攪拌機(jī)功率的計(jì)算

教學(xué)基本內(nèi)容：介紹生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)特點(diǎn)與生物學(xué)基礎(chǔ)；生物反應(yīng)器中傳質(zhì)與傳熱問題；幾種常見的生物反應(yīng)器，通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備、嫌氣發(fā)酵設(shè)備以及動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器;生物反應(yīng)器的比擬放大。7.1生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)特點(diǎn)與生物學(xué)基礎(chǔ)7.2生物反應(yīng)器中傳質(zhì)與傳熱問題7.3通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備7.4嫌氣發(fā)酵設(shè)備與動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器7.5生物反應(yīng)器的比擬放大授課重點(diǎn)：生物反應(yīng)器中傳質(zhì)與傳熱問題攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量對(duì)好氧發(fā)酵的影響通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備中攪拌功率的計(jì)算通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備的比擬放大難點(diǎn)：生物反應(yīng)器中傳質(zhì)與傳熱問題通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備的比擬放大本章主要教學(xué)要求：了解生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)。理解生物反應(yīng)器中傳質(zhì)與傳熱的問題了解攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量對(duì)好氧發(fā)酵的影響掌握通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備中攪拌功率的計(jì)算掌握通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備的比擬放大生物反應(yīng)器的概念提出：20世紀(jì)70年代，Atkinson提出了生化反應(yīng)器(Biochemicalreactors)一詞，其含義除包括原有發(fā)酵罐外，還包括酶反應(yīng)器、處理廢水用反應(yīng)器等。期間，Ollis提出了另一術(shù)語生物反應(yīng)器(BiologicalReactor)。生物反應(yīng)器不僅包括傳統(tǒng)的發(fā)酵罐、酶反應(yīng)器，還包括采用固定化技術(shù)后的固定化酶或細(xì)胞反應(yīng)器、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)用反應(yīng)器和光合生化反應(yīng)器等。雖然生物反應(yīng)器這一術(shù)語出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，但人們利用生物反應(yīng)器進(jìn)行有用物質(zhì)生產(chǎn)卻有著悠久的歷史。我們祖先釀制傳統(tǒng)發(fā)酵食品時(shí)使用的容器就是最初的生物反應(yīng)器。20世紀(jì)40年代是生物反應(yīng)器的開發(fā)、研制和應(yīng)用獲得迅速發(fā)展的階段之一。隨后，由于一些著名生化工程學(xué)者的出色工作，極大地推動(dòng)了生物反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展，建立了常規(guī)生物反應(yīng)器的比擬放大理論。本章僅就幾類主要生物反應(yīng)器及其放大的基本原理做一介紹。7.1生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)特點(diǎn)與生物學(xué)基礎(chǔ)生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)除與化工傳遞過程因素有關(guān)外，還與生物的生化反應(yīng)機(jī)制、生理特性等因素有關(guān)。7.1.1生物反應(yīng)器的特點(diǎn)及操作特性生物反應(yīng)器與化學(xué)反應(yīng)器在使用中的主要不同點(diǎn)是生物(酶除外)反應(yīng)都以“自催化”(Autocalalysis)方式進(jìn)行，即在目的產(chǎn)物生成的過程中生物自身要生長(zhǎng)繁殖。另外，1、由于生物反應(yīng)速率較慢，生物反應(yīng)器的體積反應(yīng)速率不高；2、與其他相當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模的加工產(chǎn)品相比，規(guī)模較大；3、對(duì)于好氧反應(yīng)，因通風(fēng)與混合等，動(dòng)力消耗高；4、產(chǎn)物濃度低。