第一章 通風(fēng)供氧式生物反應(yīng)器-1

第一章

通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備

地位和作用：

大多數(shù)的生化反應(yīng)都是需氧的，通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備是需氧生化反應(yīng)設(shè)備的核心和基礎(chǔ)。

例：氨基酸、有機(jī)酸、抗生素、酶制劑、酵母等對通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備的要求

1、良好傳質(zhì)和傳熱性能，培養(yǎng)基流動與混合良好，特別是溶氧性能，供氧速率通常被認(rèn)為是在生物反應(yīng)器的選擇和設(shè)計的主要問題；

2、結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，防雜菌污染，是必須保證的條件；能耗低，運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性好；

3、必要的檢測與控制；

4、設(shè)備較簡單，方便維護(hù)檢修。發(fā)酵罐的基本條件（1）發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。罐身越高，氧的利用率較高。（2）發(fā)酵罐能承受一定的壓力。（3）要保證發(fā)酵液必須的溶解氧。（4）發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。（5）發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)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(yīng)嚴(yán)密，減少泄漏。通風(fēng)發(fā)酵罐的類型機(jī)械攪拌式氣升環(huán)流式鼓泡式自吸式其中機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐占主導(dǎo)地位。占了發(fā)酵罐總數(shù)的70％～80％。第一節(jié)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐體積從實(shí)驗(yàn)室的30L——大生產(chǎn)的630m3這類發(fā)酵罐大多用于通風(fēng)發(fā)酵，靠通入的壓縮無菌空氣和攪拌葉輪實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液的混合、溶氧傳質(zhì)，同時強(qiáng)化熱量傳遞。本節(jié)共分六個問題：一、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)二、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的通風(fēng)與溶氧傳質(zhì)三、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌與流變特性四、熱量傳遞與換熱裝置設(shè)計計算五、發(fā)酵罐的幾何尺寸及體積計算六、發(fā)酵罐的設(shè)計和應(yīng)用發(fā)酵罐一、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)1、罐體

2、攪拌器和擋板

3、消泡器

4、聯(lián)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(fā)酵罐可用襯不銹鋼板或復(fù)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(qiáng)。發(fā)酵罐的計算：材料選擇、壁厚計算、結(jié)構(gòu)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(nèi)壓筒體壁厚的計算：

（mm）

式中：

p——耐受壓強(qiáng)，MPa，表壓；

D——罐徑，mm；

φ－一焊縫系數(shù)，雙面對焊φ=0.8，無焊縫φ=1.0；

C——腐蝕裕度，當(dāng)δ-C＜10mrn時，C=3mm；

[σ]——許用應(yīng)力。（2）受外壓筒體壁厚的計算：

（mm）

式中：

p——耐受外壓強(qiáng)，Pa，表壓；

D——罐徑，mm；

α——系數(shù)，直立圓筒取45，有焊縫時為50；

C——腐蝕裕度，當(dāng)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(shù)，對發(fā)酵罐可取2.3；

[σ]——許用應(yīng)力。

2．?dāng)嚢杵鲾嚢杵鞯闹饕饔茫夯旌虾蛡髻|(zhì)

1、溶氧：使通入的空氣分散成小氣泡并與發(fā)酵液充分混合，使氣泡細(xì)碎以增大氣一液界面，獲得所需要的溶氧速率，并使生物細(xì)胞懸浮分散于發(fā)酵體系中，以維持適當(dāng)?shù)臍庖灰阂还蹋?xì)胞）三相的混合與質(zhì)量傳遞，

2、營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物、細(xì)胞的傳質(zhì)擴(kuò)散。

3、強(qiáng)化傳熱過程。攪拌器的結(jié)構(gòu)與類型攪拌器的設(shè)計應(yīng)使發(fā)酵液有足夠的徑向流動和適度的軸向運(yùn)動。攪拌葉輪大多采用蝸輪式，葉片數(shù)量一般為6個。此外，還有推進(jìn)式和Lightnin式攪拌葉輪。

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

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(biāo)準(zhǔn)化，被稱為標(biāo)準(zhǔn)型攪拌器，這種攪拌器攪動液體的循環(huán)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(biāo)準(zhǔn)化。（3）六箭葉渦輪未標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)速略為提高。發(fā)酵罐攪拌葉輪結(jié)構(gòu)類型

1.六直葉平葉渦輪2.推進(jìn)式3.LightninA－315式

擋板擋板的作用：發(fā)酵罐內(nèi)裝設(shè)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(qiáng)其湍動和溶氧傳質(zhì)。尺寸：通常擋板寬度?。?.1-0.12）D，高度h=自筒底至運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下再增加罐內(nèi)附件而軸功率仍保持不變。要達(dá)到全擋板條件必須滿足下式要求：

式中D——發(fā)酵罐直徑，mm；

b——擋板寬度，mm；

n——擋板數(shù)。通常設(shè)4~6塊擋板。全擋板條件下攪拌流型

（1）六直葉渦輪（2）推進(jìn)式葉輪

3、消泡裝置

1）起泡原因：發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)，故在通風(fēng)、攪拌時產(chǎn)生氣泡物質(zhì)。

