页数：206页文件大小：50.22 MB来源： 发酵工程与设备ppt课件
本课件介绍发酵罐的定义、特点与分类，依次展开密闭厌氧发酵罐、啤酒发酵设备、通气搅拌罐及其自吸式、气升式、伍式等变型，说明固态发酵设备与发酵辅助设备的构成，并讲解发酵罐比拟放大的常用基准。
第八章 生物反应器及比拟放大：第八章生物反应器及比拟放大
发酵罐的特点：要点如下。
发酵罐的类型：要点如下。
按微生物代谢需要分类：要点如下。
按发酵罐设备特点分类：要点如下。
按容积分类发酵罐：要点如下。
通风搅拌生物反应器：通风搅拌生物反应器联排式发酵罐
密闭式发酵罐：密闭式发酵罐
密闭厌氧发酵罐的要求：要点如下。
课堂讨论 kLa参数与测定：要点如下。
圆柱锥形发酵罐结构：要点如下。
酵母转化酒精的条件：一、酒精发酵罐酵母将糖转化为酒精高转化率条件：(1)满足酵母生长和代谢的必要工艺条件(2)一定的生化反应时间(3)及时移走在生化反应过程中所释放的生物热厌氧微生物反应器（嫌气发酵罐）
酒精发酵罐的结构要求：酒精发酵罐的结构要求满足工艺要求，从结构上有利于发酵液的排出，有利于设备清洗、维修以及设备制造安装方便等。
酒精发酵罐筒体结构：要点如下。
发酵的冷却装置：要点如下。
酒精发酵罐的洗涤：要点如下。
水力喷射装置：要点如下。
高压水力喷射洗涤装置：要点如下。
酒精发酵罐结构尺寸的确定：酒精发酵罐的计算(一)发酵罐结构尺寸的确定
发酵罐全容积的计算：发酵罐全容积可按下式计算：
发酵罐罐数的确定：(二)发酵罐罐数的确定对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：
发酵罐冷却面积计算：(三)发酵罐冷却面积计算
总的发酵热Q：要点如下。
发酵热的计算基准：要点如下。
蒸发热损失Q2：要点如下。
冷却水耗量的计算：冷却水耗量的计算由热平衡方程式得：QA＝QB式中QA——酒精或其他发酵产品的总发酵热(J／h)QB——冷却水带走的热量(J／h)
例题 酒精发酵罐设计：[例题]某酒精工厂，每发酵罐的进料量为24t/h。 每4h装满一罐，发酵周期为72h，冷却水的初、终温分别为20℃和25℃，若罐内采用蛇管冷却，试确定发酵罐的结构尺寸、罐数、冷却水耗量、冷却面积和冷却装置的主要结构尺寸。 (糖化醪密度为1076kg/m3)
例题解 罐数与罐容：n=24/4=6N=6×72/24+1=19
发酵罐容积：发酵罐容积
圆柱形罐结构尺寸比例：发酵罐采用圆柱形器身，底和顶为锥形盖，选取结构尺寸的比例关系如下：
全罐表面积的计算：由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐表面积．罐体圆柱部分表面积F1和罐底罐顶表面积F2，F3分别为：
冷却面积与冷却装置尺寸：冷却面积和冷却装置主要结构尺寸
罐壁温度与散热假设：假定罐壁无夹套保温层，壁温最高可达35℃，生产厂所在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为32℃。
Q3罐壁散热的计算：Q3=全罐总表面积×ac×(t2-t1)
主发酵温度与冷却水温：主发酵控制发酵液温度tw为30℃，按题意冷却水进出口温度分别为t1＝20℃，t2＝25℃
传热总系数K的确定：传热总系数K值的确定选取蛇管为水煤气输送钢管，其规格为53/60mm，则管的横截面积为考虑罐径较大，设罐内同心装两列蛇管，并同时进入冷却水，则水在管内流速为：
冷却面积和主要尺寸：冷却面积和主要尺寸
啤酒发酵设备的发展：二、啤酒发酵设备近年来，啤酒发酵设备向大型、室外、联合的方向发展，迄今为止，使用的大型发酵罐容量已达1500吨。 大型化的目的：(1)使啤酒质量均一化(2)由于啤酒生产的罐数减少，使生产合理化，降低了主要设备的投资。
发酵容器材料的变化：要点如下。
开放式向密闭式转变：要点如下。
