ch2通风发酵设备课件

通风发酵设备n通风发酵反应器包括酵母发酵罐、单细胞蛋白发酵罐、氨基酸发酵罐、酶制剂发酵罐，抗生素发酵罐等等。发酵反应器是生物工程重要的组成部分，高效反应器的特点是设备简单，不易染菌，体积小，电耗少，单位时间单位体积的生产能力高，代谢放出热量易于移去，操作控制维修方便，生产安全，易于放大。1.第一节、机械搅拌通风发酵罐第一节、机械搅拌通风发酵罐 n 一、发酵罐的基本条件一、发酵罐的基本条件 机械搅拌发酵罐在工厂广泛采用。它是利用机机械搅拌发酵罐在工厂广泛采用。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，提高发酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢过程所需的酵液的溶解氧，供给微生物生长繁殖代谢过程所需的氧。发酵罐的基本条件如下：氧。发酵罐的基本条件如下：(1)、发酵罐应具有适宜的径高比，发酪罐的高度与直径、发酵罐应具有适宜的径高比，发酪罐的高度与直径比约为比约为2.54。罐身长，氧的利用率较高。罐身长，氧的利用率较高。(2)、发酵罐的搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气、发酵罐的搅拌通风装置要能使气泡分散细碎，气液充分混备保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率。液充分混备保证发酵液必须的溶解氧，提高氧的利用率。2.(3)、发酵罐能承受一定压力。由于发酵罐在消毒及正常工作、发酵罐能承受一定压力。由于发酵罐在消毒及正常工作时，罐内有一定的压力和温度，因此罐体各部件要有一定的时，罐内有一定的压力和温度，因此罐体各部件要有一定的强度，能承受一定的压力。罐加工制造后，必须进行水压试强度，能承受一定的压力。罐加工制造后，必须进行水压试验，水压试验压力为工作压力的验，水压试验压力为工作压力的1.5倍。倍。(4)、发酵罐应具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放、发酵罐应具有足够的冷却面积。微生物生长代谢过程放出大量的热量，不同产品的发酵放出热量也有不同。为了控出大量的热量，不同产品的发酵放出热量也有不同。为了控制发酵过程不同阶段所需的温度，应具有足够的冷却面积。制发酵过程不同阶段所需的温度，应具有足够的冷却面积。(5)、发酵罐内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积污，使、发酵罐内应抛光，尽量减少死角，避免藏垢积污，使灭菌彻底，避免染菌。灭菌彻底，避免染菌。(6)、搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。、搅拌器的轴封应严密，尽量减少泄漏。3.二、发酵罐的结构：二、发酵罐的结构：n通用的机械搅拌通风发酵罐主要部件包括罐体、搅通用的机械搅拌通风发酵罐主要部件包括罐体、搅拌器、轴封、打泡器、联轴器、中间轴承、空气吹拌器、轴封、打泡器、联轴器、中间轴承、空气吹泡管（或空气喷射器）、挡板、冷却装置、消泡器、泡管（或空气喷射器）、挡板、冷却装置、消泡器、人孔以及视镜等。人孔以及视镜等。4.1轴封 2、20人孔 3梯 4联轴节 5中间轴承 6温度计接口 7搅拌叶轮 8进风口 9放料口 10底轴承 11热电偶接口 12冷却管 13搅拌轴 14取样管 15轴承座 16传动皮带 17电机 18压力表 19取样管 21进料口 22补料口 23排气口 24回流口5.1.罐体罐体 罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，材料为碳钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬不材料为碳钢或不锈钢，对于大型发酵罐可用衬不锈纲或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚度锈纲或复合不锈钢制成，衬里用的不锈钢板厚度为为23mm。