2）危害：減少裝料系數(shù)、料液外溢（隨排風(fēng)、各接口、軸封等），并易引起染菌。

3）消泡方法：加入化學(xué)消泡劑；使用機(jī)械消泡裝置。通常，是把上述兩種方法聯(lián)合使用。耙式消泡器最簡單實(shí)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(yīng)比發(fā)酵液面高出適當(dāng)高度。隨攪拌軸轉(zhuǎn)動，不斷將泡沫打破4.聯(lián)軸器及軸承

大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對正。聯(lián)軸器及軸承為了減少震動，中型發(fā)酵罐一般在罐內(nèi)裝有底軸承，而大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，應(yīng)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(huán)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(jù)溶氧情況適當(dāng)調(diào)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(zhì)效果?？諝夥植佳b置通常通風(fēng)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(bǔ)強(qiáng)?？裳娱L罐底壽命?？諝夥植佳b置

若用環(huán)形空氣分布管，則要求環(huán)管上的空氣噴孔應(yīng)在攪拌葉輪葉片內(nèi)邊之下，同時噴氣孔應(yīng)向下以盡可能減少培養(yǎng)液在環(huán)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(fā)酵罐常用的軸封為雙端面機(jī)械軸封裝置。雙端面機(jī)械軸封裝置器

l.密封環(huán)

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(yīng)用夾套換熱裝置優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，易清洗。但換熱系數(shù)較低只用于5m3以下的小罐。夾套的換熱系數(shù)在400～600kJ/（m2·h·℃）之間。（2）豎式蛇管在罐內(nèi)設(shè)4組或6組豎式蛇管。其優(yōu)點(diǎn)為：管內(nèi)水的流速大，傳熱系數(shù)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(shè)于罐內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)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(qū)。當(dāng)流速較快時，降溫速度快。

人孔、視鏡、各種接口

機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)1.軸封2、20.人孔3.梯4.聯(lián)軸節(jié)5.中間軸承6.溫度計接口7.攪拌葉輪8.進(jìn)風(fēng)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(jī)18.壓力表19.取樣口21.進(jìn)料口22.補(bǔ)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(fā)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(fā)酵罐

發(fā)酵罐

通風(fēng)發(fā)酵罐復(fù)習(xí)題（一）1、畫出通用式發(fā)酵罐簡示圖，并說明其主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，并說明各自的優(yōu)缺點(diǎn)。4、簡述生物反應(yīng)過程起泡的原因、危害，設(shè)計出幾種消泡裝置并作簡要說明。二、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的通風(fēng)與溶氧傳質(zhì)需氧發(fā)酵：抗生素、酶制劑、有機(jī)酸、氨基酸等工業(yè)發(fā)酵需氧量：

比呼吸速率:0.1-0.4kg(O2)/[h.kg(干細(xì)胞）]

由糖等底物轉(zhuǎn)化成細(xì)胞，需氧量為1kg（O2）/[h·kg（增殖細(xì)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(fā)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(yīng)器的改進(jìn)，多以溶氧速率和溶氧經(jīng)濟(jì)相關(guān)聯(lián)。（例：高黏度發(fā)酵反應(yīng)器問題）1．氣-液相間的溶氧傳質(zhì)過程理論

1、雙膜理論的假設(shè)：存在氣-液界面及其過渡區(qū)；傳質(zhì)為分子擴(kuò)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(cè)通過擴(kuò)散穿過界面。（3）在界面液相側(cè)通過液相滯流層傳遞到液相主體。（4）在液相主體中進(jìn)行傳遞。（5）擴(kuò)散通過生物細(xì)胞表面的液相滯流層傳遞進(jìn)入生物細(xì)胞內(nèi)。2、接觸界面氧的傳質(zhì)速率

溶氧傳質(zhì)的總推動力就是氣相與細(xì)胞內(nèi)的氧濃度之差。氧由氣泡傳遞到液相中是生物通氣發(fā)酵過程中的限速步驟。當(dāng)氣液傳質(zhì)過程處于穩(wěn)態(tài)時，單位接觸界面氧的傳遞速率為：

根據(jù)亨利定律有：P=Hc

式中H——亨利常數(shù)。結(jié)合兩式，可得下面兩式：對通常的培養(yǎng)基水溶液，其亨利常數(shù)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(fā)酵過程的溶氧計算，可以?。篕L=kL

3、體積溶氧速率與體積溶氧系數(shù)（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(zhì)系數(shù)，m/s；

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

c*——相應(yīng)溫度、壓強(qiáng)條件下飽和溶氧濃度，mol/m3

溶氧濃度C應(yīng)控制在5％～10％c*以上，否則就會影響生物細(xì)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(fēng)發(fā)酵生產(chǎn)，使用的普通空氣，發(fā)酵罐壓略高于大氣壓，相應(yīng)的c*在0.25～0.3mol（O2）/m3；而機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的kLα值為100～1000（1/h），所以此類發(fā)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(yīng)的通風(fēng)和機(jī)械攪拌功率輸入的條件下實(shí)現(xiàn)的。對于高細(xì)胞密度發(fā)酵和非牛頓培養(yǎng)基發(fā)酵，在相同的發(fā)酵罐和通氣攪拌條件下，相應(yīng)的溶氧速率大大降低。（2）體積溶氧系數(shù)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(shù)：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(fā)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(shí)驗(yàn)常數(shù)影響kLα的主要因素

