第2章通风生物反应器

第二章通风生物反应器第一节机械搅拌式生物反应器第二节气升式生物反应器第三节鼓泡塔生物反应器第四节自吸式生物反应器第五节固态通风生物反应器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

生物反应器的分类

生物反应器，是指利用酶或生物体（如微生物、动植物细胞）所具有的特殊功能，在体外进行生物化学反应的装置系统。细胞培养反应器（发酵罐）生物反应器酶反应器动物、植物、昆虫等活体生物反应器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

生物反应器的分类(1)按照使用的生物催化剂的不同,分为酶催化反应器和细胞生物反应器。(2)根据反应器的操作方式,分间歇式生物反应器,半连续式和连续式生物反应器。(3)根据反应器的结构特征,分釜式,管式,塔式,膜式等。

它们之间的差别主要反映在外型和内部结构的不同。

生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

(4)根据反应器所需的能量的输入方式,分通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式,利用无菌空气搅拌的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器。(5)根据生物催化剂在反应器中的分布方式,分生物团块反应器和生物膜反应器。生物团块反应器按催化剂的运动状态又分为填充床,流化床,生物转盘等。(6)根据反应物系在反应器内的流动和混合状态,分全混流和活塞流生物反应器。（见演示）

生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

生物反应器的分类一个优良的生物反应器应具有良好的传质和传热性能；培养液流动与混合良好；结构简单严密，防杂菌污染，检修维护方便；具有配套而可靠的检测及控制仪表。——以提供合适的环境条件，确保生物反应的顺利进行；——判断生物反应进行的情况。小型的种子发酵罐机械搅拌通风反应器底部磁力搅拌通风，电机输出轴与机械搅拌轴之间无联轴节和机械密封，密封可靠无泄漏。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

大型机械搅拌反应器图2-3某味精厂发酵车间一角发酵车间图2-5河南莲花味精集团公司使用的气升式通风发酵罐

图2-6南阳天冠酒精集团公司酒精发酵罐

图3-7珠江啤酒发酵群图3-8丹麦嘉士伯啤酒发酵群图3-9机械搅拌反应器图3-10机械搅拌反应器机械搅拌型反应器，是通过搅拌器对罐内的液体进行搅拌，以提供动力，并达到传质、传热和液体混合的目的和要求，同时通过搅拌提高通入的氧气的溶解，保证供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气

。(虚拟机械搅拌生物反应器1)第一节机械搅拌微生物反应器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

一、机械搅拌生物反应器的结构

好气性机械搅拌生物反应器是密封式受压设备，主要部件包括：1.罐体2.搅拌器和档板

3.密封装置

4.消泡器

5.空气分布装置6.变速装置、轴承、联轴器7.传热装置生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

小型搅拌反应器的结构

大型机械搅拌反应器结构示意大型搅拌通风反应器结构1.罐体罐体结构:筒身、上封头、下封头构成。材料及要求:耐高温高压玻璃反应器正在加工的罐身和封头生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

罐体的厚度计算根据工艺条件，筒体材料、内压力已确定的内径等参数，按强度计算公式确定筒体的设计厚度。其中td设计厚度，mm；p为设计压力，MPa；D1为发酵罐罐体内径,mm[σ]τ材料在设计温度下的许用应力，MPa；厚度附加量封头（罐盖）厚度

封头的设计已标准化，内径与筒体的内径一致，标准锥形封头、椭圆标准封头尺寸可查设计资料。封头设计厚度按工艺条件，用强度计算公式进行计算。对椭圆形封头:

对标准椭圆形封头:K=1罐身和罐盖的连接图2-13某厂抗菌素生产车间的种子罐和发酵罐法兰连接整体焊接生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

罐盖上的部件配置图2-14小型发酵罐罐顶部件布置图

图2-15大中型发酵罐罐顶部件布置图

生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

罐身的部件配置装于罐身的接管有：冷却水进出口、空气进口、温度和其他测控仪表的接口。罐身的接管愈少愈好。

不影响无菌操作条件下将接管加以归并。

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(1)搅拌器

搅拌器作用：增加氧的溶解速率;促进液-气-固三相混合;加强传热。

2.搅拌器和档板生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

搅拌器与流型轴向流搅拌器径向流搅拌器切向流搅拌器径向流——涡轮搅拌器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

