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1、发酵工艺项目七：发酵设备操作电子课件发酵罐及操作发酵罐及操作项目七项目七概述青霉素的工业化生产最早采用的固体表面培养法，发酵效价只有40U/mL。后来采用液体深层培养，利用发酵罐设备、新型工艺和提取技术，使青霉素的发酵效价达到200U/mL。现在工业上使用的发酵罐已达到500m3，发酵效价已经达到6000090000U/mL。发酵罐是工业发酵常用设备中最重要、应用最广泛的设备，是连接原料和产物的桥梁，也是多种学科的交叉点。在发酵罐中，微生物在适当的环境中进行生长、新陈代谢和形成发酵产物。其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏防止染菌等，促进
2、微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。按生物生长代谢对氧气的要求，可分为通风发酵罐按生物生长代谢对氧气的要求，可分为通风发酵罐和嫌气发酵罐。通风发酵罐需通入空气维持溶氧，和嫌气发酵罐。通风发酵罐需通入空气维持溶氧，因而其设备的结构比嫌气发酵罐复杂。因而其设备的结构比嫌气发酵罐复杂。按发酵罐容积分，可分为小型实验室发酵罐、中试按发酵罐容积分，可分为小型实验室发酵罐、中试发酵罐、生产发酵罐。其中发酵罐、生产发酵罐。其中150L左右的发酵罐一左右的发酵罐一般习惯称为小型实验室发酵罐，般习惯称为小型实验室发酵罐，505000L以下习以下习惯称为中试发酵罐，惯称为中试发酵罐，5000L以上习
3、惯称为生产发酵以上习惯称为生产发酵罐。罐。按罐体主体材质可分为玻璃发酵罐和不锈钢发酵罐。按罐体主体材质可分为玻璃发酵罐和不锈钢发酵罐。一、发酵罐类型一、发酵罐类型按灭菌方式，分为在位灭菌和离位灭菌发酵罐。在位灭菌是发酵罐直接通蒸汽灭菌，离位灭菌是将发酵罐放入灭菌锅中灭菌，离位灭菌发酵罐一般为玻璃发酵罐。根据培养基的形态及流动性，分为液体发酵罐、半固体发酵罐及固体发酵罐。按搅拌形式分为机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐和自吸式发酵罐等。机械搅拌发酵罐是由电机带动搅拌轴上的搅拌桨对发酵液进行搅拌和混合作用。气升式发酵罐主要靠气流的带动作用，使发酵液达到搅拌和混合的作用。自吸式发酵罐主要依靠特设的机械搅拌
4、吸气装置或液体喷射吸气装置形成负压吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质。一、机械搅拌通风发酵罐一、机械搅拌通风发酵罐机械搅拌发酵罐是目前使用最多的一种发酵罐，使用性好、适应性好、放大容易，从小型直至大型的微生物培养过程都可以应用。据不完全统计，它占了发酵罐总数的70%80%，因此也称之为通用式发酵罐。它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，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。其缺点是罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。通用式发酵罐通用式发酵罐二、通风发酵设备二、通风发酵设备通风发酵罐又称好气性发酵罐，常用通风发酵罐包括机
5、械搅拌发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐、伍式发酵罐等类型。通通用用式式发发酵酵罐罐（一）机械搅拌发酵罐（一）机械搅拌发酵罐1.基本要求基本要求发酵罐应有适宜的高径比。一般高度与直径比为（1.74）:1，高径比越大，溶氧效果越好，氧的利用率越高。发酵罐要有适宜的设计压力。目前大部分发酵罐设计压力为0.3MPa，工作压力为0.15MPa以下。搅拌器及内部结构有利于氧的溶解。发酵罐要有良好的密封性。发酵罐要易于操作及清洗。发酵罐要有足够的换热面积。2.工作原理工作原理机械搅拌发酵罐主要利用机械搅拌桨的搅拌破碎作用、空气分布器的分散作用，使通入的无菌空气分散成小气泡，与发酵液混合，促使氧气在发酵液中
6、的溶解，以保证微生物生长及生产产物所需的氧气。衡量发酵罐的优良与否的2个基本指标是溶氧系数的高低和传递1kg氧所耗功率的大小。3.主要结构主要结构机械搅拌通风发酵罐是一种密封式受压设备发酵罐的主要结构包括：罐体、搅拌器、挡板、空气分布装置、机械密封、换热装置、传感器接口、附属结构等罐体罐体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，材料一般为不锈钢。为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装没有快开入孔及清洗用的快开手孔。罐顶还装有视镜及灯镜。在发酵罐的罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。在罐身上的接管有冷却水进出管、进空
7、气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。罐体各部分的尺寸有一定的比例，标准发酵罐的几何尺寸为：H/D=25；d/D=1/21/3；W/D=1/81/12B/D=0.81.0；(s/d)2=1.52.5；(s/d)3=12。搅拌器搅拌器机械搅拌器的主要功能是使物料混合、打碎气泡、强化传热传质。搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种。螺旋桨式螺旋桨式平叶式平叶式弯叶式弯叶式剑叶式剑叶式搅拌器叶轮搅拌时有轴向流、径向流和切向流。轴向流轴向流径向流径向流切向流切向流发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距约为搅拌器直径的三倍。对于大型发酵罐以及液体深度较高的，可安装三组或三组以上的搅
