Transcript 第八章 - 发酵工程原理

本章内容
一、发酵罐的发展
二、发酵罐的类型
三、发酵罐的结构
四、通用式发酵罐的设计与放大
五、重组菌生物反应器
一、发酵罐的发展

发酵罐：进行微生物深层培养的反应器统称为发酵罐
大型发酵罐
二、发酵罐的类型
（1）通用式发酵罐
通用式发酵罐是指带有通气和机械搅拌装置的发酵罐，是工业生产中最常用
的发酵罐。
（2）气升式发酵罐
此类发酵罐是依靠无菌压缩空气作为液体的提升力，使罐内发酵液通过上下
翻动实现混合和传质传热过程。其特点是结构简单，无轴封，不易污染，
氧传质效率高，能耗低，安装维修方便。
（3）管道式发酵罐
管道式发酵罐是以发酵液的流动代替搅拌作用，依靠液体的流动，实现通气
混合与传质等目的。
（4）固定化发酵罐
固定化发酵罐是一种在圆筒形的容器中填充固定化酶或固定化微生物进行生
物催化反应的装置。其优点是生物利用率比较高。
（5）自吸式发酵罐
自吸式发酵罐是一种无需其他气源供应压缩空气的发酵罐，其关键部位是带
有中央吸气口的搅拌器。在搅拌过程中可以自吸入过滤空气，适合于耗
氧很低的发酵类型。
（6）伍式发酵罐
伍式发酵罐的主要部件是套筒、搅拌器。搅拌时液体沿着套简外向上升至液
面，然后由套筒内反回罐底，搅拌器是用6根弯曲的中空的不锈钢管子焊
于圆盘上，兼作空气分配器。这种发酵罐多应用于纸浆废液发酵生产酵
母。设备的缺点是结构复杂，清洗筒套较困难，消耗功率较高。

发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关。
顶搅拌
轴封
通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌 )
底搅拌
磁传动
气鼓式（鼓泡式）
内循环
气升式发酵罐
循环式 外循环
管道式反应器：流动代替搅拌
填充床（液体循环）
固定化发酵罐
流化床（同通气搅拌）
自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气
伍式发酵罐 ：多用于纸浆废液发酵生产酵母
重组菌生物反应器







三、发酵罐的结构
1.外形、结构及几何尺寸要求
2. 搅拌装置
3.挡板
4.消泡器
5. 空气分布器
6. 换热装置
三、发酵罐的结构
1.外形、结构及几何尺寸要求






H/D=1.7－3
HL/D=2－2.5
H—筒身高度 D-发酵罐直径
HL按照装料VL=70%V总计算
d/D=1/3－1/2
d—搅拌器直径
W/D=1/12－1/8（取0.1 ，并留1—2cm间隙，防死角）
W—档板宽度
B/D=0.8－1.0 B—下搅拌器距底间距
(s/d)2=1.5－2.5
可以取相同值，1.5 ≤s/d≤ 2
(s/d)3=1－2
s—搅拌器间距
2. 搅拌装置


搅拌的目的
 打碎气泡，增加气液接触面积，即a↑
 产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间
 造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度，KL↑
 动量传递（N、Ws），有利于混合及固体物料保持悬浮状态
搅拌的效果:
 原生流→圆周运动（径向运动）：层流及漩涡，原生流速V原∝n
挡板作用：次生流→轴向运动、翻动，决定混合好坏，V次∝n2
 搅拌效果评价：传质，传热及混合效果

效果的改善：转速，搅拌器（桨）的形式和数量
2. 搅拌装置（续）

搅拌器的形式 ：通用式发酵罐大多采用涡轮式搅拌
器 ，而又以圆盘涡轮搅拌器为主 。
 桨叶型式：圆盘涡轮搅拌器有平叶式、弯叶式、
箭叶式三种。
 叶片数量：至少三个，通常六个，多至八个。
α ：弯>平>箭 ；β：弯 >箭>平
K La
PG α β
 k ( ) WS
V
在相同的搅拌功率PG下，
粉碎气泡能力：平>弯>箭
翻动流体能力：箭>弯>平
综合传质+混合，弯叶最好。
2. 搅拌装置（续）

