【发酵工程_第九章_发酵罐放大与设计解读
罐表面积
传热工程
A 1 V↑， ↓ V R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关
键。
3.发酵罐设计的基本要求
发酵罐能在无杂菌污染条件下长期运转。搅拌器轴 封严密，减少泄漏；结构紧凑，附件少；无死角， 内壁光滑；管道等尽可能焊接，少用法兰；可维持 一定正压；取样口易于灭菌，各部分能单独灭菌。
本章内容
一、发酵罐的概念 二、发酵罐的类型 三、发酵罐的结构 三、通用式发酵罐的设计与放大 （一）发酵罐设计基本原则和要求 （二）发酵罐放大设计 四、重组菌生物反应器
一、发酵罐的概念
发酵罐： 进行微生物深层培养的反应器统称为发酵罐
大型发酵罐
二、发酵罐的类型
发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。
2. 搅拌装置
搅拌的目的 打碎气泡，增加气液接触面积，即a↑ 产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间 造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KL↑ 有利于混合及固体物料保持悬浮状态 搅拌的效果: 原生流→圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流 速V原∝n 挡板作用：次生流→轴向运动、翻动，决定混合好坏， V次∝n2 搅拌效果评价：传质、传热及混合效果
2) 生物反应器渗漏 防治措施： 90L 以下的发酵罐可采用磁力搅拌；对于体积 较大的发酵罐应采用双端面密封,且用作润滑剂 的无菌水的压力应高于生物反应器内的压力。 3) 取样泄漏 防治措施： 采用特殊的取样系统；灭菌处理
大肠杆菌发酵过程中，当发酵罐的通气量 为1:100，搅拌速度为400r/min时，在接种 后的4h内有511个大肠杆菌细胞从排气过 程中流出，在随后的1.5h中，有1267个大 肠杆菌细胞在排气过程中被带出。
轴承
为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底 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。 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)。 轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4~0.7％。为 了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触处的轴上 增加一个轴套。
2.发酵罐最大生产能力的确定
考虑两方面因素
微生物生长率、产物转化率
传质效率（KLa、传氧效率） 发酵罐的操作因素(传递性能) 传热效率 混合效率 改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的 首要任务。
传质工程
随规模扩大， α ↓，KLa ↓ ，同等条件下传氧效率↓
产热Q1 V罐体积 传热Q2 A
2. 放大准则
通常根据实际发酵中主要影响因素来确
定，如：KLa、 P/V、nd等等。
3. 放大方法
经验放大法
几何相似法 非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空气流量、
搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题，即操作参数的放 大设计。常用的放大方法有：
2）端面式轴封
端面式轴封又称机械轴 封。密封作用是靠弹性 元件（弹簧、波纹管等） 的压力使垂直于轴线的 动环和静环光滑表面紧 密地相互贴合，并作相 对转动而达到密封。
3.挡板
挡板的作用：改变液流方向，由径向流→轴向流，促使 流体翻动，增加传质和混合。 档板宽 ：W/D= 1/12-1/8 (取0.1) 全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加 档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消 失, 即要满足下式： （W/D）•Z =0.4 Z—档板数
D2 H 2
2
D2 D 2
2
∴
H 2 D2 3 m H1 D1
空气流量放大——以VVM相等的原则放大
∵
∴
(VVM ) V2 (VVM ) D WS 2 P PD
(WS ) 2 D2 P 1 (WS )1 D1 P2
空气流量放大——以Ws相等的原则放大
WS 2 (VVM ) 2 P1 D12 VL 2 1 2 WS 1 (VVM )1 P2 D2 VL1
∵
∴
2 VVM 2 P2 D2 VL1 P2 D1 2 VVM 1 P1 D1 VL 2 P1 D2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
K La Qg 2 / 3 HL VL
Q ( g ) 2 (H L ) 2
2 3
( K La ) 2 VL 1 2 Q ( K La )1 ( g )1 ( H L )1 3 VL
竖式蛇管(热交换强、蛇管设于罐内，不易清洁)
5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃
竖式列管（排管）：
传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，适用于气
温较高，水源充足的地区。
三、通用式发酵罐的设计与放大 （一）发酵罐设计基本原则和要求 1.发酵罐设计的基本原则
发酵罐能否适合于生产工艺的放大要求 发酵罐能否获得最大的生产效率
（二）发酵罐的放大设计
1. 放大的目的和任务
2. 放大准则
3. 放大方法
1. 放大的目的和任务
目的：实现生物技术成果走向产业化
生物技术产品产业研发的三个阶段： 实验室规模：菌种选育及发酵条件优化 中试规模：确定放大规律及最佳操作条件 工厂规模：通过产业化实验评价经济效益 任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”。
本章小结
了解发酵罐的类型，掌握通用式发酵罐的 基本结构
了解发酵罐设计的基本原则和要求 了解发酵罐放大设计的方法 了解重组菌生物反应器的特别要求
Thank you for your attention !
