第五章 通气发酵设备

（3）全体积计算
（4）其它主要尺寸间的相互关系(考试时给出)
发酵罐装料容积V的计算
（装料系数 ）
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％。
D、机械搅拌通气发酵罐的通气与溶氧传质
氧的溶解过程实质上就是气体吸收过程。用双膜理论解释，即：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。
第五章通气发酵设备
发酵类型和设备
通气发酵罐(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、自升式、伍式、文氏管、塔式等。
一、机械搅拌式通气发酵罐
——利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在料液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需的氧气。
②消泡器
分锯齿形、梳状式及孔板式三种，如：耙式消泡桨、蝶式消泡器。消泡器的长度约为罐径的0.65倍。
(4)测量/传感器系统（pH，T，O2）
(5)附属（人孔、视镜）
C、设计计算
几何尺寸比例
体积
热量计算——后述
发酵罐数——见《嫌气发酵》
（1）Ｈ/Ｄ＝1.7-4
（2）公称体积：罐的圆柱体积和底封头体积的和
（3）剪切力小，对生物细胞损伤小。无机械搅拌叶轮
（4）传热良好，液体循环速率高，便于在循环管路加装换热器。
（5）结构简单，无搅拌传动设备，节约动力约50％，省钢材，易于加工制造。
（6）操作和维修及清洗简便，操作无噪音。
（7）料液可充满达80～90％，而不需加消泡剂。
缺点：
不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度大的发酵液溶氧系数较低。
②搅拌器
大型搅拌器一般做成两半型，用螺栓连成整体，便于拆卸。分螺旋桨搅拌器和涡轮式搅拌器及新型搅拌器三类。涡轮式搅拌器又分平叶式、弯叶式和箭叶式：
a.平叶式，功率消耗大，适用于各种流体，包括粘性流体、非牛顿型流体等；
b.弯叶式功率消耗较小，径向流动较为强烈，在相同的搅拌转速时，混合效果较好，但剪切效果差，用于混合要求高，溶氧要求低
（2）搅拌系统
作用：混合传质。使气泡与发酵液充分混合，提高溶氧速率;使细胞悬浮分散于发酵体系中；强化传热过程。
构成：电机和变（减）速装置、搅拌器、联轴器及承轴和轴封、挡板。
①电机及变速装置
减速机利用齿轮等速度转换器，将电机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩。作用：降速并降低负载的惯量、提高输出扭矩。试验罐采用无级变速装置；发酵罐采有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置。
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。
B、喷射自吸式发酵罐自吸原理
（1）文氏管自吸式发酵罐
原理：用泵使发酵液通过文式管吸气装置，由于液体在文式管的收缩段流速增加，形成真空而将空气吸入，并使气泡分散与液体均匀混合，实现溶氧传质。
③竖式列管装置
以列管式分组装设。特点是有利于提高传热推动力的温差，加工方便，但用水量大。
a结构及形式，这种装置是以列管形式分组对称装于发酵罐。
b优点：加工方便，适用于气温较高，水源充足的地区。
c缺点：传热系数较蛇管低，用水量较大。
G、发酵罐的管路配置、渗漏和死角的排除
防止染菌的措施：
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.机械搅拌通气发酵罐的溶氧系数（kLa）
对通气发酵系统的氧溶解过程通常用溶氧系数表示，在生物反应系统中，影响溶氧系数的主要因素有：
①操作条件，如搅拌转速、通气量、温度；
②发酵罐的结构及几何参数，如体积、通气方式、搅拌叶轮机构和尺寸等；
③物料的物化性能，如扩散系数、表面张力、密度、黏度、培养基成分及特性等。
a结构及形式：夹套高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积设计,这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐。
b优点：结构简单；加工容易，罐内无冷却设备，死角少，容易进
行清洁灭菌工作，有利于发酵。
c缺点：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。
②竖式蛇管装置
罐内设4-6组，管内水流速大，换热系数大，1200-4000 kJ/(m2•h•℃)。
（2）液体喷射自吸式发酵罐
原理：液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面层与其相邻的气体的动量传递，使边界层的气体具有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气作用。
3.特点好在①无需空气压缩机及其附属设备，减少厂房占地面积，节省投资；②溶氧速率高，能耗较低；
③便于自动化、连续化，节省劳动力；但是，进罐空气处于负压，增加了染菌机会，且搅拌转速高，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。
A、机械搅拌自吸式发酵罐吸气原理
原理：它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小气泡分散在液体中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。
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。
全挡板条件：条件是达到消除液面旋涡的最低条件（在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失）。
(3)控制系统
冷却管/夹套、空气分布器、消泡器
1.气–液相间的溶氧传质理论
氧由空气泡传递到生物细胞用传统的双膜理论表述：
①气泡中的氧通过气相边界传递到气–液界面上；
②氧分子由气相侧通过扩散穿过界面传递到液相侧；
③氧分子在界面液相侧通过液相滞留层传递到液相主体；
④在液相主体中进行对流传递到生物细胞表面液膜外面；
⑤通过生物细胞表面的液相滞留层扩散进入生物细胞内。
a结构及形式，以蛇管的形式分组安装于发酵罐
