第六章第三节 通风发酵设备

弯曲叶片

弯曲叶片的优点：
①使其背面的漩涡减小，抑制
叶片后方形成气穴，提高载
气能力；
②改散了分散和传质能力。
弯曲非对称叶片

1998，Bakker提出 上面叶片略长于下面 叶片，避免了气体过 早的从叶轮区域上升 逃逸；采用抛物线设 计，能明显减少叶片 后方气穴。
②轴向流搅拌器

径向流搅拌器对气体分散的能力较强，
层搅拌器选择径向流搅拌器，上层搅拌器选择轴向流 搅拌器。
（3）挡板
挡板的作用： 阻止液面中央部分产生下凹的旋涡，促使液体激烈翻动， 增加溶解氧。挡板宽度一般为（0.1～0.2）D，装设4～6块 即可满足全挡板条件。 全挡板条件：在一定转数下再增加罐内附件而轴功率仍 保持不变。达到全挡板条件的要求，须满足： 0.1 ~ 0.2D z 0.5 W z D D
1.人孔；2.视镜；3.空气管；4.上升管；5.冷却器；6.单向阀门；7. 空气喷嘴；8.带升管；9.罐体
3、带（气）升式发酵罐源自特点1、结构简单，冷却面积小； 2、无搅拌传动设备，节约动力约50％，节约钢材； 3、操作无噪音； 4、料液可充满达80～90％； 5、维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。
一、机械通风搅拌发酵罐的基本要求
4、发酵罐应具有足够的冷却面积。
这是因为微生物生长代谢过程放出大量的热量必须通 过冷却来调节不同发酵阶段所需的温度。
5、发酵罐应尽量减少死角，避免藏垢积污 ，灭菌能彻底。 6、搅拌器轴封应严密，尽量减少泄漏。
二、机械搅拌通风发酵罐的结构
1、主要部件有
罐体；搅拌器、挡板、传动装置、 轴封；空气分布器；消泡器；冷 却管（或夹套）；人孔、视镜、 各种接口等。
Ⅳ 气升环流式发酵罐（ALR）
1、混合原理： 利用通入反应器内的空气上升时的动力来 带动发酵液的运动，从而达到混合的目的。 即：把具有一定压力和流速无菌空气通过喷嘴 或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍 流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的 气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小 的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与 溶氧传质。

Ⅴ自吸式发酵罐


自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机提供加 压空气，而依靠特设的机械搅拌吸气装置或液 体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合 搅拌与溶氧传质的发酵罐。 自20世纪60年代开始欧洲和美国展开研究开发， 然后在国际和国内的酵母及单细胞蛋白生产、 醋酸发酵及维生素生产等获得应用。
一、种类
缺点
结构比填料函复杂，装拆不便，对动环和静环
的表面光洁度及平直度要求高，否则易泄漏。
单孔管的出口位于最下面的搅拌 器的正下方，开口往下，以免培 作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。 养液中固体物质在开口处堆积和 罐底固形物质沉淀。 (a)单管式分布装置：
(5)空气分布装置
管口正对罐底中央，与罐底的距离约40mm， 这样的空气分散效果较好。 (b)环形管分布装置： 以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直 径为φ 5～8mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约 等于通风管的截面积。空气流速取20m/sec。
一液一固（细胞）三相的混合与质量传递；
②有利于热量的传递；
③加强气液之间的湍动，增加气液接触面积及延长气液接触 时间。
（2）搅拌器的结构与类型：
实现上述目的，搅拌器的设计应使发酵液有足够 的径向流动和适度的轴向运动。
发酵罐采用的搅拌器主要有径向流搅拌器、轴向
流搅拌器和组合式搅拌器。
①径向流搅拌器
D－罐直径（ mm ） z－挡板数 W－挡板宽度（ mm ）
(4)轴封
轴封的作用：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。常用的轴封有填料 函和端面轴封两种。
填料函式轴封
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。填 料室的宽度可根据轴的 直径决定。
2、主要部件

自吸装置：由转子和定子组成。 转子（叶轮）形式有：三叶轮、四弯叶 轮、六叶轮等形式。常见的为三叶轮和 四弯叶轮。叶轮都是空心体，叶轮直径 为罐直径的1/3到1/15。
2．发酵罐的部分部件
（1）罐体
结构：圆柱体和椭圆封头或碟形封头焊接而成，
材料为碳钢或不锈钢。大型发酵罐可用衬不锈钢制成。
刚度和强度：受压容器，空消或实消，通常灭菌的压力为 2.5Kgf/cm3。 小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接。顶部设有清洗用的 手孔。
封头、封底