径向流——涡轮搅拌器在涡轮搅拌器中液体出口的绝对速度很大，桨叶外缘附近造成激烈的漩涡运动和很大的剪切力，可将通入的气体分散得更细，并可提高溶氧传质系数。轴向流搅拌器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

促进总体混合效果较好，但对溶解氧效果不如涡轮搅拌器。无挡板的容器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时液体表面会形成漩涡，流体从桨叶周围周向卷吸至桨叶区的流量很小，混合效果很差。切向流切向流搅拌器锚式框式框锚式其他搅拌器形式生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

搅拌器的组合对于大型发酵罐，为了同时满足混合、溶氧以及传热的需求，可以采用多种不同的搅拌器的组合方式实现。（2）档板

挡板的作用：a、改变液流的方向，由切向流改为径向流和轴向流;

b、提高液流湍流程度，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。c、防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。

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挡板可以消除打漩现象竖立的蛇管、列管、排管、进空气管等也可以起挡板作用。档板有关设计参数档板的宽度W=（0.1~0.12）D；档扳的高度H自罐底起至设计液面高度止；档板与罐壁保持一定间隙，防止死角的形成；档板的块数Z一般为4~6块，不超过8块，以接近消除旋涡为宜。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

全挡板条件

全挡板条件下的搅拌流型

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在一定转速下，再增加罐内附件而轴功率保持不变、旋涡基本消失的档板数。3.密封装置（轴封）

发酵罐的搅拌轴与不运动的罐体之间的密封是确保不泄漏和不污染杂菌的关键部件之一。

轴封是安装在旋转轴与发酵罐体之间的部件。轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止工作介质（液体、气体）沿转动轴伸出设备之处泄漏和污染杂菌。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

1)填料函轴封结构：由轴、填料压盖、压紧螺栓、填料箱体、铜环和填料组成。主要缺点：①内部存在很多死角，蒸汽不易达到，很难彻底灭菌；②轴的磨损较为严重，如轴磨损过多；就难以达到密封要求；③填料压紧后摩擦功率损失较大；1-轴2-填料压盖3-压紧螺栓4-填料箱体5-铜环6-填料生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

④经常维修填料函，搅拌轴拆出磨光磨损部分，消耗工时多，影响生产。2)端面轴封（机械轴封）图24单端面机械轴封1-弹簧2-动环3-硬质合金4-静环5-O形密封圈分为单端面密封和双端面密封；结构主要由弹性压紧元件、动环、静环、O型密封圈等组成。机械密封有三个密封点位。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

下伸轴通风发酵罐上伸轴机械搅拌反应器密封措施之一：静环和罐体的密封（静密封）生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

密封措施之二：动环与轴的密封（相对静止的密封）生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

密封措施之三：动环与静环之间的密封（相对旋转密封）生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

动环和静环是环形平面接触。靠弹簧压紧动环和静环产生。两环有微小磨损，密封力基本不变,介质不易泄漏。3）全封闭密封(磁力搅拌)⒈适用:介质为剧毒、易然、易爆、昂贵的物料，高纯度物料以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料密封和机械密封均无法满足时的场合。⒉工作原理:套装在输入机械能转子上的外磁转子，和套装在搅拌轴上的内磁转子，用隔离套使内外转子隔离，靠内外磁场进行传动，隔离套起到全封闭密封作用。套在内外轴上的涡磁转子称为磁力联轴器。磁力联轴器的结构平面式联轴器套筒式联轴器由装在搅拌轴上的内磁转子和装在电机轴上的外磁转子组成。1－外轴2－外磁转子3－隔离套4－内磁转子5－内轴

图2—37平面式联轴器平面隔离套1－外磁转子2－内磁转子3－隔离套4－反应器筒体5－轴承套筒隔离套图2—38套筒式联轴器

①

密封可靠。

②

使用寿命长。

③

维修周期长。

④轴或轴套不受磨损。

⑤摩擦功率耗损少，一般约为填料函密封的10～50％

⑥机械轴封对轴的精度和光洁度没有填料函要求那么严格。⑦

适用范围广。

缺点是：结构复杂，需要一定的加工精度和安装技术。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

机械轴封与填料函轴封相比优缺点端面轴封安装的虚拟实验生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

虚拟安装作用:消除泡沫。消泡方法:化学法消泡;机械法消泡机械消泡装置类型：耙式、离心式、刮板式、涡轮式、碟片式消泡器等。4.消泡器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

