第七章 发酵设备 主讲人：刘萍

第一节 发酵设备概述 发酵主要设备为发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料(培养基)调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除菌设备，以及搅拌器等。 种子罐：以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的。 发酵罐：承担产物的生产任务。 它必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。

一、发酵罐 发酵罐的定义：是为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。对于某些工艺来说，发酵罐是个密闭容器，同时附带精密控制系统；而对于另一些简单的工艺来说，发酵罐只是个开口容器，有时甚至简单到只要有一个开口的坑。

发酵罐系统 一个优良的发酵罐装置和组成 （1）应具有严密的结构 （2）良好的液体混合特性 （3）好的传质相传热速率  一个优良的发酵罐装置和组成 （1）应具有严密的结构 （2）良好的液体混合特性 （3）好的传质相传热速率 （4）具有配套而又可靠的检测、控制仪表

发酵罐发展历史 第一阶段:1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。 第二阶段:1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。 第三阶段：1940-1960年，机械搅拌、通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。

第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服—些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。 第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化。

发酵罐的特点 （1）发酵罐与其他工业设备的突出差别是对纯种培养的要求之高，几乎达到十分苛刻的程度。因此，发酵罐的严密性，运行的高度可靠性是发酵工业的显著特点。 （2）现代发酵工业为了获取更大的经济利益，发酵罐更加趋向大型化和自动化发展。 在发酵罐的自动化方面，作为参数检测的眼睛如pH电极、溶解氧电极、溶解二氧化碳电极等的在线检测在国外巳相当成熟。国内目前尚处于起步阶段，发酵检测参数还只限于温度、压力、空气流量等一些最常规的参数。

发酵罐的种类 发酵工业上最常用的是通风搅拌罐。除了通风搅拌发酵罐外，其它型式的发酵罐如：气提式发酵罐、压力循环发酵罐、带超滤膜的发酵罐等 。

典型发酵设备 种子制备设备、主发酵设备、辅助设备(无菌空气和培养基的制备)，发酵液预处理设备，粗产品的提取设备、产品精制与干燥设备、流出物回收、利用和处理设备等。

发酵罐工艺操作条件 1．温度：25～40℃。 2．压力：0～1 kg／cm3(表压)。 4．pH：2～11。 5．需氧量：0．05～0.3 kmo1／m3·h。 6．通气量：0.3～2 VVM。 7．功率消耗：0.5～4kW／m3。 8. 发酵热量：5 000～20 000 kcal／m3．h。

发酵罐的类型 1．按微生物生长代谢需要分类： 好气：抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等产品是在好气发酵罐中进行的；需要强烈的通风搅拌，目的是提高氧在发酵液中的传质系数； 厌气：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厌气发酵罐。不需要通气。

2. 按照发酵罐设备特点分类： 机械搅拌通风发酵罐：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式发酵罐和自吸式发酵罐等。 非机械搅拌通风发酵罐：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。 这两类发酵罐是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。

3．按容积分类： 一般认为5001以下的是实验室发酵罐； 500-50001是中试发酵罐； 50001以上是生产规模的发酵罐。

第二节 嫌气发酵设备

密闭厌氧发酵罐 对这类发酵罐的要求是：能封闭；能承受一定压力；有冷却设备；罐内尽量减少装置，消灭死角，便于清洗灭菌。 酒精和啤酒都属于嫌气发酵产物，其发酵罐因不需要通入昂贵的无菌空气，因此在设备放大、制造和操作时，都比好气发酵设备简单得多。

它的容积常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是锥形的。 上部有物料口，冷却水口，CO2和气体出口、人孔和压力表开口等。 温度控制采用罐内蛇管和罐外壁直接水喷淋相结合，排料管在罐的底部。

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将释放的生物热

酒精发酵罐的结构要求 满足工艺要求，有利于发酵的排出 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问题。

酒精发酵罐筒体结构 为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形。 在酒精发酸过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐宜采用密闭式。 罐顶装有人孔、视镜及二氧化碳回收管、进料管、接种管、压力表和测量仪表接口管等。 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，对于大型发酵耀，为了便于维修和清洗，往往在近罐底也装有人孔。

发酵的冷却装置 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，罐内装有冷却蛇管或罐内蛇管和罐外壁喷洒联合冷却装置， 为避免发酵车间的潮湿和积水，要求在罐体底部沿罐体四周装有集水槽。 采用罐外列管式喷淋冷却的方法，具有冷却发酵液均匀，冷却效率高等优点。

酒精发酵罐的洗涤 过去均由人工操作，不仅劳动强度大，而且二氧化碳气体一旦末彻底排除，工人入罐清洗会发生中毒事故。 近年来，酒精发酵罐巳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。

水力喷射装置 是由一根两头装有喷嘴的洒水管组成 两头喷水管弯有一定的弧度 喷水管上均匀地钻有一定数量的小孔 喷水管安装时呈水平 喷水管借活接头和固定供水管相连接 它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力，使喷水管自动旋转。 对于120m3的酒精发酵耀，采用36×3mm的喷水管，管上开有44×30个小孔，两头喷嘴口径为9mm。

