第二章 通风发酵设备

(3)溶氧系数的测定
测定方法：亚硫酸盐氧化法、极谱法、氧的物料衡算法和溶氧电极法等。 具体见教材P36。
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(4)机械搅拌通气发酵罐的通气量与搅拌功率 A、持气率 通气搅拌时气液混合物体积与不通气时溶液体积之差除以不通 气时溶液体积。
B、单只涡轮不通气搅拌的搅拌功率 P0 搅拌器所输出的轴功率 P0与下列因素有关：
形式：锯齿形、梳状式及孔板式。消泡器的长度约为罐径的0.65倍。
耙式消泡桨
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(7) 联轴器及轴承
联轴器作用：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。
轴承： 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。
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(8)驱动及变速装置
2.1 机械搅拌通气发酵罐 2.2 气升式发酵罐 2.3 自吸式发酵罐 2.4 通气固相发酵设备
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2.1 机械搅拌通气发酵罐
定义：机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空 气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生 物生长繁殖、发酵所需的氧气。
特点：机械搅拌发酵是目前使用最多的一种发酵罐（占
（1）搅拌叶轮尺寸与类型
搅拌叶轮直径与罐径之比一般为Di / D=0.30~0.40。 （2）搅拌叶尖线速度与剪应力
生物细胞在机械搅拌的剪切作用下可能会受到损伤，其损害程度取
决于生物细胞的特性和搅拌力的性质、强度及作用时间等。
对耐剪切力较弱的生物细胞，搅拌叶尖线速度应不大于7.5 m/s。 （3）发酵培养液的流变特性
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（1）罐体（结构、材质及附属）
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力，131℃，0.25MPa。 罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。 罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、温度计管和测控仪表接口。 当承受内压时：
罐体壁厚的计算：


式中：Kd—以氧分压差为推动力的体积溶氧系数 Ni—搅拌叶轮组数
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在生物反应系统中，影响溶氧系数的主要因素有： ① 操作条件，如搅拌转速、通气量、温度； ② 发酵罐的结构及几何参数，如体积、通气方式、搅拌叶轮机构和尺寸等； ③ 物料的物化性能，如扩散系数、表面张力、密度、黏度、培养基成分及特 性等。
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(9)其他 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：包括视镜以观察发酵液的情况。
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2.1.3机械搅拌通气发酵罐的通气与溶氧传质
(1)气–液相间的溶氧传质理论
双膜理论：空气被分散成细小的气泡，尽可能增大气液两相的接触界面 和接触时间，以促进氧的溶解。氧的溶解过程实质上就是气 体吸收过程，这一过程可以用气体吸收的基本理论即双膜理 论阐明。 氧由空气泡传递到生物细胞可分成几个步骤进行，可以用传统的双 膜理论表述： ① 气泡中的氧通过气相边界传递到气–液界面上； ② 氧分子由气相侧通过扩散穿过界面传递到液相侧； ③ 氧分子在界面液相侧通过液相滞留层传递到液相主体； ④ 在液相主体中进行对流传递到生物细胞表面液膜外面； ⑤ 通过生物细胞表面的液相滞留层扩散进入生物细胞内。
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2. 通气发酵设备
通气发酵罐又称好气性发酵罐，需要将空气不断通入发酵 液中，以供微生物所消耗的氧。通入发酵液中的气泡越小，气 泡与液体的接触面积就越大，液体中的氧的溶解速率也越快。
类型： 机械搅拌式、自吸式、自升式、伍式、文氏管、塔式等类 型的发酵罐。
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图2-8 填料函 1-转轴 2-填料压盖 3-压紧螺栓 4-填料箱体 5-铜环 6-填料
图2-9 端面轴封 1-弹簧 2-动环 3-堆焊硬质合金 4-静环 5-O型圈
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(5)空气分布装置
作用：吹入无菌空气，使空气分布均匀。
形式：单管和环形管。常用单管，因为效果比环形管好，而且环形管 喷空容易被堵塞。环形管的环径一般为搅拌器直径的0.8倍。
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(2)机械搅拌通气发酵罐的溶氧系数
对通气发酵系统的氧溶解过程通常用溶氧系数（kLa）表示，有多种经验公式。
'
Pg ' k L a K ' vs VL
Pg V 或 k L a K '' G VL VL
''
''
（2-4）
式中：Pg—对液体的搅拌功率，W VL—发酵罐的装液量，m3 VG—通气量，m3/s vs—空气截面气速， m3/s， vs=VG/(πD2/4) K’、K’’、α’ 、α’’ 、β’ 和β’’均是实验常数
Richard的kLa表达式： kL a K Pg / VL