为了满足工艺要求，罐需承受一定为了满足工艺要求，罐需承受一定温度和压力，通常要求耐受温度和压力，通常要求耐受130和和0.25 Mpa(绝绝对大气压对大气压)。罐壁的厚度取决于罐径、材料及耐。罐壁的厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。受的压强。6.2搅拌器和挡板搅拌器和挡板n涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，涡轮式搅拌器的叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，其作用主要是打碎气泡，加速和提高溶氧。平叶式功率其作用主要是打碎气泡，加速和提高溶氧。平叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。为了拆装方便、消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。为了拆装方便、大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。搅拌器宜大型搅拌器可做成两半型，用螺栓联成整体。搅拌器宜用不锈钢板制成。用不锈钢板制成。n挡板的作用是防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻挡板的作用是防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈翻动，提高溶解氧。挡板宽度约为动，提高溶解氧。挡板宽度约为0.10.2D。装设。装设6 4块挡板，可满足全挡板条件。所渭块挡板，可满足全挡板条件。所渭“全挡板条件全挡板条件”是指是指在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍保持不变。7.8.3轴封轴封n轴封的作用是防止泄漏和染菌。常用轴封有填料函和端面轴封两种。轴封的作用是防止泄漏和染菌。常用轴封有填料函和端面轴封两种。填料函轴封的优点是：结构填料函轴封的优点是：结构简单；简单；缺点是：缺点是：(1)死角多，很难彻死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；底灭菌，容易渗漏及染菌；(2)轴的磨损情况较严重；轴的磨损情况较严重；(3)填料压紧后摩擦功率消耗填料压紧后摩擦功率消耗大；大；(4)寿命短，维修工时多。寿命短，维修工时多。9.端面轴封的作用是靠弹性元端面轴封的作用是靠弹性元件件(弹簧、波纹管等弹簧、波纹管等)的压力使垂的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。其优点是：到密封。其优点是：(1)清洁；清洁；(2)密封可靠，使用时间较长，不会泄密封可靠，使用时间较长，不会泄漏：漏：(3)无死角，可防止杂菌污染；无死角，可防止杂菌污染；(4)寿命长，质量好的寿命长，质量好的25年不需年不需修理；修理；(5)摩擦功率耗损小，一般摩擦功率耗损小，一般为填料密封的为填料密封的10、50%；(6)轴或轴或轴套不受磨损：轴套不受磨损：(7)对轴的震动敏对轴的震动敏感性小。但结构比较复杂，装拆不感性小。但结构比较复杂，装拆不便，对动环及静环的表面光洁度及便，对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。平直度要求高。10.4.空气分布器空气分布器n 一般的通气发酵罐，空气分布装置有单管式及环一般的通气发酵罐，空气分布装置有单管式及环形管式等。常用单管式，管口正对罐底中央，与罐底形管式等。常用单管式，管口正对罐底中央，与罐底距离约距离约40mm，这样空气分散效果较好，若距离过，这样空气分散效果较好，若距离过大，空气分散效果就较差。我们要求气泡上升时能被大，空气分散效果就较差。我们要求气泡上升时能被搅拌器打碎成小气泡，与醪液充分混合，增加气液传搅拌器打碎成小气泡，与醪液充分混合，增加气液传质效果。