发酵工程,第五章 发酵罐,第一节 嫌气发酵罐第二节 需氧发酵罐第三节 发酵罐选型 注意事项,概述：,发酵设备是发酵工厂中主要的设备，它提供了一个适应微生物生命活动和生物代谢的场所由于微生物分厌氧和通风两大类，故供微生物生存和代谢的生产设备也就各不相同不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生物培养所必要的工艺要求外，还得考虑材质的要求以及加工制造难易程度等因素一个优良的发酵罐必须具备的条件：P49,第一节 嫌气发酵罐,一、酒精发酵罐二、圆筒体锥底发酵罐,一、酒精发酵罐 1、基本结构,,2，发酵罐的冷却装置,根据发酵的大小不同，酒精发酵罐通常采用以下冷却装置：（1）中小型发酵罐：多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；（2）大型发酵罐：由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置3）也有采用罐外列管式喷琳冷却,,3，发酵罐的洗涤装置,大型酒精发酵罐通常采用水力喷射洗涤装置,二、 啤酒发酵罐 圆筒体锥底发酵罐（C.C.T） 露天锥形发酵罐,设备结构特点： 大型化，圆筒体，锥形底，有冷却夹套；罐材料用不锈钢或碳钢＋涂料，防腐；有隔热层和防护层；温度传感器、取样阀、安全阀、视镜、灯镜、排气管、CIP执行机构露天罐发酵的优点：加速发酵；节省厂房投资节省冷耗；发酵罐自动清洗消毒,C.C.T冷却面积分布,冷却夹套,,,啤酒发酵罐锥底,C．C．T底部结构,第二节 需氧发酵罐,通风发酵罐又称好气性发酵罐，如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母等发酵用的发酵罐。
好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧 常用通风发酵罐几种类型：（1）机械搅拌发酵罐（2）气升式发酵罐（3）自吸式发酵罐 机械搅拌自吸式发酵罐; 溢流自吸式发酵罐(文氏管发酵罐); 喷射自吸式发酵罐一、机械搅拌发酵罐,（一）机械搅拌通风发酵罐的基本要求（1）发酵罐应具有适宜的径高比；发酵罐的高度与直径之比一般为1.7~4倍左右，罐身越长，氧的利用率较高（2）发酵罐能承受一定压力；（3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，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，灭菌能彻底，避免染菌；（6）搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏二）罐体的尺寸比例,罐体各部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为1.7~4左右发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距S约为搅拌器直径的三倍对于大型发酵罐以及液体深度HL较高的，可安装三组或三组以上的搅拌器最下面一组搅拌器通常与风管出口较接近为好，与罐底的距离C一般等于搅拌器直径Di，但也不宜小于0.8Di，否则会影响液体的循环,,好气性机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要部件包括：罐身轴封消泡器搅拌器联轴器中间轴承挡板空气分布管换热装置人孔以及管路等,,,,,,,（三）机械搅拌发酵罐的结构,1.罐体,,2.搅拌器,搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中；使发酵液混合均匀 轴向式搅拌器：桨叶式、螺旋桨式径向式（涡轮式）搅拌器：平直叶、弯叶、箭叶,,平直叶 弯叶 箭叶,粉碎气泡能力： 平直叶＞弯叶＞箭叶,搅拌液体能力： 平直叶＜弯叶＜箭叶,,3.挡板,挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，防止产生漩涡，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。
通常，挡板宽度取(0.1~0.2)D，装设6~4块即可满足全挡板条件全挡板条件：是指在一定转数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：,右半边：不带挡板的搅拌流型，其中部液面下陷，搅拌功率大部分消耗在形成旋涡上左半边：带挡板的搅拌流型，流体从搅拌器径向甩出去后，受挡板阻碍，形成向上、向下两部分，垂直方向流动，不发生中央下陷的旋涡，有着更高的溶氧速率挡板,,,,（4）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、梳状式及孔板式孔板式的孔径约10~20毫米消泡器的长度约为罐径的0.65倍封闭式涡轮消泡器,,（5）搅拌轴、联轴器 、轴承,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—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。
