第六章 通风发酵设备
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第六章 通风发酵设备
排除发酵过程中由于生物氧化作用及机械
搅拌产生的热量的装置 在发酵过程中，放出的热量可用如下的热 平衡方程式：
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射
Q发酵发酵过程中释放的净热量 Q生物—生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和
发酵热 Q搅拌—3600Pg，Pg 搅拌功率， 功热转化率 860（Pg/V） Pg/V，单位体积培养液所消耗的功率（在通气 情况下） 860，热功当量，kcal/kw h
竖式列管（排管）换热装置
传热系数较蛇管低，用水量也较大。
5、机械消沫装置
发酵液中含有大量的蛋白质，在强烈的
通气搅拌下产生大量的泡沫。 导致发酵液的外溢和增加染菌机会 须用加消沫剂的方法去除， 泡沫的机械强度较差和泡沫量较少时， 采用机械消沫装置也有一定作用。其作 用是将泡沫打碎。
Q蒸发—排出空气带走水分所需的潜热 Q显—排出空气带出的显热 Q辐射—因罐外壁与大气间的温度差使罐壁向大
气辐射的热量 Q蒸发+Q显=Q空气=(I2-I1)(L/V) L/V —单位培养液体所导入的干空气重量 Kg/m3 I2-I1 —空气进入及离开发酵罐时的热含量 Kcal/Kg
发酵换热装置的形式
1.夹套式换热装置
多用于容积较小的发 酵罐、种子罐。一般小于5m3，夹套的高 度比静止液面高度较高即可，约高 50~100mm。夹套的宽度对于不同直径的 发酵有不同的尺寸，一般为50~200mm，
具体设计
Dg 500~600 700~1800 2000~3000
Dp
Dg+50
生物工程设备
第六章 通风发酵设备
对通风发酵设备的要求
（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，
搅拌产生的热量的装置 在发酵过程中，放出的热量可用如下的热 平衡方程式：
Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射
Q发酵发酵过程中释放的净热量 Q生物—生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和
发酵热 Q搅拌—3600Pg，Pg 搅拌功率， 功热转化率 860（Pg/V） Pg/V，单位体积培养液所消耗的功率（在通气 情况下） 860，热功当量，kcal/kw h
竖式列管（排管）换热装置
传热系数较蛇管低，用水量也较大。
5、机械消沫装置
发酵液中含有大量的蛋白质，在强烈的
通气搅拌下产生大量的泡沫。 导致发酵液的外溢和增加染菌机会 须用加消沫剂的方法去除， 泡沫的机械强度较差和泡沫量较少时， 采用机械消沫装置也有一定作用。其作 用是将泡沫打碎。
Q蒸发—排出空气带走水分所需的潜热 Q显—排出空气带出的显热 Q辐射—因罐外壁与大气间的温度差使罐壁向大
气辐射的热量 Q蒸发+Q显=Q空气=(I2-I1)(L/V) L/V —单位培养液体所导入的干空气重量 Kg/m3 I2-I1 —空气进入及离开发酵罐时的热含量 Kcal/Kg
发酵换热装置的形式
1.夹套式换热装置
多用于容积较小的发 酵罐、种子罐。一般小于5m3，夹套的高 度比静止液面高度较高即可，约高 50~100mm。夹套的宽度对于不同直径的 发酵有不同的尺寸，一般为50~200mm，
具体设计
Dg 500~600 700~1800 2000~3000
Dp
Dg+50
生物工程设备
第六章 通风发酵设备
对通风发酵设备的要求
（1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，
第六章-通风发酵设备-第二节搅拌器轴功率的计算
P0/( N 3D 5) =K [(ND2) / ] m
Np= K ReM m
圆盘六平直叶涡轮 Np＝0.6 圆盘六弯叶涡轮 Np≡4.7 圆盘六剪叶涡轮 Np≡3.7
（二）多只涡轮在不通气条件 下输入搅拌液体的功率计算
在相同的转速下，多只涡轮比单只涡轮输出更 多的功率，其增加程度除叶轮的个数之外，还 决定于涡轮间的距离。
Pn＝nP0
（三）通气情况下的搅拌功率 Pg的计算
同一搅拌器在相等的转速下输入通气液 体的功率比不通气流体的为低。
