发酵罐的设计与放大
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啤酒发酵罐设计
啤酒发酵罐设计：一罐法发酵，即包括主、后发酵和贮酒成熟全部生产过程在一个罐内完成。
1）发酵罐容积的确定：根据设计，每个锥形发酵罐装四锅麦汁，则每个发酵罐装麦汁总量V＝59.35×4＝237.4 m3锥形发酵罐的留空容积至少应为锥形罐中麦汁量的25%，则发酵罐体积至少应为237.4(1＋25%)＝296.75 m3,为300 m3。
取发酵罐体积V全2）发酵罐个数和结构尺寸的确定：发酵罐个数N＝nt/Z＝8×17/4＝34 个式中n—每日糖化次数t—一次发酵周期所需时间Z—在一个发酵罐内容纳一次糖化麦汁量的整数倍锥形发酵罐为锥底圆柱形器身，顶上为椭圆形封头。
设H﹕D＝2.5﹕1，取锥角为70°，则锥高h＝0.714DV全＝лD2H/4＋лD2h/12＋лD3/24得D＝5.1 m H＝2.5D＝12.8 m h＝3.6 m查表知封头高h封＝h a＋h b＝1275＋50＝1325 mm罐体总高H总= h封＋H＋h＝1325＋12800＋3600＝17725 mm3）冷却面积和冷却装置主要结构尺寸确定：因双乙酰还原后的降温耗冷量最大，故冷却面积应按其计算。
已知Q＝862913 kJ/h发酵液温度14℃3℃冷却介质（稀酒精）-3℃2℃△t1＝t1－t2′＝14－2＝12℃△t2＝t2－t1′＝3－（-3）＝6℃平均温差△t m＝(△t1－△t2)/㏑(△t1/△t2)＝(12－6)/ ㏑(12/6)＝8.66℃其传热系数K取经验值为4.18×200 kJ/(m2﹒h﹒℃)则冷却面积F＝Q1/K△t m＝862913/（4.18×200×8.66）＝119.2 m2工艺要求冷却面积为0.45～0.72 m2/ m3发酵液实际设计为119.2/237.4＝0.50 m2/ m3发酵液故符合工艺要求。
选取Ф109×4.5半圆形无缝钢管作为冷却管，d内＝100mm,d平均＝105mm每米管长冷却面积F0＝105×10-3×1＝0.105 m2则冷却管总长度L＝F/ F0＝119.2/0.105＝1135 m筒体冷却夹套设置二段，且均匀分布。
发酵罐的设计与放大
对于均匀相反应主要是①、⑥两点， 目前已广泛地用于制药、味精、酶制、食 品行业等。
发酵罐的组成
• 主要包括釜体、搅拌装置、传热装置、轴封 装置。还根据需要加其他的附件，如各种接 管(为了便于检修内件及加料、排料)，安装 温度计、压力表、视镜、安全泄放装置(为了 操作过程中有效地监视和控制物料的温度、 压力)等。
• 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。
• 减少工厂发酵设备投资约30％左右，酵母 发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离 酵母后的废液量少。
• 设备结构简单，溶氧效果高，能保证发酵 所需的空气，并能使气液分离细小，均匀 地接触，吸入空气中70-80%的氧被利用。 操作方便。
• 电量小
采用不同型式、容积的自吸式发酵罐 生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵 母、蛋白酶等，都取得了良好的效果。
1.5 固定化发酵罐
• 圆筒形的容器中填充固定化酶或固定化微 生物的设备。
• 生物利用率高
1.6 管道式发酵罐
• 利用液体的流动代替搅拌 作用，实现混合和传质的 目的。处于试验阶段。
改良通风式发酵罐
• (1)瓦尔德夫发酵罐，有独特的消泡装置。 • (2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐。上搅
自吸式发酵罐的结构
• 罐体 • 自吸搅拌器及导轮 • 轴封 • 换热装置 • 消泡器
自吸式发酵罐的充气原理 • 自吸式发酵罐的主要的构件是
发酵罐的组成
• 主要包括釜体、搅拌装置、传热装置、轴封 装置。还根据需要加其他的附件，如各种接 管(为了便于检修内件及加料、排料)，安装 温度计、压力表、视镜、安全泄放装置(为了 操作过程中有效地监视和控制物料的温度、 压力)等。
• 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。
• 减少工厂发酵设备投资约30％左右，酵母 发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离 酵母后的废液量少。
• 设备结构简单，溶氧效果高，能保证发酵 所需的空气，并能使气液分离细小，均匀 地接触，吸入空气中70-80%的氧被利用。 操作方便。
• 电量小
采用不同型式、容积的自吸式发酵罐 生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵 母、蛋白酶等，都取得了良好的效果。
1.5 固定化发酵罐
• 圆筒形的容器中填充固定化酶或固定化微 生物的设备。
• 生物利用率高
1.6 管道式发酵罐
• 利用液体的流动代替搅拌 作用，实现混合和传质的 目的。处于试验阶段。
改良通风式发酵罐
• (1)瓦尔德夫发酵罐，有独特的消泡装置。 • (2)一种带有上下两个分离搅拌器的发酵罐。上搅
自吸式发酵罐的结构
• 罐体 • 自吸搅拌器及导轮 • 轴封 • 换热装置 • 消泡器
自吸式发酵罐的充气原理 • 自吸式发酵罐的主要的构件是
第五章、发酵罐的设计与比拟放大
机械搅拌发酵罐的放大 一、比拟放大方法 (一)、放大依据 氧传递速度相等； 1、氧传递速度相等； 2、比较搅拌桨叶顶端速度 在通气培养时，比较单位液量所需的搅拌功率； 3、在通气培养时，比较单位液量所需的搅拌功率； 混合时间相同； 4、混合时间相同； 雷诺准数相等； 5、雷诺准数相等； 通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致。 6、通过反馈控制尽可能使重要环境因子一致。 前五项都是以化学工程学为基础的物理方法。 前五项都是以化学工程学为基础的物理方法。第六项是 以控制环境条件调节所培养的微生物的生理变化( 以控制环境条件调节所培养的微生物的生理变化(细胞 内代谢活性变化) 内代谢活性变化)，以达到重复所需产物生成过程的方 法。
两个例外 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时， 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时 ，营养物 从油滴表面扩散的速度对生长限制， dX/dt为常数 为常数， 从油滴表面扩散的速度对生长限制 ， dX/dt 为常数 ， 从而显示线性生长。 从而显示线性生长。 在某些情况下，丝状微生物的生长速度也不符合指 在某些情况下， 数生长方程。由于这些微生物进行顶端生长， 数生长方程。 由于这些微生物进行顶端生长，营养 物在细胞组织中扩散， 物在细胞组织中扩散， 生长速度符合分数级反应速 度公式(如立方根生长) 度公式(如立方根生长)。
(二)、放大方法 1、几何尺寸放大 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等， 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等，一般是根 据几何相似原则放大的。大设备的体积V 据几何相似原则放大的 。 大设备的体积 V2与小设备 的装料体积V 之比，称为体积放大倍数。 的装料体积 V1之比， 称为体积放大倍数 。 在放大过 程中，一般采用大、小反应器直径之比D 程中，一般采用大、小反应器直径之比D2/D1，并定 义为放大比。在机械搅拌反应器中，若放大时几何 义为放大比。 在机械搅拌反应器中， 相似， 则放大比还可用搅拌器直径之比D 相似 ， 则放大比还可用搅拌器直径之比 Di2 ／ Di1 来 代替。 代替。 因：V∝D3 则：D2/D1 = Di2／Di1 = (V2/V1)1/3
两个例外 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时， 当利用碳氢化合物作为微生物的营养物时 ，营养物 从油滴表面扩散的速度对生长限制， dX/dt为常数 为常数， 从油滴表面扩散的速度对生长限制 ， dX/dt 为常数 ， 从而显示线性生长。 从而显示线性生长。 在某些情况下，丝状微生物的生长速度也不符合指 在某些情况下， 数生长方程。由于这些微生物进行顶端生长， 数生长方程。 由于这些微生物进行顶端生长，营养 物在细胞组织中扩散， 物在细胞组织中扩散， 生长速度符合分数级反应速 度公式(如立方根生长) 度公式(如立方根生长)。