密闭容器的演变：要点如下。
传统前发酵设备：要点如下。
前发酵槽的结构：要点如下。
密闭式发酵槽的优点：要点如下。
发酵室通风与冷耗：若发酵室内装置密闭式发酵罐，则采用空调设备，实施冷风再循环更有利于冷耗的节约，为避免在室内产生激烈的气流，通风口都应设在墙角处。
前发酵槽数目的确定：要点如下。
发酵槽数目的计算通式：若单个发酵槽可容纳糖化一次麦汁量的整倍数，则发酵槽数目可按下列通式计算在一个发酵槽内容纳一次糖化麦芽汁量的前提下，发酵槽的数目仅仅取决于每日糖化次数和前发酵时间，而与生产量以及生产的不平衡性无关。
后发酵设备：要点如下。
后发酵槽的材料与保温：要点如下。
后发酵罐的计算：要点如下。
圆筒体锥底发酵罐：要点如下。
锥形罐的设备特点：要点如下。
锥形罐的优点：优点（1）能耗低，采用的罐径小，生产费用可以降低。 （2）最终沉积在锥底的酵母，可打开锥底阀门，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。
发酵设备造价的影响因素：要点如下。
大型发酵罐的设计要点：要点如下。
罐的耐压要求：要点如下。
罐内真空的成因：要点如下。
罐内的对流与热交换：要点如下。
CIP清洗系统：要点如下。
大罐管道与沉渣阻挡器：要点如下。
CIP清洗的自动控制：CIP清洗工作程序是自动控制进行的，从控制盘上可以通过仪表记求下温度、压力及时间等参数。
清洗程序 预冲洗：清洗程序(1)预冲洗：在罐底的沉渣放了一半之后进行，每次预冲洗的时间为30秒，进行10次，是通过回转喷嘴进行的，每次冲洗之后要有30秒的排泄时间，主要排去底部的沉渣。 (2)在箱底被冲干净后，用足量的水充入CIP的供应及返回管线，改变系统进行碱预洗，自动地将清洗剂加入供水中，
清洗程序 中间冲洗：要点如下。
清洗程序 清水与酸洗：要点如下。
清洗的关键设备喷嘴：进行大型清洗工作的关键设备是喷嘴(1)固定喷嘴，位于罐的上部;(2)回转喷嘴，位于罐的下部。
啤酒的连续发酵罐：要点如下。
通气搅拌罐的结构：要点如下。
生物反应器的地位：生物反应器是发酵工程中最重要的设备之一
生物反应器：生物反应器
大型发酵罐的搅拌装置：大型发酵罐搅拌装置搅拌桨冷却管搅拌电机上封头
通气搅拌罐的优点：要点如下。
通气搅拌罐的缺点：要点如下。
优良培养装置的条件：要点如下。
机械搅拌的作用：一、机械搅拌发酵罐搅拌的作用：①液体通风后进入的气泡在搅拌中随着液体旋转使之所走路程延长，使发酵液中保持的空气数量增加，实际上是增加了传质量。 ②通过搅拌，大气泡被搅拌器打碎，增加比表面积。 ③搅拌速度越快，搅拌雷诺准数增加，增加了传氧速率。
发酵罐的基本条件：要点如下。
发酵罐罐体的尺寸比例：2．发酵罐罐体的尺寸比例H/D=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1.0(s/d)2=1.5~2.5(s/d)3=1~2
搅拌器与挡板：3．发酵罐的部分部件①搅拌器和挡板搅拌器分平叶式、弯叶式、箭叶式三种。 作用：打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于醪液中。
课堂讨论 CIP与搅拌：要点如下。
挡板的作用与宽度：要点如下。
消泡器的形式：要点如下。
空气分布装置：要点如下。
轴封的作用与类型：④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和端面轴封两种。
填料函式轴封：填料函式轴封由填料箱体，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。 填料室的宽度可根据轴的直径决定，其宽度为：其高度为：
填料函的优缺点：优点：结构简单。 缺点：①死角多，很难彻底灭菌，易渗漏和染菌②轴的磨损较严重③填料压紧后摩擦功率消耗大④寿命短