1.外形、结构及几何尺寸要求
H/D=1.7－3 HL/D=2－2.5
H—筒身高度 HL按照装料VL=70%V总计算
d/D=1/3－1/2 d—搅拌器直径 W/D=1/12－1/8（取0.1 ，并留1—2cm间隙，以 防死角） W—档板宽度 B/D=0.8－1.0 B—下搅拌器距底间距 1.5 ≤s/d≤ 2 s—搅拌器间距
Q ( g Q ( g VL VL )2 )1 ( H L )1 (H L ) 2
2 3 3
2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
∵ ∴
Qg WS D 2
V D3
HL D
1 WS 2 D ( 2 ) 3 D1 WS 1
又∵
(VVM ) V L (VVM ) D WS 2 P PD
传质效果好（传氧性能好，KLa大） 。
有足够的冷却面积（传热性能好，冷却能力强）。
功耗低（传递效率高，节能）。 采用不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。
应有基本控制系统（如T、pH、甚至DO2）。
具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂）。
具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。
要求放料、清洗、维修等操作简便，劳动消耗低。 实验罐、中试罐应与生产罐有相似的几何形状， 以利于放大。
轴封 通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 ) 顶搅拌 底搅拌 磁传动 气鼓式（鼓泡式） 气升式发酵罐 内循环 无菌压缩空气作为提升力 循环式 外循环 管道式反应器：发酵液通过管道流动代替搅拌 带有中央 吸气口 固定化发酵罐 填充床（液体循环） 流化床（同通气搅拌） 自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌器自吸入空气 伍式发酵罐 ：发酵罐内设套筒，多用于纸浆废液发酵生产酵母
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 三角皮带传动、圆柱或螺 旋圆锥齿轮减速装置。 其中以三角皮带变速传动 较为简便。
轴封
轴封的作用是使罐顶 或罐底与轴之间的缝 隙加以密封，防止泄 漏和污染杂菌。 常用的轴封有填料函 和端面轴封两种。
1）填料函式轴封
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。
几何尺寸放大 空气流量放大 VVM相等 Ws相等 KLa相等 搅拌功率及搅拌转速的放大
几何尺寸放大
放大倍数m指罐的体积增加倍数，即
V2 m V1
H1 H 2 ∵几何相似，∴ D1 D2
则
V2 D2 3 4 4 ( ) m 2 2 V1 D1 D1 H 1 D1 D1 4 4
搅拌器的形式 ：通用式发酵罐大多采用涡轮式搅 拌器 ，而又以圆盘涡轮搅拌器为主 。 桨叶类型：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、 箭叶式三种。 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
K La
PG α β k ( ) WS V
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平 综合传质和混合能力：弯叶最好
搅拌桨的层数： 根据 H/D及（s/d）n 的要求进行计算。一 般3—4层，底层搅拌 最重要，占轴功率的 40% ，所具叶片数最 多（6~8片）。
联轴器
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。 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。
说明
竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用， 此外不另加档板。 一般装4块档板，可满足全档板条件。
档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆 柱底）为止。
传热工程
A 1 V↑， ↓ V R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关
键。
3.发酵罐设计的基本要求
发酵罐能在无杂菌污染条件下长期运转。搅拌器轴 封严密，减少泄漏；结构紧凑，附件少；无死角， 内壁光滑；管道等尽可能焊接，少用法兰；可维持 一定正压；取样口易于灭菌，各部分能单独灭菌。
本章内容
一、发酵罐的概念 二、发酵罐的类型 三、发酵罐的结构 三、通用式发酵罐的设计与放大 （一）发酵罐设计基本原则和要求 （二）发酵罐放大设计 四、重组菌生物反应器
一、发酵罐的概念
发酵罐： 进行微生物深层培养的反应器统称为发酵罐
大型发酵罐
二、发酵罐的类型
发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。
2. 搅拌装置
