 CO2气泡对周围的液体也具有一定的拖拽力， 这拖拽力和液体上浮的提升力结合就构成气体 搅拌作用。 罐体较大，罐内产生的CO2较少时，可配置侧 向搅拌器。
通风发酵
第六章反应器的流动模型与放大
在前边讨论的CSTR和CPFR时，引入了全混流和活塞流概念，并称其
为理想流动模型，在实际生产的反应器流动都不符合上述这两种流动模 型，我们称非流动模型，它介于这两种理想流动模型之间。
在前边讨论，知道反应程度与反应时间有关，反应时间越长，反应
越彻底（转化率越高），反之越低。 在间歇操作反应器中由于物料同时放入，反应后同时放出，所以不存
P n V
g 0.5 s
0.4
0.5
kd=
Pg 2.36 3.30 Ni V
0.56
molO2 s0.7 n0.7 109 mL .min. 大气压（ p)
pg------千瓦；V------m3； vs------截面气速cm/min； n-----转数/分 有kLa与kd换算式可得出kLa的算式
P nD P 0.32 Q
2 3 o g 0.08
0.39
若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转 数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。 不通风时搅拌功率;
P 2 4.63N n D 10
3 5 2 P
9
P2=2×4.63×4.7×803×1.35×1060 ×10-9 =87.7（KW）
V N molO N 1000 m t 4 ml min
2 V
C
2、）物料衡算法 VL ×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)
3、KLa与kd的关系 由亨利定律知：p=HC* 由气体分压定律知:p=Px
x 1 N k a Pk a p H H x k 定义： k a H
• p=H C* p*= H C
第五章通风发酵设备
上升管和下降管装在罐外的，称为外循环。装在罐内的， 称为内循环。
（一）带升式发酵罐
带升式发酵罐的优特点：结构简单，冷却面积较 小；不需搅拌设备，节省动力约50%；装料系数 达 80~90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌 感染。 但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
带升式发酵罐的工作 机理
就是在罐外装设上升管，上 升管两端与罐底及罐上部相 连接，构成一个循环系统。 在上升管的下部装设空气喷 嘴 ， 空 气 以 205 ～ 300m/s 的 高速度喷入上升管，使空气 分割细碎，与上升管的发酵 液密切接触。由于上升管内 的发酵液比重较小，加上压 缩空气的动能，使液体上升， 罐内液体下降进人上升管， 形成反复的循环。结构有内 循环及外循环两种。
气升环流发酵罐
气升环流发酵罐的型式较多，常 用的有高位，低位及压力发酵罐 几种。
右图 是联邦德国 Hoechst公司 的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐 的高度增大可以提高氧的传递能 力，增大对液流的驱动力。
驱动力的调节通过气体流量控制。 罐的结构简单，易于放大。
图 5-6 是 具 有 外 循 环 冷 却 的 空气提升环流式发酵罐，通 气管与罐底的距离是通气管 直径的0.5～1.5倍，气体经 多孔板送入罐内，多孔板之 下是气液分离带，此处回流 培养液的气泡率降至10%以 下。从罐底引出培养液，用 离心泵输送到热交换器后从 上部回流入罐内。
美国LH发酵有限公司的系列产品容积为1～2、30、 80、100、150L。
气升压力循环发酵罐如右图所示。 设备是以甲醇为原料培养嗜甲基杆 菌，容积达1500m3。上升管在下降 管之内或在下降管之外，可以是同 心圆，也可用挡板相隔。上升管可 以一个或两个以上。顶部与底部相 连接，上升管截面积为下降管截面 积3～8倍。上升管截面为上部的 3～8倍。下部高度是总高的 30～ 60％。发酵罐总高在30m以上，以 40～60m为宜。此时氧的传递量为 8～12kgO2/m3，对微生物生长较为 合适。
（一）带升式发酵罐
带升式发酵罐的优特点：结构简单，冷却面积较 小；不需搅拌设备，节省动力约50%；装料系数 达 80~90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌 感染。 但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
