第一章

通風發酵設備

地位和作用：

大多數的生化反應都是需氧的，通風發酵設備是需氧生化反應設備的核心和基礎。

例：氨基酸、有機酸、抗生素、酶制劑、酵母等對通風發酵設備的要求

1、良好傳質和傳熱性能，培養基流動與混合良好，特別是溶氧性能，供氧速率通常被認為是在生物反應器的選擇和設計的主要問題；

2、結構嚴密，防雜菌污染，是必須保證的條件；能耗低，運轉經濟性好；

3、必要的檢測與控制；

4、設備較簡單，方便維護檢修。發酵罐的基本條件（1）發酵罐應具有適宜的徑高比。罐身越高，氧的利用率較高。（2）發酵罐能承受一定的壓力。（3）要保證發酵液必須的溶解氧。（4）發酵罐應具有足夠的冷卻面積。（5）發酵罐內應盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌。（6）攪拌器的軸封應嚴密，減少泄漏。通風發酵罐的類型機械攪拌式氣升環流式鼓泡式自吸式其中機械攪拌通風發酵罐占主導地位。占了發酵罐總數的70％～80％。第一節機械攪拌通風發酵罐體積從實驗室的30L——大生產的630m3這類發酵罐大多用于通風發酵，靠通入的壓縮無菌空氣和攪拌葉輪實現發酵液的混合、溶氧傳質，同時強化熱量傳遞。本節共分六個問題：一、機械攪拌通風發酵罐的結構二、機械攪拌通風發酵罐的通風與溶氧傳質三、機械攪拌通風發酵罐的攪拌與流變特性四、熱量傳遞與換熱裝置設計計算五、發酵罐的幾何尺寸及體積計算六、發酵罐的設計和應用發酵罐一、發酵罐的結構1、罐體

2、攪拌器和擋板

3、消泡器

4、聯軸器及軸承

5、空氣分布裝置6、軸封7、冷卻裝置

8、人孔、視鏡、各種接口

1．罐體罐體由圓柱體和橢圓形或碟形封頭焊接而成，材料為碳鋼或不銹鋼對于大型發酵罐可用襯不銹鋼板或復合不銹鋼制成，襯里用的不銹鋼板厚為2-3毫米。為滿足工藝要求，罐體必須能承受一定壓力和溫度，通常要求耐受130℃和0.25MPa（絕壓）。并配有必要的管路接口、人孔等。罐壁厚度取決于罐徑、材料及耐受的壓強。發酵罐的計算：材料選擇、壁厚計算、結構尺寸計算等

封頭、封底橢圓形封頭（底蓋）碟形封頭（底蓋）

（1）受內壓筒體壁厚的計算：

（mm）

式中：

p——耐受壓強，MPa，表壓；

D——罐徑，mm；

φ－一焊縫系數，雙面對焊φ=0.8，無焊縫φ=1.0；

C——腐蝕裕度，當δ-C＜10mrn時，C=3mm；

[σ]——許用應力。（2）受外壓筒體壁厚的計算：

（mm）

式中：

p——耐受外壓強，Pa，表壓；

D——罐徑，mm；

α——系數，直立圓筒取45，有焊縫時為50；

C——腐蝕裕度，當δ-C＜10mrn時，C=3mm；

H——圓筒高度mm。

（3）封頭壁厚的計算：按碟形封頭計算為：式中：

y——開孔系數，對發酵罐可取2.3；

[σ]——許用應力。

2．攪拌器攪拌器的主要作用：混合和傳質

1、溶氧：使通入的空氣分散成小氣泡并與發酵液充分混合，使氣泡細碎以增大氣一液界面，獲得所需要的溶氧速率，并使生物細胞懸浮分散于發酵體系中，以維持適當的氣一液一固（細胞）三相的混合與質量傳遞，

2、營養物質和代謝產物、細胞的傳質擴散。

3、強化傳熱過程。攪拌器的結構與類型攪拌器的設計應使發酵液有足夠的徑向流動和適度的軸向運動。攪拌葉輪大多采用蝸輪式，葉片數量一般為6個。此外，還有推進式和Lightnin式攪拌葉輪。

為了強化軸向混合，可采用蝸輪式和推進式葉輪共用的攪拌系統。為了拆裝方便，大型攪拌葉輪可做成兩半型，用螺栓聯成整體裝配于攪拌軸上。繼續

六平葉渦輪槳六彎葉渦輪槳六箭葉渦輪槳渦輪式攪拌葉輪渦輪槳式攪拌器（1）六平葉渦輪槳已標準化，被稱為標準型攪拌器，這種攪拌器攪動液體的循環量較大，攪拌消耗功率也較大。（2）六彎葉渦輪槳式攪拌器和六平葉渦輪漿的性能差不多，但消耗功率較小，對液體的切剪作用也較小，這種攪拌器尚未標準化。（3）六箭葉渦輪未標準化，它的切剪作用是三種渦輪槳中最小的，因而攪拌消耗功率也最小，故在功率相等的條件下可將轉速略為提高。發酵罐攪拌葉輪結構類型

1.六直葉平葉渦輪2.推進式3.LightninA－315式

擋板擋板的作用：發酵罐內裝設擋板的作用是改變液流的方向，防止液面中央形成漩渦流動，由徑向流改為軸向流，促使液體激烈翻動，增強其湍動和溶氧傳質。尺寸：通常擋板寬度取（0.1-0.12）D，高度h=自筒底至運轉液面高度。安裝離罐壁1/5—1/8D，避免形成死角，防止物料與菌體堆積。全擋板條件（計算）

