第9章 反應(yīng)設(shè)備

第九章反應(yīng)設(shè)備第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)設(shè)備第二節(jié)生物反應(yīng)設(shè)備第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)設(shè)備化學(xué)反應(yīng)設(shè)備：進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所。1、攪拌罐式反應(yīng)器（STRs）分類(lèi)：攪拌罐式反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器以及膜反應(yīng)器。攪拌的作用：傳質(zhì)、傳熱、提高反應(yīng)速率。攪拌裝置分類(lèi)機(jī)械攪拌通氣攪拌罐外循環(huán)式攪拌1.1結(jié)構(gòu)：圖2-11.2STR的攪拌裝置（1）作用原理：靠機(jī)械力向反應(yīng)器內(nèi)輸入能量產(chǎn)生

攪拌效果（最常見(jiàn)）。（2）構(gòu)造：攪拌葉、攪拌軸和攪拌電機(jī)（3）影響因素：攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌葉形狀和反應(yīng)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

①

攪拌轉(zhuǎn)速

越大越好，但過(guò)大造成局部渦流，增加能耗、降低效果，最佳值需試驗(yàn)確定。

②

攪拌葉形狀

同樣輸入功率下，形狀不同，攪拌效果不一樣。a.徑向流攪拌

特點(diǎn)：液體徑向流動(dòng)

分類(lèi)：槳式攪拌圖2-2

羅氏攪拌圖2-3

半管式攪拌圖2-4

曲管式攪拌圖2-5

1.2.1機(jī)械攪拌

b.軸向流攪拌

特點(diǎn)：液體軸向流動(dòng)

分類(lèi)：螺旋槳式攪拌圖2-6

斜直面軸流攪拌圖2-7

高效軸流攪拌圖2-8

萊寧攪拌圖2-92-102-11c.特殊攪拌

制藥上應(yīng)用較多的是錨式攪拌圖2-12

反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)a.擋板圖2-13

作用：防止攪拌時(shí)產(chǎn)生渦流。圖2-14

數(shù)目：多為對(duì)稱(chēng)4個(gè)b.導(dǎo)流筒：安裝在攪拌周?chē)囊粋€(gè)圓筒。圖2-15

作用：改善流型，減少死角。

要求：是軸流攪拌、罐底是W形。

優(yōu)點(diǎn)：攪拌效率高。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作難度大。1.2.2通氣攪拌圖2-161.2.3罐外循環(huán)式攪拌圖2-171.3STR的換熱裝置1.3.1夾套和蛇管換熱圖2-181.3.2夾套盤(pán)管換熱圖2-192、固定床反應(yīng)器（PBRs）3、流化床反應(yīng)器（FBRs）4、膜反應(yīng)器（MRs）第二節(jié)生物反應(yīng)設(shè)備

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐2.2其他類(lèi)型的通風(fēng)發(fā)酵罐通風(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(dòng)與混合良好，良好的檢測(cè)與控制，設(shè)備較簡(jiǎn)單，方便維護(hù)檢修，能耗低等特點(diǎn)。常用的通風(fēng)發(fā)酵罐有機(jī)械攪拌式、氣升環(huán)流式和自吸式等，其中機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐又稱(chēng)為通用式發(fā)酵罐。它是利用機(jī)械攪拌器的作用，使空氣和發(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(zhǎng)繁殖、發(fā)酵需要的氧氣。2.1.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)機(jī)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(dòng)裝置、冷卻裝置、消泡器、人孔、視鏡等，大型機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

圖4-1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(jì)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(dòng)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

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐下面對(duì)此類(lèi)型發(fā)酵罐的主要部件加以說(shuō)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(guò)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(jìn)料管、補(bǔ)料管、排氣管、接種管、壓力表接管和快開(kāi)手孔或快開(kāi)人孔。罐身上設(shè)有冷卻水進(jìn)出管、進(jìn)空氣管、溫度計(jì)和檢測(cè)儀表接口管。取樣管可裝在罐側(cè)或罐頂，視操作方便而定。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

2．?dāng)嚢杵骱蜋n板攪拌器的主要作用是混合和傳質(zhì)，即使通入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(lái)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(shí)強(qiáng)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。

