微生物工程第五章发酵设备.doc

第五章发酵设备FermentationSettlement/Fermentator2005.3.5参考书籍：1.《微生物工程》曹军卫、马辉文，科学出版社2002.8P279－295，P165－1802.《发酵设备》高孔荣中国轻工业出版社1991.10P98－121；P126－1713.《发酵工程概论》王旭华中师范大学生命科学学院P36－454.《微生物工程工艺原理》姚汝华，华南理工大学出版社，P158—164内容：一、发酵类型和设备特点总论二、固体发酵特点三、液体深层厌气发酵设备四、通风发酵设备PP4一、发酵类型和设备特点总论王旭P36发酵设备是发酵工厂中主要设备．它提供了一个适合微生物生命活动和生物代谢的场所发酵的类型按培养基的种类来分，有固体发酵和液体发酵两种固体发酵已经有悠久的历史，具有简单易行、投资省、设备要求不高、无菌要求不高，适宜于小型生产等特点，所以至今仍有很大价值，在我国农村中制造菌肥、发酵饲料，以及一些传统的酿造食品如饮料酒、酱油、醋、豆酱、面酱、腐乳等，还有部分酶制剂的生产中，仍广泛采用固体发酵生产特别是一些大中型酿造企业有一部分正在逐步实现固体培养法的机械化、大型化和连续化。

但固体发酵的机械化、大型化和连续化是比［较困难的，用于现代工业有不少缺点因而当今发酵工业的主要生产方式还是液体深层培养法，可有效地进行大量的生产根据发酵类型和设备特点藏发酵设备基本可分成以下几类:「盘曲、帘曲——曲盘、帘子等自然通风发酵池、窖、地缸——相对密闭不透风厚层通风制曲——曲箱机械通风•旋转培养——转鼓型发酵罐机械通风液体发V酵UJj『厌气发酵一一厌气发酵罐密闭不通风「机械搅拌，通风I非循环式嘗靂囂好气发酵发酵类型也可按厌气和好气两类来分，厌气发酵设备和好气发酵设备有很大区别'密闭通风’一j'T2上囂二非倨疥十f鼓泡式发酵罐非循环式｛塔式发酵罐循环式♦——空气带升式发酵罐采用厌气发酵生产的品种不多，只有酒精、丙酮丁醇等．其发酵设备不需供氧，因而设备结构较简单；而大部分产品如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、单细胞蛋白等均自好气发酵制取二、固体发酵设备1.设备类型王旭P37① 盘曲、帘子曲设备——曲盘、帘子：盘曲和帘子曲是最简单的固体发酵技术，适用于农村中小型生产曲盘可用竹木制成，底部有孔隙，利于透风；帘子可用芦苇、竹片、柳条编成，可卷起可铺开，卷起便于蒸煮灭菌曲盘制曲和帘子制曲劳动强度大，占地面积大，生产效率低，受自然气候影响大，产品质量不稳定，因此，通常只有制备种曲时应用此法，大生产中已被淘汰。

固体发酵大生产采用下面的机械厚层通风制曲② 厚层通风制曲——曲箱：当固体发酵量较大时，帘子曲和盘曲就存在占地面积大，温湿度不易控制劳动强度大等缺点，这时一般可采用厚层通风制曲通风的作用一是供给微生物所需要的氧气，二是带走微生物的发酵热和部分二氧化碳厚层通风制曲的主要设备是曲箱曲箱采用木制、砖砌或混凝土浇铸均可，底部为多孔筛板，风道做成倾斜形使平行方向来的气流转变为垂直方向流动曲层厚度一般为290〜340毫米多年来人们围绕机械化制曲设备作了不少改进，自控技术也有很大进展，现在曲层深度可达1000〜1500毫米空气经过滤器后，由风机鼓入主调室，室内装有喷淋装置，根据气候、料温及湿度要求喷入冷水或蒸汽，鼓入的空气应保持90％以上的相对湿度曲箱面积不宜过大，应根据风机能力来确定③ 旋转培养——转鼓型发酵罐：除了上述几种培养方式外，利用转鼓型发酵罐也可进行固体培养这种发酵罐是在圆筒形的鼓里，装置有带小孔的通风管，整个转鼓由电机经减速器带动不断缓慢地旋转，鼓里装有培养料，随转鼓旋转，不断翻拌．在进风管用风机通入经过调节的空气，以控制湿度、温度由于发酵罐的类型较多，不可能一一详细介绍，我们只能介绍几种最具代表性的发酵罐。