(二)、放大方法 1、几何尺寸放大 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等， 罐尺寸。搅拌器及罐内各部位置等，一般是根 据几何相似原则放大的。大设备的体积V 据几何相似原则放大的 。 大设备的体积 V2与小设备 的装料体积V 之比，称为体积放大倍数。 的装料体积 V1之比， 称为体积放大倍数 。 在放大过 程中，一般采用大、小反应器直径之比D 程中，一般采用大、小反应器直径之比D2/D1，并定 义为放大比。在机械搅拌反应器中，若放大时几何 义为放大比。 在机械搅拌反应器中， 相似， 则放大比还可用搅拌器直径之比D 相似 ， 则放大比还可用搅拌器直径之比 Di2 ／ Di1 来 代替。 代替。 因：V∝D3 则：D2/D1 = Di2／Di1 = (V2/V1)1/3
从摇瓶到发酵罐地发酵放大问题
我们是没隔一个小时补料一次，在几分钟就完成了。我的也是10L的，每次补料1L。在后期就看着溶氧上升就加料。
boss说这是行业内的一个未解之谜。越有鼓包，菌的性能越好。
你们大肠杆菌高密度怎么做到200的？我们做死只能在120-130之间，我们是要表达目标蛋白的，T7启动子，Lac诱导。
诱导点延后到OD达到45以后，用氨水做氮源，甘油做碳源，DO达不到30%以上时补纯氧
回复
高密度培养技术，也就是高密度发酵技术，提高菌体的发酵密度，最终提高产物的比生产率（单位体积单位时间内产物的产量）不仅可以减少培养体积，强化下游分离提取，还可以缩短生产周期，减少设备投资从而降低生产成本，能极大的提高产品在市场上的竞争力．而高密度发酵工艺与优化控制技术在基因工程(Genetic Engineering)类药物上的应用前景广阔，国内外技术空白较多。
我现在做的也和楼主的问题有些相似，就是发酵罐接种后4h左右溶氧回升，后会沉寂几小时后又开始生长，我的表达产物表达得不好，很头疼，看完上面的交流后我觉得我可以试试调整培养基试一试。
据体是几个小时呀？如果是8个小时以上，很有可能是污染和种子退化的问题。培养基的话，目前发现安琪的酵母粉和蛋白胨都不适合做大肠肝菌发酵。
总之吧，摇瓶肯定是基础，只有在摇瓶的基础上进行系统的发酵罐的研究才能真正适合生产。再者，你就是由小罐到大罐的工艺操作还是不尽相同。
仅供参考，大家多交流！
微生物发酵的放大实验，要注意反应罐的培养温度，培养基浓度，PH值，搅拌转速，还要不断的反应罐增加补料。
温度好控制
pH上罐子是可以调节的，在摇床上你只能定时取样检测
一切条件都满足啊，但微量元素我就不敢确定啦，不晓得你们的微量元素是不是20uM/L。
你用的无机盐的培养基呀，加1%的蛋白胨，0.5%的酵母粉，三氯化铁0.2mM，其它微量元素不加都可以的
boss说这是行业内的一个未解之谜。越有鼓包，菌的性能越好。
你们大肠杆菌高密度怎么做到200的？我们做死只能在120-130之间，我们是要表达目标蛋白的，T7启动子，Lac诱导。
诱导点延后到OD达到45以后，用氨水做氮源，甘油做碳源，DO达不到30%以上时补纯氧
回复
高密度培养技术，也就是高密度发酵技术，提高菌体的发酵密度，最终提高产物的比生产率（单位体积单位时间内产物的产量）不仅可以减少培养体积，强化下游分离提取，还可以缩短生产周期，减少设备投资从而降低生产成本，能极大的提高产品在市场上的竞争力．而高密度发酵工艺与优化控制技术在基因工程(Genetic Engineering)类药物上的应用前景广阔，国内外技术空白较多。
我现在做的也和楼主的问题有些相似，就是发酵罐接种后4h左右溶氧回升，后会沉寂几小时后又开始生长，我的表达产物表达得不好，很头疼，看完上面的交流后我觉得我可以试试调整培养基试一试。
据体是几个小时呀？如果是8个小时以上，很有可能是污染和种子退化的问题。培养基的话，目前发现安琪的酵母粉和蛋白胨都不适合做大肠肝菌发酵。
总之吧，摇瓶肯定是基础，只有在摇瓶的基础上进行系统的发酵罐的研究才能真正适合生产。再者，你就是由小罐到大罐的工艺操作还是不尽相同。
仅供参考，大家多交流！
微生物发酵的放大实验，要注意反应罐的培养温度，培养基浓度，PH值，搅拌转速，还要不断的反应罐增加补料。
温度好控制
pH上罐子是可以调节的，在摇床上你只能定时取样检测
一切条件都满足啊，但微量元素我就不敢确定啦，不晓得你们的微量元素是不是20uM/L。
你用的无机盐的培养基呀，加1%的蛋白胨，0.5%的酵母粉，三氯化铁0.2mM，其它微量元素不加都可以的
发酵工程与设备第九章、第一讲-发酵放大与设计
缺点
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
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
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封； 防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
填料函
构成 优点：结构简单、价格低
缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速 ρ—流体密度； μ—流体粘度
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
气体吸入量与液体循环量之比较低，对于耗氧 量较大的微生物发酵不适宜。
机械搅拌通风发酵罐
（二） 罐体的尺寸比例
H----柱体高 (m) HL---液位高度（m） D----罐内径 (m) d----搅拌器直径 s----两搅拌器的间距 B----最下一组搅拌器距罐 底的距离 W----挡板宽度
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
用水量大
6、轴封、联轴器和轴承
上
下
传
传
动
动
1）轴封
作用： 使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封； 防止泄漏和染菌
类型： 填料函 端面轴封
1 转轴 3 压紧螺栓 5 铜环
2 填料压盖 4 填料箱体 6 填料（石棉等）
填料函
构成 优点：结构简单、价格低
缺点： 易渗漏，寿命短 对轴磨损较重 摩擦功率消耗大
雷诺（Reynolds），英国，流型判别的依据 雷诺实验（1883年）表明，流动的几何尺寸（管内径d）、 流动的平均流速u及流体性质（密度ρ和粘度μ）对流型的变化 有很大影响。可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群 作为流型的判据。
Re=d·u·ρ/μ
d—管内径； u—流动的平均流速 ρ—流体密度； μ—流体粘度
VL —— 发酵罐内发酵液量(m3) Qc —— 发酵液循环量(m3/s) d —— 环流管二内径(m)
—— 发酵液在环流管内流速(m/s)
2）压比、压差、环流量间的关系
发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。
A = Qc / Q
化工原理课程设计——发酵罐的设计
化工原理课程设计设计说明书设计题目：发酵罐设计姓名xxx班级XXX学号XXX完成日期XXX指导教师XXX目录第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征 (4)一、概述 (4)二、啤酒发酵罐的特点 (4)三、露天圆锥发酵罐的结构 (5)3.1罐体部分 (5)3.2温度控制部分 (6)3.3操作附件部分 (6)3.4仪器与仪表部分 (6)四、发酵罐发酵的动力学特征 (7)第二章发酵罐的化工设计计算 (8)一、发酵罐的容积确定 (8)二、基础参数选择 (8)三、D、H的确定 (8)四、发酵罐的强度计算 (10)4.1 罐体为内压容器的壁厚计算 (10)五、锥体为外压容器的壁厚计算 (12)六、锥形罐的强度校核 (14)6.1内压校核 (14)6.2外压实验 (15)6.3刚度校核 (15)第三章发酵罐热工设计计算 (15)一、计算依据 (15)二、总发酵热计算 (16)第四章发酵罐附件的设计及选型 (20)一、人孔 (20)二、接管 (20)三、支座 (21)第五章发酵罐的技术特性和规范 (22)一、技术特性 (22)二、发酵罐规范表 (23)参考文献 (25)发酵罐设计实例第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征一、概述啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。
