第七章发酵罐的比拟放大PPT课件
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发酵罐的比拟放大
ωg＝Qg/(π/4·D2)＝0.06/ (3.14/4×0.3752) =0.546 m/min=54.6 cm/min
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
kd=(2.36+3.30m)(Pg/V)0.56ωg0.7N0.7×10-9 ＝(2.36+3.30×2)(0.033/0.060)0.56×54.60.7×
3500.7×10-9=6.38×10-6mol·ml-1·min-1·atm-1(PO2)
第4页，本讲稿共42页
放大基准
1、以kLa(或kd)为基准 2、以P0/V相等为基准 3、恒周线速度 πND 4、恒混合时间 tm∝HL1/2D3/2/(N2/3d11/6) 5、Q/H ∝d/N 液流循环量/液流速度压头
第5页，本讲稿共42页
欧洲发酵工业中的放大准则
工业应用的比例（%） 所采用的经验放大准则
30
单位培养液体积消耗功
率相等
30
kLa恒定
20
搅拌桨叶端速度恒定
20
氧分压恒定
第6页，本讲稿共42页
一、几何尺寸放大
• 几何相似原则：H1/D1=H2/D2=A • 放大倍数m=V2/V1
m=V2/V1=π/4·D22·H2/ (π/4·D12·H1)＝(D2/D1)3 • D2/D1=m1/3， H2/H1=m1/3
第10页，本讲稿共42页
• 1、以单位培养液体积中空气流量相同的原则放大
依据式（1）得ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ωg∝ (VVM)D3/(PD2) ∝ (VVM)D/P 因为(VVM)2=(VVM)1 所以(ωg)2/ (ωg)1 =D2/D1×P1/P2 • 2、以空气直线速度相同的原则放大 依据式（2）得VVM ∝ ω g PD2 /VL
比拟放大
HL2=(HL1/D1)×D2=(0.5625/0.375)×2.19=3.29m
Di2=D2/(D1/Di1)=2.19/(0.375/0.125)=0.73m
23
• (3)决定通风量Q2
根据式(7-5)有：
(Q/V)2=(HL1/HL2)2/3(Q/V)1=(0.5625/3.29)2/3×1.0=0.308m3/m3· min Q2=(Q/V)2· V2=0.308×12=3.7m3/min
• 放大计算
Q DVS V D VS
Q V VS D
VS2 VS1 D2 D1
• 若氧利用率相同时，可按此进行 • 实际结果往往偏大
9
（二）按通风线速度VS相等放大
• VS的意义
– 通风强度 – 通风搅拌的强弱
• 放大计算
3 Q2 Q1 D22 D12 D2 D13 D1 D2 V2 V1 D1 D2
• 确定的最适实验条件为：装料体积V1=60L，装料高度HL=562.5mm，通
• 通过实验，认为此菌株是高耗氧速率菌，试按等Kd值进行比拟放大。
21
• ［解］将不同操作条件下所得Kd值用各溶氧系数计算式试
算后，发现福氏公式大致适用，因此选择此公式为计算Kd 值的关系式
• (1)确定基本数据
V01=100L=0.1m3，ρ=1020kg/m3，μ=2.25×10-3N· S/m2 D1=0.375m，H1/D1=2.4，Di1=125mm=0.125m，Wb=0.0375m，V02=20m3 V1=60L=0.06m3，HL1=0.5625m，(Q/V)1=1.0m3/m3· min n1=350r/min=5.83r/s，Kd=6.2×10-6molO2/mL· min· atm(p) 体积放大倍数V2/V1=V02/V01=20/0.1=200 放大比D2/D1=(V2/V1)1/3=2001/3=5.85 装料系数η=V1/V01=60/100=0.60 V1 (Q V )1 0.06 1.0 空截面空气线速度VS1=通风量/截面积 D 2 4 0.785 0.3752 0.543 m min 1 3 通风量Q1=V1×(Q/V)1=0.06×1.0=0.06m /min=60000mL/min 搅拌雷诺准数Re1=nDi12ρ/μ=5.83×0.1252×1020/2.25×10-3=4.13×104
第七章 生物反应器的放大讲解
( 3.4 )5 3.58
1080
62.7KW
而实际装液量为75%，HL=8.54m,D/d=3.58,
H L 8.54 8.99 d 0.95
P10
1 3
(D)*(HL
d
d
) * P0
1 3
3.58 8.99 62.7 119KW
选用三层搅拌器，m=3,
P30 P10(0.4 0.6m) 119 (0.4 0.63) 262KW
a exp(bQg ),
a, b为与气体流速和搅拌器直径有关的系数
例题
• 采用100m3机械搅拌通风式发酵罐进行谷氨酸发酵，已知
发酵液密度＝1080Kg / m3，粘度为＝210－3 Pa s,