“全擋板條件”是指在一定轉速下再增加罐內附件而軸功率仍保持不變。要達到全擋板條件必須滿足下式要求：

式中D——發酵罐直徑，mm；

b——擋板寬度，mm；

n——擋板數。通常設4~6塊擋板。全擋板條件下攪拌流型

（1）六直葉渦輪（2）推進式葉輪

3、消泡裝置

1）起泡原因：發酵液中含有蛋白質等發泡物質，故在通風、攪拌時產生氣泡物質。

2）危害：減少裝料系數、料液外溢（隨排風、各接口、軸封等），并易引起染菌。

3）消泡方法：加入化學消泡劑；使用機械消泡裝置。通常，是把上述兩種方法聯合使用。耙式消泡器最簡單實用的消泡裝置，可直接安裝在上攪拌的軸上，消泡耙齒底部應比發酵液面高出適當高度。隨攪拌軸轉動，不斷將泡沫打破4.聯軸器及軸承

大型發酵罐攪拌軸較長，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。小型的發酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應垂直，中心線對正。聯軸器及軸承為了減少震動，中型發酵罐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）。底軸承

5.空氣分布裝置

空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。分布裝置的形式有單管及環形管等。常用的為單管式，管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，管口與罐低的距離約40mm，并且空氣分散效果較好。若距離過大，空氣分散效果較差。該距離可根據溶氧情況適當調整，空氣由分布管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣泡，并與醪液充分混合，增加了氣液傳質效果。空氣分布裝置通常通風管的空氣流速取20米/秒。為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補強。可延長罐底壽命。空氣分布裝置

若用環形空氣分布管，則要求環管上的空氣噴孔應在攪拌葉輪葉片內邊之下，同時噴氣孔應向下以盡可能減少培養液在環形分布管上滯留。噴孔直徑取2～5mm為好，且噴孔的總截面積之等于空氣分布管截面積。6.軸封

軸封的作用：是防止染菌和泄漏。軸封形式：常用的軸封有填料函軸封和端面軸封兩種。大型發酵罐常用的軸封為雙端面機械軸封裝置。雙端面機械軸封裝置器

l.密封環

2.攪拌軸

3.罐體

4.傳動齒輪箱

5.齒輪箱返回7.冷卻裝置

（1）換熱夾套（2）豎式蛇管（3）豎式列管（排管）(1）換熱夾套在小型罐中往往應用夾套換熱裝置優點是結構簡單，加工方便，易清洗。但換熱系數較低只用于5m3以下的小罐。夾套的換熱系數在400～600kJ/（m2·h·℃）之間。（2）豎式蛇管在罐內設4組或6組豎式蛇管。其優點為：管內水的流速大，傳熱系數高，在1200～2000kJ/（m2·h·℃）之間。此類換熱器要求冷卻水溫較低，否則降溫不易。

（3）豎式列管（排管）以列管式分組裝設于罐內。優點是有利于提高傳熱推動力的溫差，加工方便。用水量大。適用于氣溫較高，水源充足的地區。當流速較快時，降溫速度快。

人孔、視鏡、各種接口

機械攪拌通風發酵罐結構1.軸封2、20.人孔3.梯4.聯軸節5.中間軸承6.溫度計接口7.攪拌葉輪8.進風管9.放料口10.底軸承11.熱電偶接口12.冷卻管13.攪拌軸14.取樣管15.軸承座16.傳動皮帶17.電機18.壓力表19.取樣口21.進料口22.補料口23.排氣口24.回流口25.視鏡種子罐一般種子罐的容積是發酵罐容積的l～2％，罐高與直徑比為2～2.5，加熱冷卻一般為夾套式。發酵罐

發酵罐

通風發酵罐復習題（一）1、畫出通用式發酵罐簡示圖，并說明其主要結構及其作用。2、簡述擋板的作用及全擋板條件。3、畫出兩種空氣分布器的結構形式，并說明各自的優缺點。4、簡述生物反應過程起泡的原因、危害，設計出幾種消泡裝置并作簡要說明。二、機械攪拌通風發酵罐的通風與溶氧傳質需氧發酵：抗生素、酶制劑、有機酸、氨基酸等工業發酵需氧量：

比呼吸速率:0.1-0.4kg(O2)/[h.kg(干細胞）]

由糖等底物轉化成細胞，需氧量為1kg（O2）/[h·kg（增殖細胞）]）左右。

氧的難溶性：常壓、25℃下，空氣中氧在純水中的飽和溶解度為0.25mol/m3。在發酵液中更低。

重要性：一般情況下，溶氧問題是限速步驟。所以，反應器的改進，多以溶氧速率和溶氧經濟相關聯。（例：高黏度發酵反應器問題）1．氣-液相間的溶氧傳質過程理論

1、雙膜理論的假設：存在氣-液界面及其過渡區；傳質為分子擴散（l）氣泡中的氧通過氣相邊界層傳遞到氣一液界面上。（2）氧分子由氣相側通過擴散穿過界面。（3）在界面液相側通過液相滯流層傳遞到液相主體。（4）在液相主體中進行傳遞。（5）擴散通過生物細胞表面的液相滯流層傳遞進入生物細胞內。2、接觸界面氧的傳質速率

溶氧傳質的總推動力就是氣相與細胞內的氧濃度之差。氧由氣泡傳遞到液相中是生物通氣發酵過程中的限速步驟。當氣液傳質過程處于穩態時，單位接觸界面氧的傳遞速率為：

根據亨利定律有：P=Hc

式中H——亨利常數。結合兩式，可得下面兩式：對通常的培養基水溶液，其亨利常數H很大，1/HkG<<1/kL，所以KL≈kL。說明：對于氧這種難溶氣體，主要阻力是液膜阻力。所以發酵過程的溶氧計算，可以取：KL=kL

