發(fā)酵生產設備課件

發(fā)酵生產設備發(fā)酵生產設備1內容第一節(jié)厭氧（嫌氣）發(fā)酵設備

第二節(jié)好氧（通風）發(fā)酵設備

第三節(jié)連續(xù)式發(fā)酵的設備系統第四節(jié)發(fā)酵設備的設計與放大

內容第一節(jié)厭氧（嫌氣）發(fā)酵設備2·在發(fā)酵工程中的地位和作用——發(fā)酵工程中的發(fā)酵生產設備主要是指發(fā)酵罐，發(fā)酵罐又稱生物反應器或生化反應器，它在發(fā)酵過程中占據中心地位，是現代生物技術產業(yè)化的關鍵設備?！l(fā)酵新技術和新產品的不斷涌現（如：高密度培養(yǎng)新技術和利用基因工程菌種發(fā)酵新產品），對發(fā)酵設備的要求越來越高?！恍┙徊鎸W科逐漸形成（如：化學工程和生物學交叉形成了生化工程學科；生物學、化學和工程學交叉形成了生物技術學科）對發(fā)酵設備的放大、發(fā)酵罐的研制及發(fā)酵過程的控制起著巨大的推動作用。·在發(fā)酵工程中的地位和作用3·歷史與發(fā)展——20世紀初，出現了200m3的鋼質發(fā)酵罐，在面包酵母發(fā)酵中開始使用空氣分布器和機械攪拌裝置。——1944年，第一個大規(guī)模工業(yè)化生產青霉素的工廠投產，發(fā)酵罐體積54m3，標志著發(fā)酵工業(yè)進入一個新的階段?！S后，機械攪拌、通氣、無菌操作、純種培養(yǎng)等一系列技術逐漸完善起來，并出現了耐高溫在線連續(xù)測定的pH電極和溶氧電極，開始利用計算機進行發(fā)酵過程控制。——1960～1979年，機械攪拌通氣發(fā)酵罐的容積增大到80～150m3，由于大規(guī)模生產單細胞蛋白的需要，出現了壓力循環(huán)和壓力噴射型發(fā)酵罐，計算機開始在發(fā)酵工業(yè)中得到廣泛應用?！v史與發(fā)展4——1979年后，隨著生物工程技術的迅猛發(fā)展，大規(guī)模細胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應運而生。胰島素、干擾素等基因工程的產品商品化，對發(fā)酵罐的嚴密性、運行可靠性的要求越來越高。發(fā)酵過程的計算機控制和自動化應用已十分普遍。pH電極、溶氧電極、溶解C02電極等在線檢測在國外已相當成熟。——實驗室研究型發(fā)酵罐一般為1～50L，其中1.2～10L的實驗室小型發(fā)酵罐可由玻璃制成。10L以上發(fā)酵罐由不銹鋼材料制成?！性囈?guī)模發(fā)酵罐一般50～5000L。生產規(guī)模發(fā)酵罐趨于大型化（如：廢水處理2700m3，單細胞蛋白1500m3，啤酒600m3，檸檬酸200m3）。——1979年后，隨著生物工程技術的迅猛發(fā)展，大規(guī)模細胞培養(yǎng)5

歷史與發(fā)展

第一階段:1900年以前，是現代發(fā)酵罐的雛形，它帶有簡單的溫度和熱交換儀器。第二階段:1900-1940年，出現了200m3的鋼制發(fā)酵罐，在面包酵母發(fā)酵罐中開始使用空氣分布器，機械攪拌開始用在小型的發(fā)酵罐中。第三階段:1940-1960年，機械攪拌、通風，無菌操作和純種培養(yǎng)等一系列技術開始完善，發(fā)酵工藝過程的參數檢測和控制方面已出現，耐蒸汽滅菌的在線連續(xù)測定的pH電極和溶氧電極，計算機開始進行發(fā)酵過程的控制。發(fā)酵產品的分離和純化設備逐步實現商品化。歷史與發(fā)展第一階段:1900年以前，是現代發(fā)酵罐的雛形，6第四階段：1960-1979年，機械攪拌通風發(fā)酵罐的容積增大到80-150m3。由于大規(guī)模生產單細胞蛋白的需要，又出現了壓力循環(huán)和壓力噴射型的發(fā)酵罐，它可以克服一些氣體交換和熱交換問題。計算機開始在發(fā)酵工業(yè)上得到廣泛應用。第五階段：1979年至今。生物工程和技術的迅猛發(fā)展，給發(fā)酵工業(yè)提出了新的課題。于是，大規(guī)模細胞培養(yǎng)發(fā)酵罐應運而生，胰島素，干擾素等基因工程的產品走上商品化。第四階段：1960-1979年，機械攪拌通風發(fā)酵罐的容積增大7·設備類型——根據菌種生理特性：——根據發(fā)酵培養(yǎng)基性質：——根據發(fā)酵培養(yǎng)基厚度：——根據工藝操作：厭氧（嫌氣）發(fā)酵設備；好氧（通風）發(fā)酵設備。固體發(fā)酵設備；液體發(fā)酵設備。淺層發(fā)酵設備；深層發(fā)酵設備。分批式發(fā)酵設備；連續(xù)式發(fā)酵設備?！ぴO備類型厭氧（嫌氣）發(fā)酵設備；固體發(fā)酵設備；8

其中，好氧液體深層發(fā)酵設備在發(fā)酵工業(yè)中應用最多、最廣泛。在好氧液體深層發(fā)酵設備中，又有機械攪拌通風發(fā)酵設備（包括：循環(huán)式的伍式發(fā)酵罐和文氏管發(fā)酵罐、非循環(huán)式的通風式發(fā)酵罐和自吸式發(fā)酵罐）和非機械攪拌通風發(fā)酵設備（包括：循環(huán)式的氣提式發(fā)酵罐和液體式發(fā)酵罐、非循環(huán)式的排管式發(fā)酵罐和噴射式發(fā)酵罐）。目前，最新型的超濾式發(fā)酵罐已開始在發(fā)酵工業(yè)中嶄露頭角，即成熟的發(fā)酵液通過一個超濾膜，使產物通過膜系統進行分離提取，酶可以通過管道返回發(fā)酵罐繼續(xù)發(fā)酵，新鮮培養(yǎng)基可以連續(xù)加入罐內。

其中，好氧液體深層發(fā)酵設備在發(fā)酵工業(yè)中9第一節(jié)厭氧（嫌氣）發(fā)酵設備一.厭氧（嫌氣）固體發(fā)酵設備

二.厭氧（嫌氣）液體發(fā)酵設備

第一節(jié)厭氧（嫌氣）發(fā)酵設備一.厭氧（嫌氣）固體發(fā)酵設備10一.厭氧固體發(fā)酵設備

我國傳統發(fā)酵工業(yè)中的白酒和黃酒的釀造均采用厭氧固體發(fā)酵法，工藝獨特，其主要設施設備包括：發(fā)酵室、發(fā)酵槽（池）或發(fā)酵缸。一.厭氧固體發(fā)酵設備11二.厭氧液體發(fā)酵設備（一）酒精發(fā)酵設備

·酒精發(fā)酵設備的變遷過程——材料由木桶→鋼筋水泥發(fā)酵池（槽）→碳鋼發(fā)酵罐（內刷防腐涂料）→不銹鋼發(fā)酵罐。——發(fā)酵容器由開放式→密閉式。——密閉式的發(fā)酵容器由立式圓柱碟形發(fā)酵罐→立式圓柱錐形發(fā)酵罐→立式圓柱斜底形發(fā)酵罐→臥式圓柱形發(fā)酵罐?！げ煌?guī)模的生產企業(yè)采用的不同酒精發(fā)酵設備——中小型酒精生產企業(yè)一般采用傳統的500m3以下的立式圓柱碟形或錐形發(fā)酵罐?！笮途凭a企業(yè)一般采用新型的500m3以上的立式圓柱斜底形發(fā)酵罐。500m3以上的發(fā)酵罐是20世紀90年代之后才逐漸發(fā)展起來的。目前，美國最大的立式圓柱斜底形發(fā)酵罐，容積已達4200m3。而臥式圓柱形發(fā)酵罐正在推廣應用之中。二.厭氧液體發(fā)酵設備（一）酒精發(fā)酵設備121.傳統的酒精發(fā)酵設備——立式圓柱碟形或錐形發(fā)酵罐（如圖6-1-1）