8、拌器。大型发酵罐搅拌装置大型发酵罐搅拌装置挡板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。通常，挡板宽度取(0.10.2)D，装设64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：(W/D)Z=0.5D-罐的直径Z-挡板数W-挡板宽度消泡器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1020mm。消泡器的长度约为罐径的0.65倍。联轴器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
9、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。轴承轴承为了减少震动，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(如聚四氟乙烯等)，轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.40.7。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。变速装置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。轴封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。
10、常用的是端面式轴封，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：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，对轴的震动敏感性小。端面式轴封的缺点：结构比填料密封复杂，装拆不便；对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。空气分布装置空气分布装置的主要作用是吹入无菌空气，使通入发酵罐中的无菌空气分散成小气泡，以便在发酵液中溶解更充分，有利于菌体生长。空气分布装置常用的形式有单管式和环形管式环形管式和单管式空气
11、分布器环形管式和单管式空气分布器换热装置换热装置夹套式换热装置夹套式换热装置在反应器外部筒体部分焊接或安装一夹套层，在夹套与器壁之间形成密闭的空间，成为一种流体的通道。广泛用于反应过程的加热和冷却。当蒸气进行加热时，蒸气由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管排出。如用冷却水进行冷却时，则由夹套下部接管进入，而由上部接管流出。多应用于容积较小的发酵罐、种子罐；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。其优点是结构简单，易加工，罐内死角少，容易清洗灭菌。缺点是传热面壁较厚，传热系数也不高，冷却水流速低，降温效果差。竖式蛇管换热装置竖式蛇管换热装置竖式蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六
12、组或八组不等优点是：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，水的用量较少。但是气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过40，影响发酵产率此外，弯曲位置比较容易蚀穿。竖式列管竖式列管(排管排管)换热装置换热装置以列管形式分组对称装于发酵罐内。其优点是：加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区。这种装置的缺点是：传热系数较蛇管低，用水量较大。发酵罐的管路配置及连接发酵罐的管路配置及连接由于罐体和有关管路均需用蒸汽进行灭菌，所以管路的设置要保证蒸汽能够达到所有需要灭菌的地方，对于某些蒸汽可能达不到的死角(如阀)要装设与大气相通的旁路。在灭菌操作时，将
13、旁路阀门打开，使蒸汽自由通过。接种、取样和加油等管路要配置单独的灭菌系统，能在发酵罐灭菌后或在发酵过程中单独进行灭菌。发酵厂中若干发酵罐的排气管路大多汇集在一条总的管路上，以节约管材，相互干扰的弊病，一只罐染菌往往会影响其他罐。排气管路的串通连接尤其不利于污染的防止。对于容易染菌的场合还是以每台发酵罐具有独立的排气、下水管路为宜。倘若使用一根总的排气管时，必须选择较大直径的管子，保证排气、下水通畅不致倒回到发酵罐内。目前使用的大小阀门大多采用截止阀和橡胶隔膜阀。截止阀阀体为横放的S形，阀座与阀心的接触面小，污物不易附在上面，但构造比较复杂，流体阻力较大。由于截止阀能很方便地调节流量，小型发酵罐
14、上大多采用这种阀门。截止阀阀体为横放的S形，阀座与阀心的接触面小，污物不易附在上面，但构造比较复杂，流体阻力较大。由于截止阀能很方便地调节流量，小型发酵罐上大多采用这种阀门。平面形紧密面的垫料采用橡胶或聚四氟乙烯，关闭后垫料与阀座紧紧地吻合，达到不漏的目的。阀体内装有橡皮隔膜，用螺钉与阀芯连接，当阀杆作上下运动时就带动隔膜上升或下降。隔膜阀的制造要求不高，关键在于膜的性能，如采用橡皮隔膜阀，在一般情况下，对橡胶隔膜的要求是耐压4kg/厘m2以上，耐温160以上，在压紧和放松时不变形。（二）气升式发酵罐（二）气升式发酵罐内循环和外循环两种。主要结构包括：罐体、上升管、空气喷嘴。罐内或罐外装设上升
