第五章 发酵设备思考题：好氧型发酵罐的主要类型及其主要特征（气升氏、自吸式、伍氏、文氏管发酵罐）通用式搅拌罐的基本结构及主要部件的作用；生物反应器（生物反应器（Bioreactor）是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，它是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等；发酵工程中的反应器即发酵罐；5.1 发酵罐的概述发酵罐是发酵工厂中主要的设备，它提供发酵罐是发酵工厂中主要的设备，它提供了一个适应微生物生命活动和生物代谢的了一个适应微生物生命活动和生物代谢的场所；场所；由于微生物分为需氧和厌氧两大类，由于微生物分为需氧和厌氧两大类， 故供故供微生物生存和代谢的发酵罐也分为厌氧型微生物生存和代谢的发酵罐也分为厌氧型发酵罐与通风型发酵罐；发酵罐与通风型发酵罐；不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生不论厌氧或通风发酵设备，除了满足微生物培养所必要的工艺要求外，还得考虑材物培养所必要的工艺要求外，还得考虑材质的要求以及加工制造难易程度等因素质的要求以及加工制造难易程度等因素厌氧型发酵罐（酒精、啤酒、沼气发酵）通风发酵罐又称好气（氧）型发酵罐，如谷氨酸、柠檬酸、酶制剂、抗生素、酵母等发酵用的发酵罐好气性发酵需要将空气不断通入发酵液中，以供微生物所消耗的氧好氧型发酵罐的类型好氧型发酵罐的类型 顶搅拌顶搅拌 轴封轴封 底搅拌底搅拌 磁传动磁传动 气鼓式（鼓泡式）气鼓式（鼓泡式） 内循环内循环 外循环外循环 管道式反应器：流动代替搅拌管道式反应器：流动代替搅拌 填充床（液体循环）填充床（液体循环） 流化床（通气搅拌）流化床（通气搅拌） 自吸式发酵罐自吸式发酵罐 ：不需要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气：不需要空气压缩机，在搅拌过程中自吸入空气 伍伍式发酵罐式发酵罐 ：多用于纸浆废液发酵生产酵母多用于纸浆废液发酵生产酵母 重组菌生物反应器重组菌生物反应器 通用式搅拌罐通用式搅拌罐(满足供氧、通气、搅拌满足供氧、通气、搅拌 ) 气气升式发酵罐升式发酵罐 循环式循环式固固定化发酵罐定化发酵罐 大型发酵罐大型发酵罐四十年代中期，青霉素的工业化生产以及深层通风培养技术的出现，标志近代好氧型发酵工业的开始在深层通风培养技术中，好氧型发酵罐是关键设备机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一。它是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5.2通用式搅拌罐及其结构通用式搅拌罐及其结构5.2.1发酵罐的基本结构发酵罐的基本结构5.2.2 罐体罐体5.2.3 搅拌装置搅拌装置5.2.4 挡板挡板5.2.5 消泡器消泡器5.2.6 换热装置换热装置机械搅拌发酵罐是密封机械搅拌发酵罐是密封 式受压设式受压设备，主要部件包括：备，主要部件包括：罐身罐身搅拌器搅拌器轴封轴封消泡器消泡器联轴器联轴器中间轴承中间轴承空气吹泡管空气吹泡管(或空气喷射器或空气喷射器)挡板挡板换热装置换热装置人孔以及管路等人孔以及管路等5.2.1发酵罐的基本结构发酵罐的基本结构5.2.2 罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成，小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，材料一般为不锈钢为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装设有快开人孔及清洗用的快开手孔。罐顶装有视镜及灯镜。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在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口罐体的尺寸比例罐的高度与直径之比一般为1.74。发酵罐通常装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距S约为搅拌器直径的三倍。对于大型发酵罐以及液体深度HL较高的，可安装三组或三组以上的搅拌器。最下面一组搅拌器通常与风管出口较接近为好，与罐底的距离C一般等于搅拌器直径Di，不宜小于0.8Di，否则会影响液体的循环。最常用的发酵罐各部分的比例尺寸如图。H/D=1.74 H筒身高度筒身高度 HL/D=22.5 HL按照装料按照装料VL=70%V总计算计算 d/D=1/31/2 d搅拌器直径搅拌器直径 W/D=1/121/10（一般一般0.1 ） W档板宽档板宽度度B/d=0.81.0 B下搅拌器距底间距下搅拌器距底间距 1.5 s/d 2 s搅拌器间距搅拌器间距 5.2.3 搅拌装置搅拌装置打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧溶解于发酵液中；酵液中；产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间；产生涡流，延长气泡在液体中的停留时间；造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度；造成湍流，减小气泡外滞流液膜的厚度；动量传递，有利于混合及固体物料保持悬浮状动量传递，有利于混合及固体物料保持悬浮状 搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种（涡轮式）两种搅拌器类型：搅拌器类型： 轴向式：桨叶式轴向式：桨叶式 螺旋桨式螺旋桨式 径向式：涡轮式径向式：涡轮式叶片形状：叶片形状： 平直叶平直叶 弯叶弯叶 箭叶箭叶在相同的搅拌功率下在相同的搅拌功率下， 粉碎气泡能力：平粉碎气泡能力：平弯弯箭箭 翻动流体能力：箭翻动流体能力：箭弯弯平平5.2.4 挡板挡板挡板的作用是改变液流的方向，由径向流改为轴向流，促使液体剧烈翻动，增加溶解氧。