端面式轴封的优点：要点如下。
端面式轴封的缺点：缺点结构比填料函复杂，装拆不便，对动环和静环的表面光洁度及平直度要求高，否则易泄漏。
体积溶氧传质系数的计算：4、部分参数的计算 体积溶氧传质系数一挡搅拌器：--通气时罐内单位体积液体所需功率－通气线速度多挡搅拌器：
vvm的定义：vvm：单位体积培养液单位时间（分钟）内通入的空气体积。
通气时搅拌所需功率：所需功率通气情况下，搅拌所需功率比不通气时大为减少。 通气时搅拌所需功率的改良式为：
自吸式发酵罐：二、自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。 应用范围医药工业、酵母工业、生产葡萄糖酸钙、力复霉素、维生素C、酵母、蛋白酶等。
自吸式发酵罐的优点：要点如下。
自吸式发酵罐的缺点：缺点由于罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。
自吸式发酵罐的工作原理：要点如下。
转子负压吸气原理：要点如下。
气升式发酵罐的特点：要点如下。
外循环气升式工作原理：工作原理外循环气升式发酵罐在罐外装设上升管，其两端与罐底及罐上部相连接，构成循环系统。 在上升管的下部装设空气喷咀，空气喷咀以250～300（m/s）的速度喷入上升管，借喷咀的作用使空气泡分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。 由于管内的发酵液轻，加之压缩空气的喷流动能，使上升管的液体上升，
内循环气升式发酵罐：内循环气升式发酵罐
伍式发酵罐：要点如下。
伍式发酵罐的工作原理：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，由套筒内部下降，形成循环。
伍式发酵罐的应用与缺点：这种发酵罐多应用纸浆废液发酵生产酵母。 设备的缺点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。
文氏管发酵罐：五、文氏管发酵罐
文氏管发酵罐的工作原理：工作原理用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。 五、文氏管发酵罐
文氏管发酵罐的优缺点：优点吸氧的效率高，气、液、固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。 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。
发酵罐底部的喷嘴类型：要点如下。
塔式发酵罐：要点如下。
固态发酵设备：第三节固态发酵设备
固态发酵的定义：一、固态发酵基础理论 微生物在具有一定温度和湿度的固体培养基上表面进行生长、繁殖、代谢的发酵过程称作为固态发酵（solidstatefermentation）。
固态发酵与霉菌：固态发酵主要适合于霉菌。 这是由于霉菌细胞内的渗透压比较高，不会因固体基质的高渗透压而致死。
固态发酵的特点：要点如下。
固态发酵的优缺点：要点如下。
说明：本页数据表在源文件中为粘连文本，无法安全切分为标准表格，此处保留原始文字，建议对照原课件图片核对数值后人工补全表格。
固态发酵的非均一性：固态发酵存在一个显著特点，即菌体、基质、产物均处于一个非均一的发酵系统中，尤其是在一个大规模的固态发酵系统中，随着发酵的进行，菌体呼吸产热，料芯散热慢，菌体生长、基质利用和产物合成都处在一个非均匀的系统之中，致使发酵不能稳定进行。
固态发酵的工程问题：要点如下。
固态发酵的传质：要点如下。
供氧与颗粒结构：要点如下。
在生长时期，由于微生物的大量摄取，氧被消耗，固体床较深时中间氧浓度有可能零，成为厌氧区。氧浓度变为零处的床层深度称为临界床厚度，事先求出或测出临界厚度对反应器的设计很有用处，可使反应器效率提高。