2.1機(jī)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(jiǎn)單，通常是一個(gè)圓盤(pán)上面帶有六個(gè)平直葉片。當(dāng)用它把氣體分散于低黏流體時(shí)，在每片槳葉的背面都有一對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(chēng)為氣穴。氣穴的存在嚴(yán)重影響發(fā)酵罐內(nèi)的氣一液傳質(zhì)，使Rushton渦輪的泵送能力大大降低。為了改進(jìn)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。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-2蝸輪攪拌器

2.1機(jī)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(jìn)，形成軸向的螺旋運(yùn)動(dòng)，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4～6片寬葉，投影覆蓋率可達(dá)90％。國(guó)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攪拌器，結(jié)構(gòu)如圖4-3。A315特別適合于氣一液傳質(zhì)過(guò)程，在直徑大于lm的實(shí)驗(yàn)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10％～50％。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-3螺旋漿式攪拌器

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐為了克服攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)，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)4～6塊擋板，其寬度為0．1～0．12D，可滿(mǎn)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。擋板的高度自液面起至罐底止，擋板與罐壁之間的距離為（1／5—1／8）D，以避免形成死角，防止物料與菌體堆積。經(jīng)驗(yàn)表明，豎立的蛇管、列管、排管，也可以起擋板作用。

2.1機(jī)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(zhǎng)，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(xiàn)對(duì)正。為了減少震動(dòng)，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(rùn)滑油，軸瓦材料采用液體潤(rùn)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(gè)軸套。

2.1機(jī)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(jī)械軸封，結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。對(duì)于密封要求較高的情況，可選用雙端面機(jī)械軸封。端面機(jī)械軸封是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線(xiàn)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密地相互貼合，并做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而達(dá)到密封。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-4端面機(jī)械軸封1－彈簧；2－動(dòng)環(huán)；3－堆焊硬質(zhì)合金；4－靜環(huán)；5－“O”形圈

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐端面機(jī)械軸封的優(yōu)點(diǎn)是：（1）清潔；（2）密封可靠，在一個(gè)較長(zhǎng)的使用周期中，不會(huì)泄漏或很少泄漏；（3）無(wú)死角，可以防止雜菌感染；（4）使用壽命長(zhǎng)，質(zhì)量好的可用2～5年不需要維修；（5）摩擦功率耗損小；（6）軸或軸套不受磨損；（7）對(duì)軸的精度和光潔度要求不很?chē)?yán)格，對(duì)軸的震動(dòng)敏感性小。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裝拆不便，對(duì)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的表面光潔度及平直度要求高。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐現(xiàn)將端面機(jī)械軸封的基本構(gòu)件討論如下：（1）動(dòng)環(huán)和靜環(huán)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的摩擦副是端面機(jī)械軸封最重要的元件，為此，動(dòng)、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(dòng)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(dòng)、靜環(huán)端面壓緊密切接觸，以確保密封。彈簧座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(dòng)環(huán)和靜環(huán)的密封圈，用來(lái)密封動(dòng)環(huán)與軸以及靜環(huán)與靜環(huán)座之間的縫隙。

2.1機(jī)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(wú)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(jiǎn)單，管口正對(duì)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5-8mm，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(shí)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。

2.1機(jī)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(jī)械消泡裝置。常用機(jī)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(jiǎn)單實(shí)用的機(jī)械消泡裝置為耙式消泡器，由于這一類(lèi)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(duì)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(dá)到較好的機(jī)械消泡效果。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-5半封閉式渦輪消泡器

2.1機(jī)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，夾帶泡沫的氣流以切線(xiàn)方向進(jìn)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。碟片式離心消泡器也有應(yīng)用，其作用原理為：帶泡沫的氣體經(jīng)過(guò)碟片作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)合，但不能將泡沫全部破碎。

2.1機(jī)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

2.1機(jī)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(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，罐內(nèi)無(wú)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(diǎn)是：冷卻水在管內(nèi)的流速大，傳熱系數(shù)高，約為1200～1800kJ／（m2·h·℃），若管壁較薄，冷卻水流速較大時(shí)，傳熱系數(shù)可達(dá)4200kJ／（m2·h·℃）。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。

2.1機(jī)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(duì)稱(chēng)裝于發(fā)酵罐內(nèi)的。其優(yōu)點(diǎn)是：加工方便，適用于氣溫較高，水源充足的地區(qū)。缺點(diǎn)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(qiáng)化熱交換效果，而且便于檢修和清洗。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐2.1.2機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的計(jì)算

