1、 Review Questions1. Cite some micro-organisms used widely in food industry and their corresponding products.2. How to get an ideal strain for fermentation industry? 3. Whats the purpose of inoculum development ? Cite the process of it.GENERALIZED VIEW OF BIOPROCESSRAW MATERIALSUPSTREAM PROCESSESInoc

2、ulumPreparationEquipmentSterilizationMedia FormulationandSterilizationBIOREACTOR - FERMENTERReaction Kineticsand BioactivityTransport Phenomenaand Fluid PropertiesInstrumentationand ControlDOWNSTREAM PROCESSESSeparationRecovery andPurificationWaste Recovery,Reuse and TreatmentTHE BOTTOM LINEREGULATI

3、ONECONOMICSHEALTH AND SAFETYChapter 5 FermentorThe main function of a fermentervproviding a controlled environment for the growth of microorganisms or animal cells, to obtain a desired product. 發酵罐的定義：是為一個特定生物化學過程的操作提供良好而滿意的環境的容器。對于某些工藝來說，發酵罐是個密閉容器，同時附帶精密控制系統；而對于另一些簡單的工藝來說，發酵罐只是個開口容器，有時甚至簡單到只要有一個開口的

4、坑。 發酵罐的類型發酵罐的類型 v1按微生物生長代謝需要分類：v好氣：抗生素、酶制劑、酵母、氨基酸，維生素等產品是在好氣發酵罐中進行的；需要強烈的通風攪拌，目的是提高氧在發酵液中的傳質系數；v厭氣：丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等采用厭氣發酵罐。不需要通氣。v2. 按照發酵罐設備特點分類：v機械攪拌通風發酵罐：包括循環式，如伍式發酵罐，文氏管發酵罐，以及非循環式的通風式發酵罐和自吸式發酵罐等。mechanical agitation fermentor self priming fermentorAirlift fermentorv非機械攪拌通風發酵罐：包括循環式的氣提式、液提式發酵罐，以及非循環

5、式的排管式和噴射式發酵罐。v這兩類發酵罐是采用不同的手段使發酵罐內的氣、固、液三相充分混合，從而滿足微生物生長和產物形成對氧的需求。 v3按容積分類：v一般認為500L以下的是實驗室發酵罐；v500-5000L是中試發酵罐；v5000L以上是生產規模的發酵罐。Fermentor sizes for various purposesvFermenters range from simple stirred tanks to complex integrated systems involving varying levels of computer input.vFermenter design

6、 involves cooperation in Microbiology, Biochemistry, Chemical Engineering, Mechanical Engineering, EconomicsvThere are 3 groups of bioreactor currently used for industrial production;- non-stirred, non-aerated- non-stirred, aerated- stirred, aerated(Beer and wine)(Antibiotics)(Biomass, eg Pruteen)嫌氣

7、發酵設備密閉厭氧發酵罐 v對這類發酵罐的要求是：能封閉；能承受一定壓力；有冷卻設備；罐內盡量減少裝置，消滅死角，便于清洗滅菌。v酒精和啤酒都屬于嫌氣發酵產物，其發酵罐因不需要通入昂貴的無菌 ？空氣，因此在設備放大、制造和操作時，都比好氣發酵設備簡單得多。v它的容積常大于50m3，H:Dt=1-2，罐的上、下部都是錐形的。v上部有物料口，冷卻水口，CO2和氣體出口、人孔和壓力表開口等。v溫度控制采用罐內蛇管和罐外壁直接水噴淋相結合，排料管在罐的底部。 一、酒精發酵罐 v酵母將糖轉化為酒精高轉化率條件v(1)滿足酵母生長和代謝的必要工藝條件v(2)一定的生化反應時間v(3)及時移走在生化反應過程中