我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。
改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。
由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。
为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。
尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。
这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。
生化工程 第六章 发酵罐的比拟放大
得 kd∝ (N2.73d2.01/ωg0.03)0.56ωg0.7N0.7 kd∝ N2.23d1.13ωg0.68 依据 (kd)2= (kd)1 相等原则放大，则： 相等原则放大， N2/N1 = (d1/d2)0.51[(ωg)1/(ωg)2]0.30 P0 2/P0 1 = (d2/d1)3.47[(ωg)1/(ωg)2]0.9
3、以kLa值相同的原则放大 根据文献报导， kLa∝(Qg/VL)HL2/3，其中Qg为操 ，其中Q 作状态下的通气流量，V 为发酵液体积，H 作状态下的通气流量，VL为发酵液体积，HL为液柱 高度。则 [kLa]2/[kLa]1= (Qg/VL)2(HL)22/3/[(Qg/VL)1(HL)12/3]=1 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (HL)12/3/ (HL)22/3=(D1/D2)2/3 (3) 因为Q 因为Qg∝ωgD2， V∝D3 故 (Qg/VL)2/(Qg/VL)1= (ωg/D)2/ (ωg/D)1 (ωg/D)2/ (ωg/D)1 =(D1/D2)2/3 (ωg)2 / (ωg)1 = (D2/D1)1/3 又因ω 又因ωg∝ (VVM)VL/(PD2) ∝ (VVM)D/P 故 (VVM)2 / (VVM)1 = (D1/D2)2/3 (P2/P1) (4)
注：下标1为实验罐，下标2为生产罐
二、空气流量放大 空气流量表示方法： 空气流量表示方法： （1） 单位体积培养液在单位时间内通入的 空气量（以标准状态计）， ），即 空气量（以标准状态计），即 Q0 / VL = VVM m3/(m3.min) 操作状态下的空气流量 Qg m3/min （2）操作状态下的空气直线速度 ωg， m/h ωg= Qg (60)/(π/4·D2)
Hale Waihona Puke 2.按几何相似原则确定 按几何相似原则确定20m3罐主尺寸 按几何相似原则确定 取H/D=2.4 , D/d=3, HL/ D =1.5 有效容积60%，若忽略封底的容积， ，若忽略封底的容积， 有效容积 π/4×D2×1.5D=20×0.6 × × D=2.16m， d=0.72m ， 采用两只园盘六弯叶涡轮
9 微生物工程 第九章 发酵罐的设计与放大
④ 使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化；
⑤ 强化相间的传质；
⑥ 强化传热。
发酵罐的组成：
主要包括
釜体
搅拌装置
传热装置 轴封装置
其他的附件：
各种接管（为了便于检修内件及加料、排料）、 温度计、压力表、视镜、安全泄放装置等。
釜体：由筒体和两个封头组成。 作用：为物料进行化学反应提供一定的空间。 搅拌装置：由传动装置、搅拌轴和搅拌器组成。
④ 固定化发酵罐：
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的装置。
生物利用率高。
⑤ 自吸式发酵罐：
特点：不需其他气源提供压缩空气，搅拌器带有中
央吸气口。搅拌过程中自吸入过滤空气，适用于需
氧低的发酵。
与通用发酵罐的主要区别
① 特殊的搅拌器（由转子和定子组成）；
② 没有通气管。
叶尖端线速度
n1d 1 n 2d 2
n2 d 1 n1 d 2
放大方法
经验
放大法
量纲 分析法
时间 常数法
数学模型 放大法
某一变量与变化率之比
经验放大法
几何相似放大法
非几何相似法
(1)几何相似放大法：
放大后发酵罐的空气流量、搅拌转速和 消耗功率——操作参数的放大。
空气流
几何尺寸 的确定
右图为改进的 旋风式消泡器， 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。
（5） 空气分布器
作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。
形式：单管；环形管
空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气
泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。
第八章 发酵过程的放大
第八章 发酵过程的放大
“发酵放大是一门艺术，而不是一门科学” —— A.E.Humphrey
就目前为止，生化放大过程一直是一 个难题。
虽然很难用理论分析，但是并不是放大 问题没解决就不能放大，反应器的不足 可以通过工艺及控制手段来弥补，工艺 的欠缺也可以通过改善反应器型式来修 正。
主要内容
2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰 直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时 的菌株损失和菌种的适应性等。
3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面 直接接触。发酵罐是和空气混合接触， 考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。
4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控 制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发 酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决 的。
➢ 第一节 发酵放大的原则及方法 ➢ 第二节 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发
酵罐放大 ➢ 第三节 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节 发酵放大的原则及方法
2.供氧方面的阻力
于氧：是k1气难1 膜溶；气体：，气所k12 液以界面即；液膜：处液1的膜k13阻；力是：主发要酵k14阻液力；来由
源；
k3
3.耗氧方面的阻力
传递k：；18 胞k15 外：液为膜耗；氧方：面k菌6、的k1k丝67 阻丛力；主要：来细源k1胞7 ；膜另；外
：胞内 受菌
体生理及培k养8 基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。
以kLa为基准的比拟放大法
有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
“发酵放大是一门艺术，而不是一门科学” —— A.E.Humphrey
就目前为止，生化放大过程一直是一 个难题。
虽然很难用理论分析，但是并不是放大 问题没解决就不能放大，反应器的不足 可以通过工艺及控制手段来弥补，工艺 的欠缺也可以通过改善反应器型式来修 正。
主要内容
2、接种方式不同，摇瓶是吸管加入，发酵罐是火焰 直接接种（当然有其他的接种方式），要考虑接种时 的菌株损失和菌种的适应性等。
3、空气的通气方式不同，摇瓶是表面 直接接触。发酵罐是和空气混合接触， 考虑二氧化碳的浓度和氧气的融解情况。
4、蒸发量不同，摇瓶的蒸发量不好控 制，湿度控制好的话，蒸发量会少。发 酵罐蒸发量大，但是可以通过补料解决 的。
➢ 第一节 发酵放大的原则及方法 ➢ 第二节 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发
酵罐放大 ➢ 第三节 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段 实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节 发酵放大的原则及方法
2.供氧方面的阻力
