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1、第八章 发酵设备,第一节 发酵设备概述,发酵主要设备为发酵罐和种子罐，各自都附有原料(培养基)调制、灭菌和冷却设备，通气调节和除菌设备，以及搅拌器等。种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为 目的。发酵罐：承担产物的生产任务。要求：(1)必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件(2)便于操作和控制，保证工艺条件实现，获得高产。,一、发酵罐,发酵罐：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；对于一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。,发酵罐系统,一个优良的发酵罐装置和组成（1）应
2、具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表,发酵罐发展历史,第一阶段:1900年以前。是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。第二阶段:1900-1940年。出现了200m3的钢制发酵罐；在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器；机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。,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方面已出现在线连续测定的pH电极和溶氧电极；计算机开始进行发酵过程的控制；发酵产品的分离纯化设备逐步实现商品化,第四阶段：1960-1979年。机械搅拌通风发酵罐的容积
3、增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，（可以克服些气体交换和热交换问题）。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。,第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。,发酵罐的特点,（1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求高，几乎达到十分苛刻的程度。发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电
4、极、溶解氧电极、溶解二氧化碳电极等的在线检测在国外巳相当成熟。国内目前尚处于起步阶段，发酵检测参数还只限于温度、压力、空气流量等一些最常规的参数。,发酵罐的种类,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。,典型发酵设备,种子制备设备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设备产品精制与干燥设备流出物回收、利用和处理设备,发酵罐工艺操作条件,1温度：2540。2压力：01 kgcm3(表压)。3灭菌条件：温度100140，压力 03 kgcm3(表压).4pH：211。5需氧量：00
5、50.3 kmo1m3h。6功率消耗：0.54kWm3。7.发酵热量：5 00020 000 kcalm3h。,发酵罐的类型,1.按微生物生长代谢需要分类：好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气 发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，提高氧在发酵液中的传 质系数；厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。,2.按照发酵罐设备特点分类：机械搅拌通风发酵罐：包括循环式，如伍式发酵罐，文氏管发酵罐，以及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等。非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气提式、液提式发酵罐，以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。两类发酵罐是采用不同的手段使发酵
6、罐内的气、固、液三相充分混合，从而满足微生物生长和产物形成对氧的需求。,3.按容积分类：一般认为500L以下的是实验室发酵罐；500-5000L是中试发酵罐；5000L以上是生产规模的发酵罐。,第二节 通风发酵罐,一、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。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。保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。,发酵罐的基本条件,（1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。（2）发酵罐能承受一定的压力。（3）要保证发酵液必须的溶解氧。（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
7、菌能彻底，避免染菌。（6）搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。,发酵罐,二、发酵罐的结构,1、罐体 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,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，大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。,罐体,搅拌器,作用:打碎气泡，使氧溶解于发酵液中。搅拌程度：以平叶涡轮最激烈，功率消耗最大，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