带升式发酵罐的工作 机理
就是在罐外装设上升管，上 升管两端与罐底及罐上部相 连接，构成一个循环系统。 在上升管的下部装设空气喷 嘴 ， 空 气 以 205 ～ 300m/s 的 高速度喷入上升管，使空气 分割细碎，与上升管的发酵 液密切接触。由于上升管内 的发酵液比重较小，加上压 缩空气的动能，使液体上升， 罐内液体下降进人上升管， 形成反复的循环。结构有内 循环及外循环两种。
气升环流发酵罐
气升环流发酵罐的型式较多，常 用的有高位，低位及压力发酵罐 几种。
右图 是联邦德国 Hoechst公司 的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐 的高度增大可以提高氧的传递能 力，增大对液流的驱动力。
驱动力的调节通过气体流量控制。 罐的结构简单，易于放大。
图 5-6 是 具 有 外 循 环 冷 却 的 空气提升环流式发酵罐，通 气管与罐底的距离是通气管 直径的0.5～1.5倍，气体经 多孔板送入罐内，多孔板之 下是气液分离带，此处回流 培养液的气泡率降至10%以 下。从罐底引出培养液，用 离心泵输送到热交换器后从 上部回流入罐内。
美国LH发酵有限公司的系列产品容积为1～2、30、 80、100、150L。
气升压力循环发酵罐如右图所示。 设备是以甲醇为原料培养嗜甲基杆 菌，容积达1500m3。上升管在下降 管之内或在下降管之外，可以是同 心圆，也可用挡板相隔。上升管可 以一个或两个以上。顶部与底部相 连接，上升管截面积为下降管截面 积3～8倍。上升管截面为上部的 3～8倍。下部高度是总高的 30～ 60％。发酵罐总高在30m以上，以 40～60m为宜。此时氧的传递量为 8～12kgO2/m3，对微生物生长较为 合适。
通风发酵设备
按反应器的操作方式：间歇式生物反应器、连续式 生物反应器和半间歇式生物反应器。
按生物催化剂在反应器中的分布方式：可 以分为生物团块反应器和生物膜反应器。
按反应物系在反应器内的流动和混合状态 ：全混流型生物反应器和活塞流型生物反 应器。
按发酵培养基质的物料状态：液态生物反 应器与固态生物反应器。
第一节 机械搅拌通风发酵设备 第二节 其他类型的通风发酵罐
在罐顶上装有视灯及灯镜,进料管、补料管、 排气管、接种管和压力表接管,排气管应尽可 能靠近罐顶中心位置。
在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气 管、取样管、温度计管和测控仪表接口。
罐体各个部分材料多采用不锈钢，为满足 工艺需求，罐体必须能承受发酵工作时和灭 菌时的工作压力和温度。罐壁厚度取决于罐 径，材料耐受的压强。
n
[σ] -许用应力，= n σ ——钢板抗拉强度：35Kg/mm2；
n=4 (t<250℃)
受外压壁厚计算：
S PD [1 2400
1
H
PD
H
]
C
a-系数，直立圆筒45，有焊缝取50 H-圆筒高度，mm
2.搅拌器 和挡板
搅拌器的主要作用是混 合和传质。
1) 使通入的空气分散成气泡并与发 酵液充分混合。 (2) 使气泡细碎以增大气-液界面，以 获得所需要的溶氧速率。 3) 使生物细胞悬浮分散于发酵体系中， 以维持适当的气-液-固三相的混合与质 量传递 4) 强化传热过程。
一、机械搅拌发酵罐的基本要求
1) 发酵罐应具有适宜的径高比
2) 发酵罐能承受一定压力。
3) 发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合， 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，避免藏垢积 污， 灭 菌能彻底，避免染菌 6） 具有严密的轴封，防止泄漏。
按生物催化剂在反应器中的分布方式：可 以分为生物团块反应器和生物膜反应器。
按反应物系在反应器内的流动和混合状态 ：全混流型生物反应器和活塞流型生物反 应器。
按发酵培养基质的物料状态：液态生物反 应器与固态生物反应器。
第一节 机械搅拌通风发酵设备 第二节 其他类型的通风发酵罐
在罐顶上装有视灯及灯镜,进料管、补料管、 排气管、接种管和压力表接管,排气管应尽可 能靠近罐顶中心位置。
在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气 管、取样管、温度计管和测控仪表接口。
罐体各个部分材料多采用不锈钢，为满足 工艺需求，罐体必须能承受发酵工作时和灭 菌时的工作压力和温度。罐壁厚度取决于罐 径，材料耐受的压强。
n
