发酵罐设备分类简介

发酵罐设备分类简介

发酵罐

用于抗生素、氨基酸等近代生物技术产品的发酵罐，其主要形式结构未见有突出进展的介绍，而有关性能操作的部件却有日新月异的发展。主要是：

罐型结构

在生产规模应用的发酵罐大部分的型式，仍然是机械搅拌式、液体喷射循环式和压

缩空气鼓泡式三大类型。

1、机械搅拌式发酵罐

主要是从径向液流的涡轮搅拌器向轴向液流的翼型叶轮及其组合结构的研究方向发展，Lightnin公司的A315为首的轴向叶轮在80年代问世以后，许多国家的类似研究报道陆续发表，其几何尺寸大同小异，叶轮与罐径之比一般为0.5，搅拌功率常数为0.75。同时类似的结构ProchemMaxflo T搅拌器，叶轮与罐径之比稍小，为0.47，而搅拌功率常数为1.0。随之而起的还有Scaba 6SRGT搅拌器，叶轮与罐径之比为0.44。搅拌功率常数为1.40；另一种Ekatolnter搅拌器的叶轮与罐径之比则大至0.60，搅拌功率常数小至0.30，特别适用于高粘度的培养液的混合过程，并且对被

培养的生物体的剪切力也相当小，在配对使用时，具有良好的效果。

这些搅拌器虽然大都能够在不同程度上节约能量、提高气液接触效率。但是并不能完全取代涡轮搅拌器，不少生产工厂往往采用这类搅拌器与径向液流的涡轮搅拌组合使用，适当改变搅拌叶距，收到取长补短的效果，也有不少技术革新的介绍。国内已有不少单位进行研究开发，也有工厂曾经引进现成组件，在青霉素、柠檬酸、黄元胶等产品进行过15～100吨罐规模的试验。

2、液体喷射循环式发酵罐

这类罐型有塔式和罐式两种，通过动力输送培养液经过设在顶部或底部的喷嘴在高速液流下与压缩空气或自行吸入的空气进行混合，在反应器内自上而下或自下而上地经过或不经过导流筒或筛板进行分隔，实现发酵过程。对于大型发酵罐，由于搅拌罐的功率消耗太大，发展这类罐型仍然受到重视。研究开发的重点是喷嘴型式和结构。总的趋势是由双喷嘴向单喷嘴方向发展，从改进几何尺寸着手，提高气液比和混合效率。对于大型的罐式生物反应器，一种较新的构型是液体由下方的喷嘴进

入发酵罐的底部后，经过倒锥形折流装置沿着径向分散，与来自上方的喷嘴送入的气体同样被倒锥的上底折流，相互混合，均匀分布，由罐底上升，实现发酵过程。对于非丝状菌的大规模培养很有实用价值。国内也有工程开发的介绍，部分曾在中

试规模进行试验。

3、压缩空气鼓泡式发酵罐

这类发酵罐在1984年英国ICI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以后，近一、二十年来开发的结构多种多样。国内已有100吨罐用于山梨醇发酵试验，400吨罐用于衣康酸的生产和200吨以上多种规模的谷氨酸生产，有环隙气升式、外循环气升式等不同构型，都有比较显著的效

果。

有关这类罐型的功耗指标，一般的内循环气升式罐功耗为3.5kw/m3，其KLa仅为350/h；循环气升式反应器的功耗为5kw/m3，其KLa亦仅400/h。国外对这类反应器的主要开发进展是追求节约功耗、提高溶氧水平，如多层筛板式反应器的功耗水平为3.5kw/m3，而KLa可达1000/h。国内在这方面还存在较大差距。

关键部件及相关技术

1、传动结构

国外生产规模的发酵罐大都采用底伸式搅拌轴，已有多年的历史。部分工厂的165吨罐还有顶伸式搅拌轴的结构，与国内相仿，但其传动方式均为变速电动机通过齿轮箱直接传动，其变速方式最初为二次液体变速器，最大功率可达450kw，投资较低；目前以变阻变频法为多，投资稍高，控制较为方便。都可根据发酵过程的溶氧需要而随时调整转速，可以稳定产量、降低能耗。而国内长期以来仍然停留在齿轮减速机与皮带轮的组合结构，罐顶负荷重、车间噪音大，功耗也较高，80年代以来，变频调速己在中小型罐上开始应用，大型罐尚未有进展。此外，国外的底伸式搅拌轴结构的传动方式，有的还考虑到料液重量参数自动检测的需要，对减速装置进行特殊设计，使安装在三只罐体支座的压力传感器称得的重量，仅为料液与传动系统轴承以上的罐体部分的重量，保证了重量参数检测的需要和精度。

2、罐体加工

有关罐体制造材料，国外对于小型罐，历来都是选用316L不锈钢、中型罐为304

不锈钢，而大型罐通常均选相应的复合不锈钢板材，内外的光洁度都有一定要求。有关换热方式，国外早已采用缠绕式半管或角钢焊接组成换热盘管结构，既提高传热系数，又简化罐内亢杂的盘管结构，还可以节约钢材、减少污染机会。国内生产规模的发酵罐，由于材料供应、节约造价等历史原因，以碳素钢板为主，缠绕式换热结构仅有个别单位开始掌握，有待普及。

3、阀件

对于具有多种自动检测、调控和补料系统的发酵罐，一般需要大约10只开口和60只阀门。针对发酵管道复杂、阀门密集而又要求密闭不漏、易于灭菌、便于维护的特点，对于一般连接的阀门，国外近年来强调采用隔膜阀和球阀，不再使用国内常用的球心阀之类的阀门。特别是性能优异的隔膜阀，其规格品种很多，阀片材料也可选择订货，特别适用于灭菌操作的三通隔膜阀也有多种牌号，其中的一种可以耐温150℃，耐压达0.6MPa，公称尺寸有DN10，15，25，50。应用这类阀门可以在很大程度上简化管道布置、节约阀门用量，稍除灭菌“死角”，特别适用于CIP操作

的要求。

针对发酵罐配套的接种、取样、出料、进罐空气有关关键部位的阀门，国外发酵设备生产厂商不断开发专用的阀门，以满足无菌操作的需求。专用的罐底出料阀的设计已有多年历史。从防止污染和简化操作出发，NBS公司推出的可随时灭菌的密闭取样阀，由特殊设计的球阀、蒸汽灭菌装置以及相应的连接构件组成，可取代以往常用的取样管道和至少需要三只阀门的安装结构，而目料液损失极少，无污染的后顾之忧。该公司推出的双位式中间补料阀，可以在发酵过程根据工艺要求随时进行灭菌和补料操作，适合于中小型罐的安装使用，在行业内备受推崇。Chemap公司还开发出一种安全连接阀SACOVA用于活动管通的移种，Bioengineering公司开发的移种用快开接头、适用于针头-隔膜法的接种头与移种管道的连接，还有可以现场进行灭菌补料的注射阀等新型发酵罐专用阀件，近年来都迅速推向市场。

4、管道

生产规模发酵罐有关料液、供水、供气、乃至与空气系统连接的蒸汽管道，国外一直是采用不锈钢管。对于罐与罐之间的补科、移种、倒种等操作，国外早已放弃固定管道连接的接种站方式，通常采用一种可拆卸的快开软管进行现场连接。最新的产品是聚四氟乙烯衬里结构、套管壁厚lmm，不锈钢丝铠装、接头材料为316不锈钢，采用卡套连接，安装方便，可以弯曲，易于清洗，灭菌彻底、减少污染机会。这种软管可以耐热至232℃，耐压2.72MPa，内径与长度有多种规格可供选择订货。