生物反應(yīng)器的作用就是為生物體代謝提供一個(gè)優(yōu)化的物理及化學(xué)環(huán)境，使生物體能更快更好地生長(zhǎng)，得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。不同類型的工業(yè)用生物反應(yīng)器中，基質(zhì)、產(chǎn)物和生物體濃度會(huì)隨時(shí)間和生物反應(yīng)器內(nèi)的位置而變化。這些生物反應(yīng)器的操作特性及其應(yīng)用領(lǐng)域如表7-1。高效生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，良好的液體混合性能，較高的三傳速率，能耗低，易于放大，具有配套而又可靠的檢測(cè)及控制儀表等。判斷生物反應(yīng)器好壞的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是該裝置能否適合工藝要求，以獲得最大的生產(chǎn)效率。對(duì)生物反應(yīng)器進(jìn)行定量研究的基礎(chǔ)是生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的目的是要定量描述反應(yīng)過程速率及其影響因素。影響因素不僅包括生物體自身、各反應(yīng)組分的濃度、溫度及溶液性質(zhì)，還包括反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與形式、操作方式、物料的流動(dòng)與混合、傳質(zhì)和傳熱等。生物反應(yīng)速率主要指細(xì)胞生長(zhǎng)速率、基質(zhì)消耗速率和產(chǎn)物生成速率，其相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型是細(xì)胞： 哭?=沔叮^+F產(chǎn)廠取i （7-1）_基質(zhì)： *=一￡學(xué)護(hù)M+F舟廠咫了 （7=1￡.…用（7-2）酒7-1一、產(chǎn)物：—=-*噸皿=1混，……用（7-3）dtz反應(yīng)液體積：當(dāng)三孔_f （7-4）式中F為流入與流出生物反應(yīng)器的基質(zhì)流量［L/h］；下標(biāo)i、j和k分別表示相應(yīng)的細(xì)胞、基質(zhì)和產(chǎn)物，下標(biāo)/表示基質(zhì)的流加流量。當(dāng)采用分批式操作時(shí),F/=F=0；采用流加式操作時(shí)，F(xiàn)產(chǎn)F=0；采用連續(xù)式操作時(shí)，F(xiàn)/=F尚。7.1.3生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本原理最大限制地降低成本，用最少的投資來最大限度地增加單位體積產(chǎn)率是生物反應(yīng)設(shè)計(jì)的主要目的。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理是基于強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱等操作，將生物體活性控制在最佳條件，降低總的操作費(fèi)用。生物反應(yīng)器選型與設(shè)計(jì)的步驟可歸納如表7-2。另外，反應(yīng)器內(nèi)局部狀態(tài)也是不可忽視的影響因素。7.2生物反應(yīng)器中傳質(zhì)與傳熱問題7.2.1生物反應(yīng)器中的傳質(zhì)問題生物工業(yè)中的混合過程可分為六種基本類型（表7-3）:氣一液、液一固、固一固、液一液、可互溶液體和液體流動(dòng)。根據(jù)完成混合過程的裝置不同，生物反應(yīng)器內(nèi)的混合方法分為機(jī)械攪拌混合與氣流攪拌混合。生物反應(yīng)器中的能量平衡可表示為:g+ =Qg+卜十42* (7-5)式中Qmet為微生物代謝或酶活力造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qag為攪拌造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qgas為通風(fēng)造成的單位體積產(chǎn)熱速率；Qacc為體系中單位體積的積累產(chǎn)熱速率；Qe汕為單位體積反應(yīng)液向周圍環(huán)境或冷卻器轉(zhuǎn)移熱的速率；Qevap為蒸發(fā)造成的單位體積熱損失速率；Qsen為熱流(流出一流入)造成的單位體積敏感焓上升的速率。實(shí)際生物反應(yīng)過程中的熱量計(jì)算，可采用如下方法。1、 通過反應(yīng)中冷卻水帶走的熱量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每m3發(fā)酵液每小時(shí)傳給冷卻器最大的熱量為：青霉素發(fā)酵約為25000kJ/(m3h)，鏈霉素發(fā)酵約為19000kJ/(m3h)，四環(huán)素發(fā)酵約為20000kJ/(m3h)，肌苷發(fā)酵約為18000kJ/(m3h),谷氨酸發(fā)酵約為31000kJ/(m3h)。2、 通過反應(yīng)液的溫升進(jìn)行計(jì)算。