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第六章 通风发酵罐

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发酵设备 第五章 通风发酵设备

发酵设备 第五章 通风发酵设备
图34 碟片式消泡器
图33 旋风离心式消泡器
• （3）刮板式消泡器
• 刮板式消泡器由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流 口、气体出口组成。刮板的中心与壳体的中心有一个偏心 距。工作原理是，刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳 体四周，受机械冲击而达到消泡作用。刮板的转速为 1000~1400转/分。消泡后的液体及部分泡沫集中于壳体的 下端，经回流管返回发酵罐，而被分离后的气体则通过气 体出口排出。见图35
1110 1400 1600 1600 1800 2100 2200 3000
φ500 φ700 φ800 φ900 φ900 φ1100 φ1200 φ1400
φ600 φ800 φ900 φ1000 φ1000 φ1200 φ1300 φ1500
340 321 200 280 200 250 200 180
第一节 通风发酵罐
•
•
形状，圆柱形，两端椭圆形？？受力均匀，减 少死角，物料容易排除，比其他型式的封头在 同样使用压力下可用较薄的钢板，见图8。 高度与直径比1.7~4：1，有利空气利用率
图8 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
发酵罐的壁厚及封头厚度的计算
图10 大中型发酵罐上封头
自吸式发酵罐 喷射自吸式发酵罐 文氏发酵罐
气升式发酵罐 伍氏发酵罐 塔式发酵罐
第一节 通风发酵罐
Ⅰ
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，使空气和醪液充分混合 促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁 殖、发酵所需要的氧气。
第一节 通风发酵罐
一.发酵罐的基本条件
100 200
筒体 高度 H(mm) 3200 4700 6600 7000 8000 8000 9400 11500

课程设计--年产350吨土霉素发酵罐设计

课程设计--年产350吨土霉素发酵罐设计

内蒙古科技大学课程设计题目：年产350吨土霉素发酵罐设计学院：数理与生物工程学院班级：10级生物工程（1）班指导老师：郑春丽学生姓名：学号：土霉素是一种广谱抗生素，有一定的副作用。

目前，中国已经成为世界上最大的土霉素生产国，占世界产量70%，主要应用与畜牧业。

土霉素是微生物发酵产物，在国内土霉素提取工艺为用草酸或磷酸做酸化调节PH值，利用黄血盐-硫酸锌做净化剂协同去除蛋白质等高分子杂质，然后用122#树脂脱色进一步净化土霉素滤液,最后调pH至4.8左右结晶得到土霉素碱产品。

本次设计也按照这个工艺流程，分为三级发酵、酸化、过滤、脱色、结晶、干燥等。

由于时间有限及设计要求，此次仅设计年产350吨土霉素的发酵罐和其上相关必要设备。

第一章绪论1.1节引言 (3)1.2节设计目标任务 (4)1.3节设计基本内容 (5)第二章物料衡算2.1节总物料衡算 (6)2.2节发酵工序物料衡算 (6)第三章设备选型3.1.发酵罐的选型 (10)3.2生产能力、数量和容积 (10)第四章接管设计4.1冷却面积的计算 (12)4.2 搅拌器设计 (12)4.3 搅拌轴功率的确定 (13)4.4设备结构的工艺设计 (15)4.5发酵罐壁厚的计算 (19)第五章设计结果与讨论 (21)第六章发酵罐结构图 (22)第七章结论 (23)参考文献第一章 绪论1.1 引言：土霉素Terramycin (Oxytetracycline)是四环类抗生素，其在结构上含有四并苯的基本母核，随环上取代基的不同或位置的不同而构成不同种类的四环素类抗生素。

分子式如图一所示，化学名：6-甲基-4-（二甲氨基）-3,5,6,10,12,12a-六羟基-1,11二氧代-1,4,4a,5,5a,6，11,12a-八氢-2-并四苯甲酰胺。

