? 第六章 发酵设备
本章学习目标
? 了解常见嫌气发酵设备及其流程的类型与特点 ? 掌握通风发酵设备的类型、结构及性能特性 ? 了解空气过滤除菌原理、常见设备流程及其应用特点 ? 掌握常见发酵设备的应用特点和选用原则 目录
? 发酵设备的类型和基本构成 ? 发酵设备的基本要求 ? 发酵设备的功能： ? 发酵设备的要求： ? 发酵设备的分类
? 发酵设备的功能和要求
? 功能：按照发酵过程的要求，保证和控制各种发酵条件，主要是适宜微生物生长和形成
产物的条件，促进生物体的新陈代谢，使之在低消耗(原料消耗、能量消耗、人工消耗)获得较高的产量。 ? 要求：
? 良好的传递质量、能量、热量性能 ? 结构应尽可能简单，操作方便，易于控制 ? 便于灭菌和清洗，能维持不同程度的无菌度
? 能适应特定要求的各种发酵条件，以保证微生物正常的生长代谢 ? 发酵设备的分类
? 按发酵用培养基状况：固体发酵设备和液体发酵设备
? 按微生物类型：嫌气(酒精、啤酒和丙酮、丁醇)和好气(谷氨酸、柠檬酸、酶制剂和抗生
1
素，发酵过程中需不断通入空气)
? 按发酵过程所使用的生物体：微生物反应器（主流）、酶反应器（固定化酶反应器和溶
液酶反应器）和细胞反应器
? 嫌气发酵设备
一、间隙式发酵罐
? 间歇式发酵是指生长缓慢期、加速期、平衡期和衰落期四个阶段的微生物培养过程全部
在一个罐内完成
? 特点：罐内环境和发酵过程易于控制。目前在工业生产中仍然占据主要地位 二、水洗装置
? 特点，水压不大洗涤不彻底
? 水平喷水管与水平面呈20°夹角，水流喷出时使喷水管以48～56r/min的速度自动旋转，
洗涤一次约需5min
三、连续发酵设备
? 连续发酵：通过在发酵罐内连续加入培养液和取出发酵液，可使发酵罐中的微生物一直
维持在生长加速期，同时降低代谢产物的积累，培养液浓度和代谢产品含量相对稳定，微生物在整个发酵过程中即可始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。
? 特点：产品产量和质量稳定、发酵周期短、设备利用率高、易对过程进行优化等优点，
微生物在整个发酵过程中始终维持在稳定状态，细胞处于均质状态。技术要求较高、容易造成杂菌污染，易发生微生物变异、发酵液分布与流动不均匀等。
四、单罐连续发酵设备
? 连续搅拌发酵器 ? 连续细胞回用发酵器 ? 塔式发酵器 ? 膜式发酵器 ? 固定化细胞反应器
五、连续搅拌发酵器
2
? 酒精发酵时细胞浓度可达10～12ｇ/L；酒精产率达6g/(L·h)，是间歇发酵的三倍；投资
可比间歇工艺降低50％；操作成本降低50％。两只连续搅拌发酵器串联组成的发酵系统进行酒精发酵时，其酒精产率比单罐高1.3倍
六、连续细胞回用发酵器
? 使用细胞浓度增加83g/L，酒精产率达30～40g/(L·h)。但必须配置投资较大的酵母细胞分
离设备，操作成本较高。
七、塔式发酵器
? 塔径0.9～2ｍ,径高比1：(7~10)，在两块筛孔板之间放置絮凝酵母颗粒。糖液从底部进
入，在上升过程中被发酵，而酵母逐步下沉，并被保留在发酵器内，发酵器内细胞浓度为50～80g/L，酒精产率为60~150g/(L·h)。该发酵器的缺点是开工阶段时间较长，为了达到所需细胞浓度和稳定操作时间需要2～3周。
八、膜发酵器
? 通过装透析膜，将发酵器内部划分为发酵器和进出料区两部分，糖液进入进料区，糖分
通过透析膜进入发酵区，发酵区保持有高浓度的酵母，将糖迅速发酵，产生的酒精反向通过膜进入出料区排出器外。这类发酵器尚待解决的问题是糖分渗透速度和膜微孔的堵塞问题。