即根據(jù)反應(yīng)液在單位時(shí)間內(nèi)(如半小時(shí))上升的溫度而求出單位體積反應(yīng)液放出熱量的近似值。例如某味精生產(chǎn)廠，在夏天不開冷卻水時(shí)，25m3發(fā)酵罐每小時(shí)內(nèi)最大升溫約為12°C。3、 通過生物合成進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)Q詢、Qacc和氣可忽略不計(jì)，由式7-5可知，冒口十隊(duì)十"孔(7-6)即反應(yīng)過程中產(chǎn)生的總熱量均為冷卻裝置帶走。4、 通過燃燒熱進(jìn)行計(jì)算口南=快盅-產(chǎn)物蝴策 (7-7)式中Q基質(zhì)燃燒為基質(zhì)的燃燒熱，Q產(chǎn)物燃燒為產(chǎn)物的燃燒熱。生物反應(yīng)器中的換熱裝置的設(shè)計(jì)，首先是傳熱面積的計(jì)算。換熱裝置的傳熱面積可由下式確定。(7-8)式中F為換熱裝置的傳熱面積m2；Qaii為由上述方法獲得的反應(yīng)熱或反應(yīng)中每小時(shí)放出的最大熱量kJ/h；K為換熱裝置的傳熱系數(shù)kJ/(m2?h?°C)；tm為對(duì)數(shù)溫度差(C),由冷卻水進(jìn)出口溫度與醪液溫度而確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：夾套的K值為400?700kJ/(m2?h?°C)，蛇管的K值為1200?1900kJ/(m2?h?°C)，如管壁較薄，對(duì)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)時(shí)，K值為3300?4200kJ/(m2?h?°C)。氣溫高的地區(qū)，冷卻水溫高，傳熱效果差，冷卻面積較大，1m3發(fā)酵液的冷卻面積超過2m2。但在氣溫較底的地區(qū)，采用地下水冷卻，冷卻面積較小，1m3發(fā)酵液的冷卻面積為1m2。發(fā)酵產(chǎn)品不同，冷卻面積也有差異。7.3通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備是生物工業(yè)中最重要的一類生物反應(yīng)器。通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備有通風(fēng)式、氣升式、鼓泡式、自吸式、通風(fēng)固相發(fā)酵設(shè)備等多種類型，可用于傳統(tǒng)發(fā)酵工業(yè)與現(xiàn)代生物工業(yè)中各行業(yè)。7.3.1機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐，是指既具有機(jī)械攪拌又有壓縮空氣分布裝置的發(fā)酵罐(見圖7-9)，目前最大的通用式發(fā)酵罐容積約為480m3。7.3.1.1機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)川牌口湄 1 申川牌口湄 1 申a——小型通用式發(fā)酵；b——大型通用式發(fā)酵罐7.3.1.2機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的混合與攪拌

機(jī)械攪拌罐的混合主要是通過機(jī)械攪拌來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械攪拌不僅可促使培養(yǎng)基混合均勻，而且有利于增加氣液接觸面積，提高溶氧速率。對(duì)于雙液相反應(yīng)體系可提高液-液接觸面積，另外還可促進(jìn)傳熱與固形物料的懸浮。一、攪拌器的型式與攪拌流型攪拌器可以使被攪拌的液體產(chǎn)生軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)，不同類型的攪拌器產(chǎn)生的兩種流向，側(cè)重也不相同。生物反應(yīng)器中常使的攪拌器型式有：螺旋槳、平槳、渦輪槳、自吸式攪拌槳和柵狀攪拌槳等。二、攪拌功率的計(jì)算機(jī)械攪拌發(fā)酵罐中的攪拌器軸功率與下列因素有關(guān)：攪拌器直徑q(m)、攪拌轉(zhuǎn)速N(r/min)、液體密度P(kg/m3)、液體粘度u(Pa-s)、重力加速度g(m/s2)、攪拌罐直徑D(m)、液柱高度H(m)以及檔板條件(數(shù)量、寬度和位置)等。由于攪拌罐直徑和液柱高度與攪拌器直徑之間有一定比例關(guān)系，可不作獨(dú)立變量，于是P=fQ，N，P，、g) (7-37)對(duì)于牛頓型流體，通過因次分析可得如下關(guān)聯(lián)式N廣朋方啖 (7-38)(7-39)(7-39)式中：Np為功率準(zhǔn)數(shù)，其物理意義為機(jī)械攪拌力與慣性力之比;ReM為攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)，其物理意義為慣性力與粘滯力之比；FrM為攪拌弗魯特準(zhǔn)數(shù)，其物理意義是攪拌加速度與重力;K為與攪拌器形式、反應(yīng)器幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)當(dāng)Rem<10,X=-1，液體處于滯流狀態(tài)，(7-40)當(dāng)R/104，液體處于湍流狀態(tài)

