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1、第四章第四章 发酵设备发酵设备1. 1. 概述概述2. 2. 实验室发酵设备实验室发酵设备3. 3. 通风发酵罐通风发酵罐 4. 4. 嫌气发酵设备嫌气发酵设备5. 5. 固体发酵设备固体发酵设备l发酵罐发酵罐：是为一个特定生物化学过程的操作提：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好环境的容器。对于某些工艺来说，发酵供良好环境的容器。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；而罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器。口容器。 1. 概述概述一个优良的发酵罐装置和组成一个优良的发酵罐装置和组
2、成: :（1 1）应具有严密的结构）应具有严密的结构（2 2）良好的液体混合特性）良好的液体混合特性（3 3）好的传质相传热速率）好的传质相传热速率（4 4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表）具有配套而又可靠的检测、控制仪表发酵罐的类型发酵罐的类型按微生物生长代谢需要分类按微生物生长代谢需要分类l好气：好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素抗生素、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；需要强烈的通等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的含量；风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的含量；l厌气：厌气：酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不酒精、啤
3、酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。需要通气。按容积分类：按容积分类：一般认为一般认为500L500L以下的是实验室发酵罐；以下的是实验室发酵罐；500-5000L500-5000L是中试发酵罐；是中试发酵罐；5000L5000L以上是生产规模的发酵罐。以上是生产规模的发酵罐。2. 2. 实验室发酵设备实验室发酵设备l1. 1. 试管试管l2. 2. 三角瓶三角瓶l3. 3. 厌氧瓶厌氧瓶l4. 4. 培养箱培养箱l5. 5. 摇床摇床l6. 6. 小型发酵罐小型发酵罐菌种筛选菌种筛选摇瓶试验摇瓶试验发酵罐试验发酵罐试验3.1 机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐3.2 实验室小型发酵罐实验室小型发
4、酵罐3.3 自吸式发酵罐自吸式发酵罐3.4 气升式发酵罐气升式发酵罐3.5 固体发酵罐固体发酵罐3. 通风发酵罐通风发酵罐3.1 3.1 机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐 l机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。l它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。 标准发酵罐的几何尺寸比例H/D=1.74 d/D=1/21/3 W/D=1/81/12 s/d=3 3.2 发酵罐罐体的比例发
5、酵罐罐体的比例3.3 3.3 发酵罐的结构发酵罐的结构l1 1、罐体、罐体 l2 2、搅拌器和挡板、搅拌器和挡板 l3 3、消泡器、消泡器 l4 4、空气分布装置、空气分布装置l5 5、发酵专用、发酵专用PHPH、DODO电极电极 l6 6、冷却装置、冷却装置 l7 7、变速装置、变速装置l8 8、轴封、联轴器及轴承、轴封、联轴器及轴承 l由圆柱体及椭圆形封头焊接而成，材料为碳钢或不由圆柱体及椭圆形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈锈钢，对于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钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-32-3毫米。毫米。1
6、. 罐体罐体 装于罐顶的接管有：进料口、补料口、排气口、接种口和压力表等，装于罐身的接管有：冷却水进出口、空气进口、温度和其他测控仪表的接口。 l搅拌器搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种有平叶式、弯叶式、箭叶式三种l其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，2. 搅拌器、挡板搅拌器、挡板l挡板挡板的作用是改变液流的方向，促使液体激烈翻动，的作用是改变液流的方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。增加溶解氧。l通常挡板宽度取（）通常挡板宽度取（）D D，装设，装设4-64-6块即可块即可l挡板的长度自液面起到罐底为止。挡板的长度自液面起到罐底为止。l挡板与罐壁之间的距离