（1）操作變量（條件）：如攪拌轉(zhuǎn)速、通氣量等。（2）發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)：如體積、通氣方法、攪拌葉輪結(jié)構(gòu)和尺寸等。（3）物料的物化性能：如擴(kuò)散系數(shù)、表面張力、密度、粘度、培養(yǎng)基成分及特性等。

（4）溶氧系數(shù)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(shù)，

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

Ni—攪拌器數(shù)量。Pg—對液體的攪拌功率，kW；

VL—發(fā)酵罐的裝液量，m3；n—攪拌轉(zhuǎn)速，r/min

vs——空截面氣速，cm／s。

表示機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的體積溶氧系數(shù)公式還有：（1/h）或（1/h）

Di——攪拌葉輪直徑，m；

n——攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；

K和K’是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，由反應(yīng)器結(jié)構(gòu)確定。3．機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的通風(fēng)量（1）持氣率（GasHoldup）持氣率是氣液傳質(zhì)系統(tǒng)重要參數(shù)，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(shù)的通氣發(fā)酵牛頓型培養(yǎng)液，持氣率的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)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(zhì)有重要影響，它不僅影響體積溶氧系數(shù)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(qiáng)化溶氧傳質(zhì)，必須適當(dāng)提高攪拌轉(zhuǎn)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(xì)胞受損傷，甚至在低攪拌速率下也如此。故在組織培養(yǎng)中必須注意攪拌葉輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使用低剪切的葉輪。

通氣強(qiáng)度（VVm）即每立方米發(fā)酵液每分鐘通入多少立方米標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣。

對相同的VVm，其空截面氣速Vs隨反應(yīng)器規(guī)模的增加而提高。故實(shí)際上，通氣強(qiáng)度隨反應(yīng)器的增大而適當(dāng)降低。

通氣強(qiáng)度也受液壓的影響。（為何？）

（3）通風(fēng)強(qiáng)度發(fā)酵罐規(guī)模對vs的影響

（4）通氣功率發(fā)酵罐的通氣是必須消耗功率的。一定壓強(qiáng)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(jìn)入發(fā)酵液中釋放能量，起氣液混合作用，帶動發(fā)酵液一道呈氣一液一固（微生物）之相流動。當(dāng)通氣速率較高，而攪拌葉輪直徑較小且轉(zhuǎn)速較低時，會出現(xiàn)攪拌器對液體流動和氣體分散均基本無影響的情況，習(xí)慣上稱此為“溢流”現(xiàn)象，這是通氣發(fā)酵不希望的狀況。

要使機(jī)械攪拌通氣不出現(xiàn)的“溢流”現(xiàn)象，必須保持下述條件

上式只適用于牛頓型流體、標(biāo)準(zhǔn)幾何尺寸的機(jī)械攪拌罐和渦輪攪拌器。通氣帶入發(fā)酵液的攪拌混合能只占總量的10％左右，其余的90％則為機(jī)械攪拌器輸入。4．通氣壓強(qiáng)（發(fā)酵罐壓）通氣壓強(qiáng)對OTR的影響：提高罐壓即提高風(fēng)壓，可使相應(yīng)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(jīng)濟(jì)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(fā)酵罐的耐壓強(qiáng)度升高，所用的空氣壓縮機(jī)的輸出壓強(qiáng)也相應(yīng)增大，但所需的設(shè)備投資增加。2、代謝氣體（CO2)也同比例提高，從而對細(xì)胞代謝的影響。3、對通氣速率和攪拌功率的影響，進(jìn)而對kLα產(chǎn)生影響

生產(chǎn)實(shí)踐中，通過試驗(yàn)，選擇最佳罐壓。在大多數(shù)的發(fā)酵，罐頂壓強(qiáng)取0.1—0.05MPa較好。是否最佳？5．富氧通風(fēng)通風(fēng)發(fā)酵罐通常使用的是普通空氣。當(dāng)需要提高相應(yīng)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(yè)規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)上，因?yàn)橥冄鯕饣蚋谎跏共僮鞒杀敬笤?，故目前仍未使用?/p>

討論題

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

（2）發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)：如體積、通氣方法、攪拌葉輪結(jié)構(gòu)和尺寸等。

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

通風(fēng)發(fā)酵罐復(fù)習(xí)題（二）1、名詞概念：持氣率通風(fēng)強(qiáng)度通氣壓強(qiáng)富氧通風(fēng)2、圖示并簡述雙膜理論的基本內(nèi)容3、討論影響體積溶氧系數(shù)kLα的主要因素4、綜合敘述提高溶氧速率的技術(shù)措施三、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌與流變特性機(jī)械攪拌的重要性：

當(dāng)用同一發(fā)酵罐進(jìn)行試驗(yàn)時，若固定通氣量，則當(dāng)攪拌葉輪形狀、大小、數(shù)量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)改變時，所需的通氣攪拌功率也隨之變化，對發(fā)酵結(jié)果也產(chǎn)生影響。攪拌器的安裝：在設(shè)計發(fā)酵罐時，必須考慮如何設(shè)計攪拌器以及怎樣裝配到攪拌軸上。對小型發(fā)酵罐，可用全開式封頭，即用法蘭連接。