15、管，两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。工作原理罐内除装设上升管外，也可以装设导流筒，无菌空气从5处进入，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低而在导流筒内向上运动，导流筒外壁与发酵罐外壁之间的的环流间隙中的发酵液由于气含量少而下沉为了使罐内液体保持恒温，通过泵6使发酵液循环（从7到
16、9），在热交换器8处加热或冷却气升式发酵罐特点是：结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备，节约动了约50，节约钢材操作无噪音；料液可充满达8090，而不需加消泡剂；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。缺点：不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低。总之，气升式发酵罐是否符合工艺要求及经济指标，应考虑到循环周期时间必须符合菌种发酵的需要；同时要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。（三）自吸式发酵罐（三）自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而是依靠特设的机
17、械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装而是依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置自动吸入空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发置自动吸入空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。酵罐。这种设备的耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能这种设备的耗电量小，能保证发酵所需的空气，并能使气液分离细小，均匀地接触，吸入空气中使气液分离细小，均匀地接触，吸入空气中7080%的氧被利用。采用了不同型式、容积的自吸式发酵罐的氧被利用。采用了不同型式、容积的自吸式发酵罐生产葡萄糖酸钙、力复雷素、维生素生产葡萄糖酸钙、力复雷素、维生素C、酵母、蛋白、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成绩。酶等，都取得了良好的成绩。常用的类
18、型有机械搅拌自吸式发酵罐和文氏管自吸式常用的类型有机械搅拌自吸式发酵罐和文氏管自吸式发酵罐。发酵罐。机械搅拌自吸式发酵罐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。工作原理在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体或空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量，若转子的转速愈快，旋转的线速度也愈大，则流体的动能也愈大，流体离开转子时，由动能转变为压力能也愈大，排出的风量也越大。当转子空膛内的流体从中心被甩
19、向外缘时，在转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大，由于转子的空膛用管子与大气相通，因此大气的空气不断地被吸入，甩向叶轮的外缘，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出。由于转子的搅拌作用，气液在叶轮周围形成强烈的混合流（湍流），使刚离开叶轮的空气立即在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合，翻腾，扩散到整个罐中，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。文氏管自吸式发酵罐文氏管自吸式发酵罐又称为喷射式自吸式发酵罐。是应用文氏管喷射吸气装置或液流喷射吸气装置进行混合通气的，既不用空压机，又不用机械搅拌吸气转子。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，
20、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。自吸式发酵罐的优点自吸式发酵罐的优点1、节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器等设备，减少厂房占地面积。2、减少工厂发酵设备投资约30左右，例如应用自吸式发酵罐生产酵母，容积酵母的产量可高达3050克。3、设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。4、酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离酵母后的废液量少。5、设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。酒精发酵设备酒精发酵设备啤酒发酵设备啤酒发酵设备三、嫌气发酵设备三、嫌气发酵设备酒精发酵设备的基本要求酒精发酵设备的基本要求1、满足酒精发酵的工
