第五章好氧发酵设备

第五章好氧发酵设备

高效反应器的特点是设备简单、不易染菌，体积小，电耗小，单位时间、单位体积的生产能力大，代谢热易于移除，操作方便、安全。对于好氧发酵来说，生物反应器还以溶氧系数的高低及传递1kg氧所耗的功率大小作为衡量罐优良的基本指标。第一节通风发酵罐类型好氧发酵将空气或纯氧不断通入发酵液中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气液接触面积越大，氧的溶解速率也越快，氧的利用率也越高，产品的产率也越大。通风发酵罐有：气升式、机械搅拌式、自吸式，射流搅拌式等。一、气升式发酵罐

1、特点：结构简单、不易污染、传氧效率高，能耗低、剪切力低、安装维修方便。

2、工作原理：空气由下部的喷嘴或喷孔喷入，使发酵液和空气充分接触。由于下部含气率高的培养基比重小，上部含气率低的培养基比重大，比重不同产生的压力差以及压缩空气的动能，推动培养基在罐内沿循环管或导流筒循环。可分为：外循环和内循环。3、循环周期时间的确定发酵液在上升管中溶解氧较高，进入下降管后溶解氧会降低，为了保证微生物的正常的代谢，需确定循环周期时间。

τ==(min)

V1、V醪液——发酵醪液量、醪液循环量

ω——醪液在循环管中的线速度

d——循环管的内径(m)

V1V醪液V10.785d2ω·604、喷嘴直径的确定根据实验得出的数据：

当Re空气＞Re醪液+250时，气泡分裂细碎较好。

Re=V/d1·ν5、反应器高径比

H/D=5-9时，有利于混合与溶氧。

6、导流筒径与罐径比DE/D：

适宜的DE/D=0.6-0.87、导流筒或循环管内平均环流速度：平均环流速度vm可取1.2-1.8m/s，这有利于混合及气液传质。8、其他影响因素液面到喷嘴缩孔垂直高度H0

及到循环管、导流筒出口高度h。（一）带升式发酵罐特点：冷却面积小，无需搅拌设备，装料系数达80-90%。

1、结构：罐外设上升管，与罐底部和上部相连接，构成循环系统，上升管下部装设空气喷嘴，空气以250-300m/s的高速度喷入上升管，因空气的动能以及比重不同引起的压力差产生反复循环。

（二）气升及外循环发酵罐空气经气体分布器喷入使气液混合液上升，经回流管返回罐底部，下部的发酵液经泵、热交换器、喷淋器对罐顶泡沫进行消泡。（三）气升环流发酵罐在气升罐内设置空心圆筒，圆筒下部接着空气分布器，气液混合液经圆筒内上升，从上部出来后，向下运动，再由圆筒下部同空气一起进入圆筒。气升环流发酵罐有高位、低位和压力发酵罐几种。有一个圆筒和多个圆筒以及套筒几种形式。二、机械搅拌发酵罐机械搅拌发酵罐是工厂生产中应用最多的一类发酵罐，它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢过程所需的氧。因此，该类罐的空气分布器和机械搅拌系统包括：搅拌桨叶、搅拌轴、搅拌电机、减速机、轴密封、联轴器等的设计是最为关键的地方。三、自吸式发酵罐它是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。优点：

1、省去了空压机及辅助设备；

2、便于自动化、连续化，劳动强度降低；

3、气泡小、溶氧系数高、能耗较低；缺点：罐压较低，易污染杂菌，装料系数不高。

根据空气进入罐内的方式不同可分为：转子回转式、喷射式、溢流式三种。（1）转子回转式：工作原理：主要构件为自吸搅拌器和导轮，简称为转子和定子。转子由轴带动，定子可有可无。在转子启动前，用液体浸没转子。启动后，由于转子的高速旋转，液体受离心力的作用抛向叶轮外缘，在转子中心形成负压，罐外的空气因转子中心的负压而吸入，由导向叶轮均匀分布。转子转速越大，产生的负压也越大。转子回转式发酵罐空气由自吸搅拌器的空心轴进入罐内，空气利用率为24-28%，供给1kg氧的耗电为0.4-0.5kw.h。为了提高吸气量，降低转子的功率消耗，一般采用矮罐较好，或提高转子的安装高度。转子有三直叶型和四弯叶型：三直叶型：吸气量大，压头高，但阻力大，功率消耗大。四弯叶型：多为后弯，阻力小，功耗小，剪切作用小，吸气量也可以很大。（2）喷射自吸式发酵罐工作原理：用泵将发酵液泵如文丘里管或喷射泵，由于液体在文丘里管或喷射泵的收缩段流速增加，形成真空，将罐外的空气吸入，并使空气分散，与液体均匀混合，提高发酵液的溶解氧。当收缩段液体的雷诺准数在6×104以上时，吸气量较好。