對大型發(fā)酵罐，在罐蓋上裝設(shè)人孔，分幾部分放入罐內(nèi)組裝。攪拌器的設(shè)計攪拌葉輪尺寸與類型攪拌葉尖線速度與剪應(yīng)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(fā)酵，因培養(yǎng)液粘度大，故可選大直徑的葉輪。動物細(xì)胞培養(yǎng)所適用的攪拌反應(yīng)器，應(yīng)選較大的Di/D。攪拌葉輪類型的選擇

主要考慮功率準(zhǔn)數(shù)，混合特性以及葉輪所產(chǎn)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(diǎn)是剪切應(yīng)力大。

推進(jìn)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(yīng)力（1）攪拌對生物反應(yīng)的作用：

有益性：

損傷性：生物細(xì)胞在機(jī)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(xì)胞的特性和攪拌力的性質(zhì)、強(qiáng)度以及作用時間等。攪拌剪切與細(xì)胞損傷的關(guān)系

單細(xì)胞微生物耐受攪拌剪切的能力強(qiáng)絲狀菌的耐受力弱動物細(xì)胞對攪拌剪切甚至對通氣混合所產(chǎn)生的較輕微的剪應(yīng)力也非常敏感攪拌葉尖線速度與剪應(yīng)力關(guān)于攪拌剪切與反應(yīng)器形式、結(jié)構(gòu)及對象生物細(xì)胞的設(shè)計準(zhǔn)則，目前以攪拌葉尖線速度為基準(zhǔn)并以具體條件下實(shí)驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn)。對耐剪切力較強(qiáng)的生物細(xì)胞，攪拌葉尖線速度應(yīng)不大于7.5m/s。攪拌葉輪尺寸與剪切速率葉尖線速度、轉(zhuǎn)速及功率關(guān)系

葉尖線速度

vt=7.62m/s□vt=10.16m/s■攪拌功率

Pg=224kw+Pg=448kwX剪應(yīng)速率

γ=0.167/s▲γ=0.267/s發(fā)酵培養(yǎng)液的流變特性根據(jù)料液黏度、剪切速率、剪應(yīng)力三者的關(guān)系，常見的發(fā)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(zhǔn)數(shù)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(jī)復(fù)習(xí)題（三）1、簡述剪應(yīng)力對生物反應(yīng)的影響2、簡述不同類型流體黏度、剪切速率、剪應(yīng)力三者的關(guān)系四、機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的熱量傳遞

為了保證溫度的調(diào)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(zhǔn)進(jìn)行熱量衡算以及所需的換熱面積。

1．發(fā)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(fā)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(xì)胞呼吸放熱和發(fā)酵熱兩部分。Q2——機(jī)械攪拌放熱，且Q2=3600Pgη（kJ）；

Pg——攪拌功率，kw；

η——功熱轉(zhuǎn)化率，經(jīng)驗(yàn)值為η=0.92；Q3——發(fā)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(fā)酵罐壁與環(huán)境存在溫差而傳遞散失的熱量。

Q3≈20%Q1Q4——發(fā)酵罐壁與環(huán)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(fā)酵期產(chǎn)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(jìn)口溫度，℃；

T2——冷卻水出口溫度，℃；

VL——發(fā)酵液體積，m3。

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

[kJ/(m3·h)]式中m1、m2——發(fā)酵液和發(fā)酵罐質(zhì)量，kg；

c1、c2——發(fā)酵液和罐體材料比熱容，kJ/（kg·℃）；

ΔT——30min內(nèi)發(fā)酵液的溫升，℃。：

3、換熱面積計算

Q總——主發(fā)酵期發(fā)酵液每小時放出最大的熱量（kJ/h）K——換熱裝置的傳熱系數(shù)[kJ/（m2·h·K）]Δtm——平均溫度差（℃）（1）傳熱系數(shù)（K）經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)時，根據(jù)查定，K值約為4.187×（800～1000）kJ／（m2·h·K）。冷卻排管的傳熱系數(shù)K＝[(1/α1)+(δ/λ)壁+(δ/λ)垢+(1/α2)]

α1——冷卻水在管內(nèi)的給熱系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取4.187×2500kJ／（m2·h·K）α2——發(fā)酵液向排管的給熱系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shè)冷卻水進(jìn)出口溫度為t1、t2，醪液溫度為T，則（3）換熱面積的計算五、發(fā)酵罐的幾何尺寸及體積計算1、發(fā)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?cè)莘e（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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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?cè)莘e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(fā)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(shù)，一般不計入上封頭的容積，其中底封頭容積可根據(jù)封頭形狀、直徑及壁厚從有關(guān)化工設(shè)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(shí)際裝料容積，它等于罐的總?cè)莘eV總乘以罐的裝滿系數(shù)（η）V有效＝V總·η（m2）η——裝滿系數(shù)（一般取0.65～0.75）

100m3機(jī)械攪拌發(fā)酵罐典型尺寸示例

l.電機(jī)

