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1、 第九章第九章 发发 酵酵 设设 备备 1 1、好氧发酵罐（、好氧发酵罐（通风发酵罐）通风发酵罐） 1.1 1.1 通用式通用式发酵罐发酵罐 1.2 1.2 气升式发酵罐气升式发酵罐 1.3 1.3 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 2 2、厌氧发酵罐、厌氧发酵罐 n生物反应器(bioreactor)：是指有效利用生物 反应机能的系统（或场所）。包括发酵罐、酶 反应器、动植物细胞反应器、光合生物反应器 、废水处理反应器等。 n发酵罐(fermenter)：进行微生物深层培养的 设备统称为发酵罐。分好氧发酵罐和厌氧发酵 罐。 1 好氧发酵罐（通风式发酵罐） 常用通风发酵罐有以下几种类型： （1）通用式发
2、酵罐 （通风、搅拌式发酵罐） （2）气升式发酵罐 （3）自吸式发酵罐 （4）伍式发酵罐 1.1 通用式发酵罐：具有通气和搅拌装置的立式圆筒 形发酵罐。是目前大生产中最常用的发酵罐。其容 积可从几升到几百吨不等。包括罐体、搅拌系统、 传热系统、通气系统。 1.1.1 罐体： （1）大罐罐体由碳钢或不锈钢材料制成，长圆柱形 ，椭圆形或拱形封头。罐体由圆柱体及椭圆形或碟 形封头焊接而成，小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰 连接。 （2）直径与高度之比 （D/H：1：1.54），罐身越 长，氧的利用率较高 。 （3）内壁应光滑无死角，耐腐蚀。 （4）发酵罐能承受一定压力； （5）罐体上设人孔、示镜、爬梯及各
3、路接管。进料 管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。 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。 （6）罐体几何尺寸： D/H：1：1.54 发酵罐公称容积：V0=Vc+Vb Vc筒身容积，Vb底封头容积。 Vb底封头容积可根据封头的形状 、 直径及壁厚查有关化工手册求得。 也可近似地用下式计算。 V0=Vc+Vb= (/4)D2H+0.15D3 D罐直径，H罐筒身高 1.1.2 搅拌系统 功能：打碎气泡，均匀培养基， 使液体产生轴向和径向流动。 包括：驱动电机、搅拌轴； 涡轮搅拌器、搅拌叶；挡板； 轴封（端面轴封） 有上、下伸轴：罐体积特别大，使用下伸轴可降
4、低重心 ，缩短轴长度，转动时噪音小，但轴封要求严格。 1.1.2.1搅拌器： 搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡 轮式）两种。 轴向式搅拌器：桨叶式、螺旋桨式 径向式（涡轮式）搅拌器（Disc turbine）：平直叶 、弯叶、箭叶 三种最常见类型的涡轮搅拌叶 a:直叶，b:弯叶，c:箭叶。打碎气泡能力、剪切力 a b c， 径向搅动量及液体翻动的能力： a b c，丝状菌适合用箭叶型 1.1.2.2 挡板： 挡板的作用是改变液流的方向 ， 由径向流改为轴向流，促使液体 剧烈翻动，增加溶解氧。 W/D=1/81/12 （W/D）mb=0.4 mb ：挡板块数 挡板的长度自液面到罐底
5、为止 ， 挡板与罐壁之间的距离为： （1/51/8）W 1.1.2.3消泡器 消泡器的作用是将泡沫打破。消泡器常用的形式有锯 齿 式、梳状式。 消泡器的长度约为罐径的0.65倍。 1.1.2.4 连轴器：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。 1.1.2.5 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。有填料函 密封圈和端面式轴封等。 n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。 n填料函式轴封的优点是结构简单。主要缺点是：死角多 ，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；轴的磨
