发酵罐的结构型式及发酵领域的应用.doc

发酵罐的结构型式及发酵领域的应用1.1发酵罐的结构型式及发酵领域的应用发酵过程可以通过固体培养和深层浸没培养完成，从生产分为间隙分批、半连续和连续发酵等，但是工业化大规模的发酵过程，则以通气纯种深层液体培养为主。通气纯种培养的发酵罐型式有标准式发酵罐、自吸式发酵罐、气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。自吸式发酵罐系通过发酵罐内叶轮的高速转动，引成真空将空气吸入罐内，由于叶轮转动产生的真空，其吸入压头和空气流量有一定限制，因而适用于对通气量要求不高的发酵品种；塔式发酵罐是将发酵液置于多层多孔塔板的细长罐体内(亦称高位筛板塔式)，在罐底部通入无菌空气，通过气体分散进行氧的传递，因而其供氧量受到了一定限制；气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐均是通过无菌空气在罐内中央管或通过旋转的喷射管和罐外喷射泵使发酵液按照一定规律运行，从而达到气液传质的效果，目前气升式发酵罐在培养其较稀薄，供氧量要求不太高的条件下(如VC发酵)得到了使用。但在发酵工业中，仍数兼具通气又带搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍，标准式发酵罐被广泛应用于抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。重点介绍标准发酵罐的设计，对机械搅拌的自吸式发酵罐、空气带升环流式发酵罐和高位塔式发酵罐仅作简要介绍。1.1.1机械搅拌自吸式发酵罐是一种无需气源供应空气的发酵罐，该发酵罐最关键部件是带有中央吸气口的搅拌器。目前国内采用自吸式发酵罐中的搅拌器是带有固定导轮的三棱空心叶轮，叶轮直径d为罐径D的1/3，叶轮上下各有一块三棱形平板，在旋转方向的前侧夹有叶片，其各部件尺寸比例关系见表10-1。当叶轮向前旋转时，叶片与三棱形平板内空间的液体被甩出而形成局部真空，于是将罐外空气通过搅拌器中心的吸入管而被吸入罐内，并与高速流动的液体撞击形成细小的气泡，气液混合流通过导轮流入到发酵液主体。导轮由16块具有一定曲率的翼片组成，排列于搅拌器的外围，翼片上下有固定圈予以固定。自吸式发酵罐的缺点是进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会。其次是这类罐搅拌转速甚高，有可能使菌丝被搅拌器切断，使正常生产受到影响。所以在抗生素发酵上较少采用。但在食醋发酵、酵母培养、生化曝气方面已有成功使用的实例。表:三棱形搅拌器各部件的尺寸比例关系部件尺寸与叶径比例部件尺寸与叶径比例叶轮外径d1d翼叶角a45o桨叶长度l9/16d间隙12.5mm叶轮高度h1/4d叶轮外缘h1h+2b导轮外径31d据有关文献报道，三棱形搅拌器的吸气量和液体的流动程度有一定关系。可由式(10-1)表示。f ( Na,Fr)=0 (10-1)式中Na吸气数，Na= ；Fr弗鲁特数，Fr= d叶轮直径，m；n叶轮转速，s-1；Q吸气量，m3/s；重力加速度， =9.81m/s2。由实验数据归纳，吸气量的大小是随液体运动的程度而变化的，当液体受到搅拌器的推动时，在克服重力影响达到一定程度后，吸气准数就不受重力准数Fr的影响而趋于常数，此点称为空化点。在空化点上，吸气量与搅拌器的泵出流量成正比。1.1.2空气带升环流式发酵罐空气带升环流式发酵罐根据环流管安装位置可分为内环流式与外环流式两种。在环流管底部装置空气喷嘴，空气在喷嘴口以250300m/s的高速喷入环流管。由于喷射作用，气泡被分散于液体中，依靠环流管内气-液混合物的密度与发酵罐主体中液体密度之间的差，使管内气-液混合流连续循环流动。罐内的培养液中之溶解氧由于菌体的代谢而逐渐减少，而其通过环流管时，由于气-液接触而重新达到饱和。