高压强的水力喷射洗涤装置 它是一根直立的喷水管，沿轴向安装于罐的中央，在垂直喷水管上按一定的间距均匀地钻有4-6mm的小孔，孔与水平呈20度角，水平喷水管借活接头，上端和供水总管，下端相垂直分配管相连接，洗涤水压为0.6-0.8MPa。 水流在较高压力下，由水平喷水管出口处喷出，使其以每分钟48—56转自动旋转，并以极大的速度喷射到罐壁各处，而垂直的喷水管也以同样的水流速度喷射到罐体四壁和罐底。 约5分钟时间即可完成洗涤作业。洗涤水若用废热水，还可提高洗涤效果。

二、酒精发酵罐的计算 (一)发酵罐结构尺寸的确定 发酵罐全容积可按下式计算：

(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

(三)发酵罐冷却面积计算

1．总的发酵热Q 微生物在嫌气发醉过程中总的发酵热，一般由生物合成热Q1，蒸发热损失Q2，罐壁向用围散失的热损失Q3等三部分热量所组成。 微生物的生物合成热是由维持微生物生命活动的呼吸热、促进微生物增殖的繁殖热以及微生物形成代谢产物的发酵热所组成 由于各种微生物的生理特性和代谢途径不同，故对于微生物的生物合成热至今尚难准确计算。

对于确定酒精、啤酒等嫌气发酵的发酵热，一船按发酵最旺盛时单位时间糖度降低的百分值来计算，通常以消耗1kg麦芽糖发酵放出的热量约为418，600J为计算基准。 如果发酵液不进行冷却，则发酵温度可升高10℃。 此外，对于小型试验罐，也可在发酵最旺盛时，测定其冷却水的进出口温度和单位时间内的耗水量，从而得出小罐的放热量Q1’。

代谢气体带走的蒸发热量Q2与糖浓浓度、发酵程度好坏有关，除间接测定外，目前还难具体计算，一般计算时可取Q1的5、6％左右。 所以总的发酵热是：

4．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] 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)

n=24/4=6 N=6× 72/24+1=19

发酵罐容积

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：

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：

2．冷却面积和冷却装置主要结构尺寸

假定罐壁不包扎保温层，壁温最高可达35t，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=全罐总表面积× ac ×(t2-t1)

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℃

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 (4)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：

(5)冷却面积和主要尺寸

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。 大型化的目的是： (1)    由于大型化，使啤酒质量均一化； 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。

啤酒发酵容器的变迁过程 (1)发酵容器材料的变化。 由陶器向木材---水泥----金属材料演变 现在的啤酒生产，后两种材料都在使用。 我国大多数啤酒发酵容器为内有涂料的钢筋水泥槽，新建的大型容器一般使用不锈钢。

（2）开放式发酵容器向密闭式转变。 小规模生产时，一般用开放式，对发酵的管理、泡沫形态的观察和醪液浓度的测定等比较方便。 随着啤酒生产规模的扩大，发酵容器大型化，并为密闭式。 从开放式转向密闭发酵的最大问题是发酵时被气泡带到表面的泡盖的处理。可用吸取法分离泡盖。

（3）密闭容器的演变。 原来是在开放式长方形容器上面加弓形盖子的密闭发酵槽； 随着技术革新过渡到用钢板、不锈钢或铝制的卧式圆筒形发酵罐。 后来出现的是立式圆筒体锥底发酵罐。 目前使用的大型发酵罐主要是立式罐，如奈坦罐、联合罐、朝日罐等。 由于发酵罐容量的增大，要求清洗设备装置也有很大的改进，大都采用CIP自动清洗系统。

啤酒前、后发酵设备及计算 (一)前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内，发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可为钢板制，常见的采用钢筋混凝上制成，也有用砖砌、外面抹水泥的发酵槽。 形式以长方形或正方形为主。 前发酵槽内要涂布一层特殊涂料作为保护层。采用不饱和聚脂树脂、环氧树脂或其他特殊涂料较为广泛，但还未完全符合啤酒低温发酵的防腐要求。

前发酵槽的底略有倾斜，利于废水排出 离槽底10-15cm处，伸出有嫩啤酒放出管 为了维持发酵槽内醪液的低温，在槽中装有冷却蛇管或排管。 前发酵槽的冷却面积，根据经验，对下面啤酒发酵取每立方米发酵液约为0.2平方米冷却面积，蛇管内通入0-2度的冰水。 注意CO2的排放，防止中毒

密闭式发酵槽 优点 （1） 可回收二氧化碳 （2） 减少前发酵室内通风换气的耗冷量 （3） 减少杂菌污染机会。 组成 在槽内装置冷却蛇管 （1）       可回收二氧化碳 （2）       减少前发酵室内通风换气的耗冷量 （3）       减少杂菌污染机会。 组成 在槽内装置冷却蛇管 在发酵室内配置冷却排， 或采用空调装置，使室内维持工艺所要求的温度和湿度。