环形管直径为搅拌器直径的质效果。环形管直径为搅拌器直径的0.8倍较好，喷倍较好，喷孔直径为孔直径为58mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积，由于喷孔易堵，已很少采用。风于通风管的截面积，由于喷孔易堵，已很少采用。风管内空气流速取管内空气流速取20m/s，在罐底中央衬上不锈钢圆，在罐底中央衬上不锈钢圆板，防止空气冲击，以延长罐底寿命。板，防止空气冲击，以延长罐底寿命。11.5消泡器消泡器 在通气发酵生产中，有两种消泡方法：一是加入化在通气发酵生产中，有两种消泡方法：一是加入化学消泡剂，如月桂基磺酸钠等；二是使用机械消泡装学消泡剂，如月桂基磺酸钠等；二是使用机械消泡装置。置。常用消泡器有锯齿式、梳式、孔板式、旋桨梳式等常用消泡器有锯齿式、梳式、孔板式、旋桨梳式等几种，孔板式的孔径约几种，孔板式的孔径约1020mm。消泡器的长度约。消泡器的长度约为罐径的为罐径的0.65倍。倍。发酵液中含有蛋白质发酵液中含有蛋白质等发泡物质，在通气搅等发泡物质，在通气搅拌条件下会产生泡沫，拌条件下会产生泡沫，发泡严重时会使发酵液发泡严重时会使发酵液随排气而外溢，且增加随排气而外溢，且增加杂菌感染机会。杂菌感染机会。12.三、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质三、机械搅拌通风发酵罐的通风与溶氧传质n在通风发酵中，空气中的氧首先溶解在液体中，在通风发酵中，空气中的氧首先溶解在液体中，然后才能被微生物利用。发酵设备的重要任务之然后才能被微生物利用。发酵设备的重要任务之一是要供给足够的溶解氧，以满足微生物的需要。一是要供给足够的溶解氧，以满足微生物的需要。n氧由空气泡传递到生物细胞按双膜理论可分成几氧由空气泡传递到生物细胞按双膜理论可分成几步进行：步进行：1.气泡中的氧通过气相边界层传递到气气泡中的氧通过气相边界层传递到气液界面液界面上；上；2.氧分子由气相侧通过扩散穿过界面；氧分子由气相侧通过扩散穿过界面；（一）溶氧传质理论（一）溶氧传质理论（一）溶氧传质理论（一）溶氧传质理论13.3.在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体；在界面液相侧通过液相滞流层传递到液相主体；4.在液相主体中进行传递；在液相主体中进行传递；5.扩散通过生物细胞表面的液相滞流层传递进入生物扩散通过生物细胞表面的液相滞流层传递进入生物细胞内。细胞内。根据上述传质理论，发酵液的溶氧传质速率为：根据上述传质理论，发酵液的溶氧传质速率为：体积溶氧系数体积溶氧系数发酵液中溶氧浓度发酵液中溶氧浓度相应温度、压强条相应温度、压强条件下饱和溶氧浓度件下饱和溶氧浓度14.（二）溶氧与罐体设计的联系：（二）溶氧与罐体设计的联系：n 持气率：持气率：h=(VLG-VL)/VL通气搅拌时气液混合物体积通气搅拌时气液混合物体积不通气时溶液体积不通气时溶液体积VLG VL1.因为在通气发酵过程中存在通气与起泡问题，故在因为在通气发酵过程中存在通气与起泡问题，故在发酵罐实际装料量的设计时必须考虑装液系数，即发酵罐实际装料量的设计时必须考虑装液系数，即必须充入培养液后留下一定空间。通常装料系数在必须充入培养液后留下一定空间。通常装料系数在0.60.85之间。之间。15.2.随着通气量的增大，通气搅拌功率会降低，故为了提随着通气量的增大，通气搅拌功率会降低，故为了提高溶氧传质，必须适当提高搅拌转速或增大搅拌叶轮直高溶氧传质，必须适当提高搅拌转速或增大搅拌叶轮直径，或两者均提高，以维持通气搅拌功率不变。径，或两者均提高，以维持通气搅拌功率不变。3.较低的通气速率和泡沫水平可使敏感的生物如动物较低的通气速率和泡沫水平可使敏感的生物如动物细胞受损伤，甚至在很低的搅拌速率下也如此。故细胞受损伤，甚至在很低的搅拌速率下也如此。故在组织培养中必须注意搅拌叶轮结构的改进，使用在组织培养中必须注意搅拌叶轮结构的改进，使用低剪切力的叶轮。低剪切力的叶轮。4.