第五章发酵设备

第五章发酵设备

一、定义 第一节生物反应器分类与设计生化反应器(生物反应器)就是为适应生化反应(生物反应)的特点而设计的反应设备。生化反应器的实质也就是酶反应器。包括酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养反应器。

二、生物反应器的分类 • 按使用的催化剂：酶反应器和细胞反应器。 • 根据细胞或组织的代谢要求： • 厌氧生物反应器；好氧生物反应器；光照生物反应器；膜生物反应器 • 按反应器的结构特征：按罐式、管式、塔式及膜式等反应器。

按操作方式: 间歇操作、连续操作和半间歇或半连续操作。 • 按生物催化剂在反应器中的分布方式: • 生物团块反应器和生物膜反应器。

三、生化反应器的特点 ①生化反应与一般化学反应的不同主要在于其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。

②生物的酶系非常复杂，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。②生物的酶系非常复杂，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。

③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。

④由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品。④由于酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品。

⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。

四、生物反应器设计基本原则 ①生物反应器应具有适宜的高径比。 ②生物反应器能承受一定的压力。 ③生物反应器的通风搅拌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，提高氧的利用率。

④生物反应器应具有足够的冷却面积。 ⑤生物反应器内应尽量减少死角，避免藏垢积污，使灭菌彻底，避免染菌。 ⑥搅拌器的轴封严密，尽量减少泄漏。

第二节发酵设备概述 • 发酵主要设备为发酵罐和种子罐。 • 种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。 • 发酵罐：承担产物的生产任务。

一、发酵罐 是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。 1. 发酵罐的定义：

2. 发酵罐系统 一个优良的发酵罐装置和组成：（1）应具有严密的结构（2）良好的液体混合特性（3）好的传质相传热速率（4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表

3. 发酵罐必须满足下面几个基本要求： (1)发酵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。 (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，免遭染菌。 (6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。

4. 发酵罐发展历史 • 第一阶段:1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。 • 第二阶段:1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。

第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。

第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。

第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。

5. 发酵罐的特点 （1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求高。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。

（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。（2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。

6. 典型发酵设备 • 种子制备设备 • 主发酵设备 • 辅助设备(无菌空气和培养基的制备) • 发酵液预处理设备 • 粗产品的提取设备 • 产品精制与干燥设备 • 流出物回收 • 利用和处理设备等

7. 发酵罐工艺操作条件 1．温度：25～40℃。 2．压力：0～1 kg／cm3(表压)。 3．灭菌条件；温度100～140℃，压力0～3 kg／cm3 (表压)。 4．pH：2～11。 5．需氧量：0．05～0.3 kmo1／m3·h。 6．通气量：0.3～2 VVM。 7．功率消耗：0.5～4kW／m3。 8. 发酵热量：5 000～20 000 kcal／m3．h。

8. 发酵罐的类型 • 好气：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；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数； • 厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。（1）按微生物生长代谢需要分类

（2）按照发酵罐设备特点分类 • 机械搅拌通风发酵罐： • 包括循环式，如伍式发酵罐，文氏管发酵罐，以及非循环式的通风式发酵罐和自吸式发酵罐等； • 非机械搅拌通风发酵罐：包括循环式的气提式发酵罐、液提式发酵罐，以及非循环式的排管式和喷射式发酵罐。

（3）按容积分类 一般认为500L以下的是实验室发酵罐； 500-5000L是中试发酵罐； 5000L以上是生产规模的发酵罐。

第三节发酵罐 1. 密闭厌氧发酵罐 2. 通气搅拌罐 3. 气泡塔式发酵罐 4. 固体培养设备

一、密闭厌氧发酵罐 • 能封闭； • 能承受一定压力； • 有冷却设备； • 罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。对这类发酵罐的要求是：

（一）啤酒发酵设备 • 近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。 • 大型化的目的是： (1) 由于大型化，使啤酒质量均一化；由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低了主要设备的投资。

(2)发酵容器材料的变化 • 由陶器向木材---水泥----金属材料演变 • 现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。 • 我国大多数啤酒发酵容器为内有涂料的钢筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不锈钢。

（3）开放式发酵容器向密闭式转变 小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理,泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便，随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。

(4)密闭容器的演变 • 原来是在开放式长方形容器上面加弓形盖子的密闭发酵槽； • 随着技术革新过渡到用钢板、不锈钢或铝制的卧式圆筒形发酵罐。

后来出现的是立式圆筒体锥底发酵罐； • 目前使用的大型发酵罐主要是立式罐，如奈坦罐、联合罐、朝日罐等。 • 由于发酵罐容量的增大，要求清洗设备装置也有很大的改进，大都采用CIP自动清洗系统。

3. 新型啤酒发酵设备 圆筒体锥底发酵罐

设备特点 • 已灭菌的新鲜麦汁与酵母由底部进入罐内； • CO 2气体由罐顶排出。 • 罐身和罐盖上均装有入孔，罐顶装有压力表、安全阀和玻璃视镜。

在罐底装有净化的CO2充气管。 • 罐身装有取样管和温度计接管。 • 设备外部包扎良好的保温层，以减少冷量损耗。

优点： （1）发酵速度快，能耗低，采用的管径小，生产费用可以降低。（2）最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。

（二）酒精发酵罐 (1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件 (2)一定的生化反应时间 (3)及时移走在生化反应过程中将释放的生物热酵母将糖转化为酒精高转化率条件

酒精发酵罐的结构要求 • 满足工艺要求，有利于发酵的排出； • 从结构上有利于发酵液的排出； • 有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。

酒精发酵罐筒体结构 • 为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 • 在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。 • 罐顶装有入孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。

罐底装有排料口和排污口； • 罐身上下部装有取样口和温度计接口。

发酵的冷却装置 • 对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却； • 对于大型发酵罐，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，

第五章 发酵设备