第二章通風生物反應器第一節機械攪拌式生物反應器第二節氣升式生物反應器第三節鼓泡塔生物反應器第四節自吸式生物反應器第五節固態通風生物反應器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

生物反應器的分類

生物反應器，是指利用酶或生物體（如微生物、動植物細胞）所具有的特殊功能，在體外進行生物化學反應的裝置系統。細胞培養反應器（發酵罐）生物反應器酶反應器動物、植物、昆蟲等活體生物反應器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

生物反應器的分類(1)按照使用的生物催化劑的不同,分為酶催化反應器和細胞生物反應器。(2)根據反應器的操作方式,分間歇式生物反應器,半連續式和連續式生物反應器。(3)根據反應器的結構特征,分釜式,管式,塔式,膜式等。

它們之間的差別主要反映在外型和內部結構的不同。

生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

(4)根據反應器所需的能量的輸入方式,分通過機械攪拌輸入能量的機械攪拌式,利用無菌空氣攪拌的氣升式和利用泵對液體的噴射作用而使液體循環的生物反應器。(5)根據生物催化劑在反應器中的分布方式,分生物團塊反應器和生物膜反應器。生物團塊反應器按催化劑的運動狀態又分為填充床,流化床,生物轉盤等。(6)根據反應物系在反應器內的流動和混合狀態,分全混流和活塞流生物反應器。（見演示）

生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

生物反應器的分類一個優良的生物反應器應具有良好的傳質和傳熱性能；培養液流動與混合良好；結構簡單嚴密，防雜菌污染，檢修維護方便；具有配套而可靠的檢測及控制儀表。——以提供合適的環境條件，確保生物反應的順利進行；——判斷生物反應進行的情況。小型的種子發酵罐機械攪拌通風反應器底部磁力攪拌通風，電機輸出軸與機械攪拌軸之間無聯軸節和機械密封，密封可靠無泄漏。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

大型機械攪拌反應器圖2-3某味精廠發酵車間一角發酵車間圖2-5河南蓮花味精集團公司使用的氣升式通風發酵罐

圖2-6南陽天冠酒精集團公司酒精發酵罐

圖3-7珠江啤酒發酵群圖3-8丹麥嘉士伯啤酒發酵群圖3-9機械攪拌反應器圖3-10機械攪拌反應器機械攪拌型反應器，是通過攪拌器對罐內的液體進行攪拌，以提供動力，并達到傳質、傳熱和液體混合的目的和要求，同時通過攪拌提高通入的氧氣的溶解，保證供給微生物生長繁殖、發酵所需要的氧氣

。(虛擬機械攪拌生物反應器1)第一節機械攪拌微生物反應器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

一、機械攪拌生物反應器的結構

好氣性機械攪拌生物反應器是密封式受壓設備，主要部件包括：1.罐體2.攪拌器和檔板

3.密封裝置

4.消泡器

5.空氣分布裝置6.變速裝置、軸承、聯軸器7.傳熱裝置生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

小型攪拌反應器的結構

大型機械攪拌反應器結構示意大型攪拌通風反應器結構1.罐體罐體結構:筒身、上封頭、下封頭構成。材料及要求:耐高溫高壓玻璃反應器正在加工的罐身和封頭生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

罐體的厚度計算根據工藝條件，筒體材料、內壓力已確定的內徑等參數，按強度計算公式確定筒體的設計厚度。其中td設計厚度，mm；p為設計壓力，MPa；D1為發酵罐罐體內徑,mm[σ]τ材料在設計溫度下的許用應力，MPa；厚度附加量封頭（罐蓋）厚度

封頭的設計已標準化，內徑與筒體的內徑一致，標準錐形封頭、橢圓標準封頭尺寸可查設計資料。封頭設計厚度按工藝條件，用強度計算公式進行計算。對橢圓形封頭:

對標準橢圓形封頭:K=1罐身和罐蓋的連接圖2-13某廠抗菌素生產車間的種子罐和發酵罐法蘭連接整體焊接生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