为使环流管内气泡被进一步破碎分散，增加氧的传递速率，近年来在环流管内安装静态混合元件，取得了较好效果。发酵液必须维持一定的环流速度以不断补充氧，使发酵液保持一定的溶氧浓度，满足微生物发酵的需要。发酵液在环流管内循环一次所需要的时间，称为循环周期。培养不同的微生物时，由于菌的耗氧速率不同，所要求的循环周期亦有所不同。如果供氧速率跟不上，会使菌的活力下降而减少发酵产率。据报道，黑曲霉发酵生产糖化酶时，当菌体浓度为7%时，要求循环周期为2.53.5min，不得大于4min，否则会造成缺氧而使糖化酶活力急剧下降。在设计环流式发酵罐时，还应注意环流管高度对环流效率的影响，实验表明环流管高度应大于4m。罐内液面也不能低于环流管出口，否则将明显降低效率。但过高的液面高度，可能产生“环流短路”现象，使罐内溶氧分布不均匀。一般罐内液面不高于环流管出口1.5m。1.1.3高位塔式发酵罐这是一种类似塔式反应器的发酵罐，其H/D值约为7左右，罐内装有若干块筛板，压缩空气由罐底导入，经过筛板逐渐上升，气泡在上升过程中带动发酵液同时上升，上升后的发酵液又通过筛板上带有液封作用的降液管下降而形成循环。这种发酵罐的特点是省去了机械搅拌装置，如培养基浓度适宜，而且操作得当的话，在不增加空气流量的情况下，可接近标准式发酵罐的发酵水平，但由于液位较高，通入的压缩空气压力需相应提高。国内工厂曾用过容积为40m2的高位塔式发酵罐生产抗生素，该罐直径2m，总高为14m，共装有筛板6块，筛板间距为1.5m，最下面的一块筛板有直径10mm的小径2000个，上面5块筛板各有直径10mm小孔6300个，每块筛板上都有一个450mm的降液管，在降液管下端的水平面与筛板之间的空间则是气-液充分混合区。由于筛板对气泡的阻挡作用，使空气在罐内停留较长时间，同时在筛板上大气泡被重新分散，进而提高了氧的利用率。这种发酵罐由于省去了机械搅拌装置，造价比标准式发酵罐要低。1.2标准式发酵罐标准式发酵罐是纯种培养生物工程中使用得最为普遍的发酵罐，据不完全统计，约占发酵罐总数的80%90%以上，随着发酵产品需求量增加，发酵过程控制和检测水平提高，对发酵机理的了解，以及空气无菌处理技术水平的提高，发酵罐的容积增大已成为生物发酵工业的趋势。1.2.1罐的几何尺寸发酵罐的公称容积Vo，一般系指筒身容积Vo与底封头容积Vb之和。底封头容积Vb可根据封头的直径查手册求得，也可以近似地用式(10-2)计算。Vo=Vc+Vb= D2H+0.15D3 (10-2)式中，H为筒体高度；D为筒体直径。发酵罐的高径比H/D是罐体最主要的几何尺寸，一般随着罐体高度和液层增高，氧气的利用率将随之增加，容积传氧系数KLa也随之提高。但其增长不是线性关系，随着罐体增高，KLa的增长速率随之减慢；而随着罐休容积增大，液柱增高，进罐的空气压力随之提高，伴随空压机的出口压力提高和能耗增加；而且压力过大后，特别是在罐底气泡受压后体积缩小，气液界面的面积可能受到影响；过高的液住高度，虽增加了溶氧的分压，但同样增加溶解二氧化碳分压，增加了二氧化碳浓度，对某些发酵品种又可能抑制其生产；而且罐体的高度，同厂房高度密切相关。因而发酵罐的H/D值，既有工艺的要求，也应考虑车间的经常费用和工程的一次造价，必须综合考虑后予以确定。一般标准式发酵罐的H/D=1.82.8，常用的为22.5。对于细菌发酵罐来说，筒体高度H与罐直径D的比宜为2.22.5，对于放线菌的发酵罐H/D一般宜取为1.82.2，当发酵罐容积较小时(80m3以下)，H/D值宜取上限，而大型发酵罐(100m3以上)则宜偏下限。1.2.2通气和搅拌好氧发酵是一个复杂的气、液、固三相传质和传热的过程，良好的供氧条件和培养基的混合是保证发酵过程传热和传质必要条件。