于氧：是k1气难1 膜溶；气体：，气所k12 液以界面即；液膜：处液1的膜k13阻；力是：主发要酵k14阻液力；来由
源；
k3
3.耗氧方面的阻力
传递k：；18 胞k15 外：液为膜耗；氧方：面k菌6、的k1k丝67 阻丛力；主要：来细源k1胞7 ；膜另；外
：胞内 受菌
体生理及培k养8 基成分如pH不适、代谢产物积累等影响。
以kLa为基准的比拟放大法
有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
发酵工程_韩北忠_第八章发酵中试的比拟放大
三 比拟放大和它的基本方法
• 首先必须找出表征着此系统的各种参数， 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， 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， 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。 常用的基本方法之一。
• （一）恒周线速度 丝状菌发酵受剪率、特别是搅拌叶轮尖端 线速度的影响较为明显。如果仅仅保持kLa相 等或Po/V相等，可能会导致严重的失误。在 P /V Po/V相等的条件下，D/T比越小，造成的剪率 越大，也有利于菌丝团的破碎和气泡的分散， 这对于产物抑制的发酵有重要意义。所以，对 于这类发酵体系，搅拌涡轮周线速度也被认为 是比拟放大的基准之一。
其他的比拟放大方法
其他的比拟放大方法
• （二）恒混合时间 混合时间的定义是把少许具有与搅拌 罐内的液体相同物性的液体注入搅拌罐内，两 者达到分子水平的均匀混合所需要的时间。 混合时间主要与发酵液的粘度有关，通常， 低粘度的液体混合时间要少于高粘度的液体。 另外，放大罐的体积越大，混合时间就越长。
其他的比拟放大方法
以kLa为基准的比拟放大法
• 有的菌种在深层发酵时耗氧速率很快， 因此溶氧速率能否与之平衡就可能成为 生产的限制性因素。耗氧速率可以用实 验法测定。在小型试验发酵罐里进行发 酵过程，用适当的仪器记录发酵液中的 溶氧浓度。
Hale Waihona Puke • 例： 某厂试验车间用枯草杆菌在100升 罐中进行生产。—淀粉酶试验， 获得良 好成绩。放大至20立方米罐。
按照计算p来计算发酵罐的放大原则三四恒定剪切力恒定叶端速度放大剪切力与搅拌桨叶端速度成正比在恒定体积功率放大时一般维持n不变n为搅拌桨转速d为搅拌桨直径五恒定的混合时间t放大另外还有人主张考虑nre及动量因子来放大等这里就不一一介绍了
从摇瓶到发酵罐的发酵放大问题
从摇瓶到发酵罐的发酵放大问题发酵发酵罐重复性标题:从摇瓶到发酵罐的发酵放大问题摘要:从摇瓶到发酵罐的发酵放大问题我在实验室50ml 250ml三角瓶做，37℃150rpm；放大到300L发酵罐，转速180rpm（不能调），风量要控制在多少合适啊？这个细菌是微好氧的。
有一次，溶氧都降到2%了，反而结果还比前几次好。
但是产物也只有摇瓶做的50%。
怎么优化啊？回复：溶氧控制在转速180rpm时，是比较扯淡的，因为转速不足以把微量空气氧打散到促进气液两相的传质程度！！（我在10L罐上……关键词:发酵发酵罐重复性回复：优化大罐需要考虑：罐压，接种量，pH范围，通气量范围，起使转速，温度，DO范围。
这些都是必须考虑的，你可以适当固定1到2个条件，看看生长怎么样。
穷孩子，发酵罐和摇瓶相差太大，因为整体的机制不甚相同，我觉得最大的区别在于1 摇瓶靠的是离心力，而发酵罐是真正的剪切，有些菌种在摇瓶中生长良好，但到发酵罐上由于剪切作用而无法结团，所以很多时候两者是不一样的。
2 溶氧问题：上面几位说得很全了，我就不多说了:P流加式的，你在摇瓶上无法实现持续流加吧，但是发酵罐是可以的。
测到（但是现在已经出现直接跟着检测系统的摇瓶系统），所以你无法维持一个恒定的pH。
发酵罐可以通过在线控制pH值恒定5 数据：你做发酵，最重要的是得到合适的配方与工艺吧，往往在发酵罐上可以比较全地反映出你的整个发酵状态，什么时间菌体疯狂生长，什么时间进入产素阶段，根据一些指标可以看得出来，所以摇瓶只是表层，发酵罐才是深层，总之吧，摇瓶肯定是基础，只有在摇瓶的基础上进行系统的发酵罐的研究才能真正适合生产。
再者，你就是由小罐到大罐的工艺操作还是不尽相同。
仅供参考，大家多交流！微生物发酵的放大实验，要注意反应罐的培养温度，培养基浓度，PH值，搅拌转速，还要不断的反应罐增加补料。
温度好控制pH上罐子是可以调节的，在摇床上你只能定时取样检测溶氧就差的很大了，摇床上基本就是缺氧的，上罐子因为有通气所以在一定条件下能确保溶氧，这样会导致用摇床摇菌的时间远远大于上罐子的时间，我现在做的菌，在摇床上基本是16小时左右吧，上罐子就6、7个小时不锈钢最怕氯离子了,特别是盐酸.酸的种类多了,看你需要补课的多,还是自己先学一阵子先吧.回复选择硫酸或磷酸即可不知楼主为何选盐酸:sweat:回复不锈钢最怕氯离子啦，尤其是盐酸，有些用自来水的厂子都要严格控制水中氯的含量！你们做多久啦？多大的罐子呀？发酵罐是压力容器，先停下来检修吧，不然出了事就是人命关天的大事:cat3:回复主要看HCl在发酵过程中起什么作用，是否可以替换。
7-发酵罐的放大设计
7.3 发酵罐放大设计方法
一、以kLa为基准的比拟放大 在生物反应器的放大中，通常保持体积 氧传递系数(体积溶氧系数)的恒定。这巳 由需氧发酵的工业生产结果得到证实。 现在的主要问题是如何提供足够的氧。 虽然足够的氧供给并不意味着良好的混 合。
※发酵液的溶氧传质速率(OTR)
OTR=kl a c c 式中 kl a－以 c c 为推动力的 体积溶氧系数， 1/ h或1/ s; c－发酵液中溶氧浓度，mol/m3； c－相同温度和压强下 发酵液的饱和溶氧浓度，mol/m3 一般情况下 则 c 5％～10％c OTR 0.95kl a
7.4 发酵罐设计步骤
1、设计任务与要求 2、设计说明及计算 ⑴物料衡算及热量衡算、反应器尺寸； ⑵反应器的初步设计计算； ⑶发酵工艺改进规划； ⑷优化设计； ⑸有关改进设计的补充说明。
7.5 发酵罐设计时应该注意的几个问题：
1、培养系统的已灭菌部分与末灭菌部分之 间不能直接连通，与发酵罐相通的任何 连接都应蒸汽密封，防止死角、裂缝等； 2、某些部分应能单独灭菌； 3、尽可能采用全部焊接结构，尽量减少法 兰连接； 4、设备和管道易于清洗和维修； 5、反应器应保持正压。
第七章 发酵罐的放大设计
7.1 发酵罐设计的目标
1、严密的结构，较好的无菌条件，良好的液 体混合性能，较高的传质、传热性能； 2、产品的质量高、成本低，适合工艺要求； 3、好的过程控制，配套而又可靠的检测和控 制仪表，多样化、大型化和高度自动化。
7.2 发酵罐的设计依据
1、生物反应动力学，它是进行生物反应器定量 研究的基础； 2、流体的输送及混合，核心问题是流体之间动 量的传递、机械能的守恒和转化； 3、热量的传递，主要是考虑发酵热的传出及发 酵罐温度的控制； 4、物质的传递，主要有细胞内外物质的交换、 营养物到细胞的传递、氧从气泡到细胞的传递、 二氧化碳从细胞到气泡的传递。 （生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质 和传热。）
发酵罐的设计与放大
附属零件计算挡板，S，C，管路，空气分布器，传热面积即可，不用算壁 厚。
I
目录
1. 前 言......................................................................................................................... 1 2. 设计依据................................................................................................................... 2
2.1 相似性放大的内容.......................................................................................... 2 2.2 相似性放大的依据.......................................................................................... 2 2.3 相似性放大和它的基本方法.......................................................................... 2 2.4 发酵过程的控制和检测.................................................................................. 2