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。

降低发酵室的冷耗量措施 合理地在室内配置进出风道以及正确操作空调设备 发酵室的四周墙壁和顶棚均要采用较好的绝热结构，绝热层厚度不应小于5cm。 发酵槽外壁及四周墙壁应铺砌白瓷砖或红缸砖，也可用标号较高的水泥抹面，再涂以较暗淡的油漆。 地面通道应用防滑瓷砖铺设，并有—定坡度，便于废水排出。 发酵室内顶相应建成倾斜或光滑弧面，以免冷凝水淌入发酵槽内。 从节省冷耗考虑，室内空间不宜太高，单位体积发酵室内的发酵槽容量应尽可能最大。

(二)前发酵罐的计算 1. 发酵槽数目的确定 采用小容量的发酵槽，将导致一系列非生产消耗的增加。容积小，槽数目多，又必然会增加投资费用，所以一般不宜采用。 在一个发酵槽内可容纳一次麦汁量的前提下，发酵槽的数目可按下式计算

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。

2．前发酵槽容积的确定 计算糖化一次麦汁量或其量的整倍数，同时适当考虑泡沫所占的空间，即可确定前发酵槽的客积。计算如下：

(三)后发酵设备 主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。 根据工艺要求，贮酒室内要维持比前发酵室更低的温度，一般要求0-2℃，特殊产品要求达到-2℃左右。 后发酵过程残糖较低，发酵温和，故槽内一般无须再装置冷却蛇管。 贮酒室的建筑结构和保温要求，均不能低于前发酵室，室内低温的维持，是借室内冷却排管或通入冷风循环而得。

后发酵槽是金属的圆筒形密闭容器，有卧式和立式两种。工厂大多数采用卧式。 发酵过程中需饱和CO2，后发酵槽应制成耐压0.1-0.2MPa表压的容器。 后发酵槽槽身装有人孔、取样阀、进出啤酒接管、排出二氧化碳接管、压缩空气接管、温度计、压力表和安全阀等附属装置。

后发酵槽的材料，一般用A3钢板制造，内壁涂以防腐层。 贮酒槽全部放置在隔热的贮酒室内，维持一定的后酵温度。毗邻贮酒室外建有绝热保暖的操作通道，在通道内进行后发酵过程的调节和操作。 贮酒室和通道相隔的墙壁上开有一定直径和数量的玻璃窥察窗，便于观察后发酵室内部情况。 通道内保持常温，开启发酵液的管道和阀门都接通到通道里。

(四)后发酵罐的计算 贮酒罐的容量应和啤酒过滤能力配合起来，即一天的过滤量要相当一个罐或几个罐的贮酒量。 如果滤酒时贮酒罐的背压用CO2，情况会好得多。 一般小型啤酒厂，采用单个贮酒罐满足每日装酒产量，而大中型啤酒厂则要数个贮洒罐才能满足要求。

（二）新型啤酒发酵设备 1. 圆筒体锥底发酵耀 圆简体锥底立式发酵罐(简称锥形罐)，已广泛用于上面或下面发酵啤酒生产。 锥形耀可单独用于前发酵或后发酵，还可以将前、后发酵合并在该罐进行(一罐法)。 这种设备的优点：在于能缩短发酵时间，而且具有生产上的灵活性，故能适合于生产各种类型啤酒的要求。

设备特点 这种设备一般置于室外。 已灭菌的新鲜麦汁与酵母由底部进入罐内； 发酵最旺盛时，使用全部冷却夹套，维持适宜的发酵温度。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨(直接蒸发)作冷媒； CO 2气体由罐顶排出。 罐身和罐盖上均装有人孔，罐顶装有压力表、安全阀和玻璃视镜。 在罐底装有净化的CO2充气管。 罐身装有取样管和温度计接管。 设备外部包扎良好的保温层，以减少冷量损耗。

优点： （1）是能耗低，采用的管径小，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。

影响发酵设备造价的因素 发酵设备大小、形式、操作压力及所需的冷却工作负荷。 容器的形式主要指其单位容积所需的表面积，以m2/100L表示，这是影响造价的主要因素。

大型发酵罐的设计 罐的耐压要求 热交换 内部清洗

罐的耐压要求 考虑CO2的回收。就必须使罐内的CO2维持一定的压力，所以大罐就成为一个耐压罐，就有必要设立安全阀。 根据英国设计法则Bs5500(1976)的规定：如大罐的工作压力为x磅／平方英寸，则设计时用的罐压力是x(1十10％)。 当压力达到罐的设计压力时，安全阀应开始开启。安全阀最大的工作压力是设计压力加10％

