气升式发酵罐

13
内循环气升式罐运转特点
内循环气升式罐分为三个区域：气体上升区； 内循环气升式罐分为三个区域：气体上升区； 液体下降区；气液分离区。进入上升区的空气被 液体下降区；气液分离区。 分散，上升的气泡引起液体向上流动。气泡在分 分散，上升的气泡引起液体向上流动。 离区逸出液体，液体向上的力被抵消，转而向下 离区逸出液体，液体向上的力被抵消， 流动，由此导致液体循环并促进混合。导流筒的 流动，由此导致液体循环并促进混合。 主要功能，一是增强罐内整个液体的混合；二是 主要功能，一是增强罐内整个液体的混合； 降低气泡的聚并；三是平均了整个罐内的剪切力； 降低气泡的聚并；三是平均了整个罐内的剪切力； 这最后一条被认为是气升式罐产出高于机械搅拌 罐的主要理由。分离区的作用：增加液体体积； 罐的主要理由。分离区的作用：增加液体体积； 降低泡沫量；使下降液体的含气量最小。 降低泡沫量；使下降液体的含气量最小。
14
15
气升式发酵罐 - 指标及配置
1温度温度控制冷却水温度 ℃-80℃±0.2℃ 温度温度控制冷却水温度+5℃ ℃ 温度温度控制冷却水温度 ℃ 发酵过程顺序控制（根据发酵时间，温度自动变量控制，至少10 发酵过程顺序控制（根据发酵时间，温度自动变量控制，至少10 段） 2pH显示范围 0.00~14.00± 显示范围： 2pH显示范围：0.00~14.00±0.01 全自动控制范围：2.00~12.00± 全自动控制范围：2.00~12.00±0.05 发酵过程顺序控制（根据发酵时间，pH自动变量控制 至少10 自动变量控制, 10段 发酵过程顺序控制（根据发酵时间，pH自动变量控制,至少10段） 3DO0-200± ％，显示精度0.1％ 显示精度0.1 3DO0-200±3％，显示精度0.1％ 根据需要可以与转速或补料及罐压关联控制 发酵过程顺序控制（根据发酵时间，DO自动变量控制 至少10 自动变量控制， 10段 发酵过程顺序控制（根据发酵时间，DO自动变量控制，至少10段） 泡沫全自动PID PID控制与报警 4泡沫全自动PID控制与报警 灵敏度100~100000Ω 灵敏度100~100000Ω 发酵过程顺序控制（根据发酵时间，泡沫自动变量控制,至少10 10段 发酵过程顺序控制（根据发酵时间，泡沫自动变量控制,至少10段） 补料全自动设定控制发酵过程分段控制（根据发酵时间， 5补料全自动设定控制发酵过程分段控制（根据发酵时间，补料自 动变量控制，至少10 10段 压力手动控制， 动变量控制，至少10段）6压力手动控制，仪表显示 7空气流量手 16 动控制， 动控制，仪表显示
3
4
气升式发酵罐的发展
在发酵罐发展史中，机械搅拌式发酵罐算 是较为先进的。但是其中仍存在些不利因 素： 消耗功率过大； 剪切作用影响某些微生物的菌丝生长形态； 生产 制造和运行费用较高等；由于存在不易解 决的传 热、混合、反应等问题，罐容积受到限制。
5
为克服机械搅拌罐存在的缺点， 为克服机械搅拌罐存在的缺点， 人们对气升 式发酵罐的研究开发日益重视。 式发酵罐的研究开发日益重视。 主要实现的目标 是：生产水平要高于或等于机 械搅拌罐， 械搅拌罐，要节省 能源，从而降低发酵成本， 能源，从而降低发酵成本，提 高产品的竞争力。 高产品的竞争力。
实验用气升式玻 璃发酵罐（实物） 璃发酵罐（实物）
BIOTECH 实验用气 升式发酵 罐
12
（6)操作和维修方便：因气升式发酵罐无机械搅 6)操作和维修方便： 操作和维修方便 拌系统，所以结构较简单，能耗低，操作方便， 拌系统，所以结构较简单，能耗低，操作方便， 特别是不易发生机械搅拌轴封容易出现的渗漏染 菌问题 。 另外因无机械搅拌热产生，所以发酵总热量较低， 另外因无机械搅拌热产生，所以发酵总热量较低， 便于换热冷却系统的装设。 便于换热冷却系统的装设。
18
该气升罐的独特之处在于： 该气升罐的独特之处在于： 1、导流筒内设计了特殊的混合元件，利用混 、导流筒内设计了特殊的混合元件， 合元件强化传质； 合元件强化传质； 2、独特的空气分布器； 2、独特的空气分布器； 3、导流筒的节数、直径、罐体高度、罐径的 、导流筒的节数、直径、罐体高度、 参数合理，发酵液的循环适应菌体的生理活动； 参数合理，发酵液的循环适应菌体的生理活动； 4、混合元件的结构简洁流畅，无死角，不积 、混合元件的结构简洁流畅，无死角， 垢。
2
气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓 气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、 泡式、空气喷射式等， 泡式、空气喷射式等，生物工业已经大量应用的气升 式发酵罐有气升内环流发酵罐、 式发酵罐有气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流 发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐。 发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐。
10