2.4.1 发酵过程的参数检测意义................................................................... 2 2.4.2 发酵过程监控的主要指标................................................................... 3 2.4.3 监控的方式........................................................................................... 3 2.5 发酵罐结构...................................................................................................... 4 2.6 机械搅拌罐放大流程...................................................................................... 4 3. 工艺设计内容（计算及论述分析）....................................................................... 5 3.1 依据几何相似原则计算发酵罐尺寸.............................................................. 5 3.2 试验罐各参数的计算...................................................................................... 6 3.2.1 搅拌雷诺数 ReM.................................................................................. 6 3.2.2 不通气时的搅拌功率........................................................................... 6 3.2.3 通气时的搅拌功率............................................................................... 6 3.2.4 空气截面气速....................................................................................... 7 3.2.5 体积溶氧系数....................................................................................... 7 3.3 生产罐的各参数计算...................................................................................... 7 3.3.1 空气截面气速的计算........................................................................... 7 3.3.2 生产罐的通气速率............................................................................... 8 3.3.3 通气强度............................................................................................... 8 3.3.4 搅拌器线速度....................................................................................... 8 3.3.5 搅拌器转速........................................................................................... 8 3.3.6 雷诺准数 ReM 计算............................................................................. 8 3.3.7 不通气时的搅拌功率........................................................................... 9 3.3.8 通气时的搅拌功率............................................................................... 9 3.3.9 生产罐的体积溶氧系数 KLα .............................................................. 9 3.4 试验罐与放大计算结果比较.......................................................................... 9 4 附属零件的计算....................................................................................................... 11 4.1 计算挡板数量和尺寸.................................................................................... 11 4.1.1 挡板宽度............................................................................................. 11
I
目录
1. 前 言......................................................................................................................... 1 2. 设计依据................................................................................................................... 2
2.1 相似性放大的内容.......................................................................................... 2 2.2 相似性放大的依据.......................................................................................... 2 2.3 相似性放大和它的基本方法.......................................................................... 2 2.4 发酵过程的控制和检测.................................................................................. 2