搅拌的目的 打碎气泡，增加气液接触面积，即a↑ 产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间 造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KL↑ 有利于混合及固体物料保持悬浮状态 搅拌的效果: 原生流→圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流 速V原∝n 挡板作用：次生流→轴向运动、翻动，决定混合好坏， V次∝n2 搅拌效果评价：传质、传热及混合效果
2) 生物反应器渗漏 防治措施： 90L 以下的发酵罐可采用磁力搅拌；对于体积 较大的发酵罐应采用双端面密封,且用作润滑剂 的无菌水的压力应高于生物反应器内的压力。 3) 取样泄漏 防治措施： 采用特殊的取样系统；灭菌处理
大肠杆菌发酵过程中，当发酵罐的通气量 为1:100，搅拌速度为400r/min时，在接种 后的4h内有511个大肠杆菌细胞从排气过 程中流出，在随后的1.5h中，有1267个大 肠杆菌细胞在排气过程中被带出。
轴承
为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底 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。 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)。 轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4~0.7％。为 了防止轴颈磨损，可以在与轴承接触处的轴上 增加一个轴套。
2.发酵罐最大生产能力的确定
考虑两方面因素
微生物生长率、产物转化率
传质效率（KLa、传氧效率） 发酵罐的操作因素(传递性能) 传热效率 混合效率 改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的 首要任务。
传质工程
随规模扩大， α ↓，KLa ↓ ，同等条件下传氧效率↓
产热Q1 V罐体积 传热Q2 A
2. 放大准则
通常根据实际发酵中主要影响因素来确
定，如：KLa、 P/V、nd等等。
3. 放大方法
经验放大法
几何相似法 非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空气流量、
搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题，即操作参数的放 大设计。常用的放大方法有：
2）端面式轴封
端面式轴封又称机械轴 封。密封作用是靠弹性 元件（弹簧、波纹管等） 的压力使垂直于轴线的 动环和静环光滑表面紧 密地相互贴合，并作相 对转动而达到密封。
3.挡板
挡板的作用：改变液流方向，由径向流→轴向流，促使 流体翻动，增加传质和混合。 档板宽 ：W/D= 1/12-1/8 (取0.1) 全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加 档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消 失, 即要满足下式： （W/D）•Z =0.4 Z—档板数
D2 H 2
2
D2 D 2
2
∴
H 2 D2 3 m H1 D1
空气流量放大——以VVM相等的原则放大
∵
∴
(VVM ) V2 (VVM ) D WS 2 P PD
(WS ) 2 D2 P 1 (WS )1 D1 P2
空气流量放大——以Ws相等的原则放大
WS 2 (VVM ) 2 P1 D12 VL 2 1 2 WS 1 (VVM )1 P2 D2 VL1
∵
∴
2 VVM 2 P2 D2 VL1 P2 D1 2 VVM 1 P1 D1 VL 2 P1 D2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
K La Qg 2 / 3 HL VL
Q ( g ) 2 (H L ) 2
2 3
( K La ) 2 VL 1 2 Q ( K La )1 ( g )1 ( H L )1 3 VL
竖式蛇管(热交换强、蛇管设于罐内，不易清洁)
5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃
竖式列管（排管）：
传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大，适用于气
温较高，水源充足的地区。
三、通用式发酵罐的设计与放大 （一）发酵罐设计基本原则和要求 1.发酵罐设计的基本原则
发酵罐能否适合于生产工艺的放大要求 发酵罐能否获得最大的生产效率
（二）发酵罐的放大设计
1. 放大的目的和任务
2. 放大准则
3. 放大方法
1. 放大的目的和任务
目的：实现生物技术成果走向产业化
生物技术产品产业研发的三个阶段： 实验室规模：菌种选育及发酵条件优化 中试规模：确定放大规律及最佳操作条件 工厂规模：通过产业化实验评价经济效益 任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”。
本章小结
了解发酵罐的类型，掌握通用式发酵罐的 基本结构
了解发酵罐设计的基本原则和要求 了解发酵罐放大设计的方法 了解重组菌生物反应器的特别要求
Thank you for your attention !
