大型发酵罐设计及实例

万方数据
医药工程设计杂志 Ｐａ ａｅｔａＥｇ ｅｒｇ ｉ ２０ ， （ ） ｈｒ ｃｕｃｌ ｉ ｅｎ Ｄｓｎ ２２ Ｉ ｍ ｉ ｎ ｎ ｉ ｅｇ ０ ３
和液层增高、 氧气的利用率将随之增加， 容积传氧系 数 Ｋａ Ｌ 随之提高， 但其增长关系不是线性关系， 随 着罐体增高，Ｌ 的数值增长速率随之减慢， Ｋａ 而随着 罐体容积增大， 液柱增高， 进罐的空气压力随之提 高， 伴随空压机的出口 压力提高和能耗的增加， 而且 压力过大后， 特别是在罐底气泡受压后体积缩小， 气 液界面的面积可能受到影响， 过高的液柱高度， 虽增 加了溶氧的分压， 但同样增加溶解二氧化碳分压， 增 加了二氧化碳浓度， 对某些发酵品种又可能抑制其 生长， 而且罐体的高度， 同厂房高度密切相关。因而 发酵罐的 Ｈ Ｄ之 比， ／ 既有工艺 的要求 ， 也应考虑经 济和工程问题必须综合考虑后予以确定。 对于细菌发酵罐来说， 在筒体高度 Ｈ 罐直径 Ｄ ／ 宜为２一 ． ， ２５ 对于放线菌的发酵罐的 Ｈ Ｄ一般为 ／
率。
在整体流型变化的同时， 围绕着搅拌叶叶片的 流动也在变化。在气体流速低时， 气体在叶片后部 形成涡流。随着气体流量的增加， 空穴（ａｉ） ｃ ｔ 逐渐 ｖｙ 加大， 直到空穴依附到叶片后缘。气流速度更高时
就形成一系列大的空穴。
几个区， 因而在罐下部和上部之间形成氧分压梯度，
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医 Ｉ 药一 几 程设计 杂志 Ｐａ ａ ｕｃ Ｅｇ ｅ ｎ Ｄｓｎ ２２（） ｈ ｍｃ ｔａ ｎｎ ｒｇ ｉ ２０ ， １ ｒ ｅ ｉｌ ｉｅ ｉ ｅｇ ０ ３
） Ｃ ６ 径向流。 — Ｄ一 ， ２２３２ 叶轮选型 ．．． 为了在气体分散系统中， 加强速度梯度或剪切 率， 形成高湍流以减少气相和液相之间的传质阻力， 并保持整个混合物的均匀， 将径向流涡轮搅拌器与 高效轴向流搅拌叶组合起来是较佳选择。
可能越多； 其次培养液层高度越大， 空气在培养基停 留时间就有可能增加， 有益于微生物利用空气中的 氧； 但是空气中氧是通过培养基传递给微生物， 传递 速率很大程度上取决气液相的传质面积， 也就是说
倍， 高效轴流搅拌叶 直径为罐直径的０４ ０６ 倍。 ． 一．５
空气分配器位于最底部的搅拌叶之下。 气一液反应器的流动型式决定分散的均匀度，
并且影响气体的截留率（ａ ｈｌｕ）传质速率和 ｇ ｏ ｐ ｓ ｄ 、
局部溶氧浓度。 当气体流量一定时， 罐内流型取决于搅拌叶的 速度。搅拌叶转速低时， 搅拌叶的作用被上升气流 吞没， 增加搅拌速度， 气体就在整个罐内形成循环， 此时这个出现了完全分散的搅拌速度， Ｎ ｄ表 以 ｃ 示： 以后再加大搅拌叶转速， 罐内整体流型保持不 变、 增加搅拌强度也就增加了气体截留率和传质速
的 乘积， Ｐｏ ｏ“ 即：ｏＱ Ｈ 压头” 一项不但包括了流体
净排出压头， 而且还包括由于涡流损失、 内部再循环 和 磨擦等形成的内部压头损失。如果搅拌叶的直径 和 转速已定， 增加其功率准数（ 例如， 采用更多、 更 宽的叶片， 更陡的投人角等）压头的增加要大于流 ， 量的增加。 在多数发酵过程中流量往往显得更为重要。如 果为了分散气体而加大压头， 则可在罐底部用一个 径向涡轮搅拌叶来分散气体。罐内其余的搅拌叶则 采用低功率、 高流量的轴向流搅拌叶。后者增加了 向 罐底部的涡轮搅拌叶供给的流体量， 也有助于分 散作用。并可减少气泡的聚并（ｏｌｃ ｃ）改善 ｃ ｅｅ ｅ， ａｓ ｎ
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导致罐内上、 下部之间的 Ｋ ａ Ｌ 值的差异。