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(jìn)風(fēng)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(lián)軸器六、通用發(fā)酵罐設(shè)計有關(guān)的重要因素是氧傳遞效率，功率輸入、混合質(zhì)量，攪拌槳形式和發(fā)酵罐的幾何比例等。通用發(fā)酵罐設(shè)計程序

（1）明確設(shè)計任務(wù)和要求（2）根據(jù)生產(chǎn)能力要求和操作特點(diǎn)，選擇技術(shù)參數(shù)、發(fā)酵罐的容積、計算數(shù)量；（3）進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的計算；（罐體、降溫、攪拌、通風(fēng)等）（4）溶氧系數(shù)和攪拌功率的計算；（5）設(shè)計數(shù)據(jù)驗(yàn)算和調(diào)整（6）繪制裝配圖和主要部件圖通風(fēng)發(fā)酵罐復(fù)習(xí)題（四）1、圖示并說明通用發(fā)酵罐主要結(jié)構(gòu)幾何尺寸的比例關(guān)系；2、簡述幾種發(fā)酵罐冷卻熱負(fù)荷的計算或試驗(yàn)測定方法原理；3、圖示并推到寫出發(fā)酵罐全容積計算公式；4、簡述發(fā)酵罐設(shè)計的一般程序。第二節(jié)氣升式發(fā)酵罐（ALR）一、基本知識1、混合原理：利用通入反應(yīng)器內(nèi)的空氣上升時的動力來帶動發(fā)酵液的運(yùn)動，從而達(dá)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(jìn)發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。

2、結(jié)構(gòu)類型

常見的氣升式反應(yīng)器有氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等。已在生物工業(yè)大量應(yīng)用的有氣升內(nèi)環(huán)流發(fā)酵罐、氣液雙噴射氣升環(huán)流發(fā)酵罐、設(shè)有多層分布板的塔式氣升發(fā)酵罐。

鼓泡罐是最原始的通氣發(fā)酵罐。

氣升環(huán)流式氣液雙噴射氣多層空氣分布板的反應(yīng)器升環(huán)流反應(yīng)器氣升環(huán)流發(fā)酵罐氣升環(huán)流式反應(yīng)器

氣液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器

多層空氣分布板的氣升環(huán)流發(fā)酵罐

3、氣升環(huán)式反應(yīng)器的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡單，便于制作、維修、操作：氣升式反應(yīng)器罐內(nèi)不需安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜的攪拌系統(tǒng)，密封也容易保證。生產(chǎn)成本僅是機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的30%左右。放大設(shè)計制造大型和超大型發(fā)酵反應(yīng)器也已實(shí)現(xiàn)。（2）反應(yīng)溶液分布均勻：氣升式發(fā)酵罐依靠空氣流動帶動發(fā)酵液循環(huán)流動，既能使發(fā)酵液（培養(yǎng)液）充分均勻又能使氣體充分分散。氣升環(huán)式反應(yīng)器的特點(diǎn)（3）動力消耗低，較高的溶氧速率和溶氧效率；（4）機(jī)械剪切力小，對生物細(xì)胞損傷?。唬?）傳熱良好：氣升式反應(yīng)器因液體綜合循環(huán)速率高，同時便于在外循環(huán)管路上加裝換熱器，以保證除去發(fā)酵熱以控制適宜的發(fā)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(huán)發(fā)酵罐德國Hoechst公司氣升環(huán)流發(fā)酵罐培養(yǎng)石蠟酵母具有外循環(huán)冷卻的氣升環(huán)流式發(fā)酵罐

1.發(fā)酵罐2.通氣管3.發(fā)酵液進(jìn)口4.空氣分布器5.空氣進(jìn)口6.循環(huán)泵7.發(fā)酵液出口8.熱交換器9、11.噴嘴10.發(fā)酵液出料口12.排氣管

對生物細(xì)胞損傷小適合于動植物細(xì)胞培養(yǎng)；適合于固形物含量低、黏度小、需氧量低的微生物培養(yǎng)和發(fā)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(yǎng)和發(fā)酵過程。目前世界上最大型的通氣發(fā)酵罐就是氣升環(huán)流式的，體積高達(dá)3000m3。4、適用范圍1000m3氣升式發(fā)酵罐二．氣升環(huán)流式發(fā)酵罐的主要結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)

影響氣升環(huán)流式發(fā)酵罐特性的主要結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)包含：

高徑比、導(dǎo)流筒高度與反應(yīng)器高度之比

導(dǎo)流筒直徑與反應(yīng)器直徑比、導(dǎo)流筒頂部和底部與罐頂和罐底的距離通氣速率、循環(huán)時間、平均循環(huán)雷諾準(zhǔn)數(shù)、平均循環(huán)速度等。內(nèi)環(huán)流氣升式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.罐體2.罐底蓋3.頂蓋4.導(dǎo)流筒5.噴嘴（1）主要結(jié)構(gòu)參數(shù)a．反應(yīng)器高徑比H/D的適宜范圍是5～9。b．導(dǎo)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(yīng)器直徑比Di／D以及導(dǎo)流筒上下端面到罐頂及罐底的距離。（2）氣升環(huán)流反應(yīng)器的操作特性

