发酵工程第7讲

第九章发酵设备

1、好氧发酵罐（通风发酵罐）

1.1通用式发酵罐

1.2气升式发酵罐

1.3自吸式发酵罐

2、厌氧发酵罐

生物反应器(bioreactor)：是指有效利用生物反应机能的系统（或场所）。包括发酵罐、酶反应器、动植物细胞反应器、光合生物反应器、废水处理反应器等。发酵罐(fermenter)：进行微生物深层培养的设备统称为发酵罐。分好氧发酵罐和厌氧发酵罐。1好氧发酵罐（通风式发酵罐）

常用通风发酵罐有以下几种类型：（1）通用式发酵罐（通风、搅拌式发酵罐）（2）气升式发酵罐（3）自吸式发酵罐（4）伍式发酵罐

1.1通用式发酵罐：具有通气和搅拌装置的立式圆筒形发酵罐。是目前大生产中最常用的发酵罐。其容积可从几升到几百吨不等。包括罐体、搅拌系统、传热系统、通气系统。1.1.1

罐体：（1）大罐罐体由碳钢或不锈钢材料制成，长圆柱形，椭圆形或拱形封头。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。

（2）直径与高度之比（D/H：1：1.5~4），罐身越长，氧的利用率较高。（3）内壁应光滑无死角，耐腐蚀。（4）发酵罐能承受一定压力；

（5）罐体上设人孔、示镜、爬梯及各路接管。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。

（6）罐体几何尺寸：

D/H：1：1.5~4

发酵罐公称容积：V0=Vc+Vb

Vc筒身容积，Vb底封头容积。

Vb底封头容积可根据封头的形状、直径及壁厚查有关化工手册求得。也可近似地用下式计算。

V0=Vc+Vb=(π/4)D2×H+0.15D3

D罐直径，H罐筒身高

1.1.2

搅拌系统功能：打碎气泡，均匀培养基，使液体产生轴向和径向流动。包括：驱动电机、搅拌轴；涡轮搅拌器、搅拌叶；挡板；轴封（端面轴封）有上、下伸轴：罐体积特别大，使用下伸轴可降低重心，缩短轴长度，转动时噪音小，但轴封要求严格。

1.1.2.1搅拌器：搅拌器有轴向式（桨叶式、螺旋桨式）和径向式（涡轮式）两种。轴向式搅拌器：桨叶式、螺旋桨式径向式（涡轮式）搅拌器（Discturbine）：平直叶、弯叶、箭叶

三种最常见类型的涡轮搅拌叶a:直叶，b:弯叶，c:箭叶。打碎气泡能力、剪切力a>b>c，径向搅动量及液体翻动的能力：a﹤

b

﹤

c，丝状菌适合用箭叶型1.1.2.2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。

W/D=1/8~1/12

（W/D）mb=0.4

mb

：挡板块数挡板的长度自液面到罐底为止，挡板与罐壁之间的距离为：（1/5~1/8）W

1.1.2.3消泡器消泡器的作用是将泡沫打破。消泡器常用的形式有锯齿式、梳状式。消泡器的长度约为罐径的0.65倍。1.1.2.4连轴器：大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段，用联轴器使上下搅拌轴成牢固的刚性联接。

1.1.2.5轴封：轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。有填料函密封圈和端面式轴封等。填料函式轴封：是由填料箱体，填料底衬套，填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。填料函式轴封的优点是结构简单。主要缺点是：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修，耗工时多。

多采用端面式轴封：基本构件是动环和静环。垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。静环多用浸石墨或酚醛树脂；动环一般用青铜。端面式轴封的优点：清洁；密封可靠；无死角，可以防止杂菌污染；使用寿命长；摩擦功率耗损小；轴或轴套不受磨损；它对轴的精度和光洁度没有填料密封要求那么严格，轴的震动敏感性小。1.1.2.6几何尺寸：

d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1B/D=0.3~0.5

(S/d

)2=1.5~2.5(S/d

)3=1~2

d：涡轮搅拌器直径(m)

