第8章 生化反应器

1、第八章 生化反应器 讲授内容 第一节 概述 第二节 厌氧发酵设备 第三节 好氧发酵设备 第四节 发酵罐的放大【教学目的与要求教学目的与要求】了解发酵设备的种类，掌握常用发酵设备的结构、特点和设计计算。【教学重点与难点】教学重点与难点】常用发酵设备的结构、特点和设计计算。 思考题： 1.解释概念： 公称体积、平均循环时间、全挡板条件、 牛顿性流体 2.发酵罐设计要求和必备条件？ 3.已知：某细菌发酵罐，直径2.17m，叶轮直径0.72m，采用两只六平叶蜗轮，搅拌转速109r/min，通风量Vg=5.55m3/min（已换为罐内状态），醪液黏度为2.2510-3 Pa.s，密度1020kg/m3，

2、发酵液为牛顿型流体，求Pg。 生物反应器应提供适宜生物体生长和产物形成的各种条件（如维持适当的温度、溶氧、pH等），促进微生物的代谢，达到低能耗、高产量目的。同时还应满足不同程度的无菌程度的要求，另外反应器结构应尽量简单，便于清洗和灭菌。 第一节 概述n生化反应的目的：三类：1.生产细胞： 菌体细胞，单细胞蛋白、活菌制剂等2.细胞的代谢产物：酒精、氨基酸、抗生素等3.直接用酶催化的产物： 淀粉糖（果葡糖浆、葡萄糖、饴糖等） 大豆蛋白低分子肽、n生化反应器的分类根据细胞或组织生长代谢的要求可分为： 1.厌氧生物反应器： 2.通风生物反应器： 机械搅拌、气升式、自吸式等不同结构 3.光照生物反应器

3、： 4.膜生物反应器：n根据反应器的结构可分为： 罐式；管式；塔式；池式生物反应器n根据物料的混合方式可分为： 非循环式；内循环式和外循环式等 无论何种反应器，掌握基本的设计方法 设计过程基本一样。n生化反应器设计基础内容： 细胞动力学、质量传递、能量传递、环境对发酵的影响、剪切力的影响等 总之，生化反应器的设计是以生物体的代谢为核心，除考虑传质、传热的因素外，还需要考虑对环境条件的要求，确保这些条件的落实。同时为提高传质和传热的效率需配置搅拌装置，同时需考虑剪切力对菌体生长的影响。发酵过程纯种培养，无菌条件的要求。发酵罐设计要求和必备条件：良好的传热传质性能，气液混合良好，保证足够的溶解氧；

4、结构严密（轴封、机械）罐内减少死角灭菌彻底，防止杂菌污染；适当的高径比；良好的检测和控制；承受一定的温度和压力；设备的结构简单，维修方便，耗能低。判断生物反应器好坏的唯一标准能否适合工艺要求以取得最大的生产效率。 一、啤酒发酵罐： 传统啤酒发酵设备 现代啤酒发酵设备 锥形罐、联合罐、超日罐 二、酒精发酵罐第二节 厌氧发酵设备一、啤酒发酵罐 传统设备：在室内，产量较小。 分为： 前酵设备(主发酵)：敞口发酵槽 钢筋水泥，内 贴瓷砖，防渗处理。 后发酵设备： 密闭发酵罐 立式和卧式 碳钢涂料 现代发酵设备： 不锈钢 容量可达300t 如立式圆柱锥形罐(奈坦罐)、朝日罐、 联合罐等.啤酒发酵设备大型

5、化的优点:一啤酒质量一致;罐数少,易管理,设备投资相应减少。 前发酵设备前发酵设备 槽底部有坡度易排水；距槽底1015cm嫩啤酒排出管；可拆卸；罐内设有冷却蛇管， 一般每m3发酵液需0.2m2的冷却面积。管内通冰水制冷剂一般用液氨。前发酵罐体积的确定：一般和糖化能力匹配 考虑泡沫空间，计算糖化一次麦汁的量，即可确定发酵槽的总体积V： Vo糖化一次麦汁量 Z一个发酵槽容纳一次麦汁的倍数。 装液系数，取0.80.85 3OZVVm后发酵设备后发酵设备 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A 1人孔人孔 2连通接头连通接头 3取样旋塞取样旋塞 4