[σ] -许用应力，= n σ ——钢板抗拉强度：35Kg/mm2；
n=4 (t<250℃)
受外压壁厚计算：
S PD [1 2400
1
H
PD
H
]
C
a-系数，直立圆筒45，有焊缝取50 H-圆筒高度，mm
2.搅拌器 和挡板
搅拌器的主要作用是混 合和传质。
1) 使通入的空气分散成气泡并与发 酵液充分混合。 (2) 使气泡细碎以增大气-液界面，以 获得所需要的溶氧速率。 3) 使生物细胞悬浮分散于发酵体系中， 以维持适当的气-液-固三相的混合与质 量传递 4) 强化传热过程。
一、机械搅拌发酵罐的基本要求
1) 发酵罐应具有适宜的径高比
2) 发酵罐能承受一定压力。
3) 发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合， 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，避免藏垢积 污， 灭 菌能彻底，避免染菌 6） 具有严密的轴封，防止泄漏。
第五章 通风发酵设备
（8）罐外机械消泡旋转叶片罐外机械消泡 将泡沫引出罐外，利用装置中的旋转叶片所产生的冲击力和剪切力进行消泡。
（9）喷雾消泡 利用冲击力、压缩力及剪断力来进行消泡的方法，它将水及发酵液等通过适当的喷雾器喷出来达到消泡的目的。
（10）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。
(5)根据生物催化剂在反应器中的分布方式，分生物团块反应器和生物膜反应器。生物团块反应器按催化剂的运动状态又分为填充床，流化床，生物转盘等。
(6)根据反应物系在反应器内的流动和混合状态,分全混流型和活塞型生物反应器。
第一节机械搅拌通风发酵罐
细胞生物反应器搅拌方式有内部机械搅拌型，外部液体搅拌型，气升式发酵罐等三种。工业规模的微生物细胞反应器多为搅拌型发酵。
三、喷射自吸式发酵罐
用文式管喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合通气。
1文式管吸气自吸式发酵罐
原理：用泵使发酵液通过文式管吸气装置，由于液体在文式管的收缩段流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现溶氧传质。
2液体喷射自吸式发酵罐
第四节高位塔式生物反应器
一种高径比较大的非机械搅拌式生物反应器。它不设置机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升时带动流体运动，产生混合效果。适用于培养液粘度低，含固量少，需氧量较低的培养过程。Ｈ/Ｄ高达７，流体深度大，空气进入培养液后有较大的停留时间，并可将气体重新分散，筛板上的降液口有助于液体的循环运动。
第五章 通风发酵设备
利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料被升值。在生物反应过程中,若采用活细胞(微生物,动植物细胞)为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。采用游离或固定化酶，称为酶反应过程。
（9）喷雾消泡 利用冲击力、压缩力及剪断力来进行消泡的方法，它将水及发酵液等通过适当的喷雾器喷出来达到消泡的目的。
（10）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。
(5)根据生物催化剂在反应器中的分布方式，分生物团块反应器和生物膜反应器。生物团块反应器按催化剂的运动状态又分为填充床，流化床，生物转盘等。
(6)根据反应物系在反应器内的流动和混合状态,分全混流型和活塞型生物反应器。
第一节机械搅拌通风发酵罐
细胞生物反应器搅拌方式有内部机械搅拌型，外部液体搅拌型，气升式发酵罐等三种。工业规模的微生物细胞反应器多为搅拌型发酵。
三、喷射自吸式发酵罐
用文式管喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合通气。
1文式管吸气自吸式发酵罐
原理：用泵使发酵液通过文式管吸气装置，由于液体在文式管的收缩段流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现溶氧传质。
2液体喷射自吸式发酵罐
第四节高位塔式生物反应器
一种高径比较大的非机械搅拌式生物反应器。它不设置机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升时带动流体运动，产生混合效果。适用于培养液粘度低，含固量少，需氧量较低的培养过程。Ｈ/Ｄ高达７，流体深度大，空气进入培养液后有较大的停留时间，并可将气体重新分散，筛板上的降液口有助于液体的循环运动。