1.外形、结构及几何尺寸要求
H/D=1.7－3 HL/D=2－2.5
H—筒身高度 HL按照装料VL=70%V总计算
d/D=1/3－1/2 d—搅拌器直径 W/D=1/12－1/8（取0.1 ，并留1—2cm间隙，以 防死角） W—档板宽度 B/D=0.8－1.0 B—下搅拌器距底间距 1.5 ≤s/d≤ 2 s—搅拌器间距
Q ( g Q ( g VL VL )2 )1 ( H L )1 (H L ) 2
2 3 3
2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
∵ ∴
Qg WS D 2
V D3
HL D
1 WS 2 D ( 2 ) 3 D1 WS 1
又∵
(VVM ) V L (VVM ) D WS 2 P PD
传质效果好（传氧性能好，KLa大） 。
有足够的冷却面积（传热性能好，冷却能力强）。
功耗低（传递效率高，节能）。 采用不锈钢，耐腐蚀及可以高温灭菌。
应有基本控制系统（如T、pH、甚至DO2）。
具有消泡功能（机械消泡或补消泡剂）。
具有取样装置和冷却装置（防止水分损失）。
要求放料、清洗、维修等操作简便，劳动消耗低。 实验罐、中试罐应与生产罐有相似的几何形状， 以利于放大。
轴封 通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 ) 顶搅拌 底搅拌 磁传动 气鼓式（鼓泡式） 气升式发酵罐 内循环 无菌压缩空气作为提升力 循环式 外循环 管道式反应器：发酵液通过管道流动代替搅拌 带有中央 吸气口 固定化发酵罐 填充床（液体循环） 流化床（同通气搅拌） 自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌器自吸入空气 伍式发酵罐 ：发酵罐内设套筒，多用于纸浆废液发酵生产酵母
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 三角皮带传动、圆柱或螺 旋圆锥齿轮减速装置。 其中以三角皮带变速传动 较为简便。
轴封
轴封的作用是使罐顶 或罐底与轴之间的缝 隙加以密封，防止泄 漏和污染杂菌。 常用的轴封有填料函 和端面轴封两种。
1）填料函式轴封
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。
几何尺寸放大 空气流量放大 VVM相等 Ws相等 KLa相等 搅拌功率及搅拌转速的放大
几何尺寸放大
放大倍数m指罐的体积增加倍数，即
V2 m V1
H1 H 2 ∵几何相似，∴ D1 D2
则
V2 D2 3 4 4 ( ) m 2 2 V1 D1 D1 H 1 D1 D1 4 4
搅拌器的形式 ：通用式发酵罐大多采用涡轮式搅 拌器 ，而又以圆盘涡轮搅拌器为主 。 桨叶类型：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、 箭叶式三种。 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
K La
PG α β k ( ) WS V
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平 综合传质和混合能力：弯叶最好
搅拌桨的层数： 根据 H/D及（s/d）n 的要求进行计算。一 般3—4层，底层搅拌 最重要，占轴功率的 40% ，所具叶片数最 多（6~8片）。
联轴器
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。 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。
说明
竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用， 此外不另加档板。 一般装4块档板，可满足全档板条件。
档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆 柱底）为止。
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第九章 第二讲分析
2(hb
1 6
D)]
④ 发酵罐总高度 H H0 2(ha hb )
⑤ 液柱高度
H L H 0 ha hb
⑥ 装料容积
V
VH V0
4
D 2 (H 0 hb
1 6
D)
⑦ 发酵罐的容积装料系数（％）
V V总
3. 附属结构的计算
（1）挡板数量和尺寸计算
（2）搅拌器的设计计算 根据已计算出的发酵罐的直径计算
放大。 3、以搅拌桨叶尖端线速度为基准的比拟放大。 4、以混合时间相等为基准的比拟放大。
1、以体积溶氧系数为基准的 比拟放大法
菌种的耗氧速率很快，溶氧速率能否与 耗氧速率平衡就成为生产成败的限制性 因素。
实验：
如果该试验是在菌体耗氧速率最高阶段进行的，
那么当耗氧最盛时，溶氧浓度达到溶氧供耗平
每日的产量：m0＝50000/300=166.7 吨 每日所需发酵液的量：VL＝166.7/（0.14×0.9）=1322.8 m3 假定发酵罐的装液系数为85%，则每日所需发酵罐容积：
V总＝1322.8/0.85=1556 m3 取发酵罐的公称容积为250 m3，则每日需要6个发酵罐，发 酵周期为4天，考虑放罐洗罐等辅助时间，整个周期为5天。 则所需发酵罐的总数：n=5×6+1=31个
搅拌器相应的结构尺寸
4. 冷却面积的计算
（1）发酵过程的热量计算
① 通过冷却水带走的热量进行计算
Q 4.186Wc(t2 t1)
最大
V
式中：Q最大——单位体积发酵液单位时间传给冷却器的最 大热量，kJ/m3·h
W——冷却水流量，kg/h t1——冷却水进口温度，℃ t2——冷却水出口温度，℃
发酵罐的比拟放大
ωg＝Qg/(π/4·D2)＝0.06/ (3.14/4×0.3752) =0.546 m/min=54.6 cm/min
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
发酵工程与设备第九章、第一讲-发酵放大与设计
缺点
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
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
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封； 防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
填料函
构成 优点：结构简单、价格低
缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速 ρ—流体密度； μ—流体粘度
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
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
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封； 防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
填料函
构成 优点：结构简单、价格低
缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速 ρ—流体密度； μ—流体粘度