当通气速率较高，而搅拌叶轮直径较小且转速较低时，当通气速率较高，而搅拌叶轮直径较小且转速较低时，会出现搅拌器对液体流动和气体分散均无影响的情况，会出现搅拌器对液体流动和气体分散均无影响的情况，因此，叶轮直径和通气量必须满足一定关系。因此，叶轮直径和通气量必须满足一定关系。16.四、搅拌流型四、搅拌流型n流型与气固液相的混合效果以及氧气的溶解、热量的传流型与气固液相的混合效果以及氧气的溶解、热量的传递有密切的关系。流体流动型式决定于搅拌器、附件及递有密切的关系。流体流动型式决定于搅拌器、附件及其安装位置。其安装位置。1、螺旋桨搅拌器、螺旋桨搅拌器 垂直装的螺旋桨，在垂直装的螺旋桨，在无挡板的情况下，形成螺无挡板的情况下，形成螺旋线流动，在中心形成凹旋线流动，在中心形成凹陷的漩涡。如装有挡板，陷的漩涡。如装有挡板，则螺旋状流受挡板折流，则螺旋状流受挡板折流，被迫向轴心方向流动，使被迫向轴心方向流动，使漩涡消失，如图所示。漩涡消失，如图所示。17.2涡轮式搅拌器流型涡轮式搅拌器流型 图所示为罐内图所示为罐内具有挡板时的搅拌流具有挡板时的搅拌流型。如不满足全挡板型。如不满足全挡板条件，轴中心位置也条件，轴中心位置也有凹陷的漩涡。安装有凹陷的漩涡。安装冷却排管，也可消除冷却排管，也可消除凹陷漩涡。凹陷漩涡。18.3装有套筒的搅拌流型装有套筒的搅拌流型 在罐安装套筒，在罐安装套筒，可加强循环输送，可加强循环输送，并能将液面的泡并能将液面的泡沫从套筒上部吸沫从套筒上部吸入，增加溶氧，入，增加溶氧，且有自消泡能力。且有自消泡能力。如图所示。如图所示。19.右图是涡轮在右图是涡轮在套筒内的多级乳套筒内的多级乳化循环的流型。化循环的流型。运用于烷烃类不运用于烷烃类不溶于水的原料的溶于水的原料的搅拌混合，其溶搅拌混合，其溶氧速率很高。氧速率很高。20.五、发酵罐体的尺寸比例五、发酵罐体的尺寸比例n罐体各部分的尺寸有一定比例，高径比约为罐体各部分的尺寸有一定比例，高径比约为2.54。高。高位罐的高径比达位罐的高径比达10以上，虽然空气利用率较高，但压缩以上，虽然空气利用率较高，但压缩空气的压力需要较高，顶料与底料不易混合均匀，厂房空气的压力需要较高，顶料与底料不易混合均匀，厂房较高。较高。n发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距S约为搅约为搅拌器直径的拌器直径的3倍。对于大型发酵罐以及液体深度倍。对于大型发酵罐以及液体深度HL较高的，较高的，可安装三组或三组以上的搅拌桨叶。最下面一组搅拌器可安装三组或三组以上的搅拌桨叶。最下面一组搅拌器与风管出口较接近为好，与罐底的距离与风管出口较接近为好，与罐底的距离C一般等于搅拌器一般等于搅拌器直径直径Di，不直小于，不直小于0.8Di，否则会影响液体的循环。常用，否则会影响液体的循环。常用的发酵罐各部分的比例尺寸如图。的发酵罐各部分的比例尺寸如图。21.H/D=1.73.5B/D=1/8 1/12S/D=2 5Di/D=1/2 1/3C/Di=0.8 1.0H0/D=222.第二节、气升式发酵罐（ALR）n 气升式发酵罐是近气升式发酵罐是近30年发展起来的发酵罐，其特年发展起来的发酵罐，其特点是结构简单，不易污染，氧传质效率高，能耗低，点是结构简单，不易污染，氧传质效率高，能耗低，安装维修方便，较适合于单细胞蛋白等的生产。安装维修方便，较适合于单细胞蛋白等的生产。n 初期的气升式罐是空气通过底部的多孔板分散成小初期的气升式罐是空气通过底部的多孔板分散成小气泡与培养基混合，向上移动，最后与二氧化碳等释气泡与培养基混合，向上移动，最后与二氧化碳等释出，培养液处于湍流状态。随着罐的发展，罐内分为出，培养液处于湍流状态。随着罐的发展，罐内分为上升管和下降管，含气率多的培养基比重小，向上升。上升管和下降管，含气率多的培养基比重小，向上升。含气率少的培养基比重较大，由于在管内外的液体比含气率少的培养基比重较大，由于在管内外的液体比重不同，而产生压力差，推动培养液在罐内循环。上重不同，而产生压力差，推动培养液在罐内循环。上升管和下降管的布置可以装在罐外，称为外循环，也升管和下降管的布置可以装在罐外，称为外循环，也可以装在罐内，称为内循环。可以装在罐内，称为内循环。