6、损情况较严 重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修， 耗工时多。 n 多采用端面式轴封：基本构件是动环和静环。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。静环多用浸石墨或酚醛树脂；动环一般用青铜 。 端面式轴封的优点： 清洁；密封可靠； 无死角，可以防止杂菌污染；使用寿命长； 摩擦功率耗损小；轴或轴套不受磨损； 它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那 么 严格，轴的震动敏感性小。 1.1.2.6 几何尺寸： d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 B/d=0.8 1 B/D=0.3 0.5 (S/d ) 2=1.5 2.5 (S/d ) 3=1 2
7、d：涡轮搅拌器直径 (m) D：罐内径 (m) W：挡板宽度(m) B：底层搅拌叶到罐底的距离(m) S：两搅拌叶之间的间距(m) 搅拌器的档数根据液体的深度（H ）确定，凡HD时用一档，当 H D时时用多档，但S D 1.1.2.7搅拌器功率的计算： 搅拌的输出功率P(W)与流体的性质、容器的结构尺寸、液 位高度、重力加速度(g)、搅拌器的形式、搅拌器的速度及 有无档板等有关。 P=f (n, d, , ,g) P搅拌功率（W），n搅拌器转速（r/min），d搅拌器直径 ，液体密度（kg/m3），液体粘度(pas) 通过因次分析和实验证实： P/(n3 d5 )=K (n d2 /)x (n
8、2 d/g)y 式中 P/(n3 d5 )= NP 称为搅拌功率准数（外力与惯性力比） n d2 /= Re 称为搅拌雷诺准数（惯性力与黏性力比） n2 d/g=Fr 称为搅拌弗鲁特准数 （惯性力与重力比） K与搅拌器的形式，容器的结构尺寸有关的常数 在有全档板的条件下，液面未出现旋涡，y=0 NP= K Rex 即功率准数是雷诺准数的函数 1.1.3 传热系统： 1.1.3.1夹层传热（V5T） 夹套的高度比静止液面高度稍 高即可，无须进行冷却面积的 设计。 优点是：结构简单；加工容易， 罐 内无冷却设备，死角少，容易进 行 清洁灭菌工作，有利于发酵。 缺点是： 传热壁较厚，冷却水流速低，发
9、 酵 时降温效果差。 夹层的传热系数一般是 400630kj/m2h 1.1.3.2 蛇管传热 （一般有4组、6组、8组） 。 优点是：冷却水在管内的 流速大；传热系数高 但弯曲位置比较容易蚀穿( 试漏）。 蛇管的传热系数则为 1200 1890kj/m2h 1.1.4 通气系统： 制备的无菌空气通过单孔管、多孔环管进罐。 单孔管空气出口（离罐底约4cm)位于底层搅拌叶的正下方 ，斜截面开口向下。 以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为5 8mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面 积。 1.2 通风搅拌式发酵罐（ 气升式）： 外循环型 外循环型外循环型 内循环型内循环型 通风
10、搅拌式发酵罐：通气（250300m/s)不仅提供微生物 所需氧气，而且还用来搅拌培养基。 特点：结构简单，无搅拌装置节省动力50%，操作时噪音 小。减少死角。 但搅拌效果不及机械搅拌式。 选用适当直径的喷嘴。具有适当直径的喷嘴才能保证气泡 分割细碎，与发酵液均匀接触，增加溶氧系数。 1.3 自吸式发酵罐： 一般为下伸型搅拌轴， 在搅拌过程中通过搅拌 器上的空心叶轮吸入无 菌空气，当空心叶轮里 的培养基被甩出后，叶 轮里形成局部真空，从 而将外面的空气吸到罐 内。 搅拌器： 三棱型空心体叶轮（转子）， 具有16块有一定曲率的导 向叶片，叶片上下有固定 圈固定（定子） 。 搅拌速度比通用式的发 酵
11、罐快，剪切力大，发 酵罐一般不宜过大。 在葡萄糖酸钙、维生素C、 酵母、蛋白酶等发酵, 生化暴气方面的有应用实例 2 厌氧发酵罐 厌氧发酵也称静止培养，其设备 和工艺都较好氧发酵简单。 2 .1 酒精发酵罐： 2 .1.1罐体：D/H 1：1.31.4 盖和底为圆锥成碟形。 1：糖化醪进口 2：成熟醪排 出口 3：CO2排出回收口 4，5：人孔 6：蛇管 7：温包 8：取样口 9：安全阀 2 .1.2传热系统：蛇管、表面 冷却，一般0.25m2/m3 2.2 啤酒发酵罐：主、后酵共用。 啤酒发酵罐均采用碳钢加涂料或不锈钢两种 材料制成。啤酒是酸性液体，能造成铁的电 化学腐蚀，啤酒发酵时产生的H2S、SO2对铁 材料会造成氧化还原腐蚀。 不锈钢是一种含铬较多的合金，它之所以能 够抗腐蚀，原因在于其表面能形成铬含量高 、化学性质稳定的氧化层。 罐体：D/H： 1：26， 锥底：锥体高为1/31/4 罐体，锥形角度一般为 700750 传热系统：冷却夹层或 盘管，视高度分为2，3 段冷却，冷却剂采用 35% 丙二醇或乙醇及液氨等 。 罐外保温层约20cm， 采用聚苯乙烯等材料。 谢 谢！
