第五章 通风发酵设备

第五章通风发酵设备

利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生物过程中，具有中心的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料被升值。在生物反应过程中,若采用活细胞(微生物,动植物细胞)为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。采用游离或固定化酶，称为酶反应过程。

生物反应器的分类

(1) 按照生物催化剂不同,分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，连续式生物反应器和半间歇式生物反应器。

(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。

(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，利用气体喷射动能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,分全混流型和活塞型生物反应器。

第一节机械搅拌通风发酵罐

细胞生物反应器搅拌方式有内部机械搅拌型，外部液体搅拌型，气升式发酵罐等三种。工业规模的微生物细胞反应器多为搅拌型发酵。

一、机械搅拌通风发酵罐的结构

机械搅拌发酵是目前使用最多的一种发酵罐，使用性好、适应性好、放大容易，从小型直至大型的微生物培养过程都可以应用。缺点：罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。

１.通用型发酵的几何尺寸比例

Ｈ/Ｄ＝２.5-4

公称体积：罐的圆柱体积和底封头体积的和。

椭圆

２.罐体

要求罐体设计的使用压力达到０.3ＭＰa以上。小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于清洗和配料。３.搅拌器和挡板

搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动，其作用为混合和传质，它使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液界面，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。

除螺旋桨搅拌器外大多采用涡轮搅拌器，螺旋桨搅拌器顺时针和逆时针旋转分别将液体向下和向上推进，形成轴向的螺旋运动。其混合效果较好，但造成的剪率较低，对气泡的分散效果不好。常用以提高液体循环速度。螺距一般等于搅拌器直径。

涡轮式搅拌器的叶片有平叶片、弯叶片、箭叶式三种。平叶式功率消耗较大适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿型流体等；弯叶式较小，箭叶式又次之。涡轮式搅拌器轴向混合较差，搅拌强度随搅拌轴距离增大而减弱。

此外还有其他新型搅拌器：Scaba 搅拌器其叶片的特殊形状消除了叶片后面的气穴，从而使通气功率下降较小，因此可将电机的设计功率几乎全部用于气-液分散及传质。Prochem 轴向流搅拌器，其通气功率下降较小。Lightnin 公司的A315轴向流桨，比较适合高粘度非牛顿物系。Intermig 搅拌器有较低功率准数，通气功率值较小，在黄原胶发酵中有较好的混合性能，但存在不稳定性问题。

挡板：防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍流和溶氧传质。通常设4-6块挡板，其宽度为0.1-0.12D ，达到全挡板条件。全挡板条件是达到消除液面旋涡的最低条件(在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失)。此条件与挡板数Z ，与挡板宽度W 与罐径D 之比有关。

5.0=??? ??Z D W （6-1）

式中 W ——挡板宽度，mm ；

D ——罐内径，mm ；

Z ——挡板数，mm 。

由于发酵罐中除了挡板外，还有冷却器，通气管，排料管等装置也起一定的挡板作用。当设置的换热装置为列管或排管时，并且在足够多的情况下，发酵罐内不另设挡板。挡板的高度自罐底起至设计的液面高度止。挡板与罐壁间距离：挡板宽度的(1/5～1/8)，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。 ４.消泡器

（1）罐内机械消泡 耙式消泡桨

（2）旋转圆板式消泡装置 设在发酵罐内的气相中，与发酵液的液面保持平行。圆板旋转的同时将槽内发酵液注入圆板的中央，通过离心力将破碎成微小泡沫散向槽壁，达到消泡的目的。

（3）液体吹入式机械消泡把空气及空气与发酵液吹入发酵罐中形成的泡沫层来进行消泡

（4）气体吹入管内吸引消泡将发酵内形成气泡群吸引到气体吸入管，利用气体流速进行消泡。该装置中在靠近吸入口附近的气体吸入管内形成增速用的喷头，而吸入管用来连接液面上部与增速喷头的负压部位。

（5）冲击反射板机械消泡把气体吹入液面上部，通过在液面上部设置的冲击反射，吹回到液面，而将液面上产生的泡沫击碎的方法。

（6）超声波消泡将空气在１.5－３.0ＭＰa下，以１－２m/s的速度由喷嘴喷入共振室而起消泡的作用。该法目前仅适用小型发酵过程的消泡，而不适合大规模工业发酵。（7）碟片式消泡器的机械消泡使用时将消泡器安装于发酵的罐顶，使碟片位于罐顶的空间内，用固定法与排气口相连接，当高速旋转时进入碟片间的空气中的气泡被打碎同时甩出液滴，返回发酵罐中，而被分离后的气体由空心轴径排气口排出。

