第六章 发酵设备
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
? （ 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 CO2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
发酵罐工艺操作条件
? 1,温度,25～ 40℃ 。
? 2,压力,0～ 1kg/cm3 (表压 )。
? 3,灭菌条件；温度 100～ 140℃, 压力 0～ 3kg/cm3
(表压 ).
? 4,pH,2～ 11。
? 5,需氧量,0.05～ 0.3kmo1/m3·h 。
? 6,通气量,0.3～ 2VVM。
? 7,功率消耗,0.5～ 4kW/m3 。
? 8, 发酵热量,5 000～ 20 000kcal/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 500L以下的是实验室发酵罐；
? 500-5000L是中试发酵罐；
? 5000L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, 有利于发酵热的排出
? 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 CO2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 CO2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 5min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
般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 418.6kJ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 。
? 不论发酵罐置于室内或室外, 均要向周围空
间散失热量 Q3,这部分热量由对流相辐射组成,
具体计算可参阅有关资料 。
? 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℃
? (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。
? (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 。
啤酒发酵容器的变迁过程
? （ 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
? 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高压用 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 。
? 锥形罐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 。
? 罐的工作压力根据其不同的发酵工艺而有所不同 。
若作为前酵和贮酒两用, 就应以贮洒时 CO2含量为
依据, 所需的耐压程度要稍高于单用于前酵的罐 。
? 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
? 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 。
? 采用较多的是 CIP清洗系统 。
? 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
? 1,两个搅拌罐和一个酵母分离罐串联起来, 加
入酒花的麦芽汁流加入第一个搅拌罐, 经发酵后,
成熟啤酒从分离罐中流出 。 这种流程已达到日产
100m2的规模 。
? 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 。
? （ 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：
? A是气液两相自喷射喷嘴；
? B是两相喷嘴, 中心喷嘴是液相, 气体从周围
吸入；
? 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 。
? 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。
（二）培养基灭菌设备
? （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。
固体静态发酵罐
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
? （ 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 CO2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
发酵罐工艺操作条件
? 1,温度,25～ 40℃ 。
? 2,压力,0～ 1kg/cm3 (表压 )。
? 3,灭菌条件；温度 100～ 140℃, 压力 0～ 3kg/cm3
(表压 ).
? 4,pH,2～ 11。
? 5,需氧量,0.05～ 0.3kmo1/m3·h 。
? 6,通气量,0.3～ 2VVM。
? 7,功率消耗,0.5～ 4kW/m3 。
? 8, 发酵热量,5 000～ 20 000kcal/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 500L以下的是实验室发酵罐；
? 500-5000L是中试发酵罐；
? 5000L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, 有利于发酵热的排出
? 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 CO2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 CO2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 5min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
般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 418.6kJ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 。
? 不论发酵罐置于室内或室外, 均要向周围空
间散失热量 Q3,这部分热量由对流相辐射组成,
具体计算可参阅有关资料 。
? 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℃
? (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。
? (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 。
啤酒发酵容器的变迁过程
? （ 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
? 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高压用 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 。
? 锥形罐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 。
? 罐的工作压力根据其不同的发酵工艺而有所不同 。
若作为前酵和贮酒两用, 就应以贮洒时 CO2含量为
依据, 所需的耐压程度要稍高于单用于前酵的罐 。
? 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
? 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 。
? 采用较多的是 CIP清洗系统 。
? 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
? 1,两个搅拌罐和一个酵母分离罐串联起来, 加
入酒花的麦芽汁流加入第一个搅拌罐, 经发酵后,
成熟啤酒从分离罐中流出 。 这种流程已达到日产
100m2的规模 。
? 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 。
? （ 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：
? A是气液两相自喷射喷嘴；
? B是两相喷嘴, 中心喷嘴是液相, 气体从周围
吸入；
? 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 。
? 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。
（二）培养基灭菌设备
? （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。
固体静态发酵罐
