第一章 通风供氧式生物反应器-1

第一章

通风发酵设备

地位和作用：

大多数的生化反应都是需氧的，通风发酵设备是需氧生化反应设备的核心和基础。

例：氨基酸、有机酸、抗生素、酶制剂、酵母等对通风发酵设备的要求

1、良好传质和传热性能，培养基流动与混合良好，特别是溶氧性能，供氧速率通常被认为是在生物反应器的选择和设计的主要问题；

2、结构严密，防杂菌污染，是必须保证的条件；能耗低，运转经济性好；

3、必要的检测与控制；

4、设备较简单，方便维护检修。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，减少泄漏。通风发酵罐的类型机械搅拌式气升环流式鼓泡式自吸式其中机械搅拌通风发酵罐占主导地位。占了发酵罐总数的70％～80％。第一节机械搅拌通风发酵罐体积从实验室的30L——大生产的630m3这类发酵罐大多用于通风发酵，靠通入的压缩无菌空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、溶氧传质，同时强化热量传递。本节共分六个问题：一、机械搅拌通风发酵罐的结构二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性四、热量传递与换热装置设计计算五、发酵罐的几何尺寸及体积计算六、发酵罐的设计和应用发酵罐一、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、空气分布装置6、轴封7、冷却装置

8、人孔、视镜、各种接口

1．罐体罐体由圆柱体和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。为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130℃和0.25MPa（绝压）。并配有必要的管路接口、人孔等。罐壁厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。发酵罐的计算：材料选择、壁厚计算、结构尺寸计算等

封头、封底椭圆形封头（底盖）碟形封头（底盖）

（1）受内压筒体壁厚的计算：

（mm）

式中：

p——耐受压强，MPa，表压；

D——罐径，mm；

φ－一焊缝系数，双面对焊φ=0.8，无焊缝φ=1.0；

C——腐蚀裕度，当δ-C＜10mrn时，C=3mm；

[σ]——许用应力。（2）受外压筒体壁厚的计算：

（mm）

式中：

p——耐受外压强，Pa，表压；

D——罐径，mm；

α——系数，直立圆筒取45，有焊缝时为50；

C——腐蚀裕度，当δ-C＜10mrn时，C=3mm；

H——圆筒高度mm。

（3）封头壁厚的计算：按碟形封头计算为：式中：

y——开孔系数，对发酵罐可取2.3；

[σ]——许用应力。

2．搅拌器搅拌器的主要作用：混合和传质

1、溶氧：使通入的空气分散成小气泡并与发酵液充分混合，使气泡细碎以增大气一液界面，获得所需要的溶氧速率，并使生物细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气一液一固（细胞）三相的混合与质量传递，

2、营养物质和代谢产物、细胞的传质扩散。

3、强化传热过程。搅拌器的结构与类型搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。搅拌叶轮大多采用蜗轮式，叶片数量一般为6个。此外，还有推进式和Lightnin式搅拌叶轮。

为了强化轴向混合，可采用蜗轮式和推进式叶轮共用的搅拌系统。为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做成两半型，用螺栓联成整体装配于搅拌轴上。继续

六平叶涡轮桨六弯叶涡轮桨六箭叶涡轮桨涡轮式搅拌叶轮涡轮桨式搅拌器（1）六平叶涡轮桨已标准化，被称为标准型搅拌器，这种搅拌器搅动液体的循环量较大，搅拌消耗功率也较大。（2）六弯叶涡轮桨式搅拌器和六平叶涡轮浆的性能差不多，但消耗功率较小，对液体的切剪作用也较小，这种搅拌器尚未标准化。（3）六箭叶涡轮未标准化，它的切剪作用是三种涡轮桨中最小的，因而搅拌消耗功率也最小，故在功率相等的条件下可将转速略为提高。发酵罐搅拌叶轮结构类型

1.六直叶平叶涡轮2.推进式3.LightninA－315式

挡板挡板的作用：发酵罐内装设挡板的作用是改变液流的方向，防止液面中央形成漩涡流动，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增强其湍动和溶氧传质。尺寸：通常挡板宽度取（0.1-0.12）D，高度h=自筒底至运转液面高度。安装离罐壁1/5—1/8D，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。全挡板条件（计算）

“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：

式中D——发酵罐直径，mm；

b——挡板宽度，mm；

n——挡板数。通常设4~6块挡板。全挡板条件下搅拌流型

（1）六直叶涡轮（2）推进式叶轮

3、消泡装置

1）起泡原因：发酵液中含有蛋白质等发泡物质，故在通风、搅拌时产生气泡物质。

2）危害：减少装料系数、料液外溢（随排风、各接口、轴封等），并易引起染菌。

3）消泡方法：加入化学消泡剂；使用机械消泡装置。通常，是把上述两种方法联合使用。耙式消泡器最简单实用的消泡装置，可直接安装在上搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适当高度。随搅拌轴转动，不断将泡沫打破4.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。联轴器及轴承为了减少震动，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）。底轴承