P=^Dfp(7-41)這些K值均為在H/D=1,D/Di=3,D/W=10的條件下測(cè)定的。當(dāng)不符合此條件時(shí)，攪拌功率可用下式校正：1忡寸區(qū)㈣尸(7-43)71 ( )如果已知(D/Di)=3，(H/Di)=3，貝QL哲土棲(7-44)式中，f為校正系數(shù)，式中帶*號(hào)的為代表實(shí)際攪拌設(shè)備情況。對(duì)于大型發(fā)酵罐，同一軸上往往安裝多層攪拌器，對(duì)于多層攪拌器的功率可用下式計(jì)算。^=F[l+0.6(；m-削=7<0.4+0.血) (7-45)式中m為攪拌器層數(shù)。以上是不通風(fēng)時(shí)攪拌功率的計(jì)算。通風(fēng)時(shí)攪拌器的軸功率消耗降低，其降低程度與通風(fēng)量Qg[m3(工作狀態(tài))/min]及液體翻動(dòng)量Q(m3/min)(Q-N-d3)等因素有關(guān)。Michel等人提出了應(yīng)用較廣泛的通風(fēng)時(shí)的攪拌功率Pg與工作變量間的經(jīng)驗(yàn)公式：045(7-46)045(7-46)式中，Di/D=1/3時(shí)，K'=0.157；Di/D=2/3時(shí)，K'=0.113；Di/D=1/2時(shí)，K'=0.101。通風(fēng)時(shí)的攪拌功率也可利用下式計(jì)算。祐罰.口我 PjP=\-\.2.Wa(7-47)0.035,耳包-1.85油 (7-48)式中Na為通風(fēng)準(zhǔn)數(shù)，其代表發(fā)酵罐內(nèi)空氣的表觀流速與攪拌器葉端速度之比，可表示為：

此=務(wù)/^=冬(7-49)二、攪拌功率的計(jì)算選用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器。若取D/Di=3.5，則攪拌器直徑：Di=D/3.5=3.4/3.5=0.97(m)取Dj=0.95m，則實(shí)際D/d=3.4/0.95=3.58。(3)因攪拌器葉端圓周線速度取值范圍一般在3-8m/s，取7.5m/s，則攪拌轉(zhuǎn)速(3)?7=—=一—一=2必=頊r/inin瑚3.14x0.95設(shè)發(fā)酵液密度P=1080kg/m3，粘度□二2X10-3Pa?s，則雷諾準(zhǔn)數(shù)為%=蟲￡羅護(hù)&弋保=頃如(4)聲 2k10-jS因?yàn)镽em>104，屬湍流狀態(tài)，查表7-7，六彎葉渦輪攪拌器的K=4.8，所以單層攪拌功家^=^7V3^/?=4.Sx2.55x0.95ixl080=62.7W由于實(shí)際裝液量為75%，液深Hl=8.54m，則實(shí)際比例尺寸(D/D「*二4.3/0.95=3.58，斗/Dj=8.54/0.9^=8.99，由(7-44)式，’―而前函訐展J (6)=上出德卻如2,7=U鼎砂3選用三層攪拌器，m=3。攪拌器層間距取s=y=3如gs=爵弘 (7)三層攪拌器時(shí)的攪拌功率(由7-45式):%=^0.4+0.6^)=119(0,4+0.6x3f)=面做(8)二 …*準(zhǔn)數(shù)、。臨2.5x0.933

所以由式(7-49)TOC\o"1-5"\h\z=B：0.62-1.357^)=2(52k(0.62-1.85x0.120)=10W (10)考慮到傳動(dòng)部分的功率損失及端面軸封增加功率損耗等因素，則所需電機(jī)功率為^=1.2x^=1.2x105=12^ (11)故選用130KW電機(jī)三、傳熱面積的計(jì)算以谷氨酸發(fā)酵熱甲=75叩x4,送汨心.擠＞皿眇晶’計(jì)，則總熱負(fù)荷g=^x^=87a0K75=6.53xl05^ (12)發(fā)酵溫度T=32°C，冷卻水進(jìn)出口溫度分別為匕=20^,匕=23°C，則對(duì)數(shù)平均溫度差為 1 2=10.4C(13)=10.4C(13)設(shè)總傳熱系數(shù)K=550W/m2，則所需傳熱面積(按管內(nèi)表面計(jì))為=竺互=114拼 (15)艾虹J55OX10.4校核傳熱系數(shù)K，滿足傳熱面積要求，則傳熱面積計(jì)算完畢。選用6組①76X4不銹鋼管。表7-8給出了幾種規(guī)格發(fā)酵罐性能的比較。7.3.2氣升式和鼓泡式反應(yīng)器氣升式和鼓泡式反應(yīng)器與機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器的不同在于無機(jī)械攪拌。這類反應(yīng)器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氧傳遞效率高，耗能低，安裝維修方便等。7.3.2.1氣升式反應(yīng)器氣升式反應(yīng)器有多種形式，比較典型的兩種形式如圖7-12?？諝庠趪娮炜谝?50?300m/s的高速噴入環(huán)流管。由于噴射作用，氣泡被分散于液體中，上升管內(nèi)的反應(yīng)液比重較小，加上壓縮空氣的動(dòng)能使液體上升，罐內(nèi)液體下降進(jìn)入上升