定压力（气压和液压）和温度，因此罐体各部件要有一定的强度，能 承受相当的压力；
搅拌通风装置保证气液充分混合。发酵用的搅拌通风装置能使气液充
分混合，保证发酵必需的溶解氧；
具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量的热，为了控制
发酵过程不同阶段所需的温度，应装有足够的冷却部件；
死角少，灭菌彻底； 轴封严密，泄漏少。
平叶式
弯叶式
箭 叶 式
B、形式 螺旋桨搅拌器和涡轮式搅拌器。
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涡轮式搅拌器：
a.平叶式，功率消耗大，适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿型流 体等；
b. 弯叶式功率消耗较大，径向 流动较为强烈，在相同的搅拌转
速时，混合效果较好，但剪切效 果差，用于混合要求高，溶氧要 求低 c. 箭叶式功率消耗较大但又低 于平叶式，轴向流动较强烈，但 在同样转速下，它造成剪率低， 输出功率低。
全挡板条件：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）。 （2-3）
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(4) 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：防止泄漏和污染杂菌。
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。 端面式轴封又称机械轴封。密封作用 是靠弹性元件（弹簧、波纹管等）的压力 使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密 的相互贴合，并作相对转动而达到密封。
酵母和细菌培养液的粘度较低，流动性好；丝状菌培养液粘度较 高，呈非牛顿型流变特性。
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2.1.5 机械搅拌通气发酵罐的热量传递
（1）发酵过程的热量计算的主要方法
A、生物合成热计算法 发酵过程所 产生的净热量称 （2-7）
为“发酵热”， 相应的通气发酵 过程总热量为：
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1 =
230 p
pD
C mm
（2-1）
式中：p——耐受压强，Mpa，表压 D——罐径，mm φ——焊接系数，双面焊接φ=0.8，无焊缝φ=1.0 C——腐蚀裕度，当δ-C ﹤10mm时，C=3mm [σ]——许用应力，MPa
封头壁厚按蝶来自百度文库封头计算：
2 =
pDy C mm 200
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2.1.2发酵罐的基本组成与结构
基本组成：
① 罐体部分 罐体、进料口、接种口、排 料口、安全阀等 ② 搅拌系统 电机、减速装置、搅拌轴、 轴封、挡板、连轴器、轴承 ③ 控制系统 冷却管/夹套、空气进管、空 气分布器、空气出口、补料 口（营养、酸碱、消泡剂、 消泡器、取样口等） ④ 测量系统（P, pH，T，O2） ⑤ 附属（人孔、视镜） 图2-2 机械搅拌通风发酵罐的结构
B、冷却水带出热量计算法 选择主发酵期产生热量最大时刻，测定发酵冷却水进出口的温度 及冷却水用量，则最大的发酵过程放热为：
（2-8）
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（2）发酵罐的热交换装置 A、夹套式换热装置 ①（结构及形式） 夹套高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷 却面积设计,这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐。 ② 优点：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进 行清洁灭菌工作，有利于发酵。 ③ 缺点：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。
发酵罐总数的70-80%），又称通用式发酵罐；优点是使用性 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。
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2.1.1机械搅拌通气发酵罐的基本要求
适宜的径高比（高与直径的比值为 1.7-4）； 能承受一定压力、温度。由于发酵罐在消毒及正常运转时，罐内有一
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（3） 挡板 挡板的作用：
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a. 改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体激烈翻动，增 加溶解氧。 b. 防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不 到搅拌作用。 挡板宽度：（0.1～0.12）D，装设4～6块即可满足全挡板条件。 挡板与罐壁之间的间隙：（1/8～1/5）D，避免形成死角，防止物料与菌 体堆积。
通风量在0.02～0.5 ml/s时，气泡直径与空气喷口直径的1/3次方成正比 ，也就是喷口直径越小，气泡直径越小，而氧气的传质系数也越大。但是 生产实际的通风量均超过上述范围，此时气泡直径与风量有关，而与喷口 直径无关，所以单管的分布装置的分布效果不低于环形管。
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(6)消泡器
（2-2）
式中：y——开孔系数，对发酵罐可取2.3 [σ]——许用应力，MPa
（2）搅拌器
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涡轮式搅拌器：平叶式、弯叶式和箭 叶式。平叶式功率消耗较大，弯叶式 功率消耗较小。 大型搅拌器一般做成两半型，用 螺栓连成整体，便于拆卸。
A、作用--混合和传质
① 气泡与发酵液充分混合，提高溶氧速率; ② 使细胞悬浮分散于发酵体系中; ③ 强化传热过程。
《生物工程设备》
Bioengineering Equipment 第2章 通风发酵设备
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固体发酵
盘曲、帘曲——曲盘、帘子等，自然通风 发酵池、窖、地缸——相对密闭不通风 厚层通风制曲——曲箱，机械通风 旋转培养——转鼓型发酵罐，机械通风
液 体 发 酵
厌气发酵——厌气发酵罐，密闭不通风 非循环式 通风式发酵罐 自吸式发酵罐 机械搅拌通风 循环式 伍式发酵罐，内循环 文式发酵罐，外循环 好气发酵 密闭通风 非循环式 鼓泡式发酵罐 塔式发酵罐 通风搅拌 循环式——空气带升式发酵罐 图2-1 发酵类型和设备
定义：减速机是一种动力传达机构，利用齿轮等速度转换器，将马达的 回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。（垂直方向的力 乘上与旋转中心的距离）
作用： ①降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但注 意不能超出减速机额定扭矩。 ②降速同时降低负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。一般电机 都有一个惯量数值。 （表征刚体转动惯性大小的物理量） 试验罐：无级变速装置 发酵罐：有三角皮带传动，圆柱 或螺旋圆锥齿轮减速装置。
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B、竖式蛇管换热装置
① 结构及形式，以蛇管的形式分组安装于发酵罐内，有四组、六组或 八组不等，根据管的直径大小而定，容积5 m3以上的发酵罐多用这种换 热装置。 ② 优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。适用于冷却用水温度 较低的地区，水的用量较少。
0.4
vs 0.5n0.5
（2-5）
此式适用于单级平直叶涡轮或推进式搅拌通气发酵罐。K随罐容变化。 福田秀雄在0.1-42m3不同大小发酵进行实验，得到了机械搅拌通气发酵罐溶氧 系数关系式： 0.56 Kd 2.36 3.30 Ni Pg / VL vs 0.7 n0.7 109 （2-6）
反应器直径、搅拌器直径、液柱高度、搅拌速度、液体黏度、液体
密度、重力加速度以及搅拌器的型式和反应器的结构等。
C、通气搅拌功率Pg和通气量
① 随着通气量的增大，通气搅拌功率会下降； ② 持气率和气泡均会随着空截面气速的提高而增大。
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2.1.4 机械搅拌通气发酵罐的搅拌与流变特性