5.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。空气分布装置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。空气分布装置

若用环形空气分布管，则要求环管上的空气喷孔应在搅拌叶轮叶片内边之下，同时喷气孔应向下以尽可能减少培养液在环形分布管上滞留。喷孔直径取2～5mm为好，且喷孔的总截面积之等于空气分布管截面积。6.轴封

轴封的作用：是防止染菌和泄漏。轴封形式：常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。大型发酵罐常用的轴封为双端面机械轴封装置。双端面机械轴封装置器

l.密封环

2.搅拌轴

3.罐体

4.传动齿轮箱

5.齿轮箱返回7.冷却装置

（1）换热夹套（2）竖式蛇管（3）竖式列管（排管）(1）换热夹套在小型罐中往往应用夹套换热装置优点是结构简单，加工方便，易清洗。但换热系数较低只用于5m3以下的小罐。夹套的换热系数在400～600kJ/（m2·h·℃）之间。（2）竖式蛇管在罐内设4组或6组竖式蛇管。其优点为：管内水的流速大，传热系数高，在1200～2000kJ/（m2·h·℃）之间。此类换热器要求冷却水温较低，否则降温不易。

（3）竖式列管（排管）以列管式分组装设于罐内。优点是有利于提高传热推动力的温差，加工方便。用水量大。适用于气温较高，水源充足的地区。当流速较快时，降温速度快。

人孔、视镜、各种接口

机械搅拌通风发酵罐结构1.轴封2、20.人孔3.梯4.联轴节5.中间轴承6.温度计接口7.搅拌叶轮8.进风管9.放料口10.底轴承11.热电偶接口12.冷却管13.搅拌轴14.取样管15.轴承座16.传动皮带17.电机18.压力表19.取样口21.进料口22.补料口23.排气口24.回流口25.视镜种子罐一般种子罐的容积是发酵罐容积的l～2％，罐高与直径比为2～2.5，加热冷却一般为夹套式。发酵罐

发酵罐

通风发酵罐复习题（一）1、画出通用式发酵罐简示图，并说明其主要结构及其作用。2、简述挡板的作用及全挡板条件。3、画出两种空气分布器的结构形式，并说明各自的优缺点。4、简述生物反应过程起泡的原因、危害，设计出几种消泡装置并作简要说明。二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质需氧发酵：抗生素、酶制剂、有机酸、氨基酸等工业发酵需氧量：

比呼吸速率:0.1-0.4kg(O2)/[h.kg(干细胞）]

由糖等底物转化成细胞，需氧量为1kg（O2）/[h·kg（增殖细胞）]）左右。

氧的难溶性：常压、25℃下，空气中氧在纯水中的饱和溶解度为0.25mol/m3。在发酵液中更低。

重要性：一般情况下，溶氧问题是限速步骤。所以，反应器的改进，多以溶氧速率和溶氧经济相关联。（例：高黏度发酵反应器问题）1．气-液相间的溶氧传质过程理论

1、双膜理论的假设：存在气-液界面及其过渡区；传质为分子扩散（l）气泡中的氧通过气相边界层传递到气一液界面上。（2）氧分子由气相侧通过扩散穿过界面。（3）在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体。（4）在液相主体中进行传递。（5）扩散通过生物细胞表面的液相滞流层传递进入生物细胞内。2、接触界面氧的传质速率

溶氧传质的总推动力就是气相与细胞内的氧浓度之差。氧由气泡传递到液相中是生物通气发酵过程中的限速步骤。当气液传质过程处于稳态时，单位接触界面氧的传递速率为：

根据亨利定律有：P=Hc

式中H——亨利常数。结合两式，可得下面两式：对通常的培养基水溶液，其亨利常数H很大，1/HkG<<1/kL，所以KL≈kL。说明：对于氧这种难溶气体，主要阻力是液膜阻力。所以发酵过程的溶氧计算，可以取：KL=kL

3、体积溶氧速率与体积溶氧系数（1）体积溶氧速率

OTR——单位时间、单位体积的溶氧量，

mol/（m3·s）

kL——以氧浓度为推动力的液膜传质系数，m/s；

a——单位体积发酵液的气液界面面积，m2/m3c——发酵液中溶氧浓度，mol/m3；

c*——相应温度、压强条件下饱和溶氧浓度，mol/m3

溶氧浓度C应控制在5％～10％c*以上，否则就会影响生物细胞生长与代谢，故最高的溶氧速率也只能是0.95kLαc*。在一般的通风发酵生产，使用的普通空气，发酵罐压略高于大气压，相应的c*在0.25～0.3mol（O2）/m3；而机械搅拌通风发酵罐的kLα值为100～1000（1/h），所以此类发酵罐的供氧能力约为0.8～9kg（O2）/（m3·h）。上述的供氧能力是在相应的通风和机械搅拌功率输入的条件下实现的。对于高细胞密度发酵和非牛顿培养基发酵，在相同的发酵罐和通气搅拌条件下，相应的溶氧速率大大降低。（2）体积溶氧系数kLα在检测评价溶氧性能时，总是把kL和α合在一起看成是一个参变量即kLα，称之为体积溶氧系数：1/s或1/h（3）影响kLα的主要因素Pg——对液体的搅拌功率W；