罐内真空 罐内真空主要是系列的发酵罐在密闭条件下转罐或进行内部清洗时造成的。 大型发酵罐放料的速度很快造成一定的负压。 罐内留存一部分CO2气体，在进行清洗时，CO2有被除去的可能，所以也可能造成真空。 大型真空发酵罐应设防止真空的装置。真空安全阀的作用是允许空气进入罐内，以建立罐 内外压力的平衡。 罐内CO2的除去量可根据进入的清洗液的碱含量算出，并进一步计算出需要进入罐内的空气量。

罐内的对流与热交换 发酵罐中发酵液的对流主要依靠其中CO2的作用。在整个锥形罐的发酵液中形成一个CO2含量的梯度。 比重较小的发酵液具有上浮的提升力。而且在发酵时上升的二氧化碳气泡对周围的液体具有一种拖曳力 由于拖曳力和提升力结合后所造成的气体搅拌作用，使罐的内容物得到循环，促进了发酵液的混合相热交换。 冷却操作时啤酒温度的变化也会引起罐的内容物的对流循环。

2.联合罐 是一种具有较浅锥底的大直径(高径比为1：1—1．3)发酵罐 能在罐内进行机械搅拌，并具有冷却装置。 联合罐在发酵生产上的用途与锥形罐相同，既可用于前、后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。因而它适合多方面的需要，故又称该类型罐为通用罐。

结构：主体是一圆柱体，是由7层1.2m宽的钢板组成。总的表面积是378m3 ，总体积765m3。 联合罐是由带人孔的薄壳垂直圆柱体、拱形顶及有足够斜度以除去酵母的锥底所组成。 锥底的形式可与浸麦槽的锥底相似。 联合罐的基础是一钢筋混凝土圆柱体，其外壁约3m高，20cm厚。 基础圆柱体壁上部的形状是按照罐底的斜度来确定的。有30个铁锚均匀地分埋入圆柱体壁中，并与罐焊接。圆柱体与罐底之间填入坚固结实的水泥沙浆，在填充料与罐底之间留25.4cm厚的空心层以绝缘。

3. 朝日罐 前发酵和后发酵合一的室外大型发酵罐 朝日罐是用4—6mm的不绣钢板制成的斜底圆柱型发酵罐。 其高度与直径比为1:1-2:1 3. 朝日罐 前发酵和后发酵合一的室外大型发酵罐 朝日罐是用4—6mm的不绣钢板制成的斜底圆柱型发酵罐。 其高度与直径比为1:1-2:1 外部设有冷却夹套，冷却夹套包围罐身与罐底。外面用泡沫塑料保温 内部设有带转轴的可动排油管，用来排出酒液，并有保持酒液中CO 2含量均一的作用。

朝日罐特点 朝日罐与锥形罐具有相同的功能，但生产工艺不同。 （1）利用离心机回收酵母 （2）利用薄板换热器控制发酵温度 （3）利用循环泵把发酵液抽出又送回去。

优点： 三种设备互相组合，解决了前、后发酵温度控制和酵母浓度的控制问题，加速了酵母的成熟。 使用酵母离心机分离发酵液的酵母，可以解决酵母沉淀慢的缺点 利用凝聚性弱的酵母进行发酵，增加酵母与发酵浓接触时间，促进发酵液中乙醛和双乙酰的还原，减少其含量。

啤酒循环的操作 啤酒循环的目的是为了回收酵母，降低酒温，控制下酒醉母浓度和排除啤酒中的生味物质。 （1）第一次循环是在主发酵完毕的第8天，发酵液由离心机分离酵母后经薄板换热器降温返回发酵耀，循环时间为7h。 （2）待后酵到4h时进行第二次循环，使酵母浓度进一步降低，循环时间为4-12h。 如果要求缩短成熟期，可缩短循环时间。当第二次循环时酵母由于搅动的关系，发酵液中酵母浓度可能回升，这有利于双乙酰的还原和生味物质的排除。 （3）若双乙酰含量高，或生味物质较显著，可在第10天进行第三次循环操作。

利用朝日罐进行一罐法生产啤酒的优点是： 可加速啤酒的成熟 后酵时罐的装量可达96％，提高了设备利用率 减少了排除酵母时发酵液的损失 缺点是动力消耗较大。

（三）CIP清洗系统 啤酒发酵罐的容量正在逐步增大，这类发酵罐大部分安装在室外，原来的清洗方法已不适用，必须采用自动化的喷洗装置。 所谓CIP系统，是clean in place的简称，意即内部清洗系统。

由于大罐建在室外，所以连接的管道要长而且主管的管径必然要大， 一般为150mm。 如果在大罐中加澄清剂，会在罐底形成沉渣层，故在罐的出料处设一沉渣阻挡器 同时为了能放尽罐底的存液，出料处应是一双重出口。 沉于罐底的沉渣固形物具有一定的经济价值，应该回收，所以在洗罐时要尽可能少用水冲出沉渣，以免稀释。

