第五章 好氧发酵设备

（1）转子回转式：
工作原理：主要构件为自吸搅拌器和导 轮，简称为转子和定子。转子由轴带动， 定子可有可无。在转子启动前，用液体浸 没转子。启动后，由于转子的高速旋转， 液体受离心力的作用抛向叶轮外缘，在转 子中心形成负压，罐外的空气因转子中心 的负压而吸入，由导向叶轮均匀分布。转 子转速越大，产生的负压也越大。
三、自吸式发酵罐
它是一种不需要空气压缩机，而在搅拌 过程中自吸入空气的发酵罐。
优点：
1、省去了空压机及辅助设备； 2、便于自动化、连续化，劳动强度降低； 3、气泡小、溶氧系数高、能耗较低；
缺点：罐压较低，易污染杂菌，装料系 数不高。
根据空气进入罐内的方式不同可分为： 转子回转式、喷射式、溢流式三种。
（三）安全生产
（ 1）壁厚的设计：
采用夹套的发酵罐，按外压容器进行壁 厚计算：
S=D（ mPL ）0.4+C（ mm ） 2.6ED
罐内冷却的发酵罐，按内压容器进行壁
厚计算：
S=
PD 230[σ] φ－P
+C
(mm)
封头壁厚：
S=
PDY 200[σ] φ
+C（mm）
（2）死角和泄漏的消除 1、罐体及封头内壁加工应光滑，焊接时采 用双面焊，内外焊缝应打磨光滑；
可分为：外循环和内循环。
3、循环周期时间的确定
发酵液在上升管中溶解氧较高，进入下 降管后溶解氧会降低，为了保证微生物的 正常的代谢，需确定循环周期时间。
τ = V1 =
V1
(min)
V醪液 0.785d2ω·60
V1、V醪液——发酵醪液量、醪液循环量 ω——醪液在循环管中的线速度 d——循环管的内径(m)
8、其他影响因素
液面到喷嘴缩孔垂直高度H0 及到循环管、 导流筒出口高度h。
（一）带升式发酵罐
特点：冷却面积小，无需搅拌设备，装 料系数达80-90%。
1、结构：罐外设上升管，与罐底部和上 部相连接，构成循环系统，上升管下部装 设空气喷嘴，空气以250-300m/s的高速度喷 入上升管，因空气的动能以及比重不同引 起的压力差产生反复循环。
3、罐内竖式列管换热：适用于水源充足的 地方，传热系数低于蛇管，用水量大。
4、罐外半圆管为主，罐内竖式蛇管补偿 或板式换热器补偿。可增大罐内有效容积， 减少死角，此为将来发展趋势。
除以上换热方式外，还可采用安装在罐 外的板式或螺旋板式换热器进行换热。
（2）发酵过程热量计算
通常以一年中最热的半个月中每小时放 出的热量作为设计冷却面积的根据。
四、射流搅拌罐和喷射环流搅拌罐
利用静态混合器来代替动态混合器—搅 拌系统中最下部的一档搅拌，在满足同等 混合效果、溶氧量及发酵产率的条件下， 可节省能耗达30%。
工作原理：在通风发酵罐的底部装置若 干气体射流混合器。空气(表压0.2MPa)以高 速从喷咀喷出，在混合器中与在负压和卷 吸作用下吸入的液体混合后，以自由射流 方式射入罐中液层，上升气泡再遇搅拌器， 被再次分散后进入发酵罐上部空间后放空。
转子回转式发酵罐空气由自吸搅拌器的空心轴 进入罐内，空气利用率为24-28%，供给1kg氧的 耗电为0.4-0.5kw.h。
为了提高吸气量，降低转子的功率消耗，一般 采用矮罐较好，或提高转子的安装高度。
转子有三直叶型和四弯叶型：
三直叶型：吸气量大，压头高，但阻力大，功 率消耗大。
四弯叶型：多为后弯，阻力小，功耗小，剪切 作用小，吸气量也可以很大。
Q总=Q发+Q搅－Q汽
Q发=Q呼+Q代
Q呼=15659W呼 （KJ/h） Q代=4857W代（KJ/h） Q搅=4.186×860P （KJ/h） Q汽=4.186G(I出－I进) （KJ/h） W—单位时间耗糖量（kg/h）
P—搅拌功率（KW） I—空气的热焓（KJ/kg） (4) 通过燃烧热进行计算： Q总=∑Q作用物燃烧－∑Q产物燃烧
（3）消泡装置 泡沫形成的因素有：
通气和搅拌、培养基成分、菌体自溶
泡沫的危害：
1、减少发酵罐有效容积25-30%； 2、造成大量发酵液逃溢； 3、渗漏后易造成染菌； 4、影响通气和搅拌的效果； 5、妨碍微生物的呼吸，使代谢不正常，导 致菌体自溶；
常用消泡方法有化学消泡和机械消泡：
化学消泡：流加泡敌消除泡沫。
补料管：消泡、流加糖从罐顶加入；补 氨水、液氨从空气管道加入。
消泡电极接口在罐顶封头上。
6、罐装料容积的计算 公称容积：罐身部分和底封头的容积之
和（与贮罐相区别）。
V=V1+V2=π ·D2(H0+ha+D/6)/4 （ha可忽略不计） 罐实际装料量：V0=V · η (η =0.6-0.85) 圆筒部分装料高度：
(3) 环形多支管：在环形管底部设置4-6根“L” 型支管，开口均朝发酵罐中心线，结构简 单．但对罐底沉积物的清除往往不彻底；
(二) 换热装置
（1）换热方式：