a．平均循環(huán)時間tm：式中VL——發(fā)酵罐內(nèi)培養(yǎng)液量，m3；

VG——發(fā)酵液循環(huán)流量，m3／s；

DE——導(dǎo)流管（上升管）直徑，m；

vm——導(dǎo)流管中液體平均流速，m／s。

b．液氣比R理論和實(shí)踐表明，通氣量對氣升式發(fā)酵罐的混合與溶氧起決定性作用，而通氣的壓強(qiáng)即空氣在空氣分布管出口前后的壓強(qiáng)差Δp對發(fā)酵液的流動與溶氧也有相當(dāng)?shù)挠绊?。所謂液氣比就是發(fā)酵液的環(huán)流量Vc與通風(fēng)量VG之比，即R=VC/VG。（氣液比？）根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，導(dǎo)流管中平均環(huán)流速度vm可取

1.2～1.8m/s。若采用多段導(dǎo)流管或內(nèi)設(shè)篩板，則vm可降低。C．氣升式反應(yīng)器的溶氧傳質(zhì)氣升式反應(yīng)器的氣液傳質(zhì)速率主要取決于發(fā)酵液的湍動及氣泡的剪切細(xì)碎狀態(tài)，而氣液兩相流動與混合主要受反應(yīng)器輸入能量的影響。反應(yīng)溶液的氣含率與空截面氣速Vs的關(guān)系：式中，K和n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)確定。在鼓泡式發(fā)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(yīng)器的溶氧傳質(zhì)體積溶氧系數(shù)是空截面氣速的函數(shù)：

式中，對水和電解質(zhì)液，m=0.8，而常數(shù)b則是空氣分布器形式和溶液性質(zhì)的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。典型的氣升環(huán)流發(fā)酵罐ICI壓力循環(huán)式發(fā)酵罐英國伯明翰ICI公司的壓力循環(huán)發(fā)酵罐是國際上最出色的代表，公稱體積達(dá)3000m3，液柱高達(dá)55m，故通氣壓力高，發(fā)酵液量2100m3。

ICI壓力循環(huán)氣升發(fā)酵罐

為了強(qiáng)化氣液混合與溶氧，沿罐高度設(shè)有19塊有下降區(qū)的篩板以防止氣泡合并為大氣泡，同時為使塔頂?shù)臍庖翰糠址蛛x排氣，頂部設(shè)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(yīng)器

BIOHOCH多氣升管廢水處理生化反應(yīng)器其特點(diǎn)是一個反應(yīng)器內(nèi)設(shè)多個氣升環(huán)流管，有效體積高達(dá)8000～20000m3；具有節(jié)能、操作穩(wěn)定、出水的BOD和COD低、無噪音因而對環(huán)境無污染及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，是值得推廣應(yīng)用的廢水處理反應(yīng)器。

第三節(jié)自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機(jī)提供加壓空氣，而依靠特設(shè)的機(jī)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(shí)現(xiàn)混合攪拌與溶氧傳質(zhì)的發(fā)酵罐。自20世紀(jì)60年代開始?xì)W洲和美國展開研究開發(fā)，然后在國際和國內(nèi)的酵母及單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)、醋酸發(fā)酵及維生素生產(chǎn)等獲得應(yīng)用。與通用發(fā)酵罐的主要區(qū)別①有一個特殊的攪拌器，攪拌器由轉(zhuǎn)子和定子組成；②沒有通氣管。一、自吸式發(fā)酵罐的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)：（1）不必配備空氣壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備，節(jié)約設(shè)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(fā)酵罐的溶氧比能耗可降至0.5kw·h／（kgO2）以下。（3）用于酵母生產(chǎn)和醋酸發(fā)酵具有生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)點(diǎn)。自吸式發(fā)酵罐的特點(diǎn)2、缺點(diǎn)：①裝料系數(shù)低，約40%左右。②進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，增加了染菌機(jī)會，不適于無菌要求較高的發(fā)酵過程。③攪拌轉(zhuǎn)速高，對于長菌絲的微生物的菌絲，攪拌的剪切力會產(chǎn)生不利影響（機(jī)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(jìn)

為克服上述缺點(diǎn)，可采用自吸氣與鼓風(fēng)相合的鼓風(fēng)自吸式發(fā)酵系統(tǒng)，即在過濾器前加裝一臺鼓風(fēng)機(jī)，適當(dāng)維持無菌空氣的正壓。二、機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐1、機(jī)械自吸式發(fā)酵罐吸氣原理自吸混合結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件是自吸攪拌器及導(dǎo)輪（簡稱為轉(zhuǎn)子及定子）。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，其框內(nèi)液體被甩出而形成局部真空而吸入空氣。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子浸沒，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，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(dāng)流體被甩向外象時，在轉(zhuǎn)子中心處形成負(fù)壓，通過導(dǎo)向葉輪而使氣液均勻分布甩出，并使空氣在循環(huán)的發(fā)酵液中分裂成細(xì)微的氣泡，在湍流狀態(tài)下混合、翻騰、擴(kuò)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(fā)酵罐轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)（1）一般結(jié)構(gòu)：關(guān)于發(fā)酵罐的高徑比：為保證較高的吸風(fēng)量，發(fā)酵罐的高徑比H/D不宜取大，且罐容增大時，H/D應(yīng)適當(dāng)減少，以保證攪拌吸氣轉(zhuǎn)子與液面的距離為2～3m。對于粘度較高的發(fā)酵液，為了保證吸風(fēng)量，應(yīng)適當(dāng)降低罐的高度。（2）轉(zhuǎn)子與定子的確定