VL——发酵罐的装液量m3VG——通气量，m3；

vs——空截面气速，m／s。K’、K”、α’、α”、β’和β”均是实验常数影响kLα的主要因素

（1）操作变量（条件）：如搅拌转速、通气量等。（2）发酵罐的结构及几何参数：如体积、通气方法、搅拌叶轮结构和尺寸等。（3）物料的物化性能：如扩散系数、表面张力、密度、粘度、培养基成分及特性等。

（4）溶氧系数的计算福田秀雄式

Kd—以氧分压差为推动力的体积溶氧系数，

mol/[mL·min·0.1MPa（po2）]；（po2——氧分压，Mpa）。

Ni—搅拌器数量。Pg—对液体的搅拌功率，kW；

VL—发酵罐的装液量，m3；n—搅拌转速，r/min

vs——空截面气速，cm／s。

表示机械搅拌通风发酵罐的体积溶氧系数公式还有：（1/h）或（1/h）

Di——搅拌叶轮直径，m；

n——搅拌转速，r/s；

K和K’是经验常数，由反应器结构确定。3．机械搅拌通风发酵罐的通风量（1）持气率（GasHoldup）持气率是气液传质系统重要参数，其定义为：

VLG——通气搅拌时气液混合物体积，m3；

VL——不通气时溶液体积，m3。

对大多数的通气发酵牛顿型培养液，持气率的经验表达式为：

（2）通气速率

通气速率（常用空截面气速Vs表示）对气液传质有重要影响，它不仅影响体积溶氧系数kLα，而且还影响搅拌功率：

a．提高vs会使通气搅拌功率下降P0、Pg—无通气和通气时搅拌轴功率，kw；Di—搅拌叶轮直径，cm；Vg—通气量，mL/min。

b．Vs对kLα的影响：随着通气量Vg的增大，通气搅拌功率会降低。故为了提高Vs以便强化溶氧传质，必须适当提高搅拌转速或增大搅拌叶轮直径，或两者均提高，以维持通气搅拌功率不变，这样便会使kLα增大。c．持气率和起泡均会随vs的提高而增大。d．较低的通气速率和泡沫水平可使敏感的微生物如动物细胞受损伤，甚至在低搅拌速率下也如此。故在组织培养中必须注意搅拌叶轮结构的改进，使用低剪切的叶轮。

通气强度（VVm）即每立方米发酵液每分钟通入多少立方米标准状态下的空气。

对相同的VVm，其空截面气速Vs随反应器规模的增加而提高。故实际上，通气强度随反应器的增大而适当降低。

通气强度也受液压的影响。（为何？）

（3）通风强度发酵罐规模对vs的影响

（4）通气功率发酵罐的通气是必须消耗功率的。一定压强的无菌空气通过空气分布器或管口，减压膨胀且以一定速度进入发酵液中释放能量，起气液混合作用，带动发酵液一道呈气一液一固（微生物）之相流动。当通气速率较高，而搅拌叶轮直径较小且转速较低时，会出现搅拌器对液体流动和气体分散均基本无影响的情况，习惯上称此为“溢流”现象，这是通气发酵不希望的状况。

要使机械搅拌通气不出现的“溢流”现象，必须保持下述条件

上式只适用于牛顿型流体、标准几何尺寸的机械搅拌罐和涡轮搅拌器。通气带入发酵液的搅拌混合能只占总量的10％左右，其余的90％则为机械搅拌器输入。4．通气压强（发酵罐压）通气压强对OTR的影响：提高罐压即提高风压，可使相应的饱和溶氧C*增大，从而使溶氧速率OTR=kLα（c*一c）提高，这是十分有效且经济的方法。例：罐压为0.1MPa（表压），OTR提高1倍。注意1、使用此法要求发酵罐的耐压强度升高，所用的空气压缩机的输出压强也相应增大，但所需的设备投资增加。2、代谢气体（CO2)也同比例提高，从而对细胞代谢的影响。3、对通气速率和搅拌功率的影响，进而对kLα产生影响

生产实践中，通过试验，选择最佳罐压。在大多数的发酵，罐顶压强取0.1—0.05MPa较好。是否最佳？5．富氧通风通风发酵罐通常使用的是普通空气。当需要提高相应的饱和溶氧浓度C*时，更有效的方法是用富氧空气或直接通入氧气。对于工业规模发酵生产上，因为通纯氧气或富氧使操作成本大增，故目前仍未使用。