D 3.4m, D / d 3.58, H 10m, H L 8.54m,装液量为75%，采用 六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，三组，转数n 150r / min ， 通风比为Q＝0.2v v m, 求Pg
3、无通气时非牛顿型流体的搅拌轴功率
• 非顿型流体的，特别是高黏度流体要达到充分的湍流状态几乎是不可能的，
而功率准数总是和Re相关。
Re
Nd 2L a
• 对于细胞反应，大部分流体为拟塑性流体，又称为幂律流体，其表现粘度可 表示为：
a
K
n1, Re
Nd 2L K n1
Metzner采用流动特性指数0.14<n<0.72的高度拟塑性流体做实验， 找出了搅拌罐中搅拌器转数与液体平均剪应速率之间的关系，
3）按几何相似原则确定大罐尺寸：
取H/D=2.4,HL/D=1.5,D/d=3，有效容积60%，忽略封底 容积，则液体体积为
发酵罐的比拟放大解读
发酵罐的比拟放大一、比拟放大的内容：罐的几何尺寸，通风量，搅拌功率，传热面积和其他方面的放大问题，这些内容都有一定的相互关系。
二、比拟放大的依据1、单位体积液体的搅拌消耗功率2、搅拌雷诺准数3、溶氧系数4、搅拌桨末端线速度5、混合时间6、通过反馈控制条件，尽可能使重要环境因子一致。
三比拟放大和它的基本方法比拟放大:是把小型设备中进行科学实验所获得的成果在大生产设备中予以再现的手段，它不是等比例放大，而是以相似论的方法进行放大。
首先必须找出表征着此系统的各种参数，将它们组成几个具有一定物理含义的无因次数，并建立它们间的函数式，然后用实验的方法在试验设备中求得此函数式中所包含的常数和指数，则此关系式在一定条件下便可用作为比似放大的依据。
比拟放大是化工过程研究和生产中常用的基本方法之一。
在发酵工程中是否适用和发酵工程中所用的比拟放大方法发酵过程是一个复杂的生物化学过程，影响这个过程的参数有物理的、化学的、生物的，有些虽然已经被认识了，但目前还不能准确快速地测量，有些则尚未被认识。
现在只研究了少数参数对此过程的关系，而假定其它参数是不变的，实际上不可能都是不变的。
因此发酵生产过程设备比似放大理论与技术的完善，有赖于对发酵过程的本质的深入了解。
发酵工程中所用的比拟放大方法有：等 KLa, 等πDN, 等Pg/V, 等Re 或动量因子, 相似的混合时间等。
发酵过程的控制和监测一、发酵过程的监测内容与方式发酵过程的参数检测意义在发酵过程中，过程状态经历着不断的变化，尤其是批发酵这种状态的变化更快。
底物和营养物由于生物活性而变化，生物量的增加和生物量组成也在变化(包括物理、生化和形态学上的变化），而各种具有生物活性的产物被积累。
发酵过程检测和控制的目的就是利用尽量少的原料而获得最大的所需产物。
（一）发酵过程监控的主要指标1．物理检测指标：温度；压力；搅拌转速；功耗；泡沫；气体流速；粘度等。
2．化学检测指标：pH ；氧化还原电位；溶解氧；气体CO2、O2；糖含量；化合物含量等。
第七章发酵过程放大
2. 以保持相等KLa或溶解氧浓度为基础 需氧微生物发酵 氧作为产物形成的限制因素 微生物生理活动条件的一致性 只要 KLa 保持在一定数值，就能获得较好 的结果
思考题： 1.如何进行摇瓶实验？ 2.什么是正交实验，在发酵中有什么作用， 怎样应用？ 3.如何将实验室研究结果过度到大规模发 酵工业中？
三. 放大的过程 1. 实验室实验：摇瓶获得最佳发酵工艺条件 2. 中间工厂实验（中试）：用一定数量的 10~15L小型发酵罐进行实际应用研究 抽提产物还要有几个3~4m3的中型罐 中试设备要自动化程度高 3. 工厂生产规模：15~50m3 有的可达150m3
四. 放大或缩小的方法 单位体积输入功率相等 保持 KLa 不变 1. 单位体积输入功率相等为基础 几何相似发酵罐和单位体积功率相等 生产罐中通气速度和搅拌速度 通气速度和 通气速度 搅拌速度是固定的 中试罐的通气速度和生产罐一样 通气速度和生产罐一样，但搅 通气速度和生产罐一样 搅 拌速度可调节 通过调节搅拌速度来调节中试罐的功率
3. 菌丝受机械损伤的差异 • 如果菌株要求较高的KLa，罐中的生产能力 就高于摇瓶 • 如果菌株对机械损伤比较敏感，罐中生产 能力就低于摇瓶 • 增加摇瓶转速，减少培养基的装量
摇瓶优化配方： 摇瓶优化配方： 菌种筛选，反应器研究的基础 菌种筛选， 发酵罐：反应器水平 发酵罐：反应器水平, 可以得出最 终优化的基 础配方
2. 培养基灭菌的差异 分批灭菌：预热期、维持期、冷却期 培养基体积越大，预热期和冷却期越长 对培养基破坏越严重 3. 通气与搅拌的差异 4. 热传递的差异
5. 种子形成的差异 接种量与发酵罐容积成正比 种子培养的级数和菌种繁殖的代数 小结： 发酵过程不是简单的体积增大过程 菌种质量和其它发酵工艺也会改变
生物反应器比拟放大课件
n2
n1 (
D1 D2
)0.75
(QG2 )0.08 QG1
Pg2
Pg1
(
D2 D1
)2.77
( QG2 )0.24 QG1