23.n带升式发酵罐的特点为：结构简单，冷却面积较小；带升式发酵罐的特点为：结构简单，冷却面积较小；不需搅拌设备，节省动力约不需搅拌设备，节省动力约 50%；装料系数达；装料系数达8090%；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染。但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。但对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。n其工作机理是在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐其工作机理是在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空上部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部装设空气喷嘴，空气以气喷嘴，空气以250300m/s的高速度喷入上升管，使的高速度喷入上升管，使空气分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管空气分割细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管内的发酵液比重较小，加上压缩空气的动能，使液体上升，内的发酵液比重较小，加上压缩空气的动能，使液体上升，罐内液体下降进入上升管，形成反复的循环，如下图所示。罐内液体下降进入上升管，形成反复的循环，如下图所示。有内循环及外循环两种。有内循环及外循环两种。一、带升式发酵罐一、带升式发酵罐24.25.二、二、LeFrancois型空气提升式发酵罐型空气提升式发酵罐n 这是法国人这是法国人LeFrancois氏氏研制的发酵罐。研制的发酵罐。初期为外循环罐，初期为外循环罐，70年代初改为年代初改为内循环罐。这种内循环罐。这种型式的罐用于处型式的罐用于处理亚硫酸纸浆废理亚硫酸纸浆废液生产酵母，废液生产酵母，废浓含总糖浓含总糖3.5g/100mL，每小时处理量，每小时处理量23m3。26.三、气升及外循环发酵罐 这种罐运用于石蜡为原料的发酵。罐的压力可维持500kPa。氧的传递系数较高，可用于高浓度培养，菌体浓度可达6%(重量)以上。1发酵罐 2消泡室 3气体分布器 4培养液 5泡沫 6回流管 7喷淋嘴 8气液分离器 9循环泵 10供气管 11培养液入口 12培养液出口 13废液出口 1 4热交换器 15冷却水入口 16冷却水出口 17发酵液出口 18冷却夹套27.四、气升环流发酵罐四、气升环流发酵罐n气升环流发酵罐的型式较气升环流发酵罐的型式较多，常用的有高位，低位多，常用的有高位，低位及压力发酵罐几种。如图及压力发酵罐几种。如图所示是德国所示是德国Hoechst公司公司的石蜡培养酵母用的发酵的石蜡培养酵母用的发酵罐，罐的高度增大可以提罐，罐的高度增大可以提高氧的传递能力，增大对高氧的传递能力，增大对液流的驱动力。驱动力的液流的驱动力。驱动力的调节通过气体流量控制。调节通过气体流量控制。罐的结构简单，易于放大。罐的结构简单，易于放大。28.如图是具有外循环冷却的空如图是具有外循环冷却的空气提升环流式发酵罐，通气气提升环流式发酵罐，通气管与罐底的距离是通气管直管与罐底的距离是通气管直径的径的0.51.5倍，气体经多倍，气体经多孔板送入罐内，多孔板之下孔板送入罐内，多孔板之下是气液分离带，此处回流培是气液分离带，此处回流培养液的气泡率降至养液的气泡率降至10%以下。以下。从罐底引出培养液，用离心从罐底引出培养液，用离心泵输送到热交换器后从上部泵输送到热交换器后从上部回流入罐内。回流入罐内。29.n为了提高发酵罐氧的利用率可在发酵罐内安装两个以上的环流管，延长气液接触时间，如图所示。30.n对于培养植物或动物细胞，对于培养植物或动物细胞，要求没有高度的切割力，防要求没有高度的切割力，防止对细胞的伤害，设备对培止对细胞的伤害，设备对培养基应能充分搅动均匀又能养基应能充分搅动均匀又能使气体均匀分散。