近来发酵罐的搅拌系统多采用在罐底部安装一
个用来分散空气的涡轮搅拌器， 其上再安装一组轴 流式搅拌器， 用来循环培养介质、 均匀分布气泡、 加 强热量传递和消除罐内上、 下部之间含氧量梯度差。 ２２３１ 搅拌叶型式 ．．． （） １带圆盘敞式涡轮搅拌叶— 高湍流， 径向
２ 米， ０ 为主， ０ 而轻工的氨基酸、 柠檬酸的发酵罐较 普 遍使用 １ 一０ 米，国际上最大标准式发酵罐 ５ ３０ ， ０
为 美国Ａ Ｍ公司赖氨酸发酵罐， Ｄ 其容积为 １ ０万加
仑， 折合公称容积为３０ 。众所周知发酵是一个 ８ 米，
无菌的通气（ 或厌氧） 的复杂生化过程， 需要无菌的 空气和培养基的纯种浸没培养， 因而发酵罐的设计， 不仅仅是单体设备的设计， 而且涉及培养基灭菌、 无 菌空气的制备、 发酵过程的控制和工艺管道配制的 系统工程。 １ 国内 发酵罐现况 改革开放后， 国内发酵罐的装备得到了显著改 善， 具体表现在：
Ｖ
搅拌叶所需功率的多少与空穴生成的过程和相 应通气的流型密切相关。空穴增大则搅拌叶功率减
刀 一空气线速度； ａＲ ， 一指数。 ２ ．． 轴向流和径向流相结合的叶轮 ． ３３ ２
对于泵或者搅拌器而言， 功率就是流量和压头
酵罐也有一定的用途； 但在发酵工业中， 仍数兼具通 气又带搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍， 标准式 发酵罐被广泛使用抗生素、 氨基酸、 柠檬酸等各个领
域。
但由于发酵罐的系统设计没有受到人们普遍重 视， 有许多抗生素生产人员往往仅重视发酵工艺和 菌种， 或限于资金和发酵厂房现状， 对发酵罐的大型 化和优化缺乏足够重视。就发酵罐而言， 目前头国
容 抗生 积： 素发酵 扩大至１ 一５ ０ １ 讨。 ０ ０ 赖 发酵已 ０ 达２ 澎。 氨酸 ０
材质： 碳钢改为不锈钢。 逐步由 传热： 由单一的罐内多组立式蛇管改为罐壁半 圆 形外盘管为主， 辅之罐内冷却管。 减速机： 由皮带减速改为齿轮减速机。 搅拌机： 由单一径向叶轮改为轴向和径向组合
流。
பைடு நூலகம்
（） ２倾斜叶片（ｉｈｄ ｄ） ｐｃｅ ｂ ｅ 涡轮（ 一 ） ｔ ｉ ａ ｐ４
４“ ５四叶片， 轴向流。 （） ３反向倾斜（ ｅ ｒｎ ｐｃ） Ｒｖ ｓｇ ｈ搅拌叶— 二个 ｅｉ ｉ ｔ
向上， 二个向下， 径向流。
（） ４ 高效轴流式搅拌叶— Ａ １， ３０轴向流。 （） ５ 混合流搅拌叶— Ａ １， ３５轴向流， 少量径向
随着生化技术的提高和生化产品的需求量不断 增加， 对发酵罐的大型化、 节能和高效提出了越来越 高的要求。目 前国际抗生素发酵罐的容积以８ ０
生素发酵装备水平向前推进。 ２ 发酵罐的设计 ２１ 发酵罐的型式 ． 发酵过程可以通过固体培养和深层浸没培养来 完成， 从生产工艺来说可分为间隙分批 、 半连续和连 续发酵等， 但是工业化大规模的发酵过程， 则以通气 纯种培养为主。 通过纯种培养的发酵罐有 自吸式发酵罐、 标准 式发酵罐、 气升式发酵罐、 喷射式叶轮发酵罐、 外循 环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。自吸式发酵罐系 通过发酵罐内叶轮的高速转动， 形成真空将空气吸 人罐内， 由于叶轮转动产生的真空， 其吸人压头和空 气流量有一定限制， 因而仅适用对通气量要求不高 的发酵品种； 塔式发酵罐是将发酵液置于多层多孔 塔板的细长罐体内， 在罐底部通入无菌空气， 通过气
流。
２２２ 通气和搅拌 ．． 好氧发酵是一个复杂的气、 固三相传质和传 液、