啤酒进出站是供嫩啤酒(麦汁)进入管、啤酒输出管及清洗液返回管之间的联结，它位于 罐出口底下，可用U形管在啤酒进出管与清洗液返回管之间进行任意联结。 通气管的出口应在低于罐出口的位置，由橡皮管与清洗液返回管线相联结。 CIF循环单位设在酒库内，包括微型开关(控制清洗液的进出)、控制盘、CIP供应泵、污水泵、水箱。

控制盘通过仪表来控制清洗液的温度、水位及罐的充满与放空等程序。 清洗液进出阀和通气管上的通气阀的控制与CIP系统的控制装置是有关系的，所以可在清洗操作开始前先将通气阀开启。 清洗液返回管线的位置是在通气管末端之下，这样可以在CIP清洗操作时保证通气管也能得到有效的清洗。

通气阀位置应在罐内的清洗液的液位之上，可防止清洗后由于罐的冷却而造成真空，因为它可以无阻地补入空气。 通气管下部还具有压力调节阀。 CIP消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 (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，使清洗剂成为一种氯化了的碱性洗涤剂，其总碱度在3000一3300ppm之间，用这种碱液循环16分钟。在此期间CIP供应泵吸引端注入蒸汽，使清洗液温度维持在32℃左右。

(3)中间冲洗：用CIP循环单位的水罐来的清水进行4分钟冲洗。 (4)从气动器来的空气流入罐顶的固定喷头，然后进行三次清水的喷冲，每次30秒，从罐顶沿罐的四周冲洗下来。 (5)进行碱喷冲：用总碱度为3500-4000ppm的氯化了的碱液进行喷冲，碱液的温度为32℃左右，喷冲循环15分钟。

(6)用清水冲洗，将残留于罐表面及管线中的碱液冲洗干净。 (7)最后用酸性水冲洗循环，以中和残留的碱性，放走洗水，使罐保持弱酸状况。至此完成了全部清洗过程。

进行大型增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。

啤酒的连续发酵罐种类 2．由数个高度6～9m的塔式发酵罐串联起来，附加一些酵母分离和啤酒贮藏设备。 还有一个由主发酵塔和一个发酵塔组成，发酵周期40、50小时，连续发酵两个月，各项经济指标均优于间歇法。

三、丙酮—丁醇发酵罐 生产丙酮、丁醇的发酵罐比酒精发酵罐高，罐身需承受高压，罐壁较厚，用钢板制成。顶盖和底部采用球形封头，罐内表面平整光滑，无内部件，采用表面喷淋冷却。种子罐采用夹套冷却。

第三节 通风发酵罐

一、机械搅拌发酵罐 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，使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。　

发酵罐的基本条件 （1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。 （2）发酵罐能承受一定的压力。  （1）发酵罐应具有适宜的径高比。罐身越高，氧的利用率较高。  （2）发酵罐能承受一定的压力。  （3）要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。  （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，防病量减少泄漏。

二、发酵罐罐体的尺寸比例  Di =1/3d  H0 =2Di B =0.1D ha=0.25D  S=3Di  C= Di

发酵罐

三、发酵罐的结构 1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器  4、联轴器及轴承 5、变速装置  6、空气分布装置 7、轴封 8、冷却装置

三、发酵罐的结构 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板或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚为2-3毫米。 为了满足工业要求，在一定压力下操作、空消或实消，罐为一个受压容器，通常灭菌的压力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。

搅拌器 搅拌器有平叶式、弯叶式、箭叶式三种 其作用是打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅拌程度来说，以平叶涡轮最为激烈，功率消耗也最大，弯叶次之，箭叶最小。 为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。

通用发酵罐的搅拌桨类型 （1）通用发酵罐的搅拌桨最广泛使用的是平叶涡轮搅拌桨，国内采用的大多数是六平叶式，其各部分尺寸比例已规范化。 这种搅拌桨具有很大的循环液体输送量，功率消耗大。因此特别适用于丝状菌发酵。 （2）船用螺旋搅拌器，它具有比涡轮桨更为强烈的轴向流动，但是氧传递效率低。

（3）振动混合器，尽管可以提供较高的氧传递效率，但剪切力较低。 （4）多棒搅拌桨，已用于粘稠的丝状链霉菌发酵的发酵罐中。这种搅拌桨具有较好的剪切分散能力和较低的功率消耗，在整个发酵过程中功率变化相对涡轮桨要小的多。 （5）气体导入式搅拌器，是由一个空心的搅拌桨组成，安装在空心的搅拌轴上。搅拌桨上至少有一个暴露在液体中的开口。由于搅拌桨转动，开口处的压力随之减少，使导入的气体沿着搅拌轴向下流动。它适应于低粘度的发酵液。

消泡装量  消泡方式有两种：一是加入化学消泡剂消除泡沫，但高浓度的化学消泡剂会对发酵产生抑制作用，故不能添加太多； 第二种方式，即机械消泡。机械消泡装置主要有四种。 一是锯齿式消泡桨．它安装于罐内顶部、高出液面的位置，固定在搅拌轴上，随搅拌轴转动，不断将泡沫打破。 二是半封闭式涡轮消泡器，它是由前者发展改进而来，泡沫可直接被涡轮打碎或被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎。