①耙式消泡器耙式消泡器安装在发酵罐内的搅拌轴的上部生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

②离心式消泡器

安装在反应器外部,结构类似于离心式旋风分离器。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

③刮板式消泡器安装在反应器的外部，利用刮板旋转产生的离心力作用将气液分离而消泡。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

④机械方法和化学方法联合消泡

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5.空气分布装置吹入无菌空气，使空气分布均匀。单管式分布装置：管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm，这样的空气分散效果较好。环形管的分布装置：单管式空气分布管环管式空气分布管生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

变速装置试验罐:无级变速发酵罐:三角皮带或齿轮传动三角皮带减速装置6.变速装置、轴承、联轴器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

发酵罐的圆柱齿轮变速装置轴承

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。联轴器大型发酵罐搅拌轴较长，为了加工和安装的方便，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。轴的连接应垂直，中心线对正。夹壳形联轴器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

7.传热装置形式有夹套式、内蛇管式、内列管式和外盘管式等几种形式，根据发酵罐容积和装料量设计选用。不同的传热装置的实用范围:优先采用夹套。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

多种换热方式的组合机械搅拌通风反应器主要部件虚拟安装实验生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

（虚拟安装操作）通用式机械搅拌反应器发展趋势容积：扩大至100-500m3;材质：由碳钢改为不锈钢（304,306L);传热：由单一罐内蛇管传热改为罐内直管和罐壁半圆管相组合换热；减速：将皮带传动改为齿轮式减速；搅拌：从单一径向涡轮式搅拌改为径、轴双向流式搅拌。二、发酵罐的结构参数计算发酵罐的结构参数：公称直径D、罐体高度H;高径比H/D、公称容积V0等。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

通用发酵罐主要结构参数1.通用发酵罐的结构比例尺寸H/D=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1.0s/d=1.5~2.5S1/d=1~2发酵罐参数的确定要适应不同的菌种和发酵产物要求。2.发酵罐装料容积的计算（1）全容积：罐的圆柱部分体积和上下封头体积之和。

V=Vc+2Vb(2)公称容积：罐的圆柱部分和底封头容积之和（取整数）。

生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

封头体积Ｖb封头体积Ｖb决定于封头形式，对于椭圆形封头：其中，Hb封头直边高度，ha封头曲边高度，对于标准椭圆型封头，生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

发酵罐的全容积(3）近似全容积计算:实际装料量:VL=0.6~0.85V0生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

装料系数η=VL/V0例如，一年产5万吨柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为14%，提取总收率90%，年生产日期为300天，发酵周期为96小时。计算发酵罐的数量以及发酵罐的直径每日的产量=50000/300=166.7吨每日所需发酵液的量=166.7/(0.14×0.9）=1322.8m3假定发酵罐的装液系数为85%则每日所需发酵罐容积1322.8/0.85=1556m3取发酵罐的公称容积为250m3则每日需要6个发酵罐发酵周期为4天，考虑放罐洗罐等辅助时间，整个周期为5天。则所需发酵罐的总数=5×6+1=31个根据发酵罐的公称容积，可以计算发酵罐的圆柱体的直径（需初定H/D)：3.冷却水用水量和散热面积发酵产生的净热量Ｑ发酵可用下式表示Ｑ发酵＝Ｑ生物＋Ｑ搅拌－Ｑ空气－Ｑ辐射其中：Ｑ生物为生物合成热和呼吸热，以葡糖为基质时，细胞呼吸放热量为15659kJ/kg,合成发酵产物放热量近似为4857kJ/kg；Ｑ搅拌机械搅拌放热，Ｑ搅拌＝3600Pgη(KJ),Pg为搅拌功率，η=0.92