讨论题

综合叙述提高溶氧速率的技术措施提高通气压强；富氧通风；提高KLa(或Kd)（1）操作变量（条件）：如搅拌转速、通气量等。

（2）发酵罐的结构及几何参数：如体积、通气方法、搅拌叶轮结构和尺寸等。

（3）物料的物化性能：如扩散系数、表面张力、密度、粘度、培养基成分及特性等。提高KLa的措施

通风发酵罐复习题（二）1、名词概念：持气率通风强度通气压强富氧通风2、图示并简述双膜理论的基本内容3、讨论影响体积溶氧系数kLα的主要因素4、综合叙述提高溶氧速率的技术措施三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性机械搅拌的重要性：

当用同一发酵罐进行试验时，若固定通气量，则当搅拌叶轮形状、大小、数量、转速等参数改变时，所需的通气搅拌功率也随之变化，对发酵结果也产生影响。搅拌器的安装：在设计发酵罐时，必须考虑如何设计搅拌器以及怎样装配到搅拌轴上。对小型发酵罐，可用全开式封头，即用法兰连接。

对大型发酵罐，在罐盖上装设人孔，分几部分放入罐内组装。搅拌器的设计搅拌叶轮尺寸与类型搅拌叶尖线速度与剪应力搅拌叶轮的尺寸搅拌叶轮直径与罐径之比Di/D=0.33～0.45。微生物胶发酵，因培养液粘度大，故可选大直径的叶轮。动物细胞培养所适用的搅拌反应器，应选较大的Di/D。搅拌叶轮类型的选择

主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。高能耗的叶轮如圆盘涡轮所需的搅拌功率高，但有良好的气液分散功能，因而溶氧速率高，其缺点是剪切应力大。

推进式（旋桨式）搅拌叶轮能耗较低，但混合效果好，尤其是轴向混合好。搅拌叶尖线速度与剪应力（1）搅拌对生物反应的作用：

有益性：

损伤性：生物细胞在机械搅拌的剪切作用下会受到损伤

其损害程度取决于生物细胞的特性和搅拌力的性质、强度以及作用时间等。搅拌剪切与细胞损伤的关系

单细胞微生物耐受搅拌剪切的能力强丝状菌的耐受力弱动物细胞对搅拌剪切甚至对通气混合所产生的较轻微的剪应力也非常敏感搅拌叶尖线速度与剪应力关于搅拌剪切与反应器形式、结构及对象生物细胞的设计准则，目前以搅拌叶尖线速度为基准并以具体条件下实验为标准。对耐剪切力较强的生物细胞，搅拌叶尖线速度应不大于7.5m/s。搅拌叶轮尺寸与剪切速率叶尖线速度、转速及功率关系

叶尖线速度

vt=7.62m/s□vt=10.16m/s■搅拌功率

Pg=224kw+Pg=448kwX剪应速率

γ=0.167/s▲γ=0.267/s发酵培养液的流变特性根据料液黏度、剪切速率、剪应力三者的关系，常见的发酵液流变特性分：（l）牛顿型流体：黏度不随搅拌剪切速率和剪应力而改变。（2）非牛顿型流体拟塑性和涨塑性流体宾汉（Bingham）塑性流体剪切速率对粘度的影响l.涨塑性2.牛顿型3.假塑性

剪切速率对剪应力的影响1宾汉型2假塑性3牛顿型4涨塑性

黄原胶水溶液的剪切速率与粘度关系黄原胶浓度：10.5%21.0%33.0%45.0%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、选用电机复习题（三）1、简述剪应力对生物反应的影响2、简述不同类型流体黏度、剪切速率、剪应力三者的关系四、机械搅拌通风发酵罐的热量传递

为了保证温度的调控，须按热量生成的高峰时期和一年中气温最高的半个月为基准进行热量衡算以及所需的换热面积。

1．发酵过程的热量计算（1）生物合成热计算法（2）冷却水带出热量计算法（3）发酵液温升测量计算法（1）生物合成热计算法

Qt=Q1+Q2一Q3一Q4Q1——生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热两部分。Q2——机械搅拌放热，且Q2=3600Pgη（kJ）；

Pg——搅拌功率，kw；

η——功热转化率，经验值为η=0.92；Q3——发酵过程通气带出的水蒸气所需的汽化热及气温上升所带出的热量，以及发酵罐壁与环境存在温差而传递散失的热量。

Q3≈20%Q1Q4——发酵罐壁与环境存在温差而传递散失的热量。一般情况下可忽略。

（2）冷却水带出热量计算法选择主发酵期产生热量最大时刻

[kJ/(m3·h)]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，℃；

VL——发酵液体积，m3。

（3）发酵液温升测量计算法在主发酵最旺盛期发酵放热最高时期，先使罐温恒定，关闭冷却水，测定发酵液在30min液温的上升值，然后按下式计算最大发酵热量：

[kJ/(m3·h)]式中m1、m2——发酵液和发酵罐质量，kg；

c1、c2——发酵液和罐体材料比热容，kJ/（kg·℃）；

ΔT——30min内发酵液的温升，℃。：

3、换热面积计算

Q总——主发酵期发酵液每小时放出最大的热量（kJ/h）K——换热装置的传热系数[kJ/（m2·h·K）]Δtm——平均温度差（℃）（1）传热系数（K）经验值或计算：夹套的K值为4.187×（150～250）kJ／（m2·h·K）；蛇管的K值为4.187×（300～450）kJ／（m2·h·K）；管壁较薄并对冷却水进行强制循环时，根据查定，K值约为4.187×（800～1000）kJ／（m2·h·K）。冷却排管的传热系数K＝[(1/α1)+(δ/λ)壁+(δ/λ)垢+(1/α2)]

