4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

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1、第四章第四章通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐4.2 4.2 通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備是需氧生化反應(yīng)的最基礎(chǔ)設(shè)備，應(yīng)具有良好傳質(zhì)和傳熱性能，結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，防雜菌污染，培養(yǎng)基流動與混合良好，良好的檢測與控制，設(shè)備較簡單，方便維護檢修，能耗低等特點。常用的通風(fēng)發(fā)酵罐有機械攪拌式、氣升環(huán)流式和自吸式等，其中機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐又稱為通用式發(fā)酵罐。它是利用機械攪拌器的作用，使空

2、氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以供給微生物生長繁殖、發(fā)酵需要的氧氣。4.1.1 4.1.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐主要部件有罐體、攪拌器、擋板、聯(lián)軸器和軸封、空氣分布器、傳動裝置、冷卻裝置、消泡器、人孔、視鏡等，大型機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-1 機械攪拌通風(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；18壓力表

3、；19取樣口；21進料口；22補料口；23排氣口；24回流口；25視鏡4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐下面對此類型發(fā)酵罐的主要部件加以說明。1罐體罐體由罐身、罐頂、罐底組成，罐身為圓柱體，中大型發(fā)酵罐罐頂、罐底和小型發(fā)酵罐罐底多采用橢圓形或碟形封頭通過焊接和罐身連接，而小型發(fā)酵罐罐頂卻多采用平板蓋和罐身用法蘭連接。罐頂裝設(shè)視鏡及燈鏡、進料管、補料管、排氣管、接種管、壓力表接管和快開手孔或快開人孔。罐身上設(shè)有冷卻水進出管、進空氣管、溫度計和檢測儀表接口管。取樣管可裝在罐側(cè)或罐頂，視操作方便而定。4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐2攪拌器和檔板攪拌器的主要作用

4、是混合和傳質(zhì)，即使通人的空氣分散成氣泡并與發(fā)酵液充分混合，使氣泡細(xì)碎以增大氣一液界面，來獲得所需要的溶氧速率，并使生物細(xì)胞均勻分散于發(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，同時強化傳熱效果。發(fā)酵罐采用的攪拌器主要有渦輪攪拌器和螺旋漿式攪拌器。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（1）蝸輪攪拌器 Rushton渦輪是最典型的渦輪攪拌器，如圖4-2所示，其結(jié)構(gòu)比較簡單，通常是一個圓盤上面帶有六個平直葉片。當(dāng)用它把氣體分散于低黏流體時，在每片槳葉的背面都有一對高速轉(zhuǎn)動的旋渦，旋渦內(nèi)負(fù)壓較大，從葉片下部供給的氣體立即被卷入旋渦，形成氣體充填的空穴，稱為氣穴。氣

5、穴的存在嚴(yán)重影響發(fā)酵罐內(nèi)的氣一液傳質(zhì)，使Rushton蝸輪的泵送能力大大降低。為了改進Rushton渦輪攪拌器的不足，Smith等提出采用彎曲葉片的概念。彎曲葉片可使其背面的旋渦減小，抑制葉片后方氣穴的形成，提高載氣能力。4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-2 蝸輪攪拌器4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2）螺旋漿式攪拌器 它在罐內(nèi)將液體向下或向上推進，形成軸向的螺旋運動，其混合效果較好，但造成的剪率較低。螺旋漿式攪拌器一般為 46片寬葉，投影覆蓋率可達90。國內(nèi)外較典型的螺旋漿式攪拌器有ProChem公司的MaxFlo，Lightnin公司的A315