；

Q空气为发酵过程通气带出的水蒸汽所需的汽化热以及空气温度上升所带出热量；

Q辐射为辐射热,Q辐射=0.08F外壁(t壁-t空)。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

冷却水用水量计算QF=Q发酵热·VL换热水量：发酵液温度实际测量Q发酵的方法式中:W____冷却水流量，kg/h；

c____

冷却水的比热容，kJ/(kg.℃)；t1___冷却水进口温度，℃；

t2___冷却水出口温度，℃；V—发酵液体积，m3。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

选择主发酵期产生热量最大，测定：发酵罐传热面积计算

式中：QF——总的发酵热，（J/h）；

K——传热总系数,[J/（m2.h.℃）]；

F——冷却面积（m2）

△t为发酵液与冷却水之间的平均对数温差，K；

生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

传热面积可按下式计算：三、生物反应器搅拌功率计算搅拌器输入功率：指搅拌器以既定的速度旋转时，用以克服介质的阻力所需的功率，简称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不是电动机的轴功率或耗用功率。发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混合强度与单位体积液体中输入的搅拌功率有很大关系。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

（一）不通气、牛顿流体的搅拌器功率1.不通气、单层搅拌器功率计算在不通气情况下,机械搅拌发酵罐中，搅拌器输出的轴功率与下列因素有关：发酵罐直径、搅拌器直径、液柱高度、搅拌器的转速、液体粘度、流体密度、搅拌器形式和结构以及有无挡板等。可以表示为函数关系，由于D、HL与d有一定比例关系，于是：P=Φ（n，d,ρ,μ,g)生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

通过因次分析及实验证实，对牛顿型流体而言，可得到下列准数关联式：式中P：不通气时搅拌器输入液体的功率（瓦）;

ρ：液体的密度（公斤/米3）;

μ：液体的粘度（牛.秒/米2）;

d：搅拌器直径（米）;

n：搅拌器转速（转/秒）;

K：决定于搅拌器的型式，发酵罐的几何尺寸、挡板的尺寸及流体的流态。——功率准数；搅拌下的雷诺准数FrM为氟特鲁准数经实验证实，在全挡板条件下，液面未出现旋涡，此时指数y=0，故=1。所以即：在具有挡板且满足全挡板的情况下，即搅拌准数是搅拌雷诺准数的函数。

图2-33搅拌器的功率曲线

1-三叶推进式,s=d,无挡板；2-三叶推进式,s=d,全挡板；3-三叶推进式,s=2d,无挡板；4-三叶推进式，s=2d，全挡板；5-六叶直叶圆盘涡轮，无挡板；6-六叶直叶圆盘涡轮，全挡板；7-六叶弯叶圆盘涡轮，全挡板；8-双叶平浆，全挡板全挡板：N=4，W=0.1D；各曲线：d/D1/3，b/d=1/4；HL/D=1s-浆叶螺距,N-挡板数,W-挡板宽度,D-釜内径,d-叶轮直径,b-浆叶宽度,HL-液层深度NpNNP在一系列的几何相似的试验设备中，用不同型式的搅拌器进行试验得出：当Ｄ/d=3，HL/d=3，B/d=1，D/W=10且ReM＜10时，液体处于层流状态，此时，x=-1又：当ReM﹥104，x=0,时液体处于湍流状态，此时，

发酵液为过渡流时的搅拌器功率在10﹤Rem﹤104，发酵液为过渡流，计算Rem，查NP-Rem图得NP2.搅拌器功率计算的修正由于一般发酵罐中Ｄ/d≠3、HL/d≠3，其搅拌功率可用下式校正：f为校正系数，它由下式来确定：式中，带*号代表实际搅拌设备情况。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

3.多层搅拌器功率的计算由于工业发酵罐的高径比一般为2~3，因此在同一轴上往往装有很多层搅拌器。对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：式中m---搅拌器层数。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

（二）、通气情况下的牛顿流体搅拌功率当发酵罐通入压缩空气后，搅拌器的轴功率与不通气时相比，将会下降，减少程度与通气量存在着一定关系。可能的原因是：1）由于通气使得液体的密度降低；2）由于通气使得液体的翻动。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

1、通气准数法为了估算通气条件下的搅拌功率，有人引入通气准数Ｎa，它表示了发酵罐内空气的表观流速与搅拌叶端流速之比。可表示为：式中QG——工况通气量；

d——搅拌器直径；

n——搅拌器转速；生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

通气搅拌功率的计算若以Pg表示通气搅拌功率，P0为不通气搅拌功率，则则Na﹤0.035时，

Na≥0.035时图2-2b表示了在各种搅拌情况下，通气与不通气功率之比与通气准数的关系。2、Michel法当发酵液密度为800～1650kg/m3，粘度为9×10-4