土霉素属四环素类抗生素，广谱抑菌剂。

许多立克次体属、支原体属、衣原体属、螺旋体对其敏感。

其他如放线菌属、炭疽杆菌、单核细胞增多性李斯特菌、梭状芽孢杆菌、奴卡菌属、弧菌、布鲁菌属、弯曲杆菌、耶尔森菌等亦较敏感。

【发酵工艺学总论】第六章-发酵经济学

【发酵工艺学总论】第六章-发酵经济学

（1）菌株选育对发酵成本的影响
▪ 一般来说，菌种选育约占生产成本的20%-60%，筛选 具有优良性能的菌株和对菌株进行改良是降低生产成 本的有效途径。
a 优良生产菌株的筛选
①提高筛选效率很重要 分离一支有价值的菌株并不容易，通常要花费 较长的时间和代价，甚至花费了大量的精力仍一 无所获。
（1）菌株选育对发酵成本的影响
a 碳源（续）
▪ 在确定培养基配方时，不仅要比较它们的单耗成本，
而且还要考虑通风量与搅拌功率。 （黏度、溶氧）
▪ 工业废料的利用
▪ 优点：以此作为廉价C源，主要意义在其社会效益 显著，保护了环境 。
▪ 缺点：经济效益不如传统原料高。
（2）发酵培养基成本分析
b 矿物质（无机盐）
▪ 原材料中矿物质所占比重一般较小，其中较高的
本章内容
一、概述 二、影响发酵产品成本的主要因素的成本分析
（１）菌株选育 （２）发酵培养基 （３）无菌空气与通气搅拌 （４）动力费（加热、冷却） （５）培养方式 （６）发酵产品的分离纯化 （７）发酵规模 （８）市场经济信息分析及管理技术 三、发酵过程的经济学评价
一、概述
菌株 发酵工程原理 反应过程（代谢、工艺过程及控制）
搅拌转速亦会改变，应根据工艺要求设计，使整个运转费 最低。
（4）动力费（加热、冷却）成本分析
▪ 发酵生产中，需要加热与冷却的工序大体有： ▪ 培养基的加热灭菌（或者淀粉质原料的蒸煮糊化），
然后冷却到接种温度；
▪ 发酵罐及辅助设备的加热灭菌与冷却； ▪ 发酵热的冷却，发酵恒温； ▪ 产物提炼与纯化过程的蒸发、蒸馏、结晶、干燥等。 ▪ 节约冷却水用量的办法 ▪ 采用气升式发酵罐； ▪ 选育嗜热或耐热的生产菌株； ▪ 改变原料路线，少用烃类原料。

第六章-通风发酵设备-第二节搅拌器轴功率的计算

第六章-通风发酵设备-第二节搅拌器轴功率的计算
P0/( N 3D 5) =K [(ND2) / ] m
Np= K ReM m
圆盘六平直叶涡轮 Np＝0.6 圆盘六弯叶涡轮 Np≡4.7 圆盘六剪叶涡轮 Np≡3.7
（二）多只涡轮在不通气条件 下输入搅拌液体的功率计算
在相同的转速下，多只涡轮比单只涡轮输出更 多的功率，其增加程度除叶轮的个数之外，还 决定于涡轮间的距离。
Pn＝nP0
（三）通气情况下的搅拌功率 Pg的计算
同一搅拌器在相等的转速下输入通气液 体的功率比不通气流体的为低。
可能的原因是由于通气使液体的重度降 低导致搅拌功率的降低。
功率下降的程度与通气量及液体翻动量 等因素有关，主要地决定于涡轮周围气 流接触的状况。
通气准数：
Na＝Q/ND3来关联功率的下降程度 Na＜0.035 Pg/P0＝1～12.6Na Na＜0.035 Pg/P0＝1～12.6Na Q——通气量 m3/min
生物工程设备
第六章 通风发酵设备
第二节 搅拌器轴功率的计算
一、搅拌器轴功率的计算 轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率，
是指搅拌器以既定的速度运转时，用以 克服介质的阻力所需的功率。它包括机 械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不 是电动机的轴功率或耗用功率。
（一）搅拌功率计算的基本方 程式
单只涡轮在不通气条件下输送搅拌液体 的功率计算，
牛顿型流体：粘度μ只是温度的函数，与 流动状态无关。服从牛顿粘性定律。
非牛顿流体：粘度μ不仅是温度的函数， 随流动状态而变化。
（一）非牛顿型发酵醪的流变 等特性
牛顿型流体的流态式为直线，服从牛顿特性定 律：
=dw/dr
所有气体以及大多数低分子量的液体都属于牛 顿型流体，（2）彬汉塑型性流体

通风发酵罐

通风发酵罐

酵之 罐机
械 搅 拌 发
➢机械搅拌发酵罐的结构
2
• 大型发酵罐结构 3
1－轴封 ；
2、20－人孔；
3－梯；
4－联轴；
5－中间轴承； 6－温度计接口；
7－搅拌叶轮； 8－进风管；
9－放料口； 10－底轴承；
11－热电偶接口；12－冷却管；
13－搅拌轴； 14－取样管；
15－轴承座； 16－传动皮带；
耙式消泡器
旋.风离心式
叶轮离心式
酵之 罐机
械 搅 拌 发
碟片式消泡器
刮板. 式消泡器
• 联轴器及轴承
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 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。
联轴器
• 小型的发酵罐可采用法Biblioteka 将搅拌轴连接。法兰.
• 轴承
优 点
结构简单，加工容 易，罐内死角少， 容易清洗灭菌
流速大，传热系数 大，降温效果较好。
17－电机；
18－压力表；
19－取样口； 21－进料口；
22－补料口； 23－排气口；
24－回流口； 25－视镜；
图2.1 大型发酵罐结. 构图 动画演示
➢机械搅拌发酵罐的结构
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 小型发酵罐结构
.
图2.2 小型发酵罐结构图
酵之 罐机
械 搅 拌 发
图2.3 自动玻璃发酵罐
图2.4 玻璃搅拌发. 酵罐
受外压的壁厚：
32p4D 0 101pD H HC(m)m
.
酵之 罐机
械 搅 拌 发
• 搅拌器和挡板