2.4.1 发酵过程的参数检测意义................................................................... 2 2.4.2 发酵过程监控的主要指标................................................................... 3 2.4.3 监控的方式........................................................................................... 3 2.5 发酵罐结构...................................................................................................... 4 2.6 机械搅拌罐放大流程...................................................................................... 4 3. 工艺设计内容（计算及论述分析）....................................................................... 5 3.1 依据几何相似原则计算发酵罐尺寸.............................................................. 5 3.2 试验罐各参数的计算...................................................................................... 6 3.2.1 搅拌雷诺数 ReM.................................................................................. 6 3.2.2 不通气时的搅拌功率........................................................................... 6 3.2.3 通气时的搅拌功率............................................................................... 6 3.2.4 空气截面气速....................................................................................... 7 3.2.5 体积溶氧系数....................................................................................... 7 3.3 生产罐的各参数计算...................................................................................... 7 3.3.1 空气截面气速的计算........................................................................... 7 3.3.2 生产罐的通气速率............................................................................... 8 3.3.3 通气强度............................................................................................... 8 3.3.4 搅拌器线速度....................................................................................... 8 3.3.5 搅拌器转速........................................................................................... 8 3.3.6 雷诺准数 ReM 计算............................................................................. 8 3.3.7 不通气时的搅拌功率........................................................................... 9 3.3.8 通气时的搅拌功率............................................................................... 9 3.3.9 生产罐的体积溶氧系数 KLα .............................................................. 9 3.4 试验罐与放大计算结果比较.......................................................................... 9 4 附属零件的计算....................................................................................................... 11 4.1 计算挡板数量和尺寸.................................................................................... 11 4.1.1 挡板宽度............................................................................................. 11
第八章发酵罐比拟放大
在几何相似前提下：
P01 P02 V1 V2
P01 NPn13D5i1
P02
N
P
n
3 2
D
5 i2
V1 D13 D3i1
V2
D
3 2
D3i2
n13D12
n
32D
2 2
2
n2
n1
D1 D2
3
以上由单位体积不通风时搅拌功率相等、几何 相似放大，推导求出生产发酵罐的转速，并知： 发酵罐越大转速越低。
μ1=μ2
Q1 Q2 V1 V2
Q1
4
D121
Q2
4
D222
V1 D13
V2 D32
1 2
D1 D2
通过以上推到，说明在几何相似前提下，通 风比相等，发酵罐越大，空罐截面气速越高，有 体积溶氧系数计算公式可知，大发酵罐溶氧比小 发酵罐溶氧效果好。
三、单位体积不通风时搅拌功率相等比拟放大
1
2 3 1
1 1
因：Q gD2，VL D3
g 2 g 1
1
D2 D1
3
又因：
g
vvmVL
pD2
vvmD
p
vvm 2 vvm 1
g 2 p2D1 g 1 p1D2
1
D2 D1Fra bibliotek3
D32 D13
D2 D1
3
D2
D13
V2 V1
8第八章 发酵过程的放大
3.菌丝受机械损伤的差异
摇瓶培养：菌体只受液体的冲击或沿着 瓶壁滑动影响——机械损伤很轻； 发酵罐培养：受搅拌叶的剪切力、搅拌 时间的长短等——机械损伤程度远远大 于摇瓶培养。
搅拌增加菌体受损伤的程度
菌体内核酸类物质的漏出率与搅拌转速、 搅拌持续时间、搅拌叶的叶尖线速度、 培养液单位体积吸收的功率及Kla值成 正比关系
一、从摇瓶取得发酵罐放大有用参数的方法及原 理 二、 以摇瓶取得数据为依据进行发酵过程和发酵 罐放大 三、 小型罐到大型罐的放大
工业发酵过程的放大
第一阶段
实验室规模，进行菌种的筛选和培养基的研究
第二阶段 中试工厂规模，确定菌种培养的最佳操作条件
第三阶段 工厂大规模生产
第一节、从摇瓶取得发酵罐放大有用参数 的方法及原理
上式称为流变性方程，其图解形式叫做流变图。 生物反应醪液多属与时间无关的粘性流体范围（表 5-1）。
f ( )
表5-1 与时间无关的纯粘性流体的流变特性
类别 牛顿型 流变性方程 表观粘度a 恒定不变 a 示 例
假塑型 K n ,0 n 1 随剪切率的增加而 减少 a K n1 (幂律) 膨胀型 (幂律) 平汉塑型
₰ 丝状菌发酵中，高粘度发酵液的表观粘度明显 随剪切速率的不同而变化。 ₰ 同一反应器中，离搅拌器远近位置的不同，流动 特性明显不同。 ₰ 一般丝状菌的发酵液呈假塑性流体、胀塑性流 体等非牛顿性流体特性，并且发酵液的流动特性 还随时间而变化。 ₰ 微小颗粒悬浮液的粘度是多种因素的函数，除 依赖菌体颗粒的浓度外，还受颗粒的形状、大小、 颗粒的变形度、表面特性等因素影响。霉菌或放 线菌等的发酵中，发酵液的流动特性常出现大幅 度变化。
发酵工程 9 发酵罐放大与设计
1)罐体(实验室全自动发酵罐 实验室全自动发酵罐) 实验室全自动发酵罐 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,对于大型发酵罐可用衬 不锈钢或复合不锈钢制成,衬里用的不锈钢板 厚度为2-3mm. 为了满足工艺要求,罐需承受一定压力,通常 灭菌的压力为0.25MPa(绝对大气压).