可能的原因是由于通气使液体的重度降 低导致搅拌功率的降低。
功率下降的程度与通气量及液体翻动量 等因素有关，主要地决定于涡轮周围气 流接触的状况。
通气准数：
Na＝Q/ND3来关联功率的下降程度 Na＜0.035 Pg/P0＝1～12.6Na Na＜0.035 Pg/P0＝1～12.6Na Q——通气量 m3/min
生物工程设备
第六章 通风发酵设备
第二节 搅拌器轴功率的计算
一、搅拌器轴功率的计算 轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率，
是指搅拌器以既定的速度运转时，用以 克服介质的阻力所需的功率。它包括机 械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不 是电动机的轴功率或耗用功率。
（一）搅拌功率计算的基本方 程式
单只涡轮在不通气条件下输送搅拌液体 的功率计算，
牛顿型流体：粘度μ只是温度的函数，与 流动状态无关。服从牛顿粘性定律。
非牛顿流体：粘度μ不仅是温度的函数， 随流动状态而变化。
（一）非牛顿型发酵醪的流变 等特性
牛顿型流体的流态式为直线，服从牛顿特性定 律：
=dw/dr
所有气体以及大多数低分子量的液体都属于牛 顿型流体，（2）彬汉塑型性流体
Np= K ReM m
圆盘六平直叶涡轮 Np＝0.6 圆盘六弯叶涡轮 Np≡4.7 圆盘六剪叶涡轮 Np≡3.7
（二）多只涡轮在不通气条件 下输入搅拌液体的功率计算
在相同的转速下，多只涡轮比单只涡轮输出更 多的功率，其增加程度除叶轮的个数之外，还 决定于涡轮间的距离。
Pn＝nP0
（三）通气情况下的搅拌功率 Pg的计算
同一搅拌器在相等的转速下输入通气液 体的功率比不通气流体的为低。
可能的原因是由于通气使液体的重度降 低导致搅拌功率的降低。
功率下降的程度与通气量及液体翻动量 等因素有关，主要地决定于涡轮周围气 流接触的状况。
通气准数：
Na＝Q/ND3来关联功率的下降程度 Na＜0.035 Pg/P0＝1～12.6Na Na＜0.035 Pg/P0＝1～12.6Na Q——通气量 m3/min
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第二节 搅拌器轴功率的计算
一、搅拌器轴功率的计算 轴功率：搅拌器输入搅拌液体的功率，
是指搅拌器以既定的速度运转时，用以 克服介质的阻力所需的功率。它包括机 械传动的摩擦所消耗的功率，因此它不 是电动机的轴功率或耗用功率。
（一）搅拌功率计算的基本方 程式
单只涡轮在不通气条件下输送搅拌液体 的功率计算，
牛顿型流体：粘度μ只是温度的函数，与 流动状态无关。服从牛顿粘性定律。
非牛顿流体：粘度μ不仅是温度的函数， 随流动状态而变化。
（一）非牛顿型发酵醪的流变 等特性
牛顿型流体的流态式为直线，服从牛顿特性定 律：
=dw/dr
所有气体以及大多数低分子量的液体都属于牛 顿型流体，（2）彬汉塑型性流体
通风发酵设备的认知与操作—机械搅拌通风发酵罐
由于这种空气分布装置的空气分布效果在 强烈机械搅拌的条件下，对氧的传递效果并不 比单孔管好，相反的还会造成不必要的压力损 失，同时由于喷孔容易被物料堵塞，已很少采 用。
联轴器和轴承 常用的联轴器
联轴器和轴承：
联轴器的作用是将两个独 立的轴牢固地联在一起，以进 行传递运动和功率。大型发酵 罐搅拌轴较长，常分为二至三 段，用联轴器使上下搅拌轴成 牢固的联接。联轴器随联接的 不同要求而有各种不同的结构， 基本上分为刚性联轴器和弹性 联轴器两类。
竖式蛇管换热装置的优点：
冷却水在管内的流速大；传热系数高，在1200～ 4000kJ／(m2·h·℃)；水的用量较少，适用于冷却用水 温度较低的地区。其缺点是：在冷却用水温度较高的地 区，发酵时降温困难，发酵温度经常超过40℃，影响 发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，增加了 设备投资及生产成本；与其他换热装置相比，蛇管的弯 曲位置更容易蚀穿。
(W )Z (0.1 ~ 0.12)D Z 0.5
D
D
式中D——罐的直径，mm；Z——挡板数；W——挡板宽度，mm。
挡板安装要求：
挡板的数量及安装方式都不是随意的，它们都会 影响流型和动力消耗。
发酵罐内挡板沿罐壁周向均匀分布地直立安装。 在低黏度液体时挡板可紧贴近罐壁上，且与液体环 向流成直角。