通风发酵设备的认知与操作—机械搅拌通风发酵罐

通风发酵设备的认知与操作—机械搅拌通风发酵罐
由于这种空气分布装置的空气分布效果在 强烈机械搅拌的条件下，对氧的传递效果并不 比单孔管好，相反的还会造成不必要的压力损 失，同时由于喷孔容易被物料堵塞，已很少采 用。
联轴器和轴承 常用的联轴器
联轴器和轴承：
联轴器的作用是将两个独 立的轴牢固地联在一起，以进 行传递运动和功率。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 牢固的联接。联轴器随联接的 不同要求而有各种不同的结构， 基本上分为刚性联轴器和弹性 联轴器两类。
竖式蛇管换热装置的优点：
冷却水在管内的流速大；传热系数高，在1200～ 4000kJ／(m2·h·℃)；水的用量较少，适用于冷却用水 温度较低的地区。其缺点是：在冷却用水温度较高的地 区，发酵时降温困难，发酵温度经常超过40℃，影响 发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，增加了 设备投资及生产成本；与其他换热装置相比，蛇管的弯 曲位置更容易蚀穿。
(W )Z (0.1 ~ 0.12)D Z 0.5
D
D
式中D——罐的直径，mm；Z——挡板数；W——挡板宽度，mm。
挡板安装要求：
挡板的数量及安装方式都不是随意的，它们都会 影响流型和动力消耗。
发酵罐内挡板沿罐壁周向均匀分布地直立安装。 在低黏度液体时挡板可紧贴近罐壁上，且与液体环 向流成直角。
国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流 向型搅拌器，作土霉素发酵试验表明，不但消耗功率 下降，发酵指数也提高了近15％。
空气分布器作用 空气分布器形式结构
环形空气分布管
空气分布器：
作用：
空气分布装置的作用是吹入空气，并使空气均匀分 布，通过改变气泡的大小，从而改变气泡的比表面积。
形式结构：
另一类置于罐外，目的是从排气中分离已溢出的 泡沫使之破碎后将液体部分返回罐内，如半封闭式涡 轮消泡器。

通风发酵

通风发酵

第六章反应器的流动模型与放大
在前边讨论的CSTR和CPFR时，引入了全混流和活塞流概念，并称其
为理想流动模型，在实际生产的反应器流动都不符合上述这两种流动模 型，我们称非流动模型，它介于这两种理想流动模型之间。
在前边讨论，知道反应程度与反应时间有关，反应时间越长，反应
越彻底（转化率越高），反之越低。 在间歇操作反应器中由于物料同时放入，反应后同时放出，所以不存
P n V
g 0.5 s
0.4
0.5
kd=
Pg 2.36 3.30 Ni V
0.56
molO2 s0.7 n0.7 109 mL .min. 大气压（ p)
pg------千瓦；V------m3； vs------截面气速cm/min； n-----转数/分 有kLa与kd换算式可得出kLa的算式
P nD P 0.32 Q
2 3 o g 0.08
0.39
若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转 数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。 不通风时搅拌功率;
P 2 4.63N n D 10
3 5 2 P
9
P2=2×4.63×4.7×803×1.35×1060 ×10-9 =87.7（KW）
V N molO N 1000 m t 4 ml min
2 V
C
2、）物料衡算法 VL ×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)
3、KLa与kd的关系 由亨利定律知：p=HC* 由气体分压定律知:p=Px
x 1 N k a Pk a p H H x k 定义： k a H
• p=H C* p*= H C

第五章通风发酵设备

第五章通风发酵设备
上升管和下降管装在罐外的，称为外循环。装在罐内的， 称为内循环。
（一）带升式发酵罐
带升式发酵罐的优特点：结构简单，冷却面积较 小；不需搅拌设备，节省动力约50%；装料系数 达 80~90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌 感染。 但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
带升式发酵罐的工作 机理
就是在罐外装设上升管，上 升管两端与罐底及罐上部相 连接，构成一个循环系统。 在上升管的下部装设空气喷 嘴 ， 空 气 以 205 ～ 300m/s 的 高速度喷入上升管，使空气 分割细碎，与上升管的发酵 液密切接触。由于上升管内 的发酵液比重较小，加上压 缩空气的动能，使液体上升， 罐内液体下降进人上升管， 形成反复的循环。结构有内 循环及外循环两种。
气升环流发酵罐
气升环流发酵罐的型式较多，常 用的有高位，低位及压力发酵罐 几种。
右图 是联邦德国 Hoechst公司 的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐 的高度增大可以提高氧的传递能 力，增大对液流的驱动力。
驱动力的调节通过气体流量控制。 罐的结构简单，易于放大。
图 5-6 是 具 有 外 循 环 冷 却 的 空气提升环流式发酵罐，通 气管与罐底的距离是通气管 直径的0.5～1.5倍，气体经 多孔板送入罐内，多孔板之 下是气液分离带，此处回流 培养液的气泡率降至10%以 下。从罐底引出培养液，用 离心泵输送到热交换器后从 上部回流入罐内。
美国LH发酵有限公司的系列产品容积为1～2、30、 80、100、150L。
气升压力循环发酵罐如右图所示。 设备是以甲醇为原料培养嗜甲基杆 菌，容积达1500m3。上升管在下降 管之内或在下降管之外，可以是同 心圆，也可用挡板相隔。上升管可 以一个或两个以上。顶部与底部相 连接，上升管截面积为下降管截面 积3～8倍。上升管截面为上部的 3～8倍。下部高度是总高的 30～ 60％。发酵罐总高在30m以上，以 40～60m为宜。此时氧的传递量为 8～12kgO2/m3，对微生物生长较为 合适。