第五章 通风发酵设备
利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料被升值。在生物反应过程中,若采用活细胞(微生物,动植物细胞)为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。采用游离或固定化酶，称为酶反应过程。
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第一、二章物料预处理、灭菌设备一、填空1.带式输送机中托辊分上托辊、下托辊，其作用是防止输送带下垂，起支撑作用；张紧装置的作用是使输送带带产生以一定的预张力，避免输送带在传动滚筒上打滑；减少输送阻力。
2.锤式粉碎机对物料的破碎作用力主要包括冲击力、摩擦力和剪切力。
3.锤式粉碎机适合于脆性性质物料的粉碎，如地瓜、玉米，辊式粉碎机适合于粘性颗粒状、中等硬度性质物料的粉碎，麦芽、玉米。
4.磁力除铁器种类有：永磁溜管及永磁滚筒。
5.辊式粉碎机的破碎作用力主要为：挤压力、剪切力（当两辊速不同时）。
6.利用糖蜜原料发酵生产酒精前，需要对糖蜜进行稀释、酸化、灭菌和增加营程。
7.后熟器作用是在一定温度下，维持一定时间，使糊化醪进一步煮熟。
8.平底筛板过滤槽的过滤介质是：。
9.糖化锅的作用是：使麦芽糖与水混合，并保持一定温度进行蛋白质分解和淀粉糖化。
10.淀粉质原料罐式蒸煮糖化流程中，对瓜干类原料来说蒸煮罐的个数一般为：3-4个，玉米类原料蒸煮罐的个数一般为：5-6个。
11.淀粉质原料罐式蒸煮糖化流程最后一个后熟器的醪液位置一般控制50%-70%左右的位置。
12.啤酒生产四器组合指的是：糊化锅、糖化锅、过滤槽、麦汁煮沸锅。
13.麦汁煮沸锅的作用有：麦汁的煮沸和浓缩、加热凝固蛋白质、酒花内物质的溶解等。
14.培养基连续灭菌流程的种类有：由热交换器组成的灭菌系统、蒸汽直接喷射型、连消塔，维持罐和喷淋冷却组成的。
15.培养基灭菌流程常用的冷却器形式有：喷淋冷却、真空冷却、板式换热器。
等。
二、单项选择1.锤片式粉碎机主要靠（c）的作用力对物料进行破碎的。
A 剪切作用B 挤压作用C 撞击作用D 劈裂作用2.大麦粗选机具有（B）层筛面。
A 2B 3C 4D 53.罐式连续蒸煮流程中蒸煮罐及后熟器的个数一般为（B）个。
A 1-3B 4―6C 6-9D 9-114. 啤酒厂大米的粉碎一般选择（ B）。
A锤式粉碎机 B 辊式粉碎机 C 盘式粉碎机 D 超细微粉碎机5. 平底麦汁过滤槽的麦糟层厚一般取（C）。
5 第五章 通风发酵罐.
心式消泡器装于排气口上. 法兰的垫圈要上紧，过松会造成渗入空气现象。 绞牙的填料很容易渗漏，特别是经常震动的管 路更容易渗漏，管路连接用电焊法较好. 阀杆是经常转动的，填料容易被旋松而造成渗 漏，所以每生产一批后均应检查旋紧填料或更换 填料。
刮板式消泡器:卧式偏心刮板消泡器，立式刮板式消泡器。 刮板式消泡器:卧式偏心刮板 由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成。 由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成 刮板的中心与壳体的中心有一个偏心距。 工作原理:刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳体四周， 受机械冲击而达到消泡作用。板的转速为1000~1400r/min。 消泡后的液体返回发酵罐，气体则通过气体出口排出。
机械搅拌发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐 通风发酵罐类型 喷射自吸式发酵罐 伍氏发酵罐 文氏发酵罐 塔式发酵罐
机械搅拌通风 通风发酵罐 §1 机械搅拌通风发酵罐[70~80%] 一、结构 、 它由圆柱体及椭圆形或碟形 封头焊接而成，碳钢或不锈钢， 封头焊接而成，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， 或复合不锈钢制成，衬里用的不 锈钢板厚为2~3mm。 锈钢板厚为2~3mm。 为了在一定压力下操作、 为了在一定压力下操作、空消或 实消，罐为一个受压容器， 实消，罐为一个受压容器，通常 灭菌压力为2.5 2.5kg/cm 绝对） 灭菌压力为2.5kg/cm2（绝对）