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
第九章 发酵罐放大与设计
全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增
加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，
3. 挡板（续）
说明
竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不 另加档板。故一般装4块档板，可满足全档板条件。 档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）
任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”
2.放大准则
通常根据实际发酵中主要影响因素来确定，
如：KLa、 P/V、nd等等。
3.放大方法
经验放大法
几何相似法
非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空
搅拌器为主 。 桨叶型式：有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
K La
PG α β k ( ) WS V
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平
综合传质+混合， 弯叶最好（对于KLa）。
竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较 蛇管大，适用于气温较高，水源充足的地区。
第四节 通用式发酵罐的设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
二、发酵罐设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
1.发酵罐设计的基本原则
能否适合于生产工艺的放大要求 能否获得最大的生产效率
2.发酵罐最大生产能力的确定
第三阶段：1940-1960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 工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽 灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算 机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和 纯化设备逐步实现商品化
加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，
3. 挡板（续）
说明
竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不 另加档板。故一般装4块档板，可满足全档板条件。 档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）
任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的 外部条件，确保“发酵单位相似”
2.放大准则
通常根据实际发酵中主要影响因素来确定，
如：KLa、 P/V、nd等等。
3.放大方法
经验放大法
几何相似法
非几何相似法
量纲（因次）分析法 时间常数法 数学模型法
几何相似法
在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空
搅拌器为主 。 桨叶型式：有平叶式、弯叶式、箭叶式三种。 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
K La
PG α β k ( ) WS V
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
在相同的搅拌功率PG下， 粉碎气泡能力：平>弯>箭 翻动流体能力：箭>弯>平
综合传质+混合， 弯叶最好（对于KLa）。
竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较 蛇管大，适用于气温较高，水源充足的地区。
第四节 通用式发酵罐的设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
二、发酵罐设计与放大
一、发酵罐设计基本原则和要求
1.发酵罐设计的基本原则
能否适合于生产工艺的放大要求 能否获得最大的生产效率
2.发酵罐最大生产能力的确定
第三阶段：1940-1960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 工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽 灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算 机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和 纯化设备逐步实现商品化
9 微生物工程 第九章 发酵罐的设计与放大
④ 使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化；
⑤ 强化相间的传质；
⑥ 强化传热。
发酵罐的组成：
主要包括
釜体
搅拌装置
传热装置 轴封装置
其他的附件：
各种接管（为了便于检修内件及加料、排料）、 温度计、压力表、视镜、安全泄放装置等。
釜体：由筒体和两个封头组成。 作用：为物料进行化学反应提供一定的空间。 搅拌装置：由传动装置、搅拌轴和搅拌器组成。
④ 固定化发酵罐：
圆筒形的容器中填充固定化酶或固定 化微生物进行生物催化反应的的装置。
生物利用率高。
⑤ 自吸式发酵罐：
特点：不需其他气源提供压缩空气，搅拌器带有中
央吸气口。搅拌过程中自吸入过滤空气，适用于需
氧低的发酵。
与通用发酵罐的主要区别
① 特殊的搅拌器（由转子和定子组成）；
② 没有通气管。
叶尖端线速度
n1d 1 n 2d 2
n2 d 1 n1 d 2
放大方法
经验
放大法
量纲 分析法
时间 常数法
数学模型 放大法
某一变量与变化率之比
经验放大法
几何相似放大法
非几何相似法
(1)几何相似放大法：
放大后发酵罐的空气流量、搅拌转速和 消耗功率——操作参数的放大。
空气流
几何尺寸 的确定
右图为改进的 旋风式消泡器， 它可以和消泡 剂盒配合使用， 并根据发酵罐 内的泡沫情况 自动添加消泡 剂。
（5） 空气分布器
作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。
形式：单管；环形管
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。
最新宋存江《微生物发酵工程》第9章 灭菌工程PPT课件
N / N 0 = KR /( KR －Ks ) [exp(Ks t )－(Ks / KR ) exp(－KR t )] 式中: N:任一时刻具有活力的芽孢数,
即 N = N s + NR ; N0 : 初始的活芽孢数。
如果培养基中含有大量的不耐热 (敏感性) 微生物 和相当数量的耐热性微生物, 则灭菌时微生物的残留 曲线可成为右图所示的情况.