（三）溢流喷射自吸式发酵罐工作原理：液体在溢流时形成抛物流，由于液体表面层作用，使靠近液体表面层的气体边界层具有一定的速度，从而形成气体的流动和自吸作用。当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，吸气量较大。

四、射流搅拌罐和喷射环流搅拌罐利用静态混合器来代替动态混合器—搅拌系统中最下部的一档搅拌，在满足同等混合效果、溶氧量及发酵产率的条件下，可节省能耗达30%。工作原理：在通风发酵罐的底部装置若干气体射流混合器。空气(表压0.2MPa)以高速从喷咀喷出，在混合器中与在负压和卷吸作用下吸入的液体混合后，以自由射流方式射入罐中液层，上升气泡再遇搅拌器，被再次分散后进入发酵罐上部空间后放空。第二节机械搅拌发酵罐

虽然，发酵罐的种类很多，但是由于其他类型发酵罐应用的产品范围较窄，其流行程度远不如机械搅拌发酵罐，约92%的发酵工厂在使用机械搅拌发酵罐。本节主要以机械搅拌发酵罐为研究对象，对它的几何尺寸，安全生产、温度控制、搅拌系统、比拟放大等问题进行探讨。（一）几何尺寸

1、高径比：对于好氧发酵来说，罐高有利于提高氧的利用率，但罐高需要提高压缩空气的压力，能耗增加，同时顶料和底料混合不均，厂房较高，投资较大。一般H/D=2.5较好，现在发展趋势是H/D越来越小，已达1.8左右。

2、搅拌器直径和档数：通用罐D/D1=3，只能适合罐容积不太大的场合；当罐较大时，D/D1=3-4。

3、封头：采用椭圆形或碟形封头，当V＜5m3时，封头与罐体间采用法兰连接；当V＞5m3时，封头与罐体间采用焊接；

4、挡板：挡板的作用是防止液面中央产生旋涡，促使液体激烈翻动，提高溶解氧。挡板宽度为（0.1-0.12）D。当满足全挡板条件时，增加罐内附件，轴功率不变。

WZ/D=0.5即：(0.1-0.12)Z=0.55、管口位置：人孔：为了便于操作和维修，封头上的人孔离操作层高度在0.7m左右，大小为500×450。封头上其它管口，在满足工艺的同时应方便操作。检测点：在下搅拌与第二档搅拌之间。空气管：可开在封头上，也可开在罐身上。取样口：开在罐身上。

冷却水管口：夹套冷却，冷却水进口在罐底，出口在罐身上部；冷却管冷却，进出口多在上部。物料出口：开在罐底，稍微偏离罐底中心，也可开在罐身或罐顶，由一根管插入接近罐底最底处。补料管：消泡、流加糖从罐顶加入；补氨水、液氨从空气管道加入。消泡电极接口在罐顶封头上。

6、罐装料容积的计算公称容积：罐身部分和底封头的容积之和（与贮罐相区别）。

V=V1+V2=π

·D2(H0+ha+D/6)/4

（ha可忽略不计）

罐实际装料量：V0=V·η(η=0.6-0.85)

圆筒部分装料高度：

HL=4（V·η–V封）/πD2

液柱高度：H=HL+ha+hb

7、空气分布装置(1)单孔管：布置于罐底，结构简单，开口向下式可消除罐底固形物积淀，但对封头冲蚀严重；开口向上式对罐底物料混合不好；(2)多孔环管：在环形管底部钻有许多小孔，气体分布比较均匀，但易使物料堵塞小孔，引起灭菌不彻底；(3)环形多支管：在环形管底部设置4-6根“L”型支管，开口均朝发酵罐中心线，结构简单．但对罐底沉积物的清除往往不彻底；(二)换热装置（1）换热方式：

1、夹套换热：应用于V＜20m3，结构简单，死角少，但壁厚，降温效果差。加导流板可增大传热系数。

2、罐内竖式蛇管换热：传热系数高，但弯曲部位易蚀穿。

3、罐内竖式列管换热：适用于水源充足的地方，传热系数低于蛇管，用水量大。

4、罐外半圆管为主，罐内竖式蛇管补偿或板式换热器补偿。可增大罐内有效容积，减少死角，此为将来发展趋势。除以上换热方式外，还可采用安装在罐外的板式或螺旋板式换热器进行换热。（2）发酵过程热量计算通常以一年中最热的半个月中每小时放出的热量作为设计冷却面积的根据。

1、通过冷却水带走的热量进行计算测定冷却水的流量及进出口的温度，按公式计算：

Q最大=4.186WC(t2-t1)/V2、通过发酵液温度升高进行计算在最热季节，选择产热量最大最快的时刻，先控制温度恒定，关闭冷却水，测定发酵液在半小时内升高的温度，由公式计算：

