第二节通风发酵设备

一、机械搅拌发酵罐的结构
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好气性机械搅拌发酵罐是密封式受压设备，主要 部件包括： 罐体 轴封 消泡器 搅拌器 联轴器 中间轴承 挡板 空气分布管 换热装置 人孔以及管路等
（1）罐体 ① 罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成， 小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。 ② 材料一般为不锈钢，通常耐受130℃和 0.25MPa。 ③ 小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。 ④ 中大型发酵罐则装设有快开人孔及清洗用的 快开手孔。 ⑤ 罐顶还装有视镜及灯镜。 ⑥ 在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气 管、接种管和压力表接管。 ⑦ 在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、 取样管、温度计管和测控仪表接口。
（3）通气功耗 当通气速率较高，而搅拌叶轮直径较小且转速较 低时，会出现搅拌器对液体流动和气体分散均基本 无影响的情况，习惯上称此为“溢流”现象。 要是机械搅拌通气不出现“溢流”现象，必须保 持下述条件：
n2 Vg 通风量；n 搅拌转速；Di 搅拌叶轮直径 适用于牛顿型流体、标 准几何尺寸的机械搅拌 观和涡轮搅拌器 Di 1.1[ Vg Di
5.富氧通风 通风发酵罐通常使用的是普通空气，当需 要提高相应的饱和溶氧浓度时，除了升高 操作罐压外，更有效的方法是用富氧空气 或直接通入氧气。
三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌
设计中各参数综合考虑 当用同一发酵罐进行试验时，若固定通气 量，则当搅拌叶轮形状、大小、数量、转速等 参数改变时，所需的通气搅拌功率也随之改变， 对发酵结果产生影响。 如何设计搅拌器以及怎样装配到搅拌轴上 小型发酵罐：全开式封头，法兰连接<1m3 Di<0.8m 大型发酵罐：开设人孔。
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第五节 生物反应器的剪切问题
负面影响：过度剪切会损伤细胞，导致活力 损失，对于易碎细胞甚至会出现破裂。 有利影响：在一定限度范围内剪切力，增强 热和质量传递速率。
第二章 通风发酵设备
• 发酵设备是发酵工厂中主要的设备，它提供了 一个适应微生物生命活动和生物代谢的场所。
• 由于微生物分厌氧和通风两大类， 故供微生 物生存和代谢的生产设备也就各不相同。
• 竖式蛇管换热装置 ① 优点：冷却水在管内的流速 大；传热系数高。这种冷却 装置适用于冷却用水温度较 低的地区，水的用量较少。 ② 但是气温高的地区，冷却用 水温度较高，则发酵时降温 困难，发酵温度经常超过40˚C， 影响发酵产率，因此应采用 冷冻盐水或冷冻水冷却，这 样就增加了设备投资及生产 成本。此外，弯曲位置比较 容易蚀穿。
竖式列管(排管)换热装置 – 列管形式分组对称装于 发酵罐内。 – 优点：加工方便，适用 于气温较高，水源充足 的地区。 ① 缺点：传热系数较蛇管 低，用水量较大。
（10）空气分布器 ①单管式：结构简单、实用管口正对罐底中 央，与罐底距离越40mm。
②环形管式：要求环管上的空气喷孔应在搅拌叶 轮叶片内边之下，同时喷孔向下以尽可能减少 培养也在环形分布管上滞留。 根据发酵场经验，喷孔直径取2~5mm为好， 喷孔的总截面积之和等于空气分布管截面积， 对机械搅拌同期发酵罐，分布管内空气流速取 20m/s左右。
Pg 2.25(
P0 nDi vg
0.08
2
3
) 0.39 103
P0、Pg 无通气和通气时的搅拌 功率，kW； Di 搅拌叶轮直径， ； cm v g 通气量，m L / min.