5.2.4 挡板挡板通常，挡板宽度取(0.10.2)D，装设46块可满足全挡板条件全挡板条件：是指在一定转数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：5.2.5 消泡器消泡器消泡器的作用是将泡沫打破；常用的形式有锯齿式、梳状式及孔板式。孔板式的孔径约1020毫米；消泡器的长度约为罐径的0.65倍；5.2.6 换热装置换热装置夹套式换热装置这种装置多应用于容积较小的发酵罐、种子罐；夹套的高度比静止液面高度稍高即可，无须进行冷却面积的设计。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。其缺点是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差，竖式蛇管换热装置 竖式的蛇管分组安装于发酵罐内，四组、六组或八组不等，根据管的直径大小而定，容积5米3以上的发酵罐多用这种换热装置。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。但是气温高的地区，冷却用水温度较高，则发酵时降温困难，发酵温度超过40C，会影响发酵产率，因此应采用冷冻盐水或冷冻水冷却，如此则增加了设备投资及生产成本。此外，弯曲位置比较容易蚀穿。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。缺点：传热系数较蛇管低， 用水量较大。5.3 其它通风发酵罐的类型发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产发酵罐的类型与发酵类型、工艺类型和产物类型有关物类型有关5.3.2气升式发酵罐气升式发酵罐利用空气喷嘴喷出高速的空气，空气以气泡式分散于液体中，在通气的一侧，液体平均密度下降，在不通气的一侧，液体密度较大，因而产生与通气侧的液体产生密度差，从而形成发酵罐内液体的环流；气升式发酵罐的特点结构简单，冷却面积小；无搅拌传动设备，节省动力约50%，节省钢材；操作时无噪音；料液装料系数达8090，而不须加消泡剂；维修、操作及清洗简便，减少杂菌感染但不能代替好气量较小的发酵罐，对于粘度较大的发酵液溶氧系数较低。 气升式发酵罐的结构及原理 分为内循环和外 循环两种。其主 要结构包括：罐体上升管空气喷嘴5.3.3 自吸式发酵罐自吸式发酵罐l自吸式发酵罐是一种不需专门为发酵罐内导入压缩空气的适用于好气发酵的发酵罐。它装有一种特殊设计的机械搅拌装置，当这种搅拌桨转动时，紧密贴在桨底的导气管可借桨叶排出液体时所产生的局部真空把空气吸入罐内。l采用了不同型式、容积的自吸式发酵罐生产葡萄糖酸钙、力复雷素、维生素C、酵母、蛋白酶等，都取得了良好的效果。发自吸式发酵罐的罐体结构大致与机械搅拌式发酵罐相同，主要区别在于搅拌器的形状和结构不同。自吸式发酵罐使用的是带中央吸气口的搅拌器。搅拌器由从罐底向上伸入的主轴带动，叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背部形成真空，于是将罐外空气通过搅拌器中心的吸气管而吸人罐内，吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。 5.3.4 伍伍式发酵罐式发酵罐搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，搅拌器是用六根弯曲的空气管子焊于圆盘上，兼作空气分配器。空气由空心轴导入，经过搅兼作空气分配器。空气由空心轴导入，经过搅拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相拌器的空心管吹出，与被搅拌器甩出的液体相混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下混合，发酵液在套筒外侧上升，由套筒内部下降，形成循环；降，形成循环；多用于纸浆废液多用于纸浆废液 发酵生产酵母发酵生产酵母搅拌时液体沿着套筒外向上升至液面，然后由套筒内返回罐底；设备的缺点是结构复杂，清洗套筒较困难，消耗功率较高。5.3.5 文文氏管发酵罐氏管发酵罐是用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管的收缩段中液体的流速增加，形成真空将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增加发酵液中的溶解氧。优点是：吸氧的效率高，气、液、 固三相均匀混合，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。缺点是气体吸入量与液体循环量之比较低，对于好氧量较大的微生物发酵不适宜。