8、將釋放的生物熱酒精發酵罐的結構要求v滿足工藝要求，有利于發酵熱的排出v從結構上有利于發酵液的排出v有利于設備清洗、維修以及設備制造安裝方便等問題。 酒精發酵罐筒體結構v為圓柱形，底蓋和頂蓋均為碟形或錐形。v在酒精發酵過程中，為了回收CO2氣體及其所帶出的部分酒精，發酵罐宜采用密閉式。v罐頂裝有人孔、視鏡及二氧化碳回收管、進料管、接種管、壓力表和測量儀表接口管等。v罐底裝有排料口和排污口；v罐身上下部裝有取樣口和溫度計接口，對于大型發酵耀，為了便于維修和清洗，往往在近罐底也裝有人孔。 發酵的冷卻裝置v對于中小型發酵罐，多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進行膜狀冷卻；v對于大型發酵罐，罐內裝有冷卻蛇管或

9、罐內蛇管和罐外壁噴灑聯合冷卻裝置，v為避免發酵車間的潮濕和積水，要求在罐體底部沿罐體四周裝有集水槽。v采用罐外列管式噴淋冷卻的方法，具有冷卻發酵液均勻，冷卻效率高等優點。 酒精發酵罐的洗滌v過去均由人工操作，不僅勞動強度大，而且CO2氣體一旦未徹底排除，工人入罐清洗會發生中毒事故。v近年來，酒精發酵罐已逐步采用水力噴射洗滌裝置，從而改善了工人的勞動強度和提高了操作效率。大型發酵罐采用這種水力洗滌裝置尤為重要。水力噴射裝置v是由一根兩頭裝有噴嘴的灑水管組成v兩頭噴水管彎有一定的弧度v噴水管上均勻地鉆有一定數量的小孔v噴水管安裝時呈水平v噴水管借活接頭和固定供水管相連接v它是借噴水管兩頭噴嘴以一定

10、噴出速度而形成的反作用力，使噴水管自動旋轉。v對于120m3的酒精發酵罐，采用363mm的噴水管，管上開有4430個小孔，兩頭噴嘴口徑為9mm。 高壓強的水力噴射洗滌裝置v它是一根直立的噴水管，沿軸向安裝于罐的中央，在垂直噴水管上按一定的間距均勻地鉆有4-6mm的小孔，孔與水平呈20度角，水平噴水管借活接頭，上端和供水總管，下端相垂直分配管相連接，洗滌水壓為0.6-0.8MPa。v水流在較高壓力下，由水平噴水管出口處噴出，使其以每分鐘4856轉自動旋轉，并以極大的速度噴射到罐壁各處，而垂直的噴水管也以同樣的水流速度噴射到罐體四壁和罐底。v約5min時間即可完成洗滌作業。洗滌水若用廢熱水，還可提

11、高洗滌效果。 二、啤酒發酵設備 v近年來，啤酒發酵設備向大型、室外、聯合的方向發展，迄今為止，使用的大型發酵罐容量已達1500噸。v 圓筒體錐底發酵罐v 圓簡體錐底立式發酵罐(簡稱錐形罐)，已廣泛用于上面或下面發酵啤酒生產。v錐形罐可單獨用于前發酵或后發酵，還可以將前、后發酵合并在該罐進行(一罐法)。v這種設備的優點：在于能縮短發酵時間，而且具有生產上的靈活性，故能適合于生產各種類型啤酒的要求。設備特點v這種設備一般置于室外。v已滅菌的新鮮麥汁與酵母由底部進入罐內；v發酵最旺盛時，使用全部冷卻夾套，維持適宜的發酵溫度。冷媒多采用乙二醇或酒精溶液，也可使用氨(直接蒸發)作冷媒；vCO 2氣體由罐

12、頂排出。v罐身和罐蓋上均裝有人孔，罐頂裝有壓力表、安全閥和玻璃視鏡。v在罐底裝有凈化的CO2充氣管。v罐身裝有取樣管和溫度計接管。v設備外部包扎良好的保溫層，以減少冷量損耗。 v優點：v（1）是能耗低，采用的管徑小，生產費用可以降低。v（2）最終沉積在錐底的酵母，可打開錐底閥門，把酵母排出罐外，部分酵母留作下次待用。 通風通風發酵罐發酵罐 Details of a fermenter unitThis unit can be run under aerobic or anaerobic conditions, and nutrient additions, sampling, and ferm