罐蓋上的部件配置圖2-14小型發酵罐罐頂部件布置圖

圖2-15大中型發酵罐罐頂部件布置圖

生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

罐身的部件配置裝于罐身的接管有：冷卻水進出口、空氣進口、溫度和其他測控儀表的接口。罐身的接管愈少愈好。

不影響無菌操作條件下將接管加以歸并。

生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

(1)攪拌器

攪拌器作用：增加氧的溶解速率;促進液-氣-固三相混合;加強傳熱。

2.攪拌器和檔板生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

攪拌器與流型軸向流攪拌器徑向流攪拌器切向流攪拌器徑向流——渦輪攪拌器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

徑向流——渦輪攪拌器在渦輪攪拌器中液體出口的絕對速度很大，槳葉外緣附近造成激烈的漩渦運動和很大的剪切力，可將通入的氣體分散得更細，并可提高溶氧傳質系數。軸向流攪拌器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

促進總體混合效果較好，但對溶解氧效果不如渦輪攪拌器。無擋板的容器內，流體繞軸作旋轉運動，流速高時液體表面會形成漩渦，流體從槳葉周圍周向卷吸至槳葉區的流量很小，混合效果很差。切向流切向流攪拌器錨式框式框錨式其他攪拌器形式生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

攪拌器的組合對于大型發酵罐，為了同時滿足混合、溶氧以及傳熱的需求，可以采用多種不同的攪拌器的組合方式實現。（2）檔板

擋板的作用：a、改變液流的方向，由切向流改為徑向流和軸向流;

b、提高液流湍流程度，促使液體激烈翻動，增加溶解氧。c、防止攪拌過程中漩渦的產生，而導致攪拌器露在料液以上，起不到攪拌作用。

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擋板可以消除打漩現象豎立的蛇管、列管、排管、進空氣管等也可以起擋板作用。檔板有關設計參數檔板的寬度W=（0.1~0.12）D；檔扳的高度H自罐底起至設計液面高度止；檔板與罐壁保持一定間隙，防止死角的形成；檔板的塊數Z一般為4~6塊，不超過8塊，以接近消除旋渦為宜。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

全擋板條件

全擋板條件下的攪拌流型

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在一定轉速下，再增加罐內附件而軸功率保持不變、旋渦基本消失的檔板數。3.密封裝置（軸封）

發酵罐的攪拌軸與不運動的罐體之間的密封是確保不泄漏和不污染雜菌的關鍵部件之一。

軸封是安裝在旋轉軸與發酵罐體之間的部件。軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止工作介質（液體、氣體）沿轉動軸伸出設備之處泄漏和污染雜菌。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

1)填料函軸封結構：由軸、填料壓蓋、壓緊螺栓、填料箱體、銅環和填料組成。主要缺點：①內部存在很多死角，蒸汽不易達到，很難徹底滅菌；②軸的磨損較為嚴重，如軸磨損過多；就難以達到密封要求；③填料壓緊后摩擦功率損失較大；1-軸2-填料壓蓋3-壓緊螺栓4-填料箱體5-銅環6-填料生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

④經常維修填料函，攪拌軸拆出磨光磨損部分，消耗工時多，影響生產。2)端面軸封（機械軸封）圖24單端面機械軸封1-彈簧2-動環3-硬質合金4-靜環5-O形密封圈分為單端面密封和雙端面密封；結構主要由彈性壓緊元件、動環、靜環、O型密封圈等組成。機械密封有三個密封點位。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

下伸軸通風發酵罐上伸軸機械攪拌反應器密封措施之一：靜環和罐體的密封（靜密封）生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

密封措施之二：動環與軸的密封（相對靜止的密封）生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

密封措施之三：動環與靜環之間的密封（相對旋轉密封）生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

動環和靜環是環形平面接觸。靠彈簧壓緊動環和靜環產生。兩環有微小磨損，密封力基本不變,介質不易泄漏。3）全封閉密封(磁力攪拌)⒈適用:介質為劇毒、易然、易爆、昂貴的物料，高純度物料以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料密封和機械密封均無法滿足時的場合。⒉工作原理:套裝在輸入機械能轉子上的外磁轉子，和套裝在攪拌軸上的內磁轉子，用隔離套使內外轉子隔離，靠內外磁場進行傳動，隔離套起到全封閉密封作用。套在內外軸上的渦磁轉子稱為磁力聯軸器。磁力聯軸器的結構平面式聯軸器套筒式聯軸器由裝在攪拌軸上的內磁轉子和裝在電機軸上的外磁轉子組成。1－外軸2－外磁轉子3－隔離套4－內磁轉子5－內軸