（三）以体积溶氧系数KLa（或Kd）相等为 基准的放大法
在耗氧发酵过程中，由于培养液中的溶解 度很低，生物反应很容易因反应器溶氧能 力的限制受到影响，所以以反应器KLa的 相同作为放大准则，可以收到较好的效果。
全混式流动：指反应器混合足够强烈， 因而反应器内浓度分布均匀，且不随时 间而变化。
（2）非理想型 具有返混的管型反应器等
二、酶反应器设计和操作的参数
停留时间τ 停留时间τ：指反应物料进入反应器
至离开反应器止所经历的时间 对于CSTR，常用平均停留时间
τ＝V / F
=反应器容积/物料的体积流量
多相系统 搅拌罐 酶反应器
固定床填充床
流化床 膜反应器 悬浊气泡塔
分批、流加 分批、流加或连
续 分批、流加或连
续 连续
分批、连续 连续 分批、连续
靠机械搅拌混合 适用于高分子底物
靠机械搅拌混合
适用于固定床酶 或微生物反应中 靠溶液的流动混合 膜状或片状固定化 适于气体为底物
2．连续式酶反应器的流动状态
二、单底物酶促反应动力学
1、米氏方程
根据“酶-底物中间复合体” 的假设，对 酶E催化底物S生成产物P的反应S→P，其 反应机制可表示为
k+1
k+2
E + S ES
E+P
k-1
E [S] X [P]
k+1 k-1 k+2-----相应各步的反应速度常数 E [S] X [P]----对应物质的浓度
发酵设备与反应器ppt演示课件(63页)
发酵设备与反应器
发酵设备与反应器
生物反应器的分类
发酵罐的放大
生物反应器的分类
按所用的生物催化剂的不同分
酶催化反应器
细胞生物反应器
生物反应器的分类
按反应器结构特征分
➢釜式、管式、塔式、膜式等类型
生物反应器的分类
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
物的能力，进而了取得最大的经济效益。
如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。
影响微生物细胞内的酶反应
对于同一微生物细胞， 细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往是不同
对于同一微生物细胞， 细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往是不同
糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一
进而了取得最大的经济效益。
发酵过程的控制
1
温度的影响及其控制
2
PH值影响及其控制
3 泡沫的影响及其控制
4
CO2的影响及控制
温度的影响及其控制
温度对微生物生长的影响
温度对发酵代谢产物的影响
影响发酵温度的因素 最适温度来自选择温度对微生物生长的影响
（1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。
缺点：进罐空气处于负压，因而增加了
染菌机会，且搅拌转速甚高，有可能使
菌丝被切断，使正常的生长受到影响。
发酵罐的放大
微生物培养过程研究的三个阶段
工业发酵过程的研究，一般分为三种规模
或三个阶段：①实验室规模，进行菌种
的筛选和培养基的研究；②中试生产规
模，确定菌种培养的最佳操作条件；③
工厂生产规模，进行大规模生产，取得
发酵设备与反应器
生物反应器的分类
发酵罐的放大
生物反应器的分类
按所用的生物催化剂的不同分
酶催化反应器
细胞生物反应器
生物反应器的分类
按反应器结构特征分
➢釜式、管式、塔式、膜式等类型
生物反应器的分类
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
物的能力，进而了取得最大的经济效益。
如有机酸类产生使pH下降，红霉素、洁霉素、螺旋霉素等抗生素呈碱性，使pH上升。
影响微生物细胞内的酶反应
对于同一微生物细胞， 细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往是不同
对于同一微生物细胞， 细胞生长和代谢产物积累的最适温度往往是不同
糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一
进而了取得最大的经济效益。
发酵过程的控制
1
温度的影响及其控制
2
PH值影响及其控制
3 泡沫的影响及其控制
4
CO2的影响及控制
温度的影响及其控制
温度对微生物生长的影响
温度对发酵代谢产物的影响
影响发酵温度的因素 最适温度来自选择温度对微生物生长的影响
（1）糖代谢 特别是快速利用的糖，分解成小分子酸、醇，使pH下降。
缺点：进罐空气处于负压，因而增加了
染菌机会，且搅拌转速甚高，有可能使
菌丝被切断，使正常的生长受到影响。
发酵罐的放大
微生物培养过程研究的三个阶段
工业发酵过程的研究，一般分为三种规模
或三个阶段：①实验室规模，进行菌种
的筛选和培养基的研究；②中试生产规
模，确定菌种培养的最佳操作条件；③
工厂生产规模，进行大规模生产，取得
发酵罐的设计与放大