搅拌桨的层数：根据
H/D及（s/d）n 的要求进
行计算。一般3—4层，
底层搅拌最重要，占轴
功率的40% ，所具叶片
数最多（6~8片）。
2. 搅拌装置（续）－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。
2. 搅拌装置（续）－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
0.4~0.7％。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。
2. 搅拌装置（续）－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。
2. 搅拌装置(续）－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。
填料函式轴封

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

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。
3.挡板



挡板的作用：改变液流方向，由径向流→轴向流，促使流体
翻动，增加传质和混合。
档板宽 ：W/D= 1/12-1/8 (取0.1)
全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加档板
或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失, 即要
满足下式：
（W/D）•Z =0.4
Z—档板数
3.挡板(续）

说明



竖立的蛇管、列管、排管，可起档板作用，此外不
另加档板。故一般装4块档板，可满足全档板条件。
档板长度：自液面起，至罐底封头上部（圆柱底）
为止。
档板与罐壁间留缝隙，距离为（0.2—0.4）W，目
的是去除死角。
4.消泡器
作用：破碎气泡，改善供氧，防止污染。
 消泡桨形式
慢速：锯齿，梳状，孔板式（孔径10-20mm）。
内部
快速：对于底搅拌，可在罐顶装半封闭涡轮消沫器，
单用电机。
旋风分离
适于不易染菌的工艺
外部
叶轮离心式
 消泡桨直径：L=（0.8-0.9）D（罐径），以不妨碍旋转为原则
 与消泡剂合用

5. 空气分布器


作用：吹入无菌空气，并使其分布均匀
型式：
单孔管：开口朝下，防止堵塞；管口距罐底约
40mm
环形管：适用于细度极小且易溶于水的固体发酵
原料）
6. 换热装置

夹套式：5T以下用外夹套式，K传热系数=400-600kJ/m2 hr•℃

竖式蛇管：5T以上；K传热系数=1200-1890kJ/m2•hr•℃

竖式列管（排管）：传热系数较蛇管低，但冷却水流速较蛇管大
适用于气温较高，水源充足的地区。





四、发酵罐的设计与放大
1.发酵罐设计的基本原则
2.发酵罐最大生产能力的确定
3.发酵罐设计的基本要求
4.发酵罐的放大设计
四、发酵罐的设计与放大
1.发酵罐设计的基本原则

能否适合于生产工艺的放大要求

能否获得最大的生产效率
2.发酵罐最大生产能力的确定


两方面因素的比较
 微生物生长率、产物转化率
传质效率（KLa、传氧效率）
发酵罐的操作因素(传递性能) 传热效率
混合效率
改善发酵罐的传递性能（传质、传热、混合）是发酵罐设计的
首要任务
2.发酵罐最大生产能力的确定（续）


传质工程
 随规模扩大， α （比表面积）↓，KLa ↓ ，同等条件
下传氧效率↓
传热工程
 产热Q1  V罐体积

传热Q2  A罐表面积
A 1
V↑，  ↓
V R
∴除了筛选耐高温菌株外，改善发酵罐的传热性能十分关
键。
3.发酵罐设计的基本要求





（1）发酵罐应具有适宜的高径比，罐身长，氧的利用率相
对较高。
（2）发酵罐能承受一定的压力。
（3）发酵罐的搅拌通气装置要能使气泡破碎并分散良好，
气液混合充分，保证发酵液有充足的溶解氧，以利于好氧
菌的生长代谢的需要。
（4）发酵罐应具有良好的循环冷却和加热系统。
（5）发酵罐内壁应抛光到一定精度，尽量减少死角，避免
藏垢积污，易于彻底灭菌，防止杂菌污染。
基本要求（续）




（6）搅拌器的轴封应严密，尽量避免泄漏。
（7）发酵罐传递效率高，能耗低。
（8）具有机械消泡装置，要求放料、清洗、维修等操作简
便。
（9）根据发酵生产的实际要求，可以为发酵罐安装必要的
温度、pH、液位、溶解氧、搅拌转速、及通气流量等传感
器及补料控制装置，以提高发酵水平。
4.发酵罐的放大设计
（1）. 放大的目的和任务
（2）. 放大准则
（3）. 放大方法
（1）. 放大的目的和任务
 目的：实现生物技术成果走向产业化