3、體積溶氧速率與體積溶氧系數（1）體積溶氧速率

OTR——單位時間、單位體積的溶氧量，

mol/（m3·s）

kL——以氧濃度為推動力的液膜傳質系數，m/s；

a——單位體積發酵液的氣液界面面積，m2/m3c——發酵液中溶氧濃度，mol/m3；

c*——相應溫度、壓強條件下飽和溶氧濃度，mol/m3

溶氧濃度C應控制在5％～10％c*以上，否則就會影響生物細胞生長與代謝，故最高的溶氧速率也只能是0.95kLαc*。在一般的通風發酵生產，使用的普通空氣，發酵罐壓略高于大氣壓，相應的c*在0.25～0.3mol（O2）/m3；而機械攪拌通風發酵罐的kLα值為100～1000（1/h），所以此類發酵罐的供氧能力約為0.8～9kg（O2）/（m3·h）。上述的供氧能力是在相應的通風和機械攪拌功率輸入的條件下實現的。對于高細胞密度發酵和非牛頓培養基發酵，在相同的發酵罐和通氣攪拌條件下，相應的溶氧速率大大降低。（2）體積溶氧系數kLα在檢測評價溶氧性能時，總是把kL和α合在一起看成是一個參變量即kLα，稱之為體積溶氧系數：1/s或1/h（3）影響kLα的主要因素Pg——對液體的攪拌功率W；

VL——發酵罐的裝液量m3VG——通氣量，m3；

vs——空截面氣速，m／s。K’、K”、α’、α”、β’和β”均是實驗常數影響kLα的主要因素

（1）操作變量（條件）：如攪拌轉速、通氣量等。（2）發酵罐的結構及幾何參數：如體積、通氣方法、攪拌葉輪結構和尺寸等。（3）物料的物化性能：如擴散系數、表面張力、密度、粘度、培養基成分及特性等。

（4）溶氧系數的計算福田秀雄式

Kd—以氧分壓差為推動力的體積溶氧系數，

mol/[mL·min·0.1MPa（po2）]；（po2——氧分壓，Mpa）。

Ni—攪拌器數量。Pg—對液體的攪拌功率，kW；

VL—發酵罐的裝液量，m3；n—攪拌轉速，r/min

vs——空截面氣速，cm／s。

表示機械攪拌通風發酵罐的體積溶氧系數公式還有：（1/h）或（1/h）

Di——攪拌葉輪直徑，m；

n——攪拌轉速，r/s；

K和K’是經驗常數，由反應器結構確定。3．機械攪拌通風發酵罐的通風量（1）持氣率（GasHoldup）持氣率是氣液傳質系統重要參數，其定義為：

VLG——通氣攪拌時氣液混合物體積，m3；

VL——不通氣時溶液體積，m3。

對大多數的通氣發酵牛頓型培養液，持氣率的經驗表達式為：

（2）通氣速率

通氣速率（常用空截面氣速Vs表示）對氣液傳質有重要影響，它不僅影響體積溶氧系數kLα，而且還影響攪拌功率：

a．提高vs會使通氣攪拌功率下降P0、Pg—無通氣和通氣時攪拌軸功率，kw；Di—攪拌葉輪直徑，cm；Vg—通氣量，mL/min。

b．Vs對kLα的影響：隨著通氣量Vg的增大，通氣攪拌功率會降低。故為了提高Vs以便強化溶氧傳質，必須適當提高攪拌轉速或增大攪拌葉輪直徑，或兩者均提高，以維持通氣攪拌功率不變，這樣便會使kLα增大。c．持氣率和起泡均會隨vs的提高而增大。d．較低的通氣速率和泡沫水平可使敏感的微生物如動物細胞受損傷，甚至在低攪拌速率下也如此。故在組織培養中必須注意攪拌葉輪結構的改進，使用低剪切的葉輪。

通氣強度（VVm）即每立方米發酵液每分鐘通入多少立方米標準狀態下的空氣。

對相同的VVm，其空截面氣速Vs隨反應器規模的增加而提高。故實際上，通氣強度隨反應器的增大而適當降低。

通氣強度也受液壓的影響。（為何？）

（3）通風強度發酵罐規模對vs的影響

（4）通氣功率發酵罐的通氣是必須消耗功率的。一定壓強的無菌空氣通過空氣分布器或管口，減壓膨脹且以一定速度進入發酵液中釋放能量，起氣液混合作用，帶動發酵液一道呈氣一液一固（微生物）之相流動。當通氣速率較高，而攪拌葉輪直徑較小且轉速較低時，會出現攪拌器對液體流動和氣體分散均基本無影響的情況，習慣上稱此為“溢流”現象，這是通氣發酵不希望的狀況。

要使機械攪拌通氣不出現的“溢流”現象，必須保持下述條件

上式只適用于牛頓型流體、標準幾何尺寸的機械攪拌罐和渦輪攪拌器。通氣帶入發酵液的攪拌混合能只占總量的10％左右，其余的90％則為機械攪拌器輸入。4．通氣壓強（發酵罐壓）通氣壓強對OTR的影響：提高罐壓即提高風壓，可使相應的飽和溶氧C*增大，從而使溶氧速率OTR=kLα（c*一c）提高，這是十分有效且經濟的方法。例：罐壓為0.1MPa（表壓），OTR提高1倍。注意1、使用此法要求發酵罐的耐壓強度升高，所用的空氣壓縮機的輸出壓強也相應增大，但所需的設備投資增加。2、代謝氣體（CO2)也同比例提高，從而對細胞代謝的影響。3、對通氣速率和攪拌功率的影響，進而對kLα產生影響

生產實踐中，通過試驗，選擇最佳罐壓。在大多數的發酵，罐頂壓強取0.1—0.05MPa較好。是否最佳？5．富氧通風通風發酵罐通常使用的是普通空氣。當需要提高相應的飽和溶氧濃度C*時，更有效的方法是用富氧空氣或直接通入氧氣。對于工業規模發酵生產上，因為通純氧氣或富氧使操作成本大增，故目前仍未使用。