7、为（挡板与罐壁之间的距离为（1/5-1/91/5-1/9）W W，避免形成死，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。角，防止物料与菌体堆积。 3.3.消泡装置消泡装置l消泡方式有两种：一是化学消泡，二是机械消泡。消泡方式有两种：一是化学消泡，二是机械消泡。l机械消泡装置主要有四种机械消泡装置主要有四种l一一是是锯锯齿齿式式消消泡泡桨桨它它安安装装于于罐罐内内顶顶部部、高高出出液液面面的的位位置置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。l二二是是半半封封闭闭式式涡涡轮轮消消泡泡器器，它它是是由由前前者者发发展展改改进进而而来来，泡泡沫可直接被涡轮
8、打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。l三三是是离离心心式式消消泡泡器器，它它们们置置于于发发酵酵罐罐的的顶顶部部，利利用用高高速速旋旋转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。l第第四四种种是是刮刮板板式式消消泡泡器器，它它安安装装于于发发酵酵罐罐的的排排气气口口处处，泡泡沫沫从从气气液液进进口口进进到到高高速速旋旋转转的的刮刮板板中中，刮刮板板转转速速为为100010001450rpm1450rpm，泡泡沫沫迅迅速速被被打打碎碎，由由于于离离心心力力作作用用，液液体体披披甩甩向壳体壁上，返回罐内，气体
9、则由汽孔排出。向壳体壁上，返回罐内，气体则由汽孔排出。l空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。l分布装置的形式有单管及环形管等。常用的为单管式，管分布装置的形式有单管及环形管等。常用的为单管式，管口正对罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，管口与罐低口正对罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，管口与罐低的距离约的距离约40mm40mm，空气分散效果较好。若距离过大，空气分，空气分散效果较好。若距离过大，空气分散效果较差。散效果较差。l空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与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
10、充分混合，增加了气液传质效果。为了防止吹管吹入醪液充分混合，增加了气液传质效果。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。罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。4. 空气分布装置空气分布装置5.发酵专用PH、DO电极lPHPH测量范围测量范围0-14PH0-14PHl耐耐 压压l温温 度度60C-130C60C-130ClDODO测量范围测量范围0-2000-200l耐耐 压压l温温 度度60C-130C60C-130C6. 6. 冷却装置冷却装置 l5M5M3 3以下发酵罐
11、一般采用夹套冷却。以下发酵罐一般采用夹套冷却。l大型发酵罐采用列管冷却（四至八组）。冷却大型发酵罐采用列管冷却（四至八组）。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢制造。列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢制造。( (蛇形管或列管蛇形管或列管) )7. 7. 联轴器、轴承及轴封联轴器、轴承及轴封 l大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使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。上下搅拌轴成牢固的刚性联接。l为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，而为了减少震动，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，大型发酵罐装有中间轴承，l
