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通风发酵设备第四节•四十年代中期，青霉素的工业化生产，或深层通风培养技术的出现，标志近代通风发酵工业的开始。•在深层通风培养技术中，发酵罐是关键设备。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。一、通风发酵罐及结构•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。通风发酵罐的类型•机械搅拌发酵罐•气升式发酵罐•自吸式发酵罐•伍式发酵罐•文氏管发酵罐（一）机械搅拌发酵罐•机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。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。1.机械搅拌发酵罐的基本要求•发酵罐应具有适宜的径高比。•发酵罐能承受一定压力。•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。•发酵罐应具有足够的冷却面积。•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。•搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。2，机械搅拌发酵罐的结构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（1）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人孔及清洗用的快开手孔。•罐顶还装有视镜及灯镜。•在罐顶上的接管有：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、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。已经加工成型的椭圆封头，正在加工中的筒体以及冷却蛇管一般小型发酵罐罐顶部件布置图一般大中型发酵罐罐顶部件布置图（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。•搅拌器有轴向式（推进式搅拌器、轴向流型搅拌器）和径向式（涡轮式）两种。轴向式搅拌器轴向流型搅拌器推进式搅拌器径向式（涡轮式）搅拌器（Discturbine）平直叶弯叶箭叶（3）挡板挡板的作用是：①防止液面中央产生漩涡，②促使液体激烈翻动，增加溶解氧，③改变液流的方向，由径向流改为轴向流。根据经验表明，发酵罐热交换用的竖立的列管、排管或蛇管也可起相应的挡板作用。（4）消泡器发酵液中含有蛋白质等发泡物质，故在通气搅拌条件下会产生泡沫，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，且增加杂菌感染机会。在通气发酵生产中有两种消泡方法，一是加入化学消泡剂，二是使用机械消泡装置。通常，是把上述两种方法联合使用。消泡器就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分离成液态和气态两相的装置。从而达到消泡的目的。最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，可直接安装在上搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适当高度。安装在发酵罐内转动轴的上部的消泡器有齿式、梳式、孔板式、旋浆梳式等。耙式消泡器结构消泡器的安装（5）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。（6）轴承•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。（7）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。大型发酵罐的联轴器、轴承和变速装置（8）轴封发酵罐的搅拌轴与不运动的罐体之间的密封很重要，它是确保不泄漏和不污染杂菌的关键部件之一。安装在旋转轴与设备之间的部件我们称之为轴封，轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函和端面轴封两种。–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。–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。填料函轴封1-轴2-填料压盖3-压紧螺栓4-填料箱体5-铜环6-填料端面机械轴封1-弹簧2-动环3-硬质合金4-静环5-O形密封圈•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。•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。（9）发酵罐的换热装置•夹套式换热装置–这种装置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。–这种装置的优点是：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。–其缺点是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差，•竖式蛇管换热装置–这种装置是竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四组、六组或八组不等，根据管的直径大小而定，容积5米3以上的发酵罐多用这种换热装置。–这种装置的优点是：冷却水在管内的流速大；传热系数高。这种冷却装置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˚C，影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。•竖式列管(排管)换热装置–这种装置是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。