～0.1Pa·s时，可用Michel公式来估算涡轮搅拌器的通气搅拌功率：式中，当d/D=1/3~2/3时，Ｃ值为０.101~0.157之间。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

（三）、非牛顿流体搅拌功率计算常见的某些发酵醪具有明显的非牛顿流体特性。这一特性对发酵过程的影响极大，对搅拌功率的计算也带来麻烦。牛顿型流体：用水解糖液、糖蜜等原料做培养液的细菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆饼粉配料的低浓度细菌醪或酵母醪接近于牛顿型流体。非牛顿型流体：霉菌醪、放线菌醪。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

牛顿型流体的特点牛顿型流体：粘度μ只是温度的函数，与流动状态无关，服从牛顿粘性定律。牛顿型流体的流态式为直线，服从牛顿特性定律：τ——剪应力；——剪切速率（速度梯度）如沥青，熔融状态的塑料，聚合物溶液,部分发酵液等。

非牛顿流体：粘度μ不仅是温度的函数，而且随流动状态而变化。此类流体可按剪应力与剪切率之间的关系，分为三类，如图所示：如：血液、放线菌、霉菌的发酵液等为非牛顿流体。非牛顿流体搅拌功率的计算对于非牛顿型流体搅拌功率的计算与牛顿型流体搅拌功率的计算方法一样，可用的关系式进行计算。但这类流体的粘度μ是随搅拌速度而变化的，因而必须事先知道粘度与搅拌速度的关系，然后才能计算不同搅拌转速下的发酵液粘度。米兹纳等人提出，在搅拌条件下，非牛顿流体的平均剪切速率与搅拌转速成正比剪切速率γ=B×nB比例系数，B的范围为10~13。非牛顿流体搅拌功率的计算根据转速n及B就可求出平均剪切速率，再通过实验作出流态曲线。曲线任一点的切线即为该点的表观黏度，根据公式以及就可绘制功率准数和雷诺准数曲线，从大量的实验数据中，可以得出，牛顿型流体与非牛顿型流体的Ｎp～ReM曲线基本吻合，差别仅在ReM＝10～300区间之内。在实际计算中，可以用上述轴功率计算方法来计算非牛顿型流体的搅拌功率。（四）、生物反应器搅拌功率的确定搅拌功率消耗和通气功率消耗是一对矛盾关系，提高搅拌功率可以减小通气功率的消耗，相反通气功率消耗提高，则可适当降低搅拌功率，或者说，在高通气情况下，实际搅拌功率消耗小，而高消耗搅拌功率下，可降低通气功率消耗（通气量减小）。为实现搅拌功率改变的需要，常采用变频电机和变速装置，可根据需要改变搅拌的转速和功率输出。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

搅拌器功率P与直径d、转速n之间的关系动压头液体翻动量搅拌功率基本方程式：搅拌器功率P与直径d、转速n之间的关系假定搅拌器功率P不变，增加d，则减小n，根据：，则H减少，Q增加。结论：d增加，n减小，动压头减小，翻动量增加，有利于发酵液相与相之间的混合。结论：减小搅拌器直径d，增大转速n，使动压头增加，有利于气泡的粉碎，提高溶氧传质系数。搅拌器功率P与直径d、转速n之间的关系生物反应器的最适D/d值随生产菌种、培养液的性质和通气程度而变，但是，越是粘厚的培养液，越是好气的菌种，越硬配备较大直径的搅拌器，同时应保证较高的转速，即大功率生物反应器。搅拌器功率P与直径d、转速n之间的关系采用高功率消耗，低通气量的方法来加强搅拌过程中的剪切力和翻动量，以提高氧的传递速率和液-固相混合程度，但不能盲目采用大功率，因为增加转速及搅拌桨直径，可能导致剪切力过大，菌丝易打碎。搅拌器功率P与直径d、转速n之间的关系（五）、电机功率的确定按发酵罐搅拌功率来选用电机，应考虑减速传动系统的机械效率η，不同的传动系统，机械效率不同。电机功率计算公式如下：式中，Pm为搅拌所需的轴功率，KW；PT为轴封摩擦损失功率，KW；η为传动系统的效率。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