生物技术产品产业研发的三个阶段：

实验室规模：菌种选育及发酵条件优化

中试规模：确定放大规律及最佳操作条件

工厂规模：通过产业化实验评价经济效益
任务：力求保持所有规模的发酵过程中有最佳的
外部条件，确保“发酵单位相似”
（2）. 放大准则
 通常根据实际发酵中主要影响因素来确
定，如：KLa、 P/V（单位体积功率）、
nd（末端剪切力）等等。
（3）. 放大方法
 经验放大法
 几何相似法
 非几何相似法
 量纲（因次）分析法
 时间常数法
 数学模型法
经验放大法
几何相似法
 在发酵罐的放大中，主要解决放大后生产罐的空气流量、
搅拌转速和搅拌功率消耗等三个问题，即操作参数的放
大设计。常用的放大方法有：
 几何尺寸放大

空气流量放大

VVM相等

Ws相等
KLa相等
搅拌功率及搅拌转速的放大


几何尺寸放大

放大倍数m指罐的体积增加倍数，即
∵几何相似，∴
则

2
D2 H 2
H1 H 2

D1 D2

2
D2 D 2
V2
D2 3
4
4


( ) m
 2
 2
V1
D1
D1 H 1
D1 D1
4
4
∴
H 2 D2 3

 m
H1 D1
V2
m
V1
空气流量放大
空气流量放大——以VVM相等的原则放大
∵
∴
(VVM ) V2 (VVM )  D
WS 

2
P
PD
(WS ) 2 D2 P1


(WS )1 D1 P2
空气流量放大——以Ws相等的原则放大
∵
WS 2 (VVM ) 2 P1 D12 VL 2



1
2
WS 1 (VVM )1 P2 D2 VL1
∴
2
VVM 2 P2 D2 VL1 P2 D1

 2 


VVM 1
P1 D1 VL 2
P1 D2
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
K La
 Qg  2 / 3
    HL
 VL 
Q
( g
) 2  (H L ) 2
2
3
( K La ) 2
VL

1
2
Q
( K La )1
( g )1  ( H L )1 3
VL
Q
( g
Q
( g
VL
VL
)2
)1

( H L )1
(H L ) 2
2
3
2
3
空气流量放大——以KLa相等的原则放大
∵
∴
又∵
∴
Qg  WS D 2
V  D3
HL  D
1
WS 2
D
( 2 ) 3
D1
WS 1
(VVM ) V L (VVM )  D
WS 

2
P
PD
(VVM ) 2 WS 2  P2  D1 P2 D1 WS 2 P2 D1 2 3

 

 ( )
(VVM )1 WS 1  P1 D 2
P1 D2 W
P1 D2
S1
空气流量放大的比较
按搅拌功率相等的准则放大
n2=n1(d1/d2)0.667
p2=p1(d2/d1)3


n2=n1(d1/d2)0.745(ws2/ws1)0.08
p2=p1(d2/d1)2.765(ws2/ws1)0.24


非几何放大
多用于菌株对剪切力敏感的发酵放大设
计。
五、重组菌生物反应器
1. 与普通微生物发酵罐最大的区别：
带有严格防止重组菌外泄的部件
2. 重组菌泄漏途径：
1) 排气外泄
防治措施：排出的气体应要经过加热灭菌或用微
孔过滤器除菌后才能排放到空气中。
2) 生物反应器渗漏
防治措施：90L以下的发酵罐可采用磁力搅拌；
对于体积较大的发酵罐应采用双端面密封,且用
作润滑剂的无菌水的压力应高于生物反应器内
的压力。
3) 取样泄漏防治措施：采用特殊的取样系统；灭
菌处理

大肠杆菌发酵过程中，当发酵罐的通气
量为1:100，搅拌速度为400r/min时，在
接种后的4h内有511个大肠杆菌细胞从排
气过程中流出，在随后的1.5h中，有
1267个大肠杆菌细胞在排气过程中被带
出。
本章小结

了解发酵罐的类型，掌握通用式发酵罐的基本
结构

了解发酵罐设计的基本原则和要求

了解发酵罐放大设计的方法

了解重组菌生物反应器的特别要求