·形狀結構：——罐體為圓柱形，頂蓋和底蓋為弧形或錐形，圓柱體徑高比為1:2～2.5?！诰凭l(fā)酵過程中，為了回收CO2及其所帶出的部分酒精，發(fā)酵罐宜采用密閉式。——罐頂裝有人孔窺鏡7、CO2回收管4、進料管和接種管6、壓力表3、噴淋洗滌水入口5等?！薜籽b有發(fā)酵液和污水排出口12、噴淋水收集槽10和噴淋水出口11?！奚砩稀⑾虏垦b有取樣口2和溫度計接口9。——對于大型發(fā)酵罐，為了便于維修和清洗，往往在近罐底裝有人孔。圖6-1-1酒精發(fā)酵罐1-冷卻水入口；2-取樣口；3-壓力表；4-CO2氣體出口;5-噴淋水入口；6-料液及酒母入口；7-人孔；8-冷卻水出口；9-溫度計；10-噴淋水收集槽；11-噴淋水出口；12-發(fā)酵液及污水排出口1.傳統的酒精發(fā)酵設備圖6-1-1酒精發(fā)酵罐13

·發(fā)酵罐的冷卻裝置——對于中小型發(fā)酵罐，多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進行膜狀冷卻?！獙τ诖笮桶l(fā)酵罐，罐內裝有冷卻蛇管或罐內蛇管和罐外壁噴灑聯合冷卻裝置。蛇管冷卻面積≥0.25m2/m3發(fā)酵醪液。

——為了避免發(fā)酵車間的潮濕和積水，要求在罐體底部和罐體四周裝有集水槽。

圖6-1-1酒精發(fā)酵罐1-冷卻水入口；2-取樣口；3-壓力表；4-CO2氣體出口;5-噴淋水入口；6-料液及酒母入口；7-人孔；8-冷卻水出口；9-溫度計；10-噴淋水收集槽；11-噴淋水出口；12-發(fā)酵液及污水排出口·發(fā)酵罐的冷卻裝置圖6-1-1酒精發(fā)酵罐14·發(fā)酵罐的洗滌（如圖6-1-2、圖6-1-3）——近年來，已逐漸采用水力噴淋洗滌裝置，從而減少了勞動強度，提高了生產效率?！娏芟礈炱魇且桓绷⒌膰娝埽剌S方向安裝于罐的中央，在垂直噴水管上按一定間距均勻鉆有φ4～6mm的小孔，孔與水平呈20°角?！絿娝芙柚诨罱宇^上端和噴水總管相連，洗滌水壓為0.6～0.8Mpa。水流在較高的壓力下，由水平噴水管出口處噴出，使其以48～56r/min的速度自動旋轉，并以極大的速度噴射到罐壁各處。而垂直噴水管也以同樣的水流速度噴射到罐體四壁和罐底。因此，在5分鐘內就可完成洗滌作業(yè)?！ぐl(fā)酵罐的洗滌（如圖6-1-2、圖6-1-3）15圖6-1-2水力噴淋洗滌器

圖6-1-3水力噴淋洗滌裝置

圖6-1-2水力噴淋洗滌器圖6-1-3水力噴淋洗滌162.現代大型酒精發(fā)酵設備

——立式圓柱斜底形發(fā)酵罐（如圖6-1-4）

·形狀結構——罐身呈圓柱形，罐底斜面與水平面成5～12°，罐的徑高比為1:1，罐容量可達3000～4200m3

?！尥庠O有冷卻水夾層、保溫層和發(fā)酵醪液的循環(huán)裝置；罐內設有CIP（CleanInPlace）原位清洗自動控制系統；罐頂為碟形或錐形，設有醪液入口、試鏡、CO2排出口、CIP清洗液入口；罐底設有醪液入口和攪拌裝置。圖6-1-4立式圓柱斜底形發(fā)酵罐2.現代大型酒精發(fā)酵設備圖6-1-4立式圓柱斜底形17

·特點與傳統的圓柱碟形或錐形發(fā)酵罐相比，具有以下優(yōu)點：——容量大，可達3000～4200m3

。

——采用新型體外換熱方法與設備，例如采用薄板冷卻器通過體外循環(huán)方式進行換熱，以維持正常的發(fā)酵溫度?！獰o需高溫蒸汽消毒滅菌，而是采用CIP（CleanInPlace）原位清洗自動控制系統，即堿洗、酸洗、清水洗滌即可，可節(jié)約大量能源?！ㄙM用降低?！ぬ攸c18（二）丙酮—丁醇發(fā)酵罐·丙酮—丁醇發(fā)酵罐與酒精發(fā)酵罐類似，但比酒精發(fā)酵罐高，罐身需要耐高壓，罐壁較厚，用鋼板制成?！び捎跍缇筝^高，頂蓋和底部采用球形封頭，罐內表面平整光滑?！げ捎帽砻鎳娏芾鋮s。（二）丙酮—丁醇發(fā)酵罐19（三）啤酒發(fā)酵設備

·啤酒發(fā)酵設備的變遷過程——材料由木桶→鋼筋水泥發(fā)酵池（槽）→碳鋼發(fā)酵罐（內刷防腐涂料）→不銹鋼發(fā)酵罐?！l(fā)酵容器由開放式→密閉式?！荛]式的發(fā)酵容器由開放式發(fā)酵池（槽）上覆蓋弓形蓋→金屬臥式圓柱形密閉式發(fā)酵罐→立式大型露天圓柱椎底形密閉式發(fā)酵罐?！げ煌?guī)模的生產企業(yè)采用的不同啤酒發(fā)酵設備——中小型啤酒生產企業(yè)一般采用傳統啤酒發(fā)酵設備，即前發(fā)酵采用開放式的內刷防腐涂料的鋼筋水泥池（槽），而后發(fā)酵采用立式或臥式的內刷防腐涂料的碳鋼密閉貯酒灌。——大型啤酒生產企業(yè)一般采用現代啤酒發(fā)酵設備，即立式大型露天圓柱椎底形密閉不銹鋼發(fā)酵罐，進行一罐法發(fā)酵。（三）啤酒發(fā)酵設備20·啤酒發(fā)酵設備由傳統型到現代型變遷中遇到的問題及對策——去掉發(fā)酵醪泡蓋問題發(fā)酵醪泡蓋系指前發(fā)酵結束后由CO2帶到發(fā)酵醪表面的由酒花樹脂、死酵母、多酚物質和CO2組成的一種褐色粘稠狀的物質。如果前發(fā)酵結束后，不及時撇去泡蓋，則對酒體風味產生嚴重不利影響。傳統啤酒發(fā)酵由于采用開放式的內刷防腐涂料的鋼筋水泥池（槽），所以，撇去泡蓋很容易。而現代啤酒發(fā)酵由于采用立式大型露天圓柱椎底形密閉不銹鋼發(fā)酵罐，很難撇去泡蓋。一般采用虹吸法撇去泡蓋?！逑礈缇鷨栴}啤酒發(fā)酵由于采用立式大型露天圓柱椎底形密閉不銹鋼發(fā)酵罐，進行一罐法發(fā)酵，目前大都采用CIP（CleanInPlace）自動系統進行原位自動清洗和滅菌?！て【瓢l(fā)酵設備由傳統型到現代型變遷中遇到的問題及對策211.啤酒發(fā)酵的傳統設施與設備

——前發(fā)酵池（槽）與前發(fā)酵室、后發(fā)酵罐與后發(fā)酵室（1）前發(fā)酵池（槽）與前發(fā)酵室①前發(fā)酵池（槽）（如圖6-1-5）

·傳統的前發(fā)酵池（槽）均置于發(fā)酵室內，大多為開口式，少數為密閉式.

·最常見的是鋼筋混凝土制成的水泥池（槽）。形狀為長方形和正方形。池（槽）內涂刷不飽和樹脂、瀝青石蠟或環(huán)氧樹脂作為防腐層。

·池（槽）底略有傾斜，以利排出酒液、酵母和廢水。池（槽）一側設有嫩啤酒出酒閥，高出池（槽）底10～15cm，其高度可調節(jié)，以阻擋沉降酵母進入后發(fā)酵罐；待嫩啤酒進入后發(fā)酵罐后，可拆去出口管頭，可進行酵母回收。

·為了維持發(fā)酵池（槽）內醪液的低溫，在池（槽）中裝有冷卻蛇管或排管，冷卻面積一般為0.2m2/m3發(fā)酵液，蛇管或排管中通入0～2℃的冰水。除了在發(fā)酵池（槽）內裝有冷卻蛇管或排管之外，還需在發(fā)酵室內配置冷卻排管或空調裝置，使室內維持工藝要求的溫度和濕度。1.啤酒發(fā)酵的傳統設施與設備22圖6-1-5前發(fā)酵池（槽）1-發(fā)酵池（槽）體；2-冷卻水管；3-出酒閥圖6-1-5前發(fā)酵池（槽）23②前發(fā)酵室（如圖6-1-6，圖6-1-7）