管，形成氣一液混合流連續(xù)循環(huán)流動(dòng)。罐內(nèi)培養(yǎng)液中的溶解氧由于菌體的代謝而逐漸減少，當(dāng)其通過環(huán)流管時(shí)，由于氣一液接觸而被重新達(dá)到飽和。氣升式反應(yīng)器示意圖氣升式反應(yīng)器示意圖氣升式反應(yīng)器已在有機(jī)酸（如檸檬酸、衣康酸等）、酵母及氨基酸等工業(yè)中應(yīng)用。7.3.2.2鼓泡式反應(yīng)器最簡(jiǎn)單的鼓泡式發(fā)酵罐內(nèi)部為一空塔，塔的底部用一篩板或氣體分布器來分布?xì)怏w。其工作原理是利用通入培養(yǎng)基中的氣泡在上升時(shí)帶動(dòng)液體而產(chǎn)生混合，并將氣泡中的氧傳入培養(yǎng)基中供菌體利用。高位篩板式反應(yīng)器示意圖高位篩板式反應(yīng)器示意圖7.3.3自吸式反應(yīng)器自吸式反應(yīng)器是一種不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過程中自吸入空氣的反應(yīng)器。該反應(yīng)器最關(guān)鍵部件是帶有中央吸氣口的攪拌器。攪拌器葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片不斷排開周圍的液體使其背側(cè)形成真空，由導(dǎo)氣管吸入罐外空氣，吸入的空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)檔板折流涌向液面，均勻分布。由于空氣靠反應(yīng)液高速流動(dòng)形成的真空自行吸入，氣液接觸良好，氣泡分散較細(xì)，因而溶氧系數(shù)較高。自吸式反應(yīng)器的缺點(diǎn)是進(jìn)罐空氣處于負(fù)壓，因而增加了染菌機(jī)會(huì)。7.3.4通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備根據(jù)固態(tài)發(fā)酵中通風(fēng)方式與物料所處狀態(tài)的不同，通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備可分為靜置培養(yǎng)用發(fā)酵設(shè)備、通風(fēng)培養(yǎng)用固態(tài)發(fā)酵設(shè)備和流化床式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備。根據(jù)操作方式的不同，通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備又可分為分批式和連續(xù)式兩類。7.3.4.1分批式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備厚層通風(fēng)制曲裝置是目前國(guó)內(nèi)使用較多的分批式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備（圖7-15）。制盒曲的曲盒，制簾子曲的簾子等是最簡(jiǎn)單，且古老實(shí)用的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備。另外，一些現(xiàn)代化的固態(tài)發(fā)酵設(shè)備，如自動(dòng)化制曲裝置和流化床式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備早已工業(yè)化應(yīng)用。圖7-15厚層通風(fēng)制曲裝置示意圖7.3.4.2連續(xù)式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備連續(xù)式發(fā)酵設(shè)備有塔式，轉(zhuǎn)鼓式和回轉(zhuǎn)式等多種形式。塔式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備外形為塔式，內(nèi)有兩至六層塔板，培養(yǎng)物料從上而下分級(jí)傳輸，在每一層塔板上發(fā)酵一定時(shí)間后傳輸至下一層，傳送方法有多種。轉(zhuǎn)鼓式通風(fēng)固態(tài)發(fā)酵設(shè)備外形為放倒的園柱體。圓柱體慢慢地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使內(nèi)部物料隨之翻動(dòng)，起到通風(fēng)攪拌的作用。若將圓柱形殼體略做頃斜放置，可使物料連續(xù)慢慢地向較低一端移動(dòng)，通過在較高一端不斷補(bǔ)料，形成固態(tài)連續(xù)發(fā)酵?；剞D(zhuǎn)式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備為一圓環(huán)形裝置（圖7-16），外徑37m，裝料量為400m3,圓環(huán)形發(fā)酵裝置旋轉(zhuǎn)一周46h，發(fā)酵時(shí)間42h，其余為輔助時(shí)間?；剞D(zhuǎn)式固態(tài)發(fā)酵設(shè)備示意圖7.4嫌氣發(fā)酵設(shè)備與動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器7.4.1嫌氣發(fā)酵設(shè)備7.4.1.1酒精發(fā)酵設(shè)備酒精、啤酒和丙酮丁醇溶劑等類同，屬嫌氣發(fā)酵產(chǎn)品。酒精發(fā)酵罐一般為圓柱形的筒體，底蓋和頂蓋為碟形或錐形。發(fā)酵罐宜采用密閉式。罐頂裝有人孔，視鏡及二氧化碳回收管，進(jìn)料管，接種管，壓力表和測(cè)量?jī)x表接口管等。罐底裝有排料口和排污口，罐身上下部裝有取樣口和溫度計(jì)接口，對(duì)于大型發(fā)酵罐，為了便于維修和清洗，靠近罐底處也裝有人孔。