13、entation monitoring can be carried out under aseptic conditions. Biosensors and infrared monitoring can provide real-time information on the course of the fermentation. Specific substrates, metabolic intermediates, and final products can be detected.A large vesselMade of stainless steelEquipped with

14、 temperature, pH and dissolved oxygen measurement and control systems Common Features of a Fermentorv1.The vessel（容器） should be capable of being operated aseptically(無菌的） for a number of days and should be reliable in long-term operation and meet the requirements of containment regulations.v2.Adequa

15、te aeration（通風） and agitation(攪拌）should be provided to meet the metabolic（代謝作用） requirements of the micro-organism. However, the mixing should not cause damage to the organism.v3.Power consumption（能量消耗） should be as low as possible.v4.A system of temperature control should be provided.criteria for f

16、ermenter designcriteria for fermentor designv5.A system of pH control should be provided.v6.Sampling（取樣） facilities should be provided.v7.Evaporation（蒸發） losses from the fermenter should not be excessive（過多）.v8.The vessel should be designed to require the minimal use of labour in operation, harvesti

17、ng, cleaning and maintenance（維護）.v9. Ideally the vessel should be suitable for a range of processes, but this may be restricted because of containment regulations.criteria for fermenter designv10. The vessel should be constructed to ensure smooth internal surface, using welds （焊接）instead of flange j

18、oints（法蘭聯接） whenever possible.v11.The vessel should be of similar geometry（幾何學） to both smaller and larger vessels in the pilot plant（試驗車間） or plant（車間） to facilitate scale-up（按比例增加）.v12. The cheapest materials which enable satisfactory results to be achieved should be used.v13. There should be adeq

19、uate service provisions（供應） for individual plants.通風發酵罐的基本條件通風發酵罐的基本條件 （1）發酵罐應具有適宜的徑高比。罐身越高，氧的利用率較高。 （2）發酵罐能承受一定的壓力。 （3）要保證發酵液必須的溶解氧。 （4）發酵罐應具有足夠的冷卻面積。 （5）發酵罐內應盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌。 （6）攪拌器的軸封應嚴密，盡量減少泄漏。Industrial fermentersvIndustrial fermenters usually consist of stirred vessels with one or mor

20、e impellers.vGas is usually sparged from the bottom (aerobic reactors), and therefore the design of the bottom impeller differs from the upper impellers.vCooling coils may be used for temperature control.大型發酵罐大型發酵罐攪拌裝置攪拌裝置一、標準通用式發酵罐一、標準通用式發酵罐 通用式發酵罐是最廣泛應用的深層好氣培養設備 。在工業生產中，尤其是制藥工業中，使用得最廣泛的就是通用式發酵罐。這種

21、發酵罐既具有機械攪拌裝置，又具有壓縮空氣分布裝置。發酵罐的攪拌軸既可置于發酵罐的頂部，也可置于其底部，其高徑比為2:1-6:19 有關的重要因素是氧傳遞效率，功率輸入、混合質量，攪拌槳形式和發酵罐的幾何比例等。 二、發酵罐罐體的尺寸比例二、發酵罐罐體的尺寸比例 vH/D=1.7-3;vd/D=1/2-1/3;vW/D=1/8-1/12;vB/D=4/5-5/5;三、發酵罐的結構三、發酵罐的結構v1、罐體、罐體 v2、攪拌器和擋板、攪拌器和擋板 v3、消泡器、消泡器 v4、聯軸器及軸承、聯軸器及軸承 v5、變速裝置、變速裝置 v6、空氣分布裝置、空氣分布裝置v 7、軸封、軸封 v8、冷卻裝置、冷

22、卻裝置 Sparger:通氣管 Baffle: 擋板空氣攪拌Construction materialsvIn small scale for vessel construction glass or stainless steel may be used. vFor pilot and large scale process, stainless steel (4% chromium), mild steel (coated with glass or epoxy material), wood, plastic or concrete may be used as vessel const

