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1、1 第六章 发 酵 设 备 2 种子扩大培养 培养基配制 空气除菌 培养基灭菌 发酵生产 下游处理 发酵设备 发酵的一般流程 3 第一节 发酵设备概述 第二节 通风发酵设备 4 第一节 发酵设备概述 5 一、基本概念 发酵设备是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的 桥梁。 广义的发酵罐是指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。工业发酵中一般指 进行微生物深层培养的设备。 6 二、发展过程 1）1900年以前，木制容器造酒。 2）1900-1940，钢制发酵罐，开始使用空气分布器 ，机械搅拌开始应用。 3）1940-1960，青霉素，通风，无菌操作，纯培养 等一系列技术开始应用
2、，计算机用于发酵控制，产 物分离纯化商业化。 7 4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到 80-150 m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐， 克服一些气体交换和热交换问题，计算机广泛应 用。 5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干 扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型 化和自动化发展。 8 三、发酵设备的类型 固体发酵 盘曲、帘曲曲盘、帘子等，自然通风 发酵池、窖、地缸相对密闭不通风 厚层通风制曲曲箱，机械通风 旋转培养转鼓型发酵罐，机械通风 液体发酵 厌气发酵厌气发酵罐，密闭不通风 好气发酵 密闭通风 机械搅拌通风 通风搅拌 非循环式 循环式 通风式发酵罐
3、 自吸式发酵罐 伍式发酵罐，内循环 文式发酵罐，外循环 非循环式 循环式空气带升式发酵罐 鼓泡式发酵罐 塔式发酵罐 9 第二节 通风发酵设备 机械搅拌通风发酵罐 气升式发酵罐 自吸式发酵罐 高位塔式发酵罐 10 通风发酵罐又称好气性发酵罐，需要将空气不 断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧。通入发 酵液中的气泡越小，气泡与液体的接触面积就越大 ，液体中的氧的溶解速率也越快。 类型包括：机械搅拌式、自吸式、气升式、伍式、 文氏罐等类型的发酵罐。 11 一、机械搅拌发酵罐 1、发酵罐的基本条件 机械搅拌发酵罐是利用机械搅 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，以保证供给微生
4、物生长 繁殖、发酵所需的氧气。又称 通用式发酵罐。 12 6）、轴封应严密，尽量减少泄漏。 1）、适宜的径高比。 高：直径约为2.54 2）、能承受一定的压力。 3）、搅拌通风装置要能使气泡分散细碎、气液充分混合， 保证发酵液必须的溶解氧，提高O2的利用率 。 4）、应具有足够的冷却面积。代谢产热 5）、发酵罐内应抛光，尽量减少死角。避免积污、染菌 2、发酵罐的基本要求： 13 发酵罐是一种圆柱形的 容器，容量从几升到几 百万升不等。 发酵罐应用广泛：可用 于味精、柠檬酸、抗生 素、酶制剂、氨基酸等 的生产。 发酵罐上面连接有通气 、搅拌、接种、加料、 冷却、pH检测等装置 。 14 15 通
5、用式发酵罐的主要部件 罐体 搅拌器 挡板 轴封 空气分布管 消泡器 冷却管（或夹套） 联轴器 中间轴承 人孔 管路等 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 温度计 接口 17 18 3、发酵罐的结构 （1）罐体： 由圆柱体和椭圆形或碟形封头焊接而成。 材料为碳钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。 罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种 管和压力表接管。 罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温度 计管和测控仪表接口。 19 封头 封头切割 20 21 （2）搅拌器： 作用：使通入的空气分散成