好氧发酵需要通往充沛的空气，以满足微生物需氧要求，因而空气通入量越大，微生物获得氧可能越多；其次培养液层越高；空气在培养基停留时间就有可能增加，有益于微生物利用空气中的氧；但是空气中氧是通过培养基传递给微生物，传递速率很大程度上取决于气液相的传质面积，也就是说取决于气泡的大小和气泡的停留时间，气泡越小和越分散就使微生物可以越充沛获得氧气，但是强化气泡的粉碎单靠气体分布器的形式和结构改善是不够的，或者说效果是不明显的，只有通过发酵罐内的叶轮转动将气泡粉碎，才可获得较佳的发酵供氧条件。通过叶轮的搅拌作用，使培养基在发酵罐内得到充分宏观和微观混合，尽可能使微生物在罐内每一处均能得到充足氧气和培养基中的营养物质，此外良好的搅拌有利于微生物发酵过程产生的热量传递给内蛇管和发酵罐的外盘管的冷却介质。这就是具有通气和搅拌的标准式发酵罐普遍使用于生化工程的原因。(1) 通气装置通气装置是指将无菌空气导入培养基中的装置，最简单的通气装置是一单孔管，单孔管的出口位于罐的中央，开口向下，以免培养基中固体物质在开口处堆积和罐底固形物质沉淀。有人曾建议采用多孔环管作为通气装置，但由于发酵过程通气量较大气泡直径与通气量和搅拌有关，山分布器的孔径关系极小，在强烈搅拌下，实验证明多孔分布器对氧的传递效果并不比单孔管为好，相反还会造成不必要的压力损失及小孔堵塞的麻烦，故不宜采用。近年来由于发酵罐容积的增大，为了保证搅拌系统的稳定运行，在罐底设置了底轴承，因而占去了空气管的位置，为了使空气分布仍据中央，提出了将空气管在罐内分散成34个口，使其均匀分布在罐中央附近的设计方案。(2) 搅拌叶轮发酵罐内安装搅拌器首先用来分散气泡以得到尽可能高的KLa值。此外还要使被搅拌的发酵液循环来增加气泡的平均停留时间，并在整个系统中均匀分布，阻止其聚并。早先的机械搅拌式发酵罐通常装有数个径向圆盘涡轮搅拌器，但容易使被搅拌的介质分层而成几个区，因而在罐下部和上部之间形成氧分压梯度，导致罐内上、下部之间KLa值差异。近年来发酵罐的搅拌系统多采用在罐底部装有一个用来分散空气的涡轮搅拌器，在其上部再安装一组轴流式搅拌器，用来循环培养介质、均匀分布气泡、强化热量传递和消除罐内上、下部之间含氧量梯度。常用的几种搅拌器如下。 带圆盘敞式涡轮搅拌器(D-6)型H.Rushton在20世纪40年代开发的D-6型搅拌器，目前普遍使用的直叶、弯叶和箭式蜗轮均属此类搅拌器，其特点如下。a. 具圆盘、敞开式，通常有6个叶片(也可4片或8片)；叶片宽度/叶径=0.2圆盘直径=2/3叶径。b. 用于掺合(blending)和固体悬浮的效果不够理想。c. 可产生高湍流，有利于气-液分散。d. 由于扬送量低，在高通气速率时容易产生“气泛”。e. 叶片要均匀分布，以求稳定。 倾斜叶片(pitched blade)涡轮(P-4)于20世纪60年代推出，其特点如下。a. 通常采用4个叶片，倾斜角450，角度固定，典型的叶片宽度/叶径=0.2。b. 在掺合和固体悬浮等作业中，流速控制优于D-6型搅拌器。c. 用于气体分散，效果不如D-6型搅拌器。d. 宜用于中等流量和中等剪切力的情况。 反向倾斜(Reversing pitch)搅拌器由Ekato公司在20世纪60年代开发，其特点如下。a. 内侧叶片向上推，外侧叶片向下推；基本上属于径向流动。b. 不宜于固体悬浮和掺合作业；处理气体能力远不如D-6型叶轮。 高效轴流式搅拌器20世纪80年代开发，如Lightning公司的A-310； Chemineer公司的HE-3；Robin公司的HPM-30等，其特点如下。a. 在轮毂的切入角小；顶端翼弦角(chord angle)较小。b. 与液体流型吻合的前缘(contoured leading edge)，可以减少流动分离。c. 通常采用34个叶片；虽然不宜用于气体分散，但控制罐内流型的性能好。 混合流搅拌器20世纪80年代开发，如Lightning公司开发的A-315，Prochem公司的Maxfo-T等，其特点如下。a. 46个叶片，前端凹进；宽叶片，盘面比(solidity)大，质量也大；b. 控制流速优于P-4和D-6型叶轮通气情况下不稳定。 凹叶径流式(Concave blade radial)搅拌器(CD-6型)20