椭圆形封头（底盖）
碟形封头（底盖）
2、结构类型：
外循环与内循环气升式发酵罐
环流管的布置可以装在罐外，称为外循环 也可装在罐内，称为内循环。


外循环气升式发酵罐 在罐外装设上升管，其两端与罐底及罐上部相连 接，构成循环系统。在上升管的下部装设空气喷 咀，空气以250～300（m/s）的速度喷入上升管 ，借喷咀的作用使空气泡分割细碎，与上升管的 发酵液密切接触。由于管内的发酵液轻，加之压 缩空气的喷流动能，使上升管的液体上升，罐内 液体下降而进入上升管，形成反复循环，供给发 酵液所耗的溶解气量，使发酵正常进行。
耙式消泡器结构
(7)传热装置

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
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。

（Ⅱ）通风发酵罐的类型
常用的通风发酵罐有 机械搅拌式 气升环流式 自吸式 鼓泡式等。
其中机械搅拌通风发酵罐占主导地位。
（Ⅲ）机械搅拌通风发酵罐

机械搅拌通风发酵罐在生物工程占了发酵罐总
数的70％～80％。又常称之为通用式发酵罐。

这类发酵罐大多用于通风发酵，靠通入的压缩
无菌空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、促使

Rushton涡轮是最典型的径 向流搅拌器，其结构简单， 通常由一个圆盘上面带六个 直叶叶片，也称为六直叶圆 盘涡轮。设置圆盘的目的是 为了防止气体未经分散直接
从轴周围溢出液面。
大型发酵罐 搅拌装置
搅拌电机
搅拌桨
上封 头
①径向流搅拌器

随着发酵规模的扩大，这种结构并不是适用于气－液
分散的最优结构。Smith等发现，当用六直叶圆盘涡轮 式搅拌器把气体分散于低黏流体时，在每片浆叶的背 面都有一对高速转动的漩涡，漩涡内负压较大，从叶 片下部供给的气体立即被卷入漩涡，形成气体充填的
好氧发酵罐
Ⅰ、通风发酵设备 Ⅱ 通风固相发酵设备 -----固态反应器
Ⅰ、通风发酵设备
（ Ⅰ ）对通风发酵设备的要求 大多数的生化反应都是需氧的，通风发酵设 备是需氧生化反应设备的核心和基础。 例：氨基酸、有机酸、抗生素、酶制剂、酵母 等 对通风发酵设备的要求：
1、良好传质和传热性能，培养基流动与混合良好，特 别是溶氧性能，供养速率通常被认为是在生物反应器的选 择和设计的主要问题； 2、结构严密，防杂菌污染，是必须保证的条件；能耗 低，运转经济性好； 3、必要的检测与控制仪表； 4、设备较简单，方便维护检修。
竖式列管（排管）换热装置


以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，当流速较快时降温速度 快。 缺点：传热系数较蛇管低，用水量也较 大。
通风发酵罐复习题（一）
1、画出通用式发酵罐简示图，并说明其主 要结构及其作用。 2、简述挡板的作用及全挡板条件。 3 、简述两种轴封形式的优缺点。 4、简述生物反应过程起泡的原因、危害， 设计出几种消泡装置并作简要说明。
空穴（称为气穴），气穴的存在会影响发酵罐内的气
－液传质能力。
影响气－液传质能力的原因：

因为气体不是直接被搅拌器剪碎而分散的，而是首先
在浆叶的背面形成稳定的气穴，而后气穴在尾部破裂
，这些小气泡在离心力的作用下被甩出而分散至液体 内。气穴的存在使得Rushton涡轮的效率降低，特别在 高气速下，有时整个搅拌器被气穴包围，搅拌器近似 空转，效率很低，气体穿过搅拌器直接上升到液面。
优点


结构简单 加工容易 罐内无冷却设备，死角少，容易进行灭 菌工作，有利于发酵。 缺点是传热壁较厚，冷却水流速低，降 温 效 果 差 ， 传 热 系 数 400 ～ 600KJ/(m2· ℃) h·
竖式蛇管换热装置




竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，有四 组、六组或八组。 5m3以上的发酵罐多采用 优点：冷却水在管内的流速较快，传热 系数高。约为1200～2000KJ/(m2· ℃) h· 缺点：弯曲部位容易被腐蚀，增加培养 液中金属离子的浓度，腐蚀而形成穿孔 ，引起污染。
但其作用的范围较小。随着发酵规模的
不断扩大，其缺点也越发明显。尤其对
于要求整罐混匀好，剪切性能温和的过 程，径向流搅拌器往往无能为力。
②轴向流搅拌器

A315搅拌器特别适合于气
－液传质过程。

与Rushton涡轮相比，持气 量高80％，气体分散量提 高4倍，产量提高10％～50 ％，剪切力仅为Rushton涡 轮的25％。
(6)消泡装置
1）起泡原因：发酵液中含有蛋白质等发泡物质，故在 通风、搅拌时产生气泡物质。
2）危害：减少装料系数、料液外溢（随排风、各接口、轴封 等），并易引起染菌。
3）消泡方法： 加入化学消泡剂； 使用机械消泡装置。 通常，是把上述两种方法联合使用。 4)最简单实用的消泡装置为耙式消泡器，可直接安装 在上搅拌的轴上，消泡耙齿底部应比发酵液面高出适 当高度。