6、气泡并与发酵液充分混 合，使氧溶解于发酵液中。 大型搅拌器一般做成两半型，用螺栓连成整体装配 于搅拌轴上，便于拆卸。 径向式（涡轮式） 轴向式（推进式） 平叶式、弯叶式和箭叶式 螺旋桨式、浆叶式 形 式 22 浆叶式 螺旋桨式 涡轮式搅拌器推进式搅拌器 弯叶式 箭叶式 平叶式 23 怎么样实现高效搅拌？ 通常采用径向式搅拌器和轴向 式搅拌器组合实现高效搅拌混 合和节能降耗。 对于组合形式，根据发酵罐一 般是下部通气的特点，下层搅 拌器选择径向式搅拌器，上层 搅拌器采用轴向式搅拌器。 24 （3）挡板 挡板的作用： 改变液流的方向，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
7、致搅拌器露 在料液以上，起不到搅拌作用。 竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用。 挡板与罐壁之间的距离：(1/5-1/8)D，避免形成死角 ，防止物料与菌体堆积。 25 挡板 空气分布器 26 （4）消泡器： 发酵液中含有蛋白质等发泡物质，通气搅拌时会产生 气泡，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，增加杂 菌污染的机会。 消泡方法：化学法天然油脂、聚醚类、高级醇类 等。物理法机械消泡装置，常用耙式消泡器。 消泡器的作用：将泡沫打破。 消泡器位于液面上10 cm，长度约为0.65 D。 27 耙式消泡器 28 （5）联轴器及轴承： 用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固 的刚性联接。 为了减少震动，中型
8、发酵罐装有底 轴承，大型发酵罐装有中间轴承。 29 （6）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 。 形式：单管和环形管。 常用单管，简单实用，单次 通入量较大。 环形管属于多孔管式，空气 分布较均匀，但喷气孔容易 被堵塞。 通风管 30 （8）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 速传动效率较高，但加工，安装精度要求高。 31 二、气升式发酵罐 气升式发酵罐也是应用最广泛的生物反应设备。 特点：结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低等 。 类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。 32 罐内或罐外装设上升管，两
9、端与罐底部 和罐上部相连通，构成循环系统； 上升管的下部装有空气喷嘴，空气以250 -300m/s高速喷入上升管，借喷嘴的作用 将空气泡分割成细泡，与上升管内发酵 液密切接触； 由于上升管内发酵液含气多、比重小， 加上压缩空气的喷流动能，因此使上升 管的液体上升，罐内液体下降而进入上 升管，形成反复的循环，使氧气溶解于 发酵液中。 原理： 33 自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌 过程中自吸入空气的发酵罐。 与通用发酵罐的区别：有一个特殊的搅拌器，没有 通气管。 缺点：罐为负压，易染菌；转速较大，会打碎丝状 菌。 三、自吸式发酵罐 34 自吸式发酵罐的充气原理： 搅拌器由罐底向上伸入
10、的主轴带动 。 搅拌器是一个空心叶轮，旋转时叶 片不断排开周围的液体使其背侧形 成真空，由导气管吸入罐外空气。 吸入的空气与发酵液充分混合后在 叶轮末端排出，并立即通过导轮向 罐壁分散，经挡板折流涌向液面， 均匀分布。 35 马达 转子 轴封 36 四、高位塔式发酵罐 37 38 H / D = 7 左右 罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过 筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升 ，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管 下降而形成循环。 降液管下端的水平面与筛板之间的空间是气-液充 分混合区。由于筛板对气泡的阻挡作用，使空气在罐内 停留时间较长，同时在筛板上大气泡
11、被重新分散，进而 提高了氧的利用率。 39 华北制药厂 青霉素发酵罐 40 洗涤装置 组成及原理：由一根两头装有喷 嘴的洒水管组成，两头的喷水管 弯有一定的弧度，喷水管上均匀 的钻有一定数量的小孔；喷水管 安装时呈水平，借活接头和固定 供水管相连接；借喷水管两头喷 嘴以一定喷出速度而形成的反作 用力使其自动旋转。 过去由人工操作劳动强度大，易中毒。 水力喷射装置改善劳动强度，提高效率。 41 在水压不大的情况下，水力喷 射强度和均匀度都不理想，以 致洗涤不彻底。 采用高压强的水力喷射洗涤装 置。 组成及原理：直立的喷水管， 沿轴向安装于罐的中央，在垂 直喷水管上钻有小孔，孔与水 平呈20角，水平喷水管借活接 头，上端与供水总管，下端与 垂直分配管相连接。 20角