D：罐内径(m)

W：挡板宽度(m)

B：底层搅拌叶到罐底的距离(m)

S：两搅拌叶之间的间距(m)

搅拌器的档数根据液体的深度（H）确定，凡H≤D时用一档，当H﹥D时用多档，但S﹤D

1.1.2.7搅拌器功率的计算：

搅拌的输出功率P(W)与流体的性质、容器的结构尺寸、液位高度、重力加速度(g)、搅拌器的形式、搅拌器的速度及有无档板等有关。

P=f(n,d,ρ,μ,g)

P搅拌功率（W），n搅拌器转速（r/min），d搅拌器直径，ρ液体密度（kg/m3），μ液体粘度(pa．s)

通过因次分析和实验证实：

P/(n3·d5·

ρ)=K(n·d2

·

ρ/μ)x

(n2

·

d/g)y

式中

P/(n3

·

d5·

ρ)=NP称为搅拌功率准数（外力与惯性力比）

n

·

d2·

ρ/μ=Re称为搅拌雷诺准数（惯性力与黏性力比）

n2·

d/g=Fr称为搅拌弗鲁特准数

（惯性力与重力比）

K与搅拌器的形式，容器的结构尺寸有关的常数在有全档板的条件下，液面未出现旋涡，y=0NP=K

·

Rex

即功率准数是雷诺准数的函数1.1.3传热系统：1.1.3.1夹层传热（V<5T）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。优点是：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。缺点是：传热壁较厚，冷却水流速低，发酵时降温效果差。夹层的传热系数一般是400～630kj/m2·h·℃

1.1.3.2蛇管传热（一般有4组、6组、8组）。优点是：冷却水在管内的流速大；传热系数高但弯曲位置比较容易蚀穿(试漏）。

蛇管的传热系数则为1200～1890kj/m2·h·℃1.1.4

通气系统：制备的无菌空气通过单孔管、多孔环管进罐。

单孔管空气出口（离罐底约4cm)位于底层搅拌叶的正下方，斜截面开口向下。

以环径为搅拌器直径的0.8倍较有效，喷孔直径为φ5～8mm，喷孔向下，喷孔的总截面积约等于通风管的截面积。1.2通风搅拌式发酵罐（气升式）：

外循环型

外循环型内循环型

通风搅拌式发酵罐：通气（250～300m/s)不仅提供微生物所需氧气，而且还用来搅拌培养基。特点：结构简单，无搅拌装置节省动力50%，操作时噪音小。减少死角。但搅拌效果不及机械搅拌式。选用适当直径的喷嘴。具有适当直径的喷嘴才能保证气泡分割细碎，与发酵液均匀接触，增加溶氧系数。

1.3自吸式发酵罐：一般为下伸型搅拌轴，在搅拌过程中通过搅拌器上的空心叶轮吸入无菌空气，当空心叶轮里的培养基被甩出后，叶轮里形成局部真空，从而将外面的空气吸到罐内。搅拌器：

三棱型空心体叶轮（转子），具有16块有一定曲率的导向叶片，叶片上下有固定圈固定（定子）。搅拌速度比通用式的发酵罐快，剪切力大，发酵罐一般不宜过大。在葡萄糖酸钙、维生素C、酵母、蛋白酶等发酵,

生化暴气方面的有应用实例

2厌氧发酵罐厌氧发酵也称静止培养，其设备和工艺都较好氧发酵简单。2.1

酒精发酵罐：2.1.1罐体：D/H1：1.3~1.4

盖和底为圆锥成碟形。1：糖化醪进口2：成熟醪排出口3：CO2排出回收口4，5：人孔6：蛇管7：温包8：取样口9：安全阀2.1.2传热系统：蛇管、表面冷却，一般0.25m2/m3

2.2

啤酒发酵罐：主、后酵共用。啤酒发酵罐均采用碳钢加涂料或不锈钢两种材料制成。啤酒是酸性液体，能造成铁的电化学腐蚀