国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流 向型搅拌器，作土霉素发酵试验表明，不但消耗功率 下降，发酵指数也提高了近15％。
空气分布器作用 空气分布器形式结构
环形空气分布管
空气分布器：
作用：
空气分布装置的作用是吹入空气，并使空气均匀分 布，通过改变气泡的大小，从而改变气泡的比表面积。
形式结构：
另一类置于罐外，目的是从排气中分离已溢出的 泡沫使之破碎后将液体部分返回罐内，如半封闭式涡 轮消泡器。
联轴器和轴承 常用的联轴器
联轴器和轴承：
联轴器的作用是将两个独 立的轴牢固地联在一起，以进 行传递运动和功率。大型发酵 罐搅拌轴较长，常分为二至三 段，用联轴器使上下搅拌轴成 牢固的联接。联轴器随联接的 不同要求而有各种不同的结构， 基本上分为刚性联轴器和弹性 联轴器两类。
竖式蛇管换热装置的优点：
冷却水在管内的流速大；传热系数高，在1200～ 4000kJ／(m2·h·℃)；水的用量较少，适用于冷却用水 温度较低的地区。其缺点是：在冷却用水温度较高的地 区，发酵时降温困难，发酵温度经常超过40℃，影响 发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，增加了 设备投资及生产成本；与其他换热装置相比，蛇管的弯 曲位置更容易蚀穿。
(W )Z (0.1 ~ 0.12)D Z 0.5
D
D
式中D——罐的直径，mm；Z——挡板数；W——挡板宽度，mm。
挡板安装要求：
挡板的数量及安装方式都不是随意的，它们都会 影响流型和动力消耗。
发酵罐内挡板沿罐壁周向均匀分布地直立安装。 在低黏度液体时挡板可紧贴近罐壁上，且与液体环 向流成直角。
国内医药行业在50m3发酵罐内，上两档改装轴流 向型搅拌器，作土霉素发酵试验表明，不但消耗功率 下降，发酵指数也提高了近15％。
空气分布器作用 空气分布器形式结构
环形空气分布管
空气分布器：
作用：
空气分布装置的作用是吹入空气，并使空气均匀分 布，通过改变气泡的大小，从而改变气泡的比表面积。
形式结构：
另一类置于罐外，目的是从排气中分离已溢出的 泡沫使之破碎后将液体部分返回罐内，如半封闭式涡 轮消泡器。
通风发酵
第六章反应器的流动模型与放大
在前边讨论的CSTR和CPFR时，引入了全混流和活塞流概念，并称其
为理想流动模型，在实际生产的反应器流动都不符合上述这两种流动模 型，我们称非流动模型，它介于这两种理想流动模型之间。
在前边讨论，知道反应程度与反应时间有关，反应时间越长，反应
越彻底（转化率越高），反之越低。 在间歇操作反应器中由于物料同时放入，反应后同时放出，所以不存
P n V
g 0.5 s
0.4
0.5
kd=
Pg 2.36 3.30 Ni V
0.56
molO2 s0.7 n0.7 109 mL .min. 大气压（ p)
pg------千瓦；V------m3； vs------截面气速cm/min； n-----转数/分 有kLa与kd换算式可得出kLa的算式
P nD P 0.32 Q
2 3 o g 0.08
0.39
若：发酵罐搅拌器直径D=1.3m，搅拌转速n=80转 数/分，通风量27m3/分，采用涡轮用两档搅拌。 不通风时搅拌功率;
P 2 4.63N n D 10
3 5 2 P
9
P2=2×4.63×4.7×803×1.35×1060 ×10-9 =87.7（KW）
V N molO N 1000 m t 4 ml min
2 V
C
2、）物料衡算法 VL ×kLa×（C*-C）=Q×(C进-C出)
3、KLa与kd的关系 由亨利定律知：p=HC* 由气体分压定律知:p=Px
x 1 N k a Pk a p H H x k 定义： k a H
• p=H C* p*= H C
第五章通风发酵设备
上升管和下降管装在罐外的，称为外循环。装在罐内的， 称为内循环。
（一）带升式发酵罐
带升式发酵罐的优特点：结构简单，冷却面积较 小；不需搅拌设备，节省动力约50%；装料系数 达 80~90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌 感染。 但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
带升式发酵罐的工作 机理
就是在罐外装设上升管，上 升管两端与罐底及罐上部相 连接，构成一个循环系统。 在上升管的下部装设空气喷 嘴 ， 空 气 以 205 ～ 300m/s 的 高速度喷入上升管，使空气 分割细碎，与上升管的发酵 液密切接触。由于上升管内 的发酵液比重较小，加上压 缩空气的动能，使液体上升， 罐内液体下降进人上升管， 形成反复的循环。结构有内 循环及外循环两种。