2.按照发酵设备特点分类
• 机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐。 前者包括循环式，如伍式发酵罐、文氏管发酵罐、 以及非循环式的通风发酵罐和自吸式发酵罐。后 者包括循环式的气提式、液提式发酵罐以及非循 环式的排管式和喷射式发酵罐。
• 特点：采用不同的手段使发酵 罐内的气、固、液三相充分混 合，从而满足微生物生长和产 物形成对氧的需求。
• 轴封装置为搅拌罐和搅拌轴间的密封，以防 止反应物料的逸出和杂物的渗入。通常采用 填料密封或机械密封。
• 发酵罐的特点 必须具备足够的强度、密封性、耐蚀性及稳定性。
发酵罐的工作要求
清洁卫生；反应过程能保持恒定的温度，以利于发 酵菌很好地进行发酵；搅拌器使物料混合均匀、加快反 应速度、缩短发酵周期、强化传热；将发酵过程中产生 的热量及时带走，保证反应正常进行。
• 对于大型发酵罐可用衬不锈钢板或复合不锈钢 制成，衬里用的不锈钢板厚为2~3毫米。为了 满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实 消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为 2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
• 1帕斯卡=1牛顿/平方米(1N/㎡) • 1兆帕=1000000帕 • 大气压：压强的一种计量单位。其值等于
拌采用螺旋桨，用以加强轴向流动；下搅拌采用 涡轮桨分散气体，可以提高氧传递效率。这种设 计方法充分发挥了这两种搅拌桨的各自特长。
• (3)完全填充反应器是一种比通气搅拌罐能更有效 地提高氧传递效率的发酵罐。混合时间短，即使 对十分黏稠的液体也有同样效果，消除了罐顶的 空间，空气在罐内的滞留时间比通气搅拌罐长。 改良型通风式发酵虽然有一些改进，但是它 的实际应用却远没有通风发酵广泛。
罐体的尺寸比例
✓ 罐体各部分的尺寸有一定的比例， 罐的高度与直径之比一般为 1.7~3左右。(为何不能再高？氧 利用率高)
发酵中试的比拟放大29页PPT
ห้องสมุดไป่ตู้发酵中试的比拟放大
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
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通用式（机械搅拌）、伍式、自吸式发酵罐 2）外部液体搅拌发酵罐 3） 空气喷射提升式发酵罐
高位塔式发酵罐
10
3、 按容积分类
❖ 500L以下的是实验室发酵罐 ❖ 500-50000L是中试发酵罐 ❖ 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
❖ 分批发酵和连续发酵
11
四、 机械搅拌发酵罐
（一）、 基本要求： 1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的压力 3）搅拌通风装置 4）足够的冷却面积 5）罐内要减少死角 6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露
12
标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.7-4 d/D=1/2-1/3 W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2
高氧的传质效率 ❖ 使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮
状态 ❖ 使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，
希望以径向液流为主 ❖ 在搅拌轴上配置多个搅拌器
18
轴向式 搅拌器
径向式 搅拌器
19
4) 档板
❖ ※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧速
率 ❖ 从液面至罐底 ❖ 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防
第七章 发酵罐的比 拟放大
1
发酵设备
❖ 什么是发酵设备？包括那些设备？ ❖ 种子制备设备 ❖ 主发酵设备 ❖ 辅助设备（无菌空气和培养基制备） ❖ 发酵液预处理设备 ❖ 产品提取与精致设备 ❖ 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
2
❖ 主发酵设备或称为发酵罐 ❖ 是发酵工程中最重要的设备之一
3
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
❖ 大生产用：日本味之素：500M3
❖
周口味精厂：200M3
❖
斗门味精厂：600M3
❖
台湾味丹： 660M3
9
三、 发酵设备的类型
