根据发酵罐的高经比 可确定发酵罐的尺寸 2、发酵罐数的确定:
对于间歇发酵可按下式计算:
N=(1/24)n.t+1 (个)
3、发酵罐冷却面积的计算：重点和难点 ⑴总发酵热Q：厌氧发酵
Q=Q1－(Q2+Q3)
Q1 ——生物合成热. Q2 ——蒸发损失热.
Q3 ——罐壁向周围的热损.
1)生物合成热Q1:由三部分组成，微生物生命活动呼吸热，繁殖的繁殖热和形成产物的发酵热。目前理论难以准确计算。计算方法有两种
a、酒精啤酒发酵按发酵旺盛时单位时间糖度降低的百分值计算(以消耗1kg麦芽糖发酵散出的热量为650kJ为基准，也有报道1kg麦芽实际发酵热为418.6kJ，如不冷却，温升10℃)：Q1 ＝m.s.q
b:通过测定小实验罐发酵最旺盛时的放热量计算:
小罐放热量Q`： Q`=W. cp(t2－t1) 扩大到生产罐,生产罐的放热量Q1 Q1 =Q`V/V`
2)Q2蒸发损失热: Q2 =5%~6% Q1 3) Q3的求法:
a、Q3=Kc.A’(tw-tB)
Kc=k对+k辐
b、经验估算，无论放在室内、外一律取Q3=10~20% Q1
3.传热总系数k的确定：由两部分组成，传热分系数和热阻组成,发酵液蛇管璧的传热系数k1 情况比较复杂,对酒精发酵可取2300~2700kJ/ (m2.h. ℃) ,从冷却管璧到冷却水的传热分系数k2 。
总传热系数K：按下式计算
11?11???K??????????K1K2???壁???垢例:重点和难点 某酒精厂，发酵罐 的进料量为24t/h，每4h装满一罐，发酵周期为72h,发酵温度30℃，冷却水的初、终温度为20℃和25℃,若采用蛇管冷却,试确定发酵罐的结构尺寸，
3
罐数，冷却水耗量，冷却面积和冷却装置的尺寸。(糖化醪密度为1076kg/m)
第二节啤酒发酵设备
一、啤酒前.后发酵设备及计算
1.前发酵设备：图 槽底部有坡度易排水；距槽底10~15cm，排出管； ⑴、前发酵槽的计算: ①发酵槽数的确定: 重点
在一个发酵槽内容纳一次麦芽汁前提下,发酵槽数N可按下式计算:
N=n.t
在一个发酵槽内容纳一次麦芽汁的整数Z倍,发酵槽数时 :
N=n/Z.t
②前发酵罐体积的确定：重点
考虑装液系数，计算糖化一次麦汁的量，即可确定发酵槽的总体积V：
?③前发酵槽冷却面积计算: 重点 发酵槽冷却面积：
A?V?ZVO?m?3Qm2??K?tm2.后发酵设备
材料:以前用A3钢板,内涂防腐层.也有用铝板，现多用复合钢板 圆筒形金属容器：卧式和立式如图。 ⑴后发酵槽的计算
后发酵槽又称储酒罐，作用是完成嫩啤酒的继续发酵，饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、澄清和成熟。
其容量应和啤酒过滤设备能力匹配。
若选定每个后发酵槽的容量后，根据后发酵槽的总有效容积，可确定后发 酵槽数N：
N=V/Vs
后发酵槽的有效容积，主要根据啤酒的年产量，啤酒的品种贮酒期(酒龄)确定。再 根据充满系数确定全体积后,其槽的结构尺寸可以算出.圆筒形贮槽的最适体积和尺寸可通过算图来选择.如图
贮酒槽结构形式对合理利用贮酒室影响很大，1m3的生产面积可得到贮酒槽的有效体积:
立式圆筒型 300~500L 卧式圆筒型 500~600L 四角矩型 600~800L.