α1——冷却水在管内的给热系数，根据经验可取4.187×2500kJ／（m2·h·K）α2——发酵液向排管的给热系数，根据经验取4.187×1200kJ／（m2·h·K）（δ/λ）壁——排管管壁的热阻（m2hK/kJ）（δ/λ）垢——冷却水积垢的热阻（m2hK/kJ），一般可取0.0006/4.187（m2hK/kJ）。（2）传热温度差（Δtm）的计算设冷却水进出口温度为t1、t2，醪液温度为T，则（3）换热面积的计算五、发酵罐的几何尺寸及体积计算1、发酵罐常用的几何尺寸几何尺寸H/D=1.7～3.5Di/D=1/2～1/3B/D=1/8～1/12C/Di=0.8～1.0S/Di=2～5H0/D=22、罐的容积计算（1）罐的总容积（V总）

V总＝V0+2V1

（m3）式中V0——圆柱部分的体积（m3）

V1——上或下封头的体积（m3）1）V0的计算：

D——罐直径（m），

H0——圆柱部分高度（m）（2）

封头（底盖）V1的计算标准椭圆形封头：a＝2b（长轴等于短轴的二倍），ha=a/2=D/4碟形封头（底盖）R＝D（大半径＝罐直径）r/R=0.19（r——小半径）ha/D=0.20（ha＝D/5）

封头（底盖）V1的计算对于标准椭圆形封头：

Hb——直边高度（h），参考取值一般为25～60mm封头（底盖）V1的计算对于碟形封头（3）罐的总容积计算式对于椭圆形封头：

对于碟形封头：（4）公称体积与有效容积对一个发酵罐的大小用“公称容积”（或“公称体积”）表示。所谓“公称容积”是指罐的圆柱与下封头容积之和，其值完整为整数，一般不计入上封头的容积，其中底封头容积可根据封头形状、直径及壁厚从有关化工设计手册中查得。

罐的有效容积罐的有效容积可理解为罐的实际装料容积，它等于罐的总容积V总乘以罐的装满系数（η）V有效＝V总·η（m2）η——装满系数（一般取0.65～0.75）

100m3机械搅拌发酵罐典型尺寸示例

l.电机

2.齿轮箱

3.人孔

4.消泡器

5.冷却蛇管

6.支撑座

7.放料口

8.进风管

9.空气分布器

10.搅拌叶轮

11.罐体

12.排气口

13.搅拌轴

14.无菌轴封

15.轴承

16.联轴器六、通用发酵罐设计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。通用发酵罐设计程序

（1）明确设计任务和要求（2）根据生产能力要求和操作特点，选择技术参数、发酵罐的容积、计算数量；（3）进行结构尺寸的计算；（罐体、降温、搅拌、通风等）（4）溶氧系数和搅拌功率的计算；（5）设计数据验算和调整（6）绘制装配图和主要部件图通风发酵罐复习题（四）1、图示并说明通用发酵罐主要结构几何尺寸的比例关系；2、简述几种发酵罐冷却热负荷的计算或试验测定方法原理；3、图示并推到写出发酵罐全容积计算公式；4、简述发酵罐设计的一般程序。第二节气升式发酵罐（ALR）一、基本知识1、混合原理：利用通入反应器内的空气上升时的动力来带动发酵液的运动，从而达到混合的目的。即：把具有一定压力和流速无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，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，实现混合与溶氧传质。

2、结构类型

常见的气升式反应器有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。已在生物工业大量应用的有气升内环流发酵罐、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。

鼓泡罐是最原始的通气发酵罐。

气升环流式气液双喷射气多层空气分布板的反应器升环流反应器气升环流发酵罐气升环流式反应器

气液双喷射气升环流反应器

多层空气分布板的气升环流发酵罐

3、气升环式反应器的特点（1）结构简单，便于制作、维修、操作：气升式反应器罐内不需安装结构复杂的搅拌系统，密封也容易保证。生产成本仅是机械搅拌发酵罐的30%左右。放大设计制造大型和超大型发酵反应器也已实现。（2）反应溶液分布均匀：气升式发酵罐依靠空气流动带动发酵液循环流动，既能使发酵液（培养液）充分均匀又能使气体充分分散。气升环式反应器的特点（3）动力消耗低，较高的溶氧速率和溶氧效率；（4）机械剪切力小，对生物细胞损伤小；（5）传热良好：气升式反应器因液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热器，以保证除去发酵热以控制适宜的发酵温度。1.人孔；2.视镜；3.空气管；4.上升管；5.冷却器；6.单向阀门；7.空气喷嘴；8.带升管；9.罐体气升及外循环发酵罐德国Hoechst公司气升环流发酵罐培养石蜡酵母具有外循环冷却的气升环流式发酵罐