6、啤酒放出阀啤酒放出阀 5压力表压力表 安全阀安全阀B 1压力调节装置压力调节装置 2取样口取样口 3人孔人孔 4啤酒放出口啤酒放出口后发酵槽的计算：贮酒罐 作用：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 V后发酵槽总的有效体积,m3 Vs每个后发酵槽的有效体积,m3现代啤酒发酵设备现代啤酒发酵设备锥形罐：圆筒体锥底发酵罐 发酵罐最大容量达1500t。20世纪初瑞士Nathan发明，称奈坦罐优点：发酵速度快，易于沉淀收集

7、酵母发酵速度快，易于沉淀收集酵母( (下面酵下面酵母母) )，减少啤酒及其苦味物质的损失，泡沫稳，减少啤酒及其苦味物质的损失，泡沫稳定性得到改善，对啤酒工业的发展极为有利。定性得到改善，对啤酒工业的发展极为有利。锥底角度锥底角度60o130o最佳为最佳为70o，高经比高经比1.56:1常用常用3:1或或4:1容量与糖化能力匹配容量与糖化能力匹配, 以以1215h装满为好装满为好锥形罐的设计要点： 仔细考虑： 1.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。 2.罐内的对流和热交换。 3.内部的清洗。一般采用CIP清洗。 联合罐联合罐 Universal,浅锥浅锥底底,

8、大直径发酵罐大直径发酵罐高径比高径比: 1:11.3罐体耐压试验罐体耐压试验0.0703MPa材料材料:普通钢板普通钢板+涂涂料料或不锈钢或不锈钢朝日罐朝日罐 罐材:46mm不锈钢板高径比12:12.酒精发酵罐结构冷却装置 中小形罐 罐顶喷水外壁冷却大型罐 内装冷却蛇管和外壁喷水结合 罐内洗涤罐内洗涤 人工人工 水利洗涤器水利洗涤器 水利喷射水利喷射 洗涤器：洗涤器： 120m3 363mm管管 开开30个个4mm 两头喷嘴两头喷嘴9mm 水利喷射：开孔46mm 与水平呈20o夹角， 洗涤压力0.60.8MPa， 4856r/min 5min可完成洗涤作业发酵罐的几何尺寸推荐如下: H=1.1

9、1.5D h1=0.10.14D h2=0.050.1D根据发酵罐的高径比 可确定发酵罐的尺寸发酵罐全体积: V=Vo/ 式中: V发酵罐的全体积 m3 Vo进入发酵罐的醪液量, m3 装液系数, 0.850.90 带锥底.盖的圆柱型发酵罐全体积: V=(/4)D2 (Hh1/3h2/3) 式中: D罐经,m H罐的圆柱部分高度m h1. h2 分别为罐底,罐盖的高度 m 第三节第三节 好氧发酵罐（通风）好氧发酵罐（通风） 好氧发酵的核心设备，反应器已系列化生产。 实验室：150L 玻璃 不锈钢，可自控 中试车间：50500L 碳钢和内衬不锈钢 工厂：5000L以上 不锈钢 630t、3000

10、t气升 罐内清洗大罐采用CIP清洗、 搅拌装置大罐一般放在底部，小罐在顶部 密封 多采用端面轴封 用硅油、水做润滑剂、蒸汽常用的通风发酵罐常用的通风发酵罐： 机械搅拌式（通用发酵罐） 7080%，机械搅拌实现溶氧 气升环流式 利用空气动力实现自吸式 不需要空压机，靠自吸机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐1.发酵罐的结构结构：密闭受压容器 主要有：罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管(夹套)、消泡器、人孔、视镜等 通用式发酵罐1.罐体：罐体： 材质：碳钢或不锈钢 工艺要求：耐受温度130、压力0.25MPa(绝对) 罐体壁厚：罐径、材料和耐压有关。封头与罐体连接：小罐法兰、大罐焊接小

