生物反应器(发酵罐)

第四章生物反应器（发酵罐）发酵罐厌氧发酵罐（嫌气发酵罐）好氧发酵罐（通风发酵罐）第一节厌氧发酵罐酒精、丙酮、丁醇、乳酸、啤酒等酒精发酵罐（图1）图1 酒精发酵罐1 冷却水入口2 取样口3 压力表4 CO2出口5 喷淋水入口6 料液及酒母入口7 人孔8 冷却水出口9 温度计10 喷淋水收集槽11 喷淋水出口12 发酵液及污水排出口一、形状罐体为圆柱形，底盖和顶盖为锥形或碟形二、结构尺寸D----罐的直径 H-----圆柱部分的高度h1-----罐底高度 h2-----罐盖高度推荐比例： H=1.1～1.5D h1=0.1 ～ 0.14D h2=0.05 ～ 0.1D发酵罐全容积： V = πD2 (H+h1/3+h2/3) / 4 V = V0 / ηV-----发酵罐的全容积 (m3) V0------进入发酵罐的发酵液量 (有效容积) (m3)η-------装液系数（一般取0.8～0.9）据发酵罐的全容积V和H/D即可确定发酵罐的结构尺寸三、配置人孔、视镜、进料管、压力表和测量仪器的接口、CO2出口（回收管）、排料口和排污口、取样口、温度计接口、冷却装置、洗涤装置冷却装置：中小型罐,多采用罐顶喷水淋于罐外壁表面进行膜状冷却 (罐体底部四周有收集槽) 大型罐:罐内有冷却蛇管 (或与外壁喷淋相结合) 洗涤装置：水力喷射洗涤装置 （图2）第二节 通风发酵罐机械搅拌式、自吸式、气升式、高位筛板式等 味精、柠檬酸、抗生素、酶制剂、氨基酸、SCP一、机械搅拌式发酵罐 （图3）一）基本条件1、适宜的径高比。

[高：直径约为2.5～4]2、能承受一定的压力。

[水压试验（1.5倍）]3、搅拌通风装置要能使气泡分散细碎、气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧，提高O 2的利用率 。

4、应具有足够的冷却面积。

[代谢产热]5、发酵罐内应抛光，尽量减少死角。

[避免积污、染菌]6、轴封应严密，尽量减少泄漏。

二） 罐体的尺寸比例H----柱体高(m) D----罐内径(m) d----搅拌器直径 S----两搅拌器的间距图2水力喷射洗涤装置图3 机械搅拌发酵罐B----最下一组搅拌器距罐底的距离 W----挡板宽度H =（1.7～4）D d=1/3 D S=3 d B=d W =（0.1～0.12）D 三） 发酵罐的结构 1、罐体碳钢、不锈钢、衬不锈钢罐壁厚度取决于罐径及罐压的大小由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成（小型罐罐顶和罐体采用法兰连接） 容积:3、5、20、30、60、75、150、500m 3 有效容积 = 总容积×装液系数 装液系数： 0.65～0.752、搅拌器 （图4）类型： 螺旋浆式 涡轮浆式(六平叶 六弯叶 六箭叶)尺寸： 六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大叶径: d=(0.3～0.4)D 盘径: di= 0.75 d 叶高: h = 0.3d 叶长: b = 0.25 d搅拌器的间距：1） 最低一组搅拌器距罐底的距离 B = (0.8～1.0)d 2)两组搅拌器之间的间距 S = H L -1.9d/2 ( H L 为液体深度 )3、挡板作用： 改变液体的方向，由径向流改为轴向流，使液体激烈翻动，增加溶解氧。

宽度（W ）： 一般取 (0.1～0.2)D 片数： 4～6 长度：自液面至罐底 与罐壁的间距：（1/5～1/8） W (避免形成死角，防止物料和菌体堆积） 全挡板条件---在一定转数下再增加附件而轴功率仍保持不变。