二、新兴啤酒发酵设备 1.圆筒体锥底发酵罐:
优点：能缩短发酵时间，且具有生产上的灵活性。结构如图 锥形罐的设计要点：仔细考虑：
⑴耐压要求，设计压力为最大工作压力加10%，安全阀，打开；清洗，真空阀。 ⑵罐内的对流和热交换。
⑶内部的清洗。一般采用CIP清洗。 2.联合罐 结构如图
3.朝日罐 结构如图：罐材:4~6mm不锈钢板，高径比1~2:1 ㈢CIP清洗设备：Clean In Place内部清洗设备
如图是容积为800m3，安装在室外的发酵罐与CIP清洗系统的流程。清洗管道一般采用150mm。
三、连续发酵
在发酵罐内连续不断的流加培养液，同时又连续不断的排除发酵液，使发酵罐内微生物一直维持在生长加速期，同时又降低了代谢产物的积累，缩短了发酵周期，提高了
设备的利用率，这种发酵方式称为连续发酵。
优点：
1.培养液浓度和代谢产物含量相对稳定，从而保证产品质量和产量的稳定； 2.发酵周期短，设备利用率和产量较高，节省人力和物力以及生产管理稳 定，便于自动化生产等优点。
本节只讨论连续发酵的时间、理论罐数和发酵流程。 ㈠连续发酵的时间：自学
㈡连续发酵的罐数：采用图解法 自学 对连续发酵：输出量=输入量+增长量 ㈢连续发酵的流程：
1.酒精连续发酵流程:上世纪50~70年代开始,首先在糖蜜原料实现连续发 酵,然后淀粉原料. 糖蜜原料连续发酵流程:如图
发酵液酵母数维持0.6~1.0亿/ml时, 发酵周期34h, 发酵液酒精含量达到 发酵率85%9%~10%,
淀粉质原料连续发酵流程:如图 2.啤酒连续发酵流程:
塔式连续发酵是上世纪60年代英国APV公司开始设计,又称APV连续发酵流 程。如图：啤酒塔式连续发酵流程。三罐式啤酒发酵流程。
【思考题】
1.酒精发酵罐如何设计计算？ 2.啤酒发酵罐的形式？
3.连续发酵设备的适用范围？
【作业】
1.计算题：某酒精工厂，每发酵罐的进料量为28t/h，每4h装满一罐，糖化液密度为1082kg/m3发酵周期72h，冷却水初、终温为20℃，25℃ ，若罐内采用蛇管冷却，发酵罐的总传热系数为2000kJ/m2.h.℃,试确定发酵罐的结构尺寸,罐数,冷却水耗量(假设发酵液热损包括蒸发热和向周围的散热为生物合成热的10%即Q2+ Q3=10% Q1)。
2.传统啤酒发酵罐的后酵能力应与什么设备匹配？ 【参考书目】
《生物工程设备》梁世中主编，中国轻工业出版社2002年 《发酵工程设备》 中国轻工业出版社 《生物工艺学》 中国轻工业出版社 【教学效果追记】
本章内容中主要是酒精和啤酒发酵设备，需要掌握设备的结构和设计计算。通过预习、讲解、作业、作业讲评等环节反复学习掌握。
【预习】植物细胞(组织)和动物细胞培养反应器
第七章 植物细胞(组织)和动物细胞培养反应器
【教学目的与要求】了解植物细胞培养和动物细胞培养的特点，掌握动植物细胞反应器的类型和特点。了解动植物细胞反应器在生物工业的应用。
【教学重点与难点】动植物细胞反应器的类型和特点。
【教学方法】讲授、自学与图像等直观教学手段相结合。 【教学时数】4学时
作业讲评：表扬及指出存在问题 复习提问：酒精发酵罐罐数的计算
第一节 植物细胞(组织)培养反应器
一、植物细胞培养过程的特点：
广义的植物细胞培养技术包括植物器官(根、枝叶、发根、胚、冠瘿组织等)，组织、细胞以及原生质体培养，并以此发展起来的各种植物细胞培养技术。
㈠、植物细胞培养过程的特点 1.细胞培养液的性质重点
植物细胞比微生物细胞大得多，低倍镜可观察到。培养液的黏度与微生物发酵液不同，烟草细胞对数生长期的黏度是培养初期的30倍。
2.植物细胞培养中的传递状态
耗氧培养中，必须要通风搅拌，氧传递是关系发酵成本的主要因素。对于植物细胞 也存在同样是问题。
研究证明，培养烟草细胞氧消耗比速度的最大值为0.6mmol/(g干菌体/h), 比微生物要低1.5~8mmol/(g干菌体/h)得多.说明需氧量小？ 重点
培养烟草细胞,氧传递效率用液膜kla值表示,如图在反应器通风搅拌情况下研究kla值对烟草细胞培养生长的情况。解释图中曲线。
植物细胞kla过大,对培养未必有好处.可能一定浓度的二氧化碳含量对细胞量的增长有益.