8、成整体。,搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种,消泡方式：(一)加入化学消泡剂消除泡沫高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多；(二)机械消泡机械消泡装置主要有四种。,消泡器,1.锯齿式消泡桨 安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。2.半封闭式涡轮消泡器 由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。3.离心式消泡器 置于发酵罐的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。4.刮板式消泡器 安装于发酵罐的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋转的刮板中，刮板转速为10001450 rpm，泡沫迅速被打碎，由
9、于离心力作用，液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则由汽孔排出。,挡 板,作用: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(罐直径），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：,D罐的直径（mm）Z挡板数W挡板宽度（mm）,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（1/51/9）W（挡板宽度），避免形成死角，防止物料与
10、菌体堆积。,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。,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（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.40.7%，以适应温度差的变化。,轴承,罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤其是底轴承处的磨损更为严重，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套，用紧固螺钉与轴固定。这样仅磨损轴套而轴不会磨
11、损，检修时只要更换轴套就可以了。,轴承是一个支撑轴的零件，它可以引导轴的旋转，也可以承受轴上空转的零件。轴承可分为滚动轴承和滑动轴承。一般来说的轴承指的是滚动轴承。滚动轴承的定义将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件，叫滚动轴承。,滚动轴承的特点优点：1 摩擦阻力小，功率消耗小，机械效率高，易起动；2、尺寸标准化，具有互换性，便于安装拆卸，维修方便；3、结构紧凑，重量轻，轴向尺寸更为缩小；4、精度高，转速高，磨损小，使用寿命长；5、部分轴承具有自动调新的性能；6、适用于大批量生产，质量稳定可靠，生产效率高缺点：1、噪音大 2、轴承座的结构比较复杂 3、
12、成本较高,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：三角皮带变速传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置。三角皮带变速传动效率较高，但加工，安装精度要求高。,采用变速电动机作阶段变速，需氧高峰时采用高转速，不需较高溶解氧阶段适当降低转速。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。,空气分布装置,空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。分布装置的形式有单管及环形管
13、等。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。,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0.020.5ml/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
14、风量有关，而与喷口直径无关。,轴 封,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。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。,安装在旋转轴与设备之间的部件，它的作用是阻止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏,冷却装置,5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管冷却（四至八组）。带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计算即3.5Kg/厘米2（绝对压力）夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同时对罐身起加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢制造。,发酵罐装料容积,发酵罐装
15、料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱部分高度,但须根据具体情况而定。,标准通用式发酵罐,通用式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备。在工业生产中，尤其是制药工业中，使用得最广泛。这种发酵罐既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部，也可置于其底部，其高径比为2:1-6:19 有关的重要因素是氧传递效率，功率输入、混合质量，搅拌桨形式和发酵罐的几何比例等。,自吸式发酵罐,它与通用发酵罐的主要区别是：有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成；没有通气管。,具有转子和定子的搅拌器的吸气原理：浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘
16、。这时，转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大。由于转子的空膛与大气相通，发酵罐外的空气通过过滤器不断地被吸入，随即甩向叶轮外缘，再通过异向叶轮使气液均匀分布甩出。转子的搅拌，又使气液在叶轮周围形成强烈的混合流，空气泡被粉碎，气液充分混合。,气泡塔式发酵罐,塔式发酵罐系一直立长圆筒，筒内安装孔板，有的还在罐内安装搅拌器，罐壁四周装挡板。与分批的机械搅拌发酵罐类似，有的塔顶横截面扩大，供以降低流速，截留液体夹带的悬浮物。发酵液和空气可以并流，也可逆流。罐的特点是：罐身高，高径比为6；土霉素等生产用的设备，高径比达到7。由于液位高，空气利用率高，节省空气约5，节省动力约30，但底部存
