第六章 通风发酵设备

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。
形式：填料函和端面轴封两种。目前多用端面式轴封。 填料函式轴封是由填料箱体、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。
端面式轴封又称机械轴封。密封作用是靠弹性元件 （弹簧、波纹管等）的压力使垂直于轴线的动环和静环光
3、发酵罐的结构 （1）罐体：
材料为炭钢或不锈钢，且应有一定的承压能力， 2.5kg/cm2。
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。
罐身上的接管有：冷却水进出管、进空气管、 温度计管和测控仪表接口。
（2）搅拌器和挡板：
作用：打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶 解于醪液中。
形式：平叶式、弯叶式和箭叶式。平叶式功率消耗 较大，弯叶式功率消耗较小。
大型搅拌器一般做成两半型，用螺栓连成整体，便 于拆卸。
挡板的作用： a、改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使 液体激烈翻动，增加溶解氧。
b、防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料 液以上，起不到搅拌作用。 全挡板条件：在一定转速下，再增加罐内附件而轴功 率仍保持不变。 竖立的蛇管、列管、排管也可以起挡板作用。 挡板宽度：（0.1～0.12）D，装设4～6块即可满足全 挡板条件。 挡板与罐壁之间的距离：挡板宽度的(1/5～1/8)，避 免形成死角，防止物料与菌体堆积。
被迫向轴心方向流动，使漩涡消失。 （2）涡轮式搅拌器的流型
在涡轮平面的上下两侧形成向 上和向下的两个翻腾。如不满足 全挡板条件，轴中心位 置也有凹陷的漩涡。
（3）装有套筒时的搅拌器搅拌流型 在罐内与垂直的搅拌器同中心安装套筒，可以大大加
强循环输送效果，并能将液面的泡沫从套筒的上部入口， 抽吸到液体之中，具有自消泡能力。例如，伍式发酵罐。
滑表面紧密的相互贴合，并作相对转动而达到密封。
4、发酵罐装料容积的计算 （1）装料量：一般装料高度为圆柱部分高度的70％，但 泡沫少时可取90％，多时可取60％。 （2）公称容积：罐的圆柱部分和底封 头容积之和（取整数）。 （3）椭圆形封头的容积：可查手册或 用公式计算； （4）罐的全容积； （5）罐体总高度；
所速度迴转时，用以克服介质的阻力所需要的功率，或简 称轴功率。它不包括机械传动的摩擦所消耗的功率，因此 它不是电动机的轴功率或耗用功率。
一个具体的搅拌器所输入搅拌液体的功率决定于：叶 轮与罐的相对尺寸、转速、流体的物性、挡板的尺寸和数 目等。
2、多只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率计算 在大的发酵罐中，深度较大，只用一只涡轮则搅拌效果
(3) 消灭渗漏： 渗漏是染菌主要的原因之一。 渗漏现象有罐体穿孔渗漏、冷却蛇管渗漏、垫圈渗
漏、轴封渗漏、绞牙填料渗漏、管路焊接渗漏、阀杆填 料渗漏、法兰阀盘与阀座缝隙渗漏等。
（二）自吸式发酵罐
它是不需要空气压缩机，而在搅 拌过程中自吸入空气的发酵罐。 1、充气原理：
自吸搅拌器 和导轮，即转 子和定子。转 子转动时空气 则由导气管吸 入。
转子的转速越大，旋转的线速度越大，则流体的动能 也越大，流体离开转子时，由动能转变为压力能也越大， 排出的风量也越大。
溶氧效果好： 由于转子的搅拌作用，气液在叶轮周围形成强烈的混 合流（湍流），使刚离开叶轮的空气立即在不断循环的 发酵液中分裂成细微的气泡，并在湍流状态下混合，翻 腾，扩散到整个罐中，因此，自吸式充气装置在搅拌的 同时完成了充气过程。 气液均匀密切接触，气液接触表面不断更新，提高了 传质效率，提高了溶氧系数。
法和溶氧电极法等。 1、亚硫酸盐氧化法 2、溶氧电极法 是一种参量变换器，把溶氧浓度转变成一个与之呈线 性关系的电流量。这种溶氧电极能耐蒸汽杀菌时的高温， 可以固定装在发酵罐上，连续的测量培养液中溶氧浓度， 此法为当前测量溶氧浓度的常用方法。