（8）罐外机械消泡旋转叶片罐外机械消泡将泡沫引出罐外，利用装置中的旋转叶片所产生的冲击力和剪切力进行消泡。

（9）喷雾消泡利用冲击力、压缩力及剪断力来进行消泡的方法，它将水及发酵液等通过适当的喷雾器喷出来达到消泡的目的。

（10）离心力消泡将泡沫注入用网眼及筛目较大的筛子做成的筐中，通过旋转产生的离心力将泡沫分散，从而达到消泡的目的。

（11）旋风分离器消泡发酵罐内产生的泡沫通过旋风分离器上部进入脱泡器下方引入气体逆向接触使其破碎。泡沫通过旋风分离器等破碎后，再将带微小泡沫液体导入装有充填物的脱泡器中，以增大液体表面积，然后从脱泡器下方吹入气体，使其与流下液体逆向接触进行彻底的脱泡。

（12）转向板消泡泡沫以30-90m/s速度由喷头喷向转向板使泡沫破碎，分离液用泵送回发酵，而气体则排出消泡器。

5.联轴器及轴承

用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固的刚性联接。

形式：鼓形及夹壳形两种。目的是为了减少震动，中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承。

搅拌轴较长时，常分为二至三段，用联轴器连接。

6.变速装置

试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置。

7.空气分布装置

空气分布装置的作用：吹入无菌空气，使空气分布均匀。

有单管、环形管及采用气、液流射混合搅拌装置。单管式喷孔的总截面积等于空气分布管截面积，环形管环径为搅拌器直径的0.8倍。

气、液流射混合搅拌装置由环形布气管和多个切向布置的气、液射流器组成。该装置使气、液两相混合物产生与机械搅拌器旋转方向一致的径向全循环的喷射旋流运动，其气泡直径随着通气量的增大或喷嘴推动力的增加而减小，乳化程度加剧，气、液两相接触面积增加，容量传质系数提高。

8.轴封

定义：运动部件与静止部件之间的密封叫作轴封。如搅拌轴与罐盖或罐底之间。

作用：防止泄漏和染菌。

形式：填料函和端面轴封两种。填料函式轴封是由填料箱体、填料底衬套、填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。目前多用端面式轴封，其作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管）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。

端面轴封优点：清洁，密封可靠，使用时间长；无死角；摩擦功率耗损小；轴或套不受磨损；对轴的震动敏感性小。

测量系统：传感器系统，用以测量pH、溶氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。

附属系统：包括视镜、挡板等以观察发酵液的情况或强化发酵液体的混合。

第二节气升式发酵罐

在环流管底置有空气喷嘴，空气在喷嘴口以２５０－３００m/s的高速喷入环流管，由于喷射作用，气泡被分散于液体中，借助与环流管内气－液混合物的密度与反应主体之间的密度差，使管内气－液混合物连续循环流动。罐内培养液中的溶解氧由于菌体的代谢而逐渐减小，当其通过环流管时，由于气－液接触而达到饱和。

类型：气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。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。

一、气升式反应器的特点

1 反应溶液分布均匀气液固三相均匀混合

2 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，因而有较高传质速率和溶氧效率。

3 剪切力小，对生物细胞损伤小。无机械搅拌叶轮

4 传热良好。液体循环速率高，便于在循环管路加装换热器。

5 结构简单，易于加工制造。

6 操作和维修方便。

二、气升环流式发酵罐的主要结构及操作参数

（一）主要结构参数

1 反应器高径比：5－9

2 导流筒径与罐径比：0.6-0.8

3 空气喷嘴直径与反应器直径比及导流筒上下端面到罐顶

及罐底的距离均对发酵液的混合与流动、溶氧等有影响。（二）气升环流反应器的操作特性

1 平均循环时间t m

2 气液比R:发酵液的环流量Vc与通风量Vg之比，即

R=Vc/Vg，通气量对气升式发酵罐的混合与溶氧起决定作用。

3 气升式反应器的溶氧传质:取决于发酵液的湍流及气泡的

剪切细碎状态。

第三节自吸式发酵罐

不需空气压缩机提供压缩空气，而是利用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。

一、自吸式发酵罐的特点

1 无需空气压缩机及其附属设备；

2 溶氧速率高，能耗较低；

3 进罐空气处于负压，增加了染菌机会，且搅拌转速高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。

二、机械搅拌自吸式发酵罐

（一）机械搅拌式发酵罐吸气原理

构造：吸气搅拌叶轮和导轮。它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小气泡分散在液体中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。

三、喷射自吸式发酵罐

用文式管喷射吸气装置或溢流喷射吸气装置进行混合通气。

1 文式管吸气自吸式发酵罐

原理：用泵使发酵液通过文式管吸气装置，由于液体在文式管的收缩段流速增加，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。