2]挡板:作用是改变液流的方向， 2]挡板:作用是改变液流的方向，由径向流改 挡板 为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 挡板宽度取（0.1-0.12）D，设4~6块即可满足 全挡板条件。 全挡板条件” “全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐 内附件而轴功率仍保持不变。 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： (B/D)Z=[(0.1~0.12)D/D] × Z=0.5
刮板式消泡器:卧式偏心刮板消泡器，立式刮板式消泡器。 刮板式消泡器:卧式偏心刮板 由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成。 由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成 刮板的中心与壳体的中心有一个偏心距。 工作原理:刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳体四周， 受机械冲击而达到消泡作用。板的转速为1000~1400r/min。 消泡后的液体返回发酵罐，气体则通过气体出口排出。
机械搅拌发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐 通风发酵罐类型 喷射自吸式发酵罐 伍氏发酵罐 文氏发酵罐 塔式发酵罐
机械搅拌通风 通风发酵罐 §1 机械搅拌通风发酵罐[70~80%] 一、结构 、 它由圆柱体及椭圆形或碟形 封头焊接而成，碳钢或不锈钢， 封头焊接而成，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， 或复合不锈钢制成，衬里用的不 锈钢板厚为2~3mm。 锈钢板厚为2~3mm。 为了在一定压力下操作、 为了在一定压力下操作、空消或 实消，罐为一个受压容器， 实消，罐为一个受压容器，通常 灭菌压力为2.5 2.5kg/cm 绝对） 灭菌压力为2.5kg/cm2（绝对）
2]挡板:作用是改变液流的方向， 2]挡板:作用是改变液流的方向，由径向流改 挡板 为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 挡板宽度取（0.1-0.12）D，设4~6块即可满足 全挡板条件。 全挡板条件” “全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐 内附件而轴功率仍保持不变。 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： (B/D)Z=[(0.1~0.12)D/D] × Z=0.5
灭菌及无菌空气的制备
pH值对灭菌时间的影响
温度 （℃）
120 115 110 100
孢子数 （个/mL) pH6.1
10000
8
10000
25
10000
70
10000
740
灭菌时间（min）
pH5.3
pH5.0
pH4.7
7
5
3
25
12
13
65
35
30
720
180
150
pH4.5
3 13 24 150
影响灭菌效果的因素
升温
4、冷却保压：把培养基降低到接种的温度
分批灭菌过程包括：升温、保温和冷 却等三个阶段。各阶段对灭菌的贡献： 20%、75%、5%。应当避免长时间的 升温加热阶段，因为加热时间过长， 不仅破坏营养物质，而且也有可能引 起培养液中某些有害物质的生成，从 而影响培养过程的顺利进行。
0
80 120 160
分批灭菌的时间计算
若不计升温阶段所杀灭的菌数，把培养基中所有的菌均看成在保 温阶段被杀死，可粗略计算灭菌所需时间。
例：发酵罐内装40m3培养基，在温度121℃下进行实罐灭菌。原 污染程度为每毫升2×105感染耐热细菌芽孢， 121℃时灭菌速率常数 为-1，求灭菌失败概率为时所需要的灭菌时间。
解：N0=40 ×106 × 2×105（个） Nt（个）
连续灭菌时间的计算：
连续灭菌的时间的计算，含菌数应改为每毫升培养基的含菌数。
例：发酵罐内装40m3培养基，在温度131℃下进行连续灭菌。 原污染程度为每毫升2×105感染耐热细菌芽孢， 131℃时灭菌速 率常数为15min-1，求所需要的灭菌时间。
解：c0= 2×105（个/ml） ct=1 /40 ×106 ×103 =2.5 ×10-11 （个/ml） k=15min-1
温度 （℃）
120 115 110 100
