第二章 通气生物反应器

搅拌器宜用不锈钢制造。
挡板：
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。通常挡板宽度取(0.1～0.12)D，装设4~6块即可满足全挡板条件。
“全挡板条件”：是指在一定转速下再增加罐内附件而
轴功率仍保持不变。 要达到全挡板条件必须满足下式要求：
0.1 ~ 0.12 D n 0.5 b n D D
低黏度均相液－液混合 分散操作 悬浮液操作 有气体吸收的搅拌 结晶过程的搅拌操作
低黏度均相液－液混合
这种混合，搅拌难度小，平桨式循环能力强， 动力消耗少，最适用。 平桨式结构简单，成本低，适宜小容量液相混合。 涡轮式动力消耗大，会增加费用。
分散操作
涡轮式因具有高剪切力和较大循环 能力，所以最适用。其中平直叶涡轮剪 切作用大于折叶和后弯叶的剪力作用， 因此应优先选用。为了加强剪切效果， 容器内可设臵挡板。
小孔直径5-8mm孔的总面积约等于通风管的截面积
5、消泡装臵
消泡装臵就是安装在发酵罐内转动轴的上部或安装 在发酵罐排气系统上的，可将泡沫打破或将泡沫破碎分 离成液态和气态两相的装臵，从而达到消泡的目的。 两种消泡方法: (1) 加入化学消泡剂 (2)使用机械消泡装臵 化学消泡剂：植物油脂，如玉米油、豆油等； 动物油脂，如猪油等； 高分子化合物。 机械消泡装臵：最简单实用为耙式消泡器。
悬浮液操作
涡轮式：使用范围大，其中以弯叶开启涡轮式最 好。它无中间圆盘，上下液体流动畅通，排出性 能好，桨叶不易磨损。 桨式：速度低，只用于固体粒度小，固液相对密 度差小、固相浓度较高、沉降速度低的悬浮液。 旋浆式：使用范围窄，只适用于固液相对密度差 小或固液比在5%以下的悬浮液。
对于有轴向流的搅拌器，可不加挡板。因固体颗 粒会沉积在挡板死角内，所以只在固液比很低的 情况下才使用挡板。
（5）旁入式搅拌安装形式
搅拌器安装在容器侧壁。 在同等功率下，能得到最好的搅拌效果。
转速一般在360～450r/min之间。
驱动方式有齿轮传动与带传动两种。 主要缺点是轴封比较困难。 不同角度的流动效果
不同角度的流动效果
旁入式搅拌装臵在不同旋桨位臵所产生的不同流动状态。
(1)α = 7°～12°
（5）旁入式搅拌安装形式
（1）中心立式搅拌安装形式
安装形式如图 6.3 （ 1 ）所示 。这种安装形式的搅拌设备 可以将桨叶组合成多种结构 形式以适应多种用途。
特点
挡板
挡板
为了防止在搅拌器附近产生涡
流回转区域，往往在立式容器的侧
壁上装挡板。
特点
这种安装的特点是搅拌轴与搅 拌器配臵在搅拌罐的中心线上，呈对 称布局，驱动方式一般为带传动或齿 轮传动，或者通过减速传动，也有用
将搅拌器安装在容器的底部。 它具有轴短而细的特点，无需用中间轴承，可 用机械密封结构，有使用维修方便、寿命长等 优点。此外，搅拌器安装在下封头处，有利于 上部封头处附件的排列与安装，特别是上封头 带夹套、冷却构件及接管等附件的情况下，更 有利于整体合理布局。由于底部出料口能得到 充分的搅动，使输料管路畅通无阻，有利于排 出物料。此类搅拌设备的缺点是，桨叶叶轮下 部至轴封处常有固体物料黏积，容易变成小团 物料混入产品中影响产品质量。
无挡板的搅拌器形成的流型
有挡板的搅拌器形成的流型
3、轴 封
转轴
传动齿 轮箱
齿轮箱
填料压盖
作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以 压紧螺栓 密封，防止泄露和污染杂菌。
常用的轴封有填料函轴封和端面轴封两种。 填料箱体 填料函轴封：由填料箱体，填料底衬套，填料压
盖和压紧螺栓待零件构成，使旋转轴达到密封的效果。 罐体 铜环
4．搅拌器的选择
（1）根据介质黏度高低选型
（2）根据搅拌过程和目的选型
（１）根据介质黏度高低选型
随着黏度增高，各种搅拌器选用的顺 序为旋桨式、涡轮式、桨式、锚式和
螺带式等。
对旋浆式指出了大容器量液体时用低 转速，小容量液体时用高转速。
各类型式使用有重叠性，例如桨式搅
拌器由于其结构简单，用挡板后可以 改善流型，所以，在低黏度时也是应
搅拌器选择曲线