1.发酵罐2.通气管3.发酵液进口4.空气分布器5.空气进口6.循环泵7.发酵液出口8.热交换器9、11.喷嘴10.发酵液出料口12.排气管

对生物细胞损伤小适合于动植物细胞培养；适合于固形物含量低、黏度小、需氧量低的微生物培养和发酵过程。不适合固形物含量高、黏度大、需氧量高的微生物培养和发酵过程。目前世界上最大型的通气发酵罐就是气升环流式的，体积高达3000m3。4、适用范围1000m3气升式发酵罐二．气升环流式发酵罐的主要结构及操作参数

影响气升环流式发酵罐特性的主要结构及操作参数包含：

高径比、导流筒高度与反应器高度之比

导流筒直径与反应器直径比、导流筒顶部和底部与罐顶和罐底的距离通气速率、循环时间、平均循环雷诺准数、平均循环速度等。内环流气升式反应器结构示意图

1.罐体2.罐底盖3.顶盖4.导流筒5.喷嘴（1）主要结构参数a．反应器高径比H/D的适宜范围是5～9。b．导流筒径与罐径比DE／D的适宜范围是0.6～0.8。c．空气喷嘴直径与反应器直径比Di／D以及导流筒上下端面到罐顶及罐底的距离。（2）气升环流反应器的操作特性

a．平均循环时间tm：式中VL——发酵罐内培养液量，m3；

VG——发酵液循环流量，m3／s；

DE——导流管（上升管）直径，m；

vm——导流管中液体平均流速，m／s。

b．液气比R理论和实践表明，通气量对气升式发酵罐的混合与溶氧起决定性作用，而通气的压强即空气在空气分布管出口前后的压强差Δp对发酵液的流动与溶氧也有相当的影响。所谓液气比就是发酵液的环流量Vc与通风量VG之比，即R=VC/VG。（气液比？）根据实验研究和生产实践表明，导流管中平均环流速度vm可取

1.2～1.8m/s。若采用多段导流管或内设筛板，则vm可降低。C．气升式反应器的溶氧传质气升式反应器的气液传质速率主要取决于发酵液的湍动及气泡的剪切细碎状态，而气液两相流动与混合主要受反应器输入能量的影响。反应溶液的气含率与空截面气速Vs的关系：式中，K和n为经验常数，通过实验确定。在鼓泡式发酵罐中，低通气速率时，n=0.7～1.2，而在高通气速率时，n=0.4～0.7。

气升式反应器的溶氧传质体积溶氧系数是空截面气速的函数：

式中，对水和电解质液，m=0.8，而常数b则是空气分布器形式和溶液性质的函数，由实验确定。典型的气升环流发酵罐ICI压力循环式发酵罐英国伯明翰ICI公司的压力循环发酵罐是国际上最出色的代表，公称体积达3000m3，液柱高达55m，故通气压力高，发酵液量2100m3。

ICI压力循环气升发酵罐

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。BIOHOCH多气升管废水处理生化反应器

BIOHOCH多气升管废水处理生化反应器其特点是一个反应器内设多个气升环流管，有效体积高达8000～20000m3；具有节能、操作稳定、出水的BOD和COD低、无噪音因而对环境无污染及占地面积小等优点，是值得推广应用的废水处理反应器。

第三节自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。自20世纪60年代开始欧洲和美国展开研究开发，然后在国际和国内的酵母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵及维生素生产等获得应用。与通用发酵罐的主要区别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。一、自吸式发酵罐的特点1、优点：（1）不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资30%以上，减少厂房面积。（2）溶氧速率高，溶氧效率高、能耗较低，尤其是溢流自吸式发酵罐的溶氧比能耗可降至0.5kw·h／（kgO2）以下。（3）用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高、经济效益高的优点。自吸式发酵罐的特点2、缺点：①装料系数低，约40%左右。②进罐空气处于负压，增加了染菌机会，不适于无菌要求较高的发酵过程。③搅拌转速高，对于长菌丝的微生物的菌丝，搅拌的剪切力会产生不利影响（机械搅拌自吸式）。④吸程一般不高，需要采用低阻力高效率空气除菌装置。3、改进

为克服上述缺点，可采用自吸气与鼓风相合的鼓风自吸式发酵系统，即在过滤器前加装一台鼓风机，适当维持无菌空气的正压。二、机械搅拌自吸式发酵罐1、机械自吸式发酵罐吸气原理自吸混合结构主要构件是自吸搅拌器及导轮（简称为转子及定子）。当转子转动时，其框内液体被甩出而形成局部真空而吸入空气。转子的形式有多种，如九叶轮、六叶轮、四叶轮、三叶轮等，叶轮均为空心形。