5)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单, 噪音较小. 6)空气传布装置 分布装置有单管及环形管等. 7)轴封 轴封的作用是防止泄漏和染菌.常用轴封有填 料函和端面轴封两种.
4,发酵罐的换热装置
发酵罐换热装置型式 发酵用的传热装置有夹套和排管两种. 一般小型发酵罐多采用外夹套作为传热装置, 而大中型发酵罐多采用排管换热器,这是因为 罐的容积愈大,其单位体积培养液具有的周壁 表面愈小,排管同时还可起挡板的作用.
这种设备的优点为: (1)节省空气净化系统中的空气压缩机及其辅 助设备,减少厂房占地面积; (2)减少设备投资费约30%; (3)设备便于自动化,连续化,降低劳动强度, 减少劳动力; (4)气泡小,气液因均匀接触,溶氧系数高; (5)酵母发酵周期短,发酵液中酵母浓度较高
缺点: 缺点: 罐压较低,装料系数约 罐压较低,装料系数约40%,吸程一般不高, ,吸程一般不高, 必须采用低阻力高效空气除菌装置. 必须采用低阻力高效空气除菌装置.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
四,连续管道发酵器
连续管道发酵 器所用的管道多种多 样,可以是只管也可 以是蛇管,培养液和 种子罐不断流入管道 发酵器内进行发酵, 这种发酵方法主要用 于厌氧发酵.
五,固定化酶,固定化细胞反应器 固定化酶,
以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置, 以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置, 称为酶反应器. 称为酶反应器. 酶反应器的作用在于为酶提供适当环境( 酶反应器的作用在于为酶提供适当环境(即酶反 应过程的工艺条件), ),以达到生物化学转化的目 应过程的工艺条件),以达到生物化学转化的目 使底物生成为所需要的中间产物或最终产品. 的,使底物生成为所需要的中间产物或最终产品. 70年代以来,固定化酶和固定化微生物技术不断 年代以来, 年代以来 地应用于工业生产上, 地应用于工业生产上,因而对酶反应器的研究与 开发,就越来越显得重要与迫切. 开发,就越来越显得重要与迫切.
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• 由于发酵产品固定的和可变的成本是随工厂生产 规模的增大而减少的，因此现代发酵罐的大型化 给通气搅拌罐带来一系列难以克服的困难：大于 1000kW的机械搅拌；大量的冷却水和排除热量； 能量的均匀分布；溶解氧、碳源和其他营养与pH
控制等。需要发展在经济上、工艺上、生物因素
等方面更先进的新型生化反应器。
• 外循环式的循环管设计在罐体外部， 内循环管是两根，设计罐体内部。
• 在气升式发酵罐中，循环管的高度一
般不高于罐内液面。
气升式发酵罐的结构 分为内循环和外循环两种。 主要结构包括： • 罐体 • 上升管 • 空气喷嘴
气升式发酵罐的性能指标
气升式发酵罐是否符合工艺要求及
经济指标，应从下面几方面进行考虑。
子组成；②没有通气管。
• 设备便于自动化、连续化，降低劳动强度， 减少劳动力；
• 节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却 器、油水分离器、空气贮罐、总过滤器等 设备，减少厂房占地面积。
• 减少工厂发酵设备投资约30％左右，酵母 发酵周期短，发酵液中酵母浓度高，分离 酵母后的废液量少。
• 设备结构简单，溶氧效果高，能保证发酵 所需的空气，并能使气液分离细小，均匀 地接触，吸入空气中70-80%的氧被利用。 操作方便。 • 耗电量小 采用不同型式、容积的自吸式发酵罐 生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵 母、蛋白酶等，都取得了良好的效果。
• 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
101 325 Pa
• 2立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用
法兰连接，大中型发酵罐大多是整体焊接
• 为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的 手孔。中大型发酵罐则装有快开人孔及清洗
用的快开手孔。
个月的时间，非生产时间很短；缺点是
容易染菌，它适用于不易染菌的产品如 丙酮、丁醇、酒精、啤酒发酵等。
6.其他类型
• 超滤发酵罐已开始在未来发酵中崭露头 角。在进行时，成熟的发酵液通过一个
超滤膜使产物能透过膜进行提取，酶可
以通过管道返回发酵罐继续发酵，新鲜
的底物可以源源不断地加入罐内。
常见的发 酵 罐 类 型
• 发酵罐电机的选配
一、发 酵 罐 的 分 类
• 1按微生物生长代谢需要分类 好氧和厌氧两大类。
抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸、维生素等产品是好 氧发酵罐中进行的；
丙酮、丁醇、酒精、啤酒、乳酸采用厌氧发酵罐。
差别：对无菌空气的需求不同， 前者需要强烈的通风搅拌，目的是 提高氧在发酵液中的体积氧传递系 数KLα，后者则不需要通气。
• 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。
自吸式发酵罐的结构 • 罐体 • 自吸搅拌器及导轮 • 轴封 • 换热装置 • 消泡器
自吸式发酵罐的充气原理 • 自吸式发酵罐的主要的构件是
自吸搅拌器及导轮，简称为转
子及定子。转子由箱底向上升
入的主轴带动，当转子转动时
空气则由导气管吸入。
• 转子的形式有九叶轮、六叶轮、
三叶轮、十字形叶轮等，叶轮
• 循环周期时间必须符合菌种发酵的需要。 • 选用适当直径的喷嘴。具有适当直径的 喷嘴才能保证气泡分割细碎，与发酵液 均匀接触，增加溶氧系数。