孢子数 （个/mL) pH6.1
10000
8
10000
25
10000
70
10000
740
灭菌时间（min）
pH5.3
pH5.0
pH4.7
7
5
3
25
12
13
65
35
30
720
180
150
pH4.5
3 13 24 150
影响灭菌效果的因素
升温
4、冷却保压：把培养基降低到接种的温度
分批灭菌过程包括：升温、保温和冷 却等三个阶段。各阶段对灭菌的贡献： 20%、75%、5%。应当避免长时间的 升温加热阶段，因为加热时间过长， 不仅破坏营养物质，而且也有可能引 起培养液中某些有害物质的生成，从 而影响培养过程的顺利进行。
0
80 120 160
分批灭菌的时间计算
若不计升温阶段所杀灭的菌数，把培养基中所有的菌均看成在保 温阶段被杀死，可粗略计算灭菌所需时间。
例：发酵罐内装40m3培养基，在温度121℃下进行实罐灭菌。原 污染程度为每毫升2×105感染耐热细菌芽孢， 121℃时灭菌速率常数 为-1，求灭菌失败概率为时所需要的灭菌时间。
解：N0=40 ×106 × 2×105（个） Nt（个）
连续灭菌时间的计算：
连续灭菌的时间的计算，含菌数应改为每毫升培养基的含菌数。
例：发酵罐内装40m3培养基，在温度131℃下进行连续灭菌。 原污染程度为每毫升2×105感染耐热细菌芽孢， 131℃时灭菌速 率常数为15min-1，求所需要的灭菌时间。
解：c0= 2×105（个/ml） ct=1 /40 ×106 ×103 =2.5 ×10-11 （个/ml） k=15min-1
生物工程设备考试知识点必看
生物工程设备第一章绪论●生物工程设备(bioengineering equipment)：就是生物工程类工厂或实验室为生物反应提供最基本也是最主要的能够满足特定生物反应工艺过程的专门技术装备或设施。
即为生命体完成一定反应过程所提供的特定环境。
●生物工程设备是现代生物技术的基本原理与工程学原理相交叉的应用性学科，是将生物技术成果产业化的桥梁。
●吕文虎克发明显微镜、柯赫建立了微生物分离纯化和纯培养技术、弗莱明发现了青霉素，并确认青霉素对伤口感染更有疗效●通风搅拌发酵技术的建立标志着实现了真正意义的生物工程设备；代表：青霉素●对通气搅拌生物反应器进行了改造，发展了气升式反应器，设备向着大型化、自动化发展●20 世纪70 年代基因重组技术诞生；代表产物是胰岛素第二章原料处理及灭菌设备●目前常用的处理方法有：筛选法、比重法、浮选法、磁选法●预处理包括：筛选去杂、磁力除铁、精选分级、原料粉碎●筛分机械原理：根据颗粒的几何形状及其粒度，利用带有孔眼的筛面对物料进行分选的机器，具有去杂、分级两个功能●网目：以每英寸长度内的筛孔数表示，称为网目数，简称网目，以M表示●振动筛：发酵工厂应用最为广泛，带有风力除尘功能的筛选设备，多用于清除物料中小或者轻的杂质。
●滚筒筛分类有 1.并列式：颗粒直径分布均匀；2,串联式：小颗粒含量较多的；3.同轴式：大颗粒含量不多的物料●重力分选原理：干重重力分选、湿重重力分选●湿重重力分选利用不同密度的颗粒在水中受到的浮力及下降阻力的差异进行分选的。
●典型重力分选机械粒状原料密度去石机采用干法重力分选块根原料除石机该设备通常采用湿法重力分选●精选设备常用的有滚筒式精选机、碟片式精选机、螺旋球度精选机●螺旋球度精选机从长颗粒中分离出球形颗粒●粉碎的理论模型（a）体积粉碎模型（b）表面粉碎模型（c）均一粉碎模型●粉碎：粉碎是固体物料尺寸由大变小的过程，是利用机械力来克服固体物料内部凝聚力使之破碎成符合要求的小颗粒的单元操作。
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工作原理：它是利用空气的喷射功能和流体重 度差造成反应液循环流动，来实现液体的搅拌、 混合和传递氧。即不用机械搅拌，完全依靠气 体的带升使液体产生循环并发生湍动，从而达 到气液混合和传递的目的。
特点：
a、反应溶液分布均匀 b、较高的溶氧速率和溶氧效率
c、剪切力小，对生物细胞损伤小
d、传热良好
e、结构简单，易于加工制造
气升式发酵罐
• 工作原理 • 气升环流式发酵罐
鼓泡式发酵罐
•工作原理 •结构
•
典型的气升式发酵罐
•典型的鼓泡式发酵罐
通风固相发酵罐
一、机械搅拌通用式发酵罐
（一）发酵罐的基本条件
重点
原理：利用机械搅拌器的作用，使空气和醪
液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证
供给微生物生长繁殖，发酵所需要的氧气。
分立布置。
排气
排气
内 循 环
外 循 环