圖2—37平面式聯軸器平面隔離套1－外磁轉子2－內磁轉子3－隔離套4－反應器筒體5－軸承套筒隔離套圖2—38套筒式聯軸器

①

密封可靠。

②

使用壽命長。

③

維修周期長。

④軸或軸套不受磨損。

⑤摩擦功率耗損少，一般約為填料函密封的10～50％

⑥機械軸封對軸的精度和光潔度沒有填料函要求那么嚴格。⑦

適用范圍廣。

缺點是：結構復雜，需要一定的加工精度和安裝技術。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

機械軸封與填料函軸封相比優缺點端面軸封安裝的虛擬實驗生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

虛擬安裝作用:消除泡沫。消泡方法:化學法消泡;機械法消泡機械消泡裝置類型：耙式、離心式、刮板式、渦輪式、碟片式消泡器等。4.消泡器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

①耙式消泡器耙式消泡器安裝在發酵罐內的攪拌軸的上部生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

②離心式消泡器

安裝在反應器外部,結構類似于離心式旋風分離器。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

③刮板式消泡器安裝在反應器的外部，利用刮板旋轉產生的離心力作用將氣液分離而消泡。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

④機械方法和化學方法聯合消泡

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5.空氣分布裝置吹入無菌空氣，使空氣分布均勻。單管式分布裝置：管口正對罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的空氣分散效果較好。環形管的分布裝置：單管式空氣分布管環管式空氣分布管生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

變速裝置試驗罐:無級變速發酵罐:三角皮帶或齒輪傳動三角皮帶減速裝置6.變速裝置、軸承、聯軸器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

發酵罐的圓柱齒輪變速裝置軸承

一般在罐內裝有底軸承，而大型發酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應能適當調節。罐內軸承不能加潤滑油，應采用液體潤滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4~0.7%，以適應溫度差的變化。聯軸器大型發酵罐攪拌軸較長，為了加工和安裝的方便，常分為二至三段，用聯軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯接。常用的聯軸器有鼓形及夾殼形兩種。軸的連接應垂直，中心線對正。夾殼形聯軸器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

7.傳熱裝置形式有夾套式、內蛇管式、內列管式和外盤管式等幾種形式，根據發酵罐容積和裝料量設計選用。不同的傳熱裝置的實用范圍:優先采用夾套。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

多種換熱方式的組合機械攪拌通風反應器主要部件虛擬安裝實驗生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

（虛擬安裝操作）通用式機械攪拌反應器發展趨勢容積：擴大至100-500m3;材質：由碳鋼改為不銹鋼（304,306L);傳熱：由單一罐內蛇管傳熱改為罐內直管和罐壁半圓管相組合換熱；減速：將皮帶傳動改為齒輪式減速；攪拌：從單一徑向渦輪式攪拌改為徑、軸雙向流式攪拌。二、發酵罐的結構參數計算發酵罐的結構參數：公稱直徑D、罐體高度H;高徑比H/D、公稱容積V0等。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

通用發酵罐主要結構參數1.通用發酵罐的結構比例尺寸H/D=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1.0s/d=1.5~2.5S1/d=1~2發酵罐參數的確定要適應不同的菌種和發酵產物要求。2.發酵罐裝料容積的計算（1）全容積：罐的圓柱部分體積和上下封頭體積之和。

V=Vc+2Vb(2)公稱容積：罐的圓柱部分和底封頭容積之和（取整數）。

生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

封頭體積Ｖb封頭體積Ｖb決定于封頭形式，對于橢圓形封頭：其中，Hb封頭直邊高度，ha封頭曲邊高度，對于標準橢圓型封頭，生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