第六章 通风发酵设备

第六章 通风发酵设备

3、发酵罐的结构 （1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，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。
（2）搅拌器和挡板：
作用：打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶 解于醪液中。
对于多只涡轮，若符合下述条件则Pn＝nP. （1）对非牛顿型流体：S=2D,牛顿型： S=2.5～3.0D （2）静液面至上涡轮距离：0.5～2D （3）下涡轮至罐底的距离：C=0.5～1.0D
S过小，不能输出最大功率， S过大，则中间区域搅拌 效果不好。 3、通气液体机械搅拌功率Pg的计算 （三）非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响
滑表面紧密的相互贴合，并作相对转动而达到密封。
4、发酵罐装料容积的计算 （1）装料量：一般装料高度为圆柱部分高度的70％，但 泡沫少时可取90％，多时可取60％。 （2）公称容积：罐的圆柱部分和底封 头容积之和（取整数）。 （3）椭圆形封头的容积：可查手册或 用公式计算； （4）罐的全容积； （5）罐体总高度；
(2) 圆盘平直叶涡轮搅拌器 圆盘的作用：无菌空气由单开口管通至搅拌器下方，
大的气泡受到圆盘的阻挡，避免从轴部的叶片空隙上升， 保证了气泡的更好的分散。
圆盘平直叶涡轮搅拌器具有很大的循环输送量和功率 输出，适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿型流体 等。 (3) 圆盘弯叶涡轮搅拌器 圆盘弯叶涡轮搅拌器的搅拌流型与平直涡轮的相似，但 前者造成的液体径向流动较为强烈，因此在相同的
被迫向轴心方向流动，使漩涡消失。 （2）涡轮式搅拌器的流型
在涡轮平面的上下两侧形成向 上和向下的两个翻腾。如不满足 全挡板条件，轴中心位 置也有凹陷的漩涡。

第6章 生物反应器

第6章 生物反应器

第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。

一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。

工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。

6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。

1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。

一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)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，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。

2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。

1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。

3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。

4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。

5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。

6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。

生物反应与设备—发酵罐的操作(生物制药设备课件)

生物反应与设备—发酵罐的操作(生物制药设备课件)
在发酵过程中，通过调节控制通风量和 搅拌转速的方法达到对溶氧浓度的调控。
项目二 发酵罐操作技术
项目二 发酵罐操作技术
项目二 发酵罐操作技术
溶氧电极 （Do）
有原电池溶氧电极和极谱溶氧电极
原电池溶氧电极采用一对不同金 属材质制作的两个电极，将其浸没 在发酵液中，溶解氧得电子所产生 的电流强度与氧气的浓度成正比， 电信号经变送器输送，并在显示器 上显示出溶解氧浓度。
项目二 发酵罐操作技术
2.搅拌器 搅拌器安装在搅拌轴上，起着将空气分散成气泡并
与发酵液充分混合，提高溶氧速率的作用。
搅拌器的叶轮有多种形式，有涡轮式和螺旋桨式两种。 （1）涡轮式搅拌器
中央圆盘上设置 六个叶片，可分为平 叶式和弯叶式两种。
项目二 发酵罐操作技术
（2）螺旋桨式搅拌器 采用类似螺旋推进器的结构，在发酵罐内形成由下
机械搅拌 通风发酵罐 的主要部件有罐体、 搅拌器、挡板、空气 分布器、换热器、消 泡器、人孔、视镜等.
项目二 发酵罐操作技术
1.罐体 罐体是空心圆柱体上下两底焊接封头后所构成的容器。 圆柱体高径之比为1.7～3。
罐体一般采用卫级不锈钢，要求能耐受130℃的高 温和的绝对压力。
封头上设置有进料管、无菌呼吸口、接种管、人孔、 视镜、压力表和取样管等。罐侧壁上设计有各种检测仪器 接口以及换热器的进出口。无菌压缩空气从罐底部通入， 经空气分布管进入发酵液。
项目二 发酵罐操作技术 3.轴封
连接搅拌器的搅拌轴在电动机的驱动下转动，搅拌 轴与罐体间的缝隙通过轴封实现密闭。发酵罐上常采用端 面机械轴封。
端面机械轴封由动环和静环构成 动环由碳化钨钢制成， 静环由聚四氟乙烯制成
动环和静环具有导热性能好，摩擦系数小等特性。

5 第五章 通风发酵罐.