6）变速装置、空气分布装置,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 空气分布装置：单孔管和环行管,（7）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填料函式轴封的优点：结构简单 缺点：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修，耗工时多,填料函式轴封的结构示意图,,,②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端面式轴封的优点：P59端面式轴封的缺点：P60,,（8）发酵罐的换热装置,小型发酵罐；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,结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，易清洁灭菌,,传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差,,容积5米3以上的发酵罐，蛇管分组安装于罐内，四组、六组或八组不等,冷却水在管内的流速大；传热系数高。
适用于冷却用水温度较低的地区，用水量少,不适用于气温高的地区；弯曲位置容易蚀穿,,列管形式分组对称装于发酵罐内,,加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区,传热系数较蛇管低，用水量较大,,,,二、气升式发酵罐,1，气升式发酵罐的特点:（1）无机械搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材；减少了机械剪切力，对长菌丝的各种真菌尤为适宜 （2）结构简单，冷却面积小；（3）操作时无噪音；（4）料液装料系数达80~90％，而不须加消泡剂；（5）维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低2，气升式发酵罐的结构及原理 分为内循环和外循环两种其主要结构包括：罐体、上升管、空气喷嘴,气升式发酵罐的结构示意图,,,内循环,外循环,三、自吸式发酵罐,1.特点：不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自动吸入空气的发酵罐在生产葡萄糖酸钙、维生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成绩2. 优点：（1）耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能使气液分离细小，均匀地接触，吸入空气中70~80%的氧被利用 （2）减少工厂发酵设备投资约30％左右，节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、总过滤器等设备，减少厂房占地面积（3）设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，（4）设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。
3，自吸式发酵罐的类型：三种 （1）机械搅拌自吸式发酵罐（具有转子及定子）（2）溢流自吸式发酵罐； （3）喷射自吸式发酵罐自吸式发酵罐的结构罐体自吸搅拌器及导轮轴封换热装置消泡器,,,,,自吸式发酵罐充气原理自吸式发酵罐的主要的构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子转子由箱底向上升入的主轴带动，当转子转动时空气则由导气管吸入转子的形式有九叶轮、六叶轮、三叶轮、十字形叶轮等，叶轮均为空心形机械搅拌自吸式发酵罐（具有转子及定子）,,喷射自吸式发酵罐 文氏管发酵罐,其原理是用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧优点：吸氧的效率高，气、液、 固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省缺点:气体吸入量与液体循环量之比较低，对于好氧量较大的微生物发酵不适宜适用于宇宙飞船的密封舱中，利用藻类的光合作用将气体中的二氧化碳还原成氧,,,溢流喷射自吸式发酵罐,原理：液体溢流时形成抛射流，由于液体表面层作用，使靠近表面的气体边界层具有一定的速率，从而形成气体的流动和自吸作用,,高位塔式发酵罐,原理：无需机械搅拌装置，是利用通入培养液的高压缩空气的气泡上升时的动力带动液体运动，达到混合效果。
特点：结构简单，造价低，动力消耗少，操作成本低，，噪音小适合于培养液黏度低、固形物少、需氧量较低的发酵例：多层水平筛板的鼓泡式发酵罐,,三种通风发酵罐之比较,第三节 发酵罐选型注意事项,总的要求：p651.发酵罐中必须有适合微生物进行生长、新陈代谢和形成发酵产物的环境；2.制造材料、制造工艺既满足生产要求，又满足造价比；3.在生产中易于操作、监控，防止杂菌污染能力好；4.易于清洗、维修、灭菌本章小结,嫌气发酵罐:原理、结构特点、优缺点酒精发酵罐.圆筒体锥底发酵罐需氧发酵罐:原理、结构特点、优缺点（1）机械搅拌发酵罐（2）气升式发酵罐（3）自吸式发酵罐 机械搅拌自吸式发酵罐; 溢流自吸式发酵罐(文氏管发酵罐); 喷射自吸式发酵罐 发酵罐选型注意事项,思考题,1. 嫌气发酵罐有几种？其共同特点是什么？2.机械搅拌通风发酵罐的基本要求有哪些？其换热装置有几种？各有何优缺点？3.绘出机械搅拌通风发酵罐的结构简图，并简要说明之4.搅拌器、挡板、消泡器各有何作用？何谓全挡板条件？达到该条件应满足什么？5.轴封有何作用？有几种类型？6.气升式发酵罐和自吸式发酵罐的原理、结构特点有何不同？,。