第六章发酵设备

第六章发酵设备

本章学习目标

⏹了解常见嫌气发酵设备及其流程的类型与特点

⏹掌握通风发酵设备的类型、结构及性能特性

⏹了解空气过滤除菌原理、常见设备流程及其应用特点

⏹掌握常见发酵设备的应用特点和选用原则

目录

发酵设备的类型和基本构成

发酵设备的基本要求

发酵设备的功能：

发酵设备的要求：

发酵设备的分类

⏹发酵设备的功能和要求

功能：按照发酵过程的要求，保证和控制各种发酵条件，主要是适宜微生物生长和形成产物的条件，促进生物体的新陈代谢，使之在低消耗(原料消耗、能量消耗、人工消耗)获得较高的产量。

要求：

⏹良好的传递质量、能量、热量性能

⏹结构应尽可能简单，操作方便，易于控制

⏹便于灭菌和清洗，能维持不同程度的无菌度

⏹能适应特定要求的各种发酵条件，以保证微生物正常的生长代谢

⏹发酵设备的分类

按发酵用培养基状况：固体发酵设备和液体发酵设备

按微生物类型：嫌气(酒精、啤酒和丙酮、丁醇)和好气(谷氨酸、柠檬酸、酶制剂和抗生

素，发酵过程中需不断通入空气)

按发酵过程所使用的生物体：微生物反应器（主流）、酶反应器（固定化酶反应器和溶液酶反应器）和细胞反应器

嫌气发酵设备

一、间隙式发酵罐

间歇式发酵是指生长缓慢期、加速期、平衡期和衰落期四个阶段的微生物培养过程全部在一个罐内完成

特点：罐内环境和发酵过程易于控制。目前在工业生产中仍然占据主要地位

二、水洗装置

特点，水压不大洗涤不彻底

水平喷水管与水平面呈20°夹角，水流喷出时使喷水管以48～56r/min的速度自动旋转，洗涤一次约需5min

三、连续发酵设备

连续发酵：通过在发酵罐内连续加入培养液和取出发酵液，可使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期，同时降低代谢产物的积累，培养液浓度和代谢产品含量相对稳定，微生物在整个发酵过程中即可始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。

特点：产品产量和质量稳定、发酵周期短、设备利用率高、易对过程进行优化等优点，微生物在整个发酵过程中始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。技术要求较高、容易造成杂菌污染，易发生微生物变异、发酵液分布与流动不均匀等。

四、单罐连续发酵设备

连续搅拌发酵器

连续细胞回用发酵器

塔式发酵器

膜式发酵器

固定化细胞反应器

五、连续搅拌发酵器

酒精发酵时细胞浓度可达10～12ｇ/L；酒精产率达6g/(L·h)，是间歇发酵的三倍；投资可比间歇工艺降低50％；操作成本降低50％。两只连续搅拌发酵器串联组成的发酵系统进行酒精发酵时，其酒精产率比单罐高1.3倍

六、连续细胞回用发酵器

使用细胞浓度增加83g/L，酒精产率达30～40g/(L·h)。但必须配置投资较大的酵母细胞分离设备，操作成本较高。

七、塔式发酵器

塔径0.9～2ｍ,径高比1：(7~10)，在两块筛孔板之间放置絮凝酵母颗粒。糖液从底部进入，在上升过程中被发酵，而酵母逐步下沉，并被保留在发酵器内，发酵器内细胞浓度为50～80g/L，酒精产率为60~150g/(L·h)。该发酵器的缺点是开工阶段时间较长，为了达到所需细胞浓度和稳定操作时间需要2～3周。

八、膜发酵器

通过装透析膜，将发酵器内部划分为发酵器和进出料区两部分，糖液进入进料区，糖分通过透析膜进入发酵区，发酵区保持有高浓度的酵母，将糖迅速发酵，产生的酒精反向通过膜进入出料区排出器外。这类发酵器尚待解决的问题是糖分渗透速度和膜微孔的堵塞问题。

九、固定化细胞反应器

固定化酵母酒精发酵流程以日本KFE公司研制的较成功。它利用海藻酸钠包埋酵母间歇连续糖蜜酒精发酵。发酵液酒精度达8.5％～9.0％(体积分数)，酒精产率20ｇ/(L·h)。

十、连续发酵设备流程

淀粉质原料生产酒精连续发酵设备流程

顺流式连续发酵设备流程

全封闭式连续发酵设备流程

糖蜜原料生产酒精酒连续发酵设备流程

十一、顺流式连续发酵设备流程

◆糖蜜原料生产酒精连续发酵设备流程

◆双浓度连续发酵设备流程

◆单浓度连续发酵设备流程

通风发酵设备

通风发酵设备的发酵反应器：

酵母发酵罐

单细胞蛋白发酵罐

氨基酸发酵罐

酶制剂发酵罐

抗生素发酵罐

设备要求：设备简单，不易染菌，单位体积的生产能力高，代谢热易排出，操作易控制，易于放大

●通风发酵设备的基本要求及类型

衡量通风发酵设备的主要性能指标：

体积溶氧速率，反映能否满足发酵耗氧的需要，直接影响到生产速率。体积耗氧速率一般要求在1.0～10kg O2/(M3·h)

单位溶氧功耗，溶解1kg氧所需的电耗，一般在0.5～5.0(kWh)/kgO2.

设备类型：按发酵物料形态，固体发酵设备和液体深层发酵设备。固体发酵设备主要为自然通风和机械通风制曲设备；液体设备有机械搅拌式，自吸式和通风搅拌式

●机械搅拌发酵罐

工作原理：利用机械搅拌器，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液内的溶氧量。

溶解氧增多的原因：

将空气进入初期的大气泡打碎成小气泡，使气液界面面积增大，提高了体积溶氧系数； 气泡经搅拌破碎后，上浮速度下降，在搅拌形成的液流影响下，气泡由直线上浮变成曲线上浮，因移动路径的延长增加气体与液体间接触时间，提高了空气中氧的利用率；

在搅拌器作用下产生强烈的液相湍流，使得液膜厚度变薄，传质系数增大，从而获得较大的体积溶氧系数

●机械搅拌发酵罐的特点

机械搅拌作用获得的溶氧系数较高，一般体积溶氧系数为100～1000l/h，适合于各种发