5 第五章 通风发酵罐.
心式消泡器装于排气口上. 法兰的垫圈要上紧，过松会造成渗入空气现象。 绞牙的填料很容易渗漏，特别是经常震动的管 路更容易渗漏，管路连接用电焊法较好. 阀杆是经常转动的，填料容易被旋松而造成渗 漏，所以每生产一批后均应检查旋紧填料或更换 填料。
刮板式消泡器:卧式偏心刮板消泡器，立式刮板式消泡器。 刮板式消泡器:卧式偏心刮板 由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成。 由刮板、轴承、外壳、气液进口、回流口、气体出口组成 刮板的中心与壳体的中心有一个偏心距。 工作原理:刮板旋转时使泡沫产生离心力被甩向壳体四周， 受机械冲击而达到消泡作用。板的转速为1000~1400r/min。 消泡后的液体返回发酵罐，气体则通过气体出口排出。
机械搅拌发酵罐 自吸式发酵罐 气升式发酵罐 通风发酵罐类型 喷射自吸式发酵罐 伍氏发酵罐 文氏发酵罐 塔式发酵罐
机械搅拌通风 通风发酵罐 §1 机械搅拌通风发酵罐[70~80%] 一、结构 、 它由圆柱体及椭圆形或碟形 封头焊接而成，碳钢或不锈钢， 封头焊接而成，碳钢或不锈钢， 对于大型发酵罐可用衬不锈钢板 或复合不锈钢制成， 或复合不锈钢制成，衬里用的不 锈钢板厚为2~3mm。 锈钢板厚为2~3mm。 为了在一定压力下操作、 为了在一定压力下操作、空消或 实消，罐为一个受压容器， 实消，罐为一个受压容器，通常 灭菌压力为2.5 2.5kg/cm 绝对） 灭菌压力为2.5kg/cm2（绝对）
2]挡板:作用是改变液流的方向， 2]挡板:作用是改变液流的方向，由径向流改 挡板 为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 为轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。 挡板宽度取（0.1-0.12）D，设4~6块即可满足 全挡板条件。 全挡板条件” “全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐 内附件而轴功率仍保持不变。 内附件而轴功率仍保持不变。要达到全挡板 条件必须满足下式要求： (B/D)Z=[(0.1~0.12)D/D] × Z=0.5

生物工程设备复习大纲

生物工程设备复习大纲

1．1生物反应器设计基础1、发酵罐数的确定。

可参考课件作业1．2通风发酵罐1、通风发酵罐的主要类型及其原理、优缺点或特点。

答：1. 机械搅拌发酵罐(TRC) 工作原理：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，以保证供氧。

优点：高生产效率，高经济效益。

2. 气升式发酵罐(ALR) 工作原理：把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。

特点： 1）反应溶液分布均匀2）较高的溶氧速率和溶氧效率3）剪切力小4）传热良好5）结构简单6）能耗小7）不易染菌8）操作和维修方便3. 自吸式发酵罐 工作原理： 不需空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。

优点： (1)不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积；(2)溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低； (3)生产效率高、经济效率高(4)设备便于自动化、连续化。

缺点： 较易产生杂菌污染，需配备低阻力损失低高效空气过滤系统，罐压较低，装料系数约为40％。

4. 通风固相发酵罐 优点：设备简单，投资省。

2、机械搅拌通风发酵罐装配图、各部件作用及原理。

1－轴封 ； 2、20－人孔；3－梯； 4－联轴；5－中间轴承； 6－温度计接口；7－搅拌叶轮； 8－进风管；9－放料口； 10－底轴承；11－热电偶接口； 12－冷却管；13－搅拌轴； 14－取样管；15－轴承座； 16－传动皮带；17－电机； 18－压力表；19－取样口； 21－进料口；22－补料口； 23－排气口；b p t t t +=24－回流口； 25－视镜；3、机械搅拌通风发酵罐轴功率的计算（非通气状态和通气状态注意参数单位）。

非通气状态： 通气状态：1．3嫌气发酵罐1、酒精发酵罐和啤酒发酵罐的结构特点。

通风发酵设备的认知与操作—其他类型通风发酵罐

通风发酵设备的认知与操作—其他类型通风发酵罐

特点
塔式发酵罐的优点是：罐身高，高径比为6～7； 罐内装有导流筒；液位高，空气利用率高，节约空气 约50％；动力消耗少，节约动力约30％；不用电机 搅拌省去轴封，容易密封，减少剪切作用对细胞的损 害；设备结构简单，造价较低。
其缺点是：罐底有存在沉淀物的现象；温度高时 降温较难。
塔式发酵罐适用于多级连续发酵，有的多级连续
特点
文氏管自吸式发酵罐的优点是：设备简单，无 需空气压缩机及搅拌器，动力消耗省；吸氧的效率 高，气液固三相混合均匀。
其缺点是气体吸人量与液体循环量之比较低， 对于好氧量较大的微生物发酵不适宜。
特点 结构 充气原理 装置类型
自吸式发酵罐
自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而 是利用特定的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气 装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传 质的发酵罐。自吸式发酵罐用于生产葡萄糖酸钙、 维生素C、酵母、蛋白酶等发酵产品。
结构 特点 工作机理 性能的主要因素
带升式发酵罐
带升式发酵罐是以气体为动力，靠导流装置的引 导，形成气液混合物的总体有效循环。罐内分为上升 管和下降管。
从上升管通入气体，使管内气体含量升高，密度 变小，气液混合物向上升，气泡变大，至液面处气泡 破裂，气体由排气口排出。
剩下的气液混合物密度较上升管内的气液混合物 大，由下降管下降，从而形成循环。
自吸式发酵罐的缺点是进罐空气处于负压，增加了染 菌机会；搅拌转速高，有可能使菌丝被切断，使正常的生 长受到影响。
自吸式发酵罐结构 自吸式发酵罐的主要构件是自吸搅拌器及导
轮，简称为转子及定子。转子由底部的主轴带动， 当转子转动时空气则由导气管吸入。自吸式发酵 罐的结构如下图所示。
充气原理
自吸式发酵罐的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速 旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，转子转速越大， 所造成的负压也越大，由于转子的空膛用管子与大气 相通，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的 液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，在湍 流状态下混合、翻腾、扩散到整个罐中，自吸式充气 装置在搅拌的同时完成充气作用。