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

三棱葉自吸式葉輪結(jié)構(gòu)三棱葉葉輪直徑D一般等于發(fā)酵罐直徑的0.35倍。四彎葉自吸式葉輪結(jié)構(gòu)

四彎葉轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)是剪切作用較小，阻力小，消耗功率較小，直徑小而轉(zhuǎn)速高，吸氣量較大，溶氧系數(shù)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(zhuǎn)子及定子轉(zhuǎn)子定子自吸式葉輪結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)子間距l(xiāng)～2.5mm。3.消泡裝置

旋風(fēng)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(jī)械自吸式發(fā)酵罐吸氣量計算根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，自吸式發(fā)酵罐的吸氣量可用準(zhǔn)數(shù)法進(jìn)行計算和比擬放大設(shè)計。（1）三棱葉轉(zhuǎn)子當(dāng)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，F(xiàn)r）=0Na——吸氣準(zhǔn)數(shù)，且Na=Vg/nd3；

Fr——弗魯特準(zhǔn)數(shù)，F(xiàn)r=n3d/g；

d——葉輪直徑，m；

n——葉輪轉(zhuǎn)速，1/s；

Vg——吸氣量，m3/s；

g——重力加速度常數(shù)，9.81m/s2。吸氣準(zhǔn)數(shù)Na與弗魯特準(zhǔn)數(shù)Fr的關(guān)系

三棱葉轉(zhuǎn)子當(dāng)重力準(zhǔn)數(shù)Fr達(dá)到一定值時，吸氣準(zhǔn)數(shù)Q趨于常數(shù)，Q為0.0628~0.0634。吸氣量q＝Qnd3

式中q——吸氣量，m3/min；

n——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；

d——葉輪直徑，cm。

當(dāng)物料相對密度不同，泡沫不同時，應(yīng)該對式進(jìn)行修正，吸氣量的修正系數(shù)約為0.5~0.8。（2）四彎葉轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min

Dp——D—L，cm；

C——流速比，C＝K/（K＋1）；

K——充氣系數(shù)。三、噴射自吸式發(fā)酵罐

噴射自吸式發(fā)酵罐是應(yīng)用文氏管噴射吸氣裝置或溢流噴射吸氣裝置進(jìn)行混合通氣的，既不用空壓機(jī)，又不用機(jī)械攪拌吸氣轉(zhuǎn)子。1、文氏管自吸式發(fā)酵罐

文氏管自吸式發(fā)酵罐原理：用泵使發(fā)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(shí)現(xiàn)溶氧傳質(zhì)。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)收縮段液體流動雷諾數(shù)Re＞6×104時，吸氣量及溶氧速率較高。

文氏吸氣管結(jié)構(gòu)

2．液體噴射自吸式發(fā)酵罐1.進(jìn)風(fēng)管2.吸氣室3.進(jìn)風(fēng)管4.噴嘴5.收縮段6.導(dǎo)流尾管7.擴(kuò)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(fā)酵罐在此尺寸范圍內(nèi)，噴射自吸式發(fā)酵罐的體積溶氧傳質(zhì)系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（1/h）式中D和De——發(fā)酵罐和導(dǎo)流尾管內(nèi)徑，m；

PL——液體噴射功率，kw；

VL——發(fā)酵罐溶液體積，m3；

vs——空截面氣速，m/s。

噴射自吸式反應(yīng)器的流態(tài)

四、溢流噴射自吸式發(fā)酵罐

溢流噴射自吸式發(fā)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(tài)，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(fā)酵罐1冷卻水分配槽2罐體3排水槽

4.放料口5.循環(huán)泵

6.冷卻夾套7.循環(huán)管8.溢流噴射器9.進(jìn)風(fēng)口

Vobu－JZ雙層溢流噴射自吸罐1.進(jìn)風(fēng)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(huán)泵7冷卻水進(jìn)口8循環(huán)管9冷卻夾套10.氣體循環(huán)11.排氣口

復(fù)習(xí)題（五）1、平均循環(huán)時間，液氣比2、圖示并簡述一典型氣升環(huán)流式生物反應(yīng)器的工作原理3、簡述自吸式生物反應(yīng)器的類型和傳質(zhì)傳熱原理4、比較機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐、氣升環(huán)流式發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐的混合結(jié)構(gòu)原理、優(yōu)缺點(diǎn)

討論題：

比較機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐、氣升環(huán)流式發(fā)酵罐、自吸式發(fā)酵罐的混合結(jié)構(gòu)原理、優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍第四節(jié)通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備

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

固體發(fā)酵：微生物在具有一定溫度和濕度的固體表面進(jìn)行生長和繁殖就稱作為固體發(fā)酵。固體發(fā)酵主要適合于霉菌。2、固態(tài)反應(yīng)器的歷史和現(xiàn)狀歷史：古老