九、固定化细胞反应器
? 固定化酵母酒精发酵流程以日本KFE公司研制的较成功。它利用海藻酸钠包埋酵母间歇
连续糖蜜酒精发酵。发酵液酒精度达8.5％～9.0％(体积分数)，酒精产率20ｇ/(L·h)。
十、连续发酵设备流程
? 淀粉质原料生产酒精连续发酵设备流程 ? 顺流式连续发酵设备流程 ? 全封闭式连续发酵设备流程
? 糖蜜原料生产酒精酒连续发酵设备流程
十一、顺流式连续发酵设备流程
? 糖蜜原料生产酒精连续发酵设备流程 ? 双浓度连续发酵设备流程
3
? 单浓度连续发酵设备流程
? 通风发酵设备
? 通风发酵设备的发酵反应器： ? 酵母发酵罐 ? 单细胞蛋白发酵罐 ? 氨基酸发酵罐 ? 酶制剂发酵罐 ? 抗生素发酵罐
? 设备要求：设备简单，不易染菌，单位体积的生产能力高，代谢热易排出，操作易控制，
易于放大
? 通风发酵设备的基本要求及类型
? 衡量通风发酵设备的主要性能指标：
? 体积溶氧速率，反映能否满足发酵耗氧的需要，直接影响到生产速率。体积耗氧速率一
般要求在1.0～10kg O2/(M3·h)
? 单位溶氧功耗，溶解1kg氧所需的电耗，一般在0.5～5.0(kWh)/kgO2.
? 设备类型：按发酵物料形态，固体发酵设备和液体深层发酵设备。固体发酵设备主要为
自然通风和机械通风制曲设备；液体设备有机械搅拌式，自吸式和通风搅拌式
? 机械搅拌发酵罐
? 工作原理：利用机械搅拌器，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液内的溶氧量。 ? 溶解氧增多的原因：
? 将空气进入初期的大气泡打碎成小气泡，使气液界面面积增大，提高了体积溶氧系数； ? 气泡经搅拌破碎后，上浮速度下降，在搅拌形成的液流影响下，气泡由直线上浮变成曲
线上浮，因移动路径的延长增加气体与液体间接触时间，提高了空气中氧的利用率； ? 在搅拌器作用下产生强烈的液相湍流，使得液膜厚度变薄，传质系数增大，从而获得较
大的体积溶氧系数
? 机械搅拌发酵罐的特点
? 机械搅拌作用获得的溶氧系数较高，一般体积溶氧系数为100～1000l/h，适合于各种发
4
酵的溶氧要求。
? 罐内液体和空气的混合效果较好，不易产生沉淀，可适应有固形物存在的场合，因此又
叫全混式发酵罐
? 搅拌作用形成的液体流型使氧气的利用率较高，所需要的通风量较小 ? 既有通风，又有搅拌，投资成本较大单位溶氧功耗较大，操作费用高 ? 结构复杂，清洗及维修不便
? 机械搅拌发酵罐的基本要求
? 应有适宜的尺寸比例。高径比一般为2.5～4，罐高则氧的利用率较高 ? 罐体必须要有一定的强度，能承受一定的压力。
? 搅拌通风装置要能使气泡细碎、分散，气液充分混合，保证发酵液必需的溶解氧量，提
高氧的利用率
? 应有足够的冷却面积，以排出微生物代谢热，控制发酵过程中不同阶段所需温度 ? 尽量减少死角，使清洗、灭菌方便、避免染菌 ? 密封必须严密，尽量减少泄漏
? 自吸式发酵罐
? 自吸式发酵罐是一种搅拌过程中自行吸入空气的发酵罐，不需配置空气压缩机或鼓风
机，广泛用于医药工业、醋酸工业、酵母工业等行业。 ? 分类：
? 无定子回转翼片式自吸式发酵罐 ? 有定子自吸式发酵罐 ? 溢流喷射式自吸式发酵罐 ? 喷射自吸式发酵罐
? 单层溢流喷射反应器
? 原理：利用液体溢流时形成的抛射流，在液体表面层作用下，使靠近液体表面的气体边
界层具有一定的移动速度，从而形成气体的流动和自吸作用。
? 特点：结构简单，省去了复杂的空压机及其附属设备，电耗少，生产率较大，溶氧速率
高，输送发酵液效果较好
5
第六章发酵设备