宋存江《微生物发酵工程》第9 章 灭菌工到生产过程的成败, 轻则导致所需要的产品质量锐减, 质量下降, 后处 理困难, 重则使全部培养液变质, 导致成吨的培养基报废, 造成巨大的经济损失。主要不良后果包括:
(1) 杂菌污染, 使生产反应中的基质或产物因杂菌的消耗而损失, 造成生产能 力的大幅下降; (2) 杂菌产生代谢产物, 或在染菌后改变培养液的某些理化性质, 使产物的提取和分离变得非常困 难, 造成收率降低或产品质量大幅下降; (3) 杂菌会大量繁殖, 改变反应介质的pH值, 从而使生物反应发生异常变化; (4) 杂菌可能会分解产物, 从而使生产过程失败; (5) 发生噬菌休污染, 微生物细胞被裂解, 而使生产失败。
本设备拥有独立知识产权，是自行开发研制的新产品，面向科研单位、医院、小型生产厂家和各类企事业单位实验室。此设备为开放型 微波加热装置，智能化控制，线性可调，温度自动可控，并可根据用户需求设计制造类似设备。 结 构：
该产品由微波控制，微波加热控体，无级调速的物料输送，自动化电器控制系统构成单元箱体结构，外形整洁，美观大方。
蒸汽压力与温度的关系蒸汽压力atm相应的温度空气完全驱除程度罐内实际温度031077完全驱除1216071155驱除231150101216驱除121120131266驱除131090151305全未驱除10009搅拌在整个灭菌过程中必须保持培养基在罐内始终均匀地充分翻动使培养基不致因翻动不均匀造成局部过热从而过多破坏营养物质或造成局部亦称死角温度过低而杀菌不透等要保证培养基翻动良好除了搅拌外还必须正确控制进排汽阀门在保持一定的温度和罐压的情况下使培养基得到充分的翻动是灭菌的要点之一
即 N = N s + NR ; N0 : 初始的活芽孢数。
如果培养基中含有大量的不耐热 (敏感性) 微生物 和相当数量的耐热性微生物, 则灭菌时微生物的残留 曲线可成为右图所示的情况.
宋存江《微生物发酵工程》第9 章 灭菌工到生产过程的成败, 轻则导致所需要的产品质量锐减, 质量下降, 后处 理困难, 重则使全部培养液变质, 导致成吨的培养基报废, 造成巨大的经济损失。主要不良后果包括:
(1) 杂菌污染, 使生产反应中的基质或产物因杂菌的消耗而损失, 造成生产能 力的大幅下降; (2) 杂菌产生代谢产物, 或在染菌后改变培养液的某些理化性质, 使产物的提取和分离变得非常困 难, 造成收率降低或产品质量大幅下降; (3) 杂菌会大量繁殖, 改变反应介质的pH值, 从而使生物反应发生异常变化; (4) 杂菌可能会分解产物, 从而使生产过程失败; (5) 发生噬菌休污染, 微生物细胞被裂解, 而使生产失败。
本设备拥有独立知识产权，是自行开发研制的新产品，面向科研单位、医院、小型生产厂家和各类企事业单位实验室。此设备为开放型 微波加热装置，智能化控制，线性可调，温度自动可控，并可根据用户需求设计制造类似设备。 结 构：
该产品由微波控制，微波加热控体，无级调速的物料输送，自动化电器控制系统构成单元箱体结构，外形整洁，美观大方。
蒸汽压力与温度的关系蒸汽压力atm相应的温度空气完全驱除程度罐内实际温度031077完全驱除1216071155驱除231150101216驱除121120131266驱除131090151305全未驱除10009搅拌在整个灭菌过程中必须保持培养基在罐内始终均匀地充分翻动使培养基不致因翻动不均匀造成局部过热从而过多破坏营养物质或造成局部亦称死角温度过低而杀菌不透等要保证培养基翻动良好除了搅拌外还必须正确控制进排汽阀门在保持一定的温度和罐压的情况下使培养基得到充分的翻动是灭菌的要点之一
发酵罐的设计PPT演示课件
23
4 空气分布管
作用：使通入的空气均匀分布
型式： 单管式 正对罐底，距罐底 40mm，罐底衬不锈 钢圆板，防空气冲击
环 式 不常用，易堵。
24
5 传动装置 （1）变速装置：无级变速与皮带轮变速。10级
(500)，八级(750)，六级(1000)，从主动轮直径比 要小于7，以增加吃带面积。另外拉大主、从动 轮间距也可增加吃带面积。
时自动吸入空气。
41
42
2.2.2 定子与转子的结构与类型
将液转 气体子 体甩的 吸出作 入，用 。形：
成将 内转 部子 真内 空的 ，
打体定 碎混子 ，匀的 促，作 进甩用 溶出： 氧，将 。将气
大体 气与 泡液
43
44
45
46
2.2.3 自吸式发酵罐的优缺点
优点: 不需另设空气制备系统,投资少,能耗低,吸 入的气泡小,溶氧效果好,是通用罐的3倍.