23、ruction material. v smooth -surface, non-corner, non -toxic and corrosion-proof.v罐體 ：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼，對于大型發酵罐可用襯不銹鋼板或復合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米。v為了滿足工業要求，在一定壓力下操作、空消或實消，罐為一個受壓容器，通常滅菌的壓力為2.5公斤/厘米2（絕對壓力）。AGITATION vAgitation provides uniform suspension of cells in homogenous nutrient medium. T

24、his agitation provides bulk fluid and gas phase mixing, air dispersion, facilitates oxygen transfer and heat transfer and uniform environment through out the vessel. Impellerv攪拌器有平葉式、彎葉式、箭葉式三種 Impeller performancevExample: gas dispersion retrofit comparison.vGas flow rate 13 vvm (vsg=0.1m/s). Rushto

25、n CD-6 BT-6二、發酵罐罐體的尺寸比例二、發酵罐罐體的尺寸比例 vH/D=1.7-3;vd/D=1/2-1/3;vW/D=1/8-1/12;vB/D=4/5-5/5;Sparger:通氣管 Baffle: 擋板空氣攪拌v罐體 ：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼，對于大型發酵罐可用襯不銹鋼板或復合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米。v為了滿足工業要求，在一定壓力下操作、空消或實消，罐為一個受壓容器，通常滅菌的壓力為2.5公斤/厘米2（絕對壓力）。v 消泡方式有兩種：一是加入化學消泡劑消除泡沫，但高濃度的化學消泡劑會對發酵產生抑制作用，故不能添加太多；v第二種

26、方式，即機械消泡。機械消泡裝置主要有四種。v一是鋸齒式消泡槳它安裝于罐內頂部、高出液面的位置，固定在攪拌軸上，隨攪拌軸轉動，不斷將泡沫打破。v二是半封閉式渦輪消泡器，它是由前者發展改進而來，泡沫可直接被渦輪打碎或被渦輪拋出撞擊到罐壁而破碎。機械消泡裝置v在攪拌軸或罐頂另外引入的軸（指攪拌軸由罐底伸入時）上裝上消泡槳；形式為鋸齒形、梳狀式及孔板式。底部略高于液面，消泡器的長度約為罐徑的0.65倍。v三是離心式消泡器，它們置于發酵罐的頂部，利用高速旋轉產生的離心力將泡沫破碎，液體仍然返回罐內。v第四種是刮板式消泡器，它安裝于發酵罐的排氣口處，泡沫從氣液進口進到高速旋轉的刮板中，刮板轉速為10001

27、450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于離心力作用，液體被甩向殼體壁上，返回罐內，氣體則由汽孔排出。v 離心力消泡將泡沫注入用網眼及篩目較大的篩子做成的筐中，通過旋轉產生的離心力將泡沫分散，從而達到消泡的目的。擋板BAFFLES vBaffles are metal strips that prevent vortex formation around the walls of the vessel. 擋板的作用是改變液流的方向，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增加溶解氧擋擋 板板bafflesvThese metal strips attached radially to the wall

28、 for every 1/10 of vessel diameter. Usually 4 -3 baffles are present but when the vessel diameter is over 3dm around 6-8 baffles are used. v通常擋板寬度取（0.1-0.12）D，裝設4-6塊即可滿足全擋板條件。v所謂“全擋板條件”是指在一定轉速下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變。要達到全擋板條件必須滿足下式要求：vD罐的直徑（mm）vZ擋板數vW擋板寬度（mm） v豎立的列管，排管，也可以起擋板作用，故一般具有冷卻列管或排管的發酵罐內不另設擋板。（但冷卻管

29、為盤管時，則應設擋板。）vIf needed cooling coils may be attached to baffles. v擋板的長度自液面起到罐底為止。v擋板與罐壁之間的距離為（1/51/9）W，避免形成死角，防止物料與菌體堆積。 聯軸器聯軸器v大型發酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯軸器使上下攪拌軸成牢固的鋼性連接。v常用的聯軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應垂直，中心線對正。軸承軸承 bearingv為了減少震動，中型發酵罐一般在罐內裝有底軸承，而大型發酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應能適當調節。v罐內軸承不能加潤滑油，應采用液