發酵罐的全容積(3）近似全容積計算:實際裝料量:VL=0.6~0.85V0生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

裝料系數η=VL/V0例如，一年產5萬噸檸檬酸的發酵廠，發酵產酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產日期為300天，發酵周期為96小時。計算發酵罐的數量以及發酵罐的直徑每日的產量=50000/300=166.7噸每日所需發酵液的量=166.7/(0.14×0.9）=1322.8m3假定發酵罐的裝液系數為85%則每日所需發酵罐容積1322.8/0.85=1556m3取發酵罐的公稱容積為250m3則每日需要6個發酵罐發酵周期為4天，考慮放罐洗罐等輔助時間，整個周期為5天。則所需發酵罐的總數=5×6+1=31個根據發酵罐的公稱容積，可以計算發酵罐的圓柱體的直徑（需初定H/D)：3.冷卻水用水量和散熱面積發酵產生的凈熱量Ｑ發酵可用下式表示Ｑ發酵＝Ｑ生物＋Ｑ攪拌－Ｑ空氣－Ｑ輻射其中：Ｑ生物為生物合成熱和呼吸熱，以葡糖為基質時，細胞呼吸放熱量為15659kJ/kg,合成發酵產物放熱量近似為4857kJ/kg；Ｑ攪拌機械攪拌放熱，Ｑ攪拌＝3600Pgη(KJ),Pg為攪拌功率，η=0.92

；

Q空氣為發酵過程通氣帶出的水蒸汽所需的汽化熱以及空氣溫度上升所帶出熱量；

Q輻射為輻射熱,Q輻射=0.08F外壁(t壁-t空)。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

冷卻水用水量計算QF=Q發酵熱·VL換熱水量：發酵液溫度實際測量Q發酵的方法式中:W____冷卻水流量，kg/h；

c____

冷卻水的比熱容，kJ/(kg.℃)；t1___冷卻水進口溫度，℃；

t2___冷卻水出口溫度，℃；V—發酵液體積，m3。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

選擇主發酵期產生熱量最大，測定：發酵罐傳熱面積計算

式中：QF——總的發酵熱，（J/h）；

K——傳熱總系數,[J/（m2.h.℃）]；

F——冷卻面積（m2）

△t為發酵液與冷卻水之間的平均對數溫差，K；

生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

傳熱面積可按下式計算：三、生物反應器攪拌功率計算攪拌器輸入功率：指攪拌器以既定的速度旋轉時，用以克服介質的阻力所需的功率，簡稱軸功率。它不包括機械傳動的摩擦所消耗的功率，因此它不是電動機的軸功率或耗用功率。發酵罐液體中的溶氧速率以及氣液固相的混合強度與單位體積液體中輸入的攪拌功率有很大關系。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

（一）不通氣、牛頓流體的攪拌器功率1.不通氣、單層攪拌器功率計算在不通氣情況下,機械攪拌發酵罐中，攪拌器輸出的軸功率與下列因素有關：發酵罐直徑、攪拌器直徑、液柱高度、攪拌器的轉速、液體粘度、流體密度、攪拌器形式和結構以及有無擋板等。可以表示為函數關系，由于D、HL與d有一定比例關系，于是：P=Φ（n，d,ρ,μ,g)生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

通過因次分析及實驗證實，對牛頓型流體而言，可得到下列準數關聯式：式中P：不通氣時攪拌器輸入液體的功率（瓦）;

ρ：液體的密度（公斤/米3）;

μ：液體的粘度（牛.秒/米2）;

d：攪拌器直徑（米）;

n：攪拌器轉速（轉/秒）;

K：決定于攪拌器的型式，發酵罐的幾何尺寸、擋板的尺寸及流體的流態。——功率準數；攪拌下的雷諾準數FrM為氟特魯準數經實驗證實，在全擋板條件下，液面未出現旋渦，此時指數y=0，故=1。所以即：在具有擋板且滿足全擋板的情況下，即攪拌準數是攪拌雷諾準數的函數。