討論題

綜合敘述提高溶氧速率的技術措施提高通氣壓強；富氧通風；提高KLa(或Kd)（1）操作變量（條件）：如攪拌轉速、通氣量等。

（2）發酵罐的結構及幾何參數：如體積、通氣方法、攪拌葉輪結構和尺寸等。

（3）物料的物化性能：如擴散系數、表面張力、密度、粘度、培養基成分及特性等。提高KLa的措施

通風發酵罐復習題（二）1、名詞概念：持氣率通風強度通氣壓強富氧通風2、圖示并簡述雙膜理論的基本內容3、討論影響體積溶氧系數kLα的主要因素4、綜合敘述提高溶氧速率的技術措施三、機械攪拌通風發酵罐的攪拌與流變特性機械攪拌的重要性：

當用同一發酵罐進行試驗時，若固定通氣量，則當攪拌葉輪形狀、大小、數量、轉速等參數改變時，所需的通氣攪拌功率也隨之變化，對發酵結果也產生影響。攪拌器的安裝：在設計發酵罐時，必須考慮如何設計攪拌器以及怎樣裝配到攪拌軸上。對小型發酵罐，可用全開式封頭，即用法蘭連接。

對大型發酵罐，在罐蓋上裝設人孔，分幾部分放入罐內組裝。攪拌器的設計攪拌葉輪尺寸與類型攪拌葉尖線速度與剪應力攪拌葉輪的尺寸攪拌葉輪直徑與罐徑之比Di/D=0.33～0.45。微生物膠發酵，因培養液粘度大，故可選大直徑的葉輪。動物細胞培養所適用的攪拌反應器，應選較大的Di/D。攪拌葉輪類型的選擇

主要考慮功率準數，混合特性以及葉輪所產生的液流作用力的大小與種類等等。高能耗的葉輪如圓盤渦輪所需的攪拌功率高，但有良好的氣液分散功能，因而溶氧速率高，其缺點是剪切應力大。

推進式（旋槳式）攪拌葉輪能耗較低，但混合效果好，尤其是軸向混合好。攪拌葉尖線速度與剪應力（1）攪拌對生物反應的作用：

有益性：

損傷性：生物細胞在機械攪拌的剪切作用下會受到損傷

其損害程度取決于生物細胞的特性和攪拌力的性質、強度以及作用時間等。攪拌剪切與細胞損傷的關系

單細胞微生物耐受攪拌剪切的能力強絲狀菌的耐受力弱動物細胞對攪拌剪切甚至對通氣混合所產生的較輕微的剪應力也非常敏感攪拌葉尖線速度與剪應力關于攪拌剪切與反應器形式、結構及對象生物細胞的設計準則，目前以攪拌葉尖線速度為基準并以具體條件下實驗為標準。對耐剪切力較強的生物細胞，攪拌葉尖線速度應不大于7.5m/s。攪拌葉輪尺寸與剪切速率葉尖線速度、轉速及功率關系

葉尖線速度

vt=7.62m/s□vt=10.16m/s■攪拌功率

Pg=224kw+Pg=448kwX剪應速率

γ=0.167/s▲γ=0.267/s發酵培養液的流變特性根據料液黏度、剪切速率、剪應力三者的關系，常見的發酵液流變特性分：（l）牛頓型流體：黏度不隨攪拌剪切速率和剪應力而改變。（2）非牛頓型流體擬塑性和漲塑性流體賓漢（Bingham）塑性流體剪切速率對粘度的影響l.漲塑性2.牛頓型3.假塑性

剪切速率對剪應力的影響1賓漢型2假塑性3牛頓型4漲塑性

黃原膠水溶液的剪切速率與粘度關系黃原膠濃度：10.5%21.0%33.0%45.0%攪拌器軸功率的計算

1、求攪拌雷諾準數2、在不通氣條件下一只圓盤彎葉渦輪攪拌器的輸入攪拌功率3、在不通氣條件下兩只圓盤彎葉渦輪攪拌器的輸入攪拌功率4、求通氣條件下兩只圓盤彎葉渦輪攪拌器的輸入攪拌功率5、選用電機復習題（三）1、簡述剪應力對生物反應的影響2、簡述不同類型流體黏度、剪切速率、剪應力三者的關系四、機械攪拌通風發酵罐的熱量傳遞

為了保證溫度的調控，須按熱量生成的高峰時期和一年中氣溫最高的半個月為基準進行熱量衡算以及所需的換熱面積。

1．發酵過程的熱量計算（1）生物合成熱計算法（2）冷卻水帶出熱量計算法（3）發酵液溫升測量計算法（1）生物合成熱計算法

Qt=Q1+Q2一Q3一Q4Q1——生物合成熱，包括生物細胞呼吸放熱和發酵熱兩部分。Q2——機械攪拌放熱，且Q2=3600Pgη（kJ）；

Pg——攪拌功率，kw；

η——功熱轉化率，經驗值為η=0.92；Q3——發酵過程通氣帶出的水蒸氣所需的汽化熱及氣溫上升所帶出的熱量，以及發酵罐壁與環境存在溫差而傳遞散失的熱量。

Q3≈20%Q1Q4——發酵罐壁與環境存在溫差而傳遞散失的熱量。一般情況下可忽略。

（2）冷卻水帶出熱量計算法選擇主發酵期產生熱量最大時刻

[kJ/(m3·h)]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，℃；

VL——發酵液體積，m3。

（3）發酵液溫升測量計算法在主發酵最旺盛期發酵放熱最高時期，先使罐溫恒定，關閉冷卻水，測定發酵液在30min液溫的上升值，然后按下式計算最大發酵熱量：

[kJ/(m3·h)]式中m1、m2——發酵液和發酵罐質量，kg；

c1、c2——發酵液和罐體材料比熱容，kJ/（kg·℃）；

ΔT——30min內發酵液的溫升，℃。：

3、換熱面積計算

Q總——主發酵期發酵液每小時放出最大的熱量（kJ/h）K——換熱裝置的傳熱系數[kJ/（m2·h·K）]Δtm——平均溫度差（℃）（1）傳熱系數（K）經驗值或計算：夾套的K值為4.187×（150～250）kJ／（m2·h·K）；蛇管的K值為4.187×（300～450）kJ／（m2·h·K）；管壁較薄并對冷卻水進行強制循環時，根據查定，K值約為4.187×（800～1000）kJ／（m2·h·K）。冷卻排管的傳熱系數K＝[(1/α1)+(δ/λ)壁+(δ/λ)垢+(1/α2)]