发酵工程第六章发酵罐

发酵工程第六章发酵罐
自吸式发酵罐最初应用于醋酸发酵，如今已应用 于抗生素、维生素、有机酸、酶制剂、酵母等生产。
机械搅拌自吸式发酵罐
喷射自吸式发酵罐：文氏管自吸式、 溢流喷射自吸式
自吸式发酵罐使用的是 带中央吸气口的搅拌器。搅 拌器由从罐底向上伸入的主 轴带动，叶轮旋转时叶片不 断排开周围的液体使其背侧 形成真空，于是将罐外空气 通过搅拌器中心的吸气管而 吸人罐内，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。
电机
机械搅拌自吸式发酵罐
优点：
① 不用空气压缩机或鼓风机，节省投资；
② 在所有机械搅拌通气发酵罐形式中，自吸式充
气发酵罐的充气质量是最好的．通入发酵液中的
每立方米空气可形成2315m2的气液接触界面面积；
③ 动力消耗低。（如，以糖蜜为基质培养酵母时， 自吸式充气发酵罐生产lkg干酵母的电耗为 o.5kw· h左右)
第六章 发酵罐
发酵的一般流程
培养基配制 种子扩大培养 培养基灭菌 空气除菌 发酵设备
发酵生产
下游处理
需氧发酵罐：需氧发酵，需通气。 用于 抗 生素、酶制剂、氨基酸发酵
嫌气发酵罐：厌氧发酵，无需通气 。用于 酒精发酵
发酵罐必须满足以下基本要求： （1）具备严密的结构，气密性好。 （2）具有良好的液体混合性能。 （3）应具有足够的冷却面积。 （4）能承受一定的高温高压。 （5）发酵罐内部应抛光，尽量减少死角， 避免藏垢积 污，使灭菌彻底，避免染菌。 （6）有可靠的检测仪表。
文氏管发酵罐
喷射自吸式发酵罐
第二节嫌气发酵设备
酒精发酵罐
啤酒锥形 发酵罐
CIP自动清 洗系统
第三节表面培养设备（自学）

通风发酵设备

通风发酵设备
(3) IPX/SPX及其兼容协议
IPX/SPX(网际包交换/序列包交换)协议主要应用在基于NetWare操作系统的 Novell局域网中，基于其他操作系统的局域网(如Windows Server 2003)能够通 过IPX/SPX协议与Novell网进行通信。在Windows 2000/XP/2003系统中， IPX/SPX协议和NetBEUI协议被统称为NWLink。
协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方 式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。
基本型协议使用于简单的低速通信系统，传输速度一般不超过9600bps，通信为 异步/同步半双工方式，差错控制为方针码校验。高级链路控制协议采用统一的
帧格式，可靠性高，效率高，透明性高，广泛用于公用数据网和计算机网。传输 速率一般在2.4kbps到64kbps，通信为同步全双工方式连续发送，差错控制为循 环冗余码校验。实际上，通信协议一般分成互相独立的若干层次，见图2-34。按 ISO的OSI七层参考模型(见2.4节)，功用数据网的数据通信协议主要涉及前三层， 即物理层、数据链路层和网络层。
5 44
2 55
2 3 2 ACAKA3 C2CKKA4 23 2CAKAC34 CKK35 34
6 55
66
0
1
2
3
4
5
2
3
4
5
6
一个节点，他们之间的“语言”是相通的吗？用哪种语言说话？什么时候说
话？说什么话？
本节首先介绍了通信协议的定义、通信协议的三要素、常见的通讯协议
类型等，之后结合媒体访问控制技术具体展示了网络协议的概念，最后针对
协议 协议 协议

第六章 通风发酵设备

第六章 通风发酵设备
排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械
搅拌产生的热量的装置 在发酵过程中，放出的热量可用如下的热 平衡方程式：
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射
Q发酵发酵过程中释放的净热量 Q生物—生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和
发酵热 Q搅拌—3600Pg，Pg 搅拌功率， 功热转化率 860（Pg/V） Pg/V，单位体积培养液所消耗的功率（在通气 情况下） 860，热功当量，kcal/kw h
竖式列管（排管）换热装置
传热系数较蛇管低，用水量也较大。
5、机械消沫装置
发酵液中含有大量的蛋白质，在强烈的
通气搅拌下产生大量的泡沫。 导致发酵液的外溢和增加染菌机会 须用加消沫剂的方法去除， 泡沫的机械强度较差和泡沫量较少时， 采用机械消沫装置也有一定作用。其作 用是将泡沫打碎。
Q蒸发—排出空气带走水分所需的潜热 Q显—排出空气带出的显热 Q辐射—因罐外壁与大气间的温度差使罐壁向大
气辐射的热量 Q蒸发+Q显=Q空气=(I2-I1)(L/V) L/V —单位培养液体所导入的干空气重量 Kg/m3 I2-I1 —空气进入及离开发酵罐时的热含量 Kcal/Kg
发酵换热装置的形式
1.夹套式换热装置
多用于容积较小的发 酵罐、种子罐。一般小于5m3，夹套的高 度比静止液面高度较高即可，约高 50~100mm。夹套的宽度对于不同直径的 发酵有不同的尺寸，一般为50~200mm，
具体设计
Dg 500~600 700~1800 2000~3000
Dp
Dg+50
生物工程设备
第六章 通风发酵设备
对通风发酵设备的要求
（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，