二、植物细胞培养反应器
悬浮培养：植物细胞培养，机械搅拌和非机械搅拌反应器 固定化培养 填充床 流化床和膜反应器 1.悬浮培养反应器：重点
⑴机械搅拌反应器 日本最早培养烟草细胞获取尼古丁 1972 如图目前最大的植物细胞培养反应器装置 介绍流程 说明
⑵非机械搅拌反应器 一般为气体搅拌
非机械搅拌反应器 鼓泡式反应器，气升式反应器 内循环，外循环如图
很多研究表明，气体搅拌反应器尤其是气升搅拌反应器十分适合植物细胞培养与次 级代谢产物的生成。我国刘大陆、查丽杭八.五期间发明气升内错流反应器生产紫草宁， 细胞量达12gdw/L，紫草宁含量达细胞干重的10%，是天然植株含量的2~8倍。
如图是新疆紫草细胞培养流程 说明流程 每级放大倍数？
一般认为，气体搅拌反应器结构简单，传氧速率高以及剪切力低，更适合于植物细胞培养，同时需结合植物细胞生长代谢特性对其加以改造更适合植物细胞的培养。
2.固定化细胞生物反应器重点
植物细胞培养的关键细胞遗传和生理稳定性，固定化细胞培养系统比悬浮培养更适合于植物细胞团的培养。已成功用于培养辣椒、胡萝卜、长春花、毛地黄等植物细胞。
固定化培养反应器：填充床反应器，
流化床反应器， 这两种的不同 膜反应器
三、植物组织培养反应器
在植物组织培养系统发展较快的有：
1.发状根大规模培养系统 如图 讲述操作过程 控制 2.小植物的大规模快速培养
从两条不同途径考虑采用组织培养反应器进行植物的快速繁殖。重点
a形成不定芽的途径：从植株茎尖诱导不定芽后在反应器大规模培养不定芽或不定根。
b形成胚状体的途径：从植株外植体诱导胚性愈伤组织得到体胚，然后在反应器内 大规模培养体胚，最终制成人工种子。
自1981年报道培养矮牵牛后，已进行草莓、香蕉苗、百合、兰花、唐菖蒲等的茎、芽、微小块茎、球茎、体细胞、小植物和合成种子的大规模培养，规模达1000L。
华南理工大学和中科院华南植物所合作开发适合香蕉高经济作物的浅层循环式植株快速繁殖器，获得实用新型专利。结构如图 连接到动画演示图片
中科院冶金所应用径向流生物反应器培养唐菖蒲原球茎如图 讲述流程
第二节 动物细胞培养反应器
20世纪70年代以来基因工程和杂交瘤技术的迅速发展，通过动物细胞培养可得到许多与人类健康和生存有关的生物技术产品如病毒疫苗、干扰素，诊断试剂、治疗蛋白等高新技术产业。
动物细胞体外培养有明显的优势。为传统的微生物发酵技术无法代替。应用细胞工程技术大规模培养动物细胞生产各种生物活性物质是一种比较经济可靠的技术。不完全统计，世界上有10000多个实验室，400家工厂生产生物技术产品的研究。
有代表：气升式深层培养系统、
微载体、 大载体、 微囊以
中空纤维培养系统。
一、动物细胞培养方法重点
体外培养的动物细胞有两种类型:
非贴壁依赖性细胞：源于血液,淋巴,肿瘤细胞。采用悬浮培养
贴壁依赖性细胞： 大多数动物细胞。需附着在带正电荷的固体或半固体表
面生长.贴壁培养.
1.贴壁培养:
大多数动物细胞如Hela,Vero,BHK,CHO等常采用的细胞系. 采用滚瓶设备 设备
特点:结构简单,投资少,技术成熟,重现性好,扩大培养简单,增瓶.
缺点劳动强度大,表面积小,占用空间大,体积细胞产率低,监控环境条件限制. 微载体系统,培养贴壁依赖性细胞.
优点:比表面积大;细胞生长环境均一;培养基利用率高;采样重演性好;收获不复杂;放大较容易;劳动强度小,占用空间小.
2.悬浮培养 细胞在培养器中自由悬浮生长的过程 非贴壁依赖性细胞的培养如转化瘤细胞 3.固定化培养