α1——冷卻水在管內的給熱系數，根據經驗可取4.187×2500kJ／（m2·h·K）α2——發酵液向排管的給熱系數，根據經驗取4.187×1200kJ／（m2·h·K）（δ/λ）壁——排管管壁的熱阻（m2hK/kJ）（δ/λ）垢——冷卻水積垢的熱阻（m2hK/kJ），一般可取0.0006/4.187（m2hK/kJ）。（2）傳熱溫度差（Δtm）的計算設冷卻水進出口溫度為t1、t2，醪液溫度為T，則（3）換熱面積的計算五、發酵罐的幾何尺寸及體積計算1、發酵罐常用的幾何尺寸幾何尺寸H/D=1.7～3.5Di/D=1/2～1/3B/D=1/8～1/12C/Di=0.8～1.0S/Di=2～5H0/D=22、罐的容積計算（1）罐的總容積（V總）

V總＝V0+2V1

（m3）式中V0——圓柱部分的體積（m3）

V1——上或下封頭的體積（m3）1）V0的計算：

D——罐直徑（m），

H0——圓柱部分高度（m）（2）

封頭（底蓋）V1的計算標準橢圓形封頭：a＝2b（長軸等于短軸的二倍），ha=a/2=D/4碟形封頭（底蓋）R＝D（大半徑＝罐直徑）r/R=0.19（r——小半徑）ha/D=0.20（ha＝D/5）

封頭（底蓋）V1的計算對于標準橢圓形封頭：

Hb——直邊高度（h），參考取值一般為25～60mm封頭（底蓋）V1的計算對于碟形封頭（3）罐的總容積計算式對于橢圓形封頭：

對于碟形封頭：（4）公稱體積與有效容積對一個發酵罐的大小用“公稱容積”（或“公稱體積”）表示。所謂“公稱容積”是指罐的圓柱與下封頭容積之和，其值完整為整數，一般不計入上封頭的容積，其中底封頭容積可根據封頭形狀、直徑及壁厚從有關化工設計手冊中查得。

罐的有效容積罐的有效容積可理解為罐的實際裝料容積，它等于罐的總容積V總乘以罐的裝滿系數（η）V有效＝V總·η（m2）η——裝滿系數（一般取0.65～0.75）

100m3機械攪拌發酵罐典型尺寸示例

l.電機

2.齒輪箱

3.人孔

4.消泡器

5.冷卻蛇管

6.支撐座

7.放料口

8.進風管

9.空氣分布器

10.攪拌葉輪

11.罐體

12.排氣口

13.攪拌軸

14.無菌軸封

15.軸承

16.聯軸器六、通用發酵罐設計有關的重要因素是氧傳遞效率，功率輸入、混合質量，攪拌槳形式和發酵罐的幾何比例等。通用發酵罐設計程序

（1）明確設計任務和要求（2）根據生產能力要求和操作特點，選擇技術參數、發酵罐的容積、計算數量；（3）進行結構尺寸的計算；（罐體、降溫、攪拌、通風等）（4）溶氧系數和攪拌功率的計算；（5）設計數據驗算和調整（6）繪制裝配圖和主要部件圖通風發酵罐復習題（四）1、圖示并說明通用發酵罐主要結構幾何尺寸的比例關系；2、簡述幾種發酵罐冷卻熱負荷的計算或試驗測定方法原理；3、圖示并推到寫出發酵罐全容積計算公式；4、簡述發酵罐設計的一般程序。第二節氣升式發酵罐（ALR）一、基本知識1、混合原理：利用通入反應器內的空氣上升時的動力來帶動發酵液的運動，從而達到混合的目的。即：把具有一定壓力和流速無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發酵液中，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，實現混合與溶氧傳質。

2、結構類型

常見的氣升式反應器有氣升環流式、鼓泡式、空氣噴射式等。已在生物工業大量應用的有氣升內環流發酵罐、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。

鼓泡罐是最原始的通氣發酵罐。

氣升環流式氣液雙噴射氣多層空氣分布板的反應器升環流反應器氣升環流發酵罐氣升環流式反應器

氣液雙噴射氣升環流反應器

多層空氣分布板的氣升環流發酵罐

3、氣升環式反應器的特點（1）結構簡單，便于制作、維修、操作：氣升式反應器罐內不需安裝結構復雜的攪拌系統，密封也容易保證。生產成本僅是機械攪拌發酵罐的30%左右。放大設計制造大型和超大型發酵反應器也已實現。（2）反應溶液分布均勻：氣升式發酵罐依靠空氣流動帶動發酵液循環流動，既能使發酵液（培養液）充分均勻又能使氣體充分分散。氣升環式反應器的特點（3）動力消耗低，較高的溶氧速率和溶氧效率；（4）機械剪切力小，對生物細胞損傷小；（5）傳熱良好：氣升式反應器因液體綜合循環速率高，同時便于在外循環管路上加裝換熱器，以保證除去發酵熱以控制適宜的發酵溫度。1.人孔；2.視鏡；3.空氣管；4.上升管；5.冷卻器；6.單向閥門；7.空氣噴嘴；8.帶升管；9.罐體氣升及外循環發酵罐德國Hoechst公司氣升環流發酵罐培養石蠟酵母具有外循環冷卻的氣升環流式發酵罐