1、 按微生物生长：厌氧和好氧发酵设备 2、按发酵罐能量输入方式： 1）内部机械搅拌发酵罐
止物料与菌体堆积 ❖ ※全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附
件而轴功率仍保持不变。
20
全挡板条件下的搅拌流型 竖立的列管/排管也可以起挡板作21用
5) 消泡器
❖ ※将泡沫打破 ❖ 锯齿式、梳状式及孔板式 ❖ 装于搅拌轴上，齿面略高于液面 ❖ 直径罐径的0.8-0.9
22
安装在发酵罐内的消泡器
❖ 碟片数目为4-6个，碟片的斜角约为35度， 两碟片之间的间距约为10mm，碟片上有梳 状筋条高约8mm,这些碟片叠置起来组成碟 片组。碟片组被通气压环压紧在空心轴上， 空心轴通过传动机构转动，转速可达 1400rpm,碟片式消泡器装在发酵罐的顶部， 转轴通过两个轴封与发酵罐及排气管连接。
25
6、连轴器及轴承
16
2、罐体表面各种装置：
❖ 中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔 ❖ 罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或
蒸汽吹管 ❖ 罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、
压力表接管 ❖ 罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管
和测控仪器接口
17
3、 搅拌器 ❖ ※将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提
❖ 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
消泡器的安装
23
❖ 安装在发酵罐外的消泡器
❖ 安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、 旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、 碟片式消泡器和刮板式消泡器等 。
13
14
※（二）、机械搅拌式发酵罐的结构：
1、罐体：
培养微生物的巨大容器，密闭式的，在发酵过程 中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为 2.5×105Pa ❖ 圆柱形，两端椭圆形，受，有力于空气利用率
15
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
6
一、发酵罐的基本概念
发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工 业的心脏
❖ 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
❖ 在有些情况下，密闭容器，简单容器
7
❖ 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
8
4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80150m3，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
❖ ※使上下搅拌轴成牢固的刚性连接
❖ 大型发酵罐的搅拌轴常分为2-3段，用连轴器使上下搅拌 轴成牢固的刚性连接，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承， 大型发酵罐还装有中间轴承
26
7、空气分布装置 ❖ ※吹入无菌空气并
使空气均匀分布 ❖ 单管及环形管式
单管式空气分布装置
通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底， 加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐 底寿命。这叫补强板。通风量在0.02~0.5 ml/sec时，气泡的直径与空气喷 口直径的1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越小。因 而氧的传达室质系数也越大。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因27 此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。
优良的发酵设备应具有的特性
❖ 严密的结构 ❖ 良好的液体混合性能 ❖ 较高的传质和传热速率 ❖ 灵敏的检测和控制仪表
4
本章内容
❖ §1 发酵罐的结构 ❖ §2 搅拌器的形式和轴功率计算 ❖ §3 发酵罐的比拟放大
5
§1 发酵罐的结构
❖ 发酵罐的基本概念 ❖ 发展过程 ❖ 发酵设备的类型 ❖ 机械搅拌发酵罐 ❖ 其他类型的发酵罐