·發(fā)酵室應具有良好的供排風系統和冷風循環(huán)系統?！獙τ陂_口式發(fā)酵池（槽）的發(fā)酵室，室內不能積聚高濃度的CO2，否則危害人體健康。所以，一般采用供排風系統和空調設備，不斷在室內補充10%的新鮮空氣，并排出CO2氣體，同時進行冷風循環(huán)。既控制了室內CO2濃度，又保證了室內低溫的工藝要求?！獙τ诿荛]式發(fā)酵池（槽）的發(fā)酵室，室內也設置供排風系統和空調設備，除了補充新鮮空氣并排出CO2之外，主要進行冷風循環(huán)，保證室內低溫的工藝要求。②前發(fā)酵室（如圖6-1-6，圖6-1-7）24圖6-1-6前發(fā)酵室的供排風系統1-風機；2-空調室；3-前發(fā)酵池；4-冷空氣通道;5-氣流方向控制閥門；6-排風口；7-保溫墻；8-操作臺通道

圖6-1-7前發(fā)酵室的冷風循環(huán)系統1-風機；2-空調室；3-前發(fā)酵池；4-冷空氣通道;5-氣流方向控制閥門；6-排風口；7-保溫墻；8-操作臺通道圖6-1-6前發(fā)酵室的供排風系統圖6-1-7前發(fā)酵室25·發(fā)酵室四周墻壁和頂棚應有較好的絕熱結構，

絕緣厚度≥5cm。·室內四周墻壁及發(fā)酵池（槽）外壁鋪砌白瓷磚或紅缸磚，再涂以暗淡的油漆?！な覂鹊孛嫱ǖ烙梅阑纱u鋪設，并有一定斜度，便于廢水排出?！ろ斉锍蕛A斜或光滑弧面，避免冷卻水滴入發(fā)酵池（槽）中?！な覂瓤照{不宜太高，單位體積發(fā)酵池（槽）應盡可能最大，以節(jié)省冷耗?！ぐl(fā)酵室四周墻壁和頂棚應有較好的絕熱結構，絕緣厚度≥5cm26

（2）后發(fā)酵罐與后發(fā)酵室①后發(fā)酵罐（如圖6-1-8）·又稱貯酒灌，該設備主要完成嫩啤酒的繼續(xù)發(fā)酵，并飽和CO2，促進啤酒的穩(wěn)定、澄清和成熟?！ひ话悴捎肁3碳鋼板材料制成的金屬圓筒形的密閉罐，內刷防腐涂料。·有立式和臥式兩種形式，大多采用臥式?！び捎诤蟀l(fā)酵的品溫由室溫控制，因此，后發(fā)酵罐內無需再安裝冷卻蛇管。·由于發(fā)酵過程中需要飽和CO2，所以，后發(fā)酵罐應耐壓0.1～0.2MPa?！す奚硌b有人孔、取樣閥、液位計、進出啤酒接口、CO2放氣閥、壓縮空氣接口、溫度計、壓力表、安全閥等?！じ鶕に囈?，后發(fā)酵室要比前發(fā)酵室維持更低的發(fā)酵溫度，一般為0～2℃，后發(fā)酵產生的發(fā)酵熱借助室內低溫將其帶走。因此，貯酒室的建筑結構和保溫要求均不能低于前發(fā)酵室；而且需要安裝冷卻排管或安裝空調進行冷風循環(huán)。（2）后發(fā)酵罐與后發(fā)酵室27圖6-1-8后發(fā)酵罐

A.臥式

1-人孔；2-連通接頭（排CO2等）；3-取樣旋塞；4-啤酒放出閥；

5-壓力表和安全閥B.立式

1-壓力調節(jié)裝置；2-取樣口；

3-人孔口；4-啤酒放出口

圖6-1-8后發(fā)酵罐A.臥式B.立式28②后發(fā)酵室·又稱貯酒室。根據工藝要求，后發(fā)酵室要比前發(fā)酵室維持更低的發(fā)酵溫度，一般為0～2℃。因此，貯酒室的建筑結構和保溫要求均不能低于前發(fā)酵室；而且需要安轉冷卻排管或安裝空調進行冷風循環(huán)?！つ壳埃冗M的啤酒生產企業(yè)均將后發(fā)酵罐全部放置在隔熱的后發(fā)酵室內，維持一定的后發(fā)酵溫度。毗鄰的后發(fā)酵室外建有絕熱保溫的操作通道，通道內保持常溫，開啟發(fā)酵罐的管道和閥門都接通至通道里，在通道內進行后發(fā)酵的調節(jié)和操作。后發(fā)酵室和通道相隔的墻壁上開有玻璃窺鏡窗，以觀察后發(fā)酵室的情況。②后發(fā)酵室292.啤酒發(fā)酵的現代設備

——立式大型露天圓柱椎底形密閉不銹鋼發(fā)酵罐（如圖6-1-9）

·形狀結構——發(fā)酵罐用不銹鋼制成，置于室外?！奚沓蕡A柱形，罐底呈圓錐狀，罐的錐體高度為總高度的1/3～1/4，錐角70°～75°，罐的徑高比為1:3，罐容量60m3～600m3，工作壓力0.07Mpa。——灌頂和罐身均裝有人孔，便于觀察和維修。灌頂裝有壓力表、安全閥、玻璃試鏡、CO2排出口、加壓及真空裝置；罐內上部安裝洗滌球，罐身外部裝有取樣管、溫度計以及2～4段冷卻夾套和盤管，內通乙二醇或酒精或液氨冷卻。罐底裝有凈化的CO2充氣管，以在后發(fā)酵中進行CO2的飽和。錐底部設有一段冷卻夾套和盤管，利于發(fā)酵后酵母的沉積。整個罐體外部包扎聚氨酯泡沫塑料保溫。

2.啤酒發(fā)酵的現代設備30圖6-1-9大型露天啤酒發(fā)酵罐1-CO2排出口；2-洗滌管；3-冷卻夾套；4-加壓裝置；5-人孔；6-發(fā)酵液面；7-冷卻劑進口；8-冷凍劑出口；9-溫度控制器；10-溫度計；11-取樣口；12-麥汁管；13-嫩啤酒管路；14-酵母排出；15-洗滌劑管路圖6-1-9大型露天啤酒發(fā)酵罐31發(fā)酵生產設備課件32·特點——錐底具有一段冷卻夾套和盤管，便于前發(fā)酵結束后酵母的沉降和回收。——罐體具有2～4段冷卻夾套和盤管，可滿足發(fā)酵降溫需要?！摅w本身為密閉罐，可進行CO2的洗滌和回收。——發(fā)酵過程中由于罐的高度而產生CO2梯度，可形成發(fā)酵液自上而下或自下而上的對流?！瓤勺鳛榘l(fā)酵罐，又可作為貯酒灌；前酵和后酵可在一罐中進行，防止了傳統工藝中前酵至后酵的CO2損失，也避免了傳統工藝中前發(fā)酵至后發(fā)酵與氧接觸后雙乙酰的回升，加速了啤酒的成熟?！薜那逑?、消毒均可采用CIP（CleanInPlace）原位清洗自動控制系統?！ぬ攸c33第二節(jié)好氧（通風）發(fā)酵設備一.好氧（通風）固體發(fā)酵設備

（一）好氧固體淺層發(fā)酵設備（二）好氧固體深層發(fā)酵設備二.好氧（通風）液體發(fā)酵設備（一）好氧液體淺層發(fā)酵設備（二）好氧液體深層發(fā)酵設備

第二節(jié)好氧（通風）發(fā)酵設備一.好氧（通風）固體發(fā)酵設備34一.好氧固體發(fā)酵設備·好氧固體發(fā)酵的特點：——原料不經過復雜加工；發(fā)酵過程中，糖化與發(fā)酵同步進行，簡化了工藝操作，節(jié)約了能源?！m合某些對水活度要求較低的微生物的發(fā)酵，也使發(fā)酵微生物保持了自然生長狀態(tài)，這也是許多絲狀真菌適宜采用好氧固體發(fā)酵的原因之一?！獙τ诶w維素酶、果膠酶、白僵菌、綠僵菌、蘇云金芽孢桿菌、真菌毒素、脫落酸等，好氧固體發(fā)酵的產率比好氧液體深層發(fā)酵高得多。此外，像果膠酶、白僵菌的分生孢子不能在液體中繁殖，只適宜好氧固體發(fā)酵。一.好氧固體發(fā)酵設備·好氧固體發(fā)酵的特點：35——由于高濃度底物發(fā)酵可產生高濃度產物，所以產物的分離提取工藝簡單可控。甚至許多好氧固體發(fā)酵產品無需分離提取，可直接烘干。既便于發(fā)酵產品的保藏運輸，又無大量有機廢液的產生，可減少環(huán)境污染?！诤醚豕腆w發(fā)酵中，無菌壓縮空氣通過固體層的阻力比通過液體層的阻力小，可節(jié)省耗能?！捎诖嬖诿黠@的氣、液、固三相液面，可獲得好氧液體發(fā)酵難以得到的發(fā)酵產物?！捎诟邼舛鹊孜锇l(fā)酵可產生高濃度產物，所以產物的分離提取工36·實現大規(guī)模工業(yè)化好氧固體發(fā)酵需要解決的問題