热过程， 良好的供氧条件和培养基的混和是保证发 酵过程传热和传质必要条件。 好氧发酵需要通人充沛的空气 ， 以满足微生物 需氧要求， 因而空气量通人量越大， 微生物获得氧有
（） ６ 凹叶径流式搅拌叶（ ｏｃ ｅ ｄ ｒ ｉ Ｃｎａ ｂ ｅ ａ ｖ ｌ ａ ｌ ａ ｄ
介 本文系第八届发酵罐及其系统研讨会上发表的文章
２２ 标准式发酵罐 ． 随着发酵产品需求量增加， 发酵过程控制和检 测水平提高， 发酵机理的了解和最优化的机理认识 水平提高， 以及空气无菌处理技术水平的提高， 发酵 罐的容积增大已成为抗生素工业的趋势。 ２２１ 罐的几何尺寸 ．．
主要是关心发酵罐 的 Ｈ Ｄ， ／ 一般随着罐体高度
Ｎ Ｃ Ｆ ． 设计杂志 Ｐａ ａ ｕｃ Ｅｇ ｅ ｎ Ｄｓｎ ２２（） 药＿ 程 ｈ ｍｃ ｔａ ｎｎ ｒｇ ｉ ２０， １ ｒ ｅ ｉｌ ｉｅ ｉ ｅｇ ０ ３
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上 医 工 设 院 ２ ０ ） 石荣华 海 药 业 计 （０ ０ ０４ 全 化 设 设 技 心 ２０ ） 虞 军 国 工 备 计 术中 站（０ ０ ０４
泡的粉碎单靠气体分布器的形式和结构是不够的， 或者说效果是不明显的， 只有通过发酵罐内的叶轮 转动将气泡粉碎， 才可获得最佳的发酵供氧条件。 通过搅拌器的搅拌作用， 使培养基在发酵罐内 得到充分宏观混和， 尽可能使微生物在罐内每一处
均能得到充足氧气和培养基 中的营养物质， 此外 良 好的搅拌有利于微生物发酵过程产生的热量传递给 冷却管和发酵罐的冷却内表面。这就是具有通气和 搅拌的标准式发酵罐普遍使用在生化工程的原因。 ２２３ 搅拌叶轮 ．． 发酵罐内安装搅拌器首先用来分散气泡以得到 尽可能高的传质系数 Ｋ ａ Ｌ。此外还要使被搅拌的发 酵液循环来增加气泡的平均停留时间， 并在整个系 统中均匀分布 ， 阻止其聚并。 早先在机械搅拌式发酵罐通常装有数个径向圆 盘涡轮搅拌器， 但容易使被搅拌的介质分层而形成
合适的冷却介质， 将热量及时带出罐体。 冷却介质一般应采用低温水和循环水。某些北 方的工厂“ 因地制宜” 采用深井水冷却， 如果深井水 小， 相对功率需求（ 通气功率 Ｐ 与不通气功率 即： ｇ Ｐ 之比） 、 是在夫劳德准数不变时的通气准数的函 目 前水需付较高的费用， 也许会认为可降低生产成 数。 本， 但是发酵罐冷却水量极大， 如果采用深井水， 这 进行搅拌器设计时， 需同时计算出Ｐ 和 Ｐｏ 对于水资源是极大浪费， ｇ ｒ ｖ 因而是不可取的。 发酵罐的冷却， 主要是考虑微生物发酵过程的 搅拌叶的不通气功率可用下式计算。 发酵热和机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热 Ｐ二 ｐ Ｄ ｐ ３ 、Ｎ Ｎ ｓ 发酵罐消毒的冷却或实消后的 功率准数Ｎ 是搅拌叶的雷诺准数Ｎ。 。 Ｒ 的函数。 量。此外还要考虑， 冷却时间。目 前一般发酵罐的冷却传热面的型式， 容积传氧系数 Ｋ ａ Ｌ 数值的求取， 文献报导有很 小型罐（ 米， ５ 以下） 为夹套、 大型发酵罐为几组立 多， 最成功的是将其与气体表面线速度和单位体积 式蛇管。立式蛇管虽具有传热系数高的优点， 但他 输人功率相关联： 占 据了发酵罐容积， 据计算罐内立式蛇管体积约占 Ｋ ＝（）” ＬＣ ・ ａ 事： 发酵罐的 １５ ．％容积， 若罐内的蛇管一旦发生泄漏， Ｃ 一受液体性质的强烈影响， 此外还包括表面 将造成整个罐批的发酵液染菌、 此外罐内蛇管也给 活性剂、 不溶性油等。 罐体清洗带来了不便。 Ｐ一通气功率； ｇ 近来新型发酵罐的冷却面移至罐外， 采用半圆 Ｖ 一发酵液体积； 形外蛇管， 该蛇管具有传热系数高， 罐体容易清洗，