❖ 旋风离心式消泡器
❖ 改进的旋风离心式消泡器，它可以和消 泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡 沫情况自动添加消泡剂
1、泡沫不 多，无 需加消 泡剂。
2、泡沫累 3、消泡结
积，触 束后，
动传感 不再触
器，起 动传感
动消泡 泵加入
器，不 再加入 24
消泡剂。 消泡剂。
❖ 碟片式消泡器
❖ 碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，当泡沫溢 上与碟片式消泡器接触时，泡沫受高速旋转 离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液 态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气 孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐 中而达到消泡目的。
高位塔式发酵罐
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3、 按容积分类
❖ 500L以下的是实验室发酵罐 ❖ 500-50000L是中试发酵罐 ❖ 50000L以上是生产规模的发酵罐
4、 按操作方式
❖ 分批发酵和连续发酵
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四、 机械搅拌发酵罐
（一）、 基本要求： 1）适宜的径高比，罐身较长，氧利用率较高 2）能耐受一定的压力 3）搅拌通风装置 4）足够的冷却面积 5）罐内要减少死角 6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露
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标准发酵罐的几何尺寸 H/D=1.7-4 d/D=1/2-1/3 W/D=1/8-1/12 B/D=0.8-1.0 (s/d)2=1.5-2.5 (s/d)3=1-2
高氧的传质效率 ❖ 使发酵液充分混合，液体中的固形物质保持悬浮
状态 ❖ 使液体产生轴向流动和径向流动，对于发酵而言，
希望以径向液流为主 ❖ 在搅拌轴上配置多个搅拌器
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轴向式 搅拌器
径向式 搅拌器
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4) 档板
❖ ※克服搅拌器运转时液体产生的涡流，增加溶氧速
率 ❖ 从液面至罐底 ❖ 与罐壁之间的距离为1/5-1/8W，避免形成死角，防
第七章 发酵罐的比 拟放大
1
发酵设备
❖ 什么是发酵设备？包括那些设备？ ❖ 种子制备设备 ❖ 主发酵设备 ❖ 辅助设备（无菌空气和培养基制备） ❖ 发酵液预处理设备 ❖ 产品提取与精致设备 ❖ 废物回收处理设备 请问核心部分是什么？
2
❖ 主发酵设备或称为发酵罐 ❖ 是发酵工程中最重要的设备之一
3
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
❖ 大生产用：日本味之素：500M3
❖
周口味精厂：200M3
❖
斗门味精厂：600M3
❖
台湾味丹： 660M3
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三、 发酵设备的类型
1、 按微生物生长：厌氧和好氧发酵设备 2、按发酵罐能量输入方式： 1）内部机械搅拌发酵罐
止物料与菌体堆积 ❖ ※全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内附
件而轴功率仍保持不变。
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全挡板条件下的搅拌流型 竖立的列管/排管也可以起挡板作21用
5) 消泡器
❖ ※将泡沫打破 ❖ 锯齿式、梳状式及孔板式 ❖ 装于搅拌轴上，齿面略高于液面 ❖ 直径罐径的0.8-0.9
22
安装在发酵罐内的消泡器
❖ 碟片数目为4-6个，碟片的斜角约为35度， 两碟片之间的间距约为10mm，碟片上有梳 状筋条高约8mm,这些碟片叠置起来组成碟 片组。碟片组被通气压环压紧在空心轴上， 空心轴通过传动机构转动，转速可达 1400rpm,碟片式消泡器装在发酵罐的顶部， 转轴通过两个轴封与发酵罐及排气管连接。
25
6、连轴器及轴承
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2、罐体表面各种装置：
❖ 中大型发酵罐装有供维修、清洗的入孔 ❖ 罐顶装有窥镜和孔灯，在其内面装有压缩空气或
蒸汽吹管 ❖ 罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管、