目前，限制大規(guī)模工業(yè)化好氧固體發(fā)酵的重要因素，就是缺乏成熟適用的反應器，這已成為一個世界性難題，需要解決的問題如下：——缺少好氧固體發(fā)酵反應器設計和放大的統一準則。——對適合固態(tài)發(fā)酵菌種的高產基因及其生物學特性仍知之甚少?！鄙俸醚豕腆w發(fā)酵完善的動力學模型?！狈ν晟频淖詣涌刂坪蜋z測手段?！S多生物過程的資料太少?！鄶岛醚豕虘B(tài)發(fā)酵反應器的設計與放大以及發(fā)酵控制通常只考慮宏觀提供的最適條件（如：最適溫度、最適pH值、最適通氣量、最適含水量等），具有很大的局限性?！崿F大規(guī)模工業(yè)化好氧固體發(fā)酵需要解決的問題37·研制新型好氧固體發(fā)酵反應器是今后發(fā)酵工程的方向——現代發(fā)酵工程的發(fā)展方向是高濃度、高粘度發(fā)酵過程，而高濃度、高粘度發(fā)酵過程的極限就是固體發(fā)酵?！诤醚豕腆w發(fā)酵中，由于氧的濃度梯度很大，致使發(fā)酵微生物存在生長、對營養(yǎng)物質的吸收和代謝產物的分泌的不均勻現象?！兄菩滦透咝柩趿康墓腆w發(fā)酵反應器是今后發(fā)酵工程的研究方向?！ぱ兄菩滦秃醚豕腆w發(fā)酵反應器是今后發(fā)酵工程的方向38

（一）好氧固體淺層發(fā)酵設備

1.傳統的好氧固體淺層發(fā)酵設施與設備

——自然通風固體淺層發(fā)酵設施與設備·設施與設備：包括：種曲室、曲盤或竹匾、種曲培養(yǎng)工具等設施與設備。

[已在“第四章發(fā)酵菌種及其擴大培養(yǎng)”——“五.（一）”中介紹]·應用：是傳統發(fā)酵工業(yè)中制備種曲的設施與設備?！ぬ攸c：采用這種傳統的好氧固體淺層發(fā)酵設備進行生產，勞動強度高，易污染雜菌，發(fā)酵過程不易控制，占用面積大。（一）好氧固體淺層發(fā)酵設備39

2.新型的好氧固體淺層發(fā)酵設備

——空氣循環(huán)密閉箱式淺盤發(fā)酵反應器（如圖6-2-1）·結構：類似于增加了空氣循環(huán)的放大的密閉式生化培養(yǎng)箱?！茫阂褢糜谏a，可較大規(guī)模生產如酶制劑、酒曲、醬油、食用菌、飼料添加劑等?！ぬ攸c：——料層薄，發(fā)酵過程通入調溫調濕的空氣，溫濕度易控制，不易污染雜菌。——占用面積較大。2.新型的好氧固體淺層發(fā)酵設備40圖6-2-1空氣循環(huán)密閉箱式淺盤發(fā)酵反應器1-淺盤室；2-水壓閥；3-紫外光管；4，8，13-空氣閥門；5，11-空氣過濾器；6-排氣口；7-調濕器；9-加熱器；10-空氣外循環(huán)管；12-進氣口；14-淺盤；15-淺盤架圖6-2-1空氣循環(huán)密閉箱式淺盤發(fā)酵反應器41（二）好氧固體深層發(fā)酵設備

1.傳統的好氧固體深層發(fā)酵設施與設備

（1）機械攪拌通風制曲池與制曲室（2）機械攪拌通風圓盤式制曲機與制曲室

2.新型的好氧固體深層發(fā)酵設施與設備（1）固定床固體發(fā)酵反應器

①一般的固定床固體發(fā)酵反應器

②新型的固定床固體發(fā)酵反應器（2）流化床固體發(fā)酵反應器（3）轉鼓式固體發(fā)酵反應器（4）掛盤式固體發(fā)酵反應器（5）攪拌式固體發(fā)酵反應器（6）壓力脈動固體發(fā)酵反應器（7）吸附載體固體發(fā)酵反應器（二）好氧固體深層發(fā)酵設備42

（二）好氧固體深層發(fā)酵設備

1.傳統的好氧固體深層發(fā)酵設施與設備（1）機械攪拌通風制曲池與制曲室

機械攪拌通風制曲池與制曲室是傳統發(fā)酵工業(yè)中制備生產用曲的設備與設施。

[已在“第四章發(fā)酵菌種及其擴大培養(yǎng)”——“五.（二）”中介紹]

（2）機械攪拌通風圓盤式制曲機與制曲室（如圖6-2-2）機械攪拌通風圓盤式制曲機與制曲室也是傳統發(fā)酵工業(yè)中制備生產用曲的設備與設施。它與機械攪拌通風制曲池與制曲室很相似，只是將制曲池改為圓盤式制曲機。

（二）好氧固體深層發(fā)酵設備43圖6-2-2機械攪拌通風圓盤式制曲機與制曲室1-曲室；2-圓盤培養(yǎng)床面；3-圓盤回轉驅動；4-翻曲裝置；5-出入曲裝置；6-操作盤；7-空調器；8-送風機；9-風調截門；10-控制盤；11-進氣口及空氣過濾器圖6-2-2機械攪拌通風圓盤式制曲機與制曲室44

2.新型的好氧固體深層發(fā)酵設施與設備目前，已有多種新型好氧固體深層發(fā)酵設備問世，分類方法也很多，但一般認為，有以下幾種：

（1）固定床固體發(fā)酵反應器

①一般的固定床固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-3）

·形狀結構：器身為圓柱形，兩頭為碟形。內部安裝隔板式篩板作為床架。底部有進風口，上部排風口?！ぬ攸c：——結構簡單，操作風險小，是好氧固體發(fā)酵常用的反應器?！S向溫度梯度的影響大于徑向溫度梯度，軸向溫度梯度在帶走大部分發(fā)酵熱的同時，也使基質表面干燥而影響發(fā)酵。一般通過通入調溫調濕的空氣或在床層中間加間隔冷凝板等措施，以增加濕度或改善熱傳遞?！茫撼Ｓ糜诶w維素酶、淀粉酶、單細胞蛋白、乙醇、醬油等發(fā)酵生產。2.新型的好氧固體深層發(fā)酵設施與設備45

圖6-2-3固定床固體發(fā)酵反應器形態(tài)圖圖6-2-3固定床固體發(fā)酵反應器形態(tài)圖46②新型的固定床固體發(fā)酵反應器·結構及工作原理——投料前先進行空罐滅菌?；|固體物料從發(fā)酵罐頂部入料孔進入發(fā)酵罐底下第一層；然后翻起第二層堆料板，加第二層料，按此步驟進行加料?！恿虾筮M行蒸煮、滅菌。——基質固體物料降溫通過發(fā)酵罐的內蛇管、外夾套冷卻水及罐底壓入無菌空氣，從罐頂排出。以達到降溫、恒溫要求?！繉游锪隙佳b有機械攪拌器，通過軸向攪拌，使物料上下翻動均勻?！尥饷繉佣荚O有視鏡、無菌取樣口、罐內堆料板、攪拌器，均可拆卸，維護保養(yǎng)十分方便。②新型的固定床固體發(fā)酵反應器47·特點——占地面積小、自動化程度高、生產能力大、易于監(jiān)測和控制

。——基質固體物料可在發(fā)酵罐內進行蒸煮、滅菌、降溫操作，更重要的是實現了罐內接種、罐內噴淋加濕、自動翻料、溫濕度自動檢測顯示、自動進出料等自動控制操作過程

。——可在常溫常壓下工作，利用夾套、內蛇管、無菌空氣進行加熱和冷卻?！捎诨|固體物料在密閉條件下進行發(fā)酵，進入罐內的空氣、水都通過滅菌處理，徹底解決了雜菌污染的危險，保證了產品質量?！獙μ岣叩孜镛D化率、生產效率、降低能耗提供了保障，具有獨特的節(jié)能、高效、穩(wěn)定、應用范圍廣、無“三廢”排放等優(yōu)點?！ぬ攸c48·應用——可用于菌體蛋白、紅曲、纖維素酶、淀粉酶、乙醇、四環(huán)素、赤霉酸、醋曲、醬曲、生物制藥（包括生物農藥）、飼料和菜籽餅固態(tài)發(fā)酵脫酶等發(fā)酵生產。而且還可利用液態(tài)發(fā)酵難以利用的原料