内，有四组、六组或八组不等，根据管的直径大小而
定，容积5 m3以上的发酵罐多用这种换热装置。
b优点：冷却水在管内的流速大；传热系数高。适用于冷却用水温度较低的地区，水的用量较少
c缺点：┳.气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度经常超过40˚C，影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，这样就增加了设备投资及生产成本。┳.弯曲位置比较容易蚀穿。
二、气升式发酵罐
1.气升式发酵罐原理及类型
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已在工业上应用。
2气升式发酵罐的特点
（1）反应溶液分布均匀气液固三相均匀混合
（2）较高的溶氧速率和溶氧效率，气升式反应器具有较高的气含率和比气液接触截面，因而有较高传质速率和溶氧效率。
•搅拌通风装置保证气液充分混合。发酵用的搅拌通风装置能使气液充分混合，保证发酵必需的溶解氧；
•具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量的热，为了控制发酵过程不同阶段所需的温度，应装有足够的冷却部件；
•死角少，灭菌彻底；
•轴封严密，泄漏少。
B、发酵罐的基本组成
（1）罐体部分
罐体，进料口，补料口，接种口，放料口，取样口，安全阀，罐顶接管：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管；罐身接管：冷却水进出管、进空气管、温度计管和测控仪表接口。
优点：使用性好、适应性好、放大容易，从小型直至大型的微生
物培养过程都可以应用。
缺点：罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。
★A、发酵罐的基本条件
•适宜的径高比（高与直径的比值为1.7-4）；
•能承受一定压力、温度。由于发酵罐在消毒及正常运转时，罐内有一定压力（气压和液压）和温度，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受相当的压力；
（3）通气搅拌功率Pg和通气量
①随着通气量的增大，通气搅拌功率会下降；
②持气率和气泡均会随着空截面气速的提高而增大。
E、机械搅拌通气发酵罐的搅拌与流变特性
1.搅拌叶轮尺寸与类型
搅拌叶轮直径与罐径之比一般为Di/ D=0.30~0.40。
2、搅拌叶尖线速度与剪应力
生物细胞在机械搅拌的剪切作用下可能会受到损伤，其损害程度取决于生物细胞的特性和搅拌力的性质、强度及作用时间等。对耐剪切力较弱的生物细胞，搅拌叶尖线速度应不大于7.5 m/s。
c.箭叶式功率消耗较大又次之，轴向流动较强烈，但在同样转速下，它造成剪率低，输出功率低。
③联轴器及承轴和轴封
联轴作用是使几段搅拌轴上下成牢固的刚性联接。有鼓形及夹壳形两种形式。
轴承作用为了减少震动，中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承。
轴封（运动部件与静止部件之间的密封叫），其作用是防止泄漏和污染杂菌。有填料函和端面轴封两种形式。
②降液区导流管与反应器壁之间的环隙，流体沿降液区上升或下降，视喷射空气的位置而定。
③底部升液区与降液区下部相连区，对反应器特性影响不大。
④顶部升液区与降液区上部相连区。
可在顶端装置气液分离器，除去排出气体中夹带的液体。
（3）气升环流反应器的操作特性
①平均循环时间
②气液比R发酵液的环流量Vc与通风量Vg之比，即
3.溶氧系数的测定方法
亚硫酸盐氧化法、极谱法、氧的物料衡算法和溶氧电极法等。
4.机械搅拌通气发酵罐的通气量与搅拌功率
（1）持气率通气搅拌时气液混合物体积与不通气时溶液体积只差除以不通气时溶液体积。
（2）单只涡轮不通气搅拌的搅拌功率P0（搅拌器所输出的轴功率）
影响因素：反应器直径、搅拌器直径、液柱高度、搅拌速度、液体黏度、液体密度、重力加速度以及搅拌器的型式和反应器的结构等。
注：Pg为搅拌功率，η为功热转化率。
（2）冷却水带出热量计算法
选择主发酵期产生热量最大时刻，测定发酵冷却水进出口的温度及冷却水用量，则最大的发酵过程放热为：
符号意义依次：冷却水的流量、比热容、进口温度、出口温度，发酵液体积。
2.发酵罐的热交换装置
①夹套换热装置
结构简单，加工方便，易清洗，但换热系数小。400-600 kJ/(m2•h•℃)
3.发酵培养液的流变特性
F、机械搅拌通气发酵罐的热量传递
1.发酵过程的热量计算的主要方法
（1）生物合成热计算法
发酵过程所产生的净热量称为“发酵热”，相应的通气发酵过程总热量为=生物合成热（呼吸放热+发酵放热）+机械搅热-通气带走的水蒸气气化潜热和温升显热，即Qt=Q1+Q2-Q3-Q4=Q1+3600Pgη-20%Q1（kJ/h）
①空气分布器
其用用是吹入无菌空气，使空气分布均匀。有单管和环形管两种。环形管的环径一般为搅拌器直径的0.8倍。
通风量在0.02～0.5 ml/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，而且环形管喷空容易被堵塞，所以常用单管。
a、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。
b、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滑表面紧密的相互贴合，并作相对转动而达到密封。
④挡板
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。
R=Vc/Vg，
通气量对气升式发酵罐的混合与溶氧起决定作用。
③气升式反应器的溶氧传质：
取决于发酵液的湍流及气泡的剪切细碎状态。
三、自吸式发酵罐
1.定义
不需空气压缩机提供压缩空气，而是利用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。
2.类型机械搅拌式、喷射自吸式、溢流喷射自吸式。
3.气升式发酵罐的主要结构及操作参数
（1）主要结构参数
①反应器高径比：5~9
②导流筒径与罐径比：0.6~0.8
③空气喷嘴直径与反应器直径比及导流筒上下端面到罐顶及罐底的距离均对发酵液的混合与流动、溶氧等有重要影响。
（2）基本组成
①升液区在反应器中央，导流管内部。若空气是在导流管底部喷射，由于管内外流体静压差，使气液混合流体沿管内上升，在反应器上部分离部分气体后，又沿降压管下降，构成一循环流动。若空气在降液管底部喷射，则流体循环方向恰好相反。