對(duì)于冷卻裝置，中小型發(fā)酵罐多采用罐頂噴水淋于罐外壁表面進(jìn)行膜狀冷卻；對(duì)于大型發(fā)酵罐，罐內(nèi)裝有冷卻蛇管或采用罐內(nèi)安裝蛇管和罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻裝置的方法，也有采用罐外列罐式噴淋冷卻或者通過循環(huán)冷卻的方法。為回收冷卻水，在罐體底部沿罐體四周裝有集水槽。酒精發(fā)酵罐的洗滌，過去均由人工操作，如今，已逐步采用水力噴射洗滌裝置。7.4.1.2啤酒發(fā)酵設(shè)備傳統(tǒng)的啤酒前發(fā)酵設(shè)備大多為方形或長(zhǎng)方形（個(gè)別也有立式圓桶形）的槽子。發(fā)酵池大部分為開口式，容積為10-100m3（相當(dāng)于1-3次冷卻麥汁容積的1.2倍），槽高1.5~3m，槽充滿系數(shù)為80%（冷卻麥汁高度加上0.35m泡沫高度）。前發(fā)酵池可為鋼板制，常見的采用鋼筋混凝土制成，也有用磚砌，外面抹水泥的發(fā)酵槽。槽內(nèi)均涂布涂料作為保護(hù)層。為維持槽內(nèi)的低溫，在槽中裝有冷卻蛇管式排管。前發(fā)酵的冷卻面積，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于下面啤酒發(fā)酵可取每立方米發(fā)酵液約為0.2m2冷卻面積，蛇管內(nèi)通入0?0.2°C的冰水。后發(fā)酵槽又稱儲(chǔ)酒罐，是金屬的圓筒形密閉容器，有臥式和立式兩種，一般采用臥式。由于后發(fā)酵過程殘?zhí)禽^低，發(fā)酵溫和，產(chǎn)生發(fā)酵熱較少，故槽內(nèi)一般無需再裝置冷卻蛇形管，后酵產(chǎn)生的發(fā)酵熱借室內(nèi)低溫將其帶走。后發(fā)酵槽槽身裝有人孔、取樣閥、進(jìn)出啤酒接管、排出二氧化碳接管、壓縮空氣接管、溫度計(jì)、壓力計(jì)和安全閥等附屬裝置。如今啤酒行業(yè)中廣泛采用的啤酒發(fā)酵設(shè)備是圓筒體錐底發(fā)酵罐（常稱錐形罐）。其優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵速度快，易于沉淀收集酵母（下面酵母），減少啤酒及其苦味物質(zhì)的損失，泡沫穩(wěn)定性得到改善，對(duì)啤酒工業(yè)的發(fā)展極為有利。目前國(guó)內(nèi)最大的錐形罐在600-700m3之間。錐形罐啤酒發(fā)酵工藝有單釀罐法和雙罐法兩類，前者是指前發(fā)酵、主發(fā)酵、儲(chǔ)酒全部在一個(gè)罐中完成，后者則指在兩個(gè)罐中完成上述工藝過程。7.4.1.3嫌氣連續(xù)發(fā)酵設(shè)備生物工業(yè)中的嫌氣連續(xù)發(fā)酵設(shè)備主要指啤酒連續(xù)發(fā)酵設(shè)備和酒精連續(xù)發(fā)酵設(shè)備。啤酒連續(xù)發(fā)酵設(shè)備主要有塔式和多罐式兩類。此類啤酒連續(xù)發(fā)酵裝置在歐美日有較詳細(xì)的研究報(bào)道。酒精連續(xù)發(fā)酵是連續(xù)操作技術(shù)在發(fā)酵工業(yè)中成功應(yīng)用的實(shí)例之一。酒精連續(xù)發(fā)酵采用的設(shè)備有：?jiǎn)喂捱B續(xù)攪拌發(fā)酵罐；酵母回用連續(xù)攪拌發(fā)酵罐；透析發(fā)酵罐；固定化酵母發(fā)酵罐；萃取發(fā)酵系統(tǒng)；膜回收酒精發(fā)酵系統(tǒng)，連續(xù)真空發(fā)酵系統(tǒng)；中空纖維發(fā)酵系統(tǒng)；多只發(fā)酵罐連接的連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)等。7.4.2植物和動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)植物細(xì)胞的培養(yǎng)已可在工業(yè)規(guī)模生化反應(yīng)器中進(jìn)行。動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)是指動(dòng)物或植物細(xì)胞在體外條件下進(jìn)行繁殖，此時(shí)細(xì)胞雖然生長(zhǎng)與增多，但不再形成組織。動(dòng)植物細(xì)胞與微生物細(xì)胞有明顯的區(qū)別，首先動(dòng)物細(xì)胞無細(xì)胞壁，動(dòng)植物細(xì)胞對(duì)環(huán)境影響十分敏感。培養(yǎng)中動(dòng)植物細(xì)胞對(duì)培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)要求相當(dāng)苛刻，并且生長(zhǎng)緩慢。所以動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)體系需要嚴(yán)格防止雜菌污染。7.4.2.1植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器用于植物細(xì)胞培養(yǎng)的核心設(shè)備稱為植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器。此類反應(yīng)器與微生物發(fā)酵用反應(yīng)器有許多相同之處，亦采用通用式發(fā)酵罐、鼓泡式發(fā)酵罐、氣升式反應(yīng)器、流化床式反應(yīng)器、固定床式反應(yīng)器、膜反應(yīng)器及振動(dòng)混合反應(yīng)器等。