细胞培养使气体均匀分散。细胞培养多采用气升环流式，气体从多采用气升环流式，气体从转轴通入，由底部的环形吹转轴通入，由底部的环形吹泡管喷出，向上与培养液均泡管喷出，向上与培养液均匀接触后由上部排出。气流匀接触后由上部排出。气流的气泡与培养基充分混合，的气泡与培养基充分混合，由旋转的推进口排出，向下由旋转的推进口排出，向下流动至下部，被旋转的推进流动至下部，被旋转的推进器吸入后排出，形成环流。器吸入后排出，形成环流。设备对供气、氧、氮、二氧设备对供气、氧、氮、二氧化碳均能控制。设备的特点化碳均能控制。设备的特点为低转速高溶氧。为低转速高溶氧。31.32.五、塔式发酵罐五、塔式发酵罐n塔式发酵罐又称空气搅拌塔式发酵罐又称空气搅拌高位发酵罐，此类发酵罐高位发酵罐，此类发酵罐的用途较多，以获得推广的用途较多，以获得推广使用。发酵罐的特点是：使用。发酵罐的特点是：罐身高，我国土霉素等生罐身高，我国土霉素等生产用的设备，高径之比约产用的设备，高径之比约为为7，罐内装有导流筒。，罐内装有导流筒。由于液位高，空气利用率由于液位高，空气利用率高，节省空气约高，节省空气约50%，节省动力约节省动力约30%；设备；设备简单，不用电机搅拌，但简单，不用电机搅拌，但底部有沉淀物；温度高时底部有沉淀物；温度高时降温较难。降温较难。33.第三节、自吸式发酵罐第三节、自吸式发酵罐n自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。这种发酵罐在程中自吸入空气的发酵罐。这种发酵罐在60年代开始年代开始研究，研究，60年代后期由联邦德国开始发展，年代后期由联邦德国开始发展，1969年首年首先取得美国专利。我国醋厂、酵母厂、制药厂等均已先取得美国专利。我国醋厂、酵母厂、制药厂等均已采用这种新型设备。采用这种新型设备。(1)、节省空气净化系统中的空气压缩机及其辅助设备，减、节省空气净化系统中的空气压缩机及其辅助设备，减少厂房占地面积。少厂房占地面积。l这种设备的优点为：这种设备的优点为：34.n(2)、减少设备投资费约、减少设备投资费约30%。n(3)、设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。、设备便于自动化、连续化，降低劳动强度，减少劳动力。n(4)、气泡小，气液因均匀接触，溶氧系数高。、气泡小，气液因均匀接触，溶氧系数高。n(5)、酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度较高。、酵母发酵周期短，发酵液中酵母浓度较高。其缺点是：罐压较低，装料系数约其缺点是：罐压较低，装料系数约40%。35.一、机械搅拌自吸发酵罐一、机械搅拌自吸发酵罐n自吸式发酵罐的构造如图所示。自吸式发酵罐的构造如图所示。主要构件是自吸搅拌器及导轮，主要构件是自吸搅拌器及导轮，简称为转子及定子。转子由底轴简称为转子及定子。转子由底轴或上主轴带动，当转子转动时，或上主轴带动，当转子转动时，空气则由导气管吸入。转子的形空气则由导气管吸入。转子的形式有多种，如九叶轮、六叶轮、式有多种，如九叶轮、六叶轮、四叶轮、三叶轮等等，叶轮均为四叶轮、三叶轮等等，叶轮均为空心形。空心形。（一）机械自吸式发酵罐吸气原理（一）机械自吸式发酵罐吸气原理（一）机械自吸式发酵罐吸气原理（一）机械自吸式发酵罐吸气原理36.37.n在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动在转子启动前，先用液体将转子浸没，然后启动马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体、空马达使转子转动，由于转子高速旋转，液体、空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，在这个过程中，流体便获得能量。转子旋转的线速度愈过程中，流体便获得能量。转子旋转的线速度愈大，流体的动能也愈大，流体离开转子时，由动大，流体的动能也愈大，流体离开转子时，由动能变为压力能也愈大，排出的风量也越大。当流能变为压力能也愈大，排出的风量也越大。