?！壳?，國內已有0.5～10m3規(guī)格的立式多層固定床固體發(fā)酵罐出售?！?9（2）流化床固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-4）·形狀結構：器身為喇叭筒狀。在反應器中，通過向上流動的氣流使固體基質顆粒呈流動狀態(tài)（流化態(tài)）?！ぬ攸c：——固體基質顆?？膳c空氣充分接觸?！菀卓刂乒┝?、供水、溫度和pH值，固體基質顆粒所處條件穩(wěn)定均一?！子趯崿F供氧和傳熱?！僮鞯碾y易主要取決于固體基質顆粒大小?！獰o菌空氣用量大，能耗高；難于工程放大?！茫撼Ｓ糜趩渭毎鞍椎陌l(fā)酵生產。（2）流化床固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-4）50圖6-2-4流化床固體發(fā)酵反應器圖6-2-4流化床固體發(fā)酵反應器51（3）轉鼓式固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-5）·形狀結構：系將一個臥式水平或略帶傾斜的圓柱形（鼓形）固體發(fā)酵反應器安裝在轉動系統上；固體基質顆粒體積占鼓形反應器體積的10～40%；在培養(yǎng)與發(fā)酵過程中，鼓形反應器以低速（2～16r/min）間歇或連續(xù)旋轉，器內固體培養(yǎng)物沿器壁滑動，達到散熱并與空氣接觸的目的；同時還可通入經過調溫調濕的空氣，利于控制發(fā)酵條件

?！ぬ攸c：——可有效防止菌絲體與反應器粘連?！w所處環(huán)境條件穩(wěn)定均一?！诠┭?、傳熱

?！詣踊潭容^高

。——機械部件多，易染菌；菌絲體易受傷，易結塊?！茫撼Ｓ糜诶w維素酶和半纖維素酶的發(fā)酵生產。（3）轉鼓式固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-5）52圖6-2-5轉鼓式固體發(fā)酵反應器圖6-2-5轉鼓式固體發(fā)酵反應器53（4）掛盤式固體發(fā)酵反應器·形狀結構：掛盤式固體反應器也可稱為傳送帶式固體反應器，一般是將接種后的固體基質顆粒分裝入無菌的底部具多孔的金屬盤中；懸掛在空中吊車可移動的梁上，并在有無菌空氣吹入的培養(yǎng)隧道中緩慢移動；在適宜溫度下培養(yǎng)發(fā)酵至成熟。

·特點：——盤中接種后的固體基質顆?？奢喠魈幱谛迈r空氣中，菌絲不易受損?！獧C械化程度高，但溫度不易控制，投資較大。

·應用：常用于生物殺蟲劑的發(fā)酵生產。（4）掛盤式固體發(fā)酵反應器54（5）攪拌式固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-6

）·形狀結構：分為立式和臥式2種形式；反應器主體靜止不動，而反應器內的攪拌器使發(fā)酵過程中的固體基質顆粒處于間歇或連續(xù)運動狀態(tài)；在反應器的一端設有空氣進、出口（以及加料和取樣口）；由于固體基質顆粒的特性，對攪拌漿葉的設計有特殊要求。

·特點：——利于供氧、傳熱

?！子诒３止腆w培養(yǎng)基物性的均一性

?！子诳刂茰亍穸群土骷訝I養(yǎng)鹽。

——菌絲體易受傷，易成團結塊。·應用：常用于單細胞蛋白、酶和生物殺蟲劑的發(fā)酵生產。（5）攪拌式固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-6）55圖6-2-6攪拌式固體發(fā)酵反應器1-空氣進口；2-溫度探針；3-水夾套；4-漿葉；5-空氣出口；6-攪拌電機；7-反應器；8-固體培養(yǎng)基；9-攪拌軸

圖6-2-6攪拌式固體發(fā)酵反應器56（6）壓力脈動固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-7）壓力脈動固體發(fā)酵反應器是中國科學院過程工程研究所研制成功的一種新型固體發(fā)酵反應器。從0.5L實驗到800L中試，再到25m3、50m3、75m3工業(yè)規(guī)模，顯示出諸多優(yōu)于好氧液體深層發(fā)酵的技術經濟指標。（6）壓力脈動固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-7）57·結構及工作原理該反應器包括：臥式密閉發(fā)酵罐、罐內空氣循環(huán)系統、罐內壓力脈動控制系統、小推車盤架系統、機械輸送系統。——臥式密閉發(fā)酵罐：罐身為圓柱形，兩端封頭為蝶形；圓柱體的徑長比為1:5～6，露天平臥放置?！迌瓤諝庋h(huán)系統：臥式密閉發(fā)酵罐的前端設有快開門，快開門與無菌操作間相接；罐內設置循環(huán)風道和多組冷卻排管；罐的后端連接離心式鼓風機，使無菌空氣在罐內循環(huán)?！そY構及工作原理58——罐內壓力脈動控制系統：在臥式密閉發(fā)酵罐上安裝進氣電磁閥、排氣電磁閥、電觸點式壓力表。其中，電觸點式壓力表、電磁閥與控制系統相連?！迌葔毫γ}動的工作原理：通過無菌空氣對罐內氣壓施以周期性脈動，即罐內氣壓通過無菌空氣的充壓和降壓，在峰壓和谷壓之間波動。脈動周期時間由充壓時間、峰壓穩(wěn)定時間、降壓時間、谷壓穩(wěn)定時間四段組成。峰壓一般為0.15～0.35MPa，谷壓一般為0.01～0.05MPa。一般充壓時間較長（1～5min），降壓時間較短（≤1min），使固體基質潮濕顆粒之間的氣體突然膨脹而使料層發(fā)生松動，達到強化氣體與料層間均勻傳質和傳熱的目的。峰壓穩(wěn)定時間和谷壓穩(wěn)定時間根據需要人為設定，一般峰壓穩(wěn)定時間大于谷壓穩(wěn)定時間，脈動周期時間一般為15～150min。脈動頻率一般來說，對數生長期大于延遲期和穩(wěn)定期?！迌葔毫γ}動控制系統：在臥式密閉發(fā)酵罐上安裝進氣電磁閥、59——小推車盤架系統：由小推車盤架和放置固體培養(yǎng)基的淺盤組成。小推車盤架一般設有2排，每排9節(jié)，每節(jié)21層料盤，盤的大小為490mm×450mm×20mm，每盤料層厚度20～25mm。在發(fā)酵過程中，固體基質顆粒是靜止的，而氣體是動態(tài)的?！獧C械輸送系統：在罐內小推車盤架下的鋼輪下設有鋼軌，由機械牽引車牽引小推車盤架進出臥式密閉發(fā)酵罐?！⊥栖嚤P架系統：由小推車盤架和放置固體培養(yǎng)基的淺盤組成。60圖6-2-7