1、夹套换热：应用于V＜20m3，结构简单， 死角少，但壁厚，降温效果差。加导流板 可增大传热系数。
2、罐内竖式蛇管换热：传热系数高，但弯 曲部位易蚀穿。
第五章 好氧发酵设备
高效反应器的特点是设备简单、不易染菌， 体积小，电耗小，单位时间、单位体积的生 产能力大，代谢热易于移除，操作方便、安 全。
对于好氧发酵来说，生物反应器还以溶氧 系数的高低及传递1kg氧所耗的功率大小作 为衡量罐优良的基本指标。
第一节 通风发酵罐类型
好氧发酵将空气或纯氧不断通入发酵液 中，供给微生物所需的氧，气泡越小，气 液接触面积越大，氧的溶解速率也越快， 氧的利用率也越高，产品的产率也越大。
3、轴承：老式发酵罐一般采用中间轴承和 底轴承，作用是防止轴剧烈摆动及承重；
中间轴承采用的是三拉杆式； 底轴承采 用三足式。
由于罐内的轴承死角太多，轴的磨损较 大，功率消耗也打，现为稳定环所代替。
稳定环安装在搅拌桨的下端，当它在液 体中随轴转动时，液体会对它的摆动产生 阻尼作用，使得最终摆动停止。
4、喷嘴直径的确定 根据实验得出的数据： 当Re空气＞Re醪液+250时，气泡分裂细碎较
好。
Re=V/d1·ν 5、反应器高径比
H/D=5-9时，有利于混合与溶氧。
6、导流筒径与罐径比DE / D： 适宜的 DE / D=0.6-0.8
7、导流筒或循环管内平均环流速度：
平均环流速度vm可取1.2-1.8m/s，这有利 于混合及气液传质。
第二节 机械搅拌发酵罐
虽然，发酵罐的种类很多，但是由于其 他类型发酵罐应用的产品范围较窄，其流 行程度远不如机械搅拌发酵罐，约92%的发 酵工厂在使用机械搅拌发酵罐。
本节主要以机械搅拌发酵罐为研究对象， 对它的几何尺寸，安全生产、温度控制、 搅拌系统、比拟放大等问题进行探讨。
（一）几何尺寸
1、高径比：对于好氧发酵来说，罐高有 利于提高氧的利用率，但罐高需要提高压 缩空气的压力，能耗增加，同时顶料和底 料混合不均，厂房较高，投资较大。
挡板的作用是防止液面中央产生旋涡， 促使液体激烈翻动，提高溶解氧。挡板宽 度为（0.1-0.12）D。当满足全挡板条件时， 增加罐内附件，轴功率不变。
WZ/D=0.5 即：(0.1-0.12)Z=0.5
5、管口位置： 孔：为了便于操作和维修，封头上的
人孔离操作层高度在0.7m左右，大小为 500×450。
1、搅拌桨： 发酵工程中常用的是涡轮搅拌桨，属径
向搅拌器，分平叶、弯叶、箭叶，叶片数 为3-8，常用的是六叶。
径向混合：平叶＞弯叶＞箭叶
轴向混合：平叶＜弯叶＜箭叶
功率消耗：平叶＞弯叶＞箭叶
由于涡轮搅拌桨功率消耗较大，同时剪切
作用对微生物的损伤也大，现在对轴向流 搅拌桨的研究正在展开，如：螺旋桨搅拌 桨和翼型搅拌桨。
1、通过冷却水带走的热量进行计算
测定冷却水的流量及进出口的温度，按公 式计算：
Q最大=4.186WC(t2-t1)/V 2、通过发酵液温度升高进行计算
在最热季节，选择产热量最大最快的时 刻，先控制温度恒定，关闭冷却水，测定 发酵液在半小时内升高的温度，由公式计 算：
Q最大=2×4.186(GCt+G1C1t)/V 3、通过生物合成热进行计算：
（2）喷射自吸式发酵罐
工作原理：用泵将发酵液泵如文丘里管 或喷射泵，由于液体在文丘 里管或喷射泵 的收缩段流速增加，形成真空，将罐外的 空气吸入，并使空气分散，与液体均匀混 合，提高发酵液的溶解氧。当收缩段液体 的雷诺准数在6×104以上时，吸气量较好。
（三）溢流喷射自吸式发酵罐
工作原理：液体在溢流时形成抛物流， 由于液体表面层作用，使靠近液体表面层 的气体边界层具有一定的速度，从而形成 气体的流动和自吸作用。当液体处于抛射 非淹没溢流状态，溢流尾管略高于液面， 尾管高1-2m时，吸气量较大。
机械消泡：利用机械消泡装置来打碎、 分离泡沫，
常用的装置有：耙式消泡器、离心式消泡 器、刮板式消泡器、射流消泡器、碟片式 消泡器等。
消泡装置给罐内带来了死角，同时还消 耗能量，不如化学消泡效果好，若消泡剂 对后处理影响较小，可单用化学消泡。
（四）搅拌系统
搅拌系统由轴、搅拌桨、联轴器、轴密 封、减速机、电机、轴承等组成。
通风发酵罐有：气升式、机械搅拌式、 自吸式，射流搅拌式等。
一、气升式发酵罐
1、 特点：结构简单、不易污染、传氧效率 高，能耗低、剪切力低、安装维修方便。
2、 工作原理：空气由下部的喷嘴或喷孔喷 入，使发酵液和空气充分接触。由于下部 含气率高的培养基比重小，上部含气率低 的培养基比重大，比重不同产生的压力差 以及压缩空气的动能，推动培养基在罐内 沿循环管或导流筒循环。
由于轴向流搅拌桨的混合效果差于径向
流搅拌桨，容易在罐内造成死区，气泡分 散也不好，单纯使用轴向流搅拌桨的情况 不多。研究人员发现 对气泡分散效果最好