1.锚式、螺带式；2.浆式；3.涡轮式； 4、5.涡轮式、旋浆式； R1=1750r/min; R2=1150r/min; R3=420 r/min
用得较普遍的。而涡轮式由于其对流 循环能力、湍流扩散和剪切都较强， 几乎是应用最广泛的一种桨型。
（2）根据搅拌过程和目的选型
这种方法根据搅拌过程和目的，对照搅拌 器的流动效果作出判断选择。
搅拌容器
搅拌容器也称搅拌槽或搅拌罐。 其作用是容纳搅拌器与物料在其内进行操作。 对于食品搅拌容器，除保证具体的工艺条件外 ，还要满足无污染、易清洗等专业技术要求。
罐体
罐体大多数设计成圆柱形，其顶部为 开放式或密闭式，底部大多数成碟形或半 球形，平底的很少见到，因为平底结构容 易造成搅拌时液流死角，影响搅拌效果，
类型的搅拌器有框式、垂直螺旋式等，多 用于高黏度的物料。
各种典型搅拌器型式
2．搅拌器的安装形式
搅拌器不同的安装形式会产生不同的流场 ，使搅拌的效果有明显的差别。常见的五种搅 拌轴相对于容器的安装方式如图6. 3所示。
（1）中心立式搅拌安装形式
（2）偏心式搅拌安装形式
（3）倾斜式搅拌安装形式
（4）底部搅拌安装形式
(2)α>12°
(3)α= 0°
旁入式搅拌轴与径向的夹角及流形
3．搅拌器桨叶与流型
流动状态与搅拌容器的结构及其附件有一定
关系。 搅拌器桨叶的结构形状与运转情况是决定容 器内液体流动状态最重要的因素。 搅拌器件周围流体的运动方向有三种，即径 向流、轴向流和环流。 普通搅拌器一般只有一种为主导流向。
(1)轴向流型 或
第二章 通风发酵设备
四十年代中期，青霉素的工业 化生产，或深层通风培养技术的出现 ，标志近代通风发酵工业的开始。在 深层通风培养技术中，发酵罐是关键 设备。在发酵罐中，微生物在适当的 环境中进行生长、新陈代谢和形成发 酵产物。
第一节 机械搅拌发酵罐（TRC） 一、工作原理 二、结构及几何尺寸
一、工作原理
二、结构及几何尺寸
1－轴封 3－梯 5－中间轴承 7－搅拌叶轮 9－放料口 11－热电偶接口 13－搅拌轴 15－轴承座 17－电机 19－取样口 22－补料口 24－回流口 2、20－人孔 4－联轴 6－温度计接口 8－进风管 10－底轴承 12－冷却管 14－取样管 16－传动皮带 18－压力表 21－进料口 23－排气口 25－视镜
（一）基本结构
搅拌机械的种类较多， 但其基本结构是一致的。其 结构如图所示，主要由搅拌 装臵、轴封和搅拌容器三大 部分组成。
搅 拌 设 备 搅拌设备结构图
搅拌装置 轴封
传动装置 搅拌轴 搅拌器
罐体
搅拌容器
附件
搅拌器
搅拌器（或称搅拌桨）及搅拌轴的主要 作用是通过自身的运动使搅拌容器中的物料 按某种特定的方式流动，从而达到某种工艺 要求。所谓特定方式的流动（流型）是衡量 搅拌装臵性能最直观的重要指标。
，开口往下，以免培养液中固体物质在开口处堆积 管口与罐底的距离约为40mm。
发酵过程中通气量较大，气泡直径仅与通 和罐底固形物质沉淀。 气量有关而与分布器直径无关。
强烈机械搅拌时，多孔分布器对氧的传递 开口朝下的多孔环形管： 效果并不比单孔管为好，会造成不必要的 压力损失，且易使物料堵塞小孔。 环的直径约为搅拌器直径的0.8倍。
电动机直接驱动。
（2）偏心式搅拌安装形式
搅拌器安装在立式容器的偏心位臵
能防止液体打漩，效果与装挡板相近。 中心线偏离容器轴线的搅拌轴，会使液 流在各点处压力分布不同，加强了液层 间的相对运动，从而增强了液层间的湍 动，使搅拌效果得到明显的改善。 但偏心搅拌容易引起设备在工作过程中 的振动，一般此类安装形式只用于小型 设备上。
2
3
自动玻璃发酵罐 玻璃搅拌发酵罐 不锈钢搅拌发酵罐
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 不锈钢或复合不锈钢制成。
刚度和强度：受压容器，空消或实消，通
常灭菌的压力为2.5Kg/m3。 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。
接管
搅拌器可以使被搅拌液体形成轴向或径向的 液流。 发酵罐中以径向液流为主。 用涡轮式搅拌器时为避免气泡在阻力较小的 搅拌器中心部分沿着搅拌轴上升，在搅拌器 中央常带有圆盘。 常用的涡轮式搅拌器有平叶式、弯叶式和箭 叶式三种。 叶片数一般为六个，也有少至四个或多至八 个的。