11、罐封头：开手孔，方便清洗配料中、大型罐：顶装视镜和灯孔，进料管、排气管、 接种管（靠近罐中心）、压力表等罐身：冷却水进出管、进气管和T、pH、溶氧的电极接口。取样管可装在罐顶和罐侧。注意：尽量减少罐体管路尽量减少罐体管路。 2.搅拌器和挡板 搅拌器大多采用蜗轮式，有圆盘六弯叶、六箭叶、六直叶，另外还有lightin式和推进式的搅拌器结构如图： 挡板作用：改变液流方向，由径向流改为轴向流。高度：自液面到罐底，避免形成死角。 设46块挡板可达到全全挡板条件挡板条件。定义：指在一定转指在一定转速下，再增加罐内速下，再增加罐内附件，轴功率保持附件，轴功率保持不变，旋涡基本消不变，旋涡基本消失的条件。失

12、的条件。竖立的蛇管、列管和排管。3.轴封： 作用：将罐底或罐顶与轴之间的缝隙密封，防止泄露和污染杂菌。常用： 端面轴封（机械）端面轴封（机械） 单、双单、双 优点：清洁、密封可靠、无死角、使用时间长。缺点：结构复杂、拆装不便、对动静环要求高4.空气分布器作用是吹入无菌空气使空气分布均匀。形式有二种：单管式 环型管5.消泡装置：打散气泡，避免产生的气泡随空气溢出增加污染机会。 一般发酵：机械消泡和化学消泡结合 最简单实用：耙式消泡器：锯齿 和梳状 直接固定在轴。长度为0.65D另外还有蜗轮、旋风分离式等装在罐外，易染菌，少使用机械通风发酵罐的几何尺寸机械通风发酵罐的几何尺寸H罐高 D罐径 Ho罐

13、身高 HL液位高 h封头高 hb封头直边高度Di搅拌叶轮直径B挡板宽度 S相邻叶轮间距C下搅拌叶轮与罐底的距离 H/D=1.73.5 Di/D=1/21/3 B/D=0.10.12(1/81/12) S/Di=25 Ho/D=2 C/Di=0.81.0 ha=0.785D发酵罐的体积：用公称体积公称体积： 发酵罐圆柱部分体积和底封头体积的和发酵罐圆柱部分体积和底封头体积的和。 底封头体积：封头的形状、直径、壁厚 查化工手册，椭圆封头体积V1：222114646babVD hD hDhD2221244612(46OObObVD HDhDDHhD230.154OOVD HD近似计算: 发酵罐总体积

14、VO：二、发酵罐的热量传递 1.发酵过程的热量计算：计算方法有四种燃烧热的计算燃烧热的计算生物合成热的计算生物合成热的计算： 发酵过程的总热量Qt ：Qt=Q1+Q2-Q3 式中： Q1生物合成热 细胞呼吸放热和发酵热 葡糖 呼吸热15651kJ/kg 发酵4953kJ/kg Q2 机械搅拌热 Q2=3600Pg. Pg 搅拌功率 kW 功热转化率 经验值0.92 Q3 发酵过程通气带出水蒸气所需汽化热和温升带 出的热量及辐射热，近似计算Q3 =20%Q1冷却水带出的热量的计算方法： 采用相同类型的发酵罐，在气温最热季节，发酵最旺盛的放热高峰时期，使温度恒定，测定冷却水的进出温度和用量。21t

15、LW cTTQVW 冷却水用量 kg/h c 水的比热容 kJ/kg. T1 T2 冷却水的进出口温度 VL 发酵液的体积 m3 经验测得每m3发酵液每小时传给冷却器热量 青霉素 为4.1866000kJ/(m3.h)、链霉素4500 谷氨酸发酵7500 肌苷 4200 四环素5000 发酵液温升计算法： 气温最热季节，选择主发酵产热量最大时刻，通过发酵罐温控使温度恒定，然后关闭冷却水，发酵液在30min的温度的上升值。 m1 m2分别为发酵液和发酵罐的质量 kg c1 c2分别为发酵液和发酵罐的比热容 kJ/kg. T 30min内发酵液的温升 发酵过程中，菌种、培养基、培养条件和发酵时间不