液体将转子浸没，由于转子高速旋转，液体、空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量。当流体被甩向外象时，在转子中心处形成负压，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、翻腾、扩散，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。自吸式发酵罐转子结构2、结构（1）一般结构：关于发酵罐的高径比：为保证较高的吸风量，发酵罐的高径比H/D不宜取大，且罐容增大时，H/D应适当减少，以保证搅拌吸气转子与液面的距离为2～3m。对于粘度较高的发酵液，为了保证吸风量，应适当降低罐的高度。（2）转子与定子的确定

三棱叶转子的特点是转子直径较大，在较低转速时可获得较大的吸气量，当罐压在一定范围内变化时，其吸气量也比较稳定，吸程（即液面与吸气转子距离）也较大，但所需的搅拌功率也较高。吸风管的空气流速达到12～15m/s

三棱叶自吸式叶轮结构三棱叶叶轮直径D一般等于发酵罐直径的0.35倍。四弯叶自吸式叶轮结构

四弯叶转子的特点是剪切作用较小，阻力小，消耗功率较小，直径小而转速高，吸气量较大，溶氧系数高。叶轮外径和罐径比为1/8～1/15，叶轮厚度为叶轮直径的1/4～1/5。四弯叶转子及定子转子定子自吸式叶轮结构

有定子的叶轮比无定子的叶轮流量和压头均增大。

D/L=5，D/r=2.5，定子厚度B=（1/4~1/5）D，定子直径D’=2D，定子与转子间距l～2.5mm。3.消泡装置

旋风消泡器（离心消泡）半封闭涡轮消泡器半封闭涡轮消泡器

刮板式消泡器

4、机械自吸式发酵罐吸气量计算根据实验研究，自吸式发酵罐的吸气量可用准数法进行计算和比拟放大设计。（1）三棱叶转子当满足单位体积功率消耗相等的前提下，三棱叶自吸式搅拌器的吸气量可由下式确定：

f（Na，Fr）=0Na——吸气准数，且Na=Vg/nd3；

Fr——弗鲁特准数，Fr=n3d/g；

d——叶轮直径，m；

n——叶轮转速，1/s；

Vg——吸气量，m3/s；

g——重力加速度常数，9.81m/s2。吸气准数Na与弗鲁特准数Fr的关系

三棱叶转子当重力准数Fr达到一定值时，吸气准数Q趋于常数，Q为0.0628~0.0634。吸气量q＝Qnd3

式中q——吸气量，m3/min；

n——转子转速，r/min；

d——叶轮直径，cm。

当物料相对密度不同，泡沫不同时，应该对式进行修正，吸气量的修正系数约为0.5~0.8。（2）四弯叶转子吸气量q＝12.65CLBDpn×10-6

D——叶轮外径，cm；

B——叶轮的厚度，cm；

L——叶轮的开口长度，cm；

n——转子转速，r/min

Dp——D—L，cm；

C——流速比，C＝K/（K＋1）；

K——充气系数。三、喷射自吸式发酵罐

喷射自吸式发酵罐是应用文氏管喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合通气的，既不用空压机，又不用机械搅拌吸气转子。1、文氏管自吸式发酵罐

文氏管自吸式发酵罐原理：用泵使发酵液通过文氏管吸气装置，由于液体在文氏管的收缩段中流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现溶氧传质。经验表明，当收缩段液体流动雷诺数Re＞6×104时，吸气量及溶氧速率较高。

文氏吸气管结构

2．液体喷射自吸式发酵罐1.进风管2.吸气室3.进风管4.喷嘴5.收缩段6.导流尾管7.扩散段Dt/Dn=1.7～2.0；Lt/Dt=3～4；De/Dt=1.3～1.7；喷射压力Pn=3×10～6×104Pa（表压）液体喷射自吸式发酵罐在此尺寸范围内，喷射自吸式发酵罐的体积溶氧传质系数的数学表达式为：（1/h）式中D和De——发酵罐和导流尾管内径，m；

PL——液体喷射功率，kw；

VL——发酵罐溶液体积，m3；

vs——空截面气速，m/s。

喷射自吸式反应器的流态

四、溢流喷射自吸式发酵罐

溢流喷射自吸式发酵罐的通气是依靠溢流喷射器。其吸气原理是液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气作用。要使液体处于抛射非淹没溢流状态，溢流尾管略高于液面，尾管高1～2m时，吸气速率较大。

Vobu－JZ单层溢流喷射自吸式发酵罐1冷却水分配槽2罐体3排水槽

4.放料口5.循环泵

6.冷却夹套7.循环管8.溢流喷射器9.进风口

Vobu－JZ双层溢流喷射自吸罐1.进风管

2.喷射器

3.冷却水分配器

4.上层罐体5.下层罐体6.循环泵7冷却水进口8循环管9冷却夹套10.气体循环11.排气口

复习题（五）1、平均循环时间，液气比2、图示并简述一典型气升环流式生物反应器的工作原理3、简述自吸式生物反应器的类型和传质传热原理4、比较机械搅拌通风发酵罐、气升环流式发酵罐、自吸式发酵罐的混合结构原理、优缺点