5
2.1 通风机械搅拌发酵罐
2.1.1罐体尺寸 2.1.2罐的结构 2.1.3罐容积的计算 2.1.4罐的优缺点
6
2.1.2 罐的结构
图6-1 小型发酵罐结构图 1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节； 4.轴封；5.窥镜；6.取样口；7.冷却水出口； 8.夹套；9.螺旋片；10.温度计；11.轴；12. 搅拌器；13.底轴承；14.放料口；15.冷水进 口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板； 19.接压力表；20.手孔；21.电动机；22.排 气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接 口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口
26
6 轴封
型式：端面轴封和填料函式轴封 作用：密封搅拌轴与罐顶（底）间的
缝隙，防止泄漏和染菌 组成：
4 空气分布管
作用：使通入的空气均匀分布
型式： 单管式 正对罐底，距罐底 40mm，罐底衬不锈 钢圆板，防空气冲击
环 式 不常用，易堵。
24
5 传动装置 （1）变速装置：无级变速与皮带轮变速。10级
(500)，八级(750)，六级(1000)，从主动轮直径比 要小于7，以增加吃带面积。另外拉大主、从动 轮间距也可增加吃带面积。
时自动吸入空气。
41
42
2.2.2 定子与转子的结构与类型
将液转 气体子 体甩的 吸出作 入，用 。形：
成将 内转 部子 真内 空的 ，
打体定 碎混子 ，匀的 促，作 进甩用 溶出： 氧，将 。将气
大体 气与 泡液
43
44
45
46
2.2.3 自吸式发酵罐的优缺点
优点: 不需另设空气制备系统,投资少,能耗低,吸 入的气泡小,溶氧效果好,是通用罐的3倍.
5
2.1 通风机械搅拌发酵罐
2.1.1罐体尺寸 2.1.2罐的结构 2.1.3罐容积的计算 2.1.4罐的优缺点
6
2.1.2 罐的结构
图6-1 小型发酵罐结构图 1.三角皮带转轴；2.轴承支柱；3.联轴节； 4.轴封；5.窥镜；6.取样口；7.冷却水出口； 8.夹套；9.螺旋片；10.温度计；11.轴；12. 搅拌器；13.底轴承；14.放料口；15.冷水进 口；16.通风管；17.热电偶接口；18.挡板； 19.接压力表；20.手孔；21.电动机；22.排 气孔；23.取样口；24.进料口；25.压力表接 口；26.窥镜；27.手孔；28.补料口
26
6 轴封
型式：端面轴封和填料函式轴封 作用：密封搅拌轴与罐顶（底）间的
缝隙，防止泄漏和染菌 组成：
发酵工程第九章 空气除菌
第二节 过滤介质除菌
常用过滤介质 （1）棉花
直径16～21um左右，填充密度150～ 200kg/m3；填充要均匀
（2）玻璃纤维 直径8～19um，填充系数6％～10％
（3）活性炭Βιβλιοθήκη 过滤效率较低（4）超细玻璃纤维纸 直径1～2um，网格孔隙0.5～5um
（5）烧结材料过滤介质 （6）新型过滤介质
发酵对无菌空气的要求是 ：无菌，无灰尘，无 杂质，无水，无油，正压等几项指标；
发酵对无菌空气的无菌程度要求是：只要在发酵 过程中不因无菌空气染菌，而造成损失即可。
在工程设计中一般要求1000次使用周期中只允许 有一个菌通过，即经过滤后空气的无菌程度为 N=10-3
二、空气除菌的方法
（一）热杀菌 （二）静电除菌 （三）过滤除菌 （四）辐射杀菌
（一）、空气除菌
工业发酵对空气处理的要求随发酵产品和菌种不同 而异。
半固体制曲和酵母生产中无菌要求不十分严格，一 般无需复杂的空所净化处理；
密闭的深层通气发酵需严格的纯净培养，进入发酵 罐前空气必须进行冷却、脱水、脱油和过滤除菌等 处理。
（二）发酵对空气无菌程度 的要求
好气性发酵过程中需要大量的无菌空气，空气要 作到 绝对无菌在目前是不可能的，也是不经济 的。
无菌室常用的紫外灯功率为30W，安装在操作台 上方一米左右高处，每次照射15-30min既可。
紫外线有很强的杀菌力，但穿透力很弱，一张薄 纸即可完全挡住紫外线，因此待灭菌物品必须置 于紫外光直接照射下，而且在一定范围内作用强 度与距离平方成反比。
此外，紫外线对人体组织有一定刺激作用，眼睛、 皮肤受照射后会产生某些症状，所以工作人员在 无菌室操作时应关闭紫外灯
空气除菌
