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第五章发酵设备种子扩大培养培养基配制空气除菌培养基灭菌发酵生产下游处理发酵设备发酵的一般流程•第一节发酵设备概述•第二节通风发酵设备•第三节厌气发酵设备•第四节固体发酵设备第一节发酵设备概述一、基本概念•发酵设备是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。•广义的发酵罐是指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。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备。二、发展过程•1）1900年以前，木制容器造酒。•2）1900-1940，钢制发酵罐，开始使用空气分布器，机械搅拌开始应用。•3）1940-1960，青霉素，通风，无菌操作，纯培养等一系列技术开始应用，计算机用于发酵控制，产物分离纯化商业化。•4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3，出现压力循环和压力喷射型发酵罐，克服一些气体交换和热交换问题，计算机广泛应用。•5）1979-今，大规模细胞培养发酵罐，胰岛素、干扰素等基因工程产品商业化发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。三、发酵设备的类型固体发酵盘曲、帘曲——曲盘、帘子等，自然通风发酵池、窖、地缸——相对密闭不通风厚层通风制曲——曲箱，机械通风旋转培养——转鼓型发酵罐，机械通风液体发酵厌气发酵——厌气发酵罐，密闭不通风好气发酵密闭通风机械搅拌通风通风搅拌非循环式循环式通风式发酵罐自吸式发酵罐伍式发酵罐，内循环文式发酵罐，外循环非循环式循环式——空气带升式发酵罐鼓泡式发酵罐塔式发酵罐第二节通风发酵设备•机械搅拌通风发酵罐•气升式发酵罐•自吸式发酵罐•高位塔式发酵罐•通风发酵罐——又称好气性发酵罐，需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧。通入发酵液中的气泡越小，气泡与液体的接触面积就越大，液体中的氧的溶解速率也越快。•类型包括：机械搅拌式、自吸式、气升式、伍式、文氏罐等类型的发酵罐。一、机械搅拌发酵罐1、发酵罐的基本条件•机械搅拌发酵罐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、发酵所需的氧气。又称通用式发酵罐。6）、轴封应严密，尽量减少泄漏。1）、适宜的径高比。[高：直径约为2.5～4]2）、能承受一定的压力。[水压试验（1.5倍）]3）、搅拌通风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O2的利用率。4）、应具有足够的冷却面积。[代谢产热]5）、发酵罐内应抛光，尽量减少死角。[避免积污、染菌]2、发酵罐的基本要求：•发酵罐是一种圆柱形的容器，容量从几升到几百万升不等。•发酵罐应用广泛：可用于味精、柠檬酸、抗生素、酶制剂、氨基酸等的生产。•发酵罐上面连接有通气、搅拌、接种、加料、冷却、pH检测等装置。通用式发酵罐的主要部件•罐体•搅拌器•挡板•轴封•空气分布管•消泡器•冷却管（或夹套）•联轴器•中间轴承•人孔•管路等123456789101112131415161718192021温度计接口3、发酵罐的结构（1）罐体：•由圆柱体和椭圆形或碟形封头焊接而成。•材料为碳钢或不锈钢，且应有一定的承压能力，2.5kg/cm2。•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。•罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温度计管和测控仪表接口。封头封头切割（2）搅拌器：•作用：使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使氧溶解于发酵液中。•大型搅拌器一般做成两半型，用螺栓连成整体装配于搅拌轴上，便于拆卸。径向式（涡轮式）轴向式（推进式）平叶式、弯叶式和箭叶式螺旋桨式、浆叶式形式浆叶式螺旋桨式涡轮式搅拌器推进式搅拌器弯叶式箭叶式平叶式•径向式搅拌器——优点：气体分散能力强；——缺点：功耗较大,作用范围小。•轴向式搅拌器——优点：轴向混合性能较好，功耗低，作用范围大；——缺点：对气体的控制能力弱。怎么样实现高效搅拌？•通常采用径向式搅拌器和轴向式搅拌器组合实现高效搅拌混合和节能降耗。•对于组合形式，根据发酵罐一般是下部通气的特点，下层搅拌器选择径向式搅拌器，上层搅拌器采用轴向式搅拌器。（3）挡板•挡板的作用：——改变液流的方向，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。——防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。•竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用。•挡板与罐壁之间的距离：(1/5-1/8)D，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。挡板空气分布器（4）消泡器：•发酵液中含有蛋白质等发泡物质，通气搅拌是会产生气泡，发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，增加杂菌污染的机会。•消泡方法：化学法——天然油脂、聚醚类、高级醇类等。物理法——机械消泡装置，常用耙式消泡器。•消泡器的作用：将泡沫打破。•消泡器位于液面上10cm，长度约为0.65D。耙式消泡器（5）联轴器及轴承：•用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固的刚性联接。•为了减少震动，中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承。（6）空气分布装置•空气分布装置的作用：吹入无菌空气，使空气分布均匀。•形式：单管和环形管。