（三） KLa与设备参数操作变数间的关系 (影响溶氧系数KLa的主要因素) 从前面所述：氧传递速率NV = KLa(C*-C) 因此影响NV的主要因素有溶氧系数KLa值和推动力C*-C。 要提高NV，需要提高Kla。 与Kla有关系的有搅拌、空气线速度、空气分布器、发
（四）伍式发酵罐
（五）文氏管发酵罐
（六）塔式发酵罐（空气搅拌高位发酵罐）
二、搅拌器轴功率计算
（一）搅拌器的型式与流型 1、型式，分为轴向和径向推进两种型式。
前者为螺旋桨式，或者为涡轮式。 （1）螺旋桨式搅拌器
顺时针和逆时针旋转分别将液体 向下和向上推进，形成轴向的螺旋运动。 其混合效果较好，但造成的剪率较低，对气泡的分散效果 不好。常用以提高液体循环速度。螺距一般等于搅拌器直 径。
酵液性质等。 与推动力有关的有发酵液浓度、氧分压、发酵液性质
等。 1.搅拌： (1)目的:
a.扩散气流，强化气流的湍流程度，使气液固三相更 好接触，提高溶氧速率。
b.使微生物悬浮液混合一致促进代谢产物的传质速率。 搅拌可分三方面改善溶氧速率： a.把空气打成细泡，从而增加有效界面传递面积。 b.搅拌使液体形成湍流，可以延长气泡在液体中心的 停留时间。 c.加强液体湍流，减少气泡周围液膜厚度，减少液膜 阻力，从而增大KLa值。 搅拌使菌体分散，避免结团，有利于固体传递中的接触 面积增加使推动力增加。但是过渡强烈的搅拌，产生的剪 切作用大，对细胞有损伤，特别是丝状菌的发酵类型，更 考虑到剪切力对细胞的损伤。
（一）机械搅拌发酵罐
1、发酵罐的基本条件 机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪
液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生 长繁殖、发酵所需的氧气。 发酵罐的基本要求：（六点）
2、发酵罐体的尺寸比例 高径比：1.7～4 两组搅拌器的间距：S = 3Di 搅拌器与罐底的距离： C = Di,太小影响液体循环。
(2) 圆盘平直叶涡轮搅拌Baidu Nhomakorabea 圆盘的作用：无菌空气由单开口管通至搅拌器下方，
大的气泡受到圆盘的阻挡，避免从轴部的叶片空隙上升， 保证了气泡的更好的分散。
圆盘平直叶涡轮搅拌器具有很大的循环输送量和功率 输出，适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿型流体 等。 (3) 圆盘弯叶涡轮搅拌器 圆盘弯叶涡轮搅拌器的搅拌流型与平直涡轮的相似，但 前者造成的液体径向流动较为强烈，因此在相同的
三、通风发酵罐中溶氧速率与通气、搅拌的关系 （一）双膜理论
只有溶解于培养液中的氧才能为其中的微生物所利用。 空气被分散成细小的气泡，尽可能增大气液两相的接 触界面和接触时间，以促进氧的溶解。氧的溶解过程实质 上就是气体吸收过程，这一过程可以用气体吸收的基本理 论即双膜理论阐明。
双膜理论的基本前提： （1）气泡和液体之间存在界面，两边分别有气膜和液膜，
（3）消泡器： 形式：锯齿形、梳状式及孔板式。消泡器的长度
约为罐径的0.65倍。 （4）联轴器及轴承：
用联轴器使几段搅拌轴上下成牢固的刚性联接。 形式：鼓形及夹壳形两种。 为了减少震动，中型发酵罐装有底轴承，大型发酵 罐装有中间轴承。
(5)变速装置： 试验罐：无级变速装置 发酵罐：有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减
第六章 通风发酵设备
1、通风发酵罐 2、搅拌器轴功率计算 3、通风发酵罐中溶氧速率与通 气、搅拌的关系 4、发酵罐的比拟放大
一、 通风发酵罐
通风发酵罐又称好气性发酵罐，需要将空气不断通入 发酵液中，以供微生物所消耗的氧。通入发酵液中的 气泡越小，气泡与液体的接触面积就越大，液体中的 氧的溶解速率也越快。 类型： 机械搅拌式、自吸式、带升式、伍式、文氏管、塔式 等类型的发酵罐。
分为搅拌器在套筒外和套筒外两种。 （二）搅拌器轴功率的计算
发酵罐液体中的溶氧速率以及气液固相的混合强度与 单位体积液体中输入的搅拌功率有很大关系。在相同的条
件下，输入于单位体积不通气液体中的功率要大于通气 液体中的功率。
1、单只涡轮在不通气条件下输入搅拌液体的功率P0的计 算 所谓搅拌器输入搅拌液体的功率，是指搅拌器以既定
不佳，故一般在同一搅拌轴上装置相同尺寸2～3只涡轮。 在相同转速下，多只涡轮比单只输出更多的功率，其增加 的程度除了叶轮个数之外，还决定于叶轮间的距离S。