气升环流发酵罐
气升环流发酵罐的型式较多，常 用的有高位，低位及压力发酵罐 几种。
右图 是联邦德国 Hoechst公司 的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐 的高度增大可以提高氧的传递能 力，增大对液流的驱动力。
驱动力的调节通过气体流量控制。 罐的结构简单，易于放大。
图 5-6 是 具 有 外 循 环 冷 却 的 空气提升环流式发酵罐，通 气管与罐底的距离是通气管 直径的0.5～1.5倍，气体经 多孔板送入罐内，多孔板之 下是气液分离带，此处回流 培养液的气泡率降至10%以 下。从罐底引出培养液，用 离心泵输送到热交换器后从 上部回流入罐内。
美国LH发酵有限公司的系列产品容积为1～2、30、 80、100、150L。
气升压力循环发酵罐如右图所示。 设备是以甲醇为原料培养嗜甲基杆 菌，容积达1500m3。上升管在下降 管之内或在下降管之外，可以是同 心圆，也可用挡板相隔。上升管可 以一个或两个以上。顶部与底部相 连接，上升管截面积为下降管截面 积3～8倍。上升管截面为上部的 3～8倍。下部高度是总高的 30～ 60％。发酵罐总高在30m以上，以 40～60m为宜。此时氧的传递量为 8～12kgO2/m3，对微生物生长较为 合适。
（一）带升式发酵罐
带升式发酵罐的优特点：结构简单，冷却面积较 小；不需搅拌设备，节省动力约50%；装料系数 达 80~90%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌 感染。 但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。
带升式发酵罐的工作 机理
就是在罐外装设上升管，上 升管两端与罐底及罐上部相 连接，构成一个循环系统。 在上升管的下部装设空气喷 嘴 ， 空 气 以 205 ～ 300m/s 的 高速度喷入上升管，使空气 分割细碎，与上升管的发酵 液密切接触。由于上升管内 的发酵液比重较小，加上压 缩空气的动能，使液体上升， 罐内液体下降进人上升管， 形成反复的循环。结构有内 循环及外循环两种。
气升环流发酵罐
气升环流发酵罐的型式较多，常 用的有高位，低位及压力发酵罐 几种。
右图 是联邦德国 Hoechst公司 的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐 的高度增大可以提高氧的传递能 力，增大对液流的驱动力。
驱动力的调节通过气体流量控制。 罐的结构简单，易于放大。
图 5-6 是 具 有 外 循 环 冷 却 的 空气提升环流式发酵罐，通 气管与罐底的距离是通气管 直径的0.5～1.5倍，气体经 多孔板送入罐内，多孔板之 下是气液分离带，此处回流 培养液的气泡率降至10%以 下。从罐底引出培养液，用 离心泵输送到热交换器后从 上部回流入罐内。
美国LH发酵有限公司的系列产品容积为1～2、30、 80、100、150L。
气升压力循环发酵罐如右图所示。 设备是以甲醇为原料培养嗜甲基杆 菌，容积达1500m3。上升管在下降 管之内或在下降管之外，可以是同 心圆，也可用挡板相隔。上升管可 以一个或两个以上。顶部与底部相 连接，上升管截面积为下降管截面 积3～8倍。上升管截面为上部的 3～8倍。下部高度是总高的 30～ 60％。发酵罐总高在30m以上，以 40～60m为宜。此时氧的传递量为 8～12kgO2/m3，对微生物生长较为 合适。
第6章 生物反应器
第6章生物反应器生物反应器就是指提供适宜细胞生长和产物形成的各种条件，促进细胞的新陈代谢，在低消耗下获得高产量的一种反应设备。
一个优良的发酵罐应具备的条件：1)结构简单;2)不易染菌;3)良好的液体混合性能;4)较高的传质传热速率;5)单位时间单位体积的生产能力高;6)同时还应具有配套而又可靠的检测和控制仪表。
工业生产用的发酵罐趋向大型化和自动化。
6.1 通风发酵罐一、通用式发酵罐又称机械搅拌通气式发酵罐，使之既有机械搅拌装置，又有压缩空气分布装置的发酵罐。
1、工作原理是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧。