第六章 通风发酵罐

第六章 通风发酵罐


压力要求：为了满足工业要求，在一定压力下操作、 空消或实消，发酵罐为一个受压容器，通常灭菌的压
力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
搅拌器

搅拌装置：多采用涡轮搅拌桨，一般在一根轴上安装多个
搅拌桨，搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。

搅拌器种类：平叶式、弯叶式、箭叶式
作用：打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅拌程度来说，以
消泡装置

三、离心式消泡器： 置于发酵罐
的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡
沫破碎，液体仍然返回罐内。

四、刮板式消泡器：安装于发酵罐
的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋 转 的 刮 板 中 ， 刮 板 转 速 为 1000—1450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用， 液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则 由汽孔排出。
形成激烈循环。
挡 板

挡板作用：是改变液流的方向，
由径向流改为轴向流，促使液体激
烈翻动，增加溶解氧。

通常挡板宽度取（0.1-0.12）D， 装设4-6块即可满足全挡板条件。
挡板
所谓“全挡板条件”是指在一定转速下，增加罐内附件而轴功
率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：

D—罐的直径（mm） Z—挡板数 W—挡板宽度（mm）
第三节发酵罐类型
通用式机械搅拌发酵罐

1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封
8、控温装置
9、附属设施
自吸式发酵罐
分类： ①回转翼片式自吸搅拌器； ②喷射式自吸搅拌器； ③具有转子和定子的自吸搅拌器。
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器下面，管口与罐底的距离约40mm，开口
往下，可尽量避免固体物料在管口堆积或在 罐底沉降。

若距离过大，空气分散效果较差，该距离可
根据溶氧情况适当调整。
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
止泄漏和污染杂菌。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封
两种。
安装在旋转轴与设备之间
的部件，它的作用是阻止工
求。
发酵罐的类型
3．按容积分类 实验室发酵罐 中试发酵罐 生产规模的发酵罐
第二节
通风发酵设备
通用式机械搅拌发酵罐

通用式机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。

在工业生产中，尤其是制药工业中，通用式机械搅拌发酵
罐是最广泛应用的深层好气培养设备 。

这种发酵罐既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装 置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部，也可置于其 底部。
节省动力，减少染菌等。
气升式发酵罐实物照片
气升式发酵罐

工作原理： 外循环气流搅拌罐是将空气上升
管装在罐外，下端与罐底连通，
管底装空气喷嘴，压缩空气以 250～300m／s高速喷出，与上
升管内醪液接触，由于气液混合
体密度小于罐内醪液，所以在管 内上升，管上端与罐身切线相连，
液体由切线进入在罐内回旋下降，
第三节发酵罐类型
通用式机械搅拌发酵罐

1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封
8、控温装置
9、附属设施
自吸式发酵罐
分类： ①回转翼片式自吸搅拌器； ②喷射式自吸搅拌器； ③具有转子和定子的自吸搅拌器。
优点：不需要压缩机提供压缩空气，节省

自动化程度较高的发酵罐，采用可控变频装置，根据
溶氧测定仪连续测定发酵液中溶解氧浓度的情况，并
按照微生物生长的耗氧情况及发酵情况，随时自动变
更转速，这种装置进一步节约了动力消耗，并可相应
提高发酵产率，但其装置颇为复杂。
空气分布装置

空气分布装置作用：吹入无菌空气，并使空 气均匀分布。 分布装置形式：空气分布器有带孔的平板、 带孔的盘管或只用单孔管等。常用的为单管 式，管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌

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。

什么是刚性连接？
联轴器及轴承

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。
全挡板条件下的搅拌流型
挡板

竖立的列管，排管，也可
以起挡板作用，故一般具
有冷却列管或排管的发酵 罐内不另设挡板。但冷却
管为盘管时，则应设挡板。

挡板与罐壁之间的距离为 （1/5~1/9）W，避免形成 死角，防止物料与菌体堆 积。
思考题

优良发酵罐装置要求是什么？

机械搅拌发酵罐基本条件？
联轴器及轴承
定子模型 四弯叶自吸式叶轮转子模型
四弯叶自吸式叶轮转子和定子 结构
六直叶自吸式叶轮转子模型
塔式发酵罐

塔式发酵罐：
直立长圆筒，筒内安装孔板，有的还在罐内安 装搅拌器，罐壁四周装挡板。与分批的机械搅拌 发酵罐类似，有的塔顶横截面扩大，可以降低流 速并截留液体夹带的悬浮物。发酵液和空气可以 并流，也可逆流。

