第八章 通气发酵设备(2)

第八章 通气发酵设备
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
机械搅拌通风发酵罐 气升式发酵罐 自吸式酵罐
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 三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性 四、机械搅拌通风发酵罐m的3 的热量传递 五、机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积 六、机械搅拌通风发酵罐的放大设计举例
2、100m3大型发酵罐的设计 ●主要用于抗生素、氨基酸发酵
大型发酵罐搅拌装置（内部结构）
大型发酵罐搅拌装置（罐顶部外观）
小型搅拌发酵罐装置
8.2 气升式发酵罐(ALR)
1、概述 ●工作原理
把无菌空气通过喷嘴或喷孔以250～300m/s的速度喷 射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用使气泡 碎裂，同时形成的气液混合物由于密度较低向上运 动，而气含率小的发酵液则向下运动，形成循环流 动，实现混合与传质。
●剪切力小，对细胞损伤小 适合植物细胞和组织培养；
●传热良好 液体综合循环速率高； 便于在外循环管路上进行换热；
●结果简单，易于加工制造 无搅拌器，不需安装结构复杂的搅拌系统； 容易保证密封； 加工制造方便，设备投资较低； 易于放大制造大型反应器；
●优缺点 结构简单，冷却面积小； 无搅拌传动设备，节约动了约50％，节约钢材； 操作无噪音； 料液可充满达80～90％，而不需加消泡剂； 维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。 缺点： 不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵 液溶氧系数较低；
●类型 气升环流式、鼓泡式、空气喷射式；
2、气升环流式反应器的特点 ●发酵液分布均匀
三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌与流变特性
1、搅拌叶轮尺寸与类型 ●叶轮尺寸与罐直径比
Di/D=0.33~0.45 选用较大的叶轮或Di/D：
多糖发酵， 动物细胞培养； ●叶轮类型的选择 功率准数、混合特性， 产生的液流作用力的大小；
2、搅拌叶尖速度与剪应力 ●细胞与剪切作用
损害程度：
细胞特性、搅拌力的性质、强度、作用时间；
20L罐试验数据： 细胞浓度，产物浓度，得率系数； 培养条件：温度、pH、μ； 大罐生产目标：细胞浓度50g/L（干）；
培养基； 发酵工艺；
发酵液流体类型； 产物收率； 生产天数，24小时连续生产； （2）设计计算 ●物料衡算、热量衡算、反应器体积： 产物总产量； 细胞年产量，发酵总量； 每天应生产的发酵液量； 反应器体积； 溶氧速率OTR；
V1=πD2hb/4+πD2ha/6 ha：椭圆封头的直边高度，m； hb：椭圆短半轴长度，标准椭圆hb=D/4；
罐的全体积：
V0=πD2[(H0+2(hb+D/6)]/4
≈ πD2 /4+0.15D3
（m3）
六、机械搅拌通风发酵罐的放大设计举例
1、基因工程菌发酵罐的设计 （1）设计任务与要求 ●年产量， ●现有（中试）发酵工艺参数
基质均匀分散； 避免液面形成稳定的泡沫层； 使淀粉类易沉降的物料悬浮分散； ●较高的溶氧速率和溶氧效率 较高的气含率（gas-holdup)和气液接触界面； 溶氧速率比机械搅拌罐高：kLa可达2000h－1； 比如25m3的气升式反应器：
溶氧速率：2~8kg/(m3·h)；
溶氧效率： 1~2kg/(kW·h)；
要求水温较低； ●竖式列（排）管
传热推动力大，用水量大；
五、机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸及体积
标准发酵罐的几何尺寸
H/D=1.7~4
d/D=1/2~1/3
W/D=1/8~1/12
B/D=0.8~1.0
(s/d)2=1~5
H0/D=2
●公称体积
指罐的筒身（圆柱）体积与底封头体积之和。
椭圆形封头体积：
发酵过程的最大放热：
Q发酵=[Wc(T2－T1)]/VL
[kJ/(m3·℃)]
W:冷却水流量，kg/h；
c：水的比热容， kJ/(kg·℃)；
T1、T2:冷却水进出口温度，℃； VL：发酵液体积，m3; ●发酵液温升测量计算
旺盛期，先使罐温恒定，关闭冷却水，
30min后测定发酵液的温度：
Q发酵=[ (w1c1+w2c2) △T]/VL
n：流体状态特性指数，
拟塑性： 0﹤n﹤1 涨塑性： n﹥1
如丝状菌（青霉素）、液体曲、多糖；
四、机械搅拌通风发酵罐的的热量传递
1、发酵过程的热量计算
●生物反应热的计算
Q发酵=Q生物+Q搅拌－Q散
Q搅拌： 与搅拌功率Pg有关， η功热转化率，取η=0.92；
Q散发：Q蒸发、Q显、Q辐射， Q散发=0.2 Q生物； ●冷却水带出的热量计算
τ=F/A=μ(du/dy)=μγ
τ为剪应力，Pa或N/m2； F为切向力，A 为流体面积；
μ为流体黏度Pa·s，γ为剪切速率（速度梯度，s－1 )；
非牛顿型流体 （2）宾汉塑性流体
τ=τ0+μsγ
τ0为屈服应力，Pa;
μs为表观黏度,Pa·s;
如黑曲霉发酵液； （3）拟塑性和涨塑性流体
τ=Kγn K：均匀系数，稠度系数， Pa·sn；
[kJ/(m3·℃)]
w1、w2：发酵液和发酵罐的质量，kg；
c1、c2：发酵液和发酵罐的比热容， kJ/(kg·℃)；
△T： 30min内发酵液的温升，℃；
2、发酵罐的换热装置 ●换热夹套
换热系数低：400~600 kJ/(m3·h·℃)；
适应：5m3发酵罐； ●竖式蛇管
4~6组 换热系数高：1200~4000 kJ/(m3·h·℃)；
●发酵罐初步设计 搅拌功率、Di/D、通气线速度； 选择搅拌桨叶； 由上述数据得到初步计算结果；
●发酵工艺改进 所得的溶氧速率OTR低于要求的OTR： 采用改进取得供应； 以计算得到的OTR计算， 得到发酵特征参数； 解决低OTR问题，在后期通富氧；
●综合考虑，进行优化设计， 得到改进的反应器计算结果；
定性关系：
球状和杆状细胞：耐受力强，
丝状、动物细胞：耐受力弱；
●关于搅拌剪切的反应器设计准则
以搅拌叶尖线速度v为基准： v≤7.5m/s
例外： 谷氨酸发酵
3、发酵液的流变特性 液体流变特性的影响： 传质、传热、混合； 发酵罐设计与运转；
●发酵液流变特性的类型： （1）牛顿型流体
黏度不随搅拌剪切速率和剪应力而改变（粘性定律）； 剪应力与剪切速率的关系：