? 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
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)
![](/skin/haowen/images/icon_star.png)