计算举例某细菌醪发酵罐罐直径D＝1.8(米)；圆盘平叶涡轮,直径d＝0.60米，一只涡轮；罐内装四块标准挡板；搅拌器转速n＝168转／分；通气量Q＝1.42米3／分(已换算为罐内状态的流量)罐压P＝1.5绝对大气压；醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2；醪液密度ρ＝1020公斤／米3；要求计算Pg生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

(1)计算ReMReM=3.147×105﹥104(2)由NP~ReM查NP

，NP=12(3)计算不通气时搅拌功率P0P0=NPd5n3ρ=11(千瓦）(4)计算通气搅拌Pg=3.5(千瓦）第二节气升式发酵罐非机械搅拌生物反应器。气升式反应器是利用空气的喷射功能和流体重度差造成反应液循环流动，来实现液体的搅拌、混合和传递氧。即：不用机械搅拌，完全依靠气体的带动上升使液体产生循环并发生湍动，从而达到气液混合和传递的目的。类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。其中气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐已在工业上应用。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

大型气升式发酵罐实物照片

实验室用气升式玻璃发酵罐（实物）一、气升式生物反应器的主要类型及结构1.带升式生物反应器2.气升及外循环生物反应器3.气升环流生物反应器4.塔式生物反应器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

1.带升式生物反应器1）内循环式在反应器内部装设上升管。空气喷嘴安装在反应器底部。利用空气压力和速度带升发酵液上升；在顶部利用液体本身的重力下降实现循环。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

2）汽液双喷射气升环流反应器增加了液体喷射泵。无菌空气通过喷嘴喷射进入发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传递。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

气-液双喷射气升环流反应器3）筛板外循环式为多层空气分布板（多孔筛板）的气升环流反应器。底部有新鲜空气分布管；在反应器外部装设循环管。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

2.外循环带外部换热生物反应器器内部装设气液上升管，在外部装设带冷却装置的循环管。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

二、气升式反应器的特点⑴反应溶液分布均匀，气液固三相均匀混合；⑵较高的溶氧速率和溶氧效率，气升式反应器具有较高的气含率和比气液接触截面，因而有较高的传质速率和溶氧效率；⑶无机械搅拌叶轮，剪切力小，对生物细胞损伤小；⑷

传热良好。液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路加装换热器；⑸

无密封装置，结构简单，易于加工制造；⑹操作和维修方便。缺点：不适于固形物含量高、黏度大的发酵液。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

三、气升式生物反应器的结构与操作参数

1.主要结构参数1）反应器高径比：一般为5-9,有的更大；

2）导流筒直径与罐径比：0.6-0.8；3）空气喷嘴直径与反应器直径之比D1/D以及导流筒上下端面到罐顶、罐底间距离对发酵液混合、溶氧有影响。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

2．流动与传递特性参数（1）气含率同轴导流筒的内循环气升式发酵罐中，气含率的定义为：VG为通风量，VL培养液量，vG为气速，K，n为经验常数。气含率是气升式发酵罐的一个重要参数。气含率太低，氧传递不够，反之，太高则反应器的利用率太低。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

（2）体积氧传递速率系数式中——气体在管内流速（m/s）；——b为与空气分布板形式和溶液性质有关的常数。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

主要取决于发酵液的湍动以及气泡的剪切细碎状态。（3）循环周期循环周期指液体微元在反应器内循环一周所需要的平均时间，即平均循环时间。式中,VL为发酵液体积；Vc为发酵液体积循环量。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

液气比：发酵液环流量Vc与通风量VG之比，对混合与溶氧具有重要影响。第三节机械搅拌自吸式发酵罐不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入无菌空气的发酵罐。通风装置由转子和定子组成。工作原理当发酵罐内充满液体，启动搅拌电机，转子高速旋转，转子内液体被甩向叶轮外缘，液体获得能量。转子的线速度越大，液体(其中还含有空气)的动能愈大，当其离开转子时，由动能转变为静压能也愈大，在转子中心所造成的负压也越大，故吸气量也越大，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出，并使空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在湍流状态下混合、湍动和扩散，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。自吸发酵罐与通用发酵罐的比较搅拌转速n比通用式发酵罐高；搅拌功率消耗大，一般维持在3.5kw/m3左右，而通用式一般在1～1.5kw/m3左右。由于不需要空气压缩机及带来的能量消耗，自吸罐总动力消耗是通用式的2/3左右。机械搅拌自吸发酵罐最关键部件是带有中央吸气口的搅拌器第四节鼓泡塔式生物反应器结构：一种高径比H/D较大的非机械搅拌式生物反应器。它不设置机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升时带动流体运动，进行搅拌和混合。Ｈ/Ｄ高达8：1至20：1，流体深度大，空气进入培养液后有较长的停留时间，并可将气体重新分散，筛板上的降液口有助于液体的循环运动。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