空气 空气 图6-4 气升式发酵罐的分类
空气 2 3 1 排气 6 降 管 升 管 降 管 升 管 7
4 5
图6-5 内循环气升式发酵罐结构布置示意图 1-发酵罐罐体 2-通气管 3-拉力筒 4-导向筒 5-夹套冷却器 6-多孔板 7-检测器接口
图6-6 外循环气升式生物反应器结构示意图
功率也较低。
螺旋桨式搅拌器
形成轴向螺旋运动
混合效果好，剪切率较低 适合于要求整罐混匀好、剪切性能温和的 发酵过程
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。 防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器 露在料液以上，起不到搅拌作用。 6~4块挡板可满足全挡板条件,宽度为0.10.12D。
耙式消泡器
旋风离心式
刮板式消泡器
叶轮离心式
碟片式消泡器
7、换热装置
夹套冷却 竖式蛇管冷却 大型发酵罐 竖式列管冷却 大型发酵罐 气温较高的地区
适 用 5m3以下小发酵罐 范 围
结构简单，加工容 加工方便，提高 优 流速大，传热系数 易，罐内死角少， 传热推动力的温 点 大，降温效果较好。 容易清洗灭菌 差。
端面式轴封又称机械 轴封。密封作用是靠
弹性元件（弹簧、波
纹管等）的压力使垂
直于轴线的动环和静
环光滑表面紧密的相
互贴合，并作相对而
达到密封。
5、空气分布装置
空气分布装置的作用：吹入无菌空气，使
空气分布均匀。
空气分布装置的形式：单管和环形管。常
用单管，环形管喷口容易被堵塞。环形管
的环径一般为搅拌器直径的0.8倍。
一、气升环流式发酵罐工作原理
罐内外装设环流管，环流管两端与罐底及罐 上部相连接，构成一个循环系统。在环流管 的下部装设空气喷嘴口，空气以250－300m/s 的高速度喷入上升管，使空气分割细碎，使 上升管的发酵液比重较小，加上压缩空气的 动能，使液体上升，而含气率小的发酵液则 下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿流 体的搅拌混合。
气穴：当用圆盘平直叶涡轮搅拌器把气体分
散于低黏流体时，在每片浆叶的背面都有一
对高速转动的漩涡，漩涡内负压较大，从叶
片下部供给的气体立即被卷入漩涡，形成气
体充填的空穴，称为气穴。 解决方法：采用弯曲叶片或叶片上下结构不 对称，上面略长于下面。
传热壁较厚，冷却 冷却水较高时，降 缺 水流速低，降温效 温困难，弯曲位置 点 果差 易腐蚀。
用水量较大。
(二)机械搅拌通风发酵罐的计算
1、几何尺寸： H/D=1.7~4.0， H：罐身高，D：罐径 Di/D=1/2~1/3， Di：搅拌叶轮直径 B/D=1/8~1/12， B：挡板宽 C/Di=0.8~1.0， C：下搅拌叶轮与罐底距 S/Di=1~5， H0/D=2.0~3.0 S：相邻搅拌叶轮间距 H0 ：罐高
基本要求
1.结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度
与径高比一般为1.7-4，罐身越长，氧气的利
用率越高。
2.有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌
过程和工作时，罐内有一定的压力和温度。
因此需要一定的强度。
3.搅拌通风装置使之气液充分混合，保证
发酵液一定的溶解氧。
4.足够的冷却面积。
5.尽量减少死角。
3、连轴器及轴承
用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固的刚性
联接。
形式：鼓形及夹壳形两种。
为了减少震动，中型发酵罐装有底轴承，
大型发酵罐装有中间轴承。
• 小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接。
联轴器
法兰
• 中型发酵罐一般在
罐内装有底轴承；
中间轴承
• 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）。
全挡板条件：在一定的转速下面增加罐内附
件而轴功率保持不变。此条件与挡板数Z，与挡
板宽度W与罐径D之比有关。能达到消除液面旋 涡的最低条件。
•要达到全挡板条件必须满足下式要求：
0.1 ~ 0.12 D n 0.5 b n D D
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐
小 结
之 机 械 搅 拌 发 酵 罐 • 工作原理 • 结构 • 几何尺寸
D B
↑ ↑
↑
↑
Di
↑
↑