须满足： W ·Z/D = 0.5D ---- 罐直径 W ---- 挡板宽度 Z ---- 挡板片数( 0.1～0.2)D ·Z /D =0.5图4 涡轮浆式搅拌器4、空气分布装置作用：通入无菌空气并使分散均匀位置：罐底中央类型：1）环形管环径 = 0.8 d; 多喷孔，向下；易堵2）单管式普遍采用向下的管口距罐底约30～60mm分散器（防止空气喷击、蚀穿罐底）5、换热装置夹套式竖式蛇管竖式列管夹套式换热装置：应用：小型灌、种子罐高度：比静止时液面稍高优点：结构简、加工易、死角少、易清洁灭菌缺点：传热壁较厚、冷却水流速低、降温效果差竖式蛇管换热装置：分组安装（ 3～8不等）大型罐多用优点：冷却水流速大、传热系数高缺点：弯曲处易蚀穿竖立列管换热装置：以列管形式对称安装于罐内优点：加工方便缺点：传热系数较蛇管低，用水量大6、轴封、联轴器和轴承1）轴封作用：使罐顶（或底）与搅拌轴间的缝隙密封，防止泄漏和染菌类型：填料函端面轴封填料函：（图5）图5 填料函图6 端面轴封构成：1 转轴 2 填料压盖3 压紧螺栓 4 填料箱体 5 铜环6 填料（石棉等）优点：结构简单缺点：易渗漏，寿命短对轴磨损较重摩擦功率消耗大端面轴封：（图6）构成：1 弹簧 2 、动环3、堆焊硬质合金4、静环 5、O形圈动环应比静环硬；O形圈密封环隙；弹簧使两平面压紧优点：密封可靠，寿命长摩擦功率消耗小无死角，有效防杂菌缺点：结构复杂、装拆不便对两环表面的光洁度、平直度要求高2）联轴器7、消泡装置1）梳齿式打泡器、耙式打泡器、半封闭涡轮消泡器：直接连在轴上，因转速低，强度不大2）离心式消泡器、碟片式消泡器：装于罐顶；适于下伸轴罐8、其它配置罐顶：人孔、视镜（冲洗管，图7）及镜灯、进料管、补料管、排气管、接种管、压力表接管、温度计管罐体：冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计及测量仪器接管等图7 视镜冲洗管二、自吸式发酵罐（图8，9）图8 自吸式发酵罐 图9 转子与定子不需空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气 20世纪60年代 我国某些醋厂、酵母厂已采用优点：1、省却空气压缩机及其辅助设备，减少厂房，减少设备投资约30%。

2、设备便于自动化、连续化。

3、气泡小、气液均匀接触，溶氧系数高。

缺点：装液系数较低（约 0.4）进罐空气处于负压，增加了染菌的机会。

关键部件： 转子 （叶轮；有3、4、6、9叶；空心；带有中央吸气口；直径为罐径的三分之一）定子 （导轮）自吸式发酵罐的充气原理：启动前转子被液体浸没；转子高速旋转，液体、空气在离心力作用下被甩向外缘，在转子的中心处形成负压；于是将罐外的空气通过搅拌器中心的吸入管而被吸入罐内；通过导轮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。

自吸式发酵罐在搅拌的同时完成了充气作用。

三、空气带升式发酵罐 （图10）近20多年发展起来。

没有搅拌器，代之在罐内或罐外设上升管（循环管） 空气由特殊结构的喷嘴以250～300m/s 的高速喷出 原理：罐内或罐外装设上升管，两端与罐底部和罐上部相连通，构成循环系统；上升管的下部装有空气喷嘴，空气以250-300m/s 高速喷入上升管，借喷嘴的作用将空气泡分割成细泡，与上升管内发酵液密切接触；由于上升管内发酵液含气多、比重小，加上压缩空气的喷流动能，因此使上升管的液体上升，罐内液体下降而进入上升管，形成反复的循环，使氧气溶解于发酵液中。

特点：结构简单、不易污染、能耗低图10 空气带升式发酵罐空气带升式发酵罐性能指标：1）循环周期——发酵液在环流管内循环一次所需的时间。

发酵液体积一定，循环周期越长，则供氧率越低；不同微生物耗氧率不同，因此所要求的循环周期亦不同。

循环周期的计算：τ = V L/ Qc = 4V L / πd2ϖτ——循环周期(s)V L——发酵罐内发酵液量(m3)Qc ——发酵液循环量(m3/s)d——环流管二内径(m)ϖ——发酵液在环流管内流速(m/s)2）压比、压差、环流量间的关系发酵液的环流量与通风量之比称为气液比。

A = Qc / Q喷嘴前后压差∆P和发酵罐罐压与环流量Qc有一定关系，若喷嘴直径一定，发酵罐内液柱高度也不变，则压差越大，通风量就越大，相应就增加了液体的循环量。

3）喷嘴直径为了使环流管内气泡分裂细碎，气液混合达到良好的效果，应使空气自喷嘴出口的雷诺准数大于液体流经喷嘴处的雷诺准数：d/d0＞A μg/μld ——喷嘴孔径（m）d0——环流管直径（m）A ——气液比μg——空气黏度(N·s·m-2)μl——液体黏度(N·s·m-2)可知，当环流管直径d为定值时，喷嘴孔径d0不宜过大。

通风量与喷嘴孔径之间的关系可由经验式表示：Q =2.38×104d02.5(∆P)0.6p00.3Q——通气量(m·s-1)d0——喷嘴口孔径(m)∆P ——喷嘴前后空气压力差，∆P = p1-(p0 + H L/100)p1——喷嘴前的空气绝对压力 (MPa)p0——罐内绝对压力 (MPa)H L——液面到喷嘴口液柱高度 (m)四、高位筛板式发酵罐（高位塔式发酵罐）（图11）H / D = 7 左右罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而形成循环。

降液管下端的水平面与筛板之间的空间是气-液充分混合区。

由于筛板对气泡的阻挡作用，使空气在罐内停留时间较长，同时在筛板上大气泡被重新分散，进而提高了氧的利用率。

高位筛板式发酵罐。