12、罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦。罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦。l罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤其是底轴承处的磨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，损更为严重，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套，这样仅磨损轴套而轴不会磨损，检修时只要更换轴套就这样仅磨损轴套而轴不会磨损，检修时只要更换轴套就可以了。可以了。l轴封：安装在旋转轴与设备之间的部件，使罐顶或罐底轴封：安装在旋转轴与设备之间的部件，使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，它的作用防止工作介质（液与轴之间的缝隙加以密封，它的作用防止工作介质（液
13、体、气体）泄露和污染杂菌。体、气体）泄露和污染杂菌。控制器部件控制器部件控制器部件控制器部件l主要测控参数有：温度，搅拌转速、罐压力、PH值、溶解氧、自动消泡、自动补料发酵罐装料容积发酵罐装料容积发酵罐装料容积发酵罐装料容积l发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱部分高度罐圆柱部分高度, ,但须根据具体情况而定。但须根据具体情况而定。l一般占，采用有效的机械消涣装置，可以提高一般占，采用有效的机械消涣装置，可以提高罐的装料量，达到。罐的装料量，达到。3.2 实验室小型不透明发酵罐实验室小型不透明发酵罐小试、中试发酵罐小试、中试发酵罐小试、中试发酵
14、罐小试、中试发酵罐正在发酵3.3 3.3 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 l它与通用发酵罐的主要区别是：它与通用发酵罐的主要区别是：有一个特殊的搅拌有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成；器，搅拌器由转子和定子组成；没有通气管。具有没有通气管。具有转子和定子的搅拌器的吸气原理：转子和定子的搅拌器的吸气原理：l浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空气在离心力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。这时，转子中心处形成的作用下，被甩向叶轮外缘。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
15、通，发酵罐外的空气通过过滤器不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，再通过叶轮使气液断地被吸入，随即甩向叶轮外缘，再通过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。成强烈的混合流，空气泡被粉碎，气液充分混合。 l 自吸式发酵罐示意图自吸式发酵罐示意图工作原理： 在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷咀，空气喷咀以250300m/s的速度喷入上升管，借喷咀的作用使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。
16、由于上升管内的发酵液轻，加上压缩空气的喷流动能，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，供给发酵液所耗的溶解气量，使发酵正常进行。 3.4 气升式发酵罐气升式发酵罐l酒酒精精和和啤啤酒酒都都属属于于嫌嫌气气发发酵酵产产物物，其其发发酵酵罐罐因因不不需需要要通通入入无无菌菌空空气气，因因此此在在设设备备放放大大、制制造造和和操操作作时时，都都比比好好气气发发酵酵设设备备简简单得多。单得多。l要要求求：封封闭闭；承承受受一一定定压压力力；罐罐内内尽尽量量减减少少装装置置，消消灭灭死死角角，便于清洗。便于清洗。l1.1.必须结构（顶、身、底）必须结构（顶、身、底）l2.2.酒精
17、和啤酒是低温发酵（酒精和啤酒是低温发酵（1010度以下）怎样控温？度以下）怎样控温？l3.3.隔热：聚酰胺树脂等，厚隔热：聚酰胺树脂等，厚150mm150mm，外面有不锈钢的保，外面有不锈钢的保 护层，护层，l4.4.罐的清洗及消毒罐的清洗及消毒4. 4. 嫌气发酵设备嫌气发酵设备 啤酒发酵设备啤酒发酵设备 l近近年年来来，啤啤酒酒发发酵酵设设备备向向大大型型的的方方向向发发展展，迄迄今为止，大型发酵罐容量已达今为止，大型发酵罐容量已达1500m1500m3 3。1. 冷却夹套：冷媒多采用冷却夹套：冷媒多采用乙二醇乙二醇20%酒精溶液，酒精溶液，也可使用氨也可使用氨(直接蒸发直接蒸发)作冷媒；