一个好的通用式发酵罐的基本条件：1)具有适宜的径高比；通常H/D = 2～4，罐身长有利于氧的溶解2)能承受一定压力；水压试验压力为工作压力的1.5倍，即0.38MPa3)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，提高氧的利用率4)具有足够的冷却面积；5)罐内应抛光，尽量减少死角，使灭菌彻底，避免染菌；6)搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
2、结构特点发酵罐主要部件包括罐身、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、空气分布器、挡板、冷却装置、人孔及视镜等。
1) 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢2) 搅拌器和搅拌轴其作用一是打碎空气气泡，增加气－液接触界面，以提高气－液间的传质速率；二是为了使发酵液充分混和，液体中的固形物料保持悬浮状态。
3) 挡板其作用是为防止发酵液随搅拌器运转而产生旋涡，以提高混合效果。
4) 空气分布器其作用是将无菌空气引入到发酵液中同时初步分散气泡。
5) 冷却装置在发酵过程中，细胞呼吸和机械搅拌都将产生一定热量，为了保证发酵在一定温度下进行，必须将这些热量及时移去，因此需要设置冷却装置。
6) 消泡器分耙式消泡器和半封闭涡轮消泡器二、机械搅拌自吸式发酵罐利用机械搅拌的高速旋转而吸入空气的一种发酵罐。
《通风发酵设备》PPT课件
发酵罐的类型：机械搅拌型、外部液体循 环式、气升式
精选ppt
4
机械搅拌通风发酵罐（通用式发酵罐）——兼有机 械搅拌和压缩空气分布装置的发酵罐，目前最大的 通用式发酵罐容积为480m3。
精选ppt
5
发酵罐结构：罐体、搅 拌装置、 挡板、 消泡 器、 联轴器、变速装 置、 通气装置、 轴封、
传热装置、人孔、视镜、 进出料管、取样管等。
精选ppt
19
4.1 机械搅拌通风发酵罐
3. 消泡装置：
发酵液中含有大量的蛋白质等易发泡物质，在强烈的通气和 搅拌条件下会产生大量的泡沫，将导致发酵液外溢和增加染 菌机会，进而导致装料系数降低。
减少发酵液泡沫比较有效的方法是加入消沫剂，也可采用机 械装置来破碎泡沫。
天然油脂是最早采用的化学消泡剂，但是其消泡能力弱，作 用时间短。目前，分子量>2000的聚醚、聚二甲基硅烷广泛 用于各种抗生素发酵的泡沫抑制中。
推进式叶轮
17
在相同搅拌功率下不同搅拌器破碎气泡的能力和翻动液 体的能力不同。由于发酵罐的H/D值较大，为了使发酵液充 分被搅动，可在同一搅拌轴上配置多个不同搅拌器。
考虑因素：罐内装料高度、发酵液特性、搅拌器 直径等。
对于抗生素生产发酵罐，一般在 搅拌轴上层采用轴流式搅拌器以强化 混合效果，下层采用径流式搅拌器以 利于粉碎气泡强化氧的传递。
采用下伸轴时要求双端面轴封，轴封要设 计可用蒸汽灭菌，用无菌空气保压防漏及冷却 。而上伸轴可采用单端面轴封。
精选ppt
24
（1）动环和静环 （2）弹簧加荷装置 （3）辅助密封原件
精选ppt
25
8.传热装置：夹套(<5m3)、内蛇管、外盘管
Q 发 酵 Q 生 物 Q 搅 拌 Q 空 气 Q 辐 射
精选ppt
4
机械搅拌通风发酵罐（通用式发酵罐）——兼有机 械搅拌和压缩空气分布装置的发酵罐，目前最大的 通用式发酵罐容积为480m3。
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5
发酵罐结构：罐体、搅 拌装置、 挡板、 消泡 器、 联轴器、变速装 置、 通气装置、 轴封、
传热装置、人孔、视镜、 进出料管、取样管等。
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19
4.1 机械搅拌通风发酵罐
3. 消泡装置：
发酵液中含有大量的蛋白质等易发泡物质，在强烈的通气和 搅拌条件下会产生大量的泡沫，将导致发酵液外溢和增加染 菌机会，进而导致装料系数降低。
减少发酵液泡沫比较有效的方法是加入消沫剂，也可采用机 械装置来破碎泡沫。
天然油脂是最早采用的化学消泡剂，但是其消泡能力弱，作 用时间短。目前，分子量>2000的聚醚、聚二甲基硅烷广泛 用于各种抗生素发酵的泡沫抑制中。
推进式叶轮
17
在相同搅拌功率下不同搅拌器破碎气泡的能力和翻动液 体的能力不同。由于发酵罐的H/D值较大，为了使发酵液充 分被搅动，可在同一搅拌轴上配置多个不同搅拌器。
考虑因素：罐内装料高度、发酵液特性、搅拌器 直径等。