30、體潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。v軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4-0.7%，以適應溫度差的變化。v罐內軸承接觸處的軸頸極易磨損，尤其是底軸承處的磨損更為嚴重，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個軸套，用緊固螺釘與軸固定，這樣僅磨損軸套而軸不會磨損，檢修時只要更換軸套就可以了。變速裝置變速裝置 v試驗罐采用無級變速裝置，發酵罐常用的變速裝置有三角皮帶變速傳動，圓柱或螺旋圓錐齒輪減速裝置，其中以三角皮帶變速傳動效率較高，但加工，安裝精度要求高。軸軸 封封STIRRER GLANDS v軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。常用的軸封有填料函軸封Stu

31、ffing box和端面機械軸封Mechanical seal 兩種。空氣分布裝置空氣分布裝置 v空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。v分布裝置的形式有單管及環形管等。常用的為單管式，管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，管口與罐底的距離約40mm，并且空氣分散效果較好。v若距離過大，空氣分散效果較差。該距離可根據溶氧情況適當調整，v空氣由分布管噴出上升時，v被攪拌器打碎成小氣泡，并與醪液充分混合，增加了氣液傳質效果。Nozzle sparger: Mostly used in large scale. It is single open/partially closed

32、pipe positioned centrally below the impeller. When air is passed through this pipe there is lower pressure loss and does not get blocked. 冷卻裝置冷卻裝置 v5M3以下發酵罐一般采用夾套冷卻。大型發酵罐采用列管冷卻（四至八組）。帶夾套的發酵罐罐體壁厚要按外壓計算即3.5Kg/厘米2（絕對壓力）v夾套內設置螺旋片導板，來增加換熱效果，同時對罐身起加強作用。冷卻列管極易腐蝕或磨損穿孔，最好用不銹鋼制造。發酵罐裝料容積發酵罐裝料容積v發酵罐裝料容積：在一般情況下，

33、裝料高度取罐圓柱部分高度，但須根據具體情況而定。采用有效的機械消泡裝置，可以提高罐的裝料量。管道及閥門管道及閥門 v管道 與發酵罐連接的管道有水管、料管、空氣管和蒸汽管 發酵罐內的冷卻蛇管與發酵罐內直接相連的料管等，最好采用不銹鋼管。 管徑選取的流速是：上水管12ms；料管0.51.0ms；空氣管1015ms；蒸汽1520ms。 閥門 閥門是發酵罐的重要組成，它被用于調節控制氣體和液體的流量。閥門的選取應考慮：用于什么目的；閥門的材料是否耐溫、耐壓等；連接方式；經濟成本；操作方式。 二、發酵罐罐體的尺寸比例二、發酵罐罐體的尺寸比例 vH/D=1.7-3;vd/D=1/2-1/3;vW/D=1/

34、8-1/12;vB/D=4/5-5/5;Sparger:通氣管 Baffle: 擋板空氣攪拌v罐體 ：由圓柱體及橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼，對于大型發酵罐可用襯不銹鋼板或復合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米。v為了滿足工業要求，在一定壓力下操作、空消或實消，罐為一個受壓容器，通常滅菌的壓力為2.5公斤/厘米2（絕對壓力）。v 消泡方式有兩種：一是加入化學消泡劑消除泡沫，但高濃度的化學消泡劑會對發酵產生抑制作用，故不能添加太多；v第二種方式，即機械消泡。機械消泡裝置主要有四種。v一是鋸齒式消泡槳它安裝于罐內頂部、高出液面的位置，固定在攪拌軸上，隨攪拌軸轉動，不斷將泡沫打破。v二是半封閉式渦輪消泡器，它是由前者發展改進而來，泡沫可直接被渦輪打碎或被渦輪拋出撞擊到罐壁而破碎。機械消泡裝置v在攪拌軸或罐頂另外引入的軸（