16、同，温升不同，谷氨酸发酵，25m3发酵罐 ，夏季不开冷却水，每h的最大温升约为12 。 5m3罐 ，温升约为5.7 。50m3罐 ，温升约为13 。1 1222tLm cm cTQV2.换热装置夹套式换热：适合小型发酵罐，适合于5m3以下的发酵罐。传热系数在400600kJ/(m2.h. )优点：结构简单，加工容易，易清洗；缺点：传热壁厚，冷却水流速低，发酵液降温慢。竖式蛇管：分46组对称分装罐内 5m3以上罐。 优点：管内流速大，传热系数高，12002000，若强制循环，可达32004000，适合冷却水温低，地区，水用量小，气温高时降温困难，可采用冷却排管，冷却蛇管变曲位置容易腐蚀穿。 竖式

17、列管 和蛇管一样分组装优点：加工方便,有利于提高传热推动力的温差大,适合于水源充足,气温较高地区。缺点：传热系数较蛇管低（流速低，靠温差大。）3.换热装置传热温差和面积温差的计算: 采用对数平均值.1212lnmTTTTTTTTTT1、T2冷却水进,出口温 T 发酵液温度传热面积： k 换热装置的传热系数kJ/(m2.h. ) 一般气温高，一般气温高，1m3发酵液需发酵液需2m2冷却面积；冷却面积；气温较低，用地下水冷却。气温较低，用地下水冷却。1m3发酵液需发酵液需1m2冷却面积。冷却面积。 发酵产品不同，冷却面积也有差异。发酵产品不同，冷却面积也有差异。 .tmQAkT 三、机械通风发酵罐

18、的通风量: 与发酵液的溶氧系数和空截面气速及通气强度VVm有关. 通气强度：指每立方米发酵液每分钟通入的空气通气强度：指每立方米发酵液每分钟通入的空气的立方米数的立方米数(通风比)。 持气率持气率 : 通气后发酵液体积的增加量与不通气时通气后发酵液体积的增加量与不通气时发酵液体积的比值发酵液体积的比值. h=(VLG-VL)/VL 对大多数牛顿性流体经验公式 h=1.8(Pg/VL)0.14 vs0.75 通风发酵存在起泡和持气问题,设计时发酵罐考虑装液系数.一般在0.60.8，根据具体情况确定。四、机械通风发酵罐的通气功耗： 搅拌轴功率计算 “溢流”现象：当发酵液通气速率较高，搅拌叶轮直径小

19、，转速低时，会出现搅拌器对液体的流动和气体的分散基本上没有影响，此现象称为“溢流”现象。 据试验,通风带入的混合能占总量的10%，90%为机械搅拌器输入。不通气体系的搅拌功率的计算牛顿流体搅拌功率的计算牛顿流体搅拌功率的计算 牛顿流体搅拌功率大小与搅拌转速、搅拌器大小、液体的密度黏度有关，实验得出无因次数群： 35piPNn D2ienDRirnDFgpN 外力惯性力eR 惯性力粘性力rF 惯性力重力1.单只蜗轮不通气条件下的搅拌轴功率Po 搅拌轴功率指搅拌器输入搅拌液体的功率搅拌轴功率指搅拌器输入搅拌液体的功率, ,是克服液是克服液体阻力所消耗的功率体阻力所消耗的功率. .不包括机械传动摩擦

20、所消耗的功率不包括机械传动摩擦所消耗的功率. .不是电机功率或耗用功率不是电机功率或耗用功率. . Rushiton.J.H等人采用因次分析法研究,试验证实: Re 雷诺数 功率准数功率准数 Np Np 是是ReRe的函数的函数 Po 不通气的搅拌功率W 黏度Pa.s L 发酵液密度kg/m3， Di 蜗轮直径m n 蜗轮的转速r/s。 功率准数功率准数：表征着机械搅拌所施于单位体积被搅拌液表征着机械搅拌所施于单位体积被搅拌液体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性力的比体的外力与单位体积被搅拌液体的惯性力的比 235mOiLLiPD nkn D 在一系列几何相似的在一系列几何相似的实验设备中，不同