气升式发酵罐(ALR)
之 气 升 式 发 酵 罐
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
气升式发酵罐是应用最为广泛的生物反应器。 气升式反应器是在鼓泡塔反应器的基础上发展 起来的。 类型：气升环流式、塔式、空气喷射式等。
↑
B
↑
↑
搅拌器与罐底的
距离：
D
C = Di,太小影响
液体循环。
↑
Di
↑
↑
2、容积计算 罐的总容积：V总＝V圆柱＋V上封头＋V下封头 罐的公称容积：V公称＝V圆柱＋V下封头 平常所说的多少体积的发酵罐就是指的罐的 公称容积。 罐的有效容积：V有效＝V总η 装满系数，一般取0.65－0.75 η ：罐的容积
底轴承
4、轴封
定义：运动部件与静止部件之间的密封叫 作轴封。如搅拌轴与罐盖或罐底之间。 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。 形式：填料函和端面轴封两种。目前多用 端面式轴封。 填料函式轴封是由填料箱体、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。
发酵罐采用搅拌器主要有涡轮搅拌器和螺 旋桨式搅拌器。 用涡轮式搅拌器时为避免气泡在阻力较小 的搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅 拌器中央常带有圆盘。
常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和 箭叶式三种。
叶片数一般为六个，也有少至四个或多至 八个的。 为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型， 用螺栓联成整体。 功率消耗：平板式最大，弯叶式次之，箭 叶式最小。
搅拌器宜用不锈钢制造。
d1 d
d1 d
a
b
b
b
d1 d
h
h
r a-六平叶 b-六弯叶 图6-1 通用的涡轮式搅拌器 h : b : d- : d = 4 : 5 : 13 : 20 h : b : d- : d = 4 :5.5 :13 :20 e : h : b :d1:d=3:3.5 : 5 : 13 : 20 r弯=(1/2)dr箭=(1/4)d1 a=380 c-六箭叶
最简单的通气装置：单孔管，单孔管的出 口位于最下面的搅拌器的正下方，开口往 下，以免培养液中固体物质在开口处堆积 和罐底固形物质沉淀。管口与罐底的距离 约为40mm。
开口朝下的多孔环形管： 环的直径约为搅拌器直径的0.8倍。 小孔直径5-8mm孔的总面积约等于通风 管的截面积。
通气量较小时，气泡的直径与空气喷口直径 有关。 喷口直径越小，气泡直径越小，氧的传质系 数越大。 发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通气 量有关而与分布器直径无关。
第五章 通风发酵设备
刘晓莉
对通风发酵设备的要求
（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内 壁光滑，耐腐蚀性能好，内部附件尽量减少， 以利于灭菌彻底和减少金属离子对发酵的影 响。 （2）有良好的气液接触和液固混合性能，使 物质传递、气体交换能有效地进行。 （3）在保证发酵要求的前提下，尽量减少搅 拌和通气时所消耗的动力。
之 气 升 式 升 环 流 反 应 器
G
↑ G
G ↑ G
↑
泵
L
↑
气升环流式反应器
F 多层空气分布板的 气升环流式反应器
气升式发酵罐按其所采取的液体循环方式的
不同，可划分为内循环气升式发酵罐和外循
环气升式发酵罐。
前者使循环过程中的升管与降管均设置在同
一发酵罐内部；而后者则是上升管与下降管
强烈机械搅拌时，多孔分布器对氧的传递效 果并不比单孔管为好，会造成不必要的压力 损失，且易使物料堵塞小孔。
6、消泡器
大量的泡沫将导致发酵液外溢和增加染菌 的机会。 两种消泡方法：化学消泡剂；机械消泡装 置。 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。
f、操作和维修方便
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
发展
初期：空气通过底部的多孔板分散成小气泡 与培养基混合，向上移动，最后与二氧化碳 等释出，培养液处于湍流状态。 现在：上升管和下降管，含气率多的培养基 比重小，向上升。含气率小的培养基比重较 大，由于在管内外的液体比重不同，而产生 压力差，推动培养液在罐内循环。