三是离心式消泡器，它们置于发酵罐的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡沫破碎，液体仍然返回罐内。 第四种是刮板式消泡器，它安装于发酵罐的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋转的刮板中，刮板转速为1000—1450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用，液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则由汽孔排出。

挡 板 挡板的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。 通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，装设4-6块即可满足全挡板条件。 所谓“全挡板条件”是指在一定转速下再增加罐内附件而轴功率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：

D—罐的直径（mm） Z—挡板数 W—挡板宽度（mm）

竖立的列管，排管，也可以起挡板作用，故一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。 （但冷却管为盘管时，则应设挡板。）挡板的长度自液面起到罐底为止。 挡板与罐壁之间的距离为（1/5~1/9）W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。

联轴器及轴承 大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。

为了减少震动，中型发酵罐一般在罐内装有底轴承，而大型发酵罐装有中间轴承，底轴承和中间轴承的水平位置应能适当调节。 罐内轴承不能加润滑油，应采用液体润滑的塑料轴瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。 轴瓦与轴之间的间隙常取轴径的0.4-0.7%，以适应温度差的变化。

罐内轴承接触处的轴颈极易磨损，尤其是底轴承处的磨损更为严重，可以在与轴承接触处的轴上增加一个轴套，用紧固螺钉与轴固定，这样仅磨损轴套而轴不会磨损，检修时只要更换轴套就可以了。

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伸展动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮带变速传动效率较高，但加工，安装精度要求高。

采用变极电动机作阶段变速，即在需氧高峰时采用高转速，而在不需较高溶解氧的阶段适当降低转速。这样，发酵产率并不降低，而动力消耗则有所节约。 自动化程度较高的发酵罐，采用可控硅变频装置，根据溶氧测定仪连续测定发酵液中溶解氧浓度的情况，并按照微生物生长需要的耗氧及发酵情况，随时自动变更转速，这种装置进一步节约了动力消耗，并可相应提高发酵产率，但其装置颇为复杂。

空气分布装置 空气分布装置的作用是吹入无菌空气，并使空气均匀分布。 分布装置的形式有单管及环形管等。常用的为单管式，管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，管口与罐低的距离约40mm，并且空气分散效果较好。 若距离过大，空气分散效果较差。该距离可根据溶氧情况适当调整，空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与醪液充分混合，增加了气液传质效果。

通常通风管的空气流速取20米/秒。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命。 通风量在0.02~0.5ml/sec时，气泡的直径与空气喷口直径的1/3次方成正比。也就是说，喷口直径越小，气泡直径也越小。因而氧的传质系数也越大。但是生产实际的通风量均超过上述范围，因此气泡直径仅与通风量有关，而与喷口直径无关。

轴 封 轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 填料函轴封是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。

安装在旋转轴与设备之间的部件，它的作用是阻止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏

冷却装置 5M3以下发酵罐一般采用夹套冷却。大型发酵罐采用列管冷却（四至八组）。带夹套的发酵罐罐体壁厚要按外压计算[即3.5Kg/厘米2（绝对压力）] 夹套内设置螺旋片导板，来增加换热效果，同时对罐身起加强作用。冷却列管极易腐蚀或磨损穿孔，最好用不锈钢制造。

发酵罐装料容积 发酵罐装料容积：在一般情况下，装料高度取罐圆柱部分高度,但须根据具体情况而定。采用有效的机械消涣装置，可以提高罐的装料量。

搅拌器轴功率的计算 1、求搅拌雷诺准数 2、在不通气条件下一只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输入搅拌功率 3、在不通气条件下两只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输入搅拌功率 4、求通气条件下两只圆盘弯叶涡轮搅拌器的输入搅拌功率 5、选用电机

标准通用式发酵罐 通用式发酵罐是最广泛应用的深层好气培养设备 。 在工业生产中，尤其是制药工业中，使用得最广泛的就是通用式发酵罐。 这种发酵绕既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部，也可置于其底部，其高径比为2:1-6:19 有关的重要因素是氧传递效率，功率输入、混合质量，搅拌桨形式和发酵罐的几何比例等。

自吸式发酵罐 它与通用发酵罐的主要区别是：①有一个特殊的搅拌器，搅拌器由转子和定子组成；②没有通气管。

具有转子和定子的搅拌器的吸气原理： 浸在发酵液中的转子迅速旋转，液体和空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘。这时，转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造成的负压也愈大。由于转子的空膛与大气相通，发酵罐外的空气通过过滤器不断地被吸入，随即甩向叶轮外缘，再通过异向叶轮使气液均匀分布甩出。转子的搅拌，又使气液在叶轮周围形成强烈的混合流，空气泡被粉碎，气液充分混合。

自吸式发酵罐的搅拌器 ①回转翼片式自吸搅拌器； ②喷射式自吸搅拌器； ③具有转子和定子的自吸搅拌器。

气泡塔式发酵罐 塔式发酵罐系一直立长圆筒，筒内安装孔板，有的还在罐内安装搅拌器，罐壁四周装挡板。与分批的机械搅拌发酵罐类似，有的塔顶横截面扩大，供以降低流速，截留液体夹带的悬浮物。发酵液和空气可以并流，也可逆流。  罐的特点是：罐身高，高径比为6；土霉素等生产用的设备，高径比达到7。由于液位高，空气利用率高，节省空气约5％，节省动力约30％，但底部存在沉淀现象；温度高时降温较难。

现代发酵罐的大型化给STF带来—系列难以克服的困难 要大于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、碳源和其它营养与pH控制等.