Q最大=2×4.186(GCt+G1C1t)/V3、通过生物合成热进行计算：

Q总=Q发+Q搅－Q汽

Q发=Q呼+Q代

Q呼=15659W呼（KJ/h）

Q代=4857W代（KJ/h）

Q搅=4.186×860P（KJ/h）

Q汽=4.186G(I出－I进)（KJ/h）

W—单位时间耗糖量（kg/h）

P—搅拌功率（KW）

I—空气的热焓（KJ/kg）(4)通过燃烧热进行计算：

Q总=∑Q作用物燃烧－∑Q产物燃烧（三）安全生产（1）壁厚的设计：采用夹套的发酵罐，按外压容器进行壁厚计算：

S=D（）0.4+C（mm）

罐内冷却的发酵罐，按内压容器进行壁厚计算：

S=+C(mm)PD230[σ]φ－P

mPL2.6ED

封头壁厚：

S=+C（mm）（2）死角和泄漏的消除

1、罐体及封头内壁加工应光滑，焊接时采用双面焊，内外焊缝应打磨光滑；

2、流加、接种及取样管道应能单独灭菌；

3、排污管和排气管应独立排空；

4、应尽量减少罐内的附件，减少死角；

5、管口连接尽量采用焊接或法兰连接；PDY200[σ]φ

6、与罐直接相连的阀门采用抗生素截止阀，在阀门上安装排汽考克，保证阀门能彻底灭菌，或隔膜阀；

7、发酵过程保持正压，防止微生物渗入；

8、冷却水管采用不锈钢，防止腐蚀穿孔；

9、搅拌系统轴密封采用机械密封为好；

（3）消泡装置泡沫形成的因素有：通气和搅拌、培养基成分、菌体自溶泡沫的危害：

1、减少发酵罐有效容积25-30%；

2、造成大量发酵液逃溢；

3、渗漏后易造成染菌；

4、影响通气和搅拌的效果；

5、妨碍微生物的呼吸，使代谢不正常，导致菌体自溶；

常用消泡方法有化学消泡和机械消泡：化学消泡：流加泡敌消除泡沫。机械消泡：利用机械消泡装置来打碎、分离泡沫，常用的装置有：耙式消泡器、离心式消泡器、刮板式消泡器、射流消泡器、碟片式消泡器等。消泡装置给罐内带来了死角，同时还消耗能量，不如化学消泡效果好，若消泡剂对后处理影响较小，可单用化学消泡。（四）搅拌系统搅拌系统由轴、搅拌桨、联轴器、轴密封、减速机、电机、轴承等组成。

1、搅拌桨：发酵工程中常用的是涡轮搅拌桨，属径向搅拌器，分平叶、弯叶、箭叶，叶片数为3-8，常用的是六叶。径向混合：平叶＞弯叶＞箭叶轴向混合：平叶＜弯叶＜箭叶功率消耗：平叶＞弯叶＞箭叶

由于涡轮搅拌桨功率消耗较大，同时剪切作用对微生物的损伤也大，现在对轴向流搅拌桨的研究正在展开，如：螺旋桨搅拌桨和翼型搅拌桨。由于轴向流搅拌桨的混合效果差于径向流搅拌桨，容易在罐内造成死区，气泡分散也不好，单纯使用轴向流搅拌桨的情况不多。研究人员发现对气泡分散效果最好的是最下档的搅拌桨。因此，在罐内最下档采用涡轮搅拌桨，以上各档都采用轴向流搅拌桨的形式最好。

2、轴：一般为实心轴，为了降低重量和功率输出也可采用空心轴，轴的长度一般在3-4m为一段，通过联轴器将各段轴进行联接。

3、轴承：老式发酵罐一般采用中间轴承和底轴承，作用是防止轴剧烈摆动及承重；中间轴承采用的是三拉杆式；底轴承采用三足式。由于罐内的轴承死角太多，轴的磨损较大，功率消耗也打，现为稳定环所代替。

稳定环安装在搅拌桨的下端，当它在液体中随轴转动时，液体会对它的摆动产生阻尼作用，使得最终摆动停止。发酵罐采用稳定环后，死角减少，可降低功率输出10-15%，各种维修费用及人力的消耗都降低。

4、联轴器：用于将各段轴进行联接，一般在罐内使用刚性联轴器，罐外使用三分式联轴器。

5、轴密封：过去使用的是填料函密封，缺点是：死角多、易泄漏、消耗功率大、轴磨损大。现在多为单端面机械密封，作用原理是利用弹簧的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。其优点较多，但也有缺点：结构复杂、对动静环的表面光滑度和平直度要求高，一般3-4个月更换一次。

6、减速机：老式罐上采用三角皮带减速机，但体积及重量都太大，效率低。现改为立式摆线针轮减速机和行星齿轮减速机。

7、电机：采用4级（1440rpm）或6级(960rpm)交流电机，用变频器进行调速，减少发酵过程中的功率消耗。目前，大部分工厂使用的是双级电机，即有两档搅拌转速，在发酵的不同阶段采用不同的档数。

8、轴功率的计算：