当流体被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子体被甩向外缘时，在转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造的负压也愈大，吸风量也越大，转速愈大，所造的负压也愈大，吸风量也越大，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出，并使空气通过导向叶轮而使气液均匀分布甩出，并使空气在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在湍流状在循环的发酵液中分裂成细微的气泡，在湍流状态下混合、翻腾、扩散，因此自吸式充气装置在态下混合、翻腾、扩散，因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。搅拌的同时完成了充气作用。38.（二）机械自吸式发酵罐的设计要点（二）机械自吸式发酵罐的设计要点1.自吸式发酵罐径高比的确定自吸式发酵罐径高比的确定n 发酸罐通气和搅拌的目的是：供给微生物发酸罐通气和搅拌的目的是：供给微生物氧气，强化液体湍流，使气液因三相更好地氧气，强化液体湍流，使气液因三相更好地接触，增加溶解氧，提高氧的利用率，促进接触，增加溶解氧，提高氧的利用率，促进微生物的传质作用，强化热交换。微生物的传质作用，强化热交换。39.n在自吸式发酵罐中，利用高速转子使气液分散，减少在自吸式发酵罐中，利用高速转子使气液分散，减少液膜阻力，增加溶氧，液柱的高度也是传质的推动力，液膜阻力，增加溶氧，液柱的高度也是传质的推动力，但是液柱过高会影响转子的吸风量。例如但是液柱过高会影响转子的吸风量。例如50m3罐，罐，当液柱高当液柱高2.55m时，吸风量达时，吸风量达32.4m3/min，若再增，若再增加液柱高度，吸风量则下降。通风后发酵液的比重降加液柱高度，吸风量则下降。通风后发酵液的比重降低，约为低，约为0.50.6，由于泡沫作用，吸风量比用水作，由于泡沫作用，吸风量比用水作为介质时减少约为介质时减少约50%。为了提高吸气量，降低转子。为了提高吸气量，降低转子的功率消耗，选用矮罐较好，或提高转子的安装高度，的功率消耗，选用矮罐较好，或提高转子的安装高度，均有利于提高吸风量。均有利于提高吸风量。KoBe型发酵罐容积型发酵罐容积250m3，罐直径与高度之比为，罐直径与高度之比为2：3。粘度大、比重大的物料，。粘度大、比重大的物料，也影响吸风量，如四环素发酵液的比重约为也影响吸风量，如四环素发酵液的比重约为1.2。吸。吸风量降低，应适当降低罐的高度。风量降低，应适当降低罐的高度。40.2.转子与定子的确定转子与定子的确定n三棱叶型转子的特点是转子直径较大，在较低三棱叶型转子的特点是转子直径较大，在较低转速时获得较大的离心力和吸气量，当罐压在转速时获得较大的离心力和吸气量，当罐压在一定范围内变化时，吸气量比较稳定，吸程也一定范围内变化时，吸气量比较稳定，吸程也较大，但阻力较大，消耗功率也较大。三棱叶较大，但阻力较大，消耗功率也较大。三棱叶自吸转子与定子尺寸比例见表自吸转子与定子尺寸比例见表1-2-6。n三棱叶叶轮直径一般等于发酵罐直径的三棱叶叶轮直径一般等于发酵罐直径的0.35倍。倍。如须提高溶氧，可减少转子直径，适当提高转如须提高溶氧，可减少转子直径，适当提高转速。速。41.n四弯叶转子的特点是，四弯叶转子的特点是，对液体的剪切作用较小，对液体的剪切作用较小，阻力小，消耗功率较小，阻力小，消耗功率较小，直径小，转速高，吸气直径小，转速高，吸气量较大，溶氧系数较高。量较大，溶氧系数较高。叶轮外径和罐径比叶轮外径和罐径比1/81/15，叶轮厚度，叶轮厚度为叶轮直径的为叶轮直径的1/41/5。对于同一种叶轮，转速对于同一种叶轮，转速增加，充气能力及压头增加，充气能力及压头也随之增加。有定子的也随之增加。有定子的工作叶轮比无定子的工工作叶轮比无定子的工作叶轮流量、压头均增作叶轮流量、压头均增加。加。42.二、喷射自吸式发酵罐二、喷射自吸式发酵罐 文氏管发酵罐是其文氏管发酵罐是其中的一种，如图所示。