•常用单管，简单实用，单次通入量较大。•环形管属于多孔管式，空气分布较均匀，但喷气孔容易被堵塞。通风管（7）轴封•定义：运动部件与静止部件之间的密封叫作轴封。如搅拌轴与罐盖或罐底之间。•作用：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。•形式：填料函和端面轴封两种。目前多用端面式轴封。（8）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效率较高，但加工，安装精度要求高。二、气升式发酵罐•气升式发酵罐也是应用最广泛的生物反应设备。•特点：结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低等。•类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。罐内或罐外装设上升管，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。原理：气升环流式反应器的特点：•反应溶液分布均匀；•较高的溶氧速率和溶氧效率；•剪切力小；•传热良好；•结构简单；•操作和维修方便。•自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。•与通用发酵罐的区别：有一个特殊的搅拌器，没有通气管。•缺点：罐为负压，易染菌；转速较大，会打碎丝状菌。三、自吸式发酵罐自吸式发酵罐的充气原理：•搅拌器由罐底向上伸入的主轴带动。•搅拌器是一个空心叶轮，旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气。吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。马达转子轴封四、高位塔式发酵罐H/D=7左右罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而形成循环。降液管下端的水平面与筛板之间的空间是气-液充分混合区。由于筛板对气泡的阻挡作用，使空气在罐内停留时间较长，同时在筛板上大气泡被重新分散，进而提高了氧的利用率。华北制药厂1000t青霉素发酵罐第三节厌气发酵设备•酒精发酵罐•啤酒发酵罐•满足酒精发酵的工艺要求:——满足酒精酵母生长和代谢的必要工艺条件。——将发酵产生的热量及时移走。•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。一、酒精发酵罐1、罐型酒精发酵罐筒体为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。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，罐身上下装有取样口和温度计接口。对于大型发酵罐，为了便于维修和清洗，在近罐底装有人孔。2、发酵的冷却装置•中小型发酵罐——多采用罐顶喷水淋于罐外表面进行膜状冷却；•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。•为了避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐底部沿罐体四周装有集水槽3、洗涤装置•组成及原理：由一根两头装有喷嘴的洒水管组成，两头的喷水管弯有一定的弧度，喷水管上均匀的钻有一定数量的小孔；喷水管安装时呈水平，借活接头和固定供水管相连接；借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力使其自动旋转。•过去由人工操作——劳动强度大，易中毒。•水力喷射装置——改善劳动强度，提高效率。•在水压不大的情况下，水力喷射强度和均匀度都不理想，以致洗涤不彻底。•采用高压强的水力喷射洗涤装置。•组成及原理：直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中央，在垂直喷水管上钻有小孔，孔与水平呈20°角，水平喷水管借活接头，上端与供水总管，下端与垂直分配管相连接。二、啤酒发酵罐（了解）•啤酒发酵设备的发展：1、木材→水泥→金属2、开放式→向密闭式3、方形→圆形卧式→立式圆筒锥底罐4、人工洗涤→CIP自动清洗系统一、啤酒前、后发酵设备1、前发酵设备•长、正方形•开放式、密闭式•控温：槽内控温、发酵室控温（降温、绝热）•室内CO2浓度应控制开放式前发酵槽2、后发酵槽•后发酵阶段：残糖继续发酵，饱和CO2，澄清、成熟•贮酒罐•卧式、立式•温度维持在0-2℃二、新型啤发酵设备•锥底：便于酵母沉淀回收•冷却套：分为2-3段，很大的罐可分为四段圆筒体锥底发酵罐三、CIP清洗系统第四节固体发酵设备（自学）固体发酵•微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称作为固体发酵。•固体发酵主要适合于霉菌。固体发酵的优缺点1、原料来源广，价格低廉。2、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。3、能耗低。4、固体发酵的产物回收—般步骤少，费用也省。•固体发酵存在的主要工程问题是大规模生产时的散热比较困难，参数检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等是很难实现的。因此，实现固体发酵的最优化困难重重。固体发酵设备1．浅盘式：国内广大农村的个体生产中，采用曲盘、帘子和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。2．旋转式：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，罐内的小固体颗粒会沿着罐壁滑动，达到散热和与空气接触之目的。3．厚层式：固体发酵床的底部为多孔筛板，风道倾斜形，可使平行流动的气流变成垂直流动。曲层厚度可以是300-350mm。无菌的压缩空气需调节好温度和湿度，空气的相对湿度一般为92％，空气风压常为200mmHg，这种装置的进出料和翻曲可以实现机械化和自动化，在工业生产上已有应用。填写下面发酵罐各部件名称