壓力脈動固體發(fā)酵反應器圖6-2-7壓力脈動固體發(fā)酵反應器61·特點：——通過無菌空氣對罐內氣壓施以周期性脈動，并以快速降壓方式使固體基質潮濕顆粒之間的氣體突然膨脹而使料層發(fā)生松動，達到強化氣體與料層間均勻傳質和傳熱的目的。——通過無菌空氣對罐內氣壓施以周期性脈動，引發(fā)了多種外界環(huán)境條件（如：氧濃度變化、內外滲透壓力差、溫度波動等）對菌體細胞膜的周期性刺激，加速了菌體細胞的生長繁殖、營養(yǎng)代謝及內外物質、能量、信息的傳遞過程，可使發(fā)酵周期縮短，發(fā)酵產率提高?！c靜態(tài)好氧固體發(fā)酵相比，發(fā)酵產率提高2～3倍，發(fā)酵周期縮短1/3，而且容易進行反應器的放大?！c好氧液體深層發(fā)酵相比，原料簡單，成本降低；能耗降低6～7倍；無大量廢水排出，減少了環(huán)境污染；投資費用降低3～4倍?！ぬ攸c：62·應用：已用于蘇云金芽胞桿菌、白僵菌等殺蟲劑和纖維素酶的發(fā)酵生產?！び写鉀Q的問題：壓力脈動對微生物刺激的機理。包括：經外界環(huán)境條件刺激后，微生物信息傳遞途徑以及DNA和蛋白質的變化規(guī)律?！茫阂延糜谔K云金芽胞桿菌、白僵菌等殺蟲劑和纖維素酶的發(fā)酵63（7）吸附載體固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-8）·吸附載體發(fā)酵法系指由曲法培養(yǎng)衍生出來的同時又吸收了液體培養(yǎng)的優(yōu)點而發(fā)展起來的一種新方法。它是以天然或人工合成的多孔材料代替麩皮之類的固態(tài)基質作為微生物生長的載體，營養(yǎng)成分可以嚴格控制。發(fā)酵結束后，將菌體和培養(yǎng)液擠壓出來進行抽提，載體又可以重新使用。（7）吸附載體固體發(fā)酵反應器（如圖6-2-8）64·結構及工作原理——在臥式固體發(fā)酵反應器內的支架上放置多孔吸附載體筒，筒的兩端裝有氣體分布板；氣體分布板的直徑為固體發(fā)酵反應器的4/5、開孔率為50～70%?！谂P式固體發(fā)酵反應器的一端安裝循環(huán)風機和與氣體分布板相對應的氣體分布環(huán)；氣體分布環(huán)的直徑為氣體分布板的2/3、開孔率為20～50%?！谂P式固體發(fā)酵反應器內，通過循環(huán)風機使罐內氣體經過多孔吸附載體和氣體循環(huán)通道形成循環(huán)。——在臥式固體發(fā)酵反應器外，由文氏接種管將種子罐內種子液接種至多孔吸附載體上?！ㄟ^超聲霧化器控制罐內濕度?！茫嚎膳囵B(yǎng)霉菌、酵母菌、放線菌并提取色素、肌苷酸、酶等?！そY構及工作原理65圖6-2-8吸附載體固體發(fā)酵反應器1-種子罐；2-文氏接種管；3-超聲霧化器；4-循環(huán)風機；5-臥式固體發(fā)酵反應器；6-氣體分布板；7-多孔吸附載體；8-氣體循環(huán)通道；9-臥式固體發(fā)酵反應器蓋門；10-閥門；11-氣體分布環(huán)圖6-2-8吸附載體固體發(fā)酵反應器66二.好氧液體發(fā)酵設備（一）好氧液體淺層發(fā)酵設備·好氧液體淺層發(fā)酵的主要設施與設備包括：培養(yǎng)室、塘瓷盤、培養(yǎng)工具等。·應用：檸檬酸發(fā)酵生產的早期曾采用好氧液體淺層發(fā)酵，隨著生產規(guī)模的擴大，好氧液體淺層發(fā)酵很快被液體深層發(fā)酵代替。

二.好氧液體發(fā)酵設備（一）好氧液體淺層發(fā)酵設備67

（二）好氧液體深層發(fā)酵設備

1.機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐（機械攪拌通用式發(fā)酵罐）·機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐是好氧液體深層發(fā)酵應用最多、最廣泛的設備，也是好氧生物反應器的典型代表。據統計：它幾乎占有發(fā)酵罐總數的70～80%，故又稱機械攪拌通用式發(fā)酵罐?！C械攪拌通風密閉發(fā)酵罐是利用機械攪拌器的作用，使無菌空氣和發(fā)酵醪液充分混合，促使氧在發(fā)酵醪液中溶解，為好氧性微生物的生長、繁殖、代謝及發(fā)酵過程提供所需要的氧氣。氣泡越小，氣泡的比表面積越大，氧的溶解速率越快，氧的利用率也越高，產品的產率也越高?！ぎ敯l(fā)酵罐體積一定時，罐的徑高比、液層深度、有無擋板、攪拌葉類型及長短和擋數、攪拌速率、通風管位置、通風量大小、攪拌功率等因素均影響氧的溶解。

（二）好氧液體深層發(fā)酵設備68

（1）機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐所需基本條件①具有適宜的徑高比。徑高比越小，罐身越長，氧的利用率越高；但罐身過長，不僅要求無菌壓縮空氣的壓力過大，而且，頂料和底料不易混合。②能夠承受消毒滅菌及發(fā)酵過程中的一定壓力。發(fā)酵罐水壓試驗應為工作壓力的1.5倍。③具有合理的通風攪拌裝置。合理的通風攪拌裝置能使氣泡高度分散，氣液充分混合，以保證發(fā)酵醪液的溶氧量，提高氧的利用率。④具有足夠的冷卻面積。⑤罐內拋光以減少死角，使滅菌徹底。⑥具有嚴密的軸封，防止泄漏。

（1）機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐所需基本條件69

（2）機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐的特點①利用機械攪拌的作用使無菌空氣與發(fā)酵液充分混合，提高了發(fā)酵液的溶氧量，特別適合于發(fā)熱量大、需要氣體含量比較高的發(fā)酵反應。②發(fā)酵過程容易控制，操作簡便，適應廣泛。③發(fā)酵罐內部結構復雜，操作不當，容易染菌。④機械攪拌動力消耗大，對于絲狀細胞的培養(yǎng)與發(fā)酵不利。（2）機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐的特點70（3）機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐的幾何尺寸及其比例（如圖6-2-9）

機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐常見的幾何尺寸及其比例如下：

H/D=2.5～4.0/1；H0/D=2/1S/Di=2～5/1；D/Di=2～3/1

（一般為3/1）

C/Di=0.8～1.0/1；D/B=8～12/1

式中：H—罐身高；

H0—罐高；

D—罐徑；

Di—攪拌葉輪直徑；

S—相鄰攪拌葉輪間距；

B—擋板寬；

C—下攪拌葉輪與罐底距離圖6-2-9通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸

（3）機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐的幾何尺寸及其比例（如圖6-2-71

（4）機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐的結構機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐的結構如圖6-2-10和圖6-2-11，其主要結構部件包括：罐體、攪拌器、擋板、通風管、熱交換器（冷卻器）、消泡器、連軸器、中間軸承、端面軸封、變速裝置、人孔、視鏡等。

（4）機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐的結構72圖6-2-10（右圖）小型發(fā)酵罐

1-三角皮帶轉軸；2-軸承支柱；

3-連軸節(jié)；4-軸封；5-窺鏡；

6-取樣口；7-冷卻水出口；8-夾套；

9-螺旋片；10-溫度計;11-軸；

12-攪拌器；13-底軸承；14-放料口；

15-冷水進口；16-通氣管；

17-熱電偶接口；18-擋板；19-接壓力表;20-人孔；21-電動機；22.排氣口;23-取樣口；24-進料口；25-壓力表接口

26-窺鏡；27-人孔；28-補料口圖6-2-10（右圖）小型發(fā)酵罐73圖6-2-11（右圖）大中型發(fā)酵罐

1-軸封；2.人孔；3-梯子；4.連軸節(jié)；

5-中間軸承；6-熱電偶接口；

7-攪拌器；8-通氣管；9-放料口；

10-底軸承；11-溫度計；12-冷卻管；

13-軸；14-取樣口；15-軸承柱；

16-三角皮帶傳動；17-電動機；

18-壓力表；19-取樣口；20-人孔；

21-進料口；22.補料口；23-排氣口；

24-回流口；25-窺鏡圖6-2-11（右圖）大中型發(fā)酵罐74

①罐體·罐體由圓柱體和兩端橢圓形封頭焊接而成，材料一般為碳鋼或不銹鋼。大型發(fā)酵罐可用內襯不銹鋼板或復合不繡鋼板制成（內襯不銹鋼板厚度為2～3mm），以節(jié)約不銹鋼材。·為防止雜菌潛伏在縫隙中，罐內焊縫處應磨光?！ぐl(fā)酵罐一般容量50m3左右為小型，100m3左右為中型，500m3左右及其以上為大型?！ば⌒桶l(fā)酵罐罐頂和罐身用法蘭連接，灌頂設有清洗用的手孔。大中型發(fā)酵罐設有快開人孔2、20，罐頂裝有視鏡和燈鏡25、進料管21、補料管22、接種管、排氣管23（盡量靠近罐頂中心位置）和壓力表18等。進料管、補料管、接種管可合而為一。罐身裝有冷卻水進出管12、通氣管8、溫度計6、11和檢測儀表。取樣管14可以裝在罐頂或罐身。罐身上的管路越少越好。放料可通過通風管8壓出。①罐體75·罐體必須能夠承受0.25MPa的滅菌壓力，所以需要一定的罐壁厚度來維持。當受內壓時，發(fā)酵罐的壁厚及封頭厚度的計算公式如下：——罐壁厚（mm）——封頭壁厚（mm）

式中：P—耐受壓強（Mpa，表壓）；

D—罐徑（mm）；

φ—焊縫系數，雙面對焊φ=0.8，無焊縫φ=1.0；

C—腐蝕裕度，當φ－C＜10mm時，C=3mm；

[σ]—許用應力；

y—開孔系數，對發(fā)酵罐可取2.3?！す摅w必須能夠承受0.25MPa的滅菌壓力，所以需要一定的76②攪拌器（圖6-2-12）·攪拌器的作用：打碎氣泡，延長氣液接觸時間，加速和提高溶氧，有利于傳質和傳熱。·攪拌器的類型：攪拌器是由不銹鋼材料制成的一對或幾對固定在軸上的漿葉構成。根據槳葉的形狀和結構，常用的攪拌器有平槳式、螺旋槳式、渦輪式，其中以渦輪式使用最為廣泛。渦輪式攪拌器葉片分為平葉式、彎葉式和箭葉式三種，葉片數量一般為6個，尤以箭葉式消耗功率最小，翻動液體能力最強；而在相同功率下，平葉式粉碎氣泡能力最大。