植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器已從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的1-30L放大到工業(yè)性試驗(yàn)規(guī)模130-20000L。植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，可采用通風(fēng)發(fā)酵設(shè)備的放大方法來進(jìn)行。上述煙草細(xì)胞培養(yǎng)用20m3反應(yīng)器就是以ka為基準(zhǔn)的比擬放大方法設(shè)計(jì)制造的。表7-9列舉了日本專賣公司煙草細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器的ka值。實(shí)驗(yàn)室規(guī)模反應(yīng)器的ka值范圍在12?35h-i，以其為基準(zhǔn)放大后，在20m3反應(yīng)器中獲得的最大比生長(zhǎng)速率口max=0.044h-i，其與實(shí)驗(yàn)室（15L反應(yīng)器）的結(jié)果完全一致。7.4.2.2動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器有多種形式，這些反應(yīng)器都是針對(duì)動(dòng)物細(xì)胞無細(xì)胞壁，不能耐受強(qiáng)烈攪拌與通風(fēng)的剪切力而設(shè)計(jì)制造。7.4.2.2.1動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器由于動(dòng)物細(xì)胞無細(xì)胞壁保護(hù)，采用一般發(fā)酵罐的攪拌槳葉攪拌液體時(shí)液體間的剪切力往往過大而破壞細(xì)胞，因此，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器時(shí)依靠磁力驅(qū)動(dòng)的攪拌器低轉(zhuǎn)速攪拌，攪拌槳有用尼龍絲編織帶制成船帆形，或通過插入溶液中的硅膠管使氧氣擴(kuò)散到培養(yǎng)液內(nèi)。7.4.2.2.2動(dòng)物細(xì)胞貼壁培養(yǎng)反應(yīng)器多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞需附著在固體或半固體表面才能生長(zhǎng)，細(xì)胞在載體表面上生長(zhǎng)并擴(kuò)展成一單層，所以貼壁培養(yǎng)又稱單層培養(yǎng)。傳統(tǒng)的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器是滾瓶，利用滾瓶的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，使動(dòng)物細(xì)胞在滾瓶?jī)?nèi)壁貼壁生長(zhǎng)繁殖。20世紀(jì)70年代開發(fā)出的中空纖維培養(yǎng)裝置進(jìn)行動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞密度可達(dá)109cells/ml數(shù)量級(jí)。中空纖維培養(yǎng)裝置的主要組成是中空纖維管，中空纖維管內(nèi)徑為200^m，壁厚為50^m，只能讓氧與二氧化碳等小分子自由地透過纖維膜雙向擴(kuò)散，而中大分子有機(jī)物不能透過。動(dòng)物細(xì)胞貼附在中空纖維管外壁生長(zhǎng)，可很方便地獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶氧。7.4.2.2.3動(dòng)物細(xì)胞微載體培養(yǎng)反應(yīng)器動(dòng)物細(xì)胞微載體培養(yǎng)是細(xì)胞附著和生長(zhǎng)在懸浮于培養(yǎng)液中的微珠表面，借助于溫和攪拌，使細(xì)胞均勻分布的一種培養(yǎng)方法。這種培養(yǎng)方法是將單層培養(yǎng)和懸浮培養(yǎng)結(jié)合起來，具有放大容易、細(xì)胞所處環(huán)境均一等優(yōu)點(diǎn)。攪拌系統(tǒng)是微載體培養(yǎng)反應(yīng)器中的重要組成部分。采用的攪拌器有螺旋槳、擺動(dòng)混合式、帶有流動(dòng)導(dǎo)向口的轉(zhuǎn)筒式等，攪拌轉(zhuǎn)速在0-80r/min之間。7.4.2.2.4海藻培養(yǎng)光合生物反應(yīng)器海洋生物包括海洋動(dòng)物（如魚、蝦、貝等）、海洋植物（如大藻和微藻）和海洋微生物。由于微藻在多種領(lǐng)域中的重要應(yīng)用價(jià)值，使人們對(duì)微藻的開發(fā)與利用寄托厚望。由于微藻主要是光能自養(yǎng)型，它是通過光合作用來生長(zhǎng)，因此除需要常規(guī)微生物發(fā)酵相近的條件外，還需光照和氧解析，并大量供應(yīng)二氧化碳。典型且常用的微藻培養(yǎng)光合反應(yīng)器是敞開式跑道池，自20世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)出來，至今基本未變，唯一變化之處是對(duì)其混合系統(tǒng)進(jìn)行過改進(jìn)。