6、攪拌器，結(jié)構(gòu)如圖4-3。A315特別適合于氣一液傳質(zhì)過程，在直徑大于lm的實驗裝置中，同樣的輸入功率下，A315槳的持氣量比Rushton渦輪高80，剪切力僅為Rushton渦輪的 25，產(chǎn)量提高1050。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-3 螺旋漿式攪拌器4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐為了克服攪拌器運轉(zhuǎn)時液體產(chǎn)生的渦流，將徑向流改變?yōu)檩S向流，促使液體激烈翻動，增加溶氧速率，通常在發(fā)酵罐內(nèi)壁須裝設(shè)擋板。通常設(shè)46塊擋板，其寬度為01012D，可滿足全擋板條件。所謂“全擋板條件”是指在一定轉(zhuǎn)速下，再增加罐內(nèi)附件，軸功率仍保持不變。 擋板的高度自液面

7、起至罐底止，擋板與罐壁之間的距離為（1518）W，以避免形成死角，防止物料與菌體堆積。經(jīng)驗表明，豎立的蛇管、列管、排管，也可以起擋板作用。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐3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)軸器連接。常用的聯(lián)軸器有鼓形和夾殼形兩種。小型發(fā)酵罐攪拌軸可用法蘭連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對正。為了減少震動，大中型發(fā)酵罐應(yīng)裝有可調(diào)節(jié)的中間軸承或底軸承，中間軸承或底軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤滑油，軸瓦材料采用液體潤滑的石棉酚醛塑料和聚四氟乙烯。為了防止軸頸磨損，可以在與軸承接觸處的軸上增加一個軸套。 4.1 4.1 機械攪拌通

8、風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐4軸封軸封的作用是密封罐頂或罐底與軸之間的縫隙，防止泄漏和染菌。大型發(fā)酵罐常用的軸封為端面機械軸封，結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。對于密封要求較高的情況，可選用雙端面機械軸封。端面機械軸封是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并做相對轉(zhuǎn)動而達到密封。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-4 端面機械軸封 1彈簧；2動環(huán)；3堆焊硬質(zhì)合金；4靜環(huán)；5“O”形圈4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐端面機械軸封的優(yōu)點是：（1）清潔；（2）密封可靠，在一個較長的使用周期中，不會泄漏或很少泄漏；（3）無死角

9、，可以防止雜菌感染；（4）使用壽命長，質(zhì)量好的可用25年不需要維修；（5）摩擦功率耗損??；（6）軸或軸套不受磨損；（7）對軸的精度和光潔度要求不很嚴(yán)格，對軸的震動敏感性小。缺點是：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝拆不便，對動環(huán)和靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐現(xiàn)將端面機械軸封的基本構(gòu)件討論如下：（1）動環(huán)和靜環(huán) 動環(huán)和靜環(huán)組成的摩擦副是端面機械軸封最重要的元件，為此，動、靜環(huán)材料均要有良好的耐磨性，摩擦系數(shù)小，導(dǎo)熱性能好，結(jié)構(gòu)緊密，空隙率小，且動環(huán)的硬度應(yīng)比靜環(huán)大。（2）彈簧加荷裝置 此裝置的作用是產(chǎn)生壓緊力，使動、靜環(huán)端面壓緊密切接觸，以確保密封。彈簧座

10、靠旋緊的螺釘固定在軸上，用以支撐彈簧，傳遞扭矩。（3）輔助密封元件 輔助密封元件有動環(huán)和靜環(huán)的密封圈，用來密封動環(huán)與軸以及靜環(huán)與靜環(huán)座之間的縫隙。4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐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。通常有兩種結(jié)構(gòu)：一種為單管式結(jié)構(gòu)，另一種為環(huán)形管式結(jié)構(gòu)。單管式結(jié)構(gòu)簡單，管口正對罐底中央，與罐底距離約40mm。環(huán)形分布管，環(huán)徑為攪拌器直徑的0.8倍較好，噴孔直徑為5-8 mm，噴孔的總截面積約等于通風(fēng)管的截面積，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。4.1 4.1 機械攪拌通