·在攪拌器漿葉中央安裝圓盤：為了防止無菌空氣氣泡沿著軸部的葉片空隙上升而降低溶氧系數，在渦輪式攪拌器的中央常帶有圓盤。工業(yè)生產上常使用兩組以上的攪拌器葉片，且選擇葉片類型必須通過試驗確定。

②攪拌器（圖6-2-12）77圖6-2-12攪拌器的類型（1）-平槳式攪拌器；（3）-螺旋槳式攪拌器；（3）-六平葉渦輪式攪拌器；（3′）-六彎葉渦輪式攪拌器；（4）-六箭葉渦輪式攪拌器

圖6-2-12攪拌器的類型78·平槳式攪拌器——平槳式攪拌器的槳葉平直，借助軸套固定在軸上，產生徑向液流，不產生軸向液流?！魳~的傾角達到45°～60°，可形成徑向液流和軸向液流?！m用于固形物的緩慢溶解和保持均勻的懸浮狀態(tài)。

·螺旋槳式攪拌器——螺旋槳式攪拌器的槳葉系由2～3片沿葉片全長逐漸傾斜的螺旋槳葉構成。——由于槳葉傾斜角度的改變，產生軸向液流，液體上下翻騰，混合效果較好，但對液體的剪切力較小，對氣泡的分散效果不好?！m用于黏性低的液體和懸浮液的混合?！て綐綌嚢杵?9·六平葉、六彎葉渦輪式攪拌器——六平葉或六彎葉渦輪式攪拌器系在一個水平圓盤上裝置6片直平或彎曲的槳葉構成。——主要產生徑向液流，若罐的四壁安裝擋板，可產生軸向液流。通入罐底的空氣受圓盤的阻擋，保證了氣泡更好的分散，提高了攪拌效率?！饺~渦輪式攪拌器和六彎葉渦輪式攪拌器相比，前者的輸出功率大于后者，而后者形成的徑向液流強于前者，后者的混合效果也優(yōu)于前者。因此，流體的混合效果要求較高時，可選用后者?！m用于各種牛頓和非牛頓流體及黏度大的流體的混合。

·六平葉、六彎葉渦輪式攪拌器80·六箭葉渦輪式攪拌器——六箭葉渦輪式攪拌器系在一個水平圓盤上裝置6片兩面彎曲的槳葉構成?！鋽嚢枇餍团c六平葉或六彎葉渦輪式攪拌器相似，但產生的軸向液流較六平葉或六彎葉渦輪式攪拌器劇烈，輸出功率和剪切力均低于六平葉或六彎葉渦輪式攪拌器?！m用于各種牛頓和非牛頓流體及黏度大的流體的混合?！つ壳?，機械攪拌通風密閉發(fā)酵罐均采用六彎葉和六箭葉渦輪式攪拌器，這兩種攪拌器均為高效率攪拌器，適用于高度湍流的攪拌。而選擇槳葉的類型必須通過試驗確定，如檸檬酸發(fā)酵多采用六箭葉渦輪式攪拌器，而谷氨酸發(fā)酵和酶制劑發(fā)酵多采用六彎葉渦輪式攪拌器?！ち~渦輪式攪拌器81·攪拌器軸功率的計算——攪拌器軸功率定義：系指攪拌漿葉輸入發(fā)酵液的功率，即攪拌槳葉轉動時克服發(fā)酵液阻力所消耗的功率，簡稱軸功率?！煌鈼l件下攪拌器軸功率的計算公式

式中：P0——不通氣時攪拌器軸功率（kw）；

Np——功率準數（六平葉、六彎葉、六箭葉渦輪式攪拌器分別取

6、4.7、3.7）；

Di——攪拌器直徑（m）；

N——攪拌轉速（r／min）；

ρ——液體密度（kg/m3）·攪拌器軸功率的計算82——通氣條件下攪拌器軸功率的計算公式（Michel-Miller公式

）

式中：Pg—通氣時攪拌軸功率（kw）；

P0—不通氣時攪拌軸功率（kw）；

Q1、Q2—與流體黏度有關的系數；

N—攪拌轉速（r／min）；

Di—攪拌器直徑（m）；

Q—通氣量（L／min）。——通氣條件下攪拌器軸功率的計算公式（Michel-Mill83③擋板·罐內安裝擋板的作用：改變液流方向，即將徑向液流改變?yōu)檩S向液流，消除徑向液流產生的中心漩渦，促使液體劇烈翻動，增加氧的溶解，提高攪拌效率。·罐內一般裝有4～6塊擋板，擋板一般為長方形，寬度為罐直徑（D）的1/8～1/12，垂直向下，接近罐底，上部與液面相平?！榱吮苊鈸醢迮c罐壁之間形成死角，擋板與罐壁保持的距離為罐直徑（D）的1/5～1/8，用支架固定在罐壁上?！ぐl(fā)酵罐熱交換用的豎立的列管、排管或蛇管也可起相應的擋板作用。所以，一般具有冷卻列管或排管的發(fā)酵罐內不另設擋板；而冷卻管為橫向盤管或蛇管時，則應設立擋板。③擋板84·滿足全擋板條件的計算公式——全擋板條件的定義：系指在一定攪拌轉速下再增加罐內附件軸功率仍保持不變，而徑向液流產生的中心漩渦基本消失?！獫M足全擋板條件的計算公式

式中：D—罐徑（mm）；

Z—擋板數；

W—擋板寬度（mm）。

·滿足全擋板條件的計算公式85④熱交換器

·熱交換器的作用：用于發(fā)酵培養(yǎng)基的加熱滅菌、冷卻并調節(jié)發(fā)酵過程中發(fā)酵醪液的溫度?！峤粨Q器的類型——夾套式熱交換器主要用于小型發(fā)酵罐或種子罐，夾套高度稍高于靜止液面。優(yōu)點是：結構簡單，容易加工，罐內死角少，便于消毒和滅菌。缺點是：傳熱壁厚，冷卻水流速低，降溫效果差，傳熱系數較小，一般為4.186×（150～250）kJ/（m2·h·℃）。

④熱交換器86——立式蛇管熱交換器主要用于大中型發(fā)酵罐。一般分為4～8組安裝在罐內托架上，上端不超過液面，下端距罐底100mm左右，每組蛇管4～5圈，每圈蛇管兩直立管的中心距離為240～300mm，相鄰兩圈管的中心距離為管徑的1.8～2.1倍，每圈蛇管距管壁100mm。優(yōu)點是：管壁薄，冷卻水流速大，傳熱系數高達4.186×（800～1000）kJ/（m2·h·℃）。缺點是：所需冷卻水溫度較低（適合冷卻用水溫度較低地區(qū)），管的彎曲部分也容易被腐蝕而穿透?！⑹脚殴軣峤粨Q器立式排管熱交換器系以排管形式分組對稱安裝在罐內。優(yōu)點是：加工方便，適用于氣溫較高、水源充足地區(qū)，管內冷卻水流速快，降溫也快。缺點是：傳熱系數比蛇管熱交換器低，用水量大?！⑹缴吖軣峤粨Q器87·發(fā)酵過程的熱量計算發(fā)酵罐中熱交換器的換熱面積主要根據發(fā)酵過程中產生的熱量進行計算的，通過熱交換器及時帶走發(fā)酵過程中產生的熱量，維持適宜的發(fā)酵溫度。發(fā)酵過程中產生的熱量稱為“發(fā)酵熱”，“發(fā)酵熱”可通過下列計算法和測量法確定。——生物合成熱計算法式中：Qt—熱交換器帶走的“發(fā)酵熱”（kJ/h）；

Q1—生物合成熱（kJ/h），包括細胞有氧呼吸放熱和合成發(fā)酵產物放熱兩部分。以葡萄糖為基質時，細胞有氧呼吸釋放的熱量為

15659kJ/kg（糖），合成發(fā)酵產物釋放的熱量近似為4857kJ/kg（糖）。

·發(fā)酵過程的熱量計算88Q2—機械攪拌熱（kJ/h），按經驗公式：其中：η—功熱轉化率，經驗值η=0.92；

Pg—通氣條件下的攪拌軸功率（kW）；

Q3—汽化熱（kJ/h），計算公式：

Q3=G·

（I出－I進）·

ρ

（通?？山朴嬎悖篞3≈20%

Q1）；其中：G—通入發(fā)酵罐中空氣的流速（m3/h）

I進—進口空氣的熱焓（kJ/kg，干空氣）

I出—出口空氣的熱焓（kJ/kg，干空氣）

ρ—空氣密度（kg/m3）

Q4—輻射熱，可忽略不計。Q2—機械攪拌熱（kJ/h89——冷卻水帶走熱量計算法選擇主發(fā)酵期產生熱量最快最大時刻，測定冷卻水進口和出口的溫度及單位時間內冷卻水用量，則最大“發(fā)酵熱”的計算公式如下：