空气的灭菌是好氧培养过程中的一个重要环节。
发酵罐设计说明书讲解
目录前言 (1)第一章、概述 (2)1.1、柠檬酸 (2)1.2、柠檬酸的生产工艺 (2)1.3、机械搅拌通风发酵罐 (3)1.3.1、通用型发酵罐的几何尺寸比例 (3)1.3.2、罐体 (3)1.3.3、搅拌器和挡板 (3)1.3.4、消泡器 (4)1.3.5、联轴器及轴承 (4)1.2.6、变速装置 (4)1.3.7、通气装置 (4)1.3.8、轴封 (5)1.3.9、附属设备 (5)第二章、设备的设计计算与选型 (5)2.1、发酵罐的主要尺寸计算 (5)2.1.1、圆筒体的内径、高度与封头的高度 (5)2.1.2、圆筒体的壁厚 (7)2.1.3、封头的壁厚 (7)2.2、搅拌装置设计 (8)2.2.1、搅拌器 (8)2.2.2、搅拌轴设计 (8)2.2.3、电机功率 (10)2.3、冷却装置设计 (10)2.3.1、冷却方式 (10)2.3.2、冷却水耗量 (10)2.3.3、冷却管组数和管径 (12)2.4零部件 (13)2.4.1 人孔和视镜 (13)2.4.2 接管口 (13)2.4.3、梯子 (15)2.5发酵罐体重 (15)2.6支座的选型 (16)第三章、计算结果的总结 (16)设计总结 (17)附录 (18)符号的总结 (18)参考文献 (20)生物工程设备课程设计任务书一、课程设计题目“1000m3的机械搅拌发酵罐”的设计。
二、课程设计内容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。
2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。
3、动力消耗、设备结构的工艺设计。
三、课程设计的要求课程设计的规模不同，其具体的设计项目也有所差别，但其基本内容是大体相同，主要基本内容及要求如下：1、工艺设计和计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。
主要包括：（1）工艺设计①设备结构及主要尺寸的确定（D，H，HL ，V，VL，Di等）②通风量的计算③搅拌功率计算及电机选择④传热面积及冷却水用量的计算（2）设备设计①壁厚设计（包括筒体、封头和夹套）②搅拌器及搅拌轴的设计③局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等）④冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及布置等)2、设计说明书的编制设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。
发酵学 第9、10章
业废液中有机物的处理办法
成本低、处理量大、不加入化学药剂 环境保护废水处理中的主要工艺
3.生物处理方法
好氧生物处理：在空气和氧的存在下，由好气生 物将主要有机物质氧化分解，如活性污泥法、生 物滤池法
厌氧消化处理：将空气隔断，保持无氧状态，由 厌气或兼性厌气生物将主要有机物还原、降解， 如厌氧消化法等
2.放大的物理学参数
可供选择的放大的物理参数有：
KLa P/V
搅拌器的顶端转速
3.放大的物理参数的选择
放大的物理参数的挑选要因对象不同选择对发酵 影响比较敏感的参数作为依据 在发酵中，单位体积输入功率、KLa、及罐某一 特定点的平均液体速度常作为放大的三个参数 固定KLa是一种较好的放大参数，它是用来比较 两种发酵装置的优良方法 有些微生物发酵，特别是丝状菌发酵，剪应力、 混合时间与其它因素也是很重要的。
差异的主要原因，缩小差异变化，才能获得良好的放 大结果
繁殖代数的差异
体积愈大，繁殖代数愈多，出现变异株的 几率也愈多。特别是不稳定或不纯的菌株 更是如此 发酵液中变异株的比例是随发酵规模增大 而增加，这就可能引起发酵结果的差异
培养基灭菌的差异
培养基热灭菌的基本技术分为分批灭菌和 连续灭菌。分批灭菌的过程分为三个明显 的期：预热期、维持期和冷却期 培养基体积愈大，预热期和冷却期也愈长， 整个灭菌所耗的时间也因规模增大而延长， 致使灭菌后培养基的质量发生改变，特别 是热不稳定的物质更是遭到破坏，最终也 会引起发酵结果的差异
废液——高浓度的有机废水——造成受纳水体缺氧污
染，使水体发臭变黑，破坏水体中的正常生态循环。
废渣——发酵液经过过滤或提取产品后所生产的废菌
渣——空气中放置后易腐败，变质变臭。