21、搅拌实验设备中，不同搅拌浆叶浆叶 NpReNpRe的关系曲线的关系曲线 图中看出图中看出 在湍流区在湍流区ReRe大于大于10104 4时时 曲线曲线1.2.3.4.1.2.3.4.趋于平趋于平直直 螺旋桨螺旋桨 Np=0.4Np=0.4 圆盘六直叶圆盘六直叶 Np =6.0 Np =6.0 圆盘六弯叶圆盘六弯叶 Np=4.7Np=4.7 圆盘六箭叶圆盘六箭叶 Np=3.7Np=3.7 湍流区湍流区：m=0 Np不随Re变化，是一条直线式中：Po不通气的搅拌功率 W 黏度 Pa.s L发酵液密度 kg/m3， Di蜗轮直径 m n蜗轮的转速 r/s。一定要注意经验公式的单位。一定要注意经验公式

22、的单位。35OpLiPNn D235mOiLLiPD nNpkn D层流区层流区：Re10，Np与Re在对数坐标中成直线，斜率为-1，此时功率与黏度成正比，与密度无关，则：过渡区过渡区： 10 Re104，K与m均随Re变化，搅拌功率计算较为复杂，目前未有较好的关联式。23iPKn D2.多只蜗轮不通气的搅拌轴功率的计算， n相同，多只蜗轮不通气的搅拌轴功率和蜗轮个数m和蜗轮间距S有关。 S 对非牛顿流体:S取2Di， 牛顿性流体取2.53Di， 上叶轮到静液面的距离取0.52Di， 下叶轮到罐底的距离取0.51Di， S值过大，效果不好，过小不能输出最大功率。 满足上述条件，经验公式和实测结

23、果都表明多蜗轮的输出功率近似等于单只蜗轮的功率乘多蜗轮的输出功率近似等于单只蜗轮的功率乘以蜗轮个数以蜗轮个数。Pnm.Po 或Pn=(0.4+0.6m)Po 3.通气搅拌功率的计算： n相同的情况下，通气的搅拌功率降低，原因，除密度降低外，叶轮周围的气液接触状态有关，通气量的大小与搅拌功率的消耗有明显关系。定量研究，常用通气准数来描述： 3gAiQNnD发酵罐截面上表观气速搅拌器叶尖速度 Michiel.B.J 等人用六平叶蜗轮进行搅拌试验，测定Pg、蜗轮直径Di、转速n，空气流量Vg，和Po的关系，整理得到经验公式： 福田修雄等在100L42立方米的系列设备对上式进行修正、并经单位换算得到修

24、正的迈凯尔公式：0.45230.56oiggP nDPCV式中：Po、Pg分别为通气、不通气的 搅拌轴功率kW n搅拌转速r/min Di搅拌叶轮直径cm Vg通风量mL/min。 上式适合较大的发酵罐，如上式适合较大的发酵罐，如40立方，比例立方，比例尺寸在正常的范围内，误差较小。尺寸在正常的范围内，误差较小。0.392330.082.25 10oiggP nDPV非牛顿流体搅拌功率计算：非牛顿流体搅拌功率计算： 方法和牛顿流体一样，也可按此式 但流体黏度随搅拌器转速变化，绘制Np与Re关系曲线，再求搅拌功率。Re10， Np与Re成斜率为-1 的直线；Re500，液体处于湍流， Np恒定；

25、10Re500，为过渡流状态，Np与Re关系比较复杂。0.45230.56oiggP nDPCV例：某细菌发酵罐罐径为1.8m，采用单只圆盘六弯叶蜗轮，蜗轮直径0.6m，罐内装有四块标准挡板，搅拌器转速168r/min，通风量为1.42m3/min(已换算为罐内状态的流量)，料液黏度 1.96103Pa.s，料液密度为1020kg/m3，已知此细菌醪为牛顿型流体要求计算Pg. 解：先计算Re，查出Np、求出Po，然后计算出Pg Re=Di2n/ =0.62168 60 1020（1.96103 ） =5.25105 Re104所以 Np=4.7Po=NpDi5n3 =4.70.65(168/6