圖2-33攪拌器的功率曲線

1-三葉推進式,s=d,無擋板；2-三葉推進式,s=d,全擋板；3-三葉推進式,s=2d,無擋板；4-三葉推進式，s=2d，全擋板；5-六葉直葉圓盤渦輪，無擋板；6-六葉直葉圓盤渦輪，全擋板；7-六葉彎葉圓盤渦輪，全擋板；8-雙葉平漿，全擋板全擋板：N=4，W=0.1D；各曲線：d/D1/3，b/d=1/4；HL/D=1s-漿葉螺距,N-擋板數,W-擋板寬度,D-釜內徑,d-葉輪直徑,b-漿葉寬度,HL-液層深度NpNNP在一系列的幾何相似的試驗設備中，用不同型式的攪拌器進行試驗得出：當Ｄ/d=3，HL/d=3，B/d=1，D/W=10且ReM＜10時，液體處于層流狀態，此時，x=-1又：當ReM﹥104，x=0,時液體處于湍流狀態，此時，

發酵液為過渡流時的攪拌器功率在10﹤Rem﹤104，發酵液為過渡流，計算Rem，查NP-Rem圖得NP2.攪拌器功率計算的修正由于一般發酵罐中Ｄ/d≠3、HL/d≠3，其攪拌功率可用下式校正：f為校正系數，它由下式來確定：式中，帶*號代表實際攪拌設備情況。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

3.多層攪拌器功率的計算由于工業發酵罐的高徑比一般為2~3，因此在同一軸上往往裝有很多層攪拌器。對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算：式中m---攪拌器層數。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

（二）、通氣情況下的牛頓流體攪拌功率當發酵罐通入壓縮空氣后，攪拌器的軸功率與不通氣時相比，將會下降，減少程度與通氣量存在著一定關系。可能的原因是：1）由于通氣使得液體的密度降低；2）由于通氣使得液體的翻動。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

1、通氣準數法為了估算通氣條件下的攪拌功率，有人引入通氣準數Ｎa，它表示了發酵罐內空氣的表觀流速與攪拌葉端流速之比。可表示為：式中QG——工況通氣量；

d——攪拌器直徑；

n——攪拌器轉速；生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

通氣攪拌功率的計算若以Pg表示通氣攪拌功率，P0為不通氣攪拌功率，則則Na﹤0.035時，

Na≥0.035時圖2-2b表示了在各種攪拌情況下，通氣與不通氣功率之比與通氣準數的關系。2、Michel法當發酵液密度為800～1650kg/m3，粘度為9×10-4

～0.1Pa·s時，可用Michel公式來估算渦輪攪拌器的通氣攪拌功率：式中，當d/D=1/3~2/3時，Ｃ值為０.101~0.157之間。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

（三）、非牛頓流體攪拌功率計算常見的某些發酵醪具有明顯的非牛頓流體特性。這一特性對發酵過程的影響極大，對攪拌功率的計算也帶來麻煩。牛頓型流體：用水解糖液、糖蜜等原料做培養液的細菌醪、酵母醪；直接用淀粉、豆餅粉配料的低濃度細菌醪或酵母醪接近于牛頓型流體。非牛頓型流體：霉菌醪、放線菌醪。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

牛頓型流體的特點牛頓型流體：粘度μ只是溫度的函數，與流動狀態無關，服從牛頓粘性定律。牛頓型流體的流態式為直線，服從牛頓特性定律：τ——剪應力；——剪切速率（速度梯度）如瀝青，熔融狀態的塑料，聚合物溶液,部分發酵液等。