通用式发酵罐机械搅拌通风发酵罐｛自吸式发酵罐通风搅拌发酵罐空气带升式发酵罐：循环式鼓泡式发酵罐塔式发酵罐1．机械搅拌通风发酵罐在工厂中应用最广，它一方面往罐中通入空气，另一方面不断进行机械搅拌，利于打碎气泡，使空气和醪（lao四声）液充分混合，提高溶氧速率通用式发酵罐应用最广泛，而自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而是在搅拌过程中自行吸入空气的发酵罐，是一种节能型罐2.除机械搅拌通风发酵罐外，另一大类好气发酵罐是通风搅拌发酵罐，它不需机械搅拌，而是利用高压空气，又可供氧，又可使发酵液翻动达到搅拌的目的其中循环式通气发酵罐，又称空气带升式发酵罐，这种发酵罐是利用空气的动力使液体在循环管上升，并沿着一定路线进行循环；鼓泡式是最简单的一类发酵罐，是空气从罐底的分风管小孔喷出，供给氧气和翻动发酵液塔式发酵罐又称空气搅拌高位发酵罐，原理类于鼓泡式，特点是罐身高，以提高空气利用率PP52.固体培养法的特点A与深层液体培养法相比．固体培养法有如下优点：① 原料：以谷物和农业废物为主要原料此外只需添加适量水分和若干无机盐，培养基组成简单② 防止污染：在多数情况下用霉菌进行固体培养，利用了霉菌能在水分较低的基质表面进行增殖的特性，而在这种条件下，多数细菌胞内渗透压没有霉菌高，则生长不好，因此不易引起细菌污染。

③ 回收产物：因为所需产物是在固体表面积累，所以为回收产物所用的溶剂比液体培养时少，废水也少④ 通气：在液体培养中，要用通气搅拌以供给氧气、动力消耗大而固体培养中氧气是由基质粒子之间空隙的空气中直接供给微生物，所以后者是一种节能的培养方式⑤ 饲料生产：在用农作物或农业废物培养出有用微生物之后，全部物质均可做饲料，不需要分离菌体和干燥因而与能量和动力消耗大的液体培养相比，无疑也是节能的B缺点：产量较低，发酵产品品种有限，原料利用率低PP6三、液体深层厌气发酵设备陈凯：按功能单元进行介绍：物料进出系统：6物料入口；12物料出口；2取样口（位置是中间偏下）冷却系统：1冷却水进口；8冷却水出口洗涤系统：5喷淋水入口；11喷淋水出口其它：4二氧化碳气体出口，排除后还要回收酒精王旭P38酒精、乳酸、丙酮、了醇、啤酒等的生产属于厌气发酵1. 厌气发酵在工艺要求上要解决的主要问题：① 如何从大型发酵罐中除去发酵热为此，必须考虑到发酵罐内的流动特性，进行发酵罐传热面积的设计，还应考虑到如何利用发酵时生成的二氧化碳引起的液体流动来辅助搅拌，以提高其冷却效率② 此外，从结构上，还应考虑有利于发酵液的排出，设备的清洗、维修等问题。

厌氧发酵的典型例子是用糖质原料生产酒精，所以下面我们就以酒精发酵罐为例，说明厌气发酵罐结构液体深层厌气发酵设备图见高孔荣P982.结构王旭P38,高孔荣P98—99高孔荣P98,在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其带出的部分酒精，发酵罐易采用封闭式王旭P38,罐体为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或椭圆形或锥形罐顶装有废汽回收管、进料管、接种管、压力表和各种测量仪表接口管等，罐底装有排料口和排污口，罐身上下部装有取样口和温度计接口，一般酒精发酵罐罐顶装有供观察清洗和检修罐体内部的人孔，对于大型发酵罐，为了便于维修和清洁，往往在近罐底也装有人孔发酵罐的冷却装置，对于中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却；对于大型发酵罐，由于罐外壁冷却面积不能满足冷却要求，所以罐内装有冷却蛇管与罐外壁喷淋联合冷却装置若采用罐外壁喷淋冷却的方法，还必须在罐底和沿罐体四周装有集水槽，废水由集水槽排入下水道，避免影响卫生和操作高孔荣P99,酒精发酵罐的清洗，过去均由人工操作，不尽劳动强度大，而且二氧化碳气体一旦未彻底排除，工人入罐清晰会发生中毒事故近年来，酒精发酵罐已逐步采用水力喷射洗涤装置，从而改善了工人的劳动强度和提高了操作效率。