对于抗生素生产发酵罐，一般在 搅拌轴上层采用轴流式搅拌器以强化 混合效果，下层采用径流式搅拌器以 利于粉碎气泡强化氧的传递。
采用下伸轴时要求双端面轴封，轴封要设 计可用蒸汽灭菌，用无菌空气保压防漏及冷却 。而上伸轴可采用单端面轴封。
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（1）动环和静环 （2）弹簧加荷装置 （3）辅助密封原件
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8.传热装置：夹套(<5m3)、内蛇管、外盘管
Q 发 酵 Q 生 物 Q 搅 拌 Q 空 气 Q 辐 射
第六章 通风发酵罐
压力要求：为了满足工业要求，在一定压力下操作、 空消或实消，发酵罐为一个受压容器，通常灭菌的压
力为2.5公斤/厘米2（绝对压力）。
搅拌器
搅拌装置：多采用涡轮搅拌桨，一般在一根轴上安装多个
搅拌桨，搅拌器使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动。
搅拌器种类：平叶式、弯叶式、箭叶式
作用：打碎气泡，使氧溶解于醪液中，从搅拌程度来说，以
消泡装置
三、离心式消泡器： 置于发酵罐
的顶部，利用高速旋转产生的离心力将泡
沫破碎，液体仍然返回罐内。
四、刮板式消泡器：安装于发酵罐
的排气口处，泡沫从气液进口进到高速旋 转 的 刮 板 中 ， 刮 板 转 速 为 1000—1450 rpm，泡沫迅速被打碎，由于离心力作用， 液体披甩向壳体壁上，返回罐内，气体则 由汽孔排出。
形成激烈循环。
挡 板
挡板作用：是改变液流的方向，
由径向流改为轴向流，促使液体激
烈翻动，增加溶解氧。
通常挡板宽度取（0.1-0.12）D， 装设4-6块即可满足全挡板条件。
挡板
所谓“全挡板条件”是指在一定转速下，增加罐内附件而轴功
率仍保持不变。要达到全挡板条件必须满足下式要求：
D—罐的直径（mm） Z—挡板数 W—挡板宽度（mm）
第三节发酵罐类型
通用式机械搅拌发酵罐
1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封
8、控温装置
9、附属设施
自吸式发酵罐
分类： ①回转翼片式自吸搅拌器； ②喷射式自吸搅拌器； ③具有转子和定子的自吸搅拌器。
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3、发酵罐的结构 （1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
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。
（2）搅拌器和挡板：
作用：打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶 解于醪液中。
对于多只涡轮，若符合下述条件则Pn＝nP. （1）对非牛顿型流体：S=2D,牛顿型： S=2.5～3.0D （2）静液面至上涡轮距离：0.5～2D （3）下涡轮至罐底的距离：C=0.5～1.0D
S过小，不能输出最大功率， S过大，则中间区域搅拌 效果不好。 3、通气液体机械搅拌功率Pg的计算 （三）非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响
滑表面紧密的相互贴合，并作相对转动而达到密封。
4、发酵罐装料容积的计算 （1）装料量：一般装料高度为圆柱部分高度的70％，但 泡沫少时可取90％，多时可取60％。 （2）公称容积：罐的圆柱部分和底封 头容积之和（取整数）。 （3）椭圆形封头的容积：可查手册或 用公式计算； （4）罐的全容积； （5）罐体总高度；
(2) 圆盘平直叶涡轮搅拌器 圆盘的作用：无菌空气由单开口管通至搅拌器下方，
大的气泡受到圆盘的阻挡，避免从轴部的叶片空隙上升， 保证了气泡的更好的分散。
圆盘平直叶涡轮搅拌器具有很大的循环输送量和功率 输出，适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿型流体 等。 (3) 圆盘弯叶涡轮搅拌器 圆盘弯叶涡轮搅拌器的搅拌流型与平直涡轮的相似，但 前者造成的液体径向流动较为强烈，因此在相同的
被迫向轴心方向流动，使漩涡消失。 （2）涡轮式搅拌器的流型
在涡轮平面的上下两侧形成向 上和向下的两个翻腾。如不满足 全挡板条件，轴中心位 置也有凹陷的漩涡。