11、風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐6消泡器發(fā)酵生產(chǎn)中有兩種消泡方法：一是加入化學(xué)消泡劑，二是使用機械消泡裝置。常用機械消泡裝置有：耙式消泡器、渦輪式消泡器和離心式消泡器等。最簡單實用的機械消泡裝置為耙式消泡器，由于這一類消泡器裝于攪拌軸上，往往因攪拌軸轉(zhuǎn)速太低而效果不佳。對于下伸軸發(fā)酵罐，可以在罐頂裝半封閉渦輪消泡器（如圖4-5），在高速旋轉(zhuǎn)下，可以達到較好的機械消泡效果。4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-5 半封閉式渦輪消泡器4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 離心式消泡器是一種離心式氣液分離裝置，常用的如圖4-6所示。該消泡器裝于發(fā)酵罐的排氣口上，夾帶泡沫

12、的氣流以切線方向進入分離器中，由于離心力作用，液滴被甩向器壁，經(jīng)回流管返回發(fā)酵罐，氣體則自中間管排出。其作用原理為：帶泡沫的氣體經(jīng)過碟片作旋轉(zhuǎn)運動，液滴由徑向甩出返回發(fā)酵罐，氣體從上部排出。這種裝置適用于泡沫量較大的場合，但不能將泡沫全部破碎。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-6 離心式消泡器 （a）旋風(fēng)離心式；（b）葉輪離心式4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐7換熱裝置（1）夾套式換熱裝置 這種裝置多用于容積較小的發(fā)酵罐或種子罐，夾套高度比靜止液面稍高。優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，罐內(nèi)無冷卻設(shè)備，死角少，容易清洗滅菌。（2）豎式蛇管換熱裝置 這種裝置

13、的蛇管分組安裝于發(fā)酵罐內(nèi)，有四組、六組或八組不等。該裝置的優(yōu)點是：冷卻水在管內(nèi)的流速大，傳熱系數(shù)高，約為12001800 kJ（m2h），若管壁較薄，冷卻水流速較大時，傳熱系數(shù)可達4200 kJ（m2h）。這種冷卻裝置適用于冷卻用水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（3）豎式列管（排管）換熱裝置 這種裝置是以列管形式分組對稱裝于發(fā)酵罐內(nèi)的。其優(yōu)點是：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。缺點是：傳熱系數(shù)較蛇管低，用水量較大。為了提高傳熱系數(shù)，可在罐外裝設(shè)板式或螺旋板式熱交換器，不僅可強化熱交換效果，而且便于檢修和清洗。 4.1 4.1 機械攪

14、拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐4.1.2 4.1.2 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的計算機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的計算1發(fā)酵罐的尺寸比例發(fā)酵罐罐體有關(guān)尺寸符號，如圖4-7所示。罐體各部分的尺寸有一定比例，罐的高度與直徑之比一般為175左右。新型高位發(fā)酵罐高度與直徑比例在10以上，其優(yōu)點是大大提高了氧的利用率，但是壓縮空氣的壓力需要較高，頂料和底料不易混合均勻，廠房高，操作不便。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-7 罐體有關(guān)尺寸符號表示4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐考慮各方面因素，工廠及設(shè)計部門一般采用如下的比例尺寸 HD 1740HOD 2030DiD 0305

15、CDi 0810BD 00801HLD 142SD 1或 SDi 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐2發(fā)酵罐的容積計算（1）罐的總?cè)莘eV全V總VO2Vl（m3） （41）式中 VO圓柱部分的體積，m3； Vl上或下封頭的體積，m 3。圖4-7 罐體有關(guān)尺寸符號表示對于橢圓形封頭V總D2HOD2（hb+D/6） 2D2HO（hb+D/6） （4-2）式中ha橢圓短半軸長度，對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭ha = 1/4D（m） hb橢圓封頭的直邊高度，m； D罐的內(nèi)徑，m。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2）罐的有效容積V有效 罐的有效容積為罐的實際裝料容積，它等于