26、0)31020 =8183(W)=8.18kWPg=2.2510-3(Po2n Di3/Vg0.08)0.39 =2.2510-3(8.182168603/14200000.08)0.39 =6.61 （kW）答：通气的搅拌轴功率为6.61kW气升式发酵罐气升式发酵罐 ALR类型：气升环流式、 鼓泡塔、 空气喷射式 目前，世界最大 通风发酵罐是 气升式环流发酵罐 ，体积达3000立方米。工作原理：无菌空气通过喷嘴或喷孔射进发酵液，通过气液混合物的湍流作用使气泡分割细碎，通气后液体密度下降，向上运动，含气量小的液体向下运动实现溶氧传质。气升环流式反应器的特点：1.发酵液混合均匀发酵液混合均匀，发

27、酵液处于循环流动状态，气液固三相混合均匀，不易形成稳定的泡沫和沉淀。2.较高的溶氧速率和效率较高的溶氧速率和效率：气液接触面积大，体积溶氧系数高2000 1/h，功耗相对低。3.剪切力小、对生物细胞损伤小剪切力小、对生物细胞损伤小。4.传热良好传热良好。发酵液循环速率高，方便在外循环管加换热器，有效控温。5.结构简单、加工容易结构简单、加工容易。没有轴封密封性好不渗漏，制造方便，设备投资低，放大容易实现。6.操作维修方便，没有搅拌热，总产热量低操作维修方便，没有搅拌热，总产热量低。结构和操作参数结构参数：高径比：H/D=59导流筒直径与罐径DE/D=0.60.8 操作特性 a.平均循环时间平均

28、循环时间tm 由下式确定： 平均循环时间是发酵罐内整个发酵液平平均循环时间是发酵罐内整个发酵液平均循环一周一次所需要的时间。均循环一周一次所需要的时间。 tm值过大，溶氧不足， tm过小，空气耗量增加，能耗增加。根据经验证明：黑曲霉糖化酶，发酵培养液基质浓度在7%时， tm大于4min，糖化力急剧下降。一般采用2.53min。24LLmCEmVVtVDVL 发酵液量m3Vc 发酵液循环流量m3 DE 导流筒直径m m 导流筒内液体平均流速m/sb.液气比液气比R： 发酵液循环流量和通风量的比值发酵液循环流量和通风量的比值。 R=VL/Vg 通风量对发酵液的混合和溶氧起主要作用，通气压强对发酵液

29、的流动和混合也有影响。一般导流筒内液体流速vs取12.1.8m/s，通气压强不会太大，有利于节能，也能满足溶氧传质要求。如果采用多段导流筒或内设塔板，vs可降低。体积体积3000m3，塔径，塔径7m，总高总高60m，装液量，装液量70%，塔顶设有气液分离部分：高塔顶设有气液分离部分：高10m，直径为塔径直径为塔径1.5倍倍10.5m，上升区面积大，上升速度上升区面积大，上升速度0.5m/s，下降区面积小，下降速度下降区面积小，下降速度34m/s，形成循环。平均循环时间形成循环。平均循环时间13min设有设有19块带下降区的筛板，防止气块带下降区的筛板，防止气泡合并为大气泡。泡合并为大气泡。由于塔内装液量高，相应操作压力由于塔内装液量高，相应操作压力大，饱和溶氧浓度大，饱和溶氧浓度c*高，溶氧系数高，溶氧系数高，溶氧速率达高，溶氧速率达10kg氧氧/m3.h相应通气功率相应通气功率6.6kW/m3溶氧效率在溶氧效率在1.5kg氧氧/kW.h典型的气升循环发酵罐英国伯明翰ICI公司生产的压力循环发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐机械搅拌自吸式发酵罐结构如图 主要构件： 吸气搅拌叶轮(转子) 导轮(定子)组成 转子： 三叶轮(三棱叶) 、 四叶轮 六叶轮 n转子和定子结构特点：特点：剪切力较小，阻力小，相应功耗小，直径小，转速高，吸气量大，溶氧系数大。 三棱叶转子三棱叶转子的