（3）装有套筒时的搅拌器搅拌流型 在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套筒，可以大大加
强循环输送效果，并能将液面的泡沫从套筒的上部入口， 抽吸到液体之中，具有自消泡能力。例如，伍式发酵罐。
2、消泡装置
发酵中常用的消泡方法为化学法消泡和机械法消泡， 有的采用其中方法之一，有的两者并用。
机械消泡装置类型有：耙式、离心式、刮板式、涡轮 式、射流式、碟片式消泡器等。 （1）离心式消泡器
（2）刮板式消泡器
（3）碟片式消泡器
（三）带升式发酵罐（气升式发酵罐）
分为外循环及外循环两种。 借空气喷嘴的作用而使 空气气泡分割细碎，与上 升管的发酵液密切接触。 由于上升管内的发酵液 轻，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，供给发酵液所耗的 溶解气量。
对KLa值有影响的：搅拌器的形式，直径大小，转速， 组数，搅拌器间距以及在罐内相对位置。
一般地说，增加搅拌器直径D对增加搅拌循环量有利， 增加转速对提高溶氧系数有利。
2.空气流速 机械搅拌通风发酵罐的溶氧系数KLa与通气线速度Vs有 关系： KLa正比于空气线速度Vs，当加大通风量Q时， Vs相应 增加，溶氧增加。但是，另一方面，增加Q，在转速N不 变时，Pg会下降，又会使KLa下降。同时Vs过大时，会发 生过载现象。这时浆叶不能打散空气，气流形成大气泡 在轴周围逸出。使搅拌效果和溶氧速率都大大降低。因 此，单纯增大通风量来提高溶氧系数并不一定取得好的 效果。 因此，只有在增大Q的同时也相应提高转速N，使Pg 不至过分降低的情况下，才能最有效地提高Kla。
不佳，故一般在同一搅拌轴上装置相同尺寸2～3只涡轮。 在相同转速下，多只涡轮比单只输出更多的功率，其增加 的程度除了叶轮个数之外，还决定于叶轮间的距离S。
有三种情况 (1)S=0 实际变为一只涡轮，P=P1 (2)S>S0,互不干扰， P=2P1 (3)0<S<S0,相互干扰，液体在相邻的区间 内部分重合， P<2P1
2、流型
搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合 效果、氧气的溶解、热量的传递都影响较大。搅拌器 造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受罐 内附件及其安装位置的影响。
（1）罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型 周边无挡板：轴中心形成凹陷的漩涡。 周边有垂直挡板：液体的螺旋状流受挡板折流，
（一）机械搅拌发酵罐
1、发酵罐的基本条件 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。 发酵罐的基本要求：（六点）
2、发酵罐体的尺寸比例 高径比：1.7～4 两组搅拌器的间距：S = 3Di 搅拌器与罐底的距离： C = Di,太小影响液体循环。
第六章 通风发酵设备
1、通风发酵罐 2、搅拌器轴功率计算 3、通风发酵罐中溶氧速率与通 气、搅拌的关系 4、发酵罐的比拟放大
一、 通风发酵罐
通风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、带升式、伍式、文氏管、塔式 等类型的发酵罐。
法和溶氧电极法等。 1、亚硫酸盐氧化法 2、溶氧电极法 是一种参量变换器，把溶氧浓度转变成一个与之呈线 性关系的电流量。这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温， 可以固定装在发酵罐上，连续的测量培养液中溶氧浓度， 此法为当前测量溶氧浓度的常用方法。
（三） KLa与设备参数操作变数间的关系 (影响溶氧系数KLa的主要因素) 从前面所述：氧传递速率NV = KLa(C*-C) 因此影响NV的主要因素有溶氧系数KLa值和推动力C*-C。 要提高NV，需要提高Kla。 与Kla有关系的有搅拌、空气线速度、空气分布器、发
酵液性质等。 与推动力有关的有发酵液浓度、氧分压、发酵液性质
等。 1.搅拌： (1)目的:
a.扩散气流，强化气流的湍流程度，使气液固三相更 好接触，提高溶氧速率。