非牛頓流體：粘度μ不僅是溫度的函數，而且隨流動狀態而變化。此類流體可按剪應力與剪切率之間的關系，分為三類，如圖所示：如：血液、放線菌、霉菌的發酵液等為非牛頓流體。非牛頓流體攪拌功率的計算對于非牛頓型流體攪拌功率的計算與牛頓型流體攪拌功率的計算方法一樣，可用的關系式進行計算。但這類流體的粘度μ是隨攪拌速度而變化的，因而必須事先知道粘度與攪拌速度的關系，然后才能計算不同攪拌轉速下的發酵液粘度。米茲納等人提出，在攪拌條件下，非牛頓流體的平均剪切速率與攪拌轉速成正比剪切速率γ=B×nB比例系數，B的范圍為10~13。非牛頓流體攪拌功率的計算根據轉速n及B就可求出平均剪切速率，再通過實驗作出流態曲線。曲線任一點的切線即為該點的表觀黏度，根據公式以及就可繪制功率準數和雷諾準數曲線，從大量的實驗數據中，可以得出，牛頓型流體與非牛頓型流體的Ｎp～ReM曲線基本吻合，差別僅在ReM＝10～300區間之內。在實際計算中，可以用上述軸功率計算方法來計算非牛頓型流體的攪拌功率。（四）、生物反應器攪拌功率的確定攪拌功率消耗和通氣功率消耗是一對矛盾關系，提高攪拌功率可以減小通氣功率的消耗，相反通氣功率消耗提高，則可適當降低攪拌功率，或者說，在高通氣情況下，實際攪拌功率消耗小，而高消耗攪拌功率下，可降低通氣功率消耗（通氣量減小）。為實現攪拌功率改變的需要，常采用變頻電機和變速裝置，可根據需要改變攪拌的轉速和功率輸出。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

攪拌器功率P與直徑d、轉速n之間的關系動壓頭液體翻動量攪拌功率基本方程式：攪拌器功率P與直徑d、轉速n之間的關系假定攪拌器功率P不變，增加d，則減小n，根據：，則H減少，Q增加。結論：d增加，n減小，動壓頭減小，翻動量增加，有利于發酵液相與相之間的混合。結論：減小攪拌器直徑d，增大轉速n，使動壓頭增加，有利于氣泡的粉碎，提高溶氧傳質系數。攪拌器功率P與直徑d、轉速n之間的關系生物反應器的最適D/d值隨生產菌種、培養液的性質和通氣程度而變，但是，越是粘厚的培養液，越是好氣的菌種，越硬配備較大直徑的攪拌器，同時應保證較高的轉速，即大功率生物反應器。攪拌器功率P與直徑d、轉速n之間的關系采用高功率消耗，低通氣量的方法來加強攪拌過程中的剪切力和翻動量，以提高氧的傳遞速率和液-固相混合程度，但不能盲目采用大功率，因為增加轉速及攪拌槳直徑，可能導致剪切力過大，菌絲易打碎。攪拌器功率P與直徑d、轉速n之間的關系（五）、電機功率的確定按發酵罐攪拌功率來選用電機，應考慮減速傳動系統的機械效率η，不同的傳動系統，機械效率不同。電機功率計算公式如下：式中，Pm為攪拌所需的軸功率，KW；PT為軸封摩擦損失功率，KW；η為傳動系統的效率。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

計算舉例某細菌醪發酵罐罐直徑D＝1.8(米)；圓盤平葉渦輪,直徑d＝0.60米，一只渦輪；罐內裝四塊標準擋板；攪拌器轉速n＝168轉／分；通氣量Q＝1.42米3／分(已換算為罐內狀態的流量)罐壓P＝1.5絕對大氣壓；醪液粘度μ＝1.96×10-3牛·秒／米2；醪液密度ρ＝1020公斤／米3；要求計算Pg生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

(1)計算ReMReM=3.147×105﹥104(2)由NP~ReM查NP

，NP=12(3)計算不通氣時攪拌功率P0P0=NPd5n3ρ=11(千瓦）(4)計算通氣攪拌Pg=3.5(千瓦）第二節氣升式發酵罐非機械攪拌生物反應器。氣升式反應器是利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應液循環流動，來實現液體的攪拌、混合和傳遞氧。即：不用機械攪拌，完全依靠氣體的帶動上升使液體產生循環并發生湍動，從而達到氣液混合和傳遞的目的。類型：氣升環流式、鼓泡式、空氣噴射式等。其中氣升內環流發酵罐、氣液雙噴射氣升環流發酵罐、設有多層分布板的塔式氣升發酵罐已在工業上應用。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