气升式发酵罐的特点 • 结构简单，冷却面积小； • 无搅拌传动设备，能耗低，液体中剪切力小， 节省动力约50%，节省钢材； • 操作时无噪音； • 料液装料系数达80~90％，而不须加消泡剂； • 维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。
均为空心形。
1.2
气升式发酵罐(ALR)
• 原理：利用空气喷嘴喷出的高速空气，以气泡式
分散于液体中。在通气的一侧，液体平均密度下 降，在不通气的一侧，液体密度较大，因而产生 与通气侧的液体产生密度差，从而形成发酵罐内 液体的环流。常见的气升式发酵罐有内循环管式， 外循环管式、拉力筒式和垂直隔板式。
公称容 筒体直径 (Dgm 积 (M3) m) 10 15 20 30 40 50 1800 2000 2200 2400 2600 2800
和产物的形成而变化。每批发酵结束，要
放罐清洗和重新灭菌，再开始新一轮的发
酵。分批发酵系统是非稳定态的过程。
• 分批发罐的主要优点是污染杂菌的比 例小，操作灵活性强，可用来进行几 种不同产品的生产。其缺点是发酵罐 的非生产停留时间所占比重大，非稳 态工艺过程的设计和操作困难。
• 连续发酵的主要的优点是可连续运行几
发酵罐的设计依据
• 发酵罐的容积、最大工作压力、 工作温度、工作介质及腐蚀情况、 传热面积、搅拌形式、转速及功 率、配装那些管口等工艺要求。
发酵罐的设计要求
设计严格按照《钢制压力容器》的 规定选材、设计、制造、检验、验
收；同时力求经济、合理，从选材、
制造各环节来省材。
本章内容
• 发酵罐的分类
• 通用式发酵罐的设计与放大
• 3.按容积分类 一般认为，500L以下的实验室发酵罐，
500～5000L是中试发酵罐，5000L以
上是生产规模的发酵罐。
4.按微生物生长环境分类
• 发酵罐内存在两种系统，即悬浮生长系统 和支持生长系统。一般说来，大多数发酵
罐都有这两种系统。悬浮生长系统中的微
生物细胞是浸泡在培养液中且伴随着培养
1.7 通用式发酵罐
• 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、发酵所需要的氧气。
1.7.1机械搅拌发酵罐的基本要求
• 发酵罐应具有适宜的径高比。 • 发酵罐能承受一定压力. • 发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合， 保证发酵液必须的溶解氧。 • 发酵罐应具有足够的冷却面积。 • 发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污， 灭菌能彻底，避免染菌。 • 搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
• 罐顶还装有视镜及灯镜。
• 在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气
管、接种管和压力表接管。
• 在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、
取样管、温度计管和测控仪表接口。
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) 发酵罐通常装有两组搅拌器，两 组搅拌器的间距S约为搅拌器直 径的三倍。？对于大型发酵罐以 及液体深度HL较高的，可安装三 组或三组以上的搅拌器。最下面 一组搅拌器通常与风管出口较接 近为好，与罐底的距离C一般等 于搅拌器直径Di，但也不宜小于 0.8Di，否则会影响液体的循环。 最常用的发酵罐各部分的比例尺 寸如图。（实灌举例）
• • • • • • • 通用式发酵罐 气升式发酵罐 自吸式发酵罐 伍式发酵罐 文氏管发酵罐 固定化式发酵罐 管道式发酵罐
1.1 自吸式发酵罐
• 特点：不需其他气源提供压缩空气，搅拌 器带有中央吸气口。搅拌过程中自吸入过 滤空气，适用于需氧低的发酵。 • 与通用发酵罐的主要区别
①有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定
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。
压力)等。
• 釜体是由筒体和两个封头组成。
作用：为物料进行化学反应提供一定的空间。
• 搅拌装置是由传动装置、搅拌轴和搅拌器组 成，作用：参加反应的各种物料均匀混合， 使物料很好地接触而加速化学反应的进行。
• 传热装置是在釜体内部设置蛇管或在釜体外
部设置夹套，它的作用是使控制物料温度在
反应所需要范围之内。
1.7.2 机械搅拌发酵罐的结构
机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要部件 • 罐身 • 轴封 • 消泡器 • 搅拌器 • 联轴器 • 中间轴承 • 挡板 • 空气分布管 • 换热装置 • 人孔以及管路等
• 发酵罐最重要的几何比例是D ｉ/Dt，H/Dt，
Ds/Di， Db/Dt，(Di为搅拌浆直径，Dt为罐体
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。
第九章 发酵罐的设计与放大
• 发酵罐：微生物深层培养的生物反应器
• 规模：实验室5-100L;
中试：50-10000L；
工厂>5000L
发 酵 罐 的 作
• ①使物料混合均匀；
• ②使气体在液相中很好分散； • ③使固体颗粒在液相中均匀悬浮；
用
• ④使不均匀的另一液相均匀悬浮或充分乳化；
• ⑤强化相间的传质
原理
• 搅拌时液体沿着套筒外向上升至液 面，然后由套筒内返回罐底，搅拌
器是用六根弯曲的空气管子焊于圆
盘上，兼作空气分配器。空气由空 心轴导入经过搅拌器的空心管吹出， 与被搅拌器甩出的液体相混合，发 酵液在套筒外侧上升，由套筒内部