21、艺要求；2、满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。（1）将发酵产生的热量及时移走；（2）有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。基本结构基本结构酒精发酵罐筒体为圆柱形。底盖和顶盖均为碟形或锥形的立式金属容器。罐顶装有废汽回收管，进料管，按种管，压力表、各种测量仪表接口管及供观察清洗和检修罐体内部的人孔等。罐底装有排料口和排污口对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。罐身上下部装有取样口和温度计接口。冷却装置冷却装置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
22、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的方法，此法具有冷却发酵液均匀、冷却效率高等优点。酒精发酵罐冷却装置示意图洗涤装置大型酒精发酵罐通常采用水力喷射洗涤装置。酒精发酵罐洗涤装置的结构示意图传统的啤酒发酵设备是由分别设在发酵间的发酵池和贮酒间内的贮酒罐组成的。目前圆筒体锥底罐（C.C.T)在露天大罐工艺中使用最为普遍。简称露天锥形发酵罐。基本结构基本结构1、罐顶、罐顶2、罐体、罐体圆拱形结构，中央开孔用于放置可拆卸的大直径法兰，以安装CO2和CIP管道及其连接件，罐顶还安装防真空阀、过压阀和压力传感器等，罐内侧装有洗涤装置，也安装有供罐顶操作的平台和通道圆柱体。由于罐直
23、径大，耐压低，一般锥形罐的直径不超过6m。罐体外部用于安装冷却装置和保温层，并留一定的位置安装测温、测压元件。罐体部分的冷却层有各种各样的形式，如盘管、米勒扳、夹套式，并分成23段，用管道引出与冷却介质进管相连，冷却层外覆以聚氨酯发泡塑料等保温材料，保温层外再包一层铝合金或不锈钢板，也有使用彩色钢板作保护层。3、圆锥底圆锥底圆锥底的夹角一般为6080，也有90110，但这多用于大容量的发酵罐。发酵罐的圆锥底高度与夹角有关，夹角越小锥底部分越高。一般罐的锥底高度占总高度的1/4左右，不要超过1/3。圆锥底的外壁应设冷却层，以冷却锥底沉淀的酵母。锥底还应安装进出管道、阀门、视镜、测温、测压得传感元
24、件等。设备的结构特点设备的结构特点1、外型特点、外型特点外简体蝶形或外简体蝶形或拱形盖，锥形拱形盖，锥形体底，罐筒体体底，罐筒体壁和锥底有各壁和锥底有各种形式的冷却种形式的冷却夹套。夹套。1-操作平台；操作平台；2-罐顶装置；罐顶装置；3-电缆管和排水管；电缆管和排水管；4-感温探头；感温探头；5，6，8-冷却夹套；冷却夹套；7-保温保温层；层；9-液氨流入口（左）和流出口（右）；液氨流入口（左）和流出口（右）；10-锥底冷却夹套；锥底冷却夹套；11-锥底人孔锥底人孔2、罐材料、罐材料大型CCT均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。不锈钢表面能形成铬含量高、化学性质稳定的氧化层。铬钢中常加入镍
25、、铝、钛、锰等元素，可以改善耐腐蚀性和工艺性能。啤酒厂常用的是8Crl8Ni的不锈钢。提高铬、镍、钼含量可增加抗腐蚀性。3、冷却夹套、冷却夹套采用换热片式一次性冷媒直接蒸发式换热，一次性冷媒蒸发后的压力在1.0MPa1.2MPa，也就是说换热片需耐高压。国内大多用低温低压(-3、0.03MPa)液态冷媒在半圆管、弧形管的夹套。冷却夹套的发酵罐或单酿罐内一般分成三段，上段距发酵液面15cm向下排列，中段在筒体的下部距支撑裙座15cm向上排列，锥底段尽可能接近排酵母口，向上排列。4、隔热层和防护层、隔热层和防护层啤酒CCT常用绝热材料聚酰氨树脂，可现场喷涂发泡;自熄式聚苯乙烯泡沫塑料是最佳绝热材料
26、，但价格贵。上述两种绝热材料只需厚度150200mm。外防护层一般采用0.71.5mm厚的合金铝板或0.50.7mm的不锈钢板，特别是瓦楞型板更受欢迎。5、罐体的耐压、罐体的耐压发酵产生一定的二氧化碳形成罐顶压力（罐压），应设有二氧化碳调节阀，罐顶设有安全阀。当二氧化碳排出、下酒速度过快、发酵罐洗涤时二氧化碳溶解等都会造成罐内出现负压，因此必须安装真空阀。避免罐内负压的产生，造成发酵罐“瘪罐”。6、罐主要附件、罐主要附件在上中下三段冷却介质进口位置下装智能型铂温度传感器。在圆筒形下部装可清洗取样阀。温度传感器和取样管均需深入罐中300mm。罐顶部应有安全阀、真空破坏阀，CIP执行机构应装在液面
27、上150mm。还应装上视镜、灯镜、空气和二氧化碳排出管等装置。锥底有直径500mm的快开入孔。如做单酿罐应具有深入锥底8001200mm的出酒管和排酵母底阀及四通视镜。（三）连续发酵设备糖蜜制酒精连续发酵流程糖蜜制酒精连续发酵流程1.酒精连续发酵设备整个流程由9个发酵罐组成，其容量视其生产能力大小而定。酵母和糖蜜同时连续流加入第1罐内，并依次流经各罐，最后从9号罐排出。除了在酒母槽通入空气外，在1号罐内也同样通入适量空气，或增大酵母接种管，维持1号罐内工艺所要求的酵母数。二氧化碳则由各罐罐顶排入总汇集罐，再送往二氧化碳车间，进行综合利用。2.啤酒连续发酵设备塔式发酵罐是由英国APV公司20世纪
28、60年代设计的，由数个高度69m的塔式发酵罐串联起来，附加一些酵母分离和啤酒贮藏设备。澄清麦芽汁冷却至0，送往贮槽，0保持2d后析出和除去冷凝固物，经63、8min灭菌，冷却至发酵温度1214，入塔式发酵罐进行前发酵，周期为2d；进罐前麦芽汁经U形充气柱间歇充气，充气量为麦芽汁：空气=（1215）:1。由塔顶溢出的嫩啤酒升温至1418，使连二酮还原，嫩啤酒冷却至0进入锥形罐进行后发酵，3d满罐。1-麦芽汁澄清罐；麦芽汁澄清罐；2-冷却器；冷却器；3-麦芽汁贮槽；麦芽汁贮槽；4-热交换器；热交换器；5-塔式发酵罐；塔式发酵罐；6-处理槽；处理槽；7-酵母分离器；酵母分离器；8-锥形后发酵罐；锥形后发酵罐；9-CO2 2贮槽；贮槽；10-CO10-CO2 2压缩机；压缩机；11-洗涤器；洗涤器；12-气液分离器；气液分离器；13-活性炭过滤器；活性炭过滤器；14-无菌过滤器无菌过滤器