18、作冷媒；2.罐身装有取样管和温度罐身装有取样管和温度 计接管。计接管。3.设备外部包扎良好的保设备外部包扎良好的保 温层，以减少冷量损耗温层，以减少冷量损耗圆筒体锥底发酵罐圆筒体锥底发酵罐（锥形罐）（锥形罐）发酵罐的洗涤发酵罐的洗涤l近近年年来来，发发酵酵罐罐巳巳逐逐步步采采用用水水力力喷喷射射洗洗涤涤装装置置，从从而而改改善善了了工工人人的的劳劳动动强强度度和和提提高高了了操操作作效效率率。大大型型发发酵酵罐罐采采用用这这种种水力洗涤装置尤为重要。水力洗涤装置尤为重要。水力喷射装置水力喷射装置l是是由由一一根根两两头头装装有有喷喷嘴嘴的的洒洒水管组成水管组成l两头喷水管弯有一定的弧度两头喷水
19、管弯有一定的弧度l喷喷水水管管上上均均匀匀地地钻钻有有一一定定数数量的小孔量的小孔l喷喷水水管管借借活活接接头头和和固固定定供供水水管相连接管相连接l它它是是借借喷喷水水管管两两头头喷喷嘴嘴以以一一定定喷喷出出速速度度而而形形成成的的反反作作用用力，使喷水管自动旋转。力，使喷水管自动旋转。高压强的水力喷射洗涤装置高压强的水力喷射洗涤装置高压强的水力喷射洗涤装置高压强的水力喷射洗涤装置l它它是是一一根根直直立立的的喷喷水水管管，沿沿轴轴向向安安装装于于罐罐的的中中央央，在在垂垂直直喷喷水水管管上上按按一一定定的的间间距距均均匀匀地地钻钻有有4-6mm4-6mm的的小小孔孔，孔孔与与水水平平呈呈2
20、020度度角角，水水平平喷喷水水管管借借活活接接头头，上上端端接接供供水水总总管管，下下端端和和垂垂直直管管相连接。相连接。l水水流流在在较较高高压压力力下下，由由水水平平喷喷水水管管出出口口处处喷喷出出，使使其其以以每每分分钟钟48564856转转自自动动旋旋转转，并并以以极极大大的的速速度度喷喷射射到到罐罐壁壁各各处处，而而垂垂直直的的喷喷水水管管也也以以同同样样的的水水流速度喷射到罐体四壁和罐底。流速度喷射到罐体四壁和罐底。l约约5 5分钟时间即可完成洗涤作业。洗分钟时间即可完成洗涤作业。洗涤水若用热水，还可提高洗涤效果。涤水若用热水，还可提高洗涤效果。 CIPCIP清洗系统清洗系统l啤
21、啤酒酒发发酵酵罐罐的的容容量量正正在在逐逐步步增增大大，这这类类发发酵酵罐罐大大部部分分安安装装在在室室外外，原原来来的的清清洗洗方方法法已已不不适适用用，必须采用自动化的喷洗装置。必须采用自动化的喷洗装置。l采用较多的是采用较多的是CIPCIP清洗系统。清洗系统。l所所谓谓CIPCIP系系统统，是是clean clean in in placeplace的的简简称称，意意即内部清洗系统。即内部清洗系统。 CIPCIP清洗系统示意图清洗系统示意图清洗程序清洗程序(1)(1)预冲洗：每次预冲洗的时间为预冲洗：每次预冲洗的时间为3030秒，进行秒，进行1010次，是通过次，是通过 回转喷嘴进行的，
22、主要排去底部的沉渣。回转喷嘴进行的，主要排去底部的沉渣。(2)(2)碱预洗碱预洗: :使清洗剂成为一种氯化了的碱性洗涤剂，用这使清洗剂成为一种氯化了的碱性洗涤剂，用这 种碱液循环种碱液循环1616分钟。清洗液温度维持在分钟。清洗液温度维持在3232左右。左右。(3)(3)中间冲洗：用中间冲洗：用CIPCIP循环的水罐的清水进行循环的水罐的清水进行4 4分钟冲洗。分钟冲洗。(4)(4)三次清水的喷冲，每次三次清水的喷冲，每次3030秒，从罐顶沿罐的四周冲洗。秒，从罐顶沿罐的四周冲洗。(5)(5)进行碱喷冲：碱液进行喷冲，进行碱喷冲：碱液进行喷冲，3232左右，左右，1515分钟。分钟。(6)(6
23、)用清水冲洗残留于罐表面及管线中的碱液。用清水冲洗残留于罐表面及管线中的碱液。(7)(7)最后用酸性水冲洗循环，中和残留的碱性，放走洗水，最后用酸性水冲洗循环，中和残留的碱性，放走洗水， 使罐保持弱酸状况。使罐保持弱酸状况。l微微生生物物在在具具有有一一定定温温度度和和湿湿度度的的固固体体表表面面进进行行生生长长和和繁繁殖就称作为固体发酵。殖就称作为固体发酵。l固体发酵主要适合于霉菌。固体发酵主要适合于霉菌。l按照固体培养方式来区分按照固体培养方式来区分l1 1浅盘式：浅盘式：国内广大农村的个体生产中，采用曲盘和国内广大农村的个体生产中，采用曲盘和曲架就可以进行生产。工业上是用多层铝制浅盘放在
24、架曲架就可以进行生产。工业上是用多层铝制浅盘放在架子上进行培养，培养室保持一定的温度和湿度。子上进行培养，培养室保持一定的温度和湿度。l2 2旋转式旋转式: : 旋转式固体发酵罐有鼓形和管形，培养过旋转式固体发酵罐有鼓形和管形，培养过程中，整个发酵罐以低速间歇旋转，罐内的小固体颗粒程中，整个发酵罐以低速间歇旋转，罐内的小固体颗粒会沿着罐壁滑动，达到散热和与空气接触之目的。会沿着罐壁滑动，达到散热和与空气接触之目的。3.4 3.4 固体发酵设备固体发酵设备 转筒式固体发酵罐转筒式固体发酵罐转筒式固体发酵罐转筒式固体发酵罐l适用于液体制种，固体发酵的生物制品，物料适用于液体制种，固体发酵的生物制品，物料的灭菌、冷却、接种、发酵在同一工位完成，的灭菌、冷却、接种、发酵在同一工位完成，减少了染菌因素，能耗低，无污水排放。适用减少了染菌因素，能耗低，无污水排放。适用于中小型生产规模的固态物料生物发酵。于中小型生产规模的固态物料生物发酵。 习题习题:发酵罐的类型、发酵罐的类型、机械搅拌发酵罐的所有结构极其作用机械搅拌发酵罐的所有结构极其作用机理机理啤酒发酵设备的构造、冷却及清洗啤酒发酵设备的构造、冷却及清洗