b.使微生物悬浮液混合一致促进代谢产物的传质速率。 搅拌可分三方面改善溶氧速率： a.把空气打成细泡，从而增加有效界面传递面积。 b.搅拌使液体形成湍流，可以延长气泡在液体中心的 停留时间。 c.加强液体湍流，减少气泡周围液膜厚度，减少液膜 阻力，从而增大KLa值。 搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固体传递中的接触 面积增加使推动力增加。但是过渡强烈的搅拌，产生的剪 切作用大，对细胞有损伤，特别是丝状菌的发酵类型，更 考虑到剪切力对细胞的损伤。
分为搅拌器在套筒外和套筒外两种。 （二）搅拌器轴功率的计算
发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混合强度与 单位体积液体中输入的搅拌功率有很大关系。在相同的条
件下，输入于单位体积不通气液体中的功率要大于通气 液体中的功率。
1、单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率P0的计 算 所谓搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定
速装置。 (6)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。
空气分布装置的形式：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。
通风量在0.02～0.5ml/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。 (7)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。
（3）消泡器： 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。 （4）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。 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。
(5)变速装置： 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
形式：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。
挡板的作用： 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。 全挡板条件：在一定转速下，再增加罐内附件而轴功 率仍保持不变。 竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用。 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。
三、通风发酵罐中溶氧速率与通气、搅拌的关系 （一）双膜理论
只有溶解于培养液中的氧才能为其中的微生物所利用。 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。
双膜理论的基本前提： （1）气泡和液体之间存在界面，两边分别有气膜和液膜，
作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止 泄漏和污染杂菌。
形式：填料函和端面轴封两种。目前多用端面式轴封。 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
所速度迴转时，用以克服介质的阻力所需要的功率，或简 称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此 它不是电动机的轴功率或耗用功率。
一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率决定于：叶 轮与罐的相对尺寸、转速、流体的物性、挡板的尺寸和数 目等。
2、多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算 在大的发酵罐中，深度较大，只用一只涡轮则搅拌效果
（6）液柱高度； （7）装料容积； （8）罐的容积装料系数。 5、发酵罐的管路配置、渗漏和死角的排除
防止染菌的措施：管路配置如图6－8所示。 (1) 尽量减少管路，从而减少染菌机会。但是排气管一 般单独设置较好，否则，一罐染菌，其他罐通过空气染 菌。