1.發酵罐2.通氣管3.發酵液進口4.空氣分布器5.空氣進口6.循環泵7.發酵液出口8.熱交換器9、11.噴嘴10.發酵液出料口12.排氣管

對生物細胞損傷小適合于動植物細胞培養；適合于固形物含量低、黏度小、需氧量低的微生物培養和發酵過程。不適合固形物含量高、黏度大、需氧量高的微生物培養和發酵過程。目前世界上最大型的通氣發酵罐就是氣升環流式的，體積高達3000m3。4、適用范圍1000m3氣升式發酵罐二．氣升環流式發酵罐的主要結構及操作參數

影響氣升環流式發酵罐特性的主要結構及操作參數包含：

高徑比、導流筒高度與反應器高度之比

導流筒直徑與反應器直徑比、導流筒頂部和底部與罐頂和罐底的距離通氣速率、循環時間、平均循環雷諾準數、平均循環速度等。內環流氣升式反應器結構示意圖

1.罐體2.罐底蓋3.頂蓋4.導流筒5.噴嘴（1）主要結構參數a．反應器高徑比H/D的適宜范圍是5～9。b．導流筒徑與罐徑比DE／D的適宜范圍是0.6～0.8。c．空氣噴嘴直徑與反應器直徑比Di／D以及導流筒上下端面到罐頂及罐底的距離。（2）氣升環流反應器的操作特性

a．平均循環時間tm：式中VL——發酵罐內培養液量，m3；

VG——發酵液循環流量，m3／s；

DE——導流管（上升管）直徑，m；

vm——導流管中液體平均流速，m／s。

b．液氣比R理論和實踐表明，通氣量對氣升式發酵罐的混合與溶氧起決定性作用，而通氣的壓強即空氣在空氣分布管出口前后的壓強差Δp對發酵液的流動與溶氧也有相當的影響。所謂液氣比就是發酵液的環流量Vc與通風量VG之比，即R=VC/VG。（氣液比？）根據實驗研究和生產實踐表明，導流管中平均環流速度vm可取

1.2～1.8m/s。若采用多段導流管或內設篩板，則vm可降低。C．氣升式反應器的溶氧傳質氣升式反應器的氣液傳質速率主要取決于發酵液的湍動及氣泡的剪切細碎狀態，而氣液兩相流動與混合主要受反應器輸入能量的影響。反應溶液的氣含率與空截面氣速Vs的關系：式中，K和n為經驗常數，通過實驗確定。在鼓泡式發酵罐中，低通氣速率時，n=0.7～1.2，而在高通氣速率時，n=0.4～0.7。

氣升式反應器的溶氧傳質體積溶氧系數是空截面氣速的函數：

式中，對水和電解質液，m=0.8，而常數b則是空氣分布器形式和溶液性質的函數，由實驗確定。典型的氣升環流發酵罐ICI壓力循環式發酵罐英國伯明翰ICI公司的壓力循環發酵罐是國際上最出色的代表，公稱體積達3000m3，液柱高達55m，故通氣壓力高，發酵液量2100m3。

ICI壓力循環氣升發酵罐

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。BIOHOCH多氣升管廢水處理生化反應器

BIOHOCH多氣升管廢水處理生化反應器其特點是一個反應器內設多個氣升環流管，有效體積高達8000～20000m3；具有節能、操作穩定、出水的BOD和COD低、無噪音因而對環境無污染及占地面積小等優點，是值得推廣應用的廢水處理反應器。

第三節自吸式發酵罐自吸式發酵罐是一種不需要空氣壓縮機提供加壓空氣，而依靠特設的機械攪拌吸氣裝置或液體噴射吸氣裝置吸入無菌空氣并同時實現混合攪拌與溶氧傳質的發酵罐。自20世紀60年代開始歐洲和美國展開研究開發，然后在國際和國內的酵母及單細胞蛋白生產、醋酸發酵及維生素生產等獲得應用。與通用發酵罐的主要區別①有一個特殊的攪拌器，攪拌器由轉子和定子組成；②沒有通氣管。一、自吸式發酵罐的特點1、優點：（1）不必配備空氣壓縮機及其附屬設備，節約設備投資30%以上，減少廠房面積。（2）溶氧速率高，溶氧效率高、能耗較低，尤其是溢流自吸式發酵罐的溶氧比能耗可降至0.5kw·h／（kgO2）以下。（3）用于酵母生產和醋酸發酵具有生產效率高、經濟效益高的優點。自吸式發酵罐的特點2、缺點：①裝料系數低，約40%左右。②進罐空氣處于負壓，增加了染菌機會，不適于無菌要求較高的發酵過程。③攪拌轉速高，對于長菌絲的微生物的菌絲，攪拌的剪切力會產生不利影響（機械攪拌自吸式）。④吸程一般不高，需要采用低阻力高效率空氣除菌裝置。3、改進

為克服上述缺點，可采用自吸氣與鼓風相合的鼓風自吸式發酵系統，即在過濾器前加裝一臺鼓風機，適當維持無菌空氣的正壓。二、機械攪拌自吸式發酵罐1、機械自吸式發酵罐吸氣原理自吸混合結構主要構件是自吸攪拌器及導輪（簡稱為轉子及定子）。當轉子轉動時，其框內液體被甩出而形成局部真空而吸入空氣。轉子的形式有多種，如九葉輪、六葉輪、四葉輪、三葉輪等，葉輪均為空心形。