b.为了提高Vs以便强化溶氧传质，必须适当提高 搅拌转速或增大搅拌叶轮直径，以维持通气搅 拌功率不变，这样会使kLa增大。
（7）变速装置 试验罐采用无级变速装置。发酵罐常 用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或 螺旋圆锥齿轮减速装置，其中以三角皮 带变速传动较为简便。
（8）轴封 轴封的作用是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。
常用的轴封有填料函和双端面机械轴封两 种。
• 填料函式轴封的优点是结构简单。 • 主要缺点是： –死角多，很难彻底灭菌，容易渗 漏及染菌； –轴的磨损情况较严重； –填料压紧后摩擦功率消耗大； –寿命短，经常维修，耗工时多。
对大多数的通气发酵牛顿型培养液，持 气率的经验表达式为： h=1.8(Pg/VL)0.14vs0.75 Pg-搅拌功率 VL-发酵液体积 vs-空截面气速。 根据经验，通气发酵罐的装料系数范围 在0.6~0.85之间。
（2）通气速率：通常用空截面气速Vs表示。 a.根据福田秀雄等研究结果可知，提高Vs会使 通气搅拌功率下降。
二、反应器中的热量传递 由于含有微生物和细胞的过程的反应速 率相对低，因此局部温度变化的问题并不 普遍。即使高分子产物释放到培养基中。 产生很高的黏度，仍不需要将热传递作为 一个控制步骤。 搅拌发酵罐的热量传递可用化学反应器 设计的方程进行计算。 鼓泡塔的热传递速率远大于单相流所期 望的速率。 气升式反应器，如果内部再循环高，建 议采用管道传热方程计算。
• 不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生物培 养所必要的工艺要求外，还得考虑材质的要求 以及加工制造难易程度等因素。
通风发酵罐又称好气性发酵罐 如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵 母等发酵用的发酵罐。 好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中， 以供微生物所消耗的氧。
通风发酵罐的类型
• • • • • 机械搅拌发酵罐 气升式发酵罐 自吸式发酵罐 伍式发酵罐 文氏管发酵罐
一、细胞活动释放的热量 二、反应器中的热量传递
一、细胞活动所释放的热量
O2+基质 I完全氧化途径 CO2+H2O
ΔHs kJ/g被氧化基质
II呼吸 途径
III细胞氧化 途径 CO2+H2O+细胞 ΔHc kJ/g被消耗细胞
能量收率ηh： 基质中传递给氧的电子分数，也即每个有效电 子所释放的热量，可近似采用112.8kJ/单位传递给 氧的有效电子
机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。 它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵 液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证 供给微生物生长繁殖、发酵所需要的氧气。
机械搅拌发酵罐的基本要求
① 发酵罐应具有适宜的径高比。 ② 发酵罐能承受一定压力。 ③ 发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合， 保证发酵液必需的溶解氧。 ④ 发酵罐应具有足够的冷却面积。 ⑤ 发酵罐内应尽量减少死角，避免藏垢积污， 灭菌能彻底，避免染菌。 ⑥ 搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。
二、机械搅拌通风发酵罐的通风 与溶氧传质
1.气液相间的溶氧传质理论 溶氧传质的推动力就是气相与细胞内氧浓度之 差。 根据传质理论分析和实验研究结果证明，在大 多数的通气发酵场合，氧由气泡传递到液相中是 生物通气发酵过程中的限速步骤。 单位体积培养液溶氧速率为： OTR=kLa(c*-cL) a -单位体积发酵液的气液界面面积 kLa-体积溶氧系数 OTR-溶氧速率mol/(m3s)
（9）发酵罐的换热装置 • 夹套式换热装置 ① 这种装置多应用于容积较小的发酵罐、 种子罐； ② 夹套的高度比静止液面高度稍高即可， 无须进行冷却面积的设计。 ③ 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。 ④ 缺点：传热壁较厚，冷却水流速低，发 酵时降温效果差.
第一章 生物反应器设计基础 第一节化学计量基础 *1、化学计量方程 2、产率系数 3、化学计量的数学模型 第二节 生物学基础 一、细胞数动力学模型 二、 生长动力学 *三、产物形成动力学方程 四、高浓度基质及产物的抑制动力学 五、环境因素对生长及代谢的影响 第三节 生物反应器的质量传递
第四节 生物反应器的热量传递
（2）罐体的尺寸比例 ① H/D一般为1.7~4左右。 ② 发酵罐通常装有两组搅拌器， 两组搅拌器的间距S约为搅拌器 直径的三倍:S/Di=3 ③ 对于大型发酵罐以及液体深度HL 较高的，可安装三组或三组以 上的搅拌器。最下面一组搅拌 器通常与风管出口较接近为好， 与罐底的距离C一般等于搅拌器 直径Di，但也不宜小于0.8Di， 否则会影响液体的循环:C=Di
c.持气率和气泡均会随vs提高而增大。 vs <1.75~2/0m/min是安全的。 d.较低的通气速率和泡沫受水平可使敏感的 微生物如动植物细胞受损伤，甚至低搅拌 也是如此。在组织培养时采用的搅拌叶轮 要改进。 e.对固定不变的通气强度，空截面气速随反 应器规模的增加而提高。(见图1-2-6) 通气强度（vvm）：每立方米发酵液每分钟 通入多少立方米的空气。 vvm=Q/V Q-通风量，V-发酵液体积
最常用的发酵罐各部分的尺寸比例： H/D=1.7~3.5 Di/D=1/2~1/3 B/D=1/8~1/12 C/Di=0.8~1.0 S/Di=2~5 H0/D=2 视发酵种类、厂房条件、罐体积规模等 在一定范围内变动。 常用的机械搅拌通风发酵罐的系列体积 及主要尺寸p34.