大型发酵罐采用这种水力洗涤装置尤为重要PP7四、通风发酵设备王旭38现代发酵工业的主角是液体深层通风发酵，通风发酵罐是其主要设备其容积范围，实验室是1升至50升，中试工厂是50升至5000升，生产工厂是5000升以上，现在容积规模已越来越大,如英国ICI公司（帝国化学工业公司）生产单细胞蛋白的发酵罐体积竞达3000米31.2升至10升的小型罐，都由玻璃制成，试验条件自动控制而发酵生产用的大罐，可以安装在室内或室外，如日本用480吨罐生产谷氨酸，就安装在室外，在控制室遥控管理1.通用式发酵罐王旭38（1）发酵罐的基本条件：为了使发酵顺利进行，发酵罐必须满足下面几个基本要求：① 发酵罐应具有适宜的径高比，罐高与直径之比一般为2.5—4倍左右，罐身较长，氧的利用率较高但压缩空气的压力要求较高，顶料与底料不易混合均匀，厂房高，操作不便新型的高位发酵罐高度与直径之比可在10倍以上② 发酵罐能承受一定压力由于发酵罐在消毒及正常工作时，罐内有一定压力（液压与气压）和温度，因此罐体各部件要有一定强度，能承受一定的压力陈凯：高径比越大则氧的利用就越充分，但液压也越大压力来自气压（灭菌）和液压③ 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。

④ 发酵罐应具有足够的冷却面积微生物生长代谢过程放出大量热量，为了控制发酵过程不同阶段所需的温度，应装有足够的冷却面积⑤ 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⑥ 搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏PP8（2）发酵罐的结构：图见曹军卫P281，或者图见高孔荣P136（1）罐体由圆住体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料要根据发酵液对钢材的腐蚀程度采用碳钢或不锈钢生产上用的发酵罐容积多在5，000升以上，大至200，000升为了便于清洗，小型罐顶设有清洗用的手孔中大型发酵罐则装设有快开人孔及清洗用的快开手孔，方便操作，人孔的大小，除考虑操作出入方便外，还应考虑罐内部件的装卸和进出罐顶还装有视镜及灯镜，在其内面装有压缩空气或蒸汽吹管用以冲洗玻璃在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接口，在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排气管应尽量靠近封头的中心轴封位置，在其顶盖的内面顺搅拌器转动方向装有弧形挡板，可以减少跑料，取样管可装在罐侧或罐顶，视操作方便而定在罐体上的管路越少越好，在不影响操作的情况下，能合并在一起的应归并，如进料口、补料口和接种口可合为一个接管口，放料可利用通风管压出，也可在罐底另设放料口，如属后者，则放料口位置不应对准风口，以避免空气吹入放料管内，罐底的排料管容易形成死角，应能通蒸汽灭菌排除死角。

2)搅拌器高孔荣P158王旭P39作用是打碎气泡，供空气与醪液均匀接触搅拌叶有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，叶片一般为6个，少至3个平叶式搅拌最为激烈，弯叶式次之，箭叶式最小搅拌器和转盘宜用不锈钢板制成为防止气泡沿着轴逸出，在搅拌轴的中央应装有圆盘，原盘上再装搅拌叶相同功率下，打碎气泡的能力：平叶式＞弯叶式＞剑叶式相同功率下，翻动液体的能力：剑叶式＞弯叶式＞平叶式(3)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，增加溶解氧竖立的蛇管、列管也可以起挡板的作用，故一般具有冷却蛇管或列管的发酵罐内不另设挡板挡板的长度自液面起至罐底为止挡板与罐壁之间的距离为(1/5〜l/3)w,避免形成死角，防止物料与菌体堆积(w为挡板宽度)4)消泡器王旭P42、姚汝华P199-203、高孔荣P157-159王旭P42发酵过程中常用的消泡方法有化学法及机械法，化学法采用添加消泡剂，而机械法采用各种机械装置来打碎泡沫这些装置类型有：耙式消泡器、离心式消泡器、刮板式消泡器、涡轮式消泡器、碟片式消泡器等姚汝华P199-20。