液體將轉子浸沒，由于轉子高速旋轉，液體、空氣在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，在這個過程中，流體便獲得能量。當流體被甩向外象時，在轉子中心處形成負壓，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、翻騰、擴散，因此自吸式充氣裝置在攪拌的同時完成了充氣作用。自吸式發酵罐轉子結構2、結構（1）一般結構：關于發酵罐的高徑比：為保證較高的吸風量，發酵罐的高徑比H/D不宜取大，且罐容增大時，H/D應適當減少，以保證攪拌吸氣轉子與液面的距離為2～3m。對于粘度較高的發酵液，為了保證吸風量，應適當降低罐的高度。（2）轉子與定子的確定

三棱葉轉子的特點是轉子直徑較大，在較低轉速時可獲得較大的吸氣量，當罐壓在一定范圍內變化時，其吸氣量也比較穩定，吸程（即液面與吸氣轉子距離）也較大，但所需的攪拌功率也較高。吸風管的空氣流速達到12～15m/s

三棱葉自吸式葉輪結構三棱葉葉輪直徑D一般等于發酵罐直徑的0.35倍。四彎葉自吸式葉輪結構

四彎葉轉子的特點是剪切作用較小，阻力小，消耗功率較小，直徑小而轉速高，吸氣量較大，溶氧系數高。葉輪外徑和罐徑比為1/8～1/15，葉輪厚度為葉輪直徑的1/4～1/5。四彎葉轉子及定子轉子定子自吸式葉輪結構

有定子的葉輪比無定子的葉輪流量和壓頭均增大。

D/L=5，D/r=2.5，定子厚度B=（1/4~1/5）D，定子直徑D’=2D，定子與轉子間距l～2.5mm。3.消泡裝置

旋風消泡器（離心消泡）半封閉渦輪消泡器半封閉渦輪消泡器

刮板式消泡器

4、機械自吸式發酵罐吸氣量計算根據實驗研究，自吸式發酵罐的吸氣量可用準數法進行計算和比擬放大設計。（1）三棱葉轉子當滿足單位體積功率消耗相等的前提下，三棱葉自吸式攪拌器的吸氣量可由下式確定：

f（Na，Fr）=0Na——吸氣準數，且Na=Vg/nd3；

Fr——弗魯特準數，Fr=n3d/g；

d——葉輪直徑，m；

n——葉輪轉速，1/s；

Vg——吸氣量，m3/s；

g——重力加速度常數，9.81m/s2。吸氣準數Na與弗魯特準數Fr的關系

三棱葉轉子當重力準數Fr達到一定值時，吸氣準數Q趨于常數，Q為0.0628~0.0634。吸氣量q＝Qnd3

式中q——吸氣量，m3/min；

n——轉子轉速，r/min；

d——葉輪直徑，cm。

當物料相對密度不同，泡沫不同時，應該對式進行修正，吸氣量的修正系數約為0.5~0.8。（2）四彎葉轉子吸氣量q＝12.65CLBDpn×10-6

D——葉輪外徑，cm；

B——葉輪的厚度，cm；

L——葉輪的開口長度，cm；

n——轉子轉速，r/min

Dp——D—L，cm；

C——流速比，C＝K/（K＋1）；

K——充氣系數。三、噴射自吸式發酵罐

噴射自吸式發酵罐是應用文氏管噴射吸氣裝置或溢流噴射吸氣裝置進行混合通氣的，既不用空壓機，又不用機械攪拌吸氣轉子。1、文氏管自吸式發酵罐

文氏管自吸式發酵罐原理：用泵使發酵液通過文氏管吸氣裝置，由于液體在文氏管的收縮段中流速增加，形成真空而將空氣吸入，并使氣泡分散與液體均勻混合，實現溶氧傳質。經驗表明，當收縮段液體流動雷諾數Re＞6×104時，吸氣量及溶氧速率較高。

文氏吸氣管結構

2．液體噴射自吸式發酵罐1.進風管2.吸氣室3.進風管4.噴嘴5.收縮段6.導流尾管7.擴散段Dt/Dn=1.7～2.0；Lt/Dt=3～4；De/Dt=1.3～1.7；噴射壓力Pn=3×10～6×104Pa（表壓）液體噴射自吸式發酵罐在此尺寸范圍內，噴射自吸式發酵罐的體積溶氧傳質系數的數學表達式為：（1/h）式中D和De——發酵罐和導流尾管內徑，m；

PL——液體噴射功率，kw；

VL——發酵罐溶液體積，m3；

vs——空截面氣速，m/s。

噴射自吸式反應器的流態

四、溢流噴射自吸式發酵罐

溢流噴射自吸式發酵罐的通氣是依靠溢流噴射器。其吸氣原理是液體溢流時形成拋射流，由于液體的表面層與其相鄰的氣體的動量傳遞，使邊界層的氣體有一定的速率，從而帶動氣體的流動形成自吸氣作用。要使液體處于拋射非淹沒溢流狀態，溢流尾管略高于液面，尾管高1～2m時，吸氣速率較大。

Vobu－JZ單層溢流噴射自吸式發酵罐1冷卻水分配槽2罐體3排水槽

4.放料口5.循環泵

6.冷卻夾套7.循環管8.溢流噴射器9.進風口

Vobu－JZ雙層溢流噴射自吸罐1.進風管

2.噴射器

3.冷卻水分配器

4.上層罐體5.下層罐體6.循環泵7冷卻水進口8循環管9冷卻夾套10.氣體循環11.排氣口

復習題（五）1、平均循環時間，液氣比2、圖示并簡述一典型氣升環流式生物反應器的工作原理3、簡述自吸式生物反應器的類型和傳質傳熱原理4、比較機械攪拌通風發酵罐、氣升環流式發酵罐、自吸式發酵罐的混合結構原理、優缺點