带升式发酵罐 带升式发酵罐也称为气流搅拌发酵罐，不用机械搅拌，借通风起到搅拌作用并供给氧气。 特点：结构简单，冷却面积小，无搅拌传动设备，料液充满系数大，无须加消泡剂，维修、操作及清洗简便，节省动力，减少染菌等。

工作原理：外循环气流搅拌罐是将空气上升管装在罐外，下端与罐底连通，管底装空气喷嘴，压缩空气以250～300m／s高速喷出，与上升管内醪液接触，由于气液混合体密度小于罐内醪液，所以在管内上升，管上端与罐身切线相连，液体由切线进入在罐内回旋下降，形成激烈循环。

液提式发酵罐 液提发酵罐是液体借助于一个液体泵进行输送，同时气体在液体的喷嘴处被吸入发酵罐． 喷嘴是这类发酵罐的一个特殊部件，制造要求精密。

气提式发酵罐 空气压缩机是气提式发酵罐的重要组成部分，它的效率决定于它的形式。 压缩气体通过空气分布器进入液体后，最初形成的气泡是由液体剧烈翻动来分散的，所以气泡的分散程度决定于功率消耗速率。

图中A、B、C和D是用于发酵罐底部的喷嘴；E和F是装在发酵罐上部的喷嘴。这些喷嘴分别具有不同的特点和功能：

C也是两相喷嘴，中心喷嘴是液相，气体从旁边的管道吸入； D是放射流喷嘴，用于气体分散和气泡分配； E是垂直流喷嘴； F是泵喷射型喷嘴，可采用不同的喷射长度。

(一)喷嘴塔式（bcde） 这是由一个两相喷嘴和鼓泡柱组成的发醉罐，它的通气效率比多孔管式或多孔板式好得多。 这种形式的反应器常用于废水处理，如在一个15000m’的活性污泥池中，安装56个喷嘴，每天可转化30000kg的氧。 (二)喷嘴塔循环式(b) 它以两相喷嘴作为通气装置，具有高的液体循环速度。

(三)喷璃循环式 它利用喷嘴的喷射力，吸入气体，使气体在罐体内部循环，达到较好的传氧效果。 的传氧效果。 (四)喷射通道式 在这种反应器里，液体在细长形的喷嘴里被加速，使循环液体的位能更有效地转变成动能。喷嘴最窄处液体的速度最大，而静压最低，空气通过小孔或狭窄处被吸入和分散，在喷嘴处形成的气泡被向下流动的液体带到罐的底部。在窄管的终端，气体向上运动并离开液体排出。

（五）滴流床式 液体在罐顶部被分散，然后向下滴流通过已被固定化的微生物细胞。空气是在罐底导入并与液体逆向流动。它在好氧废水处理中有着广泛的应用。   (六)多级塔循环式 这种罐以多孔盘管或筛孔发作为一级分离器。液休平面由溢流管控制。

(七)管道循环式 空气以3-4m/s的速度导入液体流中，然后通过—个多孔过滤器在 旋风分离器中分离，最后排出系统。这种液流以单向通过泵和流量计。采用这种可以有很高的细胞浓度〔可达t 659(干重细胞)／L和高的氧传递速率。然而功率输入也是相当高的。

(八)液体流化床式 近年来，沉化床生化反应器的研究报道很多，它主要应用在3个方面 ①   酶固定在固体基质上； ②   完整细胞固定在固体基质上进行纯培养； ③   生化流化床广泛应用于废水处理过程。

气提式发酵罐

(一)单级塔式 在塔底装有多孔管或多孔板或多孔环作为通气装置。空气被分散成小气泡后，由于其本身的浮力在液体中上升，液体流向上运动，即维持一个逆向流动的气液流。 单级塔可用于面包酵母、啤酒、醋的生产，真菌培养，白喉毒素生产和废水处理等。当用于培养凝聚细胞时，可以得到高的细胞浓度和代谢产物。

(二)单级气提循环塔式 通气运行时，气泡携带着液体向上运动，有一部分液体沿罐壁向下运动，这种逆向液流可通过将反应器分成向上和向下流动两部分来控制的。

1．内循环式：它还可用于植物细胞培养和废水处理。 2 ．外循环式：它的氧传递系数比相应的鼓泡柱低。工业上它巳用于年产1000吨规模的单细胞蛋白(SCP)的生产。 3．分割式：这种反应器内，装着几块垂直的板，形成使液体上升和下降的两个区域，液体在气体的带动下形成液体流动。 4 ．循环通道式：气体滞留时间长，功率输入也大。