16、罐的總?cè)莘eV總乘以罐的容積裝滿系數(shù)，即 V有效V總（4-3）式中 一裝滿系數(shù)（一般取065075）。（3）罐的公稱容積VN 所謂“公稱容積”是指罐的圓柱部分和底封頭容積之和，其值為整數(shù)，一般不計入上封頭的容積，平常所說的多少體積的發(fā)酵罐是指罐的“公稱容積”。4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐3發(fā)酵罐的數(shù)量計算根據(jù)物料平衡的原則，對于一定的生產(chǎn)能力，所需發(fā)酵罐的個數(shù)N可用下式算出 N l（個） （4-4）式中 n每個發(fā)酵周期相當(dāng)?shù)奶鞌?shù)，d，周期（小時數(shù)）/24；一發(fā)酵罐的裝滿系數(shù)，0.650.75；V總每個發(fā)酵罐的總?cè)莘e，m3；Vd每天需要生產(chǎn)的發(fā)酵液量，m3d。 4.1 4.

17、1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐4發(fā)酵罐的冷卻面積計算生物反應(yīng)過程有生物合成熱產(chǎn)生，而機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐除了有生物合成熱外，還有機械攪拌熱，若不從系統(tǒng)中除去這兩種熱量，發(fā)酵液的溫度就會上升，無法維持工藝所規(guī)定的最佳溫度。發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品、原料及工藝不同，其過程放熱也不同。為了保證溫度的調(diào)控，需按熱量產(chǎn)生的高峰時期和一年中氣溫最高的半個月為基準(zhǔn)進行熱量衡算以及計算所需的換熱面積。 4.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（1）發(fā)酵過程的熱量計算發(fā)酵過程所產(chǎn)生的凈熱量稱之為“發(fā)酵熱”，相應(yīng)的發(fā)發(fā)過程總熱量為： Q = Q1Q2Q3Q4 （4-5）式中Q1一生物合成熱，包括生物細(xì)胞

18、呼吸放熱和發(fā)酵熱兩部分。以葡萄糖作基質(zhì)時，呼吸放熱為 15651kJ/kg（糖），發(fā)酵熱為4 953 kJ/kg （糖）；Q2一機械攪拌放熱，其值為 3 600Pg，kJ；Pg 攪拌功能，k；功熱轉(zhuǎn)化率，經(jīng)驗值為 = 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，kJ ；Q4發(fā)酵罐壁與環(huán)境存在溫差而傳遞散失的熱量，kJ 。通常可近似計算： Q3Q420% Q14.1 4.1 機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2）換熱裝置傳熱面積的計算1）溫度差tm的計算 冷卻水進出口溫度為t1、t2。發(fā)酵液溫度為t，一般取3233。即tm （） （4-6）2）傳熱面積的計算=

19、Q總Ktm（m2） （4-7）式中Q總主發(fā)酵期發(fā)酵液每小時放出最大的熱量（發(fā)酵熱），kJ/h；K換熱裝置的傳熱系數(shù)，kJ（m2h）。 返回4.2 4.2 通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備 4.2.1 4.2.1 自然通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備自然通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備自然通風(fēng)制曲要求空氣與固體培養(yǎng)基密切接觸，以供霉菌繁殖和帶走所產(chǎn)生的生物合成熱。原始的固體曲制備采用木制的淺盤，常用淺盤尺寸有 037m054m 006m或lm lm006m等。大的曲盤沒有底板，只有幾根襯條，上鋪竹簾、葦簾或柳條，或者干脆不用木盤，把簾子鋪在架上，擴大了固體培養(yǎng)基與空氣的接觸面，減少了老法的許多笨重操作，提高了固體曲的質(zhì)量。