這類反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是成本低、建造容易；但其缺點(diǎn)也非常突出，如：培養(yǎng)效率低、培養(yǎng)條件無法控制、易污染、雨水會(huì)使培養(yǎng)基稀釋、反應(yīng)器中水分蒸發(fā)量大和能夠進(jìn)行生產(chǎn)的期間短（如北方冬天不能生產(chǎn)）等。封閉式光合反應(yīng)器的研制開發(fā)已有幾十年歷史。雖然封閉式光合反應(yīng)器與敞開式反應(yīng)器相比，具有培養(yǎng)效率高、培養(yǎng)條件易于控制、無污染、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)和適合于所有微藻的培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其取得實(shí)際研究進(jìn)展是近幾年的事。封閉式光合反應(yīng)器按其接收光的方式可分為兩大類:一類是外部光源，另一類是內(nèi)部光源。外部光源封閉式光合反應(yīng)器大部分處于中試規(guī)模，體積達(dá)10m3，面積達(dá)幾百m2，大多為管道式和板式，也有罐式的。內(nèi)部光源封閉式光合反應(yīng)器在國(guó)外也有產(chǎn)品出售。這種反應(yīng)器已全部實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。反應(yīng)器形式有多種，如罐式、管式等。近幾年還開發(fā)出透析式。7.5生物反應(yīng)器的比擬放大7.5.1生物反應(yīng)器放大的目的及方法7.5.1.1生物反應(yīng)器放大的目的生物反應(yīng)器是生物技術(shù)開發(fā)中的關(guān)鍵性設(shè)備，每一種通過生物反應(yīng)獲得的產(chǎn)品都離不開它。一種生物工業(yè)過程的成功，很大程度上依賴于所用反應(yīng)器的效率。小型和大型生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的不同點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)用小型反應(yīng)器生產(chǎn)用反應(yīng)器功率消耗不必考慮需認(rèn)真對(duì)待反應(yīng)器內(nèi)空間因大量的控制、檢測(cè)裝置占去一定空間無此影響混合特性可不必考慮需認(rèn)真對(duì)待換熱系統(tǒng)較易解決較難解決7.5.1.2生物反應(yīng)器的放大方法生物反應(yīng)器的放大方法可分為：（1）數(shù)學(xué)模擬放大；（2）因次分析法放大;（3）經(jīng)驗(yàn)法則放大（包括反復(fù)實(shí)驗(yàn)法、部分解析法放大等）。應(yīng)指出的是，在發(fā)酵工業(yè)中，為增加產(chǎn)量，有時(shí)不是通過設(shè)計(jì)新的更大的發(fā)酵罐來完成，而是通過制造與現(xiàn)有設(shè)備類同的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的，這是一種保守而又保險(xiǎn)的方法。從中也可以看出發(fā)酵工業(yè)的放大過程更多的講究“藝術(shù)”。好氧生物反應(yīng)器放大的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則有：（1）以單位發(fā)酵液體積所消耗的功率為基準(zhǔn)的方法；（2）以氧的容積傳質(zhì)系數(shù)相等為基準(zhǔn)的方法；（3）以攪拌器葉端速度相等為基準(zhǔn)的方法；（4）以氧的分壓相等為基準(zhǔn)的方法；（5）以溶解氧濃度相等為基準(zhǔn)的方法等。由于溶解氧濃度直接影響微生物的活性，所以以溶解氧濃度為基準(zhǔn)的放大方法可能是較完善的方法，這種方法是建立在可信賴的溶解氧濃度的測(cè)定技術(shù)之上的。7.5.2通風(fēng)發(fā)酵罐的放大例題：有一5m3生物反應(yīng)器，罐徑為1.4m，裝液量4m3，液深2.7m，采用六彎葉渦輪攪拌器，葉徑為0.45m，攪拌轉(zhuǎn)速N=190r/min，通風(fēng)比1:0.2，發(fā)酵液密度為1040kg/m3，發(fā)酵液粘度為1.06厘泊，現(xiàn)需放大至50m3罐進(jìn)行生產(chǎn)，試求大罐尺寸和主要工藝條件。解：一、小罐工藝參數(shù)攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)聲1.06x10^/9.81屬湍流，由表7-7可知，K=4.8。由式7-42P=域％=4.8x（1如楓驢x（0.45）^xl06=302屹血=2%牌由7-45式，求兩檔攪拌器時(shí)消耗的功率，弓=5<0.4+0.6ra）=302（0.4+0.6x2）=433kg.m/5=4.74kf7通風(fēng)量：Qgl=0.2x4.0=Ci.Sm3/tnin通風(fēng)準(zhǔn)數(shù)：醞i=― = :——=4.62X10-3>0.035M口3 190k0.453所以，=^（0.62-1.8^3!）=^l83（p.62 0.0462）=m=252kW單位培養(yǎng)液體積消耗功率%]/改1=353/4=，您'〕=[JE3k砂/'n?小罐中的氣體空塔速度=—@1p= —-=0.^20m/min=S.67x10-3m/5S歸）"0.7S5