4)传热良好：好气发酵均产生大量的发酵热， 4)传热良好：好气发酵均产生大量的发酵热，如 传热良好 酵母培养旺盛期发酵热高达3.0 4.0×105kJ／ 3.0～ 酵母培养旺盛期发酵热高达3.0～4.0×105kJ／ (m3.h)，而传热温差则只有几度，尤其夏季， (m3.h)，而传热温差则只有几度，尤其夏季，若 使用非冷冻水，则只有3-10℃左右，故需很大的 使用非冷冻水，则只有3 10℃左右， 左右 换热面积与传热系数。 换热面积与传热系数。气升式反应器因液体综合 循环速率高， 循环速率高，同时便于在外循环管路上加装换热 以保证除去发酵热以控制适宜的发酵温度， 器，以保证除去发酵热以控制适宜的发酵温度， 其示意图如图。 其示意图如图。
9
(2)较高的溶氧速率和溶氧效率： (2)较高的溶氧速率和溶氧效率：气升式反应器 较高的溶氧速率和溶氧效率 有较高的气含率和气液接触介面， 有较高的气含率和气液接触介面，因而有高传 质速率和溶氧效率， 质速率和溶氧效率，体积溶氧效率通常比机械 搅拌罐高。 搅拌罐高。 (3)剪切力小，对生物细胞损伤小： (3)剪切力小，对生物细胞损伤小：由于气升式 剪切力小 反应器没有机械搅拌叶轮， 反应器没有机械搅拌叶轮，故对细胞的剪切损 伤可减至最低， 伤可减至最低，尤其适合植物细胞及组织的培 养。
7
气升式发酵罐的用途
该设备可广泛用于抗生素、氨基酸、酶制 剂、维生素、有机酸等好氧性发酵过程。 在化工方面可用于气-液、气在化工方面可用于气-液、气-液-固反应过 程。在环保方面可用于污水处理。目前该 设备在国内用于谷氨酸、抗生素、黄原胶、 糖化酶、柠檬酸生产，设备体积已达到 140m3，投入使用后取得了非常显著的经 140m3，投入使用后取得了非常显著的经 济效益。发酵所必须的空气在静态混合元 件内外上下流动，带动发酵液循环，促进 气-液充分混合。
具有外循环冷却的气升环流式发酵罐 1一发酵罐 2一通气管 3一发酵液进口 4一空气分 布器 5一空气进口 6一循环泵 7一发酵液出口 8一 热交换器 9一喷嘴 10一发酵液出料口 12一排气管
11
(5)结构简单，易于加工制造： (5)结构简单，易于加工制造：气升式反应器罐内 结构简单 无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统， 无机械搅拌器，故不需安装结构复杂的搅拌系统， 密封也容易保证，所以加工制造方便，设备投资低。 密封也容易保证，所以加工制造方便，设备投资低。 同时大型和超大型发酵反应器放大设计制造也已实 现。
8
1、气升环式反应器的特点
前面已经简单提到气升环式反应器的特点， 前面已经简单提到气升环式反应器的特点，由于气升环流 反应器内没有搅拌器，并且有定向循环流动， 反应器内没有搅拌器，并且有定向循环流动，下面具体说 明。 (1)反应溶液分布均匀：气液固三相的均匀混合与溶液成分 (1)反应溶液分布均匀 反应溶液分布均匀： 的混合分散良好是生物反应器的普遍要求，因其流动、 的混合分散良好是生物反应器的普遍要求，因其流动、混 合与停留时间分布均受到影响。 合与停留时间分布均受到影响。对许多间歇或连续加料的 通气发酵，基质和溶氧尽可能均匀分散， 通气发酵，基质和溶氧尽可能均匀分散，以保证其基质在 发酵罐内各处的浓度都落在0.1％～ ％～1 范围内， 发酵罐内各处的浓度都落在0.1％～1％范围内，溶解氧为 10％一30％。这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利。 10％ 30％。这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利。 ％。这对需氧生物细胞的生长和产物生成有利 此外，还需避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层， 此外，还需避免发酵罐液面生成稳定的泡沫层，以免生物 细胞积聚于上而受损害甚至死亡。 细胞积聚于上而受损害甚至死亡。还有培养基成分尤其是 有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬浮分散。 有淀粉类易沉降的颗粒物料，更应能悬浮分散。气升环流 反应器能很好地满足这些要求。 反应器能很好地满足这些要求。
6
气升式发酵罐与鼓泡塔式发酵罐相似， 气升式发酵罐与鼓泡塔式发酵罐相似，所不 同的是气升式罐含有导流筒，鼓泡塔式罐没有。 同的是气升式罐含有导流筒，鼓泡塔式罐没有。 导流筒内置称内循环式，外置称外循环式。 导流筒内置称内循环式，外置称外循环式。内循 环气升式发酵罐是以压缩空气鼓泡与罐内导流装 置作用实现气液混合。有关这类罐型的功耗指标， 置作用实现气液混合。有关这类罐型的功耗指标， 一般是内循环气升式发酵罐功耗为3． 一般是内循环气升式发酵罐功耗为 ．5kw／m3，而 ／ ， 机械搅拌罐的功耗为5一 机械搅拌罐的功耗为 一lOkw／m3。目前，世界上 ／ 。目前， 最大的工业发酵罐是气升式发酵罐。 年英国ICI 最大的工业发酵罐是气升式发酵罐。1984年英国 年英国 公司以导流筒内多孔板分布结构的超大型内循环 罐型用于烃类发酵生产酵母取得成功。 罐型用于烃类发酵生产酵母取得成功。该公司气 升式发酵罐高200英尺，直径 英尺，容积 英尺， 英尺， 升式发酵罐高 英尺 直径25英尺 容积800 多立方米。 多立方米。
我国在这方面的成果—YZ型气升筛 我国在这方面的成果—YZ型气升筛 板式发酵罐
用于利福霉素发酵生产的YZ型气升筛板式发 用于利福霉素发酵生产的YZ型气升筛板式发 酵罐，是由多年从事发酵生产工作的技术人 员研究设计的，参考了国内外已有的气升 式发酵罐的结构，结合发酵生产实际，经 多次改进，取长补短，优化结构。在生产 应用中Fra bibliotek得了良好的效果。