20、4.2 4.2 通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備 4.2.2 4.2.2 機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備 機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備與上述的自然通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備的不同主要是前者使用了機械通風(fēng)即鼓風(fēng)機，因而強化了發(fā)酵系統(tǒng)的通風(fēng)，使曲層厚度大大增加，不僅使曲生產(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。 4.2 4.2 通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備 機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備如圖4-8所示。曲室多用長方形水泥池，寬約2m，深1m，長度則根據(jù)生產(chǎn)場地及產(chǎn)量等選取，但不宜過長，以保持通風(fēng)均勻；曲室底部應(yīng)比地面高，以便于排水，池底應(yīng)有810的傾斜，以使通風(fēng)均勻；池底上有一層篩板

21、，發(fā)酵固體曲料置于篩板上，料層厚度0.30.5m。曲池一端（池底較低端）與風(fēng)道相連，其間設(shè)一風(fēng)量調(diào)節(jié)閘門。4.2 4.2 通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備 1輸送帶；2高位料斗；3輸送小車；4曲料室；5進出料機；6料斗；7輸送帶；8鼓風(fēng)機；9空調(diào)室；10循環(huán)風(fēng)道；11曲室閘門返回圖4-8 機械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 4.3.1 4.3.1 氣升環(huán)流式發(fā)酵罐氣升環(huán)流式發(fā)酵罐 氣升環(huán)流式發(fā)酵罐也是應(yīng)用最廣泛的生物反應(yīng)設(shè)備。其特點為：無攪拌傳動設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造，省鋼材，能耗低；反應(yīng)溶液分布均勻，溶氧速率和溶氧效率高；傳熱良好，冷卻面積

22、小；剪切力小，對生物細(xì)胞損傷??；容積裝料系數(shù)可達8090%，而不須加消泡劑；操作、維修及清洗方便，雜菌感染少。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 氣升環(huán)流式發(fā)酵罐根據(jù)環(huán)流管安裝位置可分為內(nèi)環(huán)流式與外環(huán)流式兩種，結(jié)構(gòu)見圖4-9。1、氣升環(huán)流式發(fā)酵罐的工作 發(fā)酵罐內(nèi)或外裝設(shè)環(huán)流管，其兩端與罐底及罐上部相連接，構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。在環(huán)流管的下部裝設(shè)空氣噴嘴，空氣在噴嘴處以 250300 ms的高速噴入環(huán)流管，借氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，與環(huán)流管的發(fā)酵液密切接觸。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 圖4-9 空氣帶升環(huán)流式發(fā)酵罐 （a）內(nèi)循環(huán)帶升

23、式發(fā)酵罐（b）外循環(huán)帶升式發(fā)酵罐 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 2、氣升環(huán)流式發(fā)酵罐的主要結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)（1）主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：國內(nèi)外實驗研究和生產(chǎn)實踐表明，氣升環(huán)流式發(fā)酵罐要獲得良好的氣液混合和溶氧傳質(zhì)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)具有舉足輕重的影響。實驗結(jié)果證明，反應(yīng)器高徑比HD的適宜取值范圍是59，導(dǎo)流筒直徑與罐徑比DED的取值范圍是0.60.8，此外，空氣噴嘴直徑與反應(yīng)器直徑比1以及導(dǎo)流筒上下端面到罐頂與罐底的距離均對發(fā)酵液的混合、流動與溶氧有重要影響。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 （2）主要操作參數(shù)： 循環(huán)周期 發(fā)酵液必須維持一定的環(huán)流速度以不斷補

24、充氧，使發(fā)酵液保持一定的溶氧濃度，適應(yīng)微生物生命活動的需要。發(fā)酵液在環(huán)流管內(nèi)循環(huán)一次所需要的時間，稱為循環(huán)周期。不同的發(fā)酵生產(chǎn)以及不同時期，由于細(xì)胞濃度及對氧的需求不同，故對循環(huán)周期的要求亦不同。對需氧發(fā)酵，若供氧不足，則生物細(xì)胞活力下降而發(fā)酵產(chǎn)率降低。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 噴嘴直徑 為了使環(huán)流管內(nèi)空氣泡分裂細(xì)碎，與發(fā)酵液均勻接觸，增加溶氧系數(shù)，應(yīng)使空氣自噴嘴噴出時的雷諾準(zhǔn)數(shù)大于液體流經(jīng)噴嘴處的雷諾準(zhǔn)數(shù)，即Re空氣Re醪液。由此可推出：m nA式中 m環(huán)流管對噴咀的直徑比；A氣液比；n空氣與發(fā)酵液的黏度比。 由上式可知：當(dāng)環(huán)流管徑d一定時，噴嘴的孔徑d1不