有三种情况 (1)S=0 实际变为一只涡轮，P=P1 (2)S>S0,互不干扰， P=2P1 (3)0<S<S0,相互干扰，液体在相邻的区间 内部分重合， P<2P1
速装置。 (6)空气分布装置
空气分布装置的作用：吹入无菌空气，使空气分布 均匀。
空气分布装置的形式：单管和环形管。常用单管，因 为效果比环形管好，而且环形管喷空容易被堵塞。环形 管的环径一般为搅拌器直径的0.8倍。
通风量在0.02～0.5ml/s时，气泡直径与空气喷口直 径的1/3次方成正比，也就是喷口直径越小，气泡直径 越小，而氧气的传质系数也越大。但是生产实际的通风 量均超过上述范围，此时气泡直径与风量有关，而与喷 口直径无关，所以单管的分布装置的分布效果不低于环 形管。 (7)轴封 定义：运动部件与静止部件之间的密封叫作轴封。如 搅拌轴与罐盖或罐底之间。
2、流型
搅拌器在发酵罐中造成的流型，对气固液相的混合 效果、氧气的溶解、热量的传递都影响较大。搅拌器 造成的流体流动型式不仅决定于搅拌器本身，还受罐 内附件及其安装位置的影响。
（1）罐中心装垂直螺旋桨搅拌器的搅拌流型 周边无挡板：轴中心形成凹陷的漩涡。 周边有垂直挡板：液体的螺旋状流受挡板折流，
对KLa值有影响的：搅拌器的形式，直径大小，转速， 组数，搅拌器间距以及在罐内相对位置。
一般地说，增加搅拌器直径D对增加搅拌循环量有利， 增加转速对提高溶氧系数有利。
2.空气流速 机械搅拌通风发酵罐的溶氧系数KLa与通气线速度Vs有 关系： KLa正比于空气线速度Vs，当加大通风量Q时， Vs相应 增加，溶氧增加。但是，另一方面，增加Q，在转速N不 变时，Pg会下降，又会使KLa下降。同时Vs过大时，会发 生过载现象。这时浆叶不能打散空气，气流形成大气泡 在轴周围逸出。使搅拌效果和溶氧速率都大大降低。因 此，单纯增大通风量来提高溶氧系数并不一定取得好的 效果。 因此，只有在增大Q的同时也相应提高转速N，使Pg 不至过分降低的情况下，才能最有效地提高Kla。
对于多只涡轮，若符合下述条件则Pn＝nP. （1）对非牛顿型流体：S=2D,牛顿型： S=2.5～3.0D （2）静液面至上涡轮距离：0.5～2D （3）下涡轮至罐底的距离：C=0.5～1.0D
S过小，不能输出最大功率， S过大，则中间区域搅拌 效果不好。 3、通气液体机械搅拌功率Pg的计算 （三）非牛顿流体特性对搅拌功率计算的影响
搅拌转速时，前者的混合效果较好。但由于前者的流线叶 型，在相同的搅拌转速时，输出的功率较后者的为小。因 此在混合要求特别高，而溶氧速率相对要求略低，可选用 圆盘弯叶涡轮。
(4) 圆盘箭叶涡轮搅拌器
其搅拌流型与上述两种涡轮相近，但它的轴向流动较 强烈，但在同样转速下，它造成剪率低，输出功率也 较低。
均处于层流状态，氧分子只能借浓度差以扩散方式透过 双膜，气体和液体主流空间中任一点的氧分子浓度相同。 （2）在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中 的氧的浓度处于平衡关系。 （3）传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧浓度 不随时间而变。
（二）测量体积溶氧系数KLa的方法 测定方法：亚硫酸盐氧化法、极谱法、氧的物料衡算
（6）液柱高度； （7）装料容积； （8）罐的容积装料系数。 5、发酵罐的管路配置、渗漏和死角的排除
防止染菌的措施：管路配置如图6－8所示。 (1) 尽量减少管路，从而减少染菌机会。但是排气管一 般单独设置较好，否则，一罐染菌，其他罐通过空气染 菌。
(2) 消灭死角： 死角是微生物隐藏而
蒸汽难于消毒的位置，死 角位置最容易染菌，必须 彻底消灭。
2、消泡装置
发酵中常用的消泡方法为化学法消泡和机械法消泡， 有的采用其中方法之一，有的两者并用。
机械消泡装置类型有：耙式、离心式、刮板式、涡轮 式、射流式、碟片式消泡器等。 （1）离心式消泡器
（2）刮板式消泡器
（3）碟片式消泡器
（三）带升式发酵罐（气升式发酵罐）
分为外循环及外循环两种。 借空气喷嘴的作用而使 空气气泡分割细碎，与上 升管的发酵液密切接触。 由于上升管内的发酵液 轻，加上压缩空气的喷流 动能，因此使上升管的液 体上升，罐内液体下降而 进入上升管，形成反复的 循环，供给发酵液所耗的 溶解气量。