討論題：

比較機械攪拌通風發酵罐、氣升環流式發酵罐、自吸式發酵罐的混合結構原理、優缺點、適用范圍第四節通風固相發酵設備

——固態反應器一、概述：固態發酵、固態反應器二、固態發酵反應器的類型三、固態發酵技術廣闊的應用與發展前景一、概述：固態發酵、固態反應器1、固態發酵廣義上講，可以指一切使用不溶性固體基質來培養微生物的工藝過程，既包括將固體懸浮在液體中的深層發酵，也包括在沒有（或幾乎沒有）游離水的濕固體材料上培養微生物的工藝過程。

固體發酵：微生物在具有一定溫度和濕度的固體表面進行生長和繁殖就稱作為固體發酵。固體發酵主要適合于霉菌。2、固態反應器的歷史和現狀歷史：古老

幾千年前，中國就利用這項技術釀酒和制造各種調味品，通風固相發酵工藝是傳統的發酵生產工藝，廣泛應用于醬油與釀酒生產，發展現代的固態發酵不僅用于改善食品的風味，更主要的是用于酶制劑、單細胞蛋白、有機酸、酒精、生物殺蟲劑等的生產。

2、固態發酵的特點①培養基處理簡單

使用的原料不必經過復雜的加工，發酵過程中糖化與發酵同步進行，簡化了操作程序、節約了能量；②生長環境更近自然，水平和產物具有更大優勢

可使微生物保持自然環境中的生長存在狀態，模擬自然中的生長環境，是許多絲狀真菌適宜采用固體發酵的原因之一；固態發酵的特點③適用于特殊微生物代謝和產物積累

對于纖維素酶、果膠酶、白僵菌、綠僵菌、蘇云金芽孢桿菌、真菌毒素、脫落酸等，固態發酵的產率比液體深層發酵高得多；乃至像白僵菌、綠僵菌等的分生孢子，不能在液體中繁殖，只能用固態發酵方法生產。固態發酵的特點（4）發酵供氧費用低：在需要大量供氧的發酵過程中，壓縮空氣通過固體層的阻力較小，因而能量消耗也較小。⑤發酵產物復雜、風味獨特：由于存在明顯的氣、液、固三相界面，可以得到液體發酵難于得到的產物，如傳統固態發酵釀酒工藝可以具有獨特的風味；（6）發酵后處理簡單，有機廢水少：許多產品可直接烘干而無須提取，產品易于儲藏，運輸，穩定性好；新型固態發酵是生化工程研究的方向

現代發酵工業的發展方向是高濃度、高黏度發酵過程，而高濃的、高黏度的極限就是固態發酵基質。發酵過程中氧的濃度梯度很大，在高需氧量時可能成為制約發酵效率的一個重要因素。影響固態發酵技術關鍵是固態發酵反應器。3、對固體反應器的要求（1）良好的攪拌、通氣、無菌操作；（2）良好的傳熱：散熱、冷卻，包括氣-固、氣-液、液-固等形式傳質傳熱；（3）保溫保濕：（4）參數檢測：溫度、ρH、供氧等檢測；（5）物料輸送：有效輸送固態發酵的大規模工業化應用需解決問題①缺少固態發酵反應器的設計和放大統一準則②對固態發酵菌種的高產基因及生理上的資料知之甚少；③缺少完善的數學模型；④元完善的自動控制和檢測手段；⑤許多生物過程的細節資料太少。多數固態發酵控制手段通常采用提供宏觀最佳的溫度、含水量、通氣量及適宜pH值來實現發酵控制，反應器的設計也基本上只考慮這幾個方面的調控，因而都有一定的局限性。二、固態發酵反應器的類型固體床反應器流化床反應器轉鼓式反應器掛盤式反應器攪拌反應器按照固體培養方式1．淺盤式：國內廣大農村的個體生產中，采用曲盤、簾子和曲架就可以進行生產。工業上是用多層鋁制淺盤放在架子上進行培養，培養室保持一定的溫度和濕度。2．旋轉式：旋轉式固體發酵罐有鼓形和管形，培養過程中，整個發酵罐以低速間歇旋轉，罐內的小固體顆粒會沿著罐壁滑動，達到散熱和與空氣接觸之目的。

固體發酵床的底部為多孔篩板，風道傾斜形，可使平行流動的氣流變成垂直流動。曲層厚度可以是300-350mm。無菌壓縮空氣相對濕度一般為92％，空氣風壓常為200mmHg。進出料和翻曲可以實現機械化和自動化，在工業生產上已有應用。3．厚層式固體靜態發酵罐自然通風制曲基本組成：床簾、曲房、通風易于保溫、散熱、排除濕氣以及清潔消毒等；曲室四周墻高3～4m，不開窗或開有少量的細窗口，四壁均用夾墻結構，中間填充保溫材料；房頂向兩邊傾斜，使冷凝的汽水沿頂向兩邊下流，避免滴落在曲上；為方便散熱和排濕氣，房頂開有天窗。固體曲房的大小以一批曲料用一個曲房為準。曲房內設曲架，以木材或鋼材制成，每層曲盤應占0.15～0.25m，最下面一層高地面約0.5m，曲架總高度取2m左右，以方便人工搬取或安放曲盤。機械通風固體曲發酵設備

l.輸送帶2.高位料斗3.送料小車4.曲料室5.進出料機6.料斗7.輸送帶8.鼓風機9.空調室10.循環風道11.曲室閘門機械通風固體曲室（山崎鐵工制造）

雙層旋轉式制曲設備（永田釀造機械制造）

優點：

機械通風固體曲發酵設備使用了機械通風即鼓風機，因而強化了發酵系統的通風，使曲層厚度大大增加。不僅使制曲生產效率大大提高，而且便于控制曲層發酵溫度，提高了曲的質量。1、立式多層發酵罐

（1）工作原理及結構特點多層物