幾千年前，中國就利用這項技術(shù)釀酒和制造各種調(diào)味品，通風(fēng)固相發(fā)酵工藝是傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)工藝，廣泛應(yīng)用于醬油與釀酒生產(chǎn)，發(fā)展現(xiàn)代的固態(tài)發(fā)酵不僅用于改善食品的風(fēng)味，更主要的是用于酶制劑、單細(xì)胞蛋白、有機(jī)酸、酒精、生物殺蟲劑等的生產(chǎn)。

2、固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)①培養(yǎng)基處理簡單

使用的原料不必經(jīng)過復(fù)雜的加工，發(fā)酵過程中糖化與發(fā)酵同步進(jìn)行，簡化了操作程序、節(jié)約了能量；②生長環(huán)境更近自然，水平和產(chǎn)物具有更大優(yōu)勢

可使微生物保持自然環(huán)境中的生長存在狀態(tài)，模擬自然中的生長環(huán)境，是許多絲狀真菌適宜采用固體發(fā)酵的原因之一；固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)③適用于特殊微生物代謝和產(chǎn)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(tài)發(fā)酵的產(chǎn)率比液體深層發(fā)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(tài)發(fā)酵方法生產(chǎn)。固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)（4）發(fā)酵供氧費(fèi)用低：在需要大量供氧的發(fā)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(fā)酵產(chǎn)物復(fù)雜、風(fēng)味獨(dú)特：由于存在明顯的氣、液、固三相界面，可以得到液體發(fā)酵難于得到的產(chǎn)物，如傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵釀酒工藝可以具有獨(dú)特的風(fēng)味；（6）發(fā)酵后處理簡單，有機(jī)廢水少：許多產(chǎn)品可直接烘干而無須提取，產(chǎn)品易于儲藏，運(yùn)輸，穩(wěn)定性好；新型固態(tài)發(fā)酵是生化工程研究的方向

現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展方向是高濃度、高黏度發(fā)酵過程，而高濃的、高黏度的極限就是固態(tài)發(fā)酵基質(zhì)。發(fā)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(fā)酵效率的一個重要因素。影響固態(tài)發(fā)酵技術(shù)關(guān)鍵是固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器。3、對固體反應(yīng)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(zhì)傳熱；（3）保溫保濕：（4）參數(shù)檢測：溫度、ρH、供氧等檢測；（5）物料輸送：有效輸送固態(tài)發(fā)酵的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用需解決問題①缺少固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計和放大統(tǒng)一準(zhǔn)則②對固態(tài)發(fā)酵菌種的高產(chǎn)基因及生理上的資料知之甚少；③缺少完善的數(shù)學(xué)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(xì)節(jié)資料太少。多數(shù)固態(tài)發(fā)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(shí)現(xiàn)發(fā)酵控制，反應(yīng)器的設(shè)計也基本上只考慮這幾個方面的調(diào)控，因而都有一定的局限性。二、固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的類型固體床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器掛盤式反應(yīng)器攪拌反應(yīng)器按照固體培養(yǎng)方式1．淺盤式：國內(nèi)廣大農(nóng)村的個體生產(chǎn)中，采用曲盤、簾子和曲架就可以進(jìn)行生產(chǎn)。工業(yè)上是用多層鋁制淺盤放在架子上進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)室保持一定的溫度和濕度。2．旋轉(zhuǎn)式：旋轉(zhuǎn)式固體發(fā)酵罐有鼓形和管形，培養(yǎng)過程中，整個發(fā)酵罐以低速間歇旋轉(zhuǎn)，罐內(nèi)的小固體顆粒會沿著罐壁滑動，達(dá)到散熱和與空氣接觸之目的。

固體發(fā)酵床的底部為多孔篩板，風(fēng)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(fēng)壓常為200mmHg。進(jìn)出料和翻曲可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，在工業(yè)生產(chǎn)上已有應(yīng)用。3．厚層式固體靜態(tài)發(fā)酵罐自然通風(fēng)制曲基本組成：床簾、曲房、通風(fēng)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(xì)窗口，四壁均用夾墻結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)。曲房內(nèi)設(shè)曲架，以木材或鋼材制成，每層曲盤應(yīng)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(jī)械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備

l.輸送帶2.高位料斗3.送料小車4.曲料室5.進(jìn)出料機(jī)6.料斗7.輸送帶8.鼓風(fēng)機(jī)9.空調(diào)室10.循環(huán)風(fēng)道11.曲室閘門機(jī)械通風(fēng)固體曲室（山崎鐵工制造）

雙層旋轉(zhuǎn)式制曲設(shè)備（永田釀造機(jī)械制造）

優(yōu)點(diǎn)：

機(jī)械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備使用了機(jī)械通風(fēng)即鼓風(fēng)機(jī)，因而強(qiáng)化了發(fā)酵系統(tǒng)的通風(fēng)，使曲層厚度大大增加。不僅使制曲生產(chǎn)效率大大提高，而且便于控制曲層發(fā)酵溫度，提高了曲的質(zhì)量。1、立式多層發(fā)酵罐

（1）工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)多層物