式中：Qt—熱交換器每h帶走每m3發(fā)酵液的最大“發(fā)酵熱”

[kJ/（m3·h）]；

W—冷卻水流量（kg/h）；

c—冷卻水的比熱容[kJ/（kg·℃）]；

T1—冷卻水進口溫度（℃）；

T2—冷取水出口溫度（℃）；

V—發(fā)酵罐內發(fā)酵液總體積（m3

）。

——冷卻水帶走熱量計算法90——發(fā)酵液溫度升高計算法選擇主發(fā)酵期產生熱量最快最大時刻，通過控制罐溫恒定，關閉冷卻水，測定罐內發(fā)酵液在30min內上升的溫度，則最大“發(fā)酵熱”的計算公式如下：

式中：Qt—熱交換器每h帶走每m3發(fā)酵液的最大“發(fā)酵熱”

[kJ/（m3·h）]；

m1、m2—分別為發(fā)酵液和發(fā)酵罐質量（kg）；

c1、c2—分別為發(fā)酵液和罐體比熱容［kJ/(kg·℃)］；

△T—1h內發(fā)酵液溫度升高的度數（℃）。

V—發(fā)酵罐內發(fā)酵液總體積（m3）。——發(fā)酵液溫度升高計算法91·熱交換器換熱面積的計算——對數平均溫度差的計算：假設主發(fā)酵時醪液溫度為T（℃），冷卻水進、出口溫度分別為T1（℃）、T2（℃），則對數平均溫度差△tm計算公式如下：——換熱面積的計算：換熱面積F（m2）的計算公式如下：

式中：K—熱交換器的傳熱系數[kJ/（m2·h·℃）]。

·熱交換器換熱面積的計算92——對熱交換器的傳熱系數K的說明：

根據經驗，夾套K值為627.9～1046.5kJ/（m2·h·℃）；蛇管K值為1255.8～1883.7kJ/（m2·h·℃）。如果管壁較薄，對冷卻水進行強制循環(huán)時，值約為3348.8～4186kJ/（m2·h·℃）。在氣溫較高地區(qū)，冷卻水溫高，傳熱效果差，冷卻面積較大，每m3發(fā)酵液的冷卻面積超過2m2。在氣溫較低地區(qū)，采用地下水冷卻，冷卻面積較小，每m3發(fā)酵液的冷卻面積約為1m2。另外，發(fā)酵產品不同，冷卻面積會略有差別。

——對熱交換器的傳熱系數K的說明：93⑤通風管·通風管又稱空氣分布器，是將無菌空氣引入到發(fā)酵液中的裝置。小型發(fā)酵罐常采用多孔環(huán)狀管（如圖6-2-13）或多孔十字型管；大型發(fā)酵罐采用單孔管?！ざ嗫篆h(huán)狀管或多孔十字型管安裝在攪拌器圓盤之下，其直徑為攪拌器直徑的0.8倍左右，通風管上開有許多向下的小孔，小孔直徑5～8mm，小孔總面積約等于通風管截面積。·單孔管安裝在攪拌器下面，正對圓盤中心，管口向下，與罐底距離約40mm，通風時，空氣沿管口四周上升，被攪拌器漿葉打碎成小氣泡而與醪液充分混合，增加了氣液傳質效果。一般通風管入口空氣壓力為0.1～0.2MPa，空氣流速20m/s。在罐底中央襯上不銹鋼圓板，防止空氣噴擊，延長罐底壽命。⑤通風管94圖6-2-13環(huán)型空氣分布管

圖6-2-13環(huán)型空氣分布管95⑥消泡裝置（消泡器）

·某些發(fā)酵（如谷氨酸、蛋白酶、淀粉酶等）在發(fā)酵過程中產生大量泡沫，如泡沫溢出會使發(fā)酵液損失且增加雜菌污染機會。除添加消泡劑外，在罐內液面之上安裝消泡裝置（消泡器）同樣起到很好的消泡效果?！こＲ姷南萜鞯念愋停喊沂较萜餍D圓盤式消泡器流體吹入式消泡器沖擊反射板式消泡器碟片式消泡器超聲波消泡器碟片式消泡器等⑥消泡裝置（消泡器）96——耙式消泡器（如圖6-2-14）安裝在內攪拌軸上，齒面略高于液面。槳的直徑為罐直徑的0.8～0.9倍，以不妨礙旋轉為原則。產生少量泡沫時，耙齒隨時將泡沫打碎；產生大量泡沫而超過耙槳，就會失去消泡作用，此時，仍需要添加消泡劑。該消泡器是一種簡單的消泡裝置。圖6-2-14耙式消泡器

——耙式消泡器（如圖6-2-14）圖6-2-14耙式消泡97——旋轉圓盤式消泡器（如圖6-2-15）設置在發(fā)酵罐內的氣相與液相之間。圓盤旋轉時，將罐內發(fā)酵液注入圓盤中央，通過離心力將破碎成微小泡沫的微粒散向罐底，達到消泡目的。提高圓盤旋轉及發(fā)酵液的供給率，可提高消泡效果。圖6-2-15旋轉圓盤式消泡器1-馬達；2-旋轉圓盤；3-槽內液；4-發(fā)酵罐；5-供液泵

——旋轉圓盤式消泡器圖6-2-15旋轉圓盤式消泡器98——液體吹入式消泡器（如圖6-2-16）這是一種把空氣與培養(yǎng)液以切線方向吹入發(fā)酵罐中的消泡方法。氣體或液體吹入管以切線方向與罐內側相連。

圖6-2-16液體吹入式消泡器1,8-供液管；2,9-供氣管；3-排氣管；4-泡沫；5-排液管；6,10-發(fā)酵罐；7-空氣吸入管

——液體吹入式消泡器（如圖6-2-16）圖6-2-16液99——吸引式消泡器（如圖6-2-17）將發(fā)酵罐內形成的氣泡群通過吸入管5吸引到氣體吹入管3，再利用氣體吹入管3吸入無菌氣體進行消泡。在靠近吸入口附近的氣體吸入管5內安裝增速用的噴頭，吸入管用來連接液面上部與增速噴頭的負壓部位。

圖6-2-17吸引式消泡器

1-發(fā)酵罐；2-無菌空氣；3-空氣吹入管；4-增速噴頭；5-吸入管

——吸引式消泡器圖6-2-17吸引式消泡器100——沖擊反射板式消泡器

（如圖6-2-18）這是一種把氣體吹入液面上部，然后通過液面上部設置的沖擊板反射，吹到液面上，將液面上產生的泡沫擊碎的方法。沖擊板為圓錐狀，與罐內之間的間隙很小。

圖6-2-18沖擊反射板式消泡器

1-噴嘴；2-氣體；3-小孔；4-沖擊板；5-氣泡；6-發(fā)酵罐；7-空氣——沖擊反射板式消泡器圖6-2-18沖擊反射板式消泡器101——超聲波消泡器

（如圖6-2-19）將空氣在1.5～3.0MPa下以1～2L/s的速度由噴嘴噴入共振室而達到消泡目的。噴嘴與共振室之間的間隙可以根據振動次數的需要而調整。這種消泡法只適于實驗室小型發(fā)酵罐消泡的需要，當發(fā)酵罐直徑大于0.3m時，消泡效率明顯降低。

圖6-2-19超聲波消泡器

——超聲波消泡器圖6-2-19超聲波消泡器102——碟片式消泡器（圖6-2-20）碟片式消泡器是一種較為新型的消泡裝置。將碟片式消泡器裝在發(fā)酵罐頂部，碟片位于罐頂的空間內，用固定法蘭與排氣口相連接，當其高速旋轉時，進入蝶片間空氣中的氣泡被打碎，同時將液滴甩出，返回發(fā)酵液中。被分離后的氣體由空心軸排氣口排除。它是將圓錐形碟片象碟片離心機一樣迭合在一起，裝在空心軸上。碟片上具有徑向筋條，兩碟片之間的空隙為空氣通道，與空心軸相連。傳動皮帶輪位于兩滾珠軸承之間，空心軸兩端裝有端面軸封，以防泄漏。與上述各種消泡器比較，這種消泡器消泡效果較好。缺點是結構復雜，加工麻煩，功率消耗大?！较萜鳎▓D6-2-20）103圖6-2-20碟片式消泡器1-夾套；2-皮帶輪傳動；3-馬達；4-