(三)下流气提循环塔式：这种反应器用于废水处理。 (四)具有不同内装结构的塔式： 1．多级分离板塔式：塔内装有分离板，使气液逆向流动，在每一级分离板上形成气体层和液体层。气液层分离在每级上发生。它已用于连续培养大肠杆菌和废水处理。 2. 多级循环组合塔式：这类反应器有外循环，内循环和循环通道三种。

3.静态混合塔式：它有两种形式；①不带循环式；②带循环的。采用了静态混合，Kla明显增加。 (五)气体流化床式：它巳用于酵母和乙醇生产。调节气流速度，可避免细胞在流化时形成大块，但酵母细胞和乙醇生产率比深层培养的要低。

二、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。

（一） 空气除菌流程和设备 空气预过滤 空气压缩机 冷却器 析水器 加热器 空气贮罐 空气过滤器 发酵罐。

1．空气压缩机：工业发酵用的压缩空气是2～3kg／cm2的低压空气。目前常用的是往复式空压机，最好选用水冷式和无油润滑的。涡轮空压机能提供大量2～3kg／cm2的压缩空气，耗电省，是最理想的设备。 2．过滤器：空气过滤器的类型很多，有棉花活性炭过滤器、管式过滤器和接送式过滤器等。 3．过滤介质：空气除菌用的过滤介质有：棉花、活性炭玻璃纤维，超细玻璃纤维纸，石棉滤板、烧结材料、聚乙烯醇(PVA)等多孔合成树脂、素烧陶瓷筒和聚碳酸酯等。

（二）培养基灭菌设备 2. 加热设备：在配料罐里培养基被加热到70℃，然后，用泵送到加热设备，在20秒的时间内继续加热到130～140℃。常用的加热设备有塔式和喷射式两种。 塔式加热设备又称连消塔，塔的有效高度2～3m，料液在塔中的流速是0.1m／s，因此料液在塔内的滞留时间为2～30s。它是有—多孔导入管和一外套管组成，多孔管的孔径是5～8mm。 喷射式加热器有一喷嘴，蒸汽由喷嘴喷出，料液从侧面进入加热器而被蒸汽加热。

（三）维持设备 维持设备使加热后的培养基保温—定的时间，从而达到灭菌的目的。 维持设备有两种：罐式和管式。罐式的是一个带有上下开口用于进出料的立式密封容器；管式的是用无缝钢管焊成，管内流速可取0.3～0.6m／s。

(四)、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

三、管道及阀门 3.1管道 与发酵罐连接的管道有水管、料管、空气管和蒸汽管 发酵罐内的冷却蛇管与发酵罐内直接相连的料管等，最好采用不锈钢管。 管径选取的流速是：上水管1～2m／s；料管0.5～1.0m／s；空气管10～15m／s；蒸汽15～20m／s。

3.2阀门 阀门是发酵罐的重要组成，它被用于调节控制气体和液体的流量。 阀门的选取应考虑： ①用于什么目的； ②阀门的材料是否耐温、耐压等； ③连接方式； ④经济成本； ⑤操作方式。

发酵罐上常用的阀门有：闸阀、球阀、活塞阀、针型阀、蝶形阀、球心阀、隔膜阀，单向阀(止逆阀)、安全阀、压力控制阀等。 隔膜阀既严密可靠，阀杆又不与物料接触，因此在发酵罐上的用处很大。隔膜由氯丁橡胶与天然胶混合制成，可耐高温，价格也高。使用时，隔膜阀需要定期检查和更换。

第四节 固体发酵设备

（一）固体发酵 微生物在具有一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖就称作为固体发酵。 固体发酵主要适合于霉菌。

固体发酵的优缺点 1、原料来源广，价格低廉。 2、在霉菌发酵时就可以防止污染杂菌。 3、能耗低。 4、固体发酵的产物回收—般步骤少，费用也省。

固体发酵存在的主要工程问题是大规模生产时的散热比较困难，参数检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等是很难实现的。因此，实现固体发酵的最优化困难重重。

（二）固体发酵设备 按照固体培养方式来区分 1．浅盘式：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。 2．旋转式：旋转式固体发酵罐有鼓形和管形，培养过程中，整个发酵罐以低速间歇旋转，罐内的小固体颗粒会沿着罐壁滑动，达到散热和与空气接触之目的。

3．厚层式：固体发酵床的底部为多孔筛板，风道倾斜形，可使平行流动的气流变成垂直流动。曲层厚度可以是300-350mm。无菌的压缩空气需调节好温度和湿度，空气的相对湿度一般为92％，空气风压常为200mmHg，这种装置的进出料和翻曲可以实现机械化和自动化，在工业生产上已有应用。