（3）搅拌器 搅拌器的作用是混合与传质，打碎气泡， 使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵 液中。 搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式） 和径向式（涡轮式）两种。
（5）消泡器 • 消泡器的作用是将泡沫打破。 • 消泡器常用的形式有锯齿式、梳状式及孔 板式。孔板式的孔径约10~20毫米。 • 消泡器的长度约为罐径的0．65倍即0.65D。 • 最简单适用的消泡器是耙式消泡器。
（6）联轴器 ① 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刚 性联接。 ② 常用的联轴器有鼓形及夹壳形两种。小 型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接， 轴的连接应垂直，中心线对正。
本章讲述的内容
第一节 机械搅拌发酵罐 一、机械搅拌发酵罐的结构 二、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶传质 三、机械搅拌通风发酵罐的搅拌 第二节 气升式发酵罐 一、气升式发酵罐的特点 二、气升式发酵罐的结构及原理 三、气升式发酵罐的性能指标 第三节 自吸式发酵罐 一、自吸式发酵罐的特点
第一节 机械搅拌发酵罐
2.机械搅拌通风发酵罐的溶氧系数 在生化反应系统中，影响kLa的主要因素有： （1）操作条件：如搅拌、通风量等。 （2）发酵罐的结构及几何尺寸，如体积、通 气方法、搅拌叶轮结构和尺寸。 （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。
3.机械搅拌通风发酵罐的通风量 （1）持气率（Gas Holdup） h=(VLG-VL)/VL VLG-通气搅拌时气液混合体积 VL-不通气时溶液体积
1.搅拌叶轮尺寸和类型 ① 尺寸：搅拌叶轮直径与罐径之比 Di/D=0.33~0.45 ②类型：搅拌叶轮类型的选择主要考虑功 率准数、混合特性以及叶轮所产生的液流 作用力的大小和种类等等。
高能耗叶轮 所需搅拌 良好的气液分 剪切应力大 如圆盘涡轮 功率高 散，溶氧高 低能耗叶轮 所需搅拌 混合效果好尤 剪切应力小 如推进式 功率低 其是轴向混合
• 端面式轴封的优点： –清洁； –密封可靠； –无死角，可以防止杂菌污染； –使用寿命长； –摩擦功率耗损小； –轴或轴套不受磨损； –它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求 那么严格，对轴的震动敏感性小。 • 端面式轴封的缺点： –结构比填料密封复杂，装拆不便； –对动环及静环的表面光洁度及平直度要求 高。
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4.通气压强 提高罐压即提高风压，可是相应的饱和溶 氧c*增大，从而使溶氧速率提高，这是十分 经济有效的方法。 对一般的通风发酵罐，设计的加热灭菌 压强为0.15MPa。 提高罐压要求发酵罐的耐压程度升高， 所用的空气压缩机的输出压强增大，所需 设备投资增加，而且对生物细胞的生长和 代谢受影响。 大多数的发酵，罐顶压强取0.05MPa较 好。
轴向式搅拌器
桨叶式 螺旋桨式
径向式（涡轮式）搅拌器 （Disc turbine）
平直叶 弯叶 箭叶
搅拌叶轮大多采用：涡轮式， 最常用的是：平叶式或弯叶式圆盘涡轮搅拌器
（4）挡板 ① 挡板的作用是防止液面中央形成漩涡流动， 增强其湍动和溶氧传质。 ② 通常，挡板宽度取(0.1~0.2)D，装设4~6块即 可满足全挡板条件 ③ 全挡板条件：是指在一定转数下再增加罐内 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：