25、能過大，這樣才能保證m nA，進而保證空氣泡分割細(xì)碎，增加溶解氧。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 氣液比A、壓差p、環(huán)流速度之間的關(guān)系 發(fā)酵液的環(huán)流量QC與通風(fēng)量Q之比稱為氣液比A 氣液比A與環(huán)流管內(nèi)液體的環(huán)流速度的實驗曲線如圖4-10所示。環(huán)流速度一般可取1.21.ms。 噴嘴前后壓差p和發(fā)酵罐環(huán)流量Qc有一定關(guān)系，當(dāng)噴嘴直徑一定，發(fā)酵罐內(nèi)液柱高度也不變時，壓差p越大，通風(fēng)量就越大，相應(yīng)就增加了液體的循環(huán)量。p與Qc之間關(guān)系的實驗曲線見圖4-11。 cgQAQ 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 圖4-10 氣-液比A值與環(huán)流速度關(guān)系曲線 4

26、.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 圖4-11 壓差p與循環(huán)量Qc關(guān)系曲線曲線編號： 1 2 3 4 5罐壓（MPa）：0 0.03 0.05 0.1 0.15 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 在設(shè)計和和選用環(huán)流式發(fā)酵罐時，還應(yīng)注意下列幾點：液面到噴嘴的垂直高度是影響氣升效率的重要因素，設(shè)計或選用時應(yīng)不小于4m；液面到環(huán)流管出口高度直接影響液體循環(huán)。液面低于環(huán)流管出口時，液體循環(huán)量和升液效率明顯下降，液面愈低，效率愈低；液面高于環(huán)流管出口時，對提高效率并無明顯影響，當(dāng)液面超過環(huán)流管出口1.5米時，如果罐內(nèi)液體旋轉(zhuǎn)混合不夠有力，就有可能產(chǎn)生“循環(huán)短路

27、”現(xiàn)象，使發(fā)酵效果不良。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 為了降低液體循環(huán)摩擦阻力，應(yīng)盡量縮短環(huán)流管的總當(dāng)量長度；盡量采用直徑較大的單管式環(huán)流管；環(huán)流管的出口應(yīng)開在發(fā)酵罐側(cè)壁，并以切線方向與罐相接。 增大壓差p時，可增加通氣量和發(fā)酵液循環(huán)量，縮短循環(huán)周期。所以，對要求較大溶氧量的生物細(xì)胞發(fā)酵，如條件允許，可適當(dāng)加大壓差p。 通常壓差p較小時，采用較大的噴嘴，反之用較小的噴嘴。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 4.3.2 4.3.2 自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機提供加壓空氣，而依靠特設(shè)的機械攪拌吸氣裝置或液體噴射

28、吸氣裝置吸入無菌空氣并同時實現(xiàn)混合攪拌與溶氧傳質(zhì)的發(fā)酵罐。其優(yōu)點為：不必配備空氣壓縮機及其附屬設(shè)備，節(jié)約設(shè)備投資，減少廠房面積；溶氧速率高，溶氧效率高、能耗較低；用于酵母生產(chǎn)或醋酸發(fā)酵生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟效益高。缺點是：因一般自吸式發(fā)酵罐是負(fù)壓吸入空氣，故發(fā)酵系統(tǒng)不能保持一定的壓力，較易產(chǎn)生染菌污染；必須配備低阻力損失的高效空氣過濾系統(tǒng)。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 1、機械攪拌自吸式發(fā)酵罐（1）機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的吸氣原理 此類型自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)如圖4-12，主要構(gòu)件是自吸攪拌器和導(dǎo)輪，簡稱為定子和轉(zhuǎn)子。當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)充滿液體，啟動攪拌電機后，由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，液體