大型氣升式發酵罐實物照片

實驗室用氣升式玻璃發酵罐（實物）一、氣升式生物反應器的主要類型及結構1.帶升式生物反應器2.氣升及外循環生物反應器3.氣升環流生物反應器4.塔式生物反應器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

1.帶升式生物反應器1）內循環式在反應器內部裝設上升管。空氣噴嘴安裝在反應器底部。利用空氣壓力和速度帶升發酵液上升；在頂部利用液體本身的重力下降實現循環。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

2）汽液雙噴射氣升環流反應器增加了液體噴射泵。無菌空氣通過噴嘴噴射進入發酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發酵液則下沉，形成循環流動，實現混合與溶氧傳遞。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

氣-液雙噴射氣升環流反應器3）篩板外循環式為多層空氣分布板（多孔篩板）的氣升環流反應器。底部有新鮮空氣分布管；在反應器外部裝設循環管。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

2.外循環帶外部換熱生物反應器器內部裝設氣液上升管，在外部裝設帶冷卻裝置的循環管。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

二、氣升式反應器的特點⑴反應溶液分布均勻，氣液固三相均勻混合；⑵較高的溶氧速率和溶氧效率，氣升式反應器具有較高的氣含率和比氣液接觸截面，因而有較高的傳質速率和溶氧效率；⑶無機械攪拌葉輪，剪切力小，對生物細胞損傷小；⑷

傳熱良好。液體綜合循環速率高，同時便于在外循環管路加裝換熱器；⑸

無密封裝置，結構簡單，易于加工制造；⑹操作和維修方便。缺點：不適于固形物含量高、黏度大的發酵液。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

三、氣升式生物反應器的結構與操作參數

1.主要結構參數1）反應器高徑比：一般為5-9,有的更大；

2）導流筒直徑與罐徑比：0.6-0.8；3）空氣噴嘴直徑與反應器直徑之比D1/D以及導流筒上下端面到罐頂、罐底間距離對發酵液混合、溶氧有影響。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

2．流動與傳遞特性參數（1）氣含率同軸導流筒的內循環氣升式發酵罐中，氣含率的定義為：VG為通風量，VL培養液量，vG為氣速，K，n為經驗常數。氣含率是氣升式發酵罐的一個重要參數。氣含率太低，氧傳遞不夠，反之，太高則反應器的利用率太低。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

（2）體積氧傳遞速率系數式中——氣體在管內流速（m/s）；——b為與空氣分布板形式和溶液性質有關的常數。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

主要取決于發酵液的湍動以及氣泡的剪切細碎狀態。（3）循環周期循環周期指液體微元在反應器內循環一周所需要的平均時間，即平均循環時間。式中,VL為發酵液體積；Vc為發酵液體積循環量。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

液氣比：發酵液環流量Vc與通風量VG之比，對混合與溶氧具有重要影響。第三節機械攪拌自吸式發酵罐不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自吸入無菌空氣的發酵罐。通風裝置由轉子和定子組成。工作原理當發酵罐內充滿液體，啟動攪拌電機，轉子高速旋轉，轉子內液體被甩向葉輪外緣，液體獲得能量。轉子的線速度越大，液體(其中還含有空氣)的動能愈大，當其離開轉子時，由動能轉變為靜壓能也愈大，在轉子中心所造成的負壓也越大，故吸氣量也越大，通過導向葉輪而使氣液均勻分布甩出，并使空氣在循環的發酵液中分裂成細微的氣泡，在湍流狀態下混合、湍動和擴散，因此自吸式充氣裝置在攪拌的同時完成了充氣作用。自吸發酵罐與通用發酵罐的比較攪拌轉速n比通用式發酵罐高；攪拌功率消耗大，一般維持在3.5kw/m3左右，而通用式一般在1～1.5kw/m3左右。由于不需要空氣壓縮機及帶來的能量消耗，自吸罐總動力消耗是通用式的2/3左右。機械攪拌自吸發酵罐最關鍵部件是帶有中央吸氣口的攪拌器第四節鼓泡塔式生物反應器結構：一種高徑比H/D較大的非機械攪拌式生物反應器。它不設置機械攪拌裝置，利用通入培養液的空氣泡上升時帶動流體運動，進行攪拌和混合。Ｈ/Ｄ高達8：1至20：1，流體深度大，空氣進入培養液后有較長的停留時間，并可將氣體重新分散，篩板上的降液口有助于液體的循環運動。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