1．發(fā)酵罐的尺寸比例發(fā)酵罐罐體有關(guān)尺寸符號(hào)，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1．7～３．5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(diǎn)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(chǎng)房高，操作不便。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐圖4-7罐體有關(guān)尺寸符號(hào)表示

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐考慮各方面因素，工廠(chǎng)及設(shè)計(jì)部門(mén)一般采用如下的比例尺寸

H／D＝1．7～4．0 HO／D＝2．0～3．0

Di／D＝0．3～0．5 C／Di

＝0．8～1．0 B／D＝0．08～0．1 HL／D＝1．4～2．０ S／D＝1或S／Di

＝３

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

2．發(fā)酵罐的容積計(jì)算（1）罐的容積V總 V總＝VO＋2Vl（m3）（4－1）式中VO——圓柱部分的體積，m3；

Vl——上或下封頭的體積，m3。圖4-7罐體有關(guān)尺 寸符號(hào)表示對(duì)于橢圓形封頭 V總＝D2HOπ/4＋2×D2（hb+D/6）π/4 ＝D2[HO＋２（hb+D/6）]π/4（4-2）式中ha――橢圓短半軸長(zhǎng)度，對(duì)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。

2.1機(jī)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(shí)際裝料容積，它等于罐的總?cè)莘eV總乘以罐的容積裝滿(mǎn)系數(shù)η，即

V有效＝V總·η（4-3）式中η一－裝滿(mǎn)系數(shù)（一般取0．65～0．75）。（3）罐的公稱(chēng)容積VN所謂“公稱(chēng)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(jì)入上封頭的容積，平常所說(shuō)的多少體積的發(fā)酵罐是指罐的“公稱(chēng)容積”。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

3．發(fā)酵罐的數(shù)量計(jì)算根據(jù)物料平衡的原則，對(duì)于一定的生產(chǎn)能力，所需發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)N可用下式算出

N＝nqVd/ηV總＋l（個(gè)）（4-4）式中n——每個(gè)發(fā)酵周期相當(dāng)?shù)奶鞌?shù)，d，周期（小時(shí)數(shù)） /24； η——發(fā)酵罐的裝滿(mǎn)系數(shù)，0.65～0.75； V總——每個(gè)發(fā)酵罐的總?cè)莘e，m3；

qVd——每天需要生產(chǎn)的發(fā)酵液量，m3／d。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐

4．發(fā)酵罐的冷卻面積計(jì)算生物反應(yīng)過(guò)程有生物合成熱產(chǎn)生，而機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐除了有生物合成熱外，還有機(jī)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(huì)上升，無(wú)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(guò)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(shí)期和一年中氣溫最高的半個(gè)月為基準(zhǔn)進(jìn)行熱量衡算以及計(jì)算所需的換熱面積。

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（1）發(fā)酵過(guò)程的熱量計(jì)算發(fā)酵過(guò)程所產(chǎn)生的凈熱量稱(chēng)之為“發(fā)酵熱”，相應(yīng)的發(fā)發(fā)過(guò)程總熱量為：

Q=Q1＋Q2—Q3—Q4（4-5）式中Q1－一生物合成熱，包括生物細(xì)胞呼吸放熱和發(fā)酵熱兩部分。以葡 萄糖作基質(zhì)時(shí)，呼吸放熱為15651kJ/kg（糖），發(fā)酵熱為4

953kJ/kg （糖）； Q2一－機(jī)械攪拌放熱，其值為3600Pgη，kJ； Pg――攪拌功能，kＷ； η――功熱轉(zhuǎn)化率，經(jīng)驗(yàn)值為η=0.92； Q3――發(fā)酵過(guò)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?？山朴?jì)算：

Q3＋Q4≈20%Q1

2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2）換熱裝置傳熱面積的計(jì)算

1）溫度差△tm的計(jì)算冷卻水進(jìn)出口溫度為t1、t2。發(fā)酵液溫度為t，一般取32～33℃。即 △tm

＝[(t-t1)-(t-t2)]/ln(t-t1)/(t-t2)（4-6）

2）傳熱面積的計(jì)算Ｆ=Q總／KΔtm（m2）（4-7）式中Q總——主發(fā)酵期發(fā)酵液每小時(shí)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／（m2·h·℃）。返回