进出料口：主要为进料和出料用，同时还有补料 口等。
测量系统：传感系统，用以测量pH、溶氧等，传 感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。


附属系统：视镜。
发酵罐装料容积

发酵罐装料容积： 在一般情况下，装料高度取决于罐圆柱部分高度， 但须根据具体情况而定。采用有效的机械消泡装 置，可以提高罐的装料量。
第六章 发酵设备
第一节 发酵设备概述

发酵主要设备: 发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料
（培养基）调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除
菌设备，以及搅拌器等。

种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。 发酵罐：承担产物的生产任务。 它必须能够提供微生物
生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证 工艺条件的实现，从而获得高产。
（3）要保证发酵液必需的溶解氧。 （4）发酵罐应具有足够的冷却面积。 （5）发酵罐内应尽量减少死角，灭菌能彻底，避免染菌。 （6）搅拌器的轴封应严密，减少泄漏。
通用型机械搅拌发酵罐罐体的尺寸比例
H 1.7 3.0 D d 1 1 D 2 3 W 1 1 D 8 12 B 0.8 1.0 D s 1 3 d s 两搅拌桨间的距离 m B 下搅拌桨距底部的间距 m d 搅拌器直径 m H 发酵罐筒身高度 m W 挡板宽度 m D 发酵罐内径 m H L 罐内液位高度 m

有关的重要因素是氧传递效率，功率输入、混合质量，搅 拌桨形式和发酵罐的几何比例等。
通用式机械搅拌发酵罐

优点：使用性好、适应性强、易放大。
缺点：罐内的机械搅拌剪切力大，容易损伤细胞，造成
某些细胞培养过程的减产。

机械搅拌发酵罐基本条件
（1）发酵罐应具有适宜的高径比。
（2）发酵罐能承受一定的压力。
消泡装置

三、离心式消泡器： 置于发酵罐
的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡
沫破碎，液体仍然返回罐内。

四、刮板式消泡器：安装于发酵罐
的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋 转 的 刮 板 中 ， 刮 板 转 速 为 1000—1450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用， 液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则 由汽孔排出。
厌气：酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。
发酵罐的类型
2. 按照发酵罐设备特点分类： 机械搅拌通风发酵罐：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罐和自吸发酵罐等。
非机械搅拌通风发酵罐 ：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。
这两类发酵罐是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
设备费。 缺点：进罐空气处于负压，增加染菌机会，
且搅拌转速很高，有可能使菌丝被切
断，使正常生长受到影响。
自吸式发酵罐

具有转子和定子搅拌器的吸气原理： 浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体 和空气在离心力的作用下，被甩向叶轮 外缘。这时，转子中心处形成负压，转 子转速愈大，所造成的负压也愈大。由 于转子的空膛与大气相通，发酵罐外的 空气通过过滤器不断地被吸入，随即甩 向叶轮外缘，再通过导向叶轮使气液均 匀分布甩出。转子的搅拌，又使气液在 叶轮周围形成强烈的混合流，空气泡被 粉碎，气液充分混合。
平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。
消泡装置

机械消泡。机械消泡装置主要有四种。

一、锯齿式消泡桨 ： 安装于罐内顶部、
高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随
搅拌轴转动，不断将泡沫打破。

二、半封闭式涡轮消泡器 ：是由前
者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打
碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。

压力要求：为了满足工业要求，在一定压力下操作、 空消或实消，发酵罐为一个受压容器，通常灭菌的压
力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
搅拌器

搅拌装置：多采用涡轮搅拌桨，一般在一根轴上安装多个
搅拌桨，搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。

搅拌器种类：平叶式、弯叶式、箭叶式
作用：打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅拌程度来说，以

罐的特点：
罐身高，高径比为6；土霉素等生产用的设备， 高径比达到7。由于液位高，空气利用率高，节 省空气约5%，节省动力约30%，但底部存在沉淀 现象。
气升式发酵罐

气升式发酵罐：称为气流搅拌发酵罐， 不用机械搅拌，借通风起到搅拌作用 并供给氧气。

特点：结构简单，冷却面积小，无搅 拌传动设备，料液充满系数大，无须 加消泡剂，维修、操作及清洗简便，
作介质（液体、气体）沿转 动轴伸出设备之处泄漏。
控温装置

控温部分：在发酵罐上装有测温的传感 仪及冷却和加热用的夹套或盘管。

5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型
发酵罐采用列管冷却（四至八组）。

夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效
果，同时对罐身起加强作用。冷却列管 极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢制 造。

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%，以适应温度差的变化
变速装置

发酵罐采用无级变速装置，发酵 罐常用的变速装置有三角皮带， 圆柱或圆锥齿轮变速装置，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。
变速装置
挡 板

挡板作用：是改变液流的方向，
由径向流改为轴向流，促使液体激
烈翻动，增加溶解氧。

通常挡板宽度取（0.1-0.12）D， 装设4-6块即可满足全挡板条件。
挡板
所谓“全挡板条件”是指在一定转速下，增加罐内附件而轴功
率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：

D—罐的直径（mm） Z—挡板数 W—挡板宽度（mm）
形成激烈循环。
发酵罐