讨论题：

比较机械搅拌通风发酵罐、气升环流式发酵罐、自吸式发酵罐的混合结构原理、优缺点、适用范围第四节通风固相发酵设备

——固态反应器一、概述：固态发酵、固态反应器二、固态发酵反应器的类型三、固态发酵技术广阔的应用与发展前景一、概述：固态发酵、固态反应器1、固态发酵广义上讲，可以指一切使用不溶性固体基质来培养微生物的工艺过程，既包括将固体悬浮在液体中的深层发酵，也包括在没有（或几乎没有）游离水的湿固体材料上培养微生物的工艺过程。

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。2、固态反应器的历史和现状历史：古老

几千年前，中国就利用这项技术酿酒和制造各种调味品，通风固相发酵工艺是传统的发酵生产工艺，广泛应用于酱油与酿酒生产，发展现代的固态发酵不仅用于改善食品的风味，更主要的是用于酶制剂、单细胞蛋白、有机酸、酒精、生物杀虫剂等的生产。

2、固态发酵的特点①培养基处理简单

使用的原料不必经过复杂的加工，发酵过程中糖化与发酵同步进行，简化了操作程序、节约了能量；②生长环境更近自然，水平和产物具有更大优势

可使微生物保持自然环境中的生长存在状态，模拟自然中的生长环境，是许多丝状真菌适宜采用固体发酵的原因之一；固态发酵的特点③适用于特殊微生物代谢和产物积累

对于纤维素酶、果胶酶、白僵菌、绿僵菌、苏云金芽孢杆菌、真菌毒素、脱落酸等，固态发酵的产率比液体深层发酵高得多；乃至像白僵菌、绿僵菌等的分生孢子，不能在液体中繁殖，只能用固态发酵方法生产。固态发酵的特点（4）发酵供氧费用低：在需要大量供氧的发酵过程中，压缩空气通过固体层的阻力较小，因而能量消耗也较小。⑤发酵产物复杂、风味独特：由于存在明显的气、液、固三相界面，可以得到液体发酵难于得到的产物，如传统固态发酵酿酒工艺可以具有独特的风味；（6）发酵后处理简单，有机废水少：许多产品可直接烘干而无须提取，产品易于储藏，运输，稳定性好；新型固态发酵是生化工程研究的方向

现代发酵工业的发展方向是高浓度、高黏度发酵过程，而高浓的、高黏度的极限就是固态发酵基质。发酵过程中氧的浓度梯度很大，在高需氧量时可能成为制约发酵效率的一个重要因素。影响固态发酵技术关键是固态发酵反应器。3、对固体反应器的要求（1）良好的搅拌、通气、无菌操作；（2）良好的传热：散热、冷却，包括气-固、气-液、液-固等形式传质传热；（3）保温保湿：（4）参数检测：温度、ρH、供氧等检测；（5）物料输送：有效输送固态发酵的大规模工业化应用需解决问题①缺少固态发酵反应器的设计和放大统一准则②对固态发酵菌种的高产基因及生理上的资料知之甚少；③缺少完善的数学模型；④元完善的自动控制和检测手段；⑤许多生物过程的细节资料太少。多数固态发酵控制手段通常采用提供宏观最佳的温度、含水量、通气量及适宜pH值来实现发酵控制，反应器的设计也基本上只考虑这几个方面的调控，因而都有一定的局限性。二、固态发酵反应器的类型固体床反应器流化床反应器转鼓式反应器挂盘式反应器搅拌反应器按照固体培养方式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。

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。无菌压缩空气相对湿度一般为92％，空气风压常为200mmHg。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。3．厚层式固体静态发酵罐自然通风制曲基本组成：床帘、曲房、通风易于保温、散热、排除湿气以及清洁消毒等；曲室四周墙高3～4m，不开窗或开有少量的细窗口，四壁均用夹墙结构，中间填充保温材料；房顶向两边倾斜，使冷凝的汽水沿顶向两边下流，避免滴落在曲上；为方便散热和排湿气，房顶开有天窗。固体曲房的大小以一批曲料用一个曲房为准。曲房内设曲架，以木材或钢材制成，每层曲盘应占0.15～0.25m，最下面一层高地面约0.5m，曲架总高度取2m左右，以方便人工搬取或安放曲盘。机械通风固体曲发酵设备

l.输送带2.高位料斗3.送料小车4.曲料室5.进出料机6.料斗7.输送带8.鼓风机9.空调室10.循环风道11.曲室闸门机械通风固体曲室（山崎铁工制造）

双层旋转式制曲设备（永田酿造机械制造）

优点：

机械通风固体曲发酵设备使用了机械通风即鼓风机，因而强化了发酵系统的通风，使曲层厚度大大增加。不仅使制曲生产效率大大提高，而且便于控制曲层发酵温度，提高了曲的质量。1、立式多层发酵罐

（1）工作原理及结构特点多层物