其中的一种，如图所示。其原理是用泵将发酵液送入原理是用泵将发酵液送入文氏管中，由于发酵液在文氏管中，由于发酵液在文氏管的收缩段中流速增文氏管的收缩段中流速增加，形成真空，将空气吸加，形成真空，将空气吸入，并使气泡分散，与液入，并使气泡分散，与液体混合均匀，提高发酵液体混合均匀，提高发酵液的溶解氧。的溶解氧。n(一一)、喷射自吸式发酵罐、喷射自吸式发酵罐1.文氏管发酵罐文氏管发酵罐43.44.n1进料管n2吸气室 n3进风管 n4喷嘴 n5收缩段 n6导流尾管 n7扩散段2.液体喷射自吸式发酵罐45.n溢流喷射器是液体溢流时形成抛射流，由于液体表面层作用，使靠近液体表面的气体边界层具有一定的速率，从而形成气体的流动和自吸作用。流体处于抛射非淹没溢流状态，溢流尾管略高于液面，尾管高l2m时，吸气量较大。华南工学院生化工程研究室研究的溢流喷射反应器应用于酵母的培养效果良好，10L罐应用于培养酵母，酵母浓度高达50.5kg干酵母/m3，对数生长期高达7.9kg干酵母(/m3h)。比能耗为0.37 0.61kWh/kg干酵母。三、溢流喷射自吸式发酵罐46.47.第四节、通风固相发酵设备n通风固相发酵工艺是传统的发酵生产工艺，广泛应用于酱油与酿酒生产，以及农副产品生产饲料蛋白等。通风固相发酵具有设备简单、投资省等优点。常用的有自然通风固体曲发酵设备和机械通风固体曲发酵设备。48.一、自然通风固体曲发酵设备n几千年前，我国在世界上率先使用自然通风固体制曲技术用于酱油生产和酿酒，一直沿用至今，尽管大规模发酵生产大多采用液体通风发酵技术。n自然通风制曲要求空气与固体培养基密切接触，以供霉菌繁殖和带走发酵所产生的热量。原始的固体曲制备采用木制的浅盘，大的曲盘没有底板，只有几根衬条，上铺竹帘、苇帘、或柳条，或把帘子铺在架上，这扩大了固体培养基于空气的接触面积。49.n自然通风的曲室设计要求如下：易于保温、散热、排除湿气以及清洁消毒等；曲室四周墙高34m，不开窗或有少量细窗口，四壁均用夹墙结构，中间填充保温材料；房顶向两边倾斜，使冷凝的汽水沿顶向两边下流，避免滴落在曲上；为方便散热和排湿气，房顶开有天窗。50.二、机械通风固体曲发酵设备n机械通风固体曲发酵设备采用鼓风机进行机械通风，与自然通风固体曲发酵设备相比，强化了发酵系统的通风，使曲层厚度大大增加，不仅使制曲生产效率大大提高，而且便于控制曲层发酵温度，提高了曲的质量。51.52.53.54.第五节、其它类型的通风生物反应器n除了上述的机械搅拌通风发酵罐、气升式发酵罐、自吸式发酵罐和固相通风发酵设备外，还有多种通风发酵设备在生产上应用。如：固定床生物反应器、卧式转盘发酵反应器、中空纤维生物反应器等等。55.56.57.58.59.60.61.62.63.64.第六节、发酵罐设计基本原则n1.在发酵系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不应直接连通。因为曾发现细菌能穿过关闭的阀门而繁殖。n2.尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀，会引起法兰连接处移位，而导致污染。n3.尽可能采用全部焊接结构。所有焊接点必须切实磨光，消除蓄积耐火菌的固体物质的场所。n4.防止死角、裂缝，因为固体物质可在这些地方蓄积，为污染菌提供避开灭菌的绝热环境。n5.发酵系统的某些部分能单独灭菌。65.n6.与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封，如采样口的阀门在不使用时，其出口处应有流动蒸汽通过。n7.所用阀门应易于清洗、维修和灭菌。n8.发酵罐应始终保持正压以排除渗漏(对病原菌不适用)。n9.几乎所有的发酵罐都由玻璃或不绣钢制成。玻璃只限用在小于20、30L的发酵罐。n10.多数发酵罐的底部和顶部都是碟形或椭圆形，小于500L的发酵罐也可用平顶，但必须符合压力标准的规定。n11.由罐顶部进入的轴由于轴较长容易颤抖，因而往往采用底式搅拌轴，近年来采用钨碳等密封装置解决浸漏及污染等问题。66.个人观点供参考，欢迎讨论！