通气与颗粒内传质：要点如下。
固态发酵中的传热：要点如下。
固态发酵设备的六种形式：二、固态发酵设备 按照固态培养方式分为六种形式：浅盘式反应器填充床反应器流化床反应器转鼓式反应器搅拌反应器压力脉动反应器
浅盘式反应器：1．浅盘式反应器（tray fermentor)：国内广大农村的个体生产中，采用曲盘、帘子和曲架就可以进行生产。 工业上是用多层铝制浅盘放在架子上进行培养，培养室保持一定的温度和湿度。
填充床反应器：2．填充床反应器（packed bed bioreactor PBB）填充床生物反应器是静置式反应器之一，比浅盘发酵器优越性在于采用动力通风，可更好地控制反应床中的环境条件，它能调节温度及空气风速，反应床边缘对流热量的去除效果比浅盘发酵好。 填充床生物反应器比浅盘式更易控制发酵参数。
3.流化床生物反应器 通过流体的上升运动使固体颗粒维持在悬浮状态进行反应的装置称为流化床反应器。流化床中固体颗粒与流体的混合较充分，传热传质性能好，床层压力降小，但是固体颗粒的磨损较大。流化床可用于絮凝微生物、固定化酶、固定化细胞反应过程以及固体基质的发酵。
转鼓式生物反应器：要点如下。
转鼓反应器的多相系统：转鼓反应器是一个包括基质床层、气相流动空间和转鼓壁等组成的多相反应系统：
搅拌生物反应器：5.搅拌生物反应器固态搅拌反应器有卧式的也有箱式的，卧式搅拌反应器采用水平单轴，多个搅拌桨叶平均分布于轴上，叶面与轴平行，相邻两叶相隔180度。 箱式搅拌反应器有采用垂直多轴的。 为减少剪切力的影响，通常采用间歇搅拌的方式，而且搅拌转速较低。
压力脉动固态发酵反应器：6.压力脉动固态发酵生物反应器压力脉动发酵系统由两部分组成。 第一部分为空气调节系统，主要通过换热器及水雾化处理装置对压缩空气的温度和湿度进行调节，再通过流量计和膜过滤器对压缩空气进行计量和除菌，使进入压力脉动发酵罐的空气达到相对无菌； 第二部分为发酵罐系统，它是由夹套、隔板、压力表以及压力延时释放控制系统、
压力脉动的操作原理：主要操作是用无菌空气对密闭低压容器的气相压力施以周期性脉动。 “压力脉动”对固体培养基是静态，但对气相则是动态。
生物反应器的设计要点：三、固态发酵设备的设计和应用1、生物反应器的设计要点（1）材料坚固、耐腐蚀、无毒性、价格合理(2)防止污染物进入发酵系统，能够控制发酵过程的有机体释放到环境中(3)有效的操作参数控制（温度、水分、氧等）(4)维持基质床层内部的均匀性(5)反应器操作方便
固态发酵在资源环境的应用：2、固态发酵的应用（1）固态发酵在资源环境的应用生物燃料(biofuel)生物农药(biopesticide)生物转化(biotransformation)生物解毒(biological detoxification)生物修复(bioremediation)
固态发酵生产有价值物质：（2）生产有价值的物质固态发酵可用来生产许多有价值的物质，例如谷物或者谷物残余物营养的富集，发酵食品、酶、色素、抗生素、生物杀虫剂、有机酸和风味化合物的生产。
固态发酵产品的种类：生产生物活性化合物生产酶生产有机酸生产其他化合物黄曲霉素纤维素酶柠檬酸L-谷氨酸曲霉素漆酶反丁烯二酸色素细菌内毒素聚半乳糖酶乳酸胡萝卜素赤霉素木聚糖酶五倍子酸黄原胶玉米素乙酰乙酸酯酶琥珀酰甘露糖麦角素木糖酶乙醇头孢菌素儿茶酚氧化酶芳香化合物头孢菌素C脂肪酶维生素B12、B6四环素谷氨酸酶核黄素、硫胺素、烟碱放线紫红植酸酶亚油酸环孢菌素A单宁酶生物表面活性剂真菌酚β-葡萄糖苷酶Li-和Mn-过氧化酶生物杀虫剂、除草剂固态发酵的应用领域
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发酵辅助设备：第四节发酵辅助设备发酵辅助设备主要包括：无菌空气系统，培养基配制和灭菌系统、发酵车间的管道及阀门等。
培养基加热设备：要点如下。
维持设备：要点如下。