一、高位筛板塔反应器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

气液两相通过筛板孔被筛板分割细碎沿筛板上升带动液体上升并均匀混合,在顶部气体汇聚成大气泡并排出发酵罐，液体依靠重力沿降液管下降实现循环。适用于培养液粘度低，含固量少，需氧量较低的多级连续发酵。

可用于单细胞蛋白质、抗生素等生产，另外，对植物细胞的培养也可适用。筛板塔、筛板以及降液管构成，结构简单，无运动部件，无需密封装置。

公称体积达3000m3，液柱高达55m，故通气压力高，发酵液量2100m3。为了强化气液混合与溶氧，沿罐高度设有19块有下降区的筛板以防止气泡合并为大气泡，同时为使塔顶的气液部分分离排气，顶部设有气液分离部分，直径约等于塔径的1.5倍。发酵罐中液体上升速度达0.5m／s，而在下降区的速度更高达3～4m／s；在上升管与下降区的气含率分别高达0.52和0.48。由于液位高，饱和溶氧C*很高，故溶氧速率可高达10kg(O2)／(m3．h)，发酵液的循环时间控制在1-3min。

二、压力循环塔式发酵罐ICI压力循环塔式发酵罐特点优点：结构简单，省去轴封，对保持无菌条件有利，无机械搅拌，减少剪切作用对细胞的损害；造价较低，动力消耗少。缺点：反应器高，要在室外安装，而且压缩空气要有较高压力以克服反应器内液体的静压力。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

鼓泡塔生物反应器的应用酶产物制备、乙醇发酵、单细胞蛋白发酵、废水处理、废气处理（例如用微生物处理气相中的苯）等。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

第五节固态通风发酵生物反应器一、固态发酵的特点二、固态发酵生物反应器类型三、固态发酵生物反应器的设计与应用生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

固态发酵（solidstatefermentation）又称固体发酵，是指微生物在湿的固体培养基上生长、繁殖、代谢的发酵过程。固态的湿培养基一般含水量在50%左右，但也有的固态发酵的培养基含水量为30%或70%。

固态发酵的特点固态发酵与液态发酵相比的主要优、缺点

优点缺点 1.培养基含水量少，废水、废渣少，环境污染少，容易处理；1.菌种限于耐低水活性的微生物，菌种选择性少2.消耗低，供能设备简易；2.发酵速度慢，周期较长3.培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉3.天然原料成分复杂，有时变化，影响发酵产物的质和量4.设备和技术较简易，不需严格无菌操作，后处理方便。4.工艺参数难检测和控制5.产物浓度较高，后处理方便5.产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大一、固态发酵的类型（一）浅盘式生物反应器（trayfermentor)（二）填充床生物反应器（packedbedbioreactor，PBB）（三）流化床生物反应器（四）转鼓式生物反应器(rotarybioreactorRDB)（五）搅拌式固态生物反应器（六）压力脉动固态发酵生物反应器

（一）浅盘式生物反应器（trayfermentor)

浅盘式生物反应器由一个密室和许多可移动的托盘组成，托盘可以是木材、金属(铝或铁)、塑料等制成，底部打孔，以保证生产时底部通风良好。培养基经灭菌、冷却、接种后装入托盘，托盘放在密室的架子上。一般地托盘在架上层层放置，两托盘间有适当空间，保证通风。发酵过程在可控制湿度的密室中进行，培养温度由循环的冷(热)空气来调节。生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

（二）填充床（固定床）生物反应器生物工程设备——第2章生物反应器结构与计算

采用动力通风，可更好地控制反应床中的环境条件，