2.2其他類(lèi)型的通風(fēng)發(fā)酵罐

2.2.1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(diǎn)為：無(wú)攪拌傳動(dòng)設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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??；剪切力小，對(duì)生物細(xì)胞損傷?。蝗莘e裝料系數(shù)可達(dá)80～90%，而不須加消泡劑；操作、維修及清洗方便，雜菌感染少。

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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(jiàn)圖4-9。

1、氣升環(huán)流式發(fā)酵罐的工作原理發(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250～300m／s的高速?lài)娙氕h(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。

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圖4-9空氣帶升環(huán)流式發(fā)酵罐（a）內(nèi)循環(huán)帶升式發(fā)酵罐（b）外循環(huán)帶升式發(fā)酵罐

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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(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，反應(yīng)器高徑比H／D的適宜取值范圍是5～9，導(dǎo)流筒直徑與罐徑比DE／D的取值范圍是0.6～0.8，此外，空氣噴嘴直徑與反應(yīng)器直徑比Ｄ1／Ｄ以及導(dǎo)流筒上下端面到罐頂與罐底的距離均對(duì)發(fā)酵液的混合、流動(dòng)與溶氧有重要影響。

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（2）主要操作參數(shù)：①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(bǔ)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(dòng)的需要。發(fā)酵液在環(huán)流管內(nèi)循環(huán)一次所需要的時(shí)間，稱(chēng)為循環(huán)周期。不同的發(fā)酵生產(chǎn)以及不同時(shí)期，由于細(xì)胞濃度及對(duì)氧的需求不同，故對(duì)循環(huán)周期的要求亦不同。對(duì)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。

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②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(shí)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(duì)噴嘴的直徑比； A——?dú)庖罕龋?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(shí)，噴嘴的孔徑d1不能過(guò)大，這樣才能保證m＞nA，進(jìn)而保證空氣泡分割細(xì)碎，增加溶解氧。

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③氣液比A、壓差Δp、環(huán)流速度ω之間的關(guān)系發(fā)酵液的環(huán)流量QC與通風(fēng)量Qg之比稱(chēng)為氣液比A

氣液比A與環(huán)流管內(nèi)液體的環(huán)流速度ω的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖4-10所示。環(huán)流速度ω一般可取1.2～1.８m／s。噴嘴前后壓差Δp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(shí)，壓差Δp越大，通風(fēng)量就越大，相應(yīng)就增加了液體的循環(huán)量。Δp與Qc之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖4-11。

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圖4-10氣-液比A值與環(huán)流速度ω關(guān)系曲線(xiàn)

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圖4-11壓差Δp與循環(huán)量Qc關(guān)系曲線(xiàn)曲線(xiàn)編號(hào)：12345罐壓（MPa）：00.030.050.10.15

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在設(shè)計(jì)和和選用環(huán)流式發(fā)酵罐時(shí)，還應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：①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(jì)或選用時(shí)應(yīng)不小于4m；②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(shí)，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(shí)，對(duì)提高效率并無(wú)明顯影響，當(dāng)液面超過(guò)環(huán)流管出口1.5米時(shí)，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”現(xiàn)象，使發(fā)酵效果不良。

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③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(zhǎng)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(kāi)在發(fā)酵罐側(cè)壁，并以切線(xiàn)方向與罐相接。④增大壓差Δp時(shí)，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(duì)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Δp。⑤通常壓差Δp較小時(shí)，采用較大的噴嘴，反之用較小的噴嘴。

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2.2.2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(wú)菌空氣并同時(shí)實(shí)現(xiàn)混合攪拌與溶氧傳質(zhì)的發(fā)酵罐。其優(yōu)點(diǎn)為：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，減少?gòu)S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(jì)效益高。缺點(diǎn)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(guò)濾系統(tǒng)。

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1、機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐（1）機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐的吸氣原理此類(lèi)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(jiǎn)稱(chēng)為定子和轉(zhuǎn)子。當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)充滿(mǎn)液體，啟動(dòng)攪拌電機(jī)后，由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，液體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(xiàn)速度愈大，液體的動(dòng)能愈大，當(dāng)其離開(kāi)轉(zhuǎn)子時(shí)，由動(dòng)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。

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圖4－12機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐1－入孔；2－進(jìn)器官；3－軸封；4－.轉(zhuǎn)子；5－電機(jī)；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

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（2）機(jī)械攪拌自吸式發(fā)酵罐的