冷却设备的类型：三、冷却设备①喷淋冷却器②套管冷却器③板式换热器④螺旋板换热器
管道与管径：要点如下。
阀门的选取：要点如下。
发酵罐常用阀门：要点如下。
比拟放大要解决的问题：第五节发酵罐的比拟放大比拟放大所要解决的问题：通过实验室里用小型设备进行科学实验，获得了满意的高产量和高效率后，再把这些成果在大的生产设备装置中予以再现。
比拟放大的基本方法：比拟放大的基本方法：首先是必须找出系统中的各有关参数，把这些参数组成几个具有一定物理含义的无因次数，并且建立它们之间的函数式，然后用实验的方法在试验设备里求出函数式中所包含的常数和指数，则这个关系式便可用作与此试验设备几何相似的大型设备的设计。
比拟放大的基准问题：问题 发酵罐的比拟放大，以什么作为比拟的基准？
通风搅拌罐放大的方法：要点如下。
以体积溶氧系数为基准：要点如下。
溶氧供耗平衡条件：如果该试验是在菌体耗氧速率最高阶段进行的，那么当耗氧最盛时，溶氧浓度达到溶氧供耗平衡的条件为：式中NV和C界为实验测得的数值。 若C界约为5％饱和度，即左右，此发酵过程具有的值应比上述计算值略高，否则，当耗氧最盛时，醪内溶氧将有可能降至C界以下。
溶氧系数相等的放大原则：要点如下。
单位体积搅拌功率相等的放大：二、以单位培养液体积搅拌功率相等为准则的放大 例：公称容积罐径圆柱部分高总高封头高料液高搅拌器直径（T）（H0）（H）（h）（HL）（D）试验罐500L700140018002001180245生产罐104L1800360045504753000630（几何相似）
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搅拌转速NL的确定：1．NL（搅拌转速）的确定：(L代表大罐，S代表小罐)
通风量的确定：2．通风量
不通风搅拌功率验算：3．计算不通风搅拌功率验算：
Pg的计算：4．Pg的计算：
Kd的计算：5．Kd的计算：
按剪率放大的准则：要点如下。
剪率与罐内线速度：同一罐内：即：若：则：
剪率放大的比较：比较：P0/V相等按几何相似放大：注意：剪率大，能将气泡分散得很小，但太大对菌丝体有害。 同一罐内，搅拌器直径小的剪率>搅拌器直径大的剪率。
混合时间tM：2.混合时间tM加一滴其他物质（如红墨水），它每一分子都均匀分散在发酵液中的时间为混合时间。
搅拌液流速度压头与循环量：2.搅拌液流速度压头H和搅拌液流循环量Qc及Qc/H比值对比拟放大的影响则：
循环量与速度头的关系：若：同一罐中：令：则：
速度头与循环量的矛盾：即在同一罐中，放大搅拌器直径，速度头降低了，而Q增加了，这是一对矛盾。 H大可提高传氧速率，Q大可缩短混合时间。
几何相似放大的结论：结论：同一罐中，几何相似放大过程中：
单位体积醪液循环量：单位体积醪液循环量：因此在放大过程中，Qc一定是增加的，但这并不影响放大，因为放大时，总的体积量增加，因此，实际上单位体积醪液循环量可能下降。 对发酵是有影响的，而一般放大时N总是比小罐的小，因此往往是下降的，设计时也要考虑这一点。
不同基准放大结果的比较：四、不同基准比拟放大结果的比较例：1．恒混合时间
恒剪率与恒功率放大：2．恒剪率3．恒不通风单位体积搅拌功率
通风功率相等的放大：4．按通风情况下单位体积搅拌功率相等进行放大即：
kLa不变情况下的放大：5．不变情况下放大
比拟放大的复杂性：由上可见，发酵工程的比拟放大，由于涉及到微生物复杂的代谢活动，已经是一个非常复杂的问题，如果再加上醪液的非牛顿特性，更增添了复杂的因素。 主要表现在影响生产过程的矛盾错综复杂，而且对它们之间的互相制约和联系的情形所知不深，往往解决了这个矛盾又激化了另外的矛盾。 成功进行比拟放大发酵过程的关键在于对其全部生物化学反应进行更全面的了解，只有掌
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