2 液体喷射自吸式发酵罐

第四节高位塔式生物反应器

一种高径比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，产生混合效果。适用于培养液粘度低，含固量少，需氧量较低的培养过程。Ｈ/Ｄ高达７，流体深度大，空气进入培养液后有较大的停留时间，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。

优点：结构简单，省去轴封，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。

第五节通风固相发酵罐

一、自然通风固体曲发酵设备

二、机械通风固体曲发酵设备

曲室底部比地面高，便于排水，池底应有8－10°的倾斜，使通风均匀。池底有一层筛板，发酵固体曲料置于筛板上。池底较低端与风道相连，期间设分量调节闸门。

三、压力脉动固态发酵罐

压力脉动固态发酵罐由中国科学院过程工程研究所开发，其结构原理是对密闭反应器内的气相压力施以周期脉动，并以快速泻压方式使潮湿颗粒因颗粒间气体快速膨胀而发生松动，从而达到强化气相与固相料层间均匀传质、传热过程的目的。另一方面，气相压力的周期脉动会引发多种外界环境参数对细胞膜的周期刺激作用，如氧浓度、内外渗透压差、温度波动等，这些波动会加速细胞代谢、生长、繁殖及内外物质、能量、信息的传递过程。

压力脉动固态发酵罐为密闭圆柱体φ1.7m×10m，露天平卧放置，快开门与无菌操作间相接。内部设有循环风机和

分道，冷却水换热排管，温度与湿度探头。底部有盘架进出轨，固态培养基以浅盘方式密集排放在盘加上，盘架下的钢轮在钢轨上滚动，盘架有两排，每排9节。盘架上有21层盘架。发酵盘中的固体培养基是相对静止不动，但气相是动态。在气相突然泻压时，颗粒会因间歇中的气体膨胀发生松动，并使传质、传热过程有分子扩散转为对流扩散。主要操作是用无菌空气对罐压施以周期性脉动。

第六节膜生物反应器

膜生物反应器是一种可以同时进行两种操作程序的装置。即在生物反应器内既可控制微生物的培养，同时又可排除全部或部分培养液，用指定成分的新鲜培养基来代替它，为去除培养液，把它从细胞分离出来，通常是利用各种类型的聚合物膜，建立一个培养微生物过程，这个过程中液相是不间断的，固相是周期性的。

膜生物反应器是国际上20世纪末发展起来的高新技术，它将膜分离技术和生物技术有机地结合在一起，具有传统工艺不可比拟的优点，成为近些年来的研究热点，膜生物反应器具有以下几方面的优点：

①增大反应速率。在生物学中有许多反应是产物抑制型，即随着反应的进行，产物浓度提高，反应速率下降。采用膜生物反应器可在反应过程中移去产物，使产物浓度保持恒定，反应速率因此会提高。

②提高反应转化率。膜生物反应器通常在常温和常压下进行生化反应，可使产物或副产物从反应区连续地分离出来，打破反应的平衡，从而可大大地提高反应转化率，增加产率或处理能力，过程能耗低、效率高。

③简化生产步骤。膜生物反应器使反应和分离在同一个步骤里完成，简化了生产步骤，减少劳动量，提高了劳动效率。

④截留生物催化剂，使细胞或酶在高浓度下进行。

⑤减少了能耗，节约了成本。

第七节生物反应器设计的目标和原则

生物反应器具备的条件：严密的结构；良好的液体混合性能；较高的传质、传热性能；配套而又可靠的检测和控制仪表。

判断生物反应器的唯一标准是该装置能否适合工艺要

求以取得最大的生产效率。生物反应器设计的主要目标是使产品的质量高、成本低。生物反应器设计的重要方面包括：改善生物催化剂；好的过程控制；好的无菌条件；克服速度限制因素（物质、热量、质量传递）等。

生物反应器设计应具有的一些原则：

（１）培养系统已灭菌部分与末灭菌部分间不能直接连通；（２）尽是减少法兰连接；

（３）尽可能采用全部焊接结构；

（４）防止死角、裂缝等；

（５）某些部分应能单独灭菌；

（６）易于维修；

（７）与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封；

（８）反应器应保持正压；

（９）发酵罐的功率输入：实验室小型罐为8-10W/L，中型工厂中型罐为3-5W/L，工厂大型罐为1-3W/L。

生物反应器的设计应基于：

（１）生物反应动力学，是进行生物反应器定量研究的基础；（２）流体的输送及混合，核心问题是流体之间动量的传递、机械能的转化；

（３）热量的传递，主要是考虑发酵热的传出及发酵罐温度的控制；

（４）物质的传递，主要有细胞内外物质的交换、营养物到细胞的传递、氧从气泡到细胞的传递、二氧化碳从细胞到气泡的传递。

生物反应器设计和操作的限制因素主要是传质和传热。生物反应器开发的趋势和末来的方向是多样化、大型化和高度自动化。