29、和空氣在離心力的作用下，被甩向葉輪外緣，液體便獲得能量。轉(zhuǎn)子的線速度愈大，液體的動能愈大，當(dāng)其離開轉(zhuǎn)子時，由動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能也愈大，在轉(zhuǎn)子中心造成的負(fù)壓也越大，吸氣量也越大。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 圖412 機械攪拌自吸式發(fā)酵罐 1入孔；2進器官；3軸封；4.轉(zhuǎn)子；5電機；6連軸器；7軸襯；8攪拌軸；9定子；10冷卻蛇管；11消泡器；12排氣管；13消泡轉(zhuǎn)軸 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 （2）機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的性能指標(biāo) 發(fā)酵罐的高徑比 由于自吸式發(fā)酵罐是靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動形成的負(fù)壓而吸氣通風(fēng)的，吸氣裝置沉浸于液相中，所以為保證較高的

30、吸風(fēng)量，發(fā)酵罐的高徑比HD不宜過大，且罐容增大時，HD應(yīng)適當(dāng)減小，以保證攪拌吸氣轉(zhuǎn)子與液面的距離為23m。對于高粘度的發(fā)酵液，應(yīng)適當(dāng)降低罐的高度。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 發(fā)酵罐的吸氣量 自吸式發(fā)酵罐的吸氣量可用準(zhǔn)數(shù)法進行計算，三棱葉自吸式攪拌器的吸氣量可由下式確定： （Na，F(xiàn)r）0 （4-8）式中 Na 吸氣準(zhǔn)數(shù)，且Na gnd3；Fr一重力準(zhǔn)數(shù)，F(xiàn)r n2dg；圖4-13 吸氣準(zhǔn)數(shù)Na與重力準(zhǔn)數(shù)Fr的關(guān)系d葉輪直徑，m；n一葉輪轉(zhuǎn)速，1s；g一吸氣量，m3s；g重力加速度，9.81ms2。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 三棱葉

31、轉(zhuǎn)子的吸氣準(zhǔn)數(shù)Na和重力準(zhǔn)數(shù)Fr的關(guān)系如圖4-13所示。由圖可知，當(dāng)液體受到攪拌器的推動時，在克服重力影響達到一定程度后，吸氣準(zhǔn)數(shù)就不受重力準(zhǔn)數(shù)Fr的影響而趨于常數(shù)，此點稱為空化點。在空化點上，吸氣量與攪拌器的泵送量成正比。 當(dāng)1.5Fr15時，以水為介質(zhì)，對于擋板及冷卻蛇管發(fā)酵，吸氣準(zhǔn)數(shù)Na分別為0.0628和0.0634，即： 對于垂直擋板 吸氣量g0.0628 nd3 對于冷卻蛇管兼作擋板 吸氣量g0.0634nd3 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 圖4-13 吸氣準(zhǔn)數(shù)Na與重力準(zhǔn)數(shù)Fr的關(guān)系 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 2、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行混合通氣的，既不用空壓機，又不用機械攪拌吸氣轉(zhuǎn)子。 圖4-14是文氏管自吸式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)示意圖。其原理是利用泵使發(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人，并使氣泡分散與液體均勻混合，實現(xiàn)溶氧傳質(zhì)。經(jīng)驗表明，當(dāng)收縮段流體流動雷諾數(shù) Re6 104時，吸氣量及溶氧速率較高。 4.3 4.3 其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐其他類型的通風(fēng)發(fā)酵罐 圖4-14 文氏管自吸式發(fā)酵罐1排氣管； 2罐體；3換熱夾套；4循環(huán)泵；5壓力表； 6文氏管；7吸氣管