发酵罐搅拌器结构
为了拆装方便，大型搅拌器可做成两半型， 用螺栓联成整体。 功率消耗：平板式最大，弯叶式次之，箭叶 式最小。
同时也不利于料液的完全排放。
传动装臵
传动装臵是赋予搅拌装臵及其它
附件运动的传动件组合体，在满足机器
所必须的运动功率及几何参数的前提下
，希望传动链短、传动件少、电动机功
率小，以降低成本。
轴封
轴封是指搅拌轴及搅拌容器转轴处的密封装臵。
为避免食品污染，轴封的选择必须给予重视。
附件
典型搅拌设备通常还设有进出口管路、
• 促进溶解、结晶、浸出、凝聚、吸附等过程进行；
• 促进酶反应等生化反应和化学反应过程的进行。
补充内容：液体搅拌器
液体搅拌目的 带有搅拌器的设备 （一）基本结构
（二）搅拌器
带有搅拌器的设备
工业中典型的带搅拌器的设备有 ：发酵罐、酶解罐、冷热缸、溶糖锅
、沉淀罐等。这些设备虽然名称不同
，但基本构造均属于液体搅拌机。
（3）倾斜式搅拌安装形式
是将搅拌器直接安装在罐体上部 边缘处，搅拌轴斜插入容器内进 行搅拌。 对搅拌容器比较简单的圆筒形或 方形敞开立式搅拌设备，可用夹 板或卡盘与筒体边缘夹持固定。 这种安装形式的搅拌设备比较机 动灵活，使用维修方便，结构简 单、轻便，一般用于小型设备上 ，可以防止打漩效应。
（4）底部搅拌安装形式
有气体吸收的搅拌
圆盘式涡轮：最合适。它剪切力强，圆盘下 可存在一些气体，使气体的分散更平衡。
开启式涡轮：不适用。
平桨式及旋桨式：只在少量易吸收的气体要 求分散度不高的场合中使用。
结晶过程的搅拌操作
小直径的快速搅拌器：如涡轮式，适 用于微粒结晶。 大直径的慢速搅拌器：如桨式，用于
大晶体的结晶。
发酵罐搅拌器结构
夹套、人孔、温度计插套以及挡板等附件。
（二）搅拌器
1．搅拌器的类型 2．搅拌器的安装形式 3．搅拌器桨叶与流型 4．搅拌器的选择
典型的搅拌器型式
1．搅拌器的类型
两大类型：
① 小面积叶片高转速运转的搅拌器，属于这
种类型的搅拌器有涡轮式、旋桨式等，多
用于低黏度的物料；
② 大面积叶片低转速运转的搅拌器，属于此
(2)径向流型
（1）轴向流型
液体由轴向进入叶片，从轴 向流出，称为轴向流型，如 图（1）所示。
（2）径向流型
流体由轴向进入叶轮，从径向流出。
低速运转，主要为环向流，当 转速增大时，液体的径向流动就 逐渐增大，桨叶转速越高，由平 直叶排出的径向流动越强烈，打 漩效应也随之增强，严重时会造 成液体外溢。
罐顶： 进料管，补料管，排气管，接种管和 压力表管。 罐身： 冷却水进出管，进空气管，温度计管 和测控仪表接口。排气管应尽量靠近 封头的轴封位臵。
2.搅拌装臵
补充内容：液体搅拌器
液体搅拌目的 带有搅拌器的设备 （一）基本结构
（二）搅拌器
液体搅拌目的
液体搅拌机主要用于以下方面： • 促进物料的传热，使物料温度均匀化； • 促进物料中各成分混合均匀；
填料
端面式轴封又称机械轴封：密封作用Biblioteka Baidu靠弹性
元件（弹簧、波纹等）的压力使垂直轴线的动环和静环 密封环 光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。 搅拌轴
填料函
4、空气分布器
空气分布器的作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。 分布装臵：单管及环形管等，常用的分布装臵有单管式。 通气量较小时，气泡的直径与空气喷口直 最简单的通气装臵：单孔管 径有关。 喷口直径越小，气泡直径越小， 氧的传质系数越大。 单孔管的出口位于最下面的搅拌器的正下方
利用机械搅拌器的作用，使 空气和发酵液充分混合，促使氧在 发酵液中溶解，以保证供给微生物 生长繁殖、发酵所需要的氧气。
基本要求
1.结构上具有适宜的径高比。发酵罐的高度与径高比一般 为1.7～4，罐身越长，氧气的利用率越高。 2.有一定的刚度与强度，由于发酵罐在灭菌过程和工作时 ，罐内有一定的压力和温度。因此需要一定的强度。 3.搅拌通风装臵使之气液充分混合，保证发酵液一定的溶 解氧。 4.足够的冷却面积。 5.尽量减少死角。 6.轴封严密。 7.维修操作检测方便