二、气升式发酵罐•机械搅拌发酵罐其通风原理是罐内通风，靠机械搅拌作用使气泡分割细碎，与培养基充分混合，密切接触，以提高氧的吸收系数；设备构造比较复杂，动能消耗较太。采用气升式发酵罐可以克服上述的缺点。•气升式发酵罐具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐。而鼓泡罐则是最原始的通气发酵罐，当然鼓泡式反应器内没有设置导流筒，故未控制液体的主体定向流动。现以气升环流式反应器为例说明其工作原理。气升环流式反应器气液双喷射气升环流反应器多层空气分布板的气升环流发酵罐气升环流式反应器内没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将发酵醪液分为上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），在上升区的下部安装了空气喷嘴，或环型空气分布管，空气分布管的下方有许多喷孔。加压的无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，从空气喷嘴喷入的气速可达250~300（米/秒），无菌空气高速喷入上升管，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，与导流筒内的发酵液密切接触，供给发酵液溶解氧。由于导流筒内形成的气液混合物密度降低，加上压缩空气的喷流动能，因此使导流筒内的液体向上运动；到达反应器上部液面后，一部分气生泡破碎，二氧化碳排出到反应器上部空间，而排出部分气体的发酵液从导流筒上边向导流筒外流动，导流筒外的发酵液因气含率小，密度增大，发酵液则下降，再次进入上升管，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。气升式发酵罐的特点•结构简单，冷却面积小；•无搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材；•操作时无噪音；•料液装料系数达80~90％，而不须加消泡剂；•维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。•但还不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。三、自吸式发酵罐•自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自动吸入空气的发酵罐。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70~80%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、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的成绩。1.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2.自吸式发酵罐的充气原理•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。3，自吸式发酵罐的类型•根据通气的型式不同，自吸式发酵罐可分为三个类型：–回转翼片式自吸式发酵罐；–具有转子及定子的自吸式发酵罐；–喷射式自吸式发酵罐。•前两者自吸式发酵罐结构简单，制作容易，比较广泛采用。其传动装置有装在罐底及罐顶两种，如装在罐底，则端面密封装置的加工和安装要求特别精密，否则容易漏液染菌。第三种喷射式自吸式发酵罐，电耗少，但是泵的构造复杂。4，自吸式发酵罐的优点：•节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气贮存、总过滤器等设备，减少厂房占地面积。•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30~50克。•设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。•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。•设备结构简单，溶氧效果高，操作方便。四、通风固相发酵设备通风固相发酵工艺是传统的发酵生产工艺，广泛应用于酱油与酿酒生产，以及农副产物生产饲料蛋白等。通风固相发酵具有设备简单、投资省等优点。下面以最常用的自然通风固体曲设备和机械通风固体曲发酵设备为代表进行讨论。1.自然通风固体曲发酵设备几千年前，我国在世界上率先使用自然通风固体制曲技术用于酱油生产和酿酒，一直沿用至今，尽管大规模的发酵生产大多已采用液体通风发酵技术。自然通风制曲要求空气与固体培养基密切接触，以供霉菌繁殖和带走所产生的生物合成热。盘曲、帘子曲是最简单的固体发酵技术，这些发酵设备具有就地取材、上马快、投资省、推广易的特点，因而这种发酵适用于农村中小型生产。曲架、曲盘、帘子帘子曲用的帘子和盘曲用的曲盘以及放置帘子和曲盘的曲架见图。曲架可以用木材或毛竹制成，外表最好涂漆以防霉菌生长，曲盘可用竹木制成。常用浅盘尺寸有0.37m×0.54m×0.06m或1m×lm×0.06m等。大的曲盘没有底板，只有几根衬条，上铺竹帘、苇帘或柳条，或者干脆不用木盘，把帘子铺在架上，这扩大了固体培养基与空气的接触面，减少了老法的许多笨重操作，提高了曲的质量。帘子可用芦苇、竹或柳等编成(便于卷在一起进行蒸煮灭菌)。曲架、曲盘和帘子的尺寸可根据产量及曲室的大小并考虑操作方便来确定。自然通风的曲室设计要求如下：易于保温、散热、排除湿气以及清洁消毒等；曲室四周墙高3—4m，不开窗或开有少量的细窗口，四壁均用夹墙结构，中间填充保温材料；房顶向两边倾斜，使冷凝的汽水沿顶向两边下流，避免滴落在曲上；为方便散热和排湿气，房顶开有天窗。固体曲房的大小以一批曲料用一个曲房为准。曲房内设曲架，以木材或钢材制成，每层曲盘应占0.15—0.25m，最下面一层离地面约0.5m，曲架总高度取2m左右，以方便人工搬取或安放曲盘。2.机械通风固体曲发酵设备机械通风固体曲发酵设备与上述的自然通风固体发酵设备的不同主要是前者使用了机械通风即鼓风机，因而强化了发酵系统的通风，使曲层厚度大大增加，不仅使制曲生产效率大大提高，而且便于控制曲层发酵温度，提高了曲的质量。机械通风固体曲发酵设备1一输送带2一高位料斗3一送料小车4一曲料室5一进出料机6一料斗7一输送