一、高位篩板塔反應器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

氣液兩相通過篩板孔被篩板分割細碎沿篩板上升帶動液體上升并均勻混合,在頂部氣體匯聚成大氣泡并排出發酵罐，液體依靠重力沿降液管下降實現循環。適用于培養液粘度低，含固量少，需氧量較低的多級連續發酵。

可用于單細胞蛋白質、抗生素等生產，另外，對植物細胞的培養也可適用。篩板塔、篩板以及降液管構成，結構簡單，無運動部件，無需密封裝置。

公稱體積達3000m3，液柱高達55m，故通氣壓力高，發酵液量2100m3。為了強化氣液混合與溶氧，沿罐高度設有19塊有下降區的篩板以防止氣泡合并為大氣泡，同時為使塔頂的氣液部分分離排氣，頂部設有氣液分離部分，直徑約等于塔徑的1.5倍。發酵罐中液體上升速度達0.5m／s，而在下降區的速度更高達3～4m／s；在上升管與下降區的氣含率分別高達0.52和0.48。由于液位高，飽和溶氧C*很高，故溶氧速率可高達10kg(O2)／(m3．h)，發酵液的循環時間控制在1-3min。

二、壓力循環塔式發酵罐ICI壓力循環塔式發酵罐特點優點：結構簡單，省去軸封，對保持無菌條件有利，無機械攪拌，減少剪切作用對細胞的損害；造價較低，動力消耗少。缺點：反應器高，要在室外安裝，而且壓縮空氣要有較高壓力以克服反應器內液體的靜壓力。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

鼓泡塔生物反應器的應用酶產物制備、乙醇發酵、單細胞蛋白發酵、廢水處理、廢氣處理（例如用微生物處理氣相中的苯）等。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

第五節固態通風發酵生物反應器一、固態發酵的特點二、固態發酵生物反應器類型三、固態發酵生物反應器的設計與應用生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

固態發酵（solidstatefermentation）又稱固體發酵，是指微生物在濕的固體培養基上生長、繁殖、代謝的發酵過程。固態的濕培養基一般含水量在50%左右，但也有的固態發酵的培養基含水量為30%或70%。

固態發酵的特點固態發酵與液態發酵相比的主要優、缺點

優點缺點 1.培養基含水量少，廢水、廢渣少，環境污染少，容易處理；1.菌種限于耐低水活性的微生物，菌種選擇性少2.消耗低，供能設備簡易；2.發酵速度慢，周期較長3.培養基原料多為天然基質或廢渣，廣泛易得，價格低廉3.天然原料成分復雜，有時變化，影響發酵產物的質和量4.設備和技術較簡易，不需嚴格無菌操作，后處理方便。4.工藝參數難檢測和控制5.產物濃度較高，后處理方便5.產品少，工藝操作消耗勞力多，強度大一、固態發酵的類型（一）淺盤式生物反應器（trayfermentor)（二）填充床生物反應器（packedbedbioreactor，PBB）（三）流化床生物反應器（四）轉鼓式生物反應器(rotarybioreactorRDB)（五）攪拌式固態生物反應器（六）壓力脈動固態發酵生物反應器

（一）淺盤式生物反應器（trayfermentor)

淺盤式生物反應器由一個密室和許多可移動的托盤組成，托盤可以是木材、金屬(鋁或鐵)、塑料等制成，底部打孔，以保證生產時底部通風良好。培養基經滅菌、冷卻、接種后裝入托盤，托盤放在密室的架子上。一般地托盤在架上層層放置，兩托盤間有適當空間，保證通風。發酵過程在可控制濕度的密室中進行，培養溫度由循環的冷(熱)空氣來調節。生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

（二）填充床（固定床）生物反應器生物工程設備——第2章生物反應器結構與計算

采用動力通風，可更好地控制反應床中的環境條件，