压力表接管 ❖ 罐身接管：冷却水进出管、空气进管、温度计管
和测控仪器接口
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3、 搅拌器 ❖ ※将空气打碎成小气泡，增加气-液接触面积，提
❖ 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
消泡器的安装
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❖ 安装在发酵罐外的消泡器
❖ 安装在发酵罐外的消泡器有涡轮消泡器、 旋风离心式消泡器和叶轮离心式消泡器、 碟片式消泡器和刮板式消泡器等 。
13
14
※（二）、机械搅拌式发酵罐的结构：
1、罐体：
培养微生物的巨大容器，密闭式的，在发酵过程 中要保持一定的罐压，通常灭菌的压力约为 2.5×105Pa ❖ 圆柱形，两端椭圆形，受，有力于空气利用率
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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
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一、发酵罐的基本概念
发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工 业的心脏
❖ 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
❖ 在有些情况下，密闭容器，简单容器
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❖ 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
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4）1960-1979，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80150m3，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
❖ ※使上下搅拌轴成牢固的刚性连接
❖ 大型发酵罐的搅拌轴常分为2-3段，用连轴器使上下搅拌 轴成牢固的刚性连接，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承， 大型发酵罐还装有中间轴承
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7、空气分布装置 ❖ ※吹入无菌空气并
使空气均匀分布 ❖ 单管及环形管式
单管式空气分布装置
通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底， 加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐 底寿命。这叫补强板。通风量在0.02~0.5 ml/sec时，气泡的直径与空气喷 口直径的1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越小。因 而氧的传达室质系数也越大。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因27 此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。
优良的发酵设备应具有的特性
❖ 严密的结构 ❖ 良好的液体混合性能 ❖ 较高的传质和传热速率 ❖ 灵敏的检测和控制仪表
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本章内容
❖ §1 发酵罐的结构 ❖ §2 搅拌器的形式和轴功率计算 ❖ §3 发酵罐的比拟放大
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§1 发酵罐的结构
❖ 发酵罐的基本概念 ❖ 发展过程 ❖ 发酵设备的类型 ❖ 机械搅拌发酵罐 ❖ 其他类型的发酵罐
❖ 旋风离心式消泡器
❖ 改进的旋风离心式消泡器，它可以和消 泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡 沫情况自动添加消泡剂
1、泡沫不 多，无 需加消 泡剂。
2、泡沫累 3、消泡结
积，触 束后，
动传感 不再触
器，起 动传感
动消泡 泵加入
器，不 再加入 24
消泡剂。 消泡剂。
❖ 碟片式消泡器
❖ 碟片式消泡器装在发酵罐的顶部，当泡沫溢 上与碟片式消泡器接触时，泡沫受高速旋转 离心碟的离心力作用，将泡沫破碎分离成液 态及气态两相，气相沿碟片向上，通过通气 孔沿空心轴向上排出，液体则补甩回发酵罐 中而达到消泡目的。