17、在沉淀现象；温度高时降温较难。,现代发酵罐的大型化给STF带来系列难以克服的困难,要大于1000kW的机械搅拌；大量的冷却水和排除热量；能量的均匀分布；溶解氧、碳源和其它营养与pH控制等.,带升式发酵罐,带升式发酵罐也称为气流搅拌发酵罐，不用机械搅拌，借通风起到搅拌作用并供给氧气。特点：结构简单，冷却面积小，无搅拌传动设备，料液充满系数大，无须加消泡剂，维修、操作及清洗简便，节省动力，减少染菌等。,工作原理：外循环气流搅拌罐是将空气上升管装在罐外，下端与罐底连通，管底装空气喷嘴，压缩空气以250300ms高速喷出，与上升管内醪液接触，由于气液混合体密度小于罐内醪液，所以在管内上升，管上端与罐身
18、切线相连，液体由切线进入在罐内回旋下降，形成激烈循环。,液提式发酵罐,液提发酵罐是液体借助于一个液体泵进行输送，同时气体在液体的喷嘴处被吸入发酵罐喷嘴是这类发酵罐的一个特殊部件，制造要求精密。,气提式发酵罐,空气压缩机是气提式发酵罐的重要组成部分，它的效率决定于它的形式。压缩气体通过空气分布器进入液体后，最初形成的气泡是由液体剧烈翻动来分散的，所以气泡的分散程度决定于功率消耗速率。,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；,C也是两相喷嘴，中心喷嘴是液相，气体
19、从旁边的管道吸入；D是放射流喷嘴，用于气体分散和气泡分配；E是垂直流喷嘴；F是泵喷射型喷嘴，可采用不同的喷射长度。,(一)喷嘴塔式（bcde）这是由一个两相喷嘴和鼓泡柱组成的发醉罐，它的通气效率比多孔管式或多孔板式好得多。这种形式的反应器常用于废水处理，如在一个15000m的活性污泥池中，安装56个喷嘴，每天可转化30000kg的氧。(二)喷嘴塔循环式(b)它以两相喷嘴作为通气装置，具有高的液体循环速度。,(三)喷璃循环式它利用喷嘴的喷射力，吸入气体，使气体在罐体内部循环，达到较好的传氧效果。的传氧效果。(四)喷射通道式 在这种反应器里，液体在细长形的喷嘴里被加速，使循环液体的位能更有效地转变
20、成动能。喷嘴最窄处液体的速度最大，而静压最低，空气通过小孔或狭窄处被吸入和分散，在喷嘴处形成的气泡被向下流动的液体带到罐的底部。在窄管的终端，气体向上运动并离开液体排出。,（五）滴流床式液体在罐顶部被分散，然后向下滴流通过已被固定化的微生物细胞。空气是在罐底导入并与液体逆向流动。它在好氧废水处理中有着广泛的应用。(六)多级塔循环式这种罐以多孔盘管或筛孔发作为一级分离器。液休平面由溢流管控制。,(七)管道循环式空气以3-4m/s的速度导入液体流中，然后通过个多孔过滤器在旋风分离器中分离，最后排出系统。这种液流以单向通过泵和流量计。采用这种可以有很高的细胞浓度可达t 659(干重细胞)L和高的氧传
21、递速率。然而功率输入也是相当高的。,(八)液体流化床式近年来，沉化床生化反应器的研究报道很多，它主要应用在3个方面酶固定在固体基质上；完整细胞固定在固体基质上进行纯培养；生化流化床广泛应用于废水处理过程。,气提式发酵罐,(一)单级塔式 在塔底装有多孔管或多孔板或多孔环作为通气装置。空气被分散成小气泡后，由于其本身的浮力在液体中上升，液体流向上运动，即维持一个逆向流动的气液流。单级塔可用于面包酵母、啤酒、醋的生产，真菌培养，白喉毒素生产和废水处理等。当用于培养凝聚细胞时，可以得到高的细胞浓度和代谢产物。,(二)单级气提循环塔式 通气运行时，气泡携带着液体向上运动，有一部分液体沿罐壁向下运动，这种
22、逆向液流可通过将反应器分成向上和向下流动两部分来控制的。,1内循环式：它还可用于植物细胞培养和废水处理。2 外循环式：它的氧传递系数比相应的鼓泡柱低。工业上它巳用于年产1000吨规模的单细胞蛋白(SCP)的生产。3分割式：这种反应器内，装着几块垂直的板，形成使液体上升和下降的两个区域，液体在气体的带动下形成液体流动。4 循环通道式：气体滞留时间长，功率输入也大。,(三)下流气提循环塔式：这种反应器用于废水处理。(四)具有不同内装结构的塔式：1多级分离板塔式：塔内装有分离板，使气液逆向流动，在每一级分离板上形成气体层和液体层。气液层分离在每级上发生。它已用于连续培养大肠杆菌和废水处理。2.多级循
23、环组合塔式：这类反应器有外循环，内循环和循环通道三种。,3.静态混合塔式：它有两种形式；不带循环式；带循环的。采用了静态混合，Kla明显增加。(五)气体流化床式：它巳用于酵母和乙醇生产。调节气流速度，可避免细胞在流化时形成大块，但酵母细胞和乙醇生产率比深层培养的要低。,二、发酵辅助设备,发酵辅助设备主要包括：无菌空气系统，培养基配制和灭菌系统、发酵车间的管道及阀门等。,（一）空气除菌流程和设备,空气预过滤 空气压缩机 冷却器 析水器 加热器 空气贮罐 空气过滤器 发酵罐。,1空气压缩机：工业发酵用的压缩空气是23kgcm2的低压空气。目前常用的是往复式空压机，最好选用水冷式和无油润滑的。涡轮空
24、压机能提供大量23kgcm2的压缩空气，耗电省，是最理想的设备。2过滤器：空气过滤器的类型很多，有棉花活性炭过滤器、管式过滤器和接送式过滤器等。3过滤介质：空气除菌用的过滤介质有：棉花、活性炭玻璃纤维，超细玻璃纤维纸，石棉滤板、烧结材料、聚乙烯醇(PVA)等多孔合成树脂、素烧陶瓷筒和聚碳酸酯等。,2.加热设备：在配料罐里培养基被加热到70，然后，用泵送到加热设备，在20秒的时间内继续加热到130140。常用的加热设备有塔式和喷射式两种。塔式加热设备又称连消塔，塔的有效高度23m，料液在塔中的流速是0.1ms，因此料液在塔内的滞留时间为230s。它是有多孔导入管和一外套管组成，多孔管的孔径是58
25、mm。喷射式加热器有一喷嘴，蒸汽由喷嘴喷出，料液从侧面进入加热器而被蒸汽加热。,（二）培养基灭菌设备,（三）维持设备维持设备使加热后的培养基保温定的时间，从而达到灭菌的目的。维持设备有两种：罐式和管式。罐式的是一个带有上下开口用于进出料的立式密封容器；管式的是用无缝钢管焊成，管内流速可取0.30.6ms。,(四)、冷却设备 喷淋冷却器 套管冷却器 板式换热器 螺旋板换热器,三、管道及阀门,3.1管道 与发酵罐连接的管道有水管、料管、空气管和蒸汽管 发酵罐内的冷却蛇管与发酵罐内直接相连的料管等，最好采用不锈钢管。管径选取的流速是：上水管12ms；料管0.51.0ms；空气管1015ms；蒸汽1520ms。,3.2阀门 阀门是发酵罐的重要组成，它被用于调节控制气体和液体的流量。阀门的选取应考虑：用于什么目的；阀门的材料是否耐温、耐压等；连接方式；经济成本；操作方式。,发酵罐上常用的阀门有：闸阀、球阀、活塞阀、针型阀、蝶形阀、球心阀、隔膜阀，单向阀(止逆阀)、安全阀、压力控制阀等。隔膜阀既严密可靠，阀杆又不与物料接触，因此在发酵罐上的用处很大。